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基于GIS卫勤保障辅助决策系统设计与构建
时间:2015-07-18    评论:0

    来源:第三维度
    作者:戴阳,金永生,姜成华,扈长茂,胡 锋,刘文宝
    单位:第二军医大学卫生勤务学系卫生勤务学教研室
          药学院有机化学教研室
          上海时博飞奥自控系统有限公司

     [摘要] 目的:提高高技术战争条件下卫勤保障反应能力及卫勤指挥质量和速度?方法:基于地理信息系统,在军事医学地理?医学生物工程?计算机技术?信息管理科学等理论的指导下构建系统,同时给予相关数学模型以实现预先设计的功能?结果:系统实现了查询?统计?分析等功能,并以医疗后送子系统为例实现了后送最短路径选择的辅助决策功能?结论:系统对卫勤指挥人员所提供的必要的查询以及辅助决策等功能,会为提高卫勤指挥质量和速度,保证取得战争胜利,起到重要的辅助作用?

    地理信息系统(geographic information system,GIS)是通过对地理数据的集成?存储?检索?操作和分析,生成并输出各种地理信息,从而为各管理部门提供新知识以及辅助决策的计算机系统[1]?

    由于具有大规模?综合性地管理与地理分布相关的空间信息,并对信息进行空间查询和分析的能力,在处理与地理要素相关的模拟中具有极大的优越性,已被各国广泛应用于军事战场仿真?后勤物资保障?军事培训等几乎所有军事领域,完全适用于现代高技术战争?为提高高技术战争条件下卫勤保障反应能力,本研究基于 GIS利用其处理地理要素的优越性,在军事医学地理?医学生物工程?计算机技术?信息管理科学等理论的指导下,设计与构建了基于 GIS的卫勤保障辅助决策系统(以下称为系统)?

    1 设计目标及原则

    1.1 设计目标

    系统以卫勤指挥为研究对象,以卫生勤务保障需求分析为基础,依据国家统一规范和数据格式,以 GIS?MIS和多媒体技术为支撑建立起来?基本目标是:

    ⑴建立军事医学地理以及军地卫生保障能力的基础数据库,实现与地方卫生信息的统一管理和资源共享的目标;

    ⑵实现对军事医学地理?军队卫生资源等信息的检索查询?数据统计?空间分析以及输出等目标;

    ⑶最终为信息化条件下卫勤保障的决策分析提供技术支持?

    1.2 设计原则

    ⑴科学性与可靠性,所有资料准确可靠,系统有很强的容错和处理突发事件的能力;

    ⑵完备性与可操作性具有全面完整的军事医学地理数据?军地卫生资源属性与空间数据库和完善的信息处理功能,整个系统易学易懂,操作简便?灵活;

    ⑶规范性与开放性,建立一个与国内标准接轨的标准数据库,实现库内信息可通过网络进行远程传输?具有一定的扩展性,可随战争形势发展和医疗技术进步,增加新模块时现有模块可不做大的改动?

    2 系统总体设计

    根据对高技术条件下卫勤保障军事医学地理需求分析,采用模块化设计技术和数据库技术进行系统设 计?以 MapObject为 基 本 开 发 工 具,以 SDE(空间数据引擎)和大型数据库(SQLserver)作为服务端来构建应用系统?  选用 VB作为二次开发语言,形成系统框架模型(图1)?

图1 系统总体框架图

    2.1 模块化设计

    模块化是将一个系统分解为若干个标准化的构件或模块,再按照一定的要求采用一定的方法组合成各种各样的集合体,以达到便于组装?更换和使用的目的[2]?可使系统灵活性增大?适应性增强?可靠性提高?本系统按其功能结构由空间数据管理子系统?卫生需求预测子系统?资源配置子系统?药材供应子系统?医疗后送子系统五个模块组成?

    2.2 数据库设计

    数据库是系统的基础?设计时通过数据分层?图块管理?属性编码和空间索引设计,建立空间数据库?然后根据数据流程图分析,建立概念数据库模式,并将其转换成逻辑数据库模式,进行属性数据库设计,最后建立空间数据库和属性数据库的连接关系?根据这一设计原则,系统建立了以下空间和属性数据库:空间数据库分为图形库(主要包括城市行政区划;主要作战减员点分布图;

    各救治机构?药材供应点分布图及道路交通图等)和有关作战和卫生资源的图像库?影像资料库?属性数据库主要包括各救治机构可提供医疗救治种类?专业卫生人员数量?最大容量?药材供应点储备药品数量及供应能力等?

    2.3 系统功能设计

    2.3.1 系统的基本功能

    (1)数据库功能:将卫勤保障所需的作战部署?卫生资源等大量数据,按一定的数据模型组织?描述后长期储存在计算机内,目的是一方面可查询卫勤保障的基本信息,另一方面为进一步的功能实现提供基础数据?

    (2)数据输入功能:卫勤保障所需的普通地图?遥感图像等通过数字化输入功能将其转换成数字化格式,形成高质量的数字地图,存储于系统相关位置,方便查询或进行统计分析?其他数据源如文字?表格资料(救治机构服务范围?容量等)可通过键盘输入?

    (3)制图显示功能:制图显示允许用户从数据库里摘选必要的卫生资源项目素材,如空间特征?属性等要素,在屏幕或其他设备上快速生成直观地图或打印生成文本图像文件?

    2.3.2 子系统及功能

    (1)需求预测子系统:对卫生资源需要量进行预计,并可在战时随时调整预计量?实现方法:在作战区域地理空间数据?作战任务?时间等资料数据的基础上,叠加伤病员预计数,选择统计模块中的预计公式或模型,计算后输出卫生需 求 预 计 量? 战 时 则 可 通 过 全 球 定 位 系 统(GPS)?遥感(RS)将伤病员数?伤情的现实数据输入系统,利用系统空间统计分析功能,随作战进行实时输出调整后的战区卫生需求预计量?

    (2)资源配置子系统:可平衡作战区域内救治机构网点并合理分配各救治机构服务面积?实现方法:提取数据库中已有救治机构空间位置?作战部队分布数据?伤病员数据?街区数据叠加形成分布图,根据邮政编码将人员分配到不同服务区(所谓服务区是指每个救治机构的服务面积),监测每个救治机构现服务多少人员,如服务人员过多则可利用系统的“Allocation”功能寻找最合适地点建立新的救护所,并重新分配人员?随着新救治点位置的确立,系统可以自动重新分配每个救治点的服务区和人员数,实现资源的最优化配置?

    (3)药材供应子系统:包括药材需要量预计?药材资源配置?药材筹措?药材补给等功能?在上述数据基础上,叠加药材供应相关数据,实现管理目标?

    (4)医疗后送子系统:提供医疗后送的最短或最佳路线选择,并具有处理突发事件的能力,如道路被炸毁或救治机构被损毁时路线的应急调整?

---PageCutFlag---

    2.4 实例

    组织伤病员有效后送中关键内容之一是后送最短路径的规划,其主要目的是寻求道路网络中的救治机构与减员点两点之间的最优路径[3],使伤病员在实施抢救的黄金时间内将其安全后送至合理的救治机构?为解决这一问题,本研究在利用GIS网络分析功能的基础上给予系统最短路径算法模型,使系统实现了后送过程中最短路径的选择?

    2.4.1 GIS网络分析功能

    网络分析中网络主要是由链?障碍?拐角点?中心和站点组成?基于 GIS的网络 分 析 主 要 是 资 源 分 配 模 型 和 路 径 选 择 模型[4]?在伤员后送问题中资源分配模型属四周向中心集中方式;路径选择模型是在确定后送的合理救治机构的基础上,求出该减员点伤病员后送的最佳路径,目标是最短时间?

    2.4.2 伤病员后送最短路径分析模型

    经典的最短路径 Dijkstra算法是目前多数系统解决最短路径问题的基础理论,大约有17种算法,其中 DKA(the Dijkstra’salgorithm implemented with approximatebuckets)和 DKD(theDijkstra’salgorithmimplementedwithdoublebuckets)法在计算两点之间的最短距离有着一定的优势[5]?通过比较,本研究采用已经得到验证的outofkilter算法[6,7]:令所有结点的外部流量均为零,而在每一个结点上要有流量守恒关系,得出该问题的线性规划模型为:

    其流量守恒关系为:

    其中:S.T.-受约束为(subjectto);xij-网络道路(i,j)的流;cij-网络道路(i,j)运输单位流量的耗时;τij-网络道路(i,j)的流量的下界;μij-网络道路(i,j)的流量的上界;m-网络中节点的数目?  由问题而构建的对偶模型为:

    其中:∏i-与(1)式中定点i的约束联系的对 偶变量;μij-与xij≥τij相联系的对偶量;hij-与xij≤τij相联系的对偶量?由此可得公式(1)和公式(2)之间的互余松弛条件:


    由此可做出其互余松弛图如图2?图2提供了网络分析算法的基础,它是通过不断调整网络中各边的流xij或对顶点对应的∏i数,使之达到最优条件的(α,β,γ)状态-无暇疵状态,从而求得该问题的最优解?


图2 弧的互余松弛图(优化状态图)

    2.4.3 伤病员后送最短路径模拟实现

    (1)建立数据库:①作战区域数据,属性数据包括作战范围和损毁程度;②作战点分布数据,属性数据包括作战任务?参战人数和减员预计量,交通工具性质及数量等;③救治机构分布数据,属性包括救治范围?救治容量及阻值限制;④道路交通图数据,道路属性包括各种路况信息,如道路类型等级?考虑到天气情况的顺逆方向行驶速度;预设作战区域减员点和救治机构点均置于交通路线上?

    (2)路阻计算:根据交通图层中道路属性和转弯信息(道路类型?等级?转弯角度),计算每条弧段的路阻以及转弯阻抗,为最短路径计算提供道路阻力值?根据生理学研究证明,创伤的自我保护期为30min,是实施抢救的黄金时间,故伤病员后送中时间是第一重要因素,因此路阻是通行所需时间?根据运行的正反方向,可设置不同的时间阻值?

    (3)最短路径选择:最短后送路线是指确保伤病员在最短时间里安全后送至救治机构,在确定各减员点应后送至的救治点后,叠加算法模型,即可求得该减员点后送的最短路线?(4)紧急事件处理:紧急事件使原有后送网络系统状态发生了变化?通过调整网络状态属性重新计算,即可得到新状态下的后送路线?如道路被炸毁时,将该道路弧段的时间路阻赋为无穷大;救治点不能接纳伤员时,则将该救治点的容量调整为零,然后再重新进行分析即可?

    基于 GIS的伤员后送动态模拟流程图如图3所示?


图3 基于 GIS的伤病员后送动态模拟流程图

    2.4.4 应用

    图3为模拟某反空袭战区交通网络图,假定有3个可救治机构(A?B?C)及10个反空袭作战减员点(1?2?3?4?…?10);每个救治机构可救治1000人,各减员点的减员人数见表1?


表1 各减员点减员人数、后送目的救治机构及后送时间

    假定战区内所有道路属性一致,后送车辆在所有道路上行驶速度均为每小时60km,计算每条弧段(道路)的路阻(通行时间),公式如下:路阻=60×弧段长度/60;在此基础上,计算出各个减员点到应后送的救治点的后送所需的累计时间?见表1;利用最短路径分析功能,得到各个减员点后送的最短路径?以减员点5为例,其后送目的地为救治点 C,最短后送路径见图4中的粗红线,后送所需累计时间为44min?


图4 某反空袭作战区交通网络图

    3 结 论

    本系统在科学规范的前提下,采用 GIS?模块化设计?数据库设计等技术实现了检索查询?数据统计?空间分析等功能?通过实例证实,系统所具有的查询?统计?分析等功能可为信息化战争中卫勤指挥人员提供必要的信息查询以及辅助决策信息,势必会为提高卫勤指挥质量和速度,保证取得战争胜利,保护人民生命财产安全起到重要的辅助作用?

    [参考文献]

    [1] 李满春,任建武,陈 刚,等.GIS设计与实现[M].北京:科学出版社,2003.1

    [2] 刘明恒,陈盛新,冯惠坚,等.灾害救援药材保障的模块化设计研究[J].第二军医大学学报,2003,24:179183

    [3] 徐业昌,李树祥,朱建民,等.基于地理信息系统的最短路径搜索算法[J].中国图象图形学报(A辑),1998,3:3943.

    [4] 曾 文,徐世文.地理信息系统中的常规网络分析功能及相关算法[J].地球科学———中国地质大学学报,1998,23:355358

    [5] ZhanFB.Threefastestshortestpathalgorithmsonrealroadnetworks:datastructuresandprocedures[J].JGeographicInformDecisionAnal,1997,1:7082.

    [6] 魏一鸣,胡清淮.确定成下矿开拓运输系统的网络算法模型[J].昆明工学院学报,1995,20:1521.

    [7] 黄诗峰,魏一鸣,杨存建,等.灾民撤退网络流模型及其 GIS模拟技术[J].自然灾害学报,1998,7:6570

标签:GIS军事卫勤决策
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