超高并发核酸检测管理系统的设计与实现_夏寒.pdf

803中国卫生资源 2022年11月 第25卷 第6期http:/超高并发核酸检测管理系统的设计与实现夏寒1，冯骏2，张玮2，周娟2，夏天11上海市疾病预防控制中心，上海 200336；2.上海市卫生健康委员会，上海 200125【摘要】着重介绍核酸检测管理系统在低成本下处理高并发业务的建设难点、功能实现、应用成效，旨在为相同应用场景提供借鉴及参考。基于千万级人口核酸检测中的极端超高并发，针对采样现场网络易拥堵、“平急”并发量差异悬殊、转运过程难追踪等实际问题，采取“前置计算、静态提供、用后更新”的核酸码生成模式，解决突发应急状态下的超高并发压力。通过“登记码”“样本编码”“转运箱码”“封箱码”的关联与管理，规范登记、采样、转运、接收、检测、查询各业务要素的责任主体与职责边界，建立高效运作的业务闭环。【关键词】新型冠状病毒肺炎COVID-19；核酸检测nucleic acid detection；管理系统management system；高并发high concurrency【引用】夏寒，冯骏，张玮，等.超高并发核酸检测管理系统的设计与实现J.中国卫生资源，2022，25（6）：803-806，812.公共卫生本文链接 http:/doi.org/10.13688/ki.chr.2022.220832为深入落实国务院联防联控机制的要求1-3，应对和防范新型冠状病毒肺炎（以下简称“新冠肺炎”）疫情风险，被赋予社会治理属性的核酸检测广泛运用于风险人群筛查，多个城市出现千万级人口全员核酸检测的极端需求4-7。经测算，千万级人口城市的日常核酸检测业务对系统并发量要求并不高，仅为每秒50次，而在全员核酸检测这一极端情况下，千万人口被要求在1 天内完成采样，并发量瞬间将超过每秒5万次7。现重点研究如何合理、科学、低成本地解决采样现场网络易拥堵、并发数据量差异悬殊、转运过程难以追踪、结果反馈时滞不便等实际问题。1核酸检测管理系统建设难点分析超大城市1 天内完成超2 000万人口的全员核酸检测是一项巨大的挑战，工作量大且容易出错8。临时（应急）采样点人流密集，需保障市民在网络拥堵的环境下顺利打开核酸码，需保障采样设备在基站拥堵以及超高并发的环境下稳定接入系统，需保障在大样本转运过程中实现过程管理的无缝衔接。信息化在核酸检测业务中发挥了重要的支撑保障作用9，但基于全员核酸检测业务的上述需求，在系统设计时亟须解决以下难点。1.1网络拥堵易发生，交叉感染风险高全员核酸检测需避免因人员聚集而导致的交叉感染。但由于采样现场电子设备密集造成的网络拥堵、基站饱和等原因，致使核酸码无法正常显示，这类情况会导致人群在采样现场的停留时间延长，从而增大交叉感染风险10。因此，不受网络影响的核酸码生成方案在避免交叉感染方面至关重要。1.2超大城市人口多，并发差异难兼顾全员核酸检测是城市疫情防控的底线措施，是在复杂疫情环境下的最后防线。怎样在合理、科学、经济的考量下，兼顾核酸检测在日常情况下每秒50次的并发量与全员核酸检测状况下每秒5万次的并发量这接近1 000倍的差异需求，既保证资源有效利用、不浪费，又保证系统稳定运行、不崩溃，这不仅对系统架构的稳定性提出了严格的要求，也对系统资源的扩展性、系统运行的可靠性，以及应急预案的匹配性提出了极高的要求。1.3样本管理多而杂，转运过程难追踪面对全员核酸检测任务，需要同时保障高效采集、样本管理清晰明确、转运过程实时可追踪。在同一批次采样登记过程中，样本类型包含单采和混采2【基金项目】2021年科技部科技创新2030-新一代人工智能重大项目“新冠肺炎疫情等公共卫生事件的智能流调研究”（2021ZD0114000）；2022年上海科委科技创新行动计划“以创新为导向的互联网+公共卫生服务可持续发展模式研究”（22692105000）【作者简介】夏寒，教授级高级工程师，硕士，主要从事卫生信息管理研究，【通信作者】冯骏，【中图分类号】R19-0；TP319 【文献标志码】A 【文章编号】1007-953X（2022）06-0803-04Chinese Health Resources，November 2022，Vol.25，No.6http:/804种模式，转运车辆无法将车辆信息与样本类型实现对应，增大了样本交接出错的概率，难以对每个样本的检测机构进行精准溯源。2核酸检测管理系统概述与功能实现2.1系统概述系统基于资源统筹的思想，以标准化的方式规范区域各级核酸检测机构的数据传输及业务流程，融合互联网思维、智能化手段，利用手机、计算机多端应用的创新，增强对供给侧、需求侧两端的有序管理，以“实名认证、网上登记、扫码即用、亮码即采、结果速查”等功能实现模式构建和指导系统模块开发。系统总体架构设计由“健康云”应用程序（applica-tion,App）11、采样客户端、转运客户端、检测信息管理系统、核酸检测专题数据资源中心（以下简称“核酸专题库”）5个部分组成12。系统总体功能组成见图1。健康服务过程中，已实现全市95%常住人口的实名认证和登记（姓名、身份证号码、联系电话这3项信息准确），对于剩余5%的未注册用户或未完成实名认证的用户，在首次使用核酸检测登记的时候，将要求实名认证，完成姓名、身份证号码、联系电话3项信息的验证。全员身份信息的准确，为全员核酸检测下的信息预处理及合理分流奠定了坚实的基础。2.2.2前置计算核酸检测二维码是检测环节的重要凭证，为分解二维码即时赋码的并发计算压力，拟采用“计算前置”的方式，在全员核酸检测的指令下达后，基于既有数据在后台预先生成全库人员的核酸检测二维码（约3 610万个），将可能存在的并发计算高峰主动前移到可控时段内解决。2.2.3主动分发核酸检测二维码的下发容易造成网络（基站）拥堵。一方面，通过简化获取二维码的业务逻辑，使原本复杂的传参赋码过程改变为文件下载的单一动作，避免过多的数据交互造成并发量成倍上升，并将3 610万个二维码分布部署于互联网静态CDN服务器14（可承受10万并发），用以承受高并发的业务访问。另一方面，简化二维码的获取渠道，对每一个注册用户，生成一条下载核酸检测二维码图片链接的手机短信，由三大运营商进行下发（经测算3 610万条短信的下发时间约为12 h）。市民通过收到的短信链接下载核酸检测二维码图片并保存在手机上，在现场采样过程中出示该图片即可完成个人信息的登记。该方案将用户申请二维码改为主动分发二维码，有效避免了核酸信息登记、赋码环节的高并发，事前登记赋码的流程，避免了采样现场网络拥堵的风险。2.3一网通办便市民，封箱转运保衔接为实现核酸检测全流程数据的可追溯，样本以转运箱的封箱作为转运标志，将对样本的个体管理转化为以“箱”为单位的批量管理，从而简化管理过程。同时与转运环节中的转运车辆、转运人员进行关联，实现以封箱及转运事件为核心的“实体”管理，保障核酸样本在采集、标识、储存与运输等全流程的安全可控15。2.3.1封箱事件与转运事件构建每一个转运箱在系统完成信息登记后，形成1个固定二维码作为唯一标识，转运车辆以车牌号为唯一标识，转运人员以系统账号为唯一标识。封箱人员（即采样人员）登录系统后通过扫描转运箱二维码和样本采样编码，实现转运箱和箱内样本的关系固定，样本装箱后打印封箱码其中“健康云”App提供个人采样登记及检测结果查询服务；采样客户端服务于采样机构，为检测个人进行采样登记；转运客户端服务于采样现场，对“封箱事件”和“转运事件”实时跟踪，实现样本运输环节的追踪；核酸检测信息管理系统，为检测机构提供样本扫描查询及检测结果录入服务；核酸检测专题库包括专题数据归集及相关接口服务，服务“一网通办”市民查询和“一网统管”政府应用，为管理部门提供采样及检测结果的条件查询与统计13。为解决全人群核酸检测过程中遇到的三大难点问题，核酸检测管理系统采取了如下解决方案。2.2前置计算二维码，短信发送免拥堵2.2.1基础数据准备“健康云”在日常核酸检测和图1核酸检测管理系统架构与功能注：App为应用程序（application）。健康云APP服务数据服务数据采集智能化核酸检测综合管理服务平台检测报告查询采样机构检测机构个人人员信息查询样本信息查询检测结果查询转运数据查询采样客户端（C/S）健康云APP检测分时预约采样信息录入（在线采集）数据采集数据服务个人检测登记离线采样信息录入采样客户端检测机构转运客户端采样机构转运机构样本扫描查询核酸检测信息管理系统管理机构预登记信息管理采样信息管理检测结果管理采样机构管理检测机构管理数据归集数据归集与管理核酸检测专题数据中心核酸检测专题数据中心离线采样数据上报离线登记码离线采样码生产使用管理采样结果采集采样数据上报转运信息采集检测结果录入支撑805中国卫生资源 2022年11月 第25卷 第6期http:/并粘贴在转运箱上，完成一个“封箱事件”的构建。转运人员（通常是转运车司机）登录系统后，录入车牌号并扫描封箱码，实现转运箱、转运车、转运人员的关联，形成一个“转运事件”的构建。2.3.2实验室无缝收样转运箱封箱码经检查完整无破损后，检测机构人员可以登录系统，通过扫描枪直接扫描“封箱码”，完成整个转运箱内所有样本的全部接收，也可逐个扫描样本编码，系统自动登记样本收样并统计样本数量，确保收样数量与对接单装箱总数一致。收样登记既可确保样本交接不出差错，又可准确记录样本的接收机构，实现过程管理的无缝衔接。2.4多途径结果查询和数据应用涵盖核酸检测全过程及结果数据的专题库有效解决了市民查询不便、联防联控信息共享延迟等问题。专题库根据业务管理要求和数据采集标准，整合和校验了核酸检测的全流程数据，实现所有条件查询与统计。再通过标准接口，支持采样机构、检测机构和“健康云”等各类系统和第三方应用的查询需求。个人登录“健康云”App，实名认证后可进入报告查询页面，或通过其他途径查询检测结果16。针对检测结果为阳性的患者，系统可及时提醒，并以标准接口的方式主动将数据推送至区域联防联控平台，从而加快疫情的响应与控制速度。多途径结果查询和数据应用实现了市民查询过程的“一网通办”与核酸检测全过程的“一网统管”17。2.5离线采样有闭环，预警机制余量足为适应在极端状况下可能存在的断网风险，研发便携式手持设备“核检通”，作为以硬件固化并封装复杂业务流程，可实现应急状况下的快速部署与应用。2.5.1断网离线采集“核检通”离线采样模式是一种应急处置模式，与在线模式一致，围绕“人”和“样本”的规范化管理形成针对核酸检测的闭环管理模式。（1）针对“人”的管理。与在线模式一致，可以采用近距离无线通信技术（nearfieldcommunication，NFC）进行身份证识别、应急核酸登记二维码、手工登记的方式保证信息的完整性，兼容现实中可能遇到的各种场景。（2）针对“样本”的管理。出于“一码通全城”应用考虑，核酸采样编码采用全市统一编码模式，“核检通”在首次联线启动后，通过与核酸采样信息系统中心服务器对接获取2万个样本编码存于设备内，作为本机的应急编码，确保编码全市唯一。在线状态下将直接使用从中心服务器即时获取的样本编码，而一旦转入应急状态，则将以本机内的2万个样本编码为基础，实现在检测流程中对样本的赋码与打印，完成“人”与“样本”的关联与管理，确保检测采样工作的顺利开展。2.5.2联网数据补传在实际使用中，针对应急编码提供预警机制，在其剩余数量小于5 000个时，将提醒现场管理人员尽快恢复网络，通过与中心服务器对接重新补足2万个的编码存量，保障“核检通”设备后续的正常使用。在网络恢复时，可将保存在“核检通”内已采集的检测市民信息及与之对应的样本信息上传至中心服务器，确保随后检测机构的检测端能够有效识别样本。2.5.3缺失数据追踪对于已投入应急使用但未及时上传采样结果的情况，将通过定位设备使用人员，形成预警及对应的处置任务，要求相应人员及时处理，从而保障与采样之后的工作有效衔接。3应用成效截至2022年4月，系统一方面覆盖全市494家核酸采样/检测机构，服务市民日常采样检测累计1