黃春營(yíng)，李 超，彭 琿，張 翔

(63892部隊(duì)，河南 洛陽 471000)

1 引言(Introduction)

新型冠狀病毒感染暴發(fā)后，國(guó)家和政府出臺(tái)了一系列措施進(jìn)行防控，在防控過程中，最常見的防控要求通常是查看來訪人員的行程卡和健康碼，采用人工方式判斷來訪人員是否有中高風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)旅居史。但是，這種人工查看行程卡的方式信息化程度不高、效率低，并且在中高風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)較多的情況下，人工查看的方法就要求防控人員首先需要牢記每個(gè)中高風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)，然后對(duì)行程卡信息進(jìn)行一一比對(duì)，這對(duì)防疫人員來說具有一定的難度。此外，采用人工查看比對(duì)結(jié)果的準(zhǔn)確度也難以達(dá)到要求，并且無法留存相應(yīng)的行程卡信息，給后續(xù)追蹤、倒查帶來一定的困難，也給疫情防控帶來極大的安全隱患[1-2]。

為了提高人員管控的效率，減輕人工查驗(yàn)的壓力，便捷地留存相應(yīng)人員的行程卡上對(duì)應(yīng)的電話、時(shí)間及近期行程信息，在確保信息安全和符合保密要求的前提下，本文設(shè)計(jì)了一套疫情防控輔助分析與預(yù)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：一是方便快捷，只需要用戶手機(jī)截圖行程卡然后上傳至系統(tǒng)，系統(tǒng)就能夠自動(dòng)識(shí)別行程卡上的數(shù)據(jù)，然后與系統(tǒng)中保存的當(dāng)前中高風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)數(shù)據(jù)一一比對(duì)，即可得到相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)判定信息，并能準(zhǔn)確地給出預(yù)警；二是操作靈活準(zhǔn)確，針對(duì)不同地方的防疫要求，管理員可以對(duì)中高風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)進(jìn)行靈活管理，使系統(tǒng)比對(duì)結(jié)果更加準(zhǔn)確；三是方便追蹤信息，由于對(duì)中高風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)的判定存在一定的滯后性，可能造成某些人員在查驗(yàn)行程卡信息時(shí)屬于無風(fēng)險(xiǎn)，但后續(xù)追蹤可能出現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)的情況。針對(duì)此問題，系統(tǒng)能夠快速查找追蹤指定時(shí)間范圍內(nèi)管控人員的行程信息，判斷該類人員是否有防疫安全風(fēng)險(xiǎn)；四是符合保密和信息安全要求，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中留存的信息只有行程卡圖片上顯示的相關(guān)的信息，不含其他任何個(gè)人數(shù)據(jù)信息，符合規(guī)范的保密要求[3]。

2 關(guān)鍵技術(shù)(Key technologies)

2.1 PaddlePaddle深度學(xué)習(xí)框架

PaddlePaddle[4]是百度公司自主研發(fā)的深度學(xué)習(xí)平臺(tái)，該平臺(tái)集成了深度學(xué)習(xí)核心訓(xùn)練、推理框架、基礎(chǔ)模型庫、端到端開發(fā)套件及豐富的工具組件，具有模塊化設(shè)計(jì)、高效率訓(xùn)練，高性能、工業(yè)級(jí)部署等特性，并且有豐富的官方支持的用于產(chǎn)業(yè)、學(xué)術(shù)和科研的模型庫，內(nèi)容涵蓋計(jì)算機(jī)視覺、自然語言處理、推薦算法等領(lǐng)域[5]。

PaddlePaddle中的開源文字識(shí)別模型套件PaddleOCR是一個(gè)先進(jìn)實(shí)用的文本識(shí)別模型和工具庫。PaddleOCR在實(shí)現(xiàn)前沿算法的基礎(chǔ)上，在充分考慮計(jì)算精度與速度的平衡后，對(duì)模型進(jìn)行瘦身和深度優(yōu)化。用戶既可以通過PaddleHub工具方便快捷地使用PaddleOCR實(shí)現(xiàn)各種應(yīng)用，也可以使用PaddleOCR套件根據(jù)自己的需求訓(xùn)練出自己的超輕量模型。

為了簡(jiǎn)化用戶操作流程、保證用戶上傳信息的準(zhǔn)確性，系統(tǒng)基于PaddlePaddle深度學(xué)習(xí)框架快速開發(fā)和部署獨(dú)立的圖片信息識(shí)別服務(wù)[6]，該服務(wù)能夠快速識(shí)別用戶上傳的行程卡信息，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理獲取系統(tǒng)需要的數(shù)據(jù)信息，然后進(jìn)行比對(duì)、追蹤等操作。

2.2 Spring Boot框架

Spring Boot是由Pivot團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并研發(fā)的一種新穎的Web框架[7]，其設(shè)計(jì)宗旨是簡(jiǎn)化Spring應(yīng)用的搭建和開發(fā)過程，通過“習(xí)慣優(yōu)于配置”的思想實(shí)現(xiàn)Web項(xiàng)目的快速搭建。該框架擁有獨(dú)特的配置方式，網(wǎng)站開發(fā)人員不需要進(jìn)行大量重復(fù)的樣板式配置工作。Spring Boot能夠創(chuàng)建并運(yùn)行獨(dú)立的Spring項(xiàng)目，其內(nèi)嵌的Tomcat服務(wù)器能方便地進(jìn)行項(xiàng)目的調(diào)試，并且項(xiàng)目支持以jar/war包的方式進(jìn)行線上部署，項(xiàng)目配置不會(huì)生成額外的代碼量，不需要進(jìn)行XML文件的配置，具有開箱即用的特點(diǎn)，提供了更快的基于Spring的開發(fā)體驗(yàn)。所以，本系統(tǒng)采用Spring Boot框架快速實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目中Web部分的開發(fā)和部署[8]。

2.3 MyBatis框架

MyBatis是Apache的一個(gè)開源項(xiàng)目和ORM(Object Relation Mapping)框架，它通過XML文件和注解實(shí)現(xiàn)對(duì)象關(guān)系到數(shù)據(jù)庫的映射，從而簡(jiǎn)化了Java代碼對(duì)數(shù)據(jù)庫的直接操作[9]。MyBatis框架的一個(gè)特性在于語句的映射。相比JDBC等其他連接數(shù)據(jù)庫的方式，使用SQL(Structured Query Language)映射的XML配置文件比較簡(jiǎn)便，并且會(huì)減少較多的代碼。MyBatis的另一個(gè)重要特性是支持動(dòng)態(tài)SQL。在動(dòng)態(tài)SQL語法的幫助下，開發(fā)人員可以將很多的參數(shù)邏輯放入XML中使用動(dòng)態(tài)SQL進(jìn)行判斷，而不是放在業(yè)務(wù)邏輯層進(jìn)行冗余邏輯的處理，這也極大地提高了SQL語句的復(fù)用性。系統(tǒng)中使用MyBatis可以將業(yè)務(wù)邏輯和數(shù)據(jù)訪問邏輯分離，讓開發(fā)人員更專注于系統(tǒng)的上層應(yīng)用設(shè)計(jì)和架構(gòu)部分，使系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更清晰，更便于維護(hù)。

3 需求分析(Demand analysis)

新型冠狀病毒感染的防控過程中，針對(duì)來訪人員采取人工查驗(yàn)行程碼判斷是否存在風(fēng)險(xiǎn)的工作方式效率低，而且容易出現(xiàn)漏報(bào)誤報(bào)的情況，以及對(duì)通過現(xiàn)場(chǎng)查驗(yàn)的人員也無法實(shí)現(xiàn)有效追蹤的問題，急需一套能夠方便快捷地進(jìn)行行程卡信息檢測(cè)并且能夠?qū)崟r(shí)查看、實(shí)時(shí)更新的系統(tǒng)，該系統(tǒng)的主要需求包括以下幾個(gè)方面。

3.1 功能性需求

(1)用戶上傳行程卡圖片：要求系統(tǒng)能便捷地上傳個(gè)人行程卡信息，并得到準(zhǔn)確的判斷結(jié)果。

(2)實(shí)時(shí)預(yù)警：當(dāng)用戶上傳行程卡信息后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)判斷該用戶是否有防控安全風(fēng)險(xiǎn)，當(dāng)判斷結(jié)果為有風(fēng)險(xiǎn)存在時(shí)，系統(tǒng)能夠及時(shí)地給出預(yù)警信息。

(3)預(yù)警信息查詢：系統(tǒng)管理員能夠?qū)崟r(shí)查看系統(tǒng)的預(yù)警信息，并且能根據(jù)預(yù)警信息準(zhǔn)確追蹤有安全風(fēng)險(xiǎn)的人員信息，及時(shí)進(jìn)行人員管控。

(4)中高風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)管理：系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)更新中高風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)，運(yùn)維人員能夠?qū)ο到y(tǒng)中的中高風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)信息進(jìn)行管理。

(5)歷史數(shù)據(jù)管理：系統(tǒng)管理員能夠快速查詢和追蹤歷史數(shù)據(jù)。

3.2 非功能性需求

(1)安全性：系統(tǒng)中需要用戶上傳的數(shù)據(jù)不包含任何隱私信息，均為可公開的數(shù)據(jù)，并且系統(tǒng)中不存儲(chǔ)其他任何個(gè)人信息，確保信息安全。

(2)便捷性：考慮到用戶群體可能對(duì)手機(jī)操作不熟練，所以要求用戶端的操作應(yīng)盡量簡(jiǎn)單易懂；管理員端的操作應(yīng)適配PC端和移動(dòng)端。

(3)并發(fā)性：經(jīng)過對(duì)應(yīng)用場(chǎng)景的統(tǒng)計(jì)分析，系統(tǒng)建設(shè)初期應(yīng)能保證50 人同時(shí)流暢地上傳個(gè)人行程卡信息，若后續(xù)有更高的并發(fā)需求時(shí)，系統(tǒng)架構(gòu)應(yīng)支持通過選擇增添服務(wù)器、做負(fù)載均衡等方式實(shí)現(xiàn)擴(kuò)容。

(4)兼容性：系統(tǒng)界面需適應(yīng)市場(chǎng)主流移動(dòng)設(shè)備及PC端，能夠兼容IOS、Android等不同的手機(jī)系統(tǒng)。

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)(System design)

本節(jié)根據(jù)系統(tǒng)的需求分析進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要介紹系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)兩個(gè)部分。

4.1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

疫情防控輔助分析與預(yù)警系統(tǒng)采用B/S結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，該結(jié)構(gòu)的體系框架是一種基于Web的三層系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[10-11]，如圖1所示。

圖1 Web系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Web system architecture

圖1中，最上層是表示層，該層主要是展現(xiàn)給用戶的界面，是直接與用戶交互的部分，在本系統(tǒng)中，用戶可以掃描二維碼通過瀏覽器與系統(tǒng)進(jìn)行交互；中間層是業(yè)務(wù)邏輯層，該層包括兩個(gè)部分：一部分是基礎(chǔ)的防疫相關(guān)業(yè)務(wù)服務(wù)，負(fù)責(zé)處理圖片上傳、風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別、實(shí)時(shí)預(yù)警等功能，另一部分是基于PaddlePaddle搭建的圖片自動(dòng)識(shí)別服務(wù)，主要通過接口與基礎(chǔ)業(yè)務(wù)處理部分進(jìn)行交互；最底層是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層，負(fù)責(zé)管理整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)資源的存儲(chǔ)。

4.2 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要包括用戶監(jiān)測(cè)模塊、中高風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)管理模塊、信息查詢模塊。

圖2 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The structure of system functions

4.2.1 用戶監(jiān)測(cè)模塊

(1)上傳圖片：這是系統(tǒng)用戶使用的主要功能，用戶上傳行程卡截圖后，系統(tǒng)給出判斷結(jié)果。

(2)圖片識(shí)別：系統(tǒng)基于PaddlePaddle框架建立獨(dú)立的服務(wù)接口，識(shí)別用戶上傳的圖片信息。

(3)風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別：系統(tǒng)通過逐一比對(duì)用戶行程卡中的行程和中高風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)信息，識(shí)別判斷該用戶是否存在風(fēng)險(xiǎn)。

(4)實(shí)時(shí)預(yù)警：系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)預(yù)警，并能通過郵件的方式給管理人員發(fā)送預(yù)警信息。

4.2.2 中高風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)管理模塊

(1)自動(dòng)更新：系統(tǒng)通過定時(shí)任務(wù)，每天自動(dòng)從網(wǎng)站抓取中高風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)信息，并實(shí)時(shí)與系統(tǒng)中信息進(jìn)行比對(duì)、更新。

(2)人工維護(hù)：可以采取人工方式對(duì)中高風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)進(jìn)行新增、修改、刪除、查詢等操作。

4.2.3 信息查詢模塊

(1)預(yù)警信息查詢：查詢系統(tǒng)的預(yù)警信息。

(2)歷史信息查詢：查詢系統(tǒng)中用戶上傳的歷史信息，方便追蹤。

5 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)(System implementation)

在說明系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，本部分主要對(duì)系統(tǒng)對(duì)接的主要防疫業(yè)務(wù)，以及圖片識(shí)別服務(wù)和前端頁面部分的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)主要采用開源Spring Boot框架，該框架繼承了Spring框架的優(yōu)秀特征，還通過簡(jiǎn)化配置的方式進(jìn)一步簡(jiǎn)化了Spring應(yīng)用的搭建和開發(fā)過程，在使用過程中，首先從Spring Boot官方網(wǎng)站選擇相關(guān)的配置，比如SpringBoot版本、JDK版本信息及開發(fā)所需要的依賴文件等信息，其次生成項(xiàng)目并下載到本地，導(dǎo)入開發(fā)環(huán)境中即可。項(xiàng)目中src目錄包含Java代碼和配置文件，test目錄用來做測(cè)試，pom.xml是項(xiàng)目所需的依賴文件。系統(tǒng)的開發(fā)一般進(jìn)行分層處理，Controller層負(fù)責(zé)響應(yīng)前端的請(qǐng)求，Dao層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的持久化操作，Service層主要負(fù)責(zé)業(yè)務(wù)模塊的業(yè)務(wù)處理。其中，Dao層和Service層通常是先設(shè)計(jì)接口，然后設(shè)計(jì)其實(shí)現(xiàn)類，在Spring的配置文件中配置其實(shí)現(xiàn)的關(guān)聯(lián)，最后可以在Controller中調(diào)用Service接口進(jìn)行業(yè)務(wù)處理。

圖片識(shí)別服務(wù)通過搭建PaddlePaddle深度學(xué)習(xí)框架中的PaddleOCR套件實(shí)現(xiàn)。該套件主要包含文本檢測(cè)和文本識(shí)別兩個(gè)階段，其中文本檢測(cè)階段采用DB(Differentiable Binarization)算法，文本識(shí)別階段選用CRNN(Convolutional Recurrent Neural Network)算法。此外，PaddleOCR在檢測(cè)和識(shí)別階段之間還添加文本方向分類器，用以應(yīng)對(duì)不同方向的文本識(shí)別。

系統(tǒng)的前端采用Bootstrap開源框架，該框架是一個(gè)能夠自適應(yīng)的前端響應(yīng)式框架，用于開發(fā)響應(yīng)式布局、移動(dòng)設(shè)備優(yōu)先的Web項(xiàng)目，能夠幫助開發(fā)者快速設(shè)計(jì)出扁平化的前端界面。系統(tǒng)只需要引入Bootstrap的相關(guān)項(xiàng)目文件即可進(jìn)行前端頁面的開發(fā)。

系統(tǒng)的主要功能界面如圖3至圖5所示，其中圖3是用戶圖片上傳界面，用戶只需上傳圖片即可得到是否存在風(fēng)險(xiǎn)的判斷結(jié)果，圖中的其他信息是通過自動(dòng)識(shí)別圖片上的信息自動(dòng)填充的，進(jìn)一步簡(jiǎn)化了用戶操作。圖4是中高風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)信息管理的界面，管理員能夠便捷地對(duì)中高風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)的信息進(jìn)行相應(yīng)的操作。圖5是用戶上傳的行程信息及產(chǎn)生預(yù)警信息的界面，用戶能夠快速查看上傳的行程信息及產(chǎn)生預(yù)警的行程信息。此外，由于這兩個(gè)功能在前端顯示的界面上類似，因此對(duì)界面進(jìn)行了重用，通過點(diǎn)擊不同的按鈕對(duì)信息進(jìn)行切換查詢。

圖3 圖片上傳Fig.3 Image upload

圖4 中高風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)信息管理Fig.4 Management of the middle-risk and high-risk areas

圖5 信息查詢Fig.5 Information query

6 結(jié)論(Conclusion)

本文以新型冠狀病毒感染防控過程中如何快速有效地判斷來訪人員的風(fēng)險(xiǎn)為目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了基于行程卡信息自動(dòng)識(shí)別的疫情防控輔助分析與預(yù)警系統(tǒng)。系統(tǒng)后端采用“Spring Boot+MyBatis”等開源框架，具有良好的可擴(kuò)展性且自主可控；前端采用Bootstrap自適應(yīng)框架，方便用戶在各種移動(dòng)設(shè)備和PC端使用。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)既滿足了信息保密要求，也為疫情防控提供了精準(zhǔn)便捷的分析工具，大大提高了疫情防控工作的質(zhì)效，對(duì)疫情防控及具有保密和數(shù)據(jù)安全要求的應(yīng)用系統(tǒng)的研發(fā)建設(shè)提供了經(jīng)驗(yàn)和參考。