随着我国对核能的不断开发和探索，核技术在国民经济等各领域发挥了重要作用^[1-2]。另一方面，避免采取可能危及核设施安全运行和危及核物质安全的行动，是国家安全的底线。确保核与辐射安全，把核安全纳入国家安全整体工作当中，是党和国家对人民做出的庄严承诺，而核应急工作是确保核安全的重要保障^[3-4]。

核应急医学救援与常规紧急医学救援相比，涉及辐射监测、去污洗消、辐射防护等专业环节，需要多学科和多单位的沟通合作^[1]，核应急医学救援的数据传输不仅面临与其他紧急医学救援数据传输中同样存在的前后方信息联络延迟的困境^[5]，也存在各种辐射监测特种设备信息传输的问题。成都医学院第二附属医院·核工业四一六医院作为国家核应急医学救援分队以及四川核与辐射医学救援队承建单位，在以往的核应急医学救援演练中，救援现场往往以较为传统的信息传递途径进行沟通（图 1）。现场指挥人员通过卫星电话与上级取得联系，现场指令主要通过对讲机以及公网电话拨号向各组组长传达，穿戴防护服时需要使用骨传导耳机进行通话。组内成员在不同地点执行任务，也需要使用对讲机进行信息传达。此外，辐射监测仪器、医学设备所显示的信息需要通过对讲机进行传达，或者由现场机动人员进行主动收集与汇报，暂时无法实现信息自动更新，信息传输的及时性和准确性有待加强。由于救援现场队员以及仪器设备较多，信息整理需要时间，现场指挥决策有较大延时，核应急医学救援信息化水平亟待提高。

第五代移动通信技术（5th generation mobile communication technology, 5G）是以高频段电磁波为物理基础的无线数据传输技术，具有高宽带、高速率、高连接、低时延的数据传输优势^[6-8]。在医疗领域，5G技术因其高速率的通信特性，已在灾难医学救援^[9-10]、ICU^[11-12]、急诊医疗^[13-14]等应用场景中开展了探索和实践。在核应急医学救援中，事件特殊性及核污染的危害性要求应急救援行动快速响应、环境辐射安全监测持续进行、现场救援信息高速交互、上级指令精准下达、救护行动本地实施以及救援现场与更高级别核应急指挥中心实现信息互联互通等，这一系列需求使得引入5G技术作为核应急医学救援分队关键通信手段成为必要选择。鉴于此，2020年本院启动基于5G技术核应急医学救援信息化体系设计与建设，旨在将5G和当前主流开发技术紧密地融入到核应急医学救援工作中，实现核应急医学救援的信息化和智慧化，为科学指挥决策提供依据。

1 设计理念与模块设计 1.1 整体设计思路

核应急医学救援队员可通过服务器的局域网，使用Web管理端或者使用移动端程序登录指挥系统，进行设备数据的监控。根据救援场景实际情况，即使与外界通信存在障碍，也可通过Wi-Fi或局域网实现救援现场的内部通信与指挥功能。在公网网络条件较好时，现场服务器可通过应急基站的5G网络对数据进行实时或者定时数据传输，将采集的数据传输回基地服务。

现场各专业救援设备的通信模块可与事故现场指挥中心局域网接入，可根据实际情况选择5G/Wi-Fi网络接入。采集数据的救援设备可以进行基本的数据处理计算，组建边缘计算网络，同时也可以本地缓存备份采集的数据，保证各种核应急医学救援场景下本地计算与决策功能（图 2）。

1.2 辐射监测仪器信息化改造

在核应急医学救援中，由于救援环境可能会存在污染，伤员以及群众可能会受到不同程度的放射性核素沾染，队伍会使用到各类环境辐射监测设备、个人辐射监测设备对环境以及人员进行辐射水平监测，并根据辐射剂量数据进行操作和决策。在实际操作中，由于设备种类和数量繁多，数据不能进行统一上传，队员只能根据设备读数填写纸质记录或者通过对讲机联系指挥部门，信息传递存在一定滞后性，不利于统一指挥。

盖革计数器是一种专门探测电离辐射强度的记数仪器，在辐射监测领域具有广泛应用。项目团队基于盖格计数器的基础设计，使用Arduino开源电子原型平台，结合开源的通信模块和自研集成辐射剂量计算功能的硬件系统，研发了具备辐射检测功能、数据无线传输功能（使用基于HTTP协议）、服务器双向通信功能（使用MQTT协议）、硬件显示屏可显示信息页面的辐射监测设备。

具体而言，该设备是由Wi-Fi传输模块、盖革计数器、CPU、TFT显示屏、TF卡、设备电池组成模块组成（图 3），其中硬件设备使用Arduino开源平台进行开发和设计，其流程为：盖革计数器监测到电离辐射后将辐射信号转变为电信号传递给CPU，随后CPU计算统计，再将统计数据通过Wi-Fi传输模块传递给服务器，服务器汇总后将其传递给数据库，同时储存在TF卡中，最后服务器会将信息显示在TFT显示屏上，以便核应急医学救援现场人员观测情况。如若遇到无法通过无线通信将数据传递给服务器时，仍旧可以通过读取TF卡将数据导出获取。硬件结构使用模块化开发模式，无论是硬件部分还是对应的软件代码部分，都能实现自由添加和修改，方便后期需求扩展。

1.3 核应急医学救援现场指挥管理系统

在设计上，核应急现场应急指挥管理系统使用前后端分类的B/S架构的Web应用程序，前端程序使用了基于Node.JS的前端框架，开发语言使用了Vue2、HTML5、CSS3等；后端程序使用了Java程序语言开发，使用了Spring Boot框架搭建Web应用程序服务；数据库使用MySql数据库，服务器系统中使用Nginx作为HTTP和反向代理Web服务器，以提高了服务器整体处理请求的性能和安全性。

在功能上，该系统能够通过预设接口接收设备数据，实现场地环境辐射水平动态变化数据监测功能。对于医学救援分队管理人员，系统可以帮助管理人员的监测医学救援区域辐射剂量水平；对于上级核应急医学救援指挥人员，系统监测的辐射剂量变化情况能够为指挥者决策提供详细数据。

在系统接入上，授权用户可以通过主流浏览器对系统进行访问，在验证账户后可通过该系统查看现场辐射设备、医用设备的实时数据和运行状况，辅助现场指挥和上级指挥决策。同时，该系统在救援现场服务器和后方基地服务器同时运行，项目团队设计了一套可以兼具5G移动通讯通信和其他通讯通信方式的辐射监测数据传输方案，现场服务器可以通过各种网络服务对基地服务器进行数据同步操作，确保数据在后方基地服务器能够及时备份数据，辅助后方指挥人员决策。

1.4 医学救援人员和后方指挥人员的客户端

现场医学救援人员可以通过现场局域网络或者5G通讯网络使用移动通讯设备上的软件客户端。在软件客户端中，用户可以查看当前所在位置和周边设备信息，运行状态，并可通过点击软件界面跳转至设备详情页面查看设备检测数据。方便现场救援人员对现场情况的分析。

后方基地指挥人员使用与现场指挥人员相同的指挥管理系统，各指挥人员在其中查看经过服务器处理后的所有设备的详细数据，同时也可通过该系统传达救援工作指令，提高救援作业效率。

1.5 本地边缘计算系统与本地缓存功能 1.5.1 本地边缘计算系统

辐射监测仪器、医疗设备具有一定的本地边缘计算能力，设备在完成相关数据的采集后，进行运算，得出对应的检测结果，并根据数据结果进行逻辑处理，完成一部分的逻辑运算，在数据加工完善后，将数据通过WIFI或5G等方式传输到后台服务器中进行下一步的处理。

1.5.2 本地缓存功能

针对现场受到辐射、自然环境等条件的影响可能出现数据传输异常的问题，需要在采集数据端的设备中添加本地缓存模块。通过本地缓存的功能，设备可以对采集的数据进行备份，当数据传输异常的时候，备份数据可以正常存储在设备本地缓存模块中。之后，等待网络恢复后可自动传输数据，或者现场救援人员对设备进行手动拷贝数据后，通过系统管理端上传设备本地缓存的数据。

1.6 盖革计数器及第三方设备的数据加密与解密

HTTP作为现在非常主流的一个应用层网络协议，其协议请求体内的数据没有得到加密处理。并且HTTP协议可被数据监听或者拦截，导致监测辐射数据被破解，因而项目团队设计了一种技术算法，本技术算法主要使用在盖革计数器及第三方设备通过网络传输监测的辐射数值的结果加密上，同时根据哈希表和异或运算的数学原理保证数据的还原，确保了算法的科学和可靠性。

2 结果 2.1 辐射监测设备的研发与推广

在实际测试模型中，使用了ESP8266芯片组作为核心CPU部分接入NodeMCU开源物联网平台，外接2.44英寸8针脚的TFT显示屏幕作为设备数据显示页面，通过设备显示屏幕可以显示当前辐射数据情况、网络连接信息和状态，盖革计数管也作为模块部分接入到NodeMCU开源物联网平台，整个测试模型实现了模块化设计目标（图 4）。经过试验，该设备能够通过无线传输方式将辐射监测信息实时传输到核应急医学救援现场指挥管理系统。

2.2 核应急医学救援现场指挥管理系统 2.2.1 设备管理模块

通过对设备进行改造，利用无线通信技术(包括5G、Wi-Fi、蓝牙)，对系统内的设备信息进行管理和监控，进行管理的设备不仅包括常用的辐射监测设备，亦可额外兼容适配第三方设备（图 5）。通过该设备模块，可以对设备的相关数据进行提取和分析，所有设备的通信模块采用静默被动的运行状态(即只会由服务器发起请求主动通信)，用以提升续航，且每个设备具备唯一的ID码，确保服务器与设备通信时的有效性。通过对设备的信息化管理，全面提升数据采集效率，保证数据的时效性，增强指挥效率。

2.2.2 设备数据详情显示

核应急医学救援工作中，在通信保障的基础上，需要基于GIS和LBS进行现场环境监测，并实时收集、分析环境辐射数据的变化，为队伍驻地的选择以及下一步的应急救援决策做好数据支撑。同时，核应急现场处理要求具备对监测设备、人员的统一管理和调度，对监测数据进行实时收集和分析。本核应急医学救援现场应急指挥管理系统中能够记录设备所处的位置、设备状态，也能够记录第三方设备采集的各项设备测定的污染物的种类、污染物的浓度等信息，并将采集的数据信息传输到系统服务器进行存储。

加装5G等通信模块的设备可实时上传数据到指挥平台，在日常监控中，能根据设定阈值实时提醒或者警报，为决策提供科学依据。拥有管理员权限的用户可以查看某个特定的当前设备的状态信息、当前设备的实时采集的数据信息、当前设备所在位置的信息、当前设备的历史数据信息，对指挥决策起到了数据参考支撑的作用（图 6）。设备所在的位置信息在开发环境中调用了百度地图提供的接口，在后续开发中将遥感测绘的实际现场地理位置信息作为设计和实现的目标。

2.3 医学救援人员和后方指挥人员的客户端

为方便系统设计和开发以及后续的升级维护，系统前端使用了跨平台技术进行了兼容式的开发，通过该技术仅需设计一套后端服务器进行搭配，并实现了多个平台可以使用的软件效果，实现了指挥工作人员使用的Web端程序和现场救援人员使用的移动端应用程序的兼容。通过该跨平台技术，可方便后续对多系统、多应用设备的兼容开发。(图 7为医学救援人员界面，后方指挥人员客户端界面与图 5、图 7相同)。

2.4 本地边缘计算系统与本地缓存功能

本地边缘计算系统使用的是单片机的CPU计算能力，完成对数字信号的计算和简单逻辑的处理。本地缓存功能的实现依托于单片机设备的TF卡存储能力，通过队列（FIFO）的数据结构进行存储备份，当数据传输异常恢复或救援人员手动恢复时，可以找到传输异常前记录的最后一条的监测数据，并开始按照顺序进行数据备份。

2.5 盖革计数器及第三方设备的数据加密与解密

本技术算法主要使用在整个数据传输的加密和解密的过程中，如图 8所示。

由于盖革计数器采集的数据为自然数（大于等于0的整数），因此本算法使用范围为自然数，通过数学分析和计算机设计原理，设计的加密算法的核心包括了内部设计的加密哈希表、密钥矩阵及运算结果的异或计算。盖革计数器采集的数据先进行二进制的数据转换，转换的二进制结果不足16位的使用0在数据前端进行补位，然后根据核心哈希表根据设备校验id计算出的16位哈希表结果拼接在上述的16位结果之前，接着32位长度的数据和一个规模为5×32位的密钥矩阵进行异或计算最后得到一个32位长度的加密数据，完成整个加密过程(图 9)。

解密数据的过程和加密数据相反，系统服务器收到盖革计数器设备发送的数据后读取加密数据和请求体内设备校验id的参数，对数据进行解密。解密过程（图 10）首先是通过密钥矩阵进行异或计算，得到一个32位长度的数据，第1至16位的数据与服务器通过核心哈希表计算出的校验数据进行对比，如果一样，获取第17至32位的数据并将二进制的数据转换为10进制的数据进行储存。以上数据传输的加密解密过程，可以保障核应急医学救援信息的安全性。

3 讨论

随着核能的发展和核技术的广泛应用，核安全事故偶有发生。此外，国际形势风云多变，涉核事件的应对仍是国家维护自身安全、处理全球与地缘政治的重要考量，与国家安全有关的涉核事件应急工作仍是政治外交争取主动权和话语权的重要内容。核应急工作是确保核安全的重要保障，是确保核安全的最后一道屏障。经过多年实践积累，我国建立了国家、省、核设施运行单位和上级主管单位三级核应急管理体制。其中国家救援力量负责重特大事故应急救援时支援场外、场内应急行动。在专业救援力量方面，涵盖核应急综合救援涉及的辐射监测、工程抢修、辐射防护、去污洗消、医学救援等专业领域。

本研究所构建的核应急医学救援信息化系统是一套可以兼具5G移动通信和其他通信方式的辐射监测数据传输方案，具有以下的创新性：（1）自主研发了具备辐射检测功能、数据无线传输功能（使用HTTP协议）、服务器双向通信功能（使用MQTT协议）、硬件显示屏可显示信息页面的辐射监测设备；（2）搭建了集成场地环境辐射水平动态变化数据监测、通过接口将第三方设备数据汇总的，既兼具管理人员的日常监控工作，又能够为核应急指挥者决策提供详细数据的信息化平台；（3）构建了具备二维码扫描功能、任务分配功能、检索和查看设备信息功能以及一键上报设备异常功能的移动端软件。

本研究所构建的核应急医学救援信息化系统能够实现核应急医学救援数据的互联互通，使得核应急指挥决策高效流畅，大大缩短了现场救援的时间，有效地提高了医疗救治效率。该体系的建立对提升我国核应急医学救援能力，保持救援队伍响应水平具有重要的意义。此外，5G技术核应急医学救援信息化体系也可以向其他应急救援领域进行扩展和推广，对辐射监测仪器5G模块的增加以及数据传输相关标准的制定有助于行业标准化发展。

5G核应急医学救援信息化系统仍然存在以下问题需要考虑：根据国外历史经验，核事故应急救援通常需要地方政府、中央政府和军方的共同应对，应急管理系统不仅需要保证良好的兼容性还应保证信息通信的绝对安全；核应急医学救援与常规应急救援不同，伤员必须在现场接受伤情分拣、去污洗消、紧急救治后才能够被送往后方医院，而医疗行为必定需要核应急医学救援平台用以支撑，以实现类似HIS系统的功能，因此在建立核应急5G通信网络以及指挥平台时，也要同时建立核应急医学救援平台，并且建立与之相匹配的医生、护士、检验检查等医疗救治人员的移动端App；本院核应急医学救援分队主要服务四川省涉核单位，四川作为核大省，具有除相关矿产开采外的完整核工业产业链，而部分涉核单位地处偏僻，尤其是在紧急情况下难以依赖公网进行核应急通信通信与管理。随着无人机技术发展，特别是无人机的飞行高度、稳定性、续航和载重等能力的大幅提升，使无人机应急通信保障能力得以实现。未来可考虑通过在无人机上搭载5G基站，并进行抗辐射加固，作为现场通信信号传输支持/支撑系统。

本研究依托5G技术设计的核应急医学救援信息化系统实现了核应急医学救援数据的本地计算、互联互通、辅助现场和远程指挥功能。后续项目团队将继续探索核应急医学救援设备仪器通信和数据传输标准化、核应急医学救援HIS系统及配套客户端建设、高辐射强度下通讯网络设备加固等问题，进一步完善系统建设。

利益冲突  所有作者声明无利益冲突

作者贡献声明  林元杰负责研究设计与论文撰写；何江南、陈军生负责系统搭建与调试；李静怡、贺再清、王敏负责医学专业指导与论文修改；江志强负责整体研究设计与指导