（机械设计及理论专业论文）基于机器人化多功能护理床的智能社区远程监护系统研究.pdf

c l a s sn u m b e rt p 2 4 u d c s e c u r i t yl e v e l c o d eo fu n 删隅 y 飞8 ) e j * ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt os o u t hc h i n a u n i v e r s i t y o ft e c h n o l o g yf o rd o c t o r a t ed e g r e e r e s e a r c ho ni n t e l l i g e n tc o m m u n i t y t e l e m o n i t o r i n g s y s t e mb a s e d o nr o b o t i z e dm u l t i f u n c t i o nc a r eb e d z o u y a nb i a o s u p e r v i s o r s ：p r o f x i ec u n x i q ! ! 曼g 曼q 垒丛曼堡h 垒n i 堡垒! 垦堕g i 旦星星i n g c a n d i d a t ef o r ：p h d s p e c i a l i t y ：4 曼堡h 垒n i q 垒! q 星墨i g 垒垒n 垂! h 星q 盟 s u b m i t t e rd a t e ：2 0 0 5 4 r e j o i n d e rd a t e ： 2 0 0 5 6 a w a r d e du n i ta n dd a t e ：量q u t hc h i n au n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g y c h a i ro f r e j o i n d e rc o m m i t t e e ： r e v i e w e db y ： 进 容 作 明 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规 定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密回，在5 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“4 ) 作者签名： 导师签名： 磊陀 椭 日期：沙口乡 日期：砂矽 日 日 i纠叫1 月 月乡 年 年 摘要 摘要 家还是发展中国家，由于持续的生育率下降和平均期望寿命 延长的共同作用，均面临着越来越严重的人口老龄化问题。老年人由于各项生理机能退 化，健康状况普遍不佳，同时往往身患一种或多种慢性疾病( 如：糖尿病等) ，因此他们 消耗大量的医疗资源。世界各国均在积极探求一种新的健康服务模式，提供更高质量、 更可靠、更容易被接受且成本低廉的健康服务。针对此问题研究和理解，我们提出一套 完整的解决方案，即：基于机器人化多功能护理床的智能社区远程监护系统。本课题研 究项目获广东省科技计划项目( 编号：2 0 0 4 8 1 0 2 0 1 0 1 0 ) 和华南理工大学高水平大学建设 项目支持。 本论文首次提出并建立了一套完整的社区远程监护系统智能数据分析处理及报警 算法。智能社区远程监护系统的特点是在家庭环境下对监护对象的各项生理参数进行长 期、连续的监测，从中发现异常状况，并发出报警信息。因此，监护系统要获得成功， 其中的一个关键因素是要求实现监护数据分析处理的“智能化”。本文提出的算法以生 理参数时间序列建模为基础，有下述特点：i 、模型阶数基于最终预报误差准则来确定， 提高了模型精度；i i 、应用自适应滤波器算法对模型参数进行动态更新，实现了模型对 生理参数缓时变序列的追踪、提高了模型的准确性：i i i 、根据建模结果，应用预报理论， 作前向3 0 步预报，确定预报值，以及预报上下域值。通过将上述算法应用于p h y s i o b a n k 生理参数数据库的数据进行建模分析，得出如下结论：i 、建模结果满足基于残差分析 的模型检验方法；i i 、预报结果通过和m i m b o f f 所提出的、用于重症监护病房生理参 数监护系统的智能报警算法预报结果相比较，证明本算法是一种性能更好、更优化的算 法。i i i 、此算法可对连续监测获得的生理参数时间序列进行分析处理，实现在线、实时 报警。 本论文应用m u l t i a g e n ts y s t e m s 建模理论建立了一种新型的社区远程监护系统模 型，模型应用统一建模语言进行描述。社区远程监护系统融合系统管理、护理、生理参 数监测、报警信号识别及处理、信息共享、信息查询等功能。由于系统需要管理分布的 数据和资源，同时它还需要和和现有健康服务体系整合，因此它是一个复杂的分布式系 统。为保证系统性能和可靠性、以及具备有良好的可重构和伸缩性，在设计阶段需要有 完善的建模理论来指导，以实现一个完整系统模型的构建。建模过程包括：i 、根据系 统功能需求分析，建立系统用况模型；i i 、根据上述用况模型，分析并得出构成系统各 a g e n t 的角色和责任；i i i 、建立了描述多a g e n t 之间的关联关系和a g e n t 在整个系统物 理设备上的部署状况的静态模型；、为了实现系统设计目标，建立了描述a g e n t 之间 的相互作用及相互协作关系的动态模型。 华南理t 大学工学博士学位论文 m u l t i - a g e n ts y s t e m s 的各项功能是通过a g e n t 之间的交互来实现的。本论文研究 了基于m u l t i - a g e n ts y s t e m s 理论建立的社区远程监护系统的交互机制。由于a g e n t 部 署在不同的硬件设备上，因此系统中存在四种交互方式：i 、基于多线程机制实现智能 监护单元内各a g e n t 之间的交互；i i 、基于n e tr e m o t i n g 的远程对象方法调用的智能 监护单元和w e b 服务器之间的交互；i i i 、基于异步串行通讯方式的智能监护单元和生理 参数监护仪之间的交互：、基于a d o n e tw e b 服务器和数据库服务器之间的交互。 本论文论述了机器人化多功能护理床的设计和研制，并以此为基点，融合上述各 章的研究成果，首次创新性地构建了一种融合“监护”和“护理”功能于一体的社区远 程监护实验系统。并完成系统各项性能的测试。 本论文的创造性成果有：首次提出并实现了将“护理”功能融入社区远程监护系统。 首次将时序建模理论用于社区远程监护系统的智能报警算法中，根据监测获得的历史数 据，建立针对不同监护对象的适应性报警模型，实现生理参数连续监测过程中的在线、 实时报警。创造性地提出将l t i a g e n ts y s t e m s 建模理论用于社区远程监护系统模型 的建立，并在此基础上构建了一个易伸缩可重构的系统模型，保证了系统性能和可靠性。 本文研究成果可以缓解由于人口老龄化所带来的医疗护理方面压力，促进我国医疗 保健事业的发展。 关键诃社区远程监护：智能报警；时间序列建模：m u l t i a g e n ts y s t e m s ：统一建 模语言 h 摘要 a b s t ra c t b e c a u s eo fc o n t i n u o u sd e c r e a s ei ng e n e r a t i o nr a t ea n di n c r e a s ei na v e r a g el o n g e v i t y ，t h e d e v e l o p i n ga n dd e v e l o p e dc o u n t r i e sa r ea l lf a c i n gt h ep r o b l e mo fa g i n g a g e dp e o p l ea r e e a s i l yt o r t u r e db ym a n yd i s e a s e s t h e yc o n s u m em a n ym e d i c a lr e s o u r c e s m a n yc o u n t r i e s h a v eb e e ns e a r c h i n gan e wh e a l t hs e r v i c ep a r e r nf o ra p p l y i n gq u a l i t y ，r e l i a b l e ，a c c e p t a b l e ， a n dc h e a ph e a l t hs e r v i c e b a s e do no u rr e s e a r c ha n dc o m p r e h e n s i o n ，w ep u tf o r w a r da c o m p l e t es c h e m e ：i n t e l l i g e n t c o m m u n i t yt e l e m o n i t o r i n gs y s t e m b a s e do nr o b o t i z e m t l l t i f u n c t i o nh e a l t hc a rb e d t h i sr e s e a r c hp r o je c th a sb e e ns u p p o r t e db yt h es c i e n c ea n d t e c h n o l o g yp l a np r o j e c t o fg u a n g d o n gp r o v i n c e ( 2 0 0 4 b10 2 0 1010 ) a n dh i g h l yq u a l i f i e d u n i v e r s i t yp r o j e c to fs o u t hc h i n e s eu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y as e to fa l g o r i t h m sa b o u ti n t e l l i g e n td a t aa n a l y s i s ，d a t a - p r o c e s s i n g ，a n da l a r ma l g o r i t h m a r er a i s e d t h ec h a r a c t e r i s t i c so fi n t e l l i g e n tc o m m u n i t yt e l e m o n i t o r i n gs y s t e mi st h a tt h e yc a n m o n i t o rp a t i e n t sv i t a lp a r a m e t e r si nal o n g t e r m ，c o n t i n u o u sw a ya th o m e ，d e t e c ta b n o r m a l s t a t u s e s a n ds e n da l a r mi n f o r m a t i o n h e n c e ，i ti sak e yf a c t o rf o rc o m m u n i t yt e l e m o n i t o r i n g s v s t e mt om e e tw i t hs u c c e s st h a tm o n i t o r i n gd a t am u s tb ea n a l y z e da u t o m a t i c a l l y t h e a l g o r i t h m sr a i s e di nt h i sp a p e rh a v ef o u rc h a r a c t e r i s t i c s f i r s t ，m o d e lo r d e ri sf i x e db a s e do n f i n a lp r e d i c t i o ne r r o rc r i t e r i o nf o ri m p r o v i n gt h ep r e c i s i o no fm o d e l ；s e c o n d ，m o d e l p a r a m e t e r sa r eu p d a t e db a s e do na d a p t i v ef i l t e ra l g o r i t h m st ot r a c es l o wt i m e v a r y i n g t i m e s e r i e sv i t a ls i g n a l sd a t a , w h i c hc a ni m p r o v et h ea c c u r a c yo fm o d e l ；a n dt h i r d ，t h er e s u l to f m o d e l i n gc a nb eu s e df o r3 0 s t e p a h e a d p r e d i c t i o n s ，a n df i x e sp r e d i c t i o n i n t e r v a l s t h e s e a l g o r i t h m sa r eu s e df o rm o d e l i n gt h ed a t a s e ti nt h ep h y s i o b a n kb i o m e d i c i n ed a t a b a s e ，a n d c o n c i u s i o n si n c l u d e ：f i r s t ，m o d e l sb a s e do nt h e s ea l g o r i t h m sa r ev a l i d a t e db yr e s i d u a la n a l y s i s ； s e c o n d ，c o m p a r e dt op r e d i c t i o ni n t e r v a l sb a s e do nt h ei n t e l l i g e n ta l a r ma l g o r i t h mr a i s e db y m 1 m b o f ff o ri n t e n s i v ec a r eu n i t s ，t h e s ea l g o r i t h m sa r ep r o v e db e i n gam o r eo p t i m i z i n g m e t h o d ；a n dt h i r d ，t h e s ea l g o r i t h m sc a nb eu s e df o rv i t a ls i g n a l sd a t a - p r o c e s s i n ga n d r e a l i z e r e a l t i m ea n do n 1 i n ea l a r m s an e wt y p ec o m m u n i t yt e l e m o n i t o r i n gs y s t e mm o d e li sf o u n d e db a s e do nm u t i a g e n t s y s t e m sm o d e l i n gt h e o r i e s t h e m o d e li sd e s c r i b e db yu n i f i e dm o d e l i n gl a n g u a g e f u n c t i o n so ft h ec o m m u n i t yt e l e m o n i t o r i n gs y s t e mi n c l u d es y s t e ma d m i n i s t r a t i o n ，h e a l t h c a r e ， v i t a ls i g n a l sm o n i t o r i n g ，a l a r mi n f o r m a t i o nr e c o g n i t i o na n dp r o c e s s i n g ，i n f o r m a t i o ns h a r i n g ， i n f o r m a t i o nq u e r y ，a n ds oo n b e i n gac o m p l i c a t e d d i s t r i b u t e ds y s t e m ，i ta d m i n i s t e r s d i s t r i b u t e dd a t aa n dr e c o u r s e ，a n di n t e g r a t e sw i t ho t h e rh e a l t hs e r v i c ea r c h i t e c t u r ei ne x i s t e n c e 华南理工大学工学博士学位论文 f 0 rt h ei m p l e m e n t a t i o no fr e c o n f i g u r a b l ea n df l e x i b l es y s t e m ，t h es y s t e mm o d e lm u s tb e f - o u n d e db a s e do ns o m ep e r f e c tm o d e l i n gt h e o r i e s t h ep r o c e s so fm o d e l i n g i n c l u d e s ：f i r s t ， a c c o r d i n gt os y s t e mr e q u i r e m e n ta n a l y s i s ，u s ec a s em o d e l s r i t ef o u n d e d ；s e c o n d ，t h er o l ea n d r e s p o n s i b i l i t yo fa g e n t sa r ea c q u i r e db a s e do n u s ec a s em o d e l s ；t h i r d ，s y s t e ms t a t i cm o d e l sa r e f o u n d e df o rd e s c r i b i n gt h el o c a t i o na n dc o r r e l a t i v er e l a t i o no fa g e n t s ；a n df o u r t h ，s y s t e m d y n a m i cm o d e l sa l ef o u n d e df o rd e s c r i b i n gi n t e r a c t i v ea n dc o o p e r a t l v er e l a t i o n s h i p s b e t 、v e e n a g e n t s f u n c t i o n so fm u l t i_agents y s t e m sa r ei m p l e m e n t e dt h r o u g hi n t e r a c t i o n so fa g e n t s t h i s p a p e rr e s e a r c h e si n t e r a c t i v em e c h a n i s mi nc o m m u n i t yt e l e m o n i t o r i n gs y s t e mm o d e lt h a th a s b e e nf o u n d e db a s e do nm u l t i_agents y s t e m sm o d e l i n gt h e o r y b e c a u s eo ft h ed e p l o y m e n to f a g e n t s ，s y s t e mi n c l u d e sf o u rk i n d si n t e r a c t i o n s f i r s t ，i n t e r a c t i o n so fa g e n t sd e p l o y i n g o nt h e i n t e l l i g e n tm o n i t o ru n i t a l ei m p l e m e n t e dt h r o u g ht h em u l t i t h r e a d i n gm e c h a n i s m ；s e c o n d ， i n t e r a c t i o n sb e t w e e nt h ei n t e l l i g e n tm o n i t o ru n i ta n dw e b s e r v e ra r ei m p l e m e n t e db a s e d o n n e tr e m o t i n gm e t h o dc a l l ；t h i r d ，i n t e r a c t i o n so ft h ei n t e l l i g e n tm o n i t o ru n i ta n d v i t a l p a 阴m e t e rm o n i t o r i n gi n s t r u m e n ta r ei m p l e m e n t e dt h r o u g hs e r i a lc o m m u n i c a t i o n s ；a n df o r t h ， i n t e r a c t i o n so fw e bs e r v e ra n dd a t a b a s es e r v e ra r ei m p l e m e n t e dt h r o u g ha d o n e t t h er o b o t i z e dm u h i 缸n c t i o nh e a l t h c a r eb e di sd e s i g n e da n dd e v e l o p e d b a s e do ni ta n d c o m b i n i n gr e s e a r c hf i n d i n g sa l la b o v e ，ac o m m u n i t yt e l e m o n i t o r i n ge x p e r i m e n t a ls y s t e m i s f o u n d e df 斫t h ef i r s tt i m e ，w h i c hi n c l u d e sf u n c t i o n so ft e l e m o n i t o r i n ga n d h e a l t h c a r e s y s t e mt e s t sh a v eb e e nf u l f i l l e d f o rt h ef i r s tt i m e ，t h ef u n c t i o no fh e a l t h c a r ei nt h ec o m m u n i t yt e l e m o n i t o r i n gs y s t e m i s b r o u g h tf o r w a r da n di m p l e m e n t e d ；t h ei n t e l l i g e n c ea l a r ma l g o r i t h m s a r er a i s e df o rc o m m u n i t y t e i e r 玎【o n i t o r i n gs y s t e m ，w h i c ha r eb a s e do nt i m es e r i e sm o d e l i n g ，r e a l i z e st h ea d a p t i v ea l a r m m o d e ic o n s t n 比t e db a s e do n , h i s t o r yd a t a , a n dr e c o g n i z e sa b n o r m a li n f o r m a t i o no nl i n e ；t h e f i e x i b l e ，r e c o n f i g u r a b i es y s t e mm o d e li sf o u n d e df o rc o m m u n i t yt e l e m o n i t o r i n gs y s t e mb a s e d o nm u t l i a g e n ts y s t e m sm o d e l i n gt h e o r i e s r e s e a r c hr e s u l t so ft h i sp a p e rc a nb eh e l pt or e l e a s et h em e d i c a la n dh e a l t h c a r ep r e s s u r e b r i n g i n gw i t ht h ep r o b l e mo fa g i n g , a n dp r o m o t et h ed e v e l o p m e n to f m e d i c a lc a r ep r o j e c t so f o u rc o u n t r y k e yw o r d sc o m m u n i t yt e l e m o n i t o r i n g ；i n t e l l i g e n ta l a r m ；t i m es e r i e sm o d e l i n g ； m u l t i a g e n ts y s t e m s ；u n i f i e dm o d e l i n gl a n g u a g e 1 3 1 监护仪器方面的研究0 0 00o g 8 1 3 2 数据分析处理方面的研究8 1 3 3 社区远程监护系统建模方面的研究8 1 3 4 社区远程监护系统中如何实现护理功能方面的研究9 1 4 本论文的研究目标和主要内容9 1 4 1 研究目标o oq d 9 1 4 2 研究内容l l 第二章智能报警算法研究12 2 1 弓i 言o ooo go b 1 2 2 1 1 基于预置域值报警方式增加系统的复杂性1 2 2 1 2 基于预置域值报警方式易造成大量的误报警1 2 2 1 2 基于预置域值报警方式无法反映监护对象身体状态变化1 3 2 2 时间序列分析1 5 2 2 1 时间序列概念一1 5 2 2 2 时序建模分析法1 5 2 2 3 基本时序模型1 6 2 2 4 时序建模步骤0 o ooooo 1 6 2 3 时间序列分析在监护系统智能报警中的应用1 8 2 3 1m m b o f f 的智能报警算法o oo qo o o 1 8 2 3 2 算法分析1 9 v 华南理工大学t 学博士学位论文 2 4 社区远程监护系统的智能报警算法2 l 2 4 1 算法流程图2 1 2 4 2 算法内容描述2 1 2 4 3 算法主要特点2 3 2 4 4 算法构成2 3 2 5 时序建模2 3 2 5 1 样本数据预处理2 3 2 5 2 模型定阶2 4 2 5 2 基于递归最小二乘算法的模型动态更新2 8 2 6 基于时序建模的预报理论3 0 2 6 1 ，步向前预报值确定3 l 2 6 2 ，步向前预报上下限确定3 l 2 7 智能报警算法验证3 2 2 7 1 p h y s i o n e t 生物医学信号研究资源3 2 2 7 2 生理参数时序数据建模3 3 2 7 3 基于残差分析的模型检验60 4 l 2 7 4 基于生理参数时序模型的预报分析4 4 2 8本章小结4 9 第三章基于m u i t i - a g e n ts y s t e m s 理论的智能社区远程监护系统建模5 0 3 1 引言5 0 3 t 1建模的目的5 0 3 1 2 基于m u l t i a g e n ts y s t e m s 的建模理论5 0 3 1 3 基于u l t i a g e n ts y s t e m s 的建模理论在远程健康领域的应用5 0 3 2a g e n t 的基本理论5 l 3 2 1 a g e n t 的概念5 l 3 2 2 a g e n t 的基本结构5 2 3 3m u l t i - a g e n ts y s t e m s 的基本理论5 2 3 3 1 m u l t i a g e n ts y s t e m s 的概念5 2 3 3 2 m u l t i a g e n ts y s t e m s 的体系结构5 2 3 3 3 基于m u l t i a g e n ts y s t e m s 的建模5 2 3 4 社区远程监护系统建模5 3 3 4 1 统一建模语言5 3 3 4 1 系统需求分析5 4 3 4 3a g e n t 的角色和责任辨识5 8 3 4 4 系统总体结构5 9 v i 5 9 6 0 一6 4 6 5 6 5 “6 6 ”6 6 “6 7 6 8 - 6 9 7 7 - 7 0 7 2 7 3 7 3 4 3 3 基于w i n 3 2a p 函数的串行通信实现7 5 4 5w e b 服务器和数据库服务器之间的交互机制研究7 8 4 5 1 社区远程监护系统数据库物理模型描述7 8 4 5 2 基于a d o n e t 的数据交互实现8 0 4 6 本章小结8 0 第五章社区远程监护实验系统构建8 1 5 1 引言8 l 5 2 实验系统的硬件平台8 l 5 2 1 机器人化多功能护理床8 2 5 2 2d i n a m a pp r o c a r e 4 0 0 生理参数监护仪9 3 5 2 3智能监护单元和虚拟社区健康服务中心9 5 5 3 系统测试9 5 5 4数据分析9 9 5 5 本章小结1 0 0 结j 仑“1 0 l 参考文献1 0 3 攻读博士学位期间撰写的论文“l 致谢“l1 2 v i i 华南理t 大学工学博士学位论文 c o n t e n t s a b s t r a c t i i i c o n t e n t s v i i i c h a p t e r1 in t r o d u c ti 0 1 1 。1 1 5s i g n i f i c a n c eo ft h er e s e a r c h 。l 1 6o v e r v i e wo fc o m m u n i t yt e l e m o n i t o r i n gs y s t e m 2 1 2 1c o m m u n i t ya l a r ms y s t e m 2 1 2 2c o m m u n i t ya l a r ms y s t e mw i t hv i t a ls i g n a l sm o n i t o r i n g 3 1 2 3i n t e l l i g e n tc o m m u n i t yt e l e m o n i t o r i n gs y s t e m 4 1 7k e yp r o b l e m so fi n t e l l i g e n tc o m m u n i t yt e l e m o n i t o r i n gs y s t e m 8 1 3 1r e s e a r c ho nm o n i t o t i n gi n s t r u m e n t - 8 1 3 2r e s e a r c ho nd a t ap r o c e s s i n g - 8 1 3 3r e s e a r c ho nc o m u n i t yt e l e m o n i t o r i - n gs y s t e mm o d e l i n g 8 1 3 4r e s e a r c ho nh o wt oc o n s t i t u t ea nc o m m u n i t yt e l e m o n i t o r i n gs y s t e mw i t h t h ef u n c t i o no fh e a l t hc a r e - 9 1 8r e s e a r c ht a r g e ta n dm a i nc o n t e n t so ft h er e s e a r c h 9 1 4 1r e s e a r c ht a r g e t 9 1 4 2m a i nc o n t e n t so ft h er e s e a r c h ll c h a p t e r2r e a c ho n i n t e iii g e n ta i a r ma i g o r i t h m 1 2 2 1i n t r o d u c t i o n 1 2 2 1 1alarmm eth o dsb ased0 np re s et limitsin c re a