英语原文共 41 页
基于物联网的发展中国家疫苗冷藏箱监测与优化能耗的自学算法
Jungwook Mun 郑旭文（音译）
国立首尔大学机械工程系研究生院
摘要：
在发展中国家，疫苗是治疗可预防疾病的非常有效的方法。在这些国家里医疗器械和药品的供应充满阻碍。然而，尽管这些疫苗具有高效性和其他益处，能源供应的缺乏、地理环境恶劣，基础设施不完善等问题阻碍了疫苗在发展中国家的普及。本文基于由智能手机和从疫苗冷藏箱中传感器中获取的数据一起构造的物联网监控数据库，通过使用学习算法，对应用在发展中国家的疫苗冷藏箱进行定位和优化。本文目标为通过学习和预测，寻找在一种低功率供给环境中能够满足疫苗最佳保存温度（2-8℃）的最佳使用功率，以此来最大化疫苗冷藏箱的使用时间。
关键词：疫苗冷链，物联网，支持向量机，帕尔帖效应，发展中国家
学号：2016-20683
目录
第一章 引言
1.1. 研究背景
1.1.1. 疫苗与冷链
尽管现代医疗技术带来了许多益处，某些药品供应不足的发展中国家人口的死亡率仍然很高。在这样艰苦的条件下，疫苗接种方法比其他医疗方式更加有效。尽管拥有着不俗的效率，疫苗在发展中国家的覆盖率也仅有70-80%，这是显著地低于发达国家的。造成这样的覆盖率的原因有很多
1）冷链作为一个温度控制供应链，其在这些地区的不发达造成了疫苗的高损失率。
2）冷链得不到足够的电力基础设施的支持和维护。
3）对现存疫苗供应网络的管理和监测不明确。
4）接种疫苗时机的延误。
5）缺乏对疫苗接种重要性的认识。
在分析上述问题的根源时，可以看出有两种方法可以解决这个问题：行政/社会科学解决方法，例如教育，以及一种通过工程方法的解决方法。基于这些判断,在工程解决方法中最至关重要的点之一是能源供应短缺。疫苗能够发挥全部作用的适宜温度在2-8℃。如果温度高于上述范围，疫苗将会丧失效用。另一方面，当温度低于2℃时，疫苗将会被冷空气破坏。这是上述疫苗高损失率的根本原因。为了避免这种不利环境，可以建立适当的冷藏运输网络和冷链，稳定的电力供应变得非常重要。为了解决电力短缺的问题，本研究提出了以下两种方法。
1）建立一个可以从发展中国家常见的车辆/摩托车发动机中获取电力的系统。 2）通过优化功耗效率，提高疫苗冷藏箱的自冷效率。
1.1.2. 关于疫苗冷藏箱及其限制的近期研究
人类为了获得高效的疫苗存储设备已经探寻了各种方法。首先，疫苗冷藏箱是在发展中国家中最常用的，尤其是在偏远地区。最常见的是世卫组织批准的通过冰袋保存疫苗的冷藏箱。可以拿型号AVC-44和VCA9AF来作为例子，这些型号使用聚氨酯作为保温材料，使得在使用四个冰袋的情况下可以保持1.6L疫苗在四十个小时甚至更长的时间内不损坏。然而，这些疫苗保存箱的内部温度往往低于冰点，势必导致疫苗在过低温度时的结果即极大数量的疫苗毁坏。此外，一些在印度实地评估后数据（原文为statics）表明，疫苗的平均流失率为39.54% (BCG: 60.99%, DPT: 26.80%, TT 33.71%, HepB: 33.15%, OPV: 47.47%, Measles: 35.09%)。为了弥补“冰盒型”储存器的不足，人们一直致力于开发一种便携的温度可控的疫苗冷藏箱。研究者们也研究了使用帕尔贴装置作为冷却方法，这种热电元件是于1834年由J.C.A.peltier在法国发现的。当直流电施加到两个不同设备的两端时，P.N型半导体之间存在电位差。这种现象基于的原理是：带走原本属于它的能量导致的温度差异。这些热电元件由于坚固的结构和半永久寿命所以具有可靠性高的有点，但是它们也具有高成本和低能量效率的缺点。根据另一项研究，为了克服这种低能效，研究人员通过使用石墨烯基纳米复合材料作为绝缘材料和导热介质作为传热凝胶来提高效率。尽管做了这些尝试，这些热电装置的效率显著低下也不断促使研究人员寻找其他替代方式，如光伏发电供给系统或者使用蒸发热的吸收式制冷系统。
1.1.3. 目前物联网与机器学习的趋势
各种信息和通信的发展技术（information and communication
technologies, ICT）建立了人类历史上前所未有的全球性的网络。除此之外，各种硬件技术的发展，例如传感器和小型化内存芯片，有助于新理念的诞生——物联网。互联网技术过去的十年中取得了一些进展，最近最常见的版本是一个名为Web2.0的双向通信系统。Web2.0的一个重要特征是用户可以像互联网开发人员一样参与网上的信息的交换和制作。举例来说，SNS（social networking service，社交网络服务），博客和维基。从那时起，互联网技术的发展方向已经推进到所谓的Web3.0或者是语义Web，其旨在通过机器可以接受的形式制作Web内容来建立Web和实际机器之间的连接点。机器还具有当前物联网的终极目标，即通过通信手段实现交互网络，如Wi-Fi, RFID, ZigBee和Bluetooth，并将他们集成为一个系统。在此方向下，研究人员为物联网技术的研究提出了各种研究方法，其范围十分广阔，如制造过程、医疗保健、供应链和物流。另一方面，基于物联网技术累积的大数据的分析已成为另一个问题。与此相关的主要技术是机器学习。由于机器的计算能力的显著提高和硬件成本的降低，机器学习已成为一种更关键的技术，使我们能够以各种方式从大量数据中获取有用的工程模型。本文讨论的疫苗冷链是一种相似的系统，其中疫苗冷藏箱通过各种传感器和天线监测各种信息，并将其发送到网上以累积和分析数据。因此，物联网技术和机器学习技术是完全符合发展趋势的应用。
1.1.4. 多种机器学习作为解决方案的案例
机器学习是近年来技术最先进的领域，作为许多近期才出现的工程问题的解决方案被广泛研究。基本上，当所研究现象的因果关系中因素的复杂性被证实过于复杂或是非线性时，机器学习作为一种替代的分析方法是非常有价值的。由于这种特性，机器学习工具被用于各种领域。例如在作为工业4.0的核心的智能工厂领域，机器学习工具被用作解释众多工业数据的主要手段。其可用于制作管理和预测制造过程和生产质量的模型。该技术不仅用于制造业，还用于能源领域。为了建立预测太阳能发电的模型，机器学习算法被训练使用大量收集来的天气循环数据，以提高光伏发电的效率。在其他的能源领域的研究中中，涉及到根据不规则风的数据制作提高风能发电效率的预测模型的研究正在进行。
1.2. 研究目的
本研究的目的是建立一个应用于疫苗冷藏箱的本地检测系统，这是冷链中的关键一环，并且提出一种基于收集监测数据的自我学习算法。通过该算法，疫苗冷藏箱系统可以找到合适的温度以最小化功耗，达成在最小功率情况下满足疫苗储存的2-8℃的目的。本研究将分析这些结果以验证以下概念的有效性，即基于智能手机建立监控系统，并设计一款冷藏箱，使其能够收集有关GPS、温度、湿度、电流使用情况的信息，以便进行实验。
第二章 疫苗冷藏箱的发展
2.1. 概述
本研究是以疫苗冷藏箱的设计作为推进的。在设计过程中应该着重考虑的因素有以下几点：
1）寻求一种在发展中国家适用的稳定的供电方法
2）研究设计一种便于运输的结构和模式
3）考虑低成本设计
4）在发展中国家建立可行的监测系统
考虑以上几点，从2014年开始已经研制多个版本的冷藏箱，现在的设计如图1所示。本章将讨论疫苗冷藏箱的设计内容及其细节。
2.2. 基于移动端（智能手机）的箱体监测系统
为了构建本研究的制冷系统，根据不同的目的每个组成部分都被系统的设计过。完善的冷藏箱的组成部分，例如作为制冷功能核心的制冷模块，保持内部低温状态的隔热容器，以及能够定位疫苗冷藏箱和确认内部冷藏状态的数据收集和监测系统。每个部分都有自身的功能，具体内容介绍如下。
2.2.1. 制冷模块
正如上文所说，制冷方法多种多样，例如压缩型、吸收型等。经过几次讨论，帕尔贴设备被选做制冷方法，因为其更便于运输以及独立于外部环境与气候。当然，由于高功耗导致的低效率可能是一个问题，但是与压缩式制冷方法相比，他具有体积小、不依赖外部的特点。在本研究的设计中应用的是最常见的帕尔贴设备“TEC1-12706”，也是最容易采购到的型号。这是其适应发展中国家环境的一大因素。在该型号中，最大温差展示出67℃的性能，制冷能力与内阻分别为/
2.2.2 隔热容器
AVC-44作为WHO组织批准使用的材料被应用为疫苗冷藏箱的隔热容器，可以通过加工现有的疫苗冷藏箱来达到降低成本的目的。当然，为本研究设计的疫苗冷藏箱包裹在隔热容器之上并同时成为冷却源，容器的内部容量为1.6升，聚氨酯作为隔热材料。作为能够在全程密闭状态下通过使用4个冰袋保持长达40小时冷却的AVC-44是一种可用的产品。它是全世界范围内都广泛使用的疫苗冷藏箱的典型。因此，如果将我们的疫苗冷藏箱设计应用于该模型，则可以为发展中国家省去容器费用，从而降低预期成本。
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资料编号：[4710]
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