元医院技术架构部分与关键技术有哪些？

元医院的整体架构按照从物理空间到虚拟空间逐层划分为八个部分。

1.元医院技术架构

1.1 基础设施层

“基础设施层”是构建整个元医院的“地基”，是信息传输、存储和计算的物理基础。主要包括网络基础设施、数据基础设施。一类是网络基础设施：例如5G-A、千兆光网、万兆光网、FTTR（全称 Fiber to The Room）、物联网、高速无线局域网、卫星互联网、云网融合等。另一类是数据基础设施：包括高性能计算、异构计算、智能计算、量子计算、类脑计算等构建的异构算力体系，满足不同对数据量和浮点运算速度的存算要求，并朝向绿色低碳发展。

1.2 数据汇聚层

“数据汇聚层”是元医院的“资源池”，该层保障了数据用于接下来的知识抽取、虚拟构建等上层调用时的质量。主要包括：临床数据中心（CDR）、运营管理中心（ODR）、科研数据中心(RDR)、数据质控中心、大数据集成平台、数据-业务双中台等。目的是对医疗文书、影像、检化验报告、可穿戴/床旁物联设备等多模态医疗数据，实现从采集、清洗、结构化存储的全周期治理流程。

1.3 知识抽取层

“知识抽取层”是整个元医院的“知识库”，该层对于提高信息检索效率、支持智能决策等方面具有重要意义。通过精确地抽取和组织信息，可以提升数据的可用性和价值。主要包括：各类知识图谱（例如：临床信息图谱、医学影像图谱、教学图谱、生物信息图谱等）、知识库、字典以及标签中心（存储人工打上的标签）等。该层的目的是在数据融汇基础上，从临床医疗、科学研究、运营管理、患者服务等各领域数据源中提取出有价值的信息，包括但不限于实体、关系、属性和事件等，并将其转化为结构化存储形式的过程。

1.4 虚拟构建层

“虚拟构建层”是整个元医院的“核心”，是后继用户进入元医院内部开展活动的空间场所。该层主要是实现虚拟的人、物、空间的生成。该层主要包括：线下实体映射层、虚像构建层两个组成部分。“线下实体映射层”主要提供向虚拟空间映射的工具，包括：GIS、数字孪生、BIM 等，实现将线下物理空间原封不动地映射到线上。“虚像构建层”是在虚拟空间中创造物理空间中原本没有的、不存在的元素，是对线下物理空间线上映射内容的添加、丰富和拓展；包括构建出新的虚拟空间、虚拟数字人、虚拟设备设施、虚拟智能体。

1.5 用户接入层

“用户接入层”是用户进入元医院的“通道入口”，包括智能手机、智能平板、智能电视、头显设备、脑机接口、裸眼 3D 设备、动作捕捉设备、力反馈设备、空间音频设备等可穿戴感觉交互设备。该层存在的目的是让用户便捷、安全、随时随地地进入元医院构建的线上虚拟空间。通过用户接入层设备，用户可以看到在虚拟空间中制造的“虚像”、“触摸”到虚拟物品、“听到”虚拟声效。

1.6 应用场景层

“应用场景层”是元医院的“服务中心”，当前主要包括：元诊室、元手术室、元病房、元科研、元教学、元管理六大类 23 个场景。该层是在已经搭建完毕的虚拟空间中建立各类虚实结合的应用场景。医院职工和患者可通过手机、电脑、眼镜、头显等接入设备，登录进入虚拟空间，开展各类业务活动，并在里面彼此间沟通交流，还可以通过交互设备与虚拟物品资产互动（例如移动、持握、抓取等）。该层的应用场景将随着元医院的发展不断丰富。

1.7 智能决策层

“智能决策层”是元医院的“大脑”，该层通过人工智能可实现从“辅助于人”到“启智于人”的飞跃，让管理者借助“机器外脑”既能准确研判当前现状，又能预测和应对未来的变数。主要包括：面向当下的分析决策类、面向未来的仿真模拟预测类两大部分。该层是将元医院技术与人工智能、大模型等结合，一方面可根据采集到的线下实体物理院区数据、线上虚拟院区数据进行自动化分析、生成决策建议供管理者参考；另一方面可以根据管理者给出的条件和参数，对可能发生的场景开展模拟仿真，生成预案让管理者做好应对，让管理更有预见性。

1.8 安全保障层

“安全保障层”是元医院的“屏障”，主要包括：各类网络安全、数据安全、隐私保护、态势感知等方面的技术和工具。该层提供对元医院基础设施层、数据汇聚层、知识抽取层、虚拟构建层、用户接入层、应用场景层、智能决策层的全方位保护，从而实现对整个虚拟空间本身、虚拟空间中出现的内容（例如：虚拟物品资产、数字人）的保护，以及用户身份及隐私安全的保护。

2.元医院关键技术

2.1 基础设施层技术

主要为新型网络技术、数据存储技术和数据计算技术，推动网络基础设施和数据基础设施协同发展，共同构建元医院安全可信的物理底座。 5G-A，全称 5G Advanced，意为5G 的扩充与增强是基于现有 5G 技术进一步演进的通信技术，也称5.5G。它旨在进一步提高数据传输速率、减少延迟和增强连接的稳定性。5G-A 提供高达每秒 10GB 的下载速度;延迟低于10 毫秒支持;每平方公里约百万个设备的连接。

千兆光网/万兆光网，兆光网指的是基于光纤的网络技术，能够提供每秒一千吉比特（Gbps）的数据传输速率。而万兆光网则是指能够支持每秒一万吉比特（10 Gbps）传输速率的光纤网络，适用于高带宽需求场合，例如数据中心。全屋光网（FTTR），即光纤到房间，全称FibertoTheRoom，是一种将光纤网络直接延伸到用户家中各个房间的技术。这使得每个房间都能享受到高速的光纤互联网连接，满足现代家庭对于高清音视频流、影像流等高带宽应用的需求。无线局域网，指的是使用最新无线通信标准（如Wi-Fi6或 Wi-Fi 6E）的无线网络，可以提供比传统Wi-Fi 更快的数据传输速度，更高的连接可靠性和更大的客户端容量。

卫星互联网，通过在地球低轨道部署大量小型卫星，提供全球范围内的宽带互联网接入服务。这种技术尤其适合覆盖偏远地区和海洋，为那些传统有线或无线网络难以到达的地方提供互联网访问。 物联网，通过蓝牙、WiFi、LoRaWAN（全称Long RangeWideArea Network）、Zigbee 等短距离无线通信技术，将各类传感器（例如温湿度、光照、压力、气体成分、加速度传感器等）、射频识别技术（全称 Radio Frequency Identification，RFID）、全球定位系统（全称Global PositioningSystem，GPS）等采集的信息与网络相连接，实现物体之间的信息交换和通信。核心目标是实现智能化的识别、定位、跟踪和监管。这使得物体能够在不需要人类干预的情况下彼此进行自主通信，从而提高了效率。

边缘计算，是一种分布式计算的架构，它的核心是在数据产生的地点或靠近数据源的地方进行数据处理，而不是在传统的集中式云计算中心。通过在网络的边缘进行数据处理，能够显著减少数据传输的延迟、减少敏感数据的传输距离，从而降低数据泄露的风险。 云计算，是一种基于互联网的计算方式，通过提供按需访问的计算资源，包括应用程序、服务器（物理服务器和虚拟服务器）、数据存储、开发工具、网络功能等，来支持组织机构和个人的数字化需求。用户无需在本地计算机或服务 49 器上安装软件、存储数据、计算数据，而是可以随时随地访问各种在线服务。可提供的在线服务有基础设施即服务（全称 Infrastructure as a service，IaaS）、平台即服务（Platform as a Server,PaaS）和软件即服务（Softwareasa Service，SaaS），满足不同用户的需求。

高性能计算，指的是利用超级计算机和集群系统进行的大规模计算，通常用于要求极高的科学和工程计算任务，比如基因组测序和复杂的物理环境仿真。异构计算，涉及使用多种类型的处理器或多种计算资源来提高效率和性能。例如，一个系统可能同时包含中央处理器（全称 Central Processing Unit，CPU）即图形处理器（全称 Graphics Processing Unit，GPU）和现场可编程门阵列（全称 Field-Programmable Gate Array，FPGA）等，以最有效地执行不同的计算任务。

智能计算，指的是集成了人工智能技术的计算系统，它们能够自我学习和适应，以优化计算性能和数据处理流程。类脑计算，也称作“神经形态计算”，指模仿人脑结构和功能的计算系统设计，目的是创建出能像人类大脑一样处理信息的计算机系统，以提高计算效率和模式识别能力。类脑计算通常涉及到神经网络的发展，尤其是在深度学习和其他机器学习领域中的应用。

2.2 数据汇聚层技术

用于数据采集、数据治理、确权、跨平台流通，价值发掘等。实现数据流通到价值释放的转变，构建元宇宙安全可信的数据基础设施。 ETL 技术，全称 Extract, Transform, Load，指的是从各种来源提取数据（Extract）、进行清洗和转换（Transform）、然后加载到目标系统（Load）的过程。ETL 技术是数据仓库建设的关键步骤，对于数据分析和商业智能至关重要。CDC，动态数据捕捉技术，又叫变化数据捕获技术，全称 Change Data Capture，是一种实时监控数据库变化并捕捉这些变化的技术。它允许系统在数据发生变化时立即响应，而不是依赖于定时批处理。CDC 技术在数据同步、实时分析和业务决策支持系统中具有重要作用。系统日志采集技术:利用专门的工具如Hadoop的Chukwa、Cloudera 的 Flume 和 Facebook 的Scribe 等，这些工具可以支持高速的日志数据采集和传输，通常用于系统监控和分析。

2.3 知识抽取层技术

知识图谱技术，是一种用于描述实体及其相互关系的数据结构，它可以将复杂的数据信息组织成易于理解和查询的形式。知识图谱技术在搜索引擎优化、智能推荐系统、自然 51 语言处理等方面发挥着重要作用，帮助机器更好地理解世界并提升用户体验。

2.4 虚拟构建层技术

用来将物理实体映射到网络空间，从而实现虚拟的时空构建、虚拟物品构建、虚拟人构建。数字孪生技术，通过创建一个物理实体的数字副本来实现对该实体全生命周期的模拟和分析。数字孪生技术的关键在于将物理世界的对象或系统与虚拟世界中的数字模型相结合，实现两者之间的实时双向同步映射。数字孪生的实现依赖于传感器等设备收集的实时数据，传感器要足够敏感，以确保采集数据形成的数字模型与物理实体状态一致。3D 建模技术，是利用三维制作软件在虚拟三维空间构建具有三维数据的模型。通常包括多边形网格建模和NURBS建模。多边形网格建模适合制作效果图和复杂场景动画，而NURBS 建模（全称 Non-Uniform Rational B-Splines）则适用于要求精细、弹性与复杂模型的量化生产用途。此外，三维扫描作为一种新的建模方式出现，通常使用激光扫描仪来发射激光，并通过接收反射回来的激光来测量物体表面的点位信息，代表了物体表面的几何形态，从而快速获取现实世界物体的三维数据。

全息影像技术，或称为全息技术。是一种利用光的干涉和衍射原理来记录和再现物体三维图像的技术。它通过记录物体反射或透射光波中包含的全部信息（即振幅和相位），可以在空中凭空创造肉眼能够直接看到的虚拟影像，让人产生多角度、全方位的 360°立体视觉体验。实时化仿真技术，是数字仿真技术、计算机技术和并行处理技术发展融合的技术产物。即数字仿真模型响应速度与实际系统的响应速度相同，即模型仿真运行1s 对应实际时间的 1s，从而实现虚拟时空与现实时空是同步的，以便于进行实时的监控和控制。

物理精准仿真技术，是一种结合了先进的物理模型和现代计算技术的仿真方法，它能够在虚拟环境中准确地模拟现实世界的物理现象和过程。具有高度准确性，物理精准仿真技术能够提供与现实世界非常接近的模拟结果，因为它基于精确的物理定律和原理来构建模型。实时性，该技术支持实时仿真，可以即时反映系统状态的变化，对于需要快速响应和决策的场合尤为重要。支持故障定位，可以用来精准定位运行故障，帮助运营人员迅速做出决策。云化建模仿真技术，又叫云端仿真。结合了建模仿真理论、异构并行计算技术和云计算技术的新兴技术。主要特点包括：用户协作增强，能够支持多用户同时在线协作，共享计算资源和数据，提高团队工作效率。软件成本降低，用户 53 无需在本地安装复杂的软件就可开展仿真模拟，其前处理，后处理都在 web 浏览器上进行，求解调用云端的开源求解器。用户可以将所有数据保存在云服务器上，只要能访问网络，就可以访问自己在云端建设的模拟场景。可以通过云端直接访问和使用，这样减少了软件的安装和维护成本。使用地点灵活，由于是基于云的服务，用户可以在任何有网络的地方进行工作，提高了工作的灵活性。