为深入落实国务院联防联控机制的要求^[1-3]，应对和防范新型冠状病毒肺炎（以下简称“新冠肺炎”）疫情风险，被赋予社会治理属性的核酸检测广泛运用于风险人群筛查，多个城市出现千万级人口全员核酸检测的极端需求^[4-7]。经测算，千万级人口城市的日常核酸检测业务对系统并发量要求并不高，仅为每秒50次，而在全员核酸检测这一极端情况下，千万人口被要求在1天内完成采样，并发量瞬间将超过每秒5万次^[7]。现重点研究如何合理、科学、低成本地解决采样现场网络易拥堵、并发数据量差异悬殊、转运过程难以追踪、结果反馈时滞不便等实际问题。

1 核酸检测管理系统建设难点分析

超大城市1天内完成超2 000万人口的全员核酸检测是一项巨大的挑战，工作量大且容易出错^[8]。临时（应急）采样点人流密集，需保障市民在网络拥堵的环境下顺利打开核酸码，需保障采样设备在基站拥堵以及超高并发的环境下稳定接入系统，需保障在大样本转运过程中实现过程管理的无缝衔接。信息化在核酸检测业务中发挥了重要的支撑保障作用^[9]，但基于全员核酸检测业务的上述需求，在系统设计时亟须解决以下难点。

1.1 网络拥堵易发生，交叉感染风险高

全员核酸检测需避免因人员聚集而导致的交叉感染。但由于采样现场电子设备密集造成的网络拥堵、基站饱和等原因，致使核酸码无法正常显示，这类情况会导致人群在采样现场的停留时间延长，从而增大交叉感染风险^[10]。因此，不受网络影响的核酸码生成方案在避免交叉感染方面至关重要。

1.2 超大城市人口多，并发差异难兼顾

全员核酸检测是城市疫情防控的底线措施，是在复杂疫情环境下的最后防线。怎样在合理、科学、经济的考量下，兼顾核酸检测在日常情况下每秒50次的并发量与全员核酸检测状况下每秒5万次的并发量这接近1 000倍的差异需求，既保证资源有效利用、不浪费，又保证系统稳定运行、不崩溃，这不仅对系统架构的稳定性提出了严格的要求，也对系统资源的扩展性、系统运行的可靠性，以及应急预案的匹配性提出了极高的要求。

1.3 样本管理多而杂，转运过程难追踪

面对全员核酸检测任务，需要同时保障高效采集、样本管理清晰明确、转运过程实时可追踪。在同一批次采样登记过程中，样本类型包含单采和混采2种模式，转运车辆无法将车辆信息与样本类型实现对应，增大了样本交接出错的概率，难以对每个样本的检测机构进行精准溯源。

2 核酸检测管理系统概述与功能实现 2.1 系统概述

系统基于资源统筹的思想，以标准化的方式规范区域各级核酸检测机构的数据传输及业务流程，融合互联网思维、智能化手段，利用手机、计算机多端应用的创新，增强对供给侧、需求侧两端的有序管理，以“实名认证、网上登记、扫码即用、亮码即采、结果速查”等功能实现模式构建和指导系统模块开发。

系统总体架构设计由“健康云”应用程序（application, App）^[11]、采样客户端、转运客户端、检测信息管理系统、核酸检测专题数据资源中心（以下简称“核酸专题库”）5个部分组成^[12]。系统总体功能组成见图 1。

其中“健康云”App提供个人采样登记及检测结果查询服务；采样客户端服务于采样机构，为检测个人进行采样登记；转运客户端服务于采样现场，对“封箱事件”和“转运事件”实时跟踪，实现样本运输环节的追踪；核酸检测信息管理系统，为检测机构提供样本扫描查询及检测结果录入服务；核酸检测专题库包括专题数据归集及相关接口服务，服务“一网通办”市民查询和“一网统管”政府应用，为管理部门提供采样及检测结果的条件查询与统计^[13]。

为解决全人群核酸检测过程中遇到的三大难点问题，核酸检测管理系统采取了如下解决方案。

2.2 前置计算二维码，短信发送免拥堵 2.2.1 基础数据准备

“健康云”在日常核酸检测和健康服务过程中，已实现全市95%常住人口的实名认证和登记（姓名、身份证号码、联系电话这3项信息准确），对于剩余5%的未注册用户或未完成实名认证的用户，在首次使用核酸检测登记的时候，将要求实名认证，完成姓名、身份证号码、联系电话3项信息的验证。全员身份信息的准确，为全员核酸检测下的信息预处理及合理分流奠定了坚实的基础。

2.2.2 前置计算

核酸检测二维码是检测环节的重要凭证，为分解二维码即时赋码的并发计算压力，拟采用“计算前置”的方式，在全员核酸检测的指令下达后，基于既有数据在后台预先生成全库人员的核酸检测二维码（约3 610万个），将可能存在的并发计算高峰主动前移到可控时段内解决。

2.2.3 主动分发

核酸检测二维码的下发容易造成网络（基站）拥堵。一方面，通过简化获取二维码的业务逻辑，使原本复杂的传参赋码过程改变为文件下载的单一动作，避免过多的数据交互造成并发量成倍上升，并将3 610万个二维码分布部署于互联网静态CDN服务器^[14]（可承受10万并发），用以承受高并发的业务访问。另一方面，简化二维码的获取渠道，对每一个注册用户，生成一条下载核酸检测二维码图片链接的手机短信，由三大运营商进行下发（经测算3 610万条短信的下发时间约为12 h）。市民通过收到的短信链接下载核酸检测二维码图片并保存在手机上，在现场采样过程中出示该图片即可完成个人信息的登记。该方案将用户申请二维码改为主动分发二维码，有效避免了核酸信息登记、赋码环节的高并发，事前登记赋码的流程，避免了采样现场网络拥堵的风险。

2.3 一网通办便市民，封箱转运保衔接

为实现核酸检测全流程数据的可追溯，样本以转运箱的封箱作为转运标志，将对样本的个体管理转化为以“箱”为单位的批量管理，从而简化管理过程。同时与转运环节中的转运车辆、转运人员进行关联，实现以封箱及转运事件为核心的“实体”管理，保障核酸样本在采集、标识、储存与运输等全流程的安全可控^[15]。

2.3.1 封箱事件与转运事件构建

每一个转运箱在系统完成信息登记后，形成1个固定二维码作为唯一标识，转运车辆以车牌号为唯一标识，转运人员以系统账号为唯一标识。封箱人员（即采样人员）登录系统后通过扫描转运箱二维码和样本采样编码，实现转运箱和箱内样本的关系固定，样本装箱后打印封箱码并粘贴在转运箱上，完成一个“封箱事件”的构建。转运人员（通常是转运车司机）登录系统后，录入车牌号并扫描封箱码，实现转运箱、转运车、转运人员的关联，形成一个“转运事件”的构建。

2.3.2 实验室无缝收样

转运箱封箱码经检查完整无破损后，检测机构人员可以登录系统，通过扫描枪直接扫描“封箱码”，完成整个转运箱内所有样本的全部接收，也可逐个扫描样本编码，系统自动登记样本收样并统计样本数量，确保收样数量与对接单装箱总数一致。收样登记既可确保样本交接不出差错，又可准确记录样本的接收机构，实现过程管理的无缝衔接。

2.4 多途径结果查询和数据应用

涵盖核酸检测全过程及结果数据的专题库有效解决了市民查询不便、联防联控信息共享延迟等问题。专题库根据业务管理要求和数据采集标准，整合和校验了核酸检测的全流程数据，实现所有条件查询与统计。再通过标准接口，支持采样机构、检测机构和“健康云”等各类系统和第三方应用的查询需求。个人登录“健康云”App，实名认证后可进入报告查询页面，或通过其他途径查询检测结果^[16]。针对检测结果为阳性的患者，系统可及时提醒，并以标准接口的方式主动将数据推送至区域联防联控平台，从而加快疫情的响应与控制速度。多途径结果查询和数据应用实现了市民查询过程的“一网通办”与核酸检测全过程的“一网统管”^[17]。

2.5 离线采样有闭环，预警机制余量足

为适应在极端状况下可能存在的断网风险，研发便携式手持设备“核检通”，作为以硬件固化并封装复杂业务流程，可实现应急状况下的快速部署与应用。

2.5.1 断网离线采集

“核检通”离线采样模式是一种应急处置模式，与在线模式一致，围绕“人”和“样本”的规范化管理形成针对核酸检测的闭环管理模式。

（1）针对“人”的管理。与在线模式一致，可以采用近距离无线通信技术（near field communication，NFC）进行身份证识别、应急核酸登记二维码、手工登记的方式保证信息的完整性，兼容现实中可能遇到的各种场景。

（2）针对“样本”的管理。出于“一码通全城”应用考虑，核酸采样编码采用全市统一编码模式，“核检通”在首次联线启动后，通过与核酸采样信息系统中心服务器对接获取2万个样本编码存于设备内，作为本机的应急编码，确保编码全市唯一。在线状态下将直接使用从中心服务器即时获取的样本编码，而一旦转入应急状态，则将以本机内的2万个样本编码为基础，实现在检测流程中对样本的赋码与打印，完成“人”与“样本”的关联与管理，确保检测采样工作的顺利开展。

2.5.2 联网数据补传

在实际使用中，针对应急编码提供预警机制，在其剩余数量小于5 000个时，将提醒现场管理人员尽快恢复网络，通过与中心服务器对接重新补足2万个的编码存量，保障“核检通”设备后续的正常使用。在网络恢复时，可将保存在“核检通”内已采集的检测市民信息及与之对应的样本信息上传至中心服务器，确保随后检测机构的检测端能够有效识别样本。

2.5.3 缺失数据追踪

对于已投入应急使用但未及时上传采样结果的情况，将通过定位设备使用人员，形成预警及对应的处置任务，要求相应人员及时处理，从而保障与采样之后的工作有效衔接。

3 应用成效

截至2022年4月，系统一方面覆盖全市494家核酸采样/检测机构，服务市民日常采样检测累计1.15亿人次，另一方面有效支撑大规模人群核酸检测筛查2.49亿人次。在2022年3—4月上海市本次疫情中，系统大幅提升了全员核酸筛查速度和检测资源利用效率，实现日均采样800万人次。

3.1 前置计算，高效检测

核酸检测的指令下达后，后台预先生成区域内所有人员的核酸检测二维码，将可能存在的并发高峰主动前移到可控时段内解决，简化赋码交互过程，推动用户申请二维码向主动分发二维码的转变，利用与资源匹配的分布式处理模式，平衡“平”“急”不同状态下的资源需求差异。2022年4月4日，上海市全员核酸检测，系统能够平稳经受采样峰值每分钟7.8万次、报告查询峰值每分钟10.5万次、App访问峰值每分钟66.98万次的超高并发考验，全天完成2 580万人的核酸筛查任务。

3.2 大小闭环，智能管理

通过“登记码”“样本编码”“转运箱码”“封箱码”的关联与管理，理顺核酸登记、采样、转运、接收、检测、查询各业务要素的责任主体与职责边界，建立各要素规范、高效运作“小闭环”。同时，以数据的流通驱动业务要素之间的无缝衔接，大幅提升工作效率及工作精准度，并通过全程留痕实现多机构、多场景的事件化监控和追溯，落实对参与各方包括第三方机构的精细化管理，创新核酸检测全流程的“大闭环”。最终针对检测结果阳性的人员无缝对接联防联控平台，加快启动后续针对阳性病例的控制流程，与应急响应闭环联动，保障城市公共卫生安全。

3.3 软硬一体，快速响应

便携式手持设备“核检通”集扫码、打印、身份证读取功能于一体，灵活轻便，无需部署，开机即用，减少采样点的现场部署成本，可满足固定、临时、上门采样等多场景需求，解决了大规模核酸检测现场组织成本高、受天气影响大等困难。此外，便携式手持设备还充分体现了底线意识，常备应急样本编码，以实现在应急离线状态下“人”与“样本”的关联与管理，使采样工作的开展不受外部条件制约，能满足全天候、多场景的核酸采样要求。2022年4月4日，上海市全员核酸筛查，全市投入约2万台“核检通”设备，单个设备日均采样1 290人，大幅降低了现场组织成本，提升了工作效率。

3.4 责任到人、安全可控

系统各环节功能内聚，明确每个关键节点的责任边界，对公民个人信息和业务数据的使用范围、内容和方式进行规约，确保数据不被滥用，并通过对操作账户的实名管理与日志记录，实现管理责任到人。在此基础上，各个环节进一步加强技术防护手段，通过核酸检测二维码页面隐去姓名中的一个字及身份证号码中的10位数字，面向市民的查询服务也仅向通过实名认证的本人或其法定监护人提供，完善隐私保护机制，确保个人隐私得到充分尊重和保护^[19]。通过“封箱事件”有效保证了样本的全程可追溯，确保了样本转运的安全性。通过“核检通”离线采样模式提高了系统的坚固(robust)性，使得断网离线状态下工作人员仍可正常工作，保证了核酸采样工作的可控性。

4 结语

上海市坚决贯彻国务院应对新冠肺炎疫情联防联控机制要求的统一部署^[20]，坚持效率优先、精准服务的原则，通过信息系统功能的优化与完善，支持了高并发下极端的核酸大规模筛查情形，提升了区域的整体疫情防控水平，具有推广应用价值。系统虽然有效地解决了实名认证、高并发压力、现场网络差等难点，但是仍然存在通过静态二维码截图进行代采代检的风险。后续团队将继续研究在系统高并发能力下的动态二维码实现，全面解决代采代检的风险。未来可考虑将该成果应用于日常公共卫生管理、智慧免疫接种、大型专项调查、应急状态下的传染病监测等更多领域。

·作者声明本文无实际或潜在的利益冲突