基于数字孪生（Digital Twin）技术的免疫接种服务优化：温度监控与覆盖率预测的仿真研究

这篇综述创新性地将工业4.0的数字孪生（DT）技术应用于初级卫生保健中的免疫接种服务，提出名为TwinVax的系统架构。通过物联网（IoT）传感器实时监控疫苗存储温度（2°C–8°C），结合电子健康记录（EHR）和离散事件仿真（DES），实现疫苗冷链完整性保障与人群接种覆盖率动态分析。研究基于ISO 23247标准构建四层架构（OME/DCDCE/DTP/UD），利用SimPy仿真验证了系统在温度异常预警（阈值3°C/7°C）和接种提醒（如BCG疫苗30天窗口期）中的有效性，为资源受限地区的免疫管理提供了可扩展的数字化解决方案。

　　

背景

全球新冠疫情暴露了免疫接种服务的脆弱性，疫苗冷链断裂和覆盖率不足成为关键挑战。研究提出基于工业4.0技术的数字孪生（DT）解决方案TwinVax，通过整合物联网（IoT）、机器学习（ML）和云计算，实现对疫苗存储温度（2°C–8°C）和人群接种状态的实时监控。该系统符合ISO 23247标准，填补了初级卫生保健领域DT应用的空白。

方法

采用统一建模语言（UML）定义工作流，架构分为四层：

1. 1.

   物理层（OME）：冰衬冰箱（ILR）和保温箱配备DS18B20温度传感器，通过ESP-32网关传输数据；

2. 2.

   连接层（DCDCE）：采用MQTT协议和HL7标准集成EHR数据，TLS加密保障安全；

3. 3.

   平台层（DTP）：基于AWS云服务部署InfluxDB时序数据库，支持ML模型预测温度异常；

4. 4.

   用户层（UD）：Grafana仪表盘可视化实时数据，通过SMS/WhatsApp发送预警（阈值3°C/7°C）。

仿真使用SimPy模拟3,527名里约热内卢居民（分层抽样100人）的接种场景，验证温度偏移与覆盖率提醒功能。

结果

• •

  温度监控：每小时采集5分钟数据，7.1°C触发“请检查存储条件”警报；

• •

  接种管理：婴儿Alice的BCG疫苗在15天窗口期触发分级提醒（7/15/30天），成人John的破伤风疫苗提前60天预警；

• •

  预测功能：决策树模型分析历史数据，预测疫苗需求与设备故障风险。

讨论

TwinVax的创新性体现在：

1. 1.

   双轨监控：同时保障疫苗效价（3°C–7°C）和接种时效性；

2. 2.

   适应性设计：FIFO缓冲应对网络中断，微服务架构支持扩展；

3. 3.

   伦理考量：GDPR合规的数据加密与人工审核机制。

   局限性包括偏远地区网络延迟和EHR系统异构性问题。

结论

该研究证实DT技术可优化免疫服务，减少50%的疫苗浪费（模拟数据）。未来可整合社会经济变量（如母亲教育水平）提升覆盖率预测精度，为WHO《2030免疫议程》提供技术支撑。