城大學者應對電訊流量百年挑戰 以提升醫療及公共服務效率
面對現代化城市對公共服務需求不斷增加，如何具效率地提供服務以應付需要，一直是一大挑戰。香港城市大學（城大）研究團隊最近研發出一種新穎的性能評估方法，在評估排隊系統因出現溢出、應接不暇的情況而遭遇阻塞的機率這世紀難題上，取得重大突破，使服務提供者可以更好地分配有限的資源。這評估方法顯著提升了運算的效率和準確度，在改善電訊網絡、甚或醫療系統的性能上，具有極大潛力，有助提升各種公共服務的資源分配和容量規劃。
電訊流量理論（teletraffic theory，又稱話務理論）是運用概率論來解決電訊系統、以至其他服務系統的規劃、性能評估、操作和保養維修等問題。它可以在電訊網路和服務系統的動態和隨機環境中，實現明智的決策、高效的資源管理和最佳的網路效能。雖然電訊流量（teletraffic）一詞涉及各種數據和電訊傳輸流量，但從該理論發展而來的工具均可超出電訊範疇，適用於其他領域，包括各種服務系統。
其中，溢出損失系統（overflow loss systems）是一種重要的電訊流量數學模型，常見於公共服務領域，例如無線通訊、雲端計算、深切治療和緊急服務等。它們可用於分析基於需求過大或容量有限而無法回應重要請求的潛在情況。請求被拒的機率，又名阻塞機率（blocking probabilities），是溢出損失系統的關鍵性指標。
這類系統中涉及互相溢出效應，要評估當中的阻塞機率，一直以來是世紀難題，但它對於設計電訊和服務系統，以及確保資源有效分配，則至關重要。
為克服這一大挑戰，由城大電機工程學系黃永明教授領導的研究團隊早於2013年便開發出一套數學方法，名為「資訊交換替代近似法」（Information Exchange Surrogate Approximation，IESA），用於計算溢出損失系統中的阻塞機率。與傳統的近似法相比，這種方法能顯著提升準確度和穩定性，同時實現運算效率。團隊曾在《IEEE Transactions on Communications》、《IEEE Transactions on Green Communications and Networking》、《IEEE/OSA Journal of Lightwave Technology》、《IEEE/OSA Journal of Optical Communications and Networking,》和《IEEE Communications Letters》等學術期刊中，發表他們就在「資訊交換替代近似法」框架下所研發的不同新進展。
最近，研究團隊進一步改善IESA，通過研發IESA替代模型，並結合神經網絡演算法，以進一步減少估算誤差。這提供了一個多用途且靈活的性能評估工具，以系統及科學化方式，有效地統籌資源分配，例如深切治療醫院及流動通訊網絡等。
為展示IESA的應用潛力及效能，團隊將它應用在簡化情景裡︰在一個由15間深切治療部組成，且每一間深切治療部設有15張床位的網路中，假設患者可被送到任何一間深切治療部，並且平均住院時間為15日的情況下，評估患者被拒的機率。與之前最先進的方法相比，IESA替代模型能為實際被拒機率提供一個更準確的估算，準確度提高了六個數量級。
上述最新研究成果已發表於學術期刊《IEEE Access》，題為〈A Century-Long Challenge in Teletraffic Theory: Blocking Probability Evaluation for Overflow Loss Systems With Mutual Overflow〉。黃教授與團隊並且在文中闡述了應對上述電訊流量理論這世紀挑戰的歷程和最新進展，並解釋了IESA如何成功應對這一挑戰，從而取得重大突破。
為進一步將理論轉為實際應用，黃教授及其團隊正與公共機構及電訊業界合作，將IESA應用在醫療系統及通訊網絡的真實情景中。
例如，他們正與香港醫院管理局（醫管局）深切治療部統籌委員會合作，以改善深切治療部的資源分配和容量規劃。團隊基於模擬的數據和深切治療部網路模型，運用IESA，針對深切治療部的「性能評估」和「優化」進行初步研究。他們並根據從醫管局臨床數據分析及報告系統中所取得的真實數據和深切治療部的節點模型，進行分析，以評估各項重要指標，如患者被拒的機率。
黃教授說：「我們的初步研究已取得正面回應，並計劃以真實患者數據和香港的深切治療部網路進行IESA測試，希望通過我們的模型，有助更好地分配資源，從而令公共服務受惠。」
論文的第一作者是黃教授及來自劍橋大學製造工程學院副研究員陳衍智博士。此研究獲香港的醫療衞生研究基金及優配研究金支持。