無人機(jī)血液配送系統(tǒng)規(guī)劃

王慧明，黃永暉，范雨哲，孫術(shù)發(fā)，郭成波

（東北林業(yè)大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040）

1 引言

目前，我國的血液配送方式主要以車輛運(yùn)輸為主，各采血點(diǎn)獲得的血液制品均先通過車輛運(yùn)輸至中心血站血庫進(jìn)行儲存，醫(yī)院根據(jù)用血需求預(yù)測向血站申請用血，并將血站分配的血液制品通過車輛運(yùn)至醫(yī)院的血庫進(jìn)行保存，當(dāng)醫(yī)院各科室有輸血需求時，從醫(yī)院內(nèi)的血庫獲取需要的血液制品。在該供應(yīng)體系中，由于大量的血液制品在需要使用之前，先被分配到了各醫(yī)院的自備血庫儲存，醫(yī)院用血量和血型的隨機(jī)性，會導(dǎo)致在醫(yī)院內(nèi)部有些血型血液制品供不應(yīng)求，有些血型血液制品供過于求，使得血液短缺和血液過剩問題同時存在。在緊急救援中，時間就是生命，當(dāng)出現(xiàn)某種血液制品臨時短缺時，醫(yī)院需要臨時向中心血站申請調(diào)用，而以汽車為主的運(yùn)輸方式受眾多不確定性因素影響，比如車況、路況、天氣及司機(jī)狀態(tài)等，很難保證緊急情況下能夠按時送達(dá)目的地。因此，要改變這種現(xiàn)狀，需要從血液供應(yīng)的模式著手進(jìn)行改進(jìn)，匹配需求與供應(yīng)，減少血液從血站到目的地的時間，尋找新的配送方式，探索新的血液庫存管理辦法。

2 無人機(jī)血液運(yùn)輸現(xiàn)狀

我國的法律規(guī)定由血站負(fù)責(zé)血液的儲存，一個城市的血液供給網(wǎng)絡(luò)要靠血液中心與各醫(yī)院相關(guān)部門聯(lián)合調(diào)度才能完成。供給網(wǎng)絡(luò)的效率，受多方面影響，如醫(yī)院和血液中心的血液庫存量、血液中心在收到用血請求后的響應(yīng)速度、運(yùn)輸車輛在城市運(yùn)輸過程中發(fā)生的各種不確定性等[1]。想要提高效率，盡可能滿足城市各醫(yī)院的用血需求，就要合理安排醫(yī)院及血站的血液庫存，提高血站的響應(yīng)速度，并盡可能減少運(yùn)輸車輛在行駛過程中的不確定性。

近年來我國經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，人們的物質(zhì)生活水平得到提升，使得私家車市場保有量過快增長，加上城市道路發(fā)展滯后，道路擁堵已經(jīng)成為了每個城市都要面臨的普遍問題[2]。就汽車運(yùn)輸而言，由于公路交通的不確定性，極大的降低了城市汽車運(yùn)輸?shù)男?，而這正是影響血液供給網(wǎng)絡(luò)效率的關(guān)鍵所在。近年來隨著無人機(jī)配送方式的興起，為城市血液配送帶來了新的方向[3-4]。國內(nèi)外的各類實驗也驗證了采用無人機(jī)進(jìn)行血液運(yùn)輸?shù)目尚行?。Mayur Katariya等采用無人機(jī)運(yùn)輸血液制品，通過傳感器密切監(jiān)測箱內(nèi)環(huán)境，研究無人機(jī)飛行過程對血液成分的影響，對無人機(jī)運(yùn)輸血液的深入研究提供了科學(xué)依據(jù)[5]。美國約翰霍普金斯大學(xué)Amukele等在研究中發(fā)現(xiàn)，無人機(jī)運(yùn)輸過程中的時間長度和血液環(huán)境溫度會對血糖和血鉀產(chǎn)生一定的影響，欲保證血液制品的質(zhì)量，必須對血液的運(yùn)輸環(huán)境進(jìn)行嚴(yán)格的要求[6]。

劉星辰等論證了無人機(jī)在“最后一公里”配送中的可行性[7]，翁丹寧等研究了無人機(jī)物流配送的主要影響因素[8]，劉子齊等探討了無人機(jī)配送血液供應(yīng)鏈管理等相關(guān)問題[9]。2018年4月，浙江省首次進(jìn)行無人機(jī)緊急配送血液試飛，在長興縣水口鄉(xiāng)衛(wèi)生院內(nèi)起飛一架自重11kg的白色無人機(jī)，19min后平穩(wěn)降落到指定地點(diǎn)。此次試飛，無人機(jī)平均飛行速度達(dá)到43.2km/h，而此次試飛的物流無人機(jī)，最大載重7kg，最遠(yuǎn)航程30km，最高速度達(dá)到70km/h，而且能在雨雪天氣飛行，能抵抗六級大風(fēng)，是我國醫(yī)用物流無人機(jī)在醫(yī)療急救領(lǐng)域的首次試飛，說明醫(yī)療無人機(jī)的獨(dú)特優(yōu)勢在未來將會越來越明顯。國內(nèi)外很多企業(yè)在這方面不斷探索創(chuàng)新，例如京東、順豐等物流企業(yè)已經(jīng)在進(jìn)行無人機(jī)配送市場的探索。亞馬遜在這方面研究較早，在2013年公布了“Prime Air”計劃，目前已經(jīng)研發(fā)到了第九代，能獨(dú)立飛行16km送貨并自動返回。Zipline在2014年就已經(jīng)開始研發(fā)無人機(jī)為醫(yī)療中心運(yùn)送藥物，2017年又將服務(wù)拓展至坦桑尼亞，并擁有世界上唯一的覆蓋全國的無人機(jī)配送中心。

3 血液供給模式對比

血液來源唯一，無論是何種血液制品都無法長期保存，所以血液是醫(yī)療健康系統(tǒng)中不可替代的關(guān)鍵資源，對采集、檢測、運(yùn)輸、儲存及使用等方面都有嚴(yán)格要求，無法即采即用，這與醫(yī)院用血需求的突發(fā)性和緊急性形成突出矛盾。傳統(tǒng)血液供給模式如圖1（a）所示，血液配送以汽車為主，醫(yī)院為應(yīng)對患者的隨機(jī)用血需求，需要在醫(yī)院內(nèi)自建血庫，提前將一定血液制品存儲在自建的血庫中。由于血液制品為易腐品，對存儲的環(huán)境條件要求較高，如果存儲時間過長，則會導(dǎo)致血液制品變質(zhì)作廢，所以血液制品的管理成本非常昂貴。當(dāng)醫(yī)院緊急需要大量某種血液制品時，非常容易造成庫存短缺，此時需要向血液中心血庫申請緊急調(diào)度。由于運(yùn)輸過程采用汽車運(yùn)輸，非常容易受到交通擁堵等道路不確定性因素的干擾，導(dǎo)致血液不能及時送到醫(yī)院，影響急救治療，危及病人的生命安全。

采用無人機(jī)運(yùn)輸血液，可以不受地形及交通道路環(huán)境等限制，配送時間完全可控，一定數(shù)量的無人機(jī)，配以系統(tǒng)的管理調(diào)度，足以滿足一定范圍內(nèi)多個醫(yī)院的緊急輸血配送需求。采用無人機(jī)配送的血液供給模式如圖1（b）所示，通過建立無人機(jī)血液配送系統(tǒng)，可以在一定范圍內(nèi)利用一個中心血庫，為多個醫(yī)院提供實時血液制品配送。醫(yī)院可以根據(jù)實時需求，向中心血庫申請用血，中心血庫根據(jù)需求信息為醫(yī)院提供對應(yīng)的血液制品，并采用無人機(jī)直接從中心血庫運(yùn)至醫(yī)院。一定區(qū)域內(nèi)的血液制品可由中心血庫統(tǒng)一管理，醫(yī)院不需要自己存儲血液制品。與傳統(tǒng)血液供給系統(tǒng)相比，無人機(jī)血液配送系統(tǒng)中血液由血液中心統(tǒng)一管理調(diào)度，醫(yī)院不需要自持庫存，減少了醫(yī)院血液庫存管理的成本，增加了血液供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的靈活性，同時還減少了血液制品在醫(yī)院存儲過程中不必要的浪費(fèi)。

圖1 血液供給模式對比

4 無人機(jī)血液配送整體規(guī)劃

在無人機(jī)血液配送系統(tǒng)中，各醫(yī)院與血液中心間建立信息共享網(wǎng)絡(luò)，由醫(yī)院的輸血科與血液中心進(jìn)行實時溝通，以達(dá)到信息共享的目的。血液中心可將各類型血液庫存的實時數(shù)據(jù)提供給各醫(yī)院，而各醫(yī)院可按需預(yù)約，將血液類型、所需血量、期望到達(dá)時間等信息通過共享信息網(wǎng)絡(luò)反饋給血液中心。血液中心實時監(jiān)測各醫(yī)院預(yù)約請求，綜合考慮情況的緊急程度、血量需求、庫存余量等因素并及時做出回應(yīng)，調(diào)度無人機(jī)進(jìn)行快速配送。血液配送過程中，需要對路線信息及血液狀態(tài)信息及時更新并記錄，例如無人機(jī)何時從血液中心發(fā)出、血液發(fā)出時的狀態(tài)(血液溫度、數(shù)量、外包裝情況等)，飛行實時位置軌跡（通過快速處理全球定位系統(tǒng)（GPS）及地理信息系統(tǒng)（GIS）實時返回的位置信息進(jìn)行監(jiān)測），預(yù)計何時到達(dá)及到達(dá)時的狀態(tài)等都應(yīng)該在共享信息網(wǎng)絡(luò)上存有記錄，以供后續(xù)查證、統(tǒng)計。未來可以根據(jù)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行需求預(yù)測，使血液中心庫存管理更加科學(xué)、血液中心與醫(yī)院的配合更加高效。配送過程中應(yīng)嚴(yán)格遵循血液的保存及運(yùn)輸要求，醫(yī)院和血液中心應(yīng)在信息共享網(wǎng)絡(luò)上實時監(jiān)測運(yùn)輸箱內(nèi)的溫度，保證在運(yùn)輸過程中血液溫度變化在安全范圍之內(nèi)，以避免變質(zhì)血液進(jìn)入臨床。

我國空域目前并未大范圍開放，為了血液運(yùn)輸過程中無人機(jī)的飛行安全，用于城市內(nèi)血液配送的無人機(jī)需要向有關(guān)部門報備，其外形、用途、所攜帶物品等信息應(yīng)在有關(guān)部門有詳細(xì)記錄，從而與其它民用無人機(jī)區(qū)分開，方便管理。由于配送血液的無人機(jī)工作性質(zhì)特殊，需由中心血站統(tǒng)一保養(yǎng)維護(hù)，分配調(diào)度。每次配送用的無人機(jī)及配送箱都應(yīng)該詳細(xì)記錄，并在配送后檢查無人機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和動力電池的消耗情況，及時進(jìn)行保養(yǎng)維護(hù)，并檢查運(yùn)輸箱的安全性，嚴(yán)格對運(yùn)輸箱進(jìn)行消毒處理，使無人機(jī)與運(yùn)輸箱能盡快投入到下一次的配送任務(wù)當(dāng)中。用于運(yùn)輸血液的無人機(jī)，應(yīng)具有續(xù)航時間長、飛行穩(wěn)定的特點(diǎn)，與運(yùn)輸箱連接的夾持機(jī)構(gòu)需要滿足易更換和快速拆裝等特點(diǎn)。

4.1 硬件規(guī)劃

無人機(jī)血液運(yùn)輸系統(tǒng)的載體為無人機(jī)，承載物品為血液制品，為了保證運(yùn)輸?shù)目煽啃?，要求無人機(jī)性能安全穩(wěn)定，因此可以采用技術(shù)成熟的商用無人機(jī)。由于無人機(jī)運(yùn)輸承載能力有限，為了提高運(yùn)輸血液制品的凈含量，需要盡可能的降低血液運(yùn)輸箱的重量，同時由于無人機(jī)運(yùn)輸?shù)奶厥庑?，運(yùn)輸箱的設(shè)計需要考慮保溫、減震、防摔等性能。為了使無人機(jī)能夠安全可靠的運(yùn)輸血液，需要設(shè)計可靠性高的血液運(yùn)輸箱夾持機(jī)構(gòu)，將無人機(jī)與血液運(yùn)輸箱穩(wěn)固連接。

由于血液的保存對環(huán)境溫度有很高要求，在飛行過程中血液要與外界隔離，所以用于和無人機(jī)配套的血液運(yùn)輸箱需要具有良好的保溫性能，為了在無人機(jī)有限的載重下可以運(yùn)輸更多的血液，需要箱體盡可能降低自重?？紤]無人機(jī)運(yùn)行過程中存在顯著的高頻振動，因此還需要運(yùn)輸箱具有減震功能。根據(jù)以上要求可以設(shè)計出如圖2所示的血液運(yùn)輸箱，箱體及箱蓋采用新型輕質(zhì)EPP 材料，既能保證箱體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，又能實現(xiàn)良好的隔溫效果，血液承載盒用于放置血液，承載盒中間放置有冰盒，以保證血液制品一直處于低溫環(huán)境。在箱體內(nèi)壁附著有氣囊，內(nèi)部填充導(dǎo)熱系數(shù)低的二氧化碳，一方面可以進(jìn)一步降低箱內(nèi)與外部的熱傳遞，另一方面分布在內(nèi)壁的氣囊通過充氣可以將內(nèi)部血液承載盒擠緊，起到減震的作用，降低由于無人機(jī)飛行引起的振動對內(nèi)部血液的影響。

圖2 血液運(yùn)輸箱

根據(jù)需求地點(diǎn)和需求用量的不同，要選擇不同型號的無人機(jī)和運(yùn)輸箱來配送。無人機(jī)與血液運(yùn)輸箱連接的夾持機(jī)構(gòu)在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的情況下應(yīng)具備質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)簡單、可快速連接不同型號的無人機(jī)和運(yùn)輸箱等特點(diǎn)。輕質(zhì)的夾持機(jī)構(gòu)可以更少的占用無人機(jī)的載重量，增大無人機(jī)的血液運(yùn)輸能力，簡單的機(jī)械結(jié)構(gòu)可以讓工作人員在最短的時間內(nèi)完成運(yùn)輸箱與無人機(jī)的組裝與拆卸，為醫(yī)護(hù)人員與患者節(jié)省寶貴的時間。

4.2 無人機(jī)血液配送系統(tǒng)管理規(guī)劃

由于我國目前醫(yī)療資源分布不均，一二線城市集中了大量的優(yōu)質(zhì)醫(yī)療資源，使得相應(yīng)的醫(yī)院會吸引周邊大量的病人，用血量也會比較突出。采用無人機(jī)作為區(qū)域血液運(yùn)輸?shù)闹饕ぞ?，雖然與汽車運(yùn)輸相比減少了運(yùn)輸過程消耗的時間，但是由于各醫(yī)院不再單獨(dú)儲存血液，如果不進(jìn)行合理血液調(diào)度規(guī)劃，非常容易造成血液供給與需求的不匹配，因此需要對無人機(jī)血液配送系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計。

無人機(jī)血液配送系統(tǒng)和傳統(tǒng)的地面運(yùn)輸系統(tǒng)有相似之處，都需要對運(yùn)輸工具進(jìn)行管理維護(hù)，根據(jù)不同的用血需求合理的分配血液數(shù)量，調(diào)度無人機(jī)進(jìn)行配送。無人機(jī)血液配送系統(tǒng)可以分為血液采集網(wǎng)點(diǎn)、血液需求調(diào)度中心和無人機(jī)調(diào)度系統(tǒng)三部分。

血液采集網(wǎng)點(diǎn)負(fù)責(zé)血液的現(xiàn)場采集工作，如果采集到的血液為緊缺血型，可以通過血液采集車配備的無人機(jī)第一時間將血液運(yùn)送至血液中心進(jìn)行必要的檢測篩選，確定血液制品合格后，直接通過無人機(jī)運(yùn)送至急需該血型的醫(yī)院。非緊缺血型，可以在采集點(diǎn)暫時保存，積攢一定的量之后，再統(tǒng)一運(yùn)送至血液中心血庫進(jìn)行保存。無人機(jī)血液配送流程如圖3所示。

圖3 無人機(jī)血液配送流程

血液需求調(diào)度中心設(shè)立于血液中心，負(fù)責(zé)血液采集點(diǎn)和醫(yī)院之間的信息協(xié)調(diào)溝通，接收各醫(yī)院的實時血液需求申請，并根據(jù)血液中心的庫存情況和需求的緊急程度，安排血液的配送任務(wù)。當(dāng)接收到血液中心緊缺的血型需求申請時，血液需求調(diào)度中心與各血液采集點(diǎn)溝通，采用無人機(jī)緊急調(diào)度對應(yīng)血型血液。

無人機(jī)調(diào)度系統(tǒng)包括無人機(jī)地面管理中心和無人機(jī)飛行規(guī)劃監(jiān)控中心兩部分，無人機(jī)地面管理中心主要負(fù)責(zé)根據(jù)血液需求調(diào)度中心的任務(wù)安排進(jìn)行血液運(yùn)輸箱的裝卸，并根據(jù)要求對無人機(jī)進(jìn)行控制和維護(hù)。無人機(jī)飛行規(guī)劃監(jiān)控中心主要負(fù)責(zé)根據(jù)實時血液需求情況，合理規(guī)劃無人機(jī)飛行路線，由于血液中心與醫(yī)院之間的運(yùn)輸路線是固定的，因此用于血液配送的無人機(jī)飛行過程比較適合采用GPS模式下的自動定點(diǎn)飛行控制，由飛行規(guī)劃監(jiān)控中心下載航線信息，無人機(jī)自動根據(jù)航線信息運(yùn)送血液。

城市的用血需求，一部分來源于醫(yī)院的手術(shù)輸血需求；另一部分則來源于意外狀況的隨機(jī)用血需求。血站需要配備針對不同飛行距離和載荷的血液運(yùn)輸箱的無人機(jī)，根據(jù)不同的血液需求量和輸送距離，考慮血液需求的緊急程度，選擇相匹配的運(yùn)輸箱和無人機(jī)進(jìn)行配送，根據(jù)時間要求合理調(diào)度無人機(jī)完成血液運(yùn)輸工作。

5 結(jié)論

本文對無人機(jī)血液配送系統(tǒng)展開了研究，分析了采用無人機(jī)進(jìn)行血液配送相比傳統(tǒng)血液配送模式的優(yōu)勢所在，針對無人機(jī)配送，提出了血液運(yùn)輸箱和無人機(jī)夾持結(jié)構(gòu)的設(shè)計思路，將配送系統(tǒng)分為血液采集網(wǎng)點(diǎn)、血液需求調(diào)度中心和無人機(jī)調(diào)度系統(tǒng)三個部分進(jìn)行了職能規(guī)劃。采用無人機(jī)進(jìn)行血液運(yùn)輸，可以大大簡化血液配送的供應(yīng)流程，提高血液配送的效率，降低血液存儲的成本，能夠避免血液在配送期間不必要的損失，促進(jìn)血液配送體系的健康發(fā)展。