BIM和IoT技術(shù)在醫(yī)院智慧運維中的應(yīng)用分析

李瑩瑩， 魏洪林， 李 寧， 樂佳玲， 王艷敏

(1. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)建筑設(shè)計研究院，哈爾濱 150001；2. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)，哈爾濱 150001)

0 引 言

建筑運維管理在整個項目全生命周期里是耗時最長、信息量和工作量最大的一個環(huán)節(jié)，成本占整個項目的55%-75%，因此有效控制和管理該系統(tǒng)至關(guān)重要。近年來，為提升建筑運維管理的智能化水平，建筑信息建模(Building Information Modeling，BIM)與物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things, IoT)技術(shù)成為兩種不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)，兩者的結(jié)合被視為建筑信息業(yè)的革命性變革，緊跟國家對新基建、智慧城市等建筑信息化、智能化的發(fā)展趨勢。

作為智慧城市的重要組成部分，智慧型醫(yī)院正成為現(xiàn)代化醫(yī)院建設(shè)的主流方向，是構(gòu)建在智慧城市大腦基礎(chǔ)設(shè)施上一個重要的應(yīng)用分支，是智慧城市智能感知、互聯(lián)互通、智慧化應(yīng)用架構(gòu)的典型應(yīng)用場景。盡管IoT和BIM技術(shù)已經(jīng)在醫(yī)院類建筑物的安防、消防及各類機電設(shè)備中得到應(yīng)用，但應(yīng)注意到：目前醫(yī)院智慧運維系統(tǒng)多集中在單一技術(shù)應(yīng)用為主，雖然也涉及全生命周期，但主要集中在設(shè)計、施工階段，運維業(yè)務(wù)也多限于設(shè)備管理和能耗監(jiān)測方面，且在運維階段的自動化和信息集成度涉及很少，這極大阻礙了我國醫(yī)院智能化的可持續(xù)發(fā)展。

1 醫(yī)院智慧運維系統(tǒng)概況

1.1 醫(yī)院傳統(tǒng)運維系統(tǒng)存在問題

傳統(tǒng)醫(yī)院運維系統(tǒng)(圖1)的智能化程度多依賴于現(xiàn)場設(shè)備的集成化工程設(shè)計，且多基于現(xiàn)場總線、藍牙、以太網(wǎng)等多種網(wǎng)絡(luò)形式，即智能化升級改造多體現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)通訊方面技術(shù)的應(yīng)用，存在的突出問題包括：

圖1 傳統(tǒng)基于網(wǎng)絡(luò)集成的醫(yī)院運維系統(tǒng)

(1) 國內(nèi)勞動力成本的逐年增加，人力成本是運維階段需要考慮的重要因素。

(2) 傳統(tǒng)的醫(yī)院運維系統(tǒng)屬于被動式運維管理方式，涉及到照明、通風(fēng)、監(jiān)控、電梯、通訊等各系統(tǒng)，包含了大量的設(shè)備和管線。由于缺乏高素質(zhì)、技術(shù)全面型運維管理人員，一旦這些設(shè)備和管線出現(xiàn)故障，無法及時發(fā)現(xiàn)和避免，甚至是引發(fā)安全事故。

(3) 過度依賴設(shè)備間的聯(lián)動與通訊，忽略人在運維系統(tǒng)中的作用，進而缺乏對突發(fā)事件的快速、準(zhǔn)確決策能力。

目前，基于圖1傳統(tǒng)醫(yī)院運維系統(tǒng)的智能化設(shè)計與升級改造主要由設(shè)計院和消防產(chǎn)品類科技公司兩方承擔(dān)。

1.2 醫(yī)院智慧運維系統(tǒng)框架

隨著BIM、IoT、AI、大數(shù)據(jù)、數(shù)字孿生、GIS等新一代信息化技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，目前醫(yī)院的智慧運維系統(tǒng)框架，多采用基于“一個平臺+N個應(yīng)用”的設(shè)計框架(圖2)，按照“縱向貫通、橫向交換、條塊融合”的智能化設(shè)計思路，可面向醫(yī)院所有員工的門戶，提供了人、財、物等各方面的電子化管理工具，并可共享醫(yī)院已有系統(tǒng)的信息，最終將所有數(shù)據(jù)進行匯總分析，為醫(yī)院管理決策提供了有力支持。

圖2 醫(yī)院智慧運維系統(tǒng)框架

具體地，醫(yī)院運維系統(tǒng)的N個應(yīng)用系統(tǒng)是建立在三個數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)上，即運維系統(tǒng)的智能性均是基于數(shù)據(jù)驅(qū)動進行，BIM和IoT技術(shù)的有機結(jié)合，可通過“感、傳、知、用”等技術(shù)手段，能基于數(shù)據(jù)融合技術(shù)統(tǒng)一數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范數(shù)據(jù)來源，對醫(yī)院運維系統(tǒng)的內(nèi)部、外部數(shù)據(jù)資源進行數(shù)據(jù)整合和數(shù)據(jù)處理，最終形成符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的數(shù)據(jù)資源，實現(xiàn)各級業(yè)務(wù)單位信息的互聯(lián)互通，進而實現(xiàn)臨床服務(wù)、患者就診簡約化、運營管理精細(xì)化、決策分析科學(xué)化、區(qū)域協(xié)同多元化這五類典型應(yīng)用，為提高醫(yī)院的競爭力與創(chuàng)新力提供重要信息支撐。

1.3 BIM和IoT在醫(yī)院智慧運維的應(yīng)用剖析

醫(yī)院是一個功能齊全、業(yè)務(wù)量眾多的復(fù)雜運維系統(tǒng)，BIM與IoT兩種關(guān)鍵技術(shù)旨在用信息化的方式提高其工作效率、改善其服務(wù)品質(zhì)，具體應(yīng)用剖析如下。

目前BIM技術(shù)在醫(yī)院建筑的建模內(nèi)容主要包括系統(tǒng)級、模塊級和物件級三個層次。其中系統(tǒng)級相比于民用建筑所涵蓋的建筑模型、結(jié)構(gòu)模型、機電模型外，特殊增加了醫(yī)用專項系統(tǒng)模型，服務(wù)于諸如手術(shù)系統(tǒng)、醫(yī)用氣體系統(tǒng)、醫(yī)用物流系統(tǒng)和放射防護系統(tǒng)等特殊部門；模塊級具體為某個系統(tǒng)的局部設(shè)備，例如某個特定的手術(shù)室、液氧站、物流機房、檢驗科、核磁共振檢查室等；而物件級則進一步細(xì)化為某個單獨的設(shè)備，如無影燈、傳輸瓶、磁共振設(shè)備、主機設(shè)備等，通常由醫(yī)院的BIM族庫構(gòu)成。雖然BIM技術(shù)已經(jīng)在醫(yī)院工程領(lǐng)域得到成功應(yīng)用，但是如何結(jié)合醫(yī)院智慧運維的系統(tǒng)集成仍然缺乏有效的理論和實踐應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。

針對IoT技術(shù)，目前在智慧醫(yī)療系統(tǒng)應(yīng)用的關(guān)鍵是保證其信息的正確感知，涵蓋終端感知延伸層、網(wǎng)絡(luò)支撐層和應(yīng)用層三個層面。其中最基礎(chǔ)層為感知層，主要負(fù)責(zé)對醫(yī)療系統(tǒng)的所有系統(tǒng)完成識別、信息采集和處理的功能；網(wǎng)絡(luò)支撐層是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的關(guān)鍵和核心，起到將采集到的信息上下傳遞的作用；而應(yīng)用層則是智慧醫(yī)療的具體應(yīng)用，代表著整個智慧醫(yī)療系統(tǒng)流程。目前，IoT在智慧運維系統(tǒng)中，主要用于人員管理、空間管理、安全管理和能源管理，其作用包括實時數(shù)據(jù)采集、端到端的通訊、綜合智能分析、優(yōu)化運行控制，并將靜態(tài)信息和實時測控信息做融合，通過合適的算法實現(xiàn)優(yōu)化控制功能，表1為智慧醫(yī)院常用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口形式。如何協(xié)調(diào)眾多設(shè)備采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)，避免數(shù)據(jù)孤島，并保證其信息的正確感知至關(guān)重要，這是目前的關(guān)鍵和難點。

醫(yī)院智慧各運維子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口形式 表1

2 BIM在智慧醫(yī)院應(yīng)用狀況分析

隨著智慧城市概念的提出和建筑業(yè)信息化的時代要求，BIM軟件的應(yīng)用是大勢所趨。圖3為智慧醫(yī)院BIM協(xié)同工作平臺框架，其中(a)為涵蓋BIM、設(shè)計、施工及各專業(yè)配合等的基本工作流程，(b)則為涵蓋不同人員、業(yè)務(wù)、階段等的具體實施內(nèi)容與框架。

圖3 智慧醫(yī)院BIM協(xié)同工作平臺框架

基于BIM協(xié)同工作平臺，可充分發(fā)揮BIM輕協(xié)同、易管理優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在：(1)跨平臺瀏覽BIM模型，支持漫游、剖切、視口保存等操作；(2)BIM+二維碼，通過二維碼實現(xiàn)BIM數(shù)據(jù)與現(xiàn)場數(shù)據(jù)信息的高效有序交換；(3)材料跟蹤管理，對每一種材料模塊建立對應(yīng)的二維碼；(4)質(zhì)量管理，可即時在移動端以照片、文字記錄至云平臺；(5)4D進度管理，實現(xiàn)計劃任務(wù)、采集的完成時間與BIM結(jié)合，形成可視化的4D進度模擬；(6)資料管理，實現(xiàn)項目資料(圖紙、文檔、圖片、視頻等)的分類管理，與BIM構(gòu)件關(guān)聯(lián)，形成BIM資料庫。

具體由圖3(b)智慧醫(yī)院BIM的具體實施情況，可見涉及涉及技術(shù)管理人員、運維人員、維保供應(yīng)商、資產(chǎn)財務(wù)人員、高級管理人員等，涵蓋業(yè)務(wù)執(zhí)行層、業(yè)務(wù)管理層、數(shù)據(jù)處理處理層，進而實現(xiàn)BIM的可視化管理，并結(jié)合數(shù)據(jù)庫和API接口，建立智慧醫(yī)院的數(shù)據(jù)聯(lián)動平臺，實現(xiàn)對醫(yī)院各類信息的智能化綜合管理。

根據(jù)前瞻產(chǎn)業(yè)研究院《2018-2023年中國建筑信息模型(BIM)市場前瞻與投資戰(zhàn)略規(guī)劃分析報告》調(diào)研與分析，2016年我國建筑信息模型應(yīng)用項目比率約為30%-40%，主要應(yīng)用于建筑面積大于2萬平米的建筑和政府投資項目。與《關(guān)于推進建筑信息模型應(yīng)用的指導(dǎo)意見》提出的2020年目比率達到90%還相差甚遠(yuǎn)，可見我國BIM應(yīng)用尚處于起步階段，國家政策引導(dǎo)，以及建筑業(yè)市場發(fā)展倒逼，眾多特一級企業(yè)愈發(fā)重視BIM投入，潛力非常巨大。

然而，目前BIM技術(shù)的應(yīng)用還存在很多技術(shù)壁壘和障礙，BIM軟件之間數(shù)據(jù)信息交互還不夠暢通，無形中給應(yīng)用的企業(yè)增加了重復(fù)勞動，提高了使用成本。此外，盡管當(dāng)前設(shè)計和施工兩大極端BIM數(shù)據(jù)對接已有較好的成果，然而要推動設(shè)計、施工、運維階段數(shù)據(jù)的打通還需要一段時間，BIM軟件廠商之間和市場等多方面的競爭使得BIM軟件的標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化等方面還存在很多亟待解決的問題，進而對BIM技術(shù)的應(yīng)用和開發(fā)既是一定的挑戰(zhàn)，也是一種有力的發(fā)展機遇。

3 IoT在智慧醫(yī)院應(yīng)用狀況分析

IoT被稱為繼計算機、互聯(lián)網(wǎng)之后，世界信息產(chǎn)業(yè)的第三次浪潮，目前已在智慧醫(yī)院中得到應(yīng)用，但僅處于初級階段，其應(yīng)用框架如圖4所示。該構(gòu)架在IoT層面實現(xiàn)了不同樓層和不同子系統(tǒng)建的無縫協(xié)同，整個IoT系統(tǒng)通過IoT交換機和路由器收發(fā)消息。

圖4 IoT應(yīng)用框架

目前IoT在醫(yī)院智慧運維系統(tǒng)各模塊的應(yīng)用較廣泛，例如生命體征智能采集監(jiān)控系統(tǒng)、非接觸式體征采集監(jiān)控系統(tǒng)、智能輸液管理系統(tǒng)、醫(yī)藥物流儲監(jiān)管、醫(yī)療監(jiān)護、醫(yī)療設(shè)備管理等，本質(zhì)上IoT技術(shù)都是基于其“萬物感知”的優(yōu)勢，輔助相關(guān)系統(tǒng)的決策制定。以生命體征智能采集監(jiān)控系統(tǒng)為例，通過可實時監(jiān)測并自動的采集病人的各項生命體征數(shù)據(jù)，包括溫度、血氧、脈搏等生命體征，然后通過IoT使得數(shù)據(jù)采集并上傳到醫(yī)院的智能化平臺，并能對患者異常情況進行自動預(yù)警；同時醫(yī)護人員通過該平臺可直接獲取病人的信息，而不需要手工錄入，并輔助形成智能化的護理決策。

綜合IoT在醫(yī)院智慧運維系統(tǒng)各模塊的應(yīng)用，本質(zhì)上其應(yīng)用都可歸結(jié)體現(xiàn)在數(shù)據(jù)采集、傳輸、服務(wù)等方面。

在數(shù)據(jù)采集方面，為終端及感知延伸層，主要對各種物體識別和智能感知，完成信息收集處理。在智慧醫(yī)院應(yīng)用時，IoT技術(shù)涉及人，即醫(yī)、護、患等；物，即藥、醫(yī)療儀器、醫(yī)療垃圾等及其存放地等。設(shè)置有源標(biāo)簽發(fā)射信號，將監(jiān)測數(shù)據(jù)入網(wǎng)，且可通過手持終端等進行數(shù)據(jù)讀取。

在傳輸方面，為網(wǎng)絡(luò)支撐層，其主要任務(wù)為管理信息，把采集處理的信息傳遞給其他層面。在智慧醫(yī)院應(yīng)用時，從醫(yī)療數(shù)據(jù)安全的考慮，最好引入WAPI認(rèn)證機制，只有合法數(shù)字證書的標(biāo)簽等產(chǎn)品，才允許接入、發(fā)送和傳輸數(shù)據(jù)，以保證醫(yī)院網(wǎng)絡(luò)覆蓋的安全性和可靠性。

在應(yīng)用服務(wù)層方面，即智慧醫(yī)療的具體應(yīng)用，可根據(jù)醫(yī)院的各項服務(wù)按需定制，如緊急呼叫管理、醫(yī)療物資或設(shè)備管理等，同時對外提供Web Service接口，方便與醫(yī)院信息等系統(tǒng)對接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

4 結(jié)束語

BIM技術(shù)與IoT技術(shù)是相輔相成的，尤其是隨著建筑運維系統(tǒng)朝著專業(yè)化、可視化、智化、信息化方向的不斷發(fā)展，如果沒有BIM技術(shù)，運維管理無法跟建筑物相關(guān)聯(lián)，無法在三維空間中定位，無法對周邊環(huán)境和狀況進行系統(tǒng)地考慮；如果沒有IoT技術(shù)，那運維系統(tǒng)則還是會停留在目前靠人為簡單操控的階段，沒有辦法形成一個統(tǒng)一高效的管理平臺。