淺析自動(dòng)化物流系統(tǒng)在某移動(dòng)式方艙傳染病醫(yī)院的規(guī)劃與設(shè)計(jì)

文/盧會(huì)超 李永衡 劉佳喜 唐宏強(qiáng) 俞佩齊 孫明偉

一、引言

本項(xiàng)目移動(dòng)式方艙醫(yī)院（如圖1所示）符合三級(jí)甲等傳染病醫(yī)院的野戰(zhàn)全流程、全要素救治需求，可在36小時(shí)內(nèi)實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)快速展開、機(jī)動(dòng)部署和實(shí)際應(yīng)用。該方艙醫(yī)院可達(dá)到收治100名傳染病住院患者的能力并最終建成了基于5G通訊技術(shù)的集信息化醫(yī)療信息系統(tǒng)、自動(dòng)化配送作業(yè)系統(tǒng)、人工智能診斷與輔助決策支持系統(tǒng)、遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)等于一體的綜合性現(xiàn)代化、智能化的移動(dòng)式方艙傳染病醫(yī)院。其中，智能高效的自動(dòng)化物流系統(tǒng)的應(yīng)用可極大地降低醫(yī)護(hù)人員的數(shù)量，使醫(yī)護(hù)人員工作量減少30%～50%。該系統(tǒng)的應(yīng)用既可保障正常的醫(yī)療作業(yè)，又滿足了突發(fā)疫情應(yīng)急狀況下對(duì)少人化，甚至無人化的防控要求。

圖1 移動(dòng)式方艙醫(yī)院鳥瞰效果圖

二、方艙醫(yī)院物資流動(dòng)鏈路

方艙醫(yī)院自動(dòng)化物流系統(tǒng)可無縫對(duì)接醫(yī)療系統(tǒng)HIS，實(shí)現(xiàn)藥品、器械、防護(hù)、消毒等醫(yī)療物資和后勤物資的收、存、發(fā)、送和全科室消殺工作的全閉環(huán)式動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)追蹤管理和監(jiān)控功能，物資鏈路如圖2所示。

圖2 物資流動(dòng)鏈路圖

該物資鏈路圖展示了物資管理采用一物一碼，從物資入醫(yī)院中心藥房（一級(jí)倉(cāng)）自動(dòng)化存儲(chǔ)系統(tǒng)開始，到各病區(qū)配藥房（二級(jí)倉(cāng)）的信息化存儲(chǔ)系統(tǒng)，以及由物資配送系統(tǒng)將其自一級(jí)倉(cāng)到二級(jí)倉(cāng)再運(yùn)至相關(guān)方艙科室/病房，并最終消耗形成廢棄物垃圾實(shí)現(xiàn)路徑全過程實(shí)時(shí)追蹤，實(shí)現(xiàn)物資的全生命周期管理和全透明化實(shí)時(shí)監(jiān)控。該自動(dòng)化物流系統(tǒng)包含自動(dòng)化中心倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)和自動(dòng)化配送機(jī)器人/AGV系統(tǒng)，自動(dòng)化中心倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)主要采用輕型堆垛機(jī)（Miniload AS/RS）和電子標(biāo)簽（DPS）揀選來實(shí)現(xiàn)對(duì)醫(yī)療物資和后勤物資的自動(dòng)化存儲(chǔ)和信息化管理；自動(dòng)化配送機(jī)器人/AGV系統(tǒng)主要用于各科室與病區(qū)之間的大批量物資配送。

1. 物資自動(dòng)化存儲(chǔ)系統(tǒng)

（1）醫(yī)療物資存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)武漢方艙醫(yī)院的藥品推薦目錄和武漢客廳方艙醫(yī)院的最終藥品供應(yīng)目錄以及《新型冠狀病毒肺炎診療方案（試行第七版）》，方艙醫(yī)院共供應(yīng)約114 種藥品，藥品劑型以注射液（41 種，占35.96%）和片劑（33 種，占28.95%）為主，給藥方式以口服（54種，占47.37%）和注射（51 種，占44.74%）為主，藥物劑型和給藥途徑均較集中。通過以上藥品分析，對(duì)于方艙醫(yī)院主要藥品類型為袋裝注射液、盒裝片劑等。為便于物資的自動(dòng)化作業(yè)，采用標(biāo)準(zhǔn)料箱進(jìn)行存儲(chǔ)。本次項(xiàng)目對(duì)兩種存儲(chǔ)系統(tǒng)（小型輕載堆垛機(jī)存儲(chǔ)系統(tǒng)和自動(dòng)貨柜存儲(chǔ)系統(tǒng)）的庫(kù)容量進(jìn)行了對(duì)比，通過對(duì)比確定了庫(kù)容量較大的作為本次項(xiàng)目的存儲(chǔ)系統(tǒng)。

①通用方艙設(shè)計(jì)

通用方艙尺寸（m）：3.0×6.0×3.0（具體布局圖如圖3所示）；

圖3 通用方艙布局圖

艙體功能設(shè)置：可作檢查、化驗(yàn)、治療手術(shù)、辦公等并設(shè)置緩沖間；

艙體收展尺寸（m）：1.0×6.0。

②承載單元設(shè)計(jì)

存儲(chǔ)單元：塑料箱（示意圖如圖4所示）；

圖4 物資存儲(chǔ)料箱

外形尺寸L×W×H（mm）：300×400×200；

單重（kg）：≤5；

額定承載（kg）：≤30；

信息載體：一維碼/二維碼。

③醫(yī)療物資小型輕載堆垛機(jī)存儲(chǔ)系統(tǒng)

該存儲(chǔ)系統(tǒng)采用Miniload小型堆垛機(jī)（結(jié)構(gòu)如圖5所示），是本箱式存儲(chǔ)系統(tǒng)的核心搬運(yùn)設(shè)備。它具有機(jī)身輕量化、體積小、速度快以及運(yùn)行效率高等特點(diǎn)。與貨架一起由上游計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)控制共同組成完整的方艙自動(dòng)化物流存儲(chǔ)系統(tǒng)。

a. 存儲(chǔ)方艙規(guī)劃（見圖5）

圖5 Miniload小型堆垛機(jī)

b. 系統(tǒng)主要功能分區(qū)

● 卸貨方艙：

主要完成藥品物資的卸貨、收貨、理貨、拆箱、換箱、裝箱以及人工出入庫(kù)作業(yè)等。

主要配置簡(jiǎn)易貨架、手推車、無線手持等。

● 存儲(chǔ)方艙：

主要完成藥品料箱存儲(chǔ)以及自動(dòng)出、入庫(kù)作業(yè)。針對(duì)方艙空間狹小的布局，為追求最大空間利用率原則，開發(fā)新的結(jié)構(gòu)形式以適應(yīng)方艙空間特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)重新設(shè)計(jì)后，相較傳統(tǒng)型堆垛機(jī)，該型號(hào)堆垛機(jī)將存儲(chǔ)量增加了3倍多，堆垛機(jī)地軌采用快速安裝式結(jié)構(gòu)，可滿足移動(dòng)式方艙對(duì)安裝時(shí)間的快捷要求。

設(shè)置牛腿式雙深貨架，2貨位/貨格。存儲(chǔ)量近500料箱貨位，存儲(chǔ)藥品物資約10m3。

● 中央控制室方艙：

完成倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)管理、調(diào)度以及監(jiān)控功能的集中控制。

④小件醫(yī)療物資自動(dòng)貨柜存儲(chǔ)系統(tǒng)

自動(dòng)貨柜是一種典型的物料自動(dòng)存?。ˋS/RS）裝備（結(jié)構(gòu)如圖6所示），是集光、機(jī)、電及信息管理為一體的自動(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)。它通過與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對(duì)貨物的智能化管理，充分利用垂直空間，最大限度地優(yōu)化存儲(chǔ)，并且能與外部自動(dòng)取送設(shè)備連接，形成一個(gè)高效、便捷的小型立體倉(cāng)庫(kù)。

它在提高企業(yè)運(yùn)作效率的同時(shí)幫助企業(yè)加強(qiáng)管理。存儲(chǔ)物料的貨位裝置可在垂直封閉的軌跡上運(yùn)行，使需要的物料到達(dá)指定位置實(shí)現(xiàn)“貨到人”的操作理念，可在降低操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度、提高作業(yè)效率、降低揀貨差錯(cuò)率等方面滿足部分用戶物流系統(tǒng)性能日益增長(zhǎng)的需要，在配送中心、醫(yī)療機(jī)構(gòu)等具有小件快速揀選需求的場(chǎng)合有大量的應(yīng)用。

a. 存儲(chǔ)方艙規(guī)劃說明（見圖6）

圖6 自動(dòng)貨柜

b. 系統(tǒng)主要功能分區(qū)

● 卸貨方艙：

主要完成藥品物資的卸貨、收貨、理貨、拆箱、換箱、裝箱以及人工出入庫(kù)作業(yè)等。

主要配置簡(jiǎn)易貨架、手推車、無線手持RF等。

● 立庫(kù)方艙：

主要完成藥品料箱存儲(chǔ)以及自動(dòng)出、入庫(kù)作業(yè)。

根據(jù)方案外形尺寸，配置3臺(tái)Miniload小型自動(dòng)貨柜；

存儲(chǔ)量：4排×12列×1貨位×7層=336料箱貨位，存儲(chǔ)藥品物資約8m3。

● 中央控制室方艙：

完成倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)管理、調(diào)度以及監(jiān)控功能的集中控制。

⑤小結(jié)

通過兩種存儲(chǔ)系統(tǒng)的對(duì)比，采用Miniload小型堆垛機(jī)方案可存儲(chǔ)藥品物資容積（10m3）大于自動(dòng)貨柜方案（可存物資8m3），故本項(xiàng)目中選取Miniload小型堆垛機(jī)作為最終應(yīng)用方案。

（2）配藥房和后勤物資存儲(chǔ)系統(tǒng)

考慮到存儲(chǔ)物資的揀配需求，對(duì)于配藥房和后勤物資的處理采用了電子標(biāo)簽揀選系統(tǒng)（如圖7所示）。電子標(biāo)簽揀選系統(tǒng)（DPS）為無紙化揀貨模式，它以一連串裝于貨架上的電子顯示裝置（電子標(biāo)簽）取代揀貨單，指示應(yīng)揀取商品及數(shù)量，將人腦解放出來，揀貨員無需靠記憶揀貨，根據(jù)燈光提示可以準(zhǔn)確無誤地對(duì)貨品進(jìn)行揀選。DPS系統(tǒng)通過與 WMS系統(tǒng)相結(jié)合，減少揀貨人員目視尋找的時(shí)間，可更大幅度地提高揀貨效率。

圖7 DPS系統(tǒng)

2. 物資無人化配送機(jī)器人/AGV系統(tǒng)

對(duì)于院內(nèi)醫(yī)療物資的轉(zhuǎn)運(yùn)方式，現(xiàn)階段最常用的有三種方式，分別為氣動(dòng)管道式傳輸系統(tǒng)、軌道小車式運(yùn)輸系統(tǒng)以及智能式機(jī)器人/AGV轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)。但前兩種輸送系統(tǒng)并不適用于移動(dòng)式方艙傳染病醫(yī)院，主要原因如下。

氣動(dòng)管道式傳輸系統(tǒng)適用于運(yùn)輸重量不高于5kg的處方單據(jù)、血液標(biāo)本以及藥瓶等小體積物資，速度較快約5～8m/s，普遍應(yīng)用于門診量大、住院人數(shù)多、醫(yī)院規(guī)模較大的固定式大型民用醫(yī)院，而且氣動(dòng)物流傳輸系統(tǒng)只能解決院內(nèi)5%左右的物資輸送量，加之該系統(tǒng)維護(hù)成本和專業(yè)性要求較高，故并不適用于移動(dòng)式方艙傳染病醫(yī)院對(duì)物流的整體要求。

軌道小車式運(yùn)輸系統(tǒng)適用于運(yùn)輸單次重量約10～20kg的標(biāo)本、藥品、小型醫(yī)療用品以及文件等物資，滿足醫(yī)院約60%物品的輸送。小車一般行走速度較慢約0.4～0.6m/s，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，車不離軌，物品會(huì)在柜內(nèi)翻轉(zhuǎn)，對(duì)輸送藥品有要求且維護(hù)費(fèi)用較高，故在一些發(fā)達(dá)國(guó)家呈逐步淘汰趨勢(shì)，從發(fā)展的角度分析，也并不符合移動(dòng)式方艙傳染病醫(yī)院的特殊情況。

與前兩種輸送系統(tǒng)相比，智能式機(jī)器人/AGV轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)無需搭建復(fù)雜的固定軌道即可實(shí)現(xiàn)柔性傳輸，單次轉(zhuǎn)運(yùn)重量可達(dá)1噸以上，智能化程度高，可滿足醫(yī)院絕大部分醫(yī)療物資的運(yùn)輸需要。該無人化配送機(jī)器人/AGV系統(tǒng)主要用于手術(shù)室、配藥房、檢驗(yàn)科等與病區(qū)之間的大批量物資配送，包括消毒液、口罩、護(hù)目鏡等無菌物品以及病人診療所需的藥品、耗材等物資。本次應(yīng)用的無人化配送機(jī)器人/AGV系統(tǒng)構(gòu)成如圖8所示。

圖8 無人化配送機(jī)器人/AGV系統(tǒng)

3. 物資信息管理系統(tǒng)

自動(dòng)化物流系統(tǒng)采用智能化出入庫(kù)管理軟件系統(tǒng)，整個(gè)過程在智能化運(yùn)營(yíng)管控系統(tǒng)的控制下，自動(dòng)存儲(chǔ)堆垛機(jī)系統(tǒng)、電子標(biāo)簽揀選系統(tǒng)以及配送機(jī)器人系統(tǒng)、消殺機(jī)器人系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)以及系統(tǒng)配套等設(shè)備組成一個(gè)智能系統(tǒng)完成全自動(dòng)醫(yī)療和后勤物資的出入庫(kù)，庫(kù)存管理和配送、轉(zhuǎn)運(yùn)和消毒等功能。

（1）系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

①架構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用基于微服務(wù)的多層架構(gòu)設(shè)計(jì)，主要分為基礎(chǔ)設(shè)施層、存儲(chǔ)層、服務(wù)層等多個(gè)層級(jí)，性能穩(wěn)定的計(jì)算機(jī)硬件及操作系統(tǒng)為系統(tǒng)運(yùn)行提供有力的環(huán)境支撐穩(wěn)定的數(shù)據(jù)服務(wù)。其中主要服務(wù)有：基礎(chǔ)服務(wù)、倉(cāng)儲(chǔ)管理服務(wù)、策略配置服務(wù)、AGV調(diào)度服務(wù)、接口服務(wù)、報(bào)表服務(wù)等，系統(tǒng)之間可以通過PC、移動(dòng)設(shè)備、大屏等方式進(jìn)行交互。具體架構(gòu)圖如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)架構(gòu)圖

②網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)在中心機(jī)房（藥品艙）部署VWMS服務(wù)，配藥室、病房、AGV系統(tǒng)通過5G網(wǎng)絡(luò)接入，RF使用無線網(wǎng)絡(luò)接入。網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖10所示。

圖10 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

（2）系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

方艙VWMS業(yè)務(wù)功能主要包括：基礎(chǔ)信息、入庫(kù)管理、出庫(kù)管理、庫(kù)存管理、盤點(diǎn)管理、手持業(yè)務(wù)和AGV作業(yè)7大模塊，具體功能結(jié)構(gòu)如圖11所示。

圖11 系統(tǒng)功能

①基礎(chǔ)信息

容器定義：定義方艙醫(yī)院所使用的存儲(chǔ)容器、周轉(zhuǎn)容器。

供應(yīng)商維護(hù)：用來查詢、維護(hù)藥品、生活物資的供貨商信息。

包裝維護(hù)：定義藥品、生活物資的包裝及相互間的換算關(guān)系。

物料維護(hù)：定義系統(tǒng)所管理藥品、生活用品的基本信息，主要包含物料編碼、物料描述、包裝以及相關(guān)的批次屬性。

②入庫(kù)管理

收貨計(jì)劃單：編制藥品、生活用品的后或計(jì)劃單，為收貨準(zhǔn)備好相關(guān)人員、設(shè)備及存儲(chǔ)貨位。

收貨質(zhì)檢：質(zhì)檢單用以記錄來貨的質(zhì)檢情況。

標(biāo)準(zhǔn)收貨：編制標(biāo)準(zhǔn)收貨單以接收供應(yīng)商的藥品或生活用品。

收貨流水查詢：查看收貨流水記錄。

③出庫(kù)管理

標(biāo)準(zhǔn)出庫(kù)：根據(jù)配藥室產(chǎn)生的補(bǔ)藥請(qǐng)求生成出庫(kù)單，并調(diào)用AGV向配藥室補(bǔ)貨。

包裝復(fù)核：藥品出庫(kù)前需要對(duì)已經(jīng)揀選的藥品進(jìn)行再次復(fù)核，通過該功能可以查看該箱內(nèi)應(yīng)該包含的藥品信息，符合人員根據(jù)顯示的明細(xì)核對(duì)揀選物品是否與顯示內(nèi)容相符。

揀貨明細(xì)：用來查看揀貨明細(xì)。

出庫(kù)流水查詢：用來查看出庫(kù)流水。

庫(kù)存分配規(guī)則：用來增加、刪除、修改、查看庫(kù)存狀態(tài)分配規(guī)則。

④庫(kù)存管理

實(shí)時(shí)庫(kù)存查詢：用來查詢實(shí)時(shí)庫(kù)存，進(jìn)入后輸入相關(guān)條件即可查詢。

收發(fā)存統(tǒng)計(jì)：用來查看收發(fā)存統(tǒng)計(jì)。

批屬性查詢：用于查詢批屬性所對(duì)應(yīng)的批號(hào)。

凍結(jié)事務(wù)查詢：用來查詢凍結(jié)事務(wù)。

凍結(jié)庫(kù)存查詢：用來實(shí)時(shí)查詢凍結(jié)庫(kù)存。

庫(kù)存預(yù)警：當(dāng)倉(cāng)庫(kù)中某種SKU的數(shù)量低于一定數(shù)量或保質(zhì)期臨近時(shí)將給以報(bào)警，報(bào)警方式有郵件提醒、待辦事項(xiàng)提醒，減少產(chǎn)品庫(kù)存積壓與報(bào)廢的風(fēng)險(xiǎn)。

⑤盤點(diǎn)管理

盤點(diǎn)需求、盤點(diǎn)維護(hù)、盤點(diǎn)級(jí)別、盤點(diǎn)規(guī)則。

⑥手持業(yè)務(wù)

收貨：使用手持RF完成收貨作業(yè)并與料箱或容器進(jìn)行綁定。

上架：使用手持RF將托盤或容器存儲(chǔ)到推薦的位置并建立位置與容器的綁定關(guān)系。

揀貨：倉(cāng)管員使用帶有“平庫(kù)揀貨”功能的手持RF，完成平庫(kù)揀貨操作。

盤點(diǎn)：根據(jù)不同的條件和需求生成盤點(diǎn)單，在手持RF中對(duì)需要盤點(diǎn)的倉(cāng)位進(jìn)行盤點(diǎn)。

移動(dòng)：主要用于對(duì)庫(kù)內(nèi)物資進(jìn)行整理。

庫(kù)存查詢：使用手持RF查詢物資的庫(kù)存信息，可以按照物資條碼、物資編號(hào)、物資名稱、批次號(hào)等信息進(jìn)行查詢。

⑦AGV作業(yè)

配送任務(wù)：管理AGV的所有配送任務(wù)，可以發(fā)起新任務(wù)或查看任務(wù)的執(zhí)行狀態(tài)、預(yù)計(jì)完成時(shí)間等信息，必要時(shí)可以修改配送任務(wù)的優(yōu)先級(jí)，比如正常情況下藥品配送的優(yōu)先級(jí)高于入庫(kù)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)，也可以根據(jù)需要取消配送任務(wù)。

狀態(tài)監(jiān)控：查詢系統(tǒng)內(nèi)AGV的所處位置，車庫(kù)狀態(tài)信息（禁用、正常、故障、空閑），以及AGV所執(zhí)行任務(wù)的類型、啟動(dòng)時(shí)間預(yù)計(jì)完成時(shí)間等信息。便于用戶對(duì)車輛的運(yùn)行狀態(tài)有全面的了解。

作業(yè)計(jì)劃：編制醫(yī)院各艙室的不可回收垃圾、生活垃圾、醫(yī)用垃圾、污衣的回收計(jì)劃或艙室的消殺計(jì)劃，系統(tǒng)將根據(jù)計(jì)劃執(zhí)行回收任務(wù)。計(jì)劃可以按照月、周、日、時(shí)間編制。

（3）數(shù)字孿生系統(tǒng)（DTS）

數(shù)字孿生是利用物理模型、傳感器更新、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對(duì)應(yīng)的實(shí)體裝備的全生命周期過程。昆船自身作為自動(dòng)化物流裝備供應(yīng)商，提供的全部自動(dòng)化設(shè)備均已安裝傳感器，可以實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)收集物流裝備的狀態(tài)、行為等信息；同時(shí)已經(jīng)自主研發(fā)了一套先進(jìn)、快速、穩(wěn)定和安全的自動(dòng)化設(shè)備電控系統(tǒng)，為實(shí)施數(shù)字孿生系統(tǒng)提供完善的數(shù)據(jù)保障。

本項(xiàng)目采用Unity-3D技術(shù)按照1:1等比例進(jìn)行三維建模仿真3D圖形界面設(shè)計(jì)（圖12為昆船數(shù)字孿生系統(tǒng)虛實(shí)對(duì)比效果圖），實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)備3D高精度運(yùn)行仿真。項(xiàng)目中采用的WCS Monitor4.0又稱為3D可視化監(jiān)控，可在最大程度上以最直觀的監(jiān)控表現(xiàn)方式展示給客戶。使用者在操作過程中，可以查看設(shè)備運(yùn)行的各項(xiàng)參數(shù)信息，并通過數(shù)據(jù)表格的統(tǒng)計(jì)顯示，幫助使用者了解整個(gè)倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)的運(yùn)作健康狀況。

圖12 數(shù)字孿生虛實(shí)對(duì)比圖

三、總結(jié)

該自動(dòng)化物流系統(tǒng)超越傳統(tǒng)物流存儲(chǔ)和配送模式，構(gòu)建了全方位、高效化的院內(nèi)物資存儲(chǔ)和自動(dòng)配送系統(tǒng)，同時(shí)提供配套的物資追溯管理信息系統(tǒng)和機(jī)器人/AGV智能控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)各類物資的包括收、存、揀、配、發(fā)等在內(nèi)的全流程智能化、柔性化業(yè)務(wù)管控，最大化地為現(xiàn)代化方艙醫(yī)院提供數(shù)字化、信息化、精準(zhǔn)化物流管理解決方案。目前該項(xiàng)目處于實(shí)施收尾階段，項(xiàng)目的順利實(shí)施可為后續(xù)符合該物流特征的傳統(tǒng)大型三甲大型醫(yī)院自動(dòng)化物流系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了一定的借鑒經(jīng)驗(yàn)。