基于物聯(lián)網(wǎng)的醫(yī)用耗材智能屋管理系統(tǒng)

黃國興, 楊志鵬, 陳良紅, 阮樹杰, 黃 康, 楊 沁, 孟冠軍, 丁曙光

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,安徽 合肥 230009; 2.太元生物科技有限公司,浙江 紹興 312000)

0 引言

隨著現(xiàn)代醫(yī)學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，臨床科室使用的耗材規(guī)格、種類越來越復(fù)雜，耗材數(shù)量日益增長，耗材管理難度也不斷攀升[1]。傳統(tǒng)的簡單粗獷式的手工管理模式，在管理和統(tǒng)計(jì)耗材時(shí)可能會(huì)在數(shù)量和計(jì)劃上出現(xiàn)錯(cuò)誤，易出現(xiàn)耗材過期或者不夠的現(xiàn)象，造成醫(yī)院資源浪費(fèi)，越發(fā)難以應(yīng)對(duì)工作量不斷加大、難度不斷提升的耗材管理工作[2]。近年來，隨著智能物聯(lián)網(wǎng)等現(xiàn)代信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，醫(yī)用耗材的信息化管理水平得到顯著提升。醫(yī)院耗材的信息化管理，不僅可以實(shí)現(xiàn)耗材信息資源管理的規(guī)范化、科學(xué)化，還能推動(dòng)醫(yī)院信息化互聯(lián)互通建設(shè)。

本系統(tǒng)是基于C#編程語言和MySQL數(shù)據(jù)庫，以Winform窗體應(yīng)用程序作為智能屋管理系統(tǒng)的操作界面，建立了基于RFID、門禁設(shè)備、RS485串口模塊等的高值醫(yī)用耗材智能屋管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)智能屋的用戶管理、出入庫、綜合查詢、預(yù)警等功能，并基于某醫(yī)院2022上半年部分高值醫(yī)用耗材的月消耗量數(shù)據(jù)，通過GM(1,1)模型對(duì)高值醫(yī)用耗材的月消耗量進(jìn)行預(yù)測(cè)，且預(yù)測(cè)精度優(yōu)秀，可以為采購高值醫(yī)用耗材提供參考，從而能達(dá)到對(duì)高值醫(yī)用耗材的管理精細(xì)化、高效化、智能化、科學(xué)化。

1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)[3]指利用射頻識(shí)別(Radio Frequency Identification)、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進(jìn)行信息交換和通訊，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理，構(gòu)造一個(gè)覆蓋世界上萬事萬物的實(shí)物互聯(lián)網(wǎng)。本文涉及到的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)主要有RFID技術(shù)[4]和傳感器技術(shù)。

本文的醫(yī)用高值耗材智能屋管理系統(tǒng)是基于物聯(lián)網(wǎng)建立起來的，物聯(lián)網(wǎng)的三層基本架構(gòu)主要由應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層、感知層構(gòu)成，本系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

應(yīng)用層主要包括windows顯示器、工控機(jī)和智能屋系統(tǒng)軟件，顯示器是操作人員與智能屋管理系統(tǒng)進(jìn)行直接交互的設(shè)備，智能屋管理系統(tǒng)的核心業(yè)務(wù)都需要在顯示器上進(jìn)行選擇與驗(yàn)證，系統(tǒng)開機(jī)后會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)智能屋系統(tǒng)軟件，在顯示器上通過智能屋系統(tǒng)軟件可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程用戶管理、用戶認(rèn)證、出入庫操作、綜合查詢等等功能。工控機(jī)是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，控制系統(tǒng)的所有命令都通過工控機(jī)發(fā)送、接收，通過RS485串口通訊協(xié)議對(duì)繼電器的輸出控制、輸入狀態(tài)獲取，再通過相應(yīng)的處理判斷，達(dá)到對(duì)智能屋內(nèi)燈帶、電磁鎖、溫濕度等硬件設(shè)備的控制，使整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)作更加流暢化、合理化、智能化。

網(wǎng)絡(luò)層主要包括有線局域網(wǎng),如工控機(jī)、門禁主機(jī)、RFID讀寫器等都通過網(wǎng)線接在同一個(gè)路由器上，在一個(gè)局域網(wǎng)下，且只有在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，才能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程連接并調(diào)用門禁主機(jī)的功能。

感知層主要由控制模塊、數(shù)據(jù)庫模塊、RFID模塊和結(jié)構(gòu)模塊組成?？刂颇K主要是包括繼電器、門禁主機(jī)設(shè)備，其中繼電器部分主要包括溫濕度模塊、接近開關(guān)模塊、人體感應(yīng)模塊、對(duì)射光電開關(guān)等。門禁部分主要是實(shí)現(xiàn)用戶管理與用戶認(rèn)證。貨架為五層結(jié)構(gòu)，每個(gè)智能屋內(nèi)配有兩個(gè)貨架，每層層板中嵌入有RFID掃描天線，層板用于存放貼有RFID標(biāo)簽的高值醫(yī)用耗材，貨架側(cè)面裝有RFID讀寫器。每個(gè)貨架上布置一個(gè)人體感應(yīng)模塊，貨架每層層板之間布置有一對(duì)對(duì)射式光電開關(guān)和燈帶，都用來減少系統(tǒng)出入庫的時(shí)間，提高業(yè)務(wù)效率。四大模塊的協(xié)調(diào)配合組成了高值醫(yī)用耗材智能屋管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的出入庫、用戶管理等業(yè)務(wù)。

2 系統(tǒng)基礎(chǔ)功能設(shè)計(jì)

高值醫(yī)用耗材智能屋管理系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)用戶管理、耗材出入庫及盤存、溫濕度采集、智能屋門和燈帶等的控制、本地?cái)?shù)據(jù)上傳服務(wù)器等基礎(chǔ)功能，具體實(shí)現(xiàn)的控制系統(tǒng)架構(gòu)如圖2。

圖2 系統(tǒng)控制架構(gòu)圖

門禁功能在應(yīng)用層的顯示器和感知層的門禁主機(jī)上實(shí)現(xiàn)，結(jié)合門禁系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的用戶管理，超級(jí)管理員用戶可以通過系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)增加和刪除用戶信息，其中增加用戶時(shí)可以給用戶指定相應(yīng)權(quán)限(普通用戶、超級(jí)管理員)，用戶可以通過人臉、卡和密碼等方式進(jìn)行系統(tǒng)身份認(rèn)證。用戶經(jīng)認(rèn)證后，方能進(jìn)行智能屋的相關(guān)操作。

RS485繼電器是從工控機(jī)通過RS232-RS485轉(zhuǎn)接設(shè)備接入ZZI0808繼電器(8輸入，8輸出)，電磁鎖、燈帶接在繼電器的輸出端口上，接近開關(guān)、人體感應(yīng)模塊、對(duì)射光電開關(guān)的輸出線接在繼電器的輸入端口上，通過串口讀取繼電器輸入端對(duì)應(yīng)端口的信號(hào)變化，進(jìn)而改變相應(yīng)的燈帶和電磁鎖的開閉狀態(tài)，溫濕度采集模塊則是通過串口通訊發(fā)送相應(yīng)的指令碼，再讀取串口接收的數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理，得到智能屋內(nèi)溫度和濕度，并實(shí)時(shí)顯示在顯示器主界面上。

RFID及數(shù)據(jù)庫部分主要通過貨架層板中的天線對(duì)耗材上貼的便簽進(jìn)行掃描，通過數(shù)據(jù)庫對(duì)比處理，獲得智能屋內(nèi)的耗材出入庫數(shù)量、種類，也可實(shí)現(xiàn)對(duì)智能屋中的耗材庫存數(shù)量、種類進(jìn)行總盤點(diǎn)，并將詳細(xì)記錄并傳入數(shù)據(jù)庫中。

本地?cái)?shù)據(jù)上傳服務(wù)器，將本地操作過后的數(shù)據(jù)傳入后臺(tái)服務(wù)端(如出入庫數(shù)據(jù)、用戶數(shù)據(jù)、操作日志等)，可實(shí)現(xiàn)在服務(wù)器端也能遠(yuǎn)程掌握智能屋的耗材庫存及出入庫情況，并且可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的導(dǎo)出打印、便于相關(guān)人員進(jìn)行補(bǔ)貨等。

3 系統(tǒng)核心業(yè)務(wù)管理及流程設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)核心業(yè)務(wù)

高值醫(yī)用耗材智能屋管理系統(tǒng)開機(jī)初始化后，顯示器主界面上有四個(gè)主按鍵(即四大核心業(yè)務(wù))分別為用戶管理、出入庫、綜合查詢、預(yù)警管理。系統(tǒng)主界面如圖3，系統(tǒng)核心業(yè)務(wù)管理如下：

(1)用戶管理：選擇用戶管理功能后會(huì)提示用戶身份認(rèn)證，只有用戶權(quán)限為超級(jí)管理員時(shí)，才能通過門禁認(rèn)證并進(jìn)入用戶管理的二級(jí)操作界面，具體分為用戶增加、用戶刪除，其中增加用戶類型分為卡用戶、人臉用戶、密碼用戶；其中人臉用戶增加可通過兩種方式，分別為上傳指定格式的圖片或者遠(yuǎn)程通過門禁主機(jī)采集人臉數(shù)據(jù)，第二種方式更加方便、快捷，本系統(tǒng)使用的是第二種采集方式；卡用戶增加需要輸入ID卡上的卡號(hào)；密碼用戶需要設(shè)置驗(yàn)證密碼；再填寫用戶基礎(chǔ)信息和設(shè)置權(quán)限即可實(shí)現(xiàn)用戶的增加；用戶刪除實(shí)現(xiàn)只需要選擇用戶再點(diǎn)擊刪除即可將該用戶的所有信息全部刪除，不再能通過門禁認(rèn)證也就無法進(jìn)入智能屋內(nèi)。

(2)出入庫管理：該業(yè)務(wù)跟高值醫(yī)用耗材直接關(guān)聯(lián)，是智能屋管理系統(tǒng)中最重要、最常用的部分。選擇該業(yè)務(wù)后也需要進(jìn)行用戶認(rèn)證，普通用戶權(quán)限即可通過認(rèn)證，認(rèn)證成功后，打開電磁鎖和燈帶，操作人員才能進(jìn)入智能屋內(nèi)進(jìn)行耗材的存、取等操作，操作結(jié)束后通過調(diào)用RFID模塊掃描，進(jìn)行數(shù)據(jù)庫比對(duì)并，對(duì)智能屋內(nèi)貨架上的耗材的種類和數(shù)量的出庫和入庫信息、操作時(shí)間、操作人信息進(jìn)行記錄保存在數(shù)據(jù)庫內(nèi)，并上傳后臺(tái)服務(wù)器。

(3)綜合查詢管理：該功能可實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)有智能屋內(nèi)的所有耗材種類和數(shù)量進(jìn)行掃描統(tǒng)計(jì)，可便于管理人員進(jìn)行及時(shí)的補(bǔ)充智能屋的耗材，避免了智能屋內(nèi)耗材短缺影響及時(shí)的醫(yī)療救治。

(4)預(yù)警管理：該功能通過每種耗材的生廠日期、保質(zhì)期進(jìn)行統(tǒng)計(jì)記錄，實(shí)現(xiàn)耗材過期前指定天數(shù)進(jìn)行警告提示，根據(jù)距離過期天數(shù)具體還分為一級(jí)預(yù)警、二級(jí)預(yù)警、三級(jí)預(yù)警，可以有效避免高值醫(yī)用耗材因過期而造成巨大浪費(fèi)，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

圖3 系統(tǒng)主界面

3.2 出入庫業(yè)務(wù)流程設(shè)計(jì)

系統(tǒng)開機(jī)初始化完成后，點(diǎn)擊選擇顯示器主界面上的出入庫業(yè)務(wù)，控制音響發(fā)出用戶認(rèn)證的提示語音，用戶身份認(rèn)證成功后，打開智能屋門上的電磁鎖以及貨架上的燈帶，此時(shí)控制人體感應(yīng)模塊一直檢測(cè)是否有人進(jìn)入識(shí)別區(qū)域內(nèi)，當(dāng)檢測(cè)到有人員進(jìn)入后，持續(xù)讀取貨架上每層布置的對(duì)射式光電開關(guān)的信號(hào)變化，根據(jù)信號(hào)變化獲取并記錄被操作過的貨架及層數(shù)；當(dāng)人體感應(yīng)模塊檢測(cè)到操作人員完全離開了識(shí)別區(qū)域后，通過對(duì)射光電開關(guān)的信號(hào)變化情況，判斷操作人員是否對(duì)貨架某層耗材進(jìn)行存取，當(dāng)讀取到有貨架層被操作時(shí)，開啟對(duì)應(yīng)的貨架及層數(shù)的RFID天線進(jìn)行掃描，并將掃描得到的耗材信息傳輸至數(shù)據(jù)庫內(nèi)，最后通過數(shù)據(jù)庫的相應(yīng)比對(duì)邏輯得到此次操作的出入庫的詳細(xì)信息，并顯示在顯示屏上，最后關(guān)上智能屋門、電磁鎖及貨架燈帶，整個(gè)出入庫業(yè)務(wù)流程結(jié)束，具體控制流程如圖4。

圖4 出入庫控制流程圖

4 基于GM(1,1)模型的智能屋耗材消耗量預(yù)測(cè)

4.1 GM(1,1)模型的智能屋耗材消耗量預(yù)測(cè)方法

4.2 GM(1,1)模型建立

(1)建立原始耗材消耗量序列X(0):

X(0)=(x(0)(1),x(0)(2),x(0)(3),…,x(0)(n))

(1)

式中，x(0)(i)?0，i=1,2,3,…,n。

(2)對(duì)原始序列X(0)進(jìn)行一次累加生成X(1)，X(1)即為X(0)的1-AGO序列:

X(1)=(x(1)(1),x(1)(2),x(1)(3),…,x(1)(n))

(2)

(3)原始序列的準(zhǔn)光滑性檢驗(yàn)，原始序列中的數(shù)據(jù)變化越平穩(wěn)，其光滑比ρ(k)越小，其中ρ(k):

(3)

原始序列滿足準(zhǔn)光滑性的條件:

（3）完善鉆井液處理劑行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，制修訂適應(yīng)目前技術(shù)發(fā)展需要的標(biāo)準(zhǔn)，填補(bǔ)目前部分行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)空白，從而推動(dòng)新技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用。

(4)

(4)建立均值差分GM(1,1)模型:

x(0)(k)+az(1)(k)=b

(5)

x(0)(k)+az(1)(k)=b

(6)

式中，參數(shù)向量α=[a,b]T,其中-a為發(fā)展系數(shù)；b為灰色作用量。通過最小二乘估計(jì)法可估計(jì)得α:

α=(BTB)-1(BTY)

(7)

式中，B，Y分別為:

(8)

(5)建立GM(1,1)的白化微分方程并求解:

(9)

求解式(9)微分方程得:

(10)

(11)

x(1)(1)=x(0)(1)

(12)

(13)

(14)

預(yù)測(cè)模型的精確度分析：主要通過計(jì)算后驗(yàn)差比C和小誤差概率p的大小確定測(cè)試模型的精確度等級(jí)，其中C值越小、p值越大，則表示殘差比較集中，擺動(dòng)幅度小，預(yù)測(cè)值與實(shí)際值更接近，預(yù)測(cè)效果越好，具體預(yù)測(cè)精度等級(jí)表如表1，后驗(yàn)差比C和小誤差概率p的計(jì)算如下:

(15)

(16)

(17)

p=P(|e(k)-Pe|<0.6745×S1)

(18)

表1 GM(1,1)模型預(yù)測(cè)等級(jí)表

4.3 高值醫(yī)用耗材消耗量數(shù)據(jù)分析

通過2022年某醫(yī)院上半年高值醫(yī)用耗材消耗量，將其作為原始序列，并選取吻合器和起搏器兩種常用的高值醫(yī)用耗材用于分析預(yù)測(cè)，兩種耗材2022年上半年的月消耗量如表2。

表2 高值耗材2022上半年月消耗量

采用GM(1,1)模型進(jìn)行2022年下半年醫(yī)院每月的高值醫(yī)用耗材消耗量預(yù)測(cè)，通過MATLAB編程建模分析得到的預(yù)測(cè)結(jié)果分別如圖6、圖7所示。

圖5 吻合器消耗量預(yù)測(cè)圖

從圖6和圖7可以看出，2022年上半年的兩種高值醫(yī)用耗材的實(shí)際消耗量與基于GM(1,1)模型預(yù)測(cè)的消耗量十分相近，上半年的預(yù)測(cè)相對(duì)誤差以及每月的預(yù)測(cè)具體消耗量如表3、表4所示。

表3 吻合器耗材消耗量預(yù)測(cè)值及相對(duì)誤差

表4 起搏器耗材消耗量預(yù)測(cè)值及相對(duì)誤差

4.4 高值醫(yī)用耗材消耗量預(yù)測(cè)結(jié)果分析

根據(jù)表2的2022年上半年的高值醫(yī)用耗材原始消耗量數(shù)據(jù)，通過MATLAB軟件進(jìn)行建模分析，對(duì)高值醫(yī)用耗材的全年消耗量進(jìn)行預(yù)測(cè)和精度檢驗(yàn)，精度檢驗(yàn)結(jié)果如表5所示，其中C1=0.33559,p1=1;C2=0.30449,p2=1，根據(jù)表1對(duì)照可知，該模型的預(yù)測(cè)精度等級(jí)為一級(jí)，根據(jù)表3和表4可以看出2022年上半年的實(shí)際消耗量與預(yù)測(cè)消耗量的相對(duì)誤差在接受范圍內(nèi)。因此，該模型可以很好地預(yù)測(cè)醫(yī)院下半年的吻合器與起搏器兩種高值醫(yī)用耗材的消耗量，且通過圖6和圖7預(yù)測(cè)曲線可以看出醫(yī)院2022年下半年的兩種高值醫(yī)用耗材的月消耗量呈現(xiàn)一個(gè)緩慢的上升趨勢(shì)，與實(shí)際情況相符，有利于醫(yī)院采購人員在采購相應(yīng)的高值醫(yī)用耗材時(shí)有一定的數(shù)據(jù)依據(jù)，更合理地選擇采購種類、數(shù)量，提高高值醫(yī)用耗材的利用率。

表5 高值醫(yī)用耗材消耗量預(yù)測(cè)模型精度指標(biāo)

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于物聯(lián)網(wǎng)的高值醫(yī)用耗材智能屋管理系統(tǒng)。通過RFID與數(shù)據(jù)庫技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)高值醫(yī)用耗材的全方位管理，并實(shí)現(xiàn)對(duì)耗材數(shù)量、類型、去向、效期的準(zhǔn)確把握；通過門禁系統(tǒng)和串口控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)只有注冊(cè)過的用戶才能進(jìn)入智能屋存、取耗材，使得對(duì)高值醫(yī)用耗材的管理更加安全可靠；通過布置對(duì)射式光電開關(guān)、人體感應(yīng)模塊等，極大縮短了系統(tǒng)出入庫業(yè)務(wù)的時(shí)間，提高了系統(tǒng)的運(yùn)行效率；基于某醫(yī)院2022年上半年兩種常用高值醫(yī)用耗材的月消耗量數(shù)據(jù),通過GM(1,1)模型對(duì)下半年月消耗量進(jìn)行預(yù)測(cè)，為醫(yī)院采購提供一定的數(shù)據(jù)參考，避免因采購的主觀估計(jì)而造成的高值醫(yī)用耗材的浪費(fèi)?；谖锫?lián)網(wǎng)的高值醫(yī)用耗材管理系統(tǒng)極大地提高了醫(yī)院對(duì)高值醫(yī)用耗材的管理水平，避免了高值醫(yī)用耗材的違規(guī)使用和浪費(fèi)，使得對(duì)高值醫(yī)用耗材的管理更加智能化、合理化、高效化。