醫(yī)院能源預(yù)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用*

任友陽

（江南大學(xué)商學(xué)院 無錫 214122）

1 引言

伴隨著我國“十四五”規(guī)劃穩(wěn)步發(fā)展，當(dāng)代醫(yī)院管理不僅要考慮臨床醫(yī)療質(zhì)量問題，而且更需要合理實(shí)施節(jié)能管理。醫(yī)院全年的正常運(yùn)作是離不開醫(yī)療用水與生活用水還有電力消耗，但是智能化管理并沒有在我國醫(yī)院系統(tǒng)中得到普及。現(xiàn)階段我國大多數(shù)醫(yī)院對(duì)后勤工作接觸的數(shù)據(jù)采集與收錄仍然未涉及數(shù)據(jù)庫的存儲(chǔ)方法，很多規(guī)模較小的醫(yī)院運(yùn)用的分析依據(jù)理論的科學(xué)性以及應(yīng)用程度還不夠高，缺乏合理的預(yù)測(cè)規(guī)劃。這些問題必然會(huì)導(dǎo)致醫(yī)院能耗的相關(guān)問題難以發(fā)現(xiàn)，最終加劇醫(yī)院的能耗投入成本，帶來無法估計(jì)的資金損失。

建立醫(yī)院管理預(yù)測(cè)系統(tǒng)，不僅能提供有效的數(shù)據(jù)歸納與增改，而且利用灰色預(yù)測(cè)適應(yīng)樣本小，信息不足的特點(diǎn)來分析能耗數(shù)據(jù)趨勢(shì)為醫(yī)院提供未來節(jié)能合理規(guī)劃。首先選取江蘇省A醫(yī)院為目標(biāo)，以能耗量為擬合及預(yù)測(cè)對(duì)象。通過運(yùn)用Java 與MYSQL，使用SSM 框架構(gòu)建制作A 醫(yī)院能耗收集系統(tǒng)收集整理相關(guān)數(shù)據(jù)，然后調(diào)用灰色預(yù)測(cè)模型對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合與預(yù)測(cè)計(jì)算。近年來，在醫(yī)院信息化管理研究中，不少學(xué)者都進(jìn)行了不同方向的實(shí)踐與分析。Sanchez-Barroso 等通過計(jì)算必要的投資和合理的經(jīng)濟(jì)效益和能耗比建立了適合的太陽能家用熱水系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了能源節(jié)約［1］。Farthing 等用系統(tǒng)的方法評(píng)估公立醫(yī)院節(jié)能的潛力［2］。Sodhro 等提出了一種新穎、可持續(xù)的綠色媒體傳輸算法，減少了傳輸過程的能量消耗［3］。Zhang 等提出了一種基于橢圓曲線和雙線性對(duì)的通信認(rèn)證算法MedGreen，緩解了電子信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸引起的高能耗問題［4］。這些學(xué)者的研究不僅推動(dòng)了醫(yī)院信息化發(fā)展，更助力了醫(yī)院的節(jié)能管理進(jìn)程。

2 系統(tǒng)總體架構(gòu)

設(shè)計(jì)的平臺(tái)系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)收集A 醫(yī)院的主要能耗水，電，天然氣并實(shí)現(xiàn)調(diào)用Matlab 運(yùn)行灰色預(yù)測(cè)模型代碼，為A醫(yī)院提供合理的能耗趨勢(shì)預(yù)測(cè)分析。文中的數(shù)據(jù)導(dǎo)入是通過部分點(diǎn)位的傳感器與其他外部軟件進(jìn)行傳輸并保存在A 醫(yī)院的后勤能源管理平臺(tái)中。平臺(tái)通過eclipse開發(fā)，使用Java編程，實(shí)現(xiàn)正常的數(shù)據(jù)管理操作。最后，通過實(shí)現(xiàn)這個(gè)平臺(tái)系統(tǒng)與主機(jī)軟件的連接，調(diào)用相關(guān)軟件實(shí)現(xiàn)短期數(shù)據(jù)趨勢(shì)預(yù)測(cè)分析。A 醫(yī)院能源管理與預(yù)測(cè)系統(tǒng)的總體架構(gòu)為圖1所示：

圖1 總體架構(gòu)圖

3 設(shè)計(jì)方案

3.1 底層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

憑借Java的普遍且通用的特點(diǎn)，這個(gè)能源管理與預(yù)測(cè)系統(tǒng)不僅方便移植。而且結(jié)構(gòu)并不負(fù)雜，操作上手方便。該系統(tǒng)通過Java 數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)更便捷的操作［5］，僅僅只要安裝好的Tomcat瀏覽器就能實(shí)現(xiàn)操作。維護(hù)方面也僅要升級(jí)服務(wù)器版本，無需高配置額主機(jī)，在醫(yī)院的經(jīng)費(fèi)投入方面也減少開支，節(jié)省投入。

本系統(tǒng)的基礎(chǔ)環(huán)境搭建是通過創(chuàng)建一個(gè)maven 工程，引入系統(tǒng)需要的jar 包，通過整合Spring、SpringMvc、Mybatis，編 寫 配 置 文 件［6～7］。同 時(shí) 在SQLYOG 中建立表單，利用Mybatis 的逆向生成，形成數(shù)據(jù)庫連接，Spring+Spring MVC+MyBatis（SSM）的結(jié)合，大大提高了開發(fā)過程的質(zhì)量［8］。SSM 框架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，開放效率高，是一種比較主流的web 框架。Spring 起到了容器的作用，負(fù)責(zé)整合表現(xiàn)層，業(yè)務(wù)處與持久層。SpringMvc 組合model、view、controller三層架構(gòu)，分離了可視化與業(yè)務(wù)處理，起到了降耦的效果。Mybatis 通過訪問A 醫(yī)院能耗數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)對(duì)能耗數(shù)據(jù)庫的增改操作。SSM 框架的整合關(guān)系如圖2所示。

圖2 整合關(guān)系圖

3.2 A醫(yī)院能耗數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)采用MySQL 為存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫，運(yùn)用SQLYOG 軟件整理A 醫(yī)院的能耗數(shù)據(jù)。首先創(chuàng)建id 與kind_name 實(shí)現(xiàn)能耗分類，S_id 與Y_id 分別對(duì)應(yīng)年份與季度。具體見表1、表2。

表1 A醫(yī)院各類能耗數(shù)據(jù)收集表字段

表2 A醫(yī)院各類能耗時(shí)間表字段

4 灰色預(yù)測(cè)模型設(shè)計(jì)

4.1 灰色系統(tǒng)理論

憑借能解決數(shù)據(jù)少，信息不全等問題，鄧聚龍教授的灰色系統(tǒng)理論逐漸在預(yù)測(cè)分析中嶄露頭角，其中GM（1，1）模型在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)生活中的多個(gè)領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用［11～13］。眾多的學(xué)者致力于該模型的研究［14～15］。通過Matlab 軟件編寫GM（1，1）代碼進(jìn)行建模，然后通過系統(tǒng)調(diào)用Matlab，計(jì)算A 醫(yī)院的能耗數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)，為管理人員提供優(yōu)化對(duì)策。

4.2 GM（1，1）建模步驟與預(yù)測(cè)代碼

通過最小二乘法估計(jì)參數(shù)向量[a，b]T：

根據(jù)式（5）求解白化微分方程得到時(shí)間響應(yīng)式，與預(yù)測(cè)值表達(dá)式：

即可計(jì)算擬合值與預(yù)測(cè)值，圖3 為實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)計(jì)算的Matlab代碼。

圖3 GM（1，1）預(yù)測(cè)部分代碼編寫

5 系統(tǒng)展示與能耗實(shí)例趨勢(shì)分析

5.1 系統(tǒng)展示

管理預(yù)測(cè)系統(tǒng)用戶登錄界面如圖4～6所示。

圖4 登錄界面

通過MySQL 與相關(guān)的組態(tài)軟件之間的數(shù)據(jù)連接，同時(shí)將接收的A 醫(yī)院能耗數(shù)據(jù)錄入編好的MySQL數(shù)據(jù)庫中，該能源管理與預(yù)測(cè)系統(tǒng)會(huì)將A醫(yī)院的各類能耗數(shù)據(jù)將時(shí)間、消耗量等可視化，通過平臺(tái)界面向管理用戶展示，最后通過Java調(diào)用Matlab 軟件進(jìn)行計(jì)算，實(shí)現(xiàn)對(duì)A 醫(yī)院不同種能耗量的數(shù)據(jù)的季度同比發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)，將生成的能耗趨勢(shì)預(yù)測(cè)圖展示給A醫(yī)院總務(wù)后勤能源管理人員。

圖6 編輯預(yù)測(cè)界面

5.2 預(yù)測(cè)計(jì)算與系統(tǒng)預(yù)測(cè)結(jié)果分析

通過A 醫(yī)院能源管理預(yù)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)整理，A醫(yī)院2015～2019 年的水、電、天然氣年消耗量的數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 A醫(yī)院往年數(shù)據(jù)能耗表

根據(jù)4.2 部分的建模方法與代碼編寫，并為驗(yàn)證預(yù)測(cè)的有效性，選擇2019 年A 醫(yī)院的能耗值作為參照組，進(jìn)行最后的預(yù)測(cè)值精度檢驗(yàn)。通過調(diào)用Matlab 軟件計(jì)算出發(fā)展系數(shù)a 與灰色作用量b，其分別為A1 對(duì)應(yīng)的a=-0.0353，b=185473.5511；A2 對(duì) 應(yīng) 的a=-0.0353，b=10384837；A3 對(duì) 應(yīng) 的a=-0.1232，b=5916.179。

則三種能源消耗預(yù)測(cè)的時(shí)間響應(yīng)式分別為

根據(jù)上述數(shù)據(jù)，分別計(jì)算不同的擬合與預(yù)測(cè)結(jié)果，如表4、表5所示。

表4 A醫(yī)院灰色預(yù)測(cè)擬合數(shù)據(jù)對(duì)比

表5 A醫(yī)院灰色預(yù)測(cè)對(duì)照數(shù)據(jù)對(duì)比

擬合組與對(duì)照組的平均絕對(duì)誤差百分比符合預(yù)期低于10%與5%，所以模型的預(yù)測(cè)結(jié)果非常理想，預(yù)測(cè)值具有合理性與可參考性。

三種能源的擬合值分布與預(yù)測(cè)趨勢(shì)分別如圖7所示。

圖7 A醫(yī)院能耗趨勢(shì)

綜合來看，A 醫(yī)院需要在每年加大對(duì)水，電的節(jié)能管理，加強(qiáng)相關(guān)的節(jié)能宣傳與教育，同時(shí)對(duì)耗能設(shè)備與節(jié)能潛力分別進(jìn)行改進(jìn)與挖掘，達(dá)到整體系數(shù)全面下調(diào)，并實(shí)現(xiàn)能源增長(zhǎng)趨勢(shì)變緩的工作目標(biāo)，進(jìn)一步助力好我國未來的綠色生態(tài)環(huán)境。

6 結(jié)語

本平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了將醫(yī)院能源管理工作和軟件數(shù)據(jù)庫智能化存儲(chǔ)進(jìn)行整合。通過運(yùn)用廣泛的Java語言，采取SSM 框架最終構(gòu)建了一個(gè)A醫(yī)院的能源管理與預(yù)測(cè)平臺(tái)，并進(jìn)行了相應(yīng)的操作。為A醫(yī)院的節(jié)能管理工作與能源管理分析提供了科學(xué)的依據(jù)與合理的分析方法，助力其向精細(xì)化與智能化發(fā)展，這對(duì)推動(dòng)我國現(xiàn)代化醫(yī)院節(jié)能管理標(biāo)準(zhǔn)化與能源管控智能化具有非常明顯的借鑒與推廣意義。