艦船醫(yī)療衛(wèi)生裝備狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

李雅瓊，倪健，駱星九，邵壯超，張孝強(qiáng)

近年來，海軍戰(zhàn)略由“近海防御”向“近海防御、遠(yuǎn)海防衛(wèi)”快速轉(zhuǎn)型，我海上編隊(duì)規(guī)模不斷擴(kuò)大，與之匹配的海上衛(wèi)勤保障能力也在穩(wěn)步提高。諸多新型海上醫(yī)療衛(wèi)生裝備陸續(xù)配備至部隊(duì)，為提升海上艦船戰(zhàn)斗力提供了有力支撐。海上醫(yī)療衛(wèi)生裝備長期處于高溫、高濕、高鹽等海洋氣候條件下，以及處在搖擺、傾斜、震動(dòng)和沖擊等復(fù)雜的機(jī)械環(huán)境下，因此，故障率比陸地醫(yī)院醫(yī)療設(shè)備故障率高20%～40%，嚴(yán)重影響了海上醫(yī)療保障任務(wù)能力［1］，同時(shí)還面臨著維護(hù)保養(yǎng)人員不足、設(shè)備狀態(tài)缺乏定時(shí)查驗(yàn)等問題［2］。因此，對海上艦船醫(yī)療衛(wèi)生裝備的狀態(tài)檢測、效能評估提出了更高要求。本研究基于艦載網(wǎng)絡(luò)及智能傳感器技術(shù)在艦船環(huán)境下的應(yīng)用，分析艦船醫(yī)療衛(wèi)生裝備管理現(xiàn)狀與前沿技術(shù)，提出艦船醫(yī)療衛(wèi)生裝備監(jiān)測技術(shù)在配發(fā)、管理、使用、維護(hù)過程中的發(fā)展趨勢。

1 艦船醫(yī)療衛(wèi)生裝備管理現(xiàn)狀

近年來，隨著衛(wèi)生裝備的數(shù)量與價(jià)值快速提升，相應(yīng)的管理要求也需要同步提升。雖然醫(yī)院船、航母、兩棲攻擊艦等大型艦船配備的醫(yī)療設(shè)備逐漸增加，但缺乏專職管理人員，醫(yī)院船醫(yī)療中心常駐僅20 余人，兩棲攻擊艦平時(shí)僅配備1 名軍醫(yī)和2 名衛(wèi)生員［3］。這些艦艇衛(wèi)生人員主要擔(dān)負(fù)駐艦官兵的健康維護(hù)工作，在醫(yī)療設(shè)備的管理與維護(hù)方面，難以達(dá)到專業(yè)水平。據(jù)某船相關(guān)從業(yè)人員描述，在停航期間，所有設(shè)備日常開、關(guān)機(jī)維護(hù)一次，就要近5 個(gè)小時(shí)。現(xiàn)階段醫(yī)療裝備的管理大多停留在賬目相符、設(shè)備堪用的層次，設(shè)備的狀態(tài)、維修、使用頻率、保養(yǎng)等數(shù)據(jù)缺失嚴(yán)重［4］。

當(dāng)前，海上艦船醫(yī)療衛(wèi)生裝備運(yùn)行監(jiān)管狀況難以適應(yīng)現(xiàn)代艦船裝備管理的需要，多數(shù)醫(yī)療衛(wèi)生裝備的運(yùn)行理念仍停留在醫(yī)療設(shè)備故障維修及定期保養(yǎng)模式上，甚至有些裝備由于使用率低，缺乏維護(hù)與保養(yǎng)，長期處于封存狀態(tài)。因此，如何提高設(shè)備使用效率，降低設(shè)備管理成本，有效服務(wù)于戰(zhàn)場環(huán)境，是當(dāng)前海上醫(yī)療衛(wèi)生裝備管理面臨的難題。

2 醫(yī)療衛(wèi)生裝備狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)現(xiàn)狀

2.1 艦載醫(yī)療衛(wèi)生裝備狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)

當(dāng)前艦船醫(yī)療衛(wèi)生裝備的狀態(tài)監(jiān)測仍為傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)方式，由衛(wèi)生人員負(fù)責(zé)醫(yī)療衛(wèi)生裝備的維護(hù)及簡單維修，采取人工周期性檢查的方式，發(fā)現(xiàn)故障風(fēng)險(xiǎn)時(shí)才采取措施。這種維護(hù)方式有2 個(gè)弊端，一是突發(fā)偶然故障無法及時(shí)排除，二是過度的定期巡檢浪費(fèi)人力并增加設(shè)備損耗。目前尚沒有成熟的可以實(shí)時(shí)監(jiān)測的艦船醫(yī)療衛(wèi)生裝備管理系統(tǒng)，主要原因：一是當(dāng)前大部分海上救治平臺均采用有線網(wǎng)絡(luò)連接，限制了現(xiàn)階段各種無線傳感器技術(shù)的使用推廣［5］；二是數(shù)量龐大，經(jīng)費(fèi)負(fù)擔(dān)重。

2.2 陸上醫(yī)療衛(wèi)生裝備狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)

陸上醫(yī)院針對醫(yī)療設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測方式主要包括以下幾種方式。（1）軟件統(tǒng)計(jì)法：從醫(yī)療HIS 中提取設(shè)備使用信息，通過分析軟件形成數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計(jì)報(bào)表，可以一定程度上描繪設(shè)備使用狀態(tài)。但是軟件統(tǒng)計(jì)法不能定位到某個(gè)設(shè)備，主要是從功能角度來統(tǒng)計(jì)分析，不針對單一設(shè)備。（2）數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)：探討醫(yī)療設(shè)備故障模式與設(shè)備使用環(huán)境因素、電氣因素及氣路因素的潛在關(guān)系，構(gòu)建粗糙神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對采集的故障因素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練和測試。（3）傳感器監(jiān)測技術(shù)：通過無線網(wǎng)絡(luò)（ZigBee、藍(lán)牙、無線、物聯(lián)網(wǎng)等形式）傳輸由單片機(jī)從各類傳感器收集來的監(jiān)測數(shù)據(jù)，形成統(tǒng)計(jì)報(bào)表，用來反映醫(yī)療設(shè)備各功能的利用情況。

3 艦船醫(yī)療衛(wèi)生裝備狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)發(fā)展趨勢

3.1 基于非接觸傳感器的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)

當(dāng)前，某大型海上救治平臺計(jì)劃進(jìn)行5G 應(yīng)用試點(diǎn)。5G網(wǎng)絡(luò)有著高速率、低時(shí)延、廣連接等特性，在封閉的艦船艙室條件下，可以打破原有有線網(wǎng)絡(luò)和低帶寬的限制，實(shí)時(shí)傳輸數(shù)千臺醫(yī)療設(shè)備的狀態(tài)信息以及環(huán)境信息，實(shí)現(xiàn)超高頻、超大數(shù)據(jù)量的醫(yī)療設(shè)備資產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)采集及分析計(jì)算。利用5G 網(wǎng)絡(luò)，將來艦載通信能力有望迎來重大突破。

以5G 網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，可對艦船醫(yī)療設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。如圖1 所示，系統(tǒng)主要由前端傳感器設(shè)備、數(shù)據(jù)中臺、客戶端設(shè)備組成。通過加載設(shè)備狀態(tài)動(dòng)態(tài)監(jiān)測終端、環(huán)境動(dòng)態(tài)監(jiān)測終端、電氣指標(biāo)超高頻智能采集控制終端，實(shí)時(shí)采集并傳輸設(shè)備位置、實(shí)時(shí)狀態(tài)、異常預(yù)警、使用效率等設(shè)備狀態(tài)信息，依托5G 網(wǎng)絡(luò)傳輸至艦艇醫(yī)療衛(wèi)生裝備狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)中臺，衛(wèi)生人員可以通過手持PDA 或計(jì)算機(jī)客戶端監(jiān)控設(shè)備與環(huán)境狀態(tài)、排查設(shè)備故障、生成統(tǒng)計(jì)報(bào)表、評估設(shè)備運(yùn)行趨勢。衛(wèi)生裝備管理人員可統(tǒng)籌查看設(shè)備整體使用情況，評估裝備效能。

圖1 基于非接觸傳感器的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)

3.2 新型傳感器的廣泛應(yīng)用

隨著傳感器技術(shù)的不斷發(fā)展，設(shè)備狀態(tài)傳感器將綜合集成多種監(jiān)測數(shù)據(jù)，如電信號、運(yùn)行狀態(tài)等數(shù)據(jù)，同時(shí)兼顧小型化與低功耗的特點(diǎn)，通過外掛方式加裝設(shè)備參數(shù)傳感器采集設(shè)備數(shù)據(jù)，并發(fā)送至管理云平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與處理［5］。艦載傳感器的使用瓶頸在于艙內(nèi)無線信號屏蔽與環(huán)境的適應(yīng)性。

3.2.1 設(shè)備狀態(tài)動(dòng)態(tài)監(jiān)測終端 設(shè)備狀態(tài)動(dòng)態(tài)監(jiān)測終端主要針對有源設(shè)備，設(shè)備通電后，可實(shí)時(shí)采集和上傳設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)匯總到服務(wù)器后，實(shí)現(xiàn)對單臺設(shè)備、同類設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)化管理和分析。針對艦船的復(fù)雜環(huán)境，動(dòng)態(tài)監(jiān)測終端應(yīng)采用物理綁定，確保醫(yī)療設(shè)備與監(jiān)測模塊全生命周期始終連接在一起；內(nèi)置電池，即使設(shè)備不通電，也能實(shí)現(xiàn)設(shè)備定位，當(dāng)設(shè)備超過設(shè)定時(shí)間不通電時(shí)，將發(fā)出終端報(bào)警；采用旁路監(jiān)測技術(shù)，即使監(jiān)測模塊發(fā)生故障，也不影響醫(yī)療設(shè)備的使用。見圖2。

圖2 設(shè)備狀態(tài)動(dòng)態(tài)監(jiān)測終端

3.2.2 環(huán)境動(dòng)態(tài)監(jiān)測終端 環(huán)境動(dòng)態(tài)監(jiān)測終端是一種醫(yī)療空間環(huán)境質(zhì)量動(dòng)態(tài)監(jiān)測終端。艦船經(jīng)常處于高溫高濕環(huán)境，對醫(yī)療設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)影響非常大，一些醫(yī)療設(shè)備通常不是使用造成的損壞，而是高濕環(huán)境造成的損壞。在設(shè)備放置的艙室部署一臺環(huán)境動(dòng)態(tài)監(jiān)測終端，即可實(shí)現(xiàn)醫(yī)療空間環(huán)境溫度、濕度、氣壓等指標(biāo)實(shí)時(shí)采集和上傳，數(shù)據(jù)匯總到服務(wù)器后，即可實(shí)現(xiàn)對單個(gè)醫(yī)療空間、科室環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行數(shù)據(jù)化管理和分析，超出設(shè)置的溫濕度閾值就會在手持PDA 上發(fā)出警報(bào)，見圖3。

圖3 環(huán)境動(dòng)態(tài)監(jiān)測終端

3.2.3 電氣指標(biāo)超高頻智能采集控制終端 電氣指標(biāo)超高頻智能采集控制終端是一種可以監(jiān)測低電壓、短路、斷電等電路狀態(tài)的終端，可以手持PDA 終端遠(yuǎn)程控制設(shè)備開關(guān)機(jī)、設(shè)備閑置期自檢，減輕艦船醫(yī)務(wù)人員的工作負(fù)擔(dān)。將電氣指標(biāo)超高頻智能采集控制終端安裝到重點(diǎn)監(jiān)測的設(shè)備處，進(jìn)行實(shí)時(shí)在線故障監(jiān)測分析，發(fā)現(xiàn)故障第一時(shí)間報(bào)警。系統(tǒng)可精確獲取故障發(fā)生前后各電氣量的實(shí)時(shí)故障曲線，艦船醫(yī)務(wù)人員可快速進(jìn)行故障判斷并處置，見圖4。

圖4 故障錄波圖

3.3 個(gè)人手持PDA 終端

海上艦船手持PDA 應(yīng)具備防水、防潮、防鹽霧、抗震、防摔、電磁兼容等基本特性。依托艦載網(wǎng)絡(luò)，PDA 與衛(wèi)生裝備有源傳感器形成數(shù)據(jù)專網(wǎng)，便捷掃描無源設(shè)備的信息二維碼。PDA 主要應(yīng)用于如下場景：一是首次完成設(shè)備智能傳感器標(biāo)志與醫(yī)療設(shè)備的快速綁定；二是日常巡檢設(shè)備與環(huán)境狀態(tài)，查看由傳感器匯總的數(shù)據(jù)信息；三是通過電源加裝的傳感器實(shí)現(xiàn)設(shè)備遠(yuǎn)程控制開關(guān)機(jī)、自檢。手持PDA 提高了艦船衛(wèi)生管理人員的工作效率，節(jié)約了數(shù)據(jù)采集時(shí)間，減少了采集步驟，改變了原有的固定計(jì)算機(jī)錄入查詢統(tǒng)計(jì)方式。

4 關(guān)鍵技術(shù)

4.1 基于機(jī)器學(xué)習(xí)的醫(yī)療設(shè)備狀態(tài)鑒別算法

由傳感器獲取的艦船醫(yī)療衛(wèi)生裝備狀態(tài)數(shù)據(jù)，需要梳理分析才能可視化展示。因此，需要用到分類問題的機(jī)器學(xué)習(xí)理論［6］。機(jī)器學(xué)習(xí)可以分為監(jiān)督學(xué)習(xí)、無監(jiān)督學(xué)習(xí)與半監(jiān)督學(xué)習(xí)?；跈C(jī)器學(xué)習(xí)的醫(yī)療設(shè)備狀態(tài)鑒別算法采用的正是基于聚類假設(shè)的半監(jiān)督學(xué)習(xí)思想，即當(dāng)2 個(gè)樣例位于同一聚類簇時(shí)，它們在很大的概率下有相同的類標(biāo)簽。這個(gè)假設(shè)的等價(jià)定義為低密度分離假設(shè)（low density separation assumption），即分類決策邊界應(yīng)該穿過稀疏數(shù)據(jù)區(qū)域，而避免將稠密數(shù)據(jù)區(qū)域的樣例分到?jīng)Q策邊界兩側(cè)［7］。通過傳感器采集設(shè)備的業(yè)務(wù)狀態(tài)數(shù)據(jù)，并對業(yè)務(wù)狀態(tài)進(jìn)行聚類標(biāo)注，將聚類狀態(tài)與設(shè)備的業(yè)務(wù)狀態(tài)進(jìn)行匹配，確定聚類中心及距離算法，從而得到基于半監(jiān)督學(xué)習(xí)的聚類算法，結(jié)合自動(dòng)機(jī)理論中的有限狀態(tài)自動(dòng)機(jī)，創(chuàng)建設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)無監(jiān)督學(xué)習(xí)模型，來提高設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)識別的準(zhǔn)確率及可靠性。圖5 為監(jiān)測一臺呼吸機(jī)的電流狀態(tài)，由機(jī)器學(xué)習(xí)算法得出開機(jī)情況的波形圖。

圖5 某呼吸機(jī)開機(jī)情況的波形圖

4.2 基于大數(shù)據(jù)分析實(shí)現(xiàn)艦船醫(yī)療衛(wèi)生裝備狀態(tài)可視化

通過可視化可使數(shù)據(jù)中隱含的數(shù)據(jù)與規(guī)律以圖形化、表格化的形式展現(xiàn)出來。艦船醫(yī)療衛(wèi)生裝備通常沒有專職管理人員、兼職管理人員較少。人們的認(rèn)知能力受到傳統(tǒng)可視化形式的限制，而隱藏在這些數(shù)據(jù)背后的價(jià)值更需要大數(shù)據(jù)可視化來幫助管理人員快速掌握衛(wèi)生裝備狀態(tài)。通過設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集、存儲、分析和戰(zhàn)時(shí)的全套解決方案與框架，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控衛(wèi)生裝備的整體運(yùn)行情況，并做出效能分析。

5 結(jié)語

通過艦船醫(yī)療衛(wèi)生裝備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)艦船衛(wèi)生裝備的自動(dòng)化管理，實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測、預(yù)警報(bào)知管控、裝備效能評估等功能。單艦艇云平臺作為一個(gè)平臺節(jié)點(diǎn)，對全船醫(yī)療衛(wèi)生裝備進(jìn)行精準(zhǔn)定位與性能分析，及時(shí)排查故障與安全隱患，降低維護(hù)人員工作強(qiáng)度，提高設(shè)備信息反饋效率。未來，通過海上數(shù)據(jù)傳輸通路的建設(shè)運(yùn)行，可以使艦艇編隊(duì)多個(gè)節(jié)點(diǎn)信息互通，實(shí)現(xiàn)各級管理部門對編隊(duì)衛(wèi)生裝備的自動(dòng)化管理，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測、預(yù)警報(bào)知管控、裝備效能評估等功能。管理者在云平臺即可實(shí)時(shí)查詢各艦船及整個(gè)編隊(duì)的衛(wèi)生裝備運(yùn)行狀態(tài)、位置等信息，對海上醫(yī)療衛(wèi)生裝備的精確配備、更新?lián)Q代、設(shè)計(jì)提升都將起到重要作用。