醫(yī)院高層建筑箱式物流自動(dòng)化系統(tǒng)輸送效率的研究與提高

文/ 張正明 周林才 王浩 付國(guó)棟

隨著全國(guó)城鎮(zhèn)化率不斷提高，城市規(guī)模越來(lái)越大，人口越來(lái)越向城市集中，給城市醫(yī)療帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)，再加上新冠疫情對(duì)城市醫(yī)療資源的擠兌，使得醫(yī)院迫切需要通過(guò)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)來(lái)提高服務(wù)能力和醫(yī)療資源利用率，實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展。

醫(yī)院智能化和自動(dòng)化物流系統(tǒng)建設(shè)，成為醫(yī)院高效運(yùn)營(yíng)的重要選項(xiàng)和發(fā)展方向。低樓層建筑或裙樓大多規(guī)劃為門診樓和醫(yī)技樓，高層塔樓多規(guī)劃為住院樓。要實(shí)現(xiàn)醫(yī)院各科室、各高低樓層物流自動(dòng)線全部貫通，中型箱式物流自動(dòng)化系統(tǒng)是最好的解決方案，能夠滿足藥品、醫(yī)囑、檢驗(yàn)標(biāo)本、手術(shù)器械、大輸液、后勤物資等在高低層建筑間、各樓層及各科室間的互聯(lián)互通。

在大量醫(yī)院中型箱式物流系統(tǒng)工程實(shí)踐中，我們發(fā)現(xiàn)高層建筑的垂直輸送分揀效率是影響醫(yī)院全系統(tǒng)物流效率的瓶頸，本文針對(duì)這一關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行分析研究和仿真計(jì)算，創(chuàng)新性地提出“多機(jī)串行接力、隨機(jī)協(xié)同控制”的高效垂直輸送分揀新方案，從而有效提高了中型箱式物流系統(tǒng)的綜合效率，并經(jīng)過(guò)多個(gè)工程驗(yàn)證，收效良好。

一、醫(yī)院高層建筑箱式物流垂直輸送分揀系統(tǒng)的現(xiàn)狀

醫(yī)院智能箱式物流系統(tǒng)主要由垂直輸送分揀系統(tǒng)、橫向貫通線、智能站點(diǎn)、控制系統(tǒng)和監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)組成，如圖2所示。物流系統(tǒng)的總效率，取決于垂直輸送分揀系統(tǒng)效率和貫通線的效率。

圖1 醫(yī)院智能化和自動(dòng)化物流系統(tǒng)正加快建設(shè)

圖2 吉大二醫(yī)院物流自動(dòng)化系統(tǒng)3D數(shù)模

1.貫通線

貫通線主要由輥柱機(jī)、皮帶機(jī)、轉(zhuǎn)轍機(jī)構(gòu)、分流機(jī)構(gòu)和合流機(jī)構(gòu)等組成，如圖3所示。貫通線設(shè)計(jì)速度為0.5m/s，周轉(zhuǎn)箱長(zhǎng)度通常為500～600mm，輸送間隔為400mm，輸送效率為1500箱/小時(shí)。轉(zhuǎn)轍機(jī)構(gòu)需要多個(gè)啟停節(jié)拍動(dòng)作才能完成周裝箱的換線。經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試，轉(zhuǎn)轍機(jī)構(gòu)完成一個(gè)周轉(zhuǎn)箱的換線動(dòng)作需要3.5s，效率為1000箱/小時(shí)。轉(zhuǎn)轍機(jī)構(gòu)與貫通輸送線為串聯(lián)關(guān)系，含轉(zhuǎn)轍機(jī)構(gòu)的綜合輸送線效率為1000箱/小時(shí)。經(jīng)過(guò)大量工程項(xiàng)目實(shí)際運(yùn)用，貫通線的輸送效率完全滿足現(xiàn)有醫(yī)院使用要求。

圖3 貫通線

2.智能站點(diǎn)

站點(diǎn)設(shè)置在垂直輸送分揀機(jī)的各層出口處，由兩條具有緩存和收發(fā)輸送功能的站點(diǎn)終端線體組成，站點(diǎn)平鋪和雙層兩種結(jié)構(gòu)形式，終端線體為3～5個(gè)積放段的輥筒線，如圖4所示。站點(diǎn)一條線體用于接收和緩存垂直分揀機(jī)送來(lái)的滿箱醫(yī)用物品，如液體、標(biāo)本、藥品等；另一條用于緩存或發(fā)送空箱或標(biāo)本等。工作人員將采集好的標(biāo)本或空箱等放置到下層發(fā)送站臺(tái)，無(wú)需人工輸入目的地，在HIS信息系統(tǒng)統(tǒng)一調(diào)度下，滿箱的標(biāo)本由站點(diǎn)下層的發(fā)送站臺(tái)RFID自動(dòng)識(shí)別周轉(zhuǎn)箱上的信息，并由水平輸送設(shè)備和垂直分揀機(jī)自動(dòng)發(fā)往目的地；并取走分揀機(jī)送到站點(diǎn)上層的待檢標(biāo)本或其他醫(yī)用物資，實(shí)現(xiàn)各科室站點(diǎn)物資的互聯(lián)互通。

圖4 智能站點(diǎn)

站點(diǎn)的接收或發(fā)送站臺(tái)具有周轉(zhuǎn)箱智能排隊(duì)和聲光提示功能，操作人員可在站點(diǎn)傳輸線任意位置放置，或取走周轉(zhuǎn)箱。

樓層站點(diǎn)的兩條收發(fā)線體與垂直分揀機(jī)對(duì)接，對(duì)接中間有自動(dòng)防火層門，既有科室與提升井道之間防火功能，又有隔音和安全防護(hù)功能。

3.垂直輸送分揀機(jī)

常規(guī)垂直輸送分揀機(jī)有往復(fù)式（電梯模式）和連續(xù)式（多進(jìn)多出）兩種形式。樓層高度在25m以下時(shí)，一般采用連續(xù)式或往復(fù)式。連續(xù)式輸送分揀效率較高，但因自身提升鏈較為笨重，設(shè)備輸送高度受限。往復(fù)式多用于樓層間垂直輸送，或效率要求不高的低層建筑垂直輸送分揀。對(duì)于高度大于25m的高層建筑一般只能使用往復(fù)式，往復(fù)式輸送分揀機(jī)的最大問(wèn)題就是輸送分揀效率低，此瓶頸影響到整個(gè)系統(tǒng)物流效率。

下面以77.6m提升行程的高層建筑為例，分析影響往復(fù)式垂直輸送分揀效率的主要因素。往復(fù)式垂直輸送分揀機(jī)轎廂設(shè)計(jì)4工位，每次提升輸送2個(gè)滿周轉(zhuǎn)箱，留2個(gè)接空箱工位，如圖5所示。分揀機(jī)從底層直接提升至頂層，分揀機(jī)及站點(diǎn)接口設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，如表1所示。 表1中的“一傳輸”是指站點(diǎn)緩存位至層門的距離，“二傳輸”是指轎廂內(nèi)工位輥筒段的長(zhǎng)度。

表1 垂直分揀機(jī)運(yùn)行參數(shù)

圖5 轎廂雙層4工位

根據(jù)以上兩表垂直分揀機(jī)和站點(diǎn)交接設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)，整理出垂直輸送分揀機(jī)從一層至頂層的完整循環(huán)的時(shí)間統(tǒng)計(jì)，如表3所示。

從表3看出，一個(gè)垂直輸送循環(huán)耗時(shí)124.3 s，每小時(shí)循環(huán)次數(shù)3600s÷124.3s=29次。轎廂4工位，上升和下降各輸送2個(gè)滿箱和2個(gè)空箱。由此得出垂直輸送分揀機(jī)的效率P：

表2 一傳輸和二傳輸運(yùn)行參數(shù)

表3 垂直分揀機(jī)一個(gè)完整輸送循環(huán)時(shí)間統(tǒng)計(jì)

P=4×29=116箱/小時(shí)

經(jīng)過(guò)以上普通往復(fù)式垂直輸送分揀機(jī)（電梯模式）的效率分析計(jì)算，總結(jié)出影響垂直輸送分揀效率的主要因素如下：

（1）分揀機(jī)上升和下降的時(shí)間占總時(shí)間的77%，提升效率隨提升高度的增加而降低。井道越高，效率越低。

（2）周轉(zhuǎn)箱進(jìn)出轎廂的開(kāi)關(guān)門時(shí)間占總時(shí)間的10%。這是由于普通垂直分揀機(jī)采用門刀形式驅(qū)動(dòng)層門，只能在轎廂完全停穩(wěn)后才能啟動(dòng)開(kāi)門程序。

經(jīng)過(guò)諸多項(xiàng)目實(shí)際運(yùn)行情況和計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證，樓層越高往復(fù)式垂直輸送分揀機(jī)提升效率越低，高層輸送分揀機(jī)的效率是制約醫(yī)院中型智能箱式物流系統(tǒng)發(fā)展和推廣應(yīng)用的主要瓶頸。

二、智能箱式物流系統(tǒng)的效率需求分析

以安徽省的懷遠(yuǎn)縣人民醫(yī)院為例，醫(yī)院建筑由兩棟18層樓（內(nèi)科、外科）和兩棟低層門診樓和醫(yī)技樓組成。醫(yī)院規(guī)模為1400張床位，其中北區(qū)內(nèi)科大樓有702張床位，南區(qū)外科大樓有730張床位。箱式物流自動(dòng)化系將4棟樓全部貫通。物流系統(tǒng)主要由LT1和LT2兩臺(tái)高層垂直輸送分揀設(shè)備、LT3和LT4兩臺(tái)低層垂直輸送分揀設(shè)備及LT5層面垂直輸送設(shè)備組成，圖6為該院智能箱式物流系統(tǒng)3D圖，圖7為懷遠(yuǎn)縣人民醫(yī)院物流貫通線。

圖6 懷遠(yuǎn)縣人民醫(yī)院物流自動(dòng)化系統(tǒng)組成3D圖

圖7 懷遠(yuǎn)縣人民醫(yī)院部分物流貫通線

1.醫(yī)用物資供應(yīng)時(shí)段需求

該院醫(yī)用物資需求時(shí)段如下：

（1）藥品及輸液高峰時(shí)段：上午8:00～10:00與下午13:00～15:00；

（2）消毒供應(yīng)高峰時(shí)段：上午9:00～10:00與下午14:00～15:00；

（3）標(biāo)本供應(yīng)高峰時(shí)段：上午9:00～10:00；

（4）被服及后勤物資供應(yīng)高峰時(shí)段：下午15:00～17:00；

（5）其他時(shí)間根據(jù)醫(yī)患需求分散輸送。

2.醫(yī)用物資日需求量及對(duì)分揀機(jī)輸送效率需求分析測(cè)算

以下統(tǒng)計(jì)表是2022年8～10月各垂直輸送分揀機(jī)對(duì)應(yīng)科室平均每天高峰時(shí)段周轉(zhuǎn)箱輸送量的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，以及提升效率需求進(jìn)行的分析。

（1）LT1 垂直輸送分揀機(jī)的物資輸送量需求

1號(hào)垂直輸送分揀設(shè)備（LT1）位于北區(qū)內(nèi)科樓內(nèi)，起于地下一層庫(kù)房站點(diǎn)，止于十七層樓頂，主要用于庫(kù)房、核醫(yī)學(xué)科、透析中心、日間病房、產(chǎn)科及六層到十七層病區(qū)的物資交互。各科室床位數(shù)共計(jì)約702張，高峰時(shí)段對(duì)輸送物資藥品、輸液、標(biāo)本、消毒供應(yīng)及后勤物資的需求統(tǒng)計(jì)，如表4所示。

表4 LT1高峰時(shí)段輸送需求量統(tǒng)計(jì)表

上午9:00～10:00為藥品輸液、消毒供應(yīng)和標(biāo)本重疊輸送峰值輸送效率為：

Pm1=(76+36+82)=194箱/h；

下午14:00～15:00為藥品輸液和消毒供應(yīng)重疊輸送峰值，輸送效率為：

Pm2=（76+36）=112箱/h

由此可知，LT1輸送峰值效率為194箱/h。

（2）LT2 垂直輸送分揀機(jī)輸送量需求

2號(hào)垂直輸送分揀設(shè)備（LT2）位于南區(qū)內(nèi)科樓內(nèi)，起于一層急診病房站點(diǎn)，止于十七層樓頂，主要用于急診病房、兒科、ICU、新生兒及六層到十七層病區(qū)的物資交互。各科室床位數(shù)共計(jì)約730張，輸送物資范圍有藥品、輸液、標(biāo)本、消毒供應(yīng)及后勤物資，需求量見(jiàn)表5。

表5 LT2高峰時(shí)段輸送需求量統(tǒng)計(jì)表

上午9:00～10:00為藥品輸液、消毒供應(yīng)和標(biāo)本重疊輸送峰值時(shí)段，效率需求為：

Pm2=(78+41+94)=213箱/h；

下午14:00～15:00為藥品輸液和消毒供應(yīng)重疊輸送峰值，輸送效率為：

Pm2=（78+41）=119箱/h；

由此可知，LT2輸送峰值效率為213箱/h。

（3）LT3 垂直輸送分揀機(jī)輸送量需求

3號(hào)垂直輸送分揀設(shè)備（LT3）位于門診醫(yī)技樓內(nèi)，起于二層中控維護(hù)室站點(diǎn)，止于四層樓頂，主要用于介入中心、住院藥房和靜脈配置的物資交互。輸送物資范圍有藥品、輸液、標(biāo)本、消毒供應(yīng)及后勤物資，需求量如表6所示。

表6 LT2高峰時(shí)段輸送需求量統(tǒng)計(jì)表

上午9:00～10:00為藥品輸液、消毒供應(yīng)和標(biāo)本重疊輸送峰值時(shí)段，輸送效率需求：

Pm3=(210+3)=213箱/h；

由此可知，LT3輸送峰值效率為213箱/h。

（4）LT4 垂直輸送分揀機(jī)輸送量需求

4號(hào)垂直輸送分揀設(shè)備（LT4）位于門診醫(yī)技樓內(nèi)，起于一層輸液大廳站點(diǎn)，止于四層樓頂，主要用于檢驗(yàn)科、手術(shù)室的物資交互。輸送物資范圍有藥品、輸液、標(biāo)本、消毒供應(yīng)及后勤物資，需求量如表7所示。

表7 LT4高峰時(shí)段輸送需求量統(tǒng)計(jì)表

與前面計(jì)算方法相同，LT4峰值時(shí)段效率需求Pm4=(55+19+176)=250箱/h。

（5）LT5 垂直輸送分揀機(jī)輸送量需求

5號(hào)垂直輸送分揀設(shè)備（LT5）位于門診醫(yī)技樓內(nèi)，起止于四層，連接中心供應(yīng)一個(gè)站點(diǎn)，主要用于收發(fā)中心供應(yīng)的消毒物品和一次性物品等。LT5高峰時(shí)段輸送需求量統(tǒng)計(jì)，如表8所示。

表8 LT5高峰時(shí)段輸送需求量統(tǒng)計(jì)表

LT5峰值時(shí)段效率需求Pm5=99箱/h。

針對(duì)高層建筑常規(guī)垂直輸送效率與醫(yī)院實(shí)際輸送峰值需求的巨大差異，貴陽(yáng)普天物流技術(shù)有限公司經(jīng)過(guò)研究對(duì)比和仿真驗(yàn)證，提出“多機(jī)接力式高效垂直輸送分揀系統(tǒng)”的創(chuàng)新解決方案。

（6）效率需求總結(jié)

從以上懷遠(yuǎn)縣人民醫(yī)院的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析和計(jì)算結(jié)果看出，兩棟18層高樓的垂直輸送分揀設(shè)備中LT2峰值時(shí)段效率需求最高，達(dá)到213箱/h；兩棟低層樓中的LT4峰值時(shí)段效率需求最高，達(dá)到250箱/h。按此效率要求，低樓層垂直分揀機(jī)可采用多進(jìn)多出垂直分揀機(jī)；但對(duì)于兩棟高層樓的垂直分揀機(jī)效率要求則無(wú)法滿足，而多進(jìn)多出垂直分揀機(jī)效率滿足，但最大提升高度不夠；普通直通式垂直分揀機(jī)效率差異太大。

三、醫(yī)院高層建筑箱式物流垂直輸送分揀系統(tǒng)效率瓶頸的解決方案

針對(duì)高層建筑常規(guī)垂直輸送效率與醫(yī)院實(shí)際輸送峰值需求的巨大差異，貴陽(yáng)普天物流技術(shù)有限公司經(jīng)過(guò)研究對(duì)比和仿真驗(yàn)證，提出“多機(jī)接力式高效垂直輸送分揀系統(tǒng)”的創(chuàng)新解決方案。

該方案是在井道內(nèi)安裝多臺(tái)子垂直分揀機(jī)（如圖8），每臺(tái)子分揀機(jī)輸送高程在8～12m，子垂直分揀機(jī)與子垂直分揀機(jī)間周轉(zhuǎn)箱接力傳遞，子垂直分揀機(jī)交出周轉(zhuǎn)箱后就可返回接下一箱，多臺(tái)子分揀機(jī)通過(guò)智能感知、多機(jī)串行接力、隨機(jī)協(xié)同控制的方式緊張有序工作，實(shí)現(xiàn)總體效率的大幅提升。無(wú)論樓層多高，此方案均能保證較高的提升效率。

圖8 接力式垂直輸送分揀機(jī)

此外，對(duì)全部自動(dòng)層門進(jìn)行了改進(jìn)，將普通方案的門機(jī)打開(kāi)層門改進(jìn)為每層門單獨(dú)配置驅(qū)動(dòng)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)在轎廂到達(dá)前提前打開(kāi)層門，節(jié)約開(kāi)關(guān)門耽誤的時(shí)間，進(jìn)一步提升輸送效率。

本創(chuàng)新技術(shù)方案在懷遠(yuǎn)縣人民醫(yī)院進(jìn)行了實(shí)施驗(yàn)證，在每個(gè)高層垂直輸送分揀機(jī)井道里安裝了6臺(tái)子垂直分揀機(jī)，每臺(tái)子提升機(jī)升程為10m，轎廂雙層4工位，這6臺(tái)子提升機(jī)串行接力、協(xié)同控制實(shí)現(xiàn)周轉(zhuǎn)箱的升降輸送分揀。懷遠(yuǎn)縣人民醫(yī)院高效接力垂直子分揀系統(tǒng)參數(shù)，如表9～表11所示。

表9 子提升機(jī)運(yùn)行參數(shù)

表10 提升機(jī)運(yùn)行步驟及對(duì)應(yīng)時(shí)間

表11 10m行程子提升機(jī)效率

從空間維度看，各子垂直分揀機(jī)是接力增高，解決了高層和超高層升程問(wèn)題。從時(shí)間維度看，各子垂直分揀機(jī)都是在并行工作，原來(lái)一臺(tái)直通垂直分揀機(jī)由多臺(tái)子垂直分揀機(jī)替代，效率大幅增加。層門驅(qū)動(dòng)的改進(jìn)，對(duì)效率提升也有一些效果。綜合以上技術(shù)創(chuàng)新，使懷遠(yuǎn)縣人民醫(yī)院高層垂直分揀機(jī)系統(tǒng)的垂直輸送效率達(dá)到289箱/h，大大超過(guò)高層實(shí)際213箱/h的需求。

四、結(jié)論

通過(guò)對(duì)醫(yī)院高層建筑垂直輸送分揀機(jī)效率研究計(jì)算、仿真分析及在懷遠(yuǎn)縣人民醫(yī)院的應(yīng)用效果看，多臺(tái)接力垂直輸送子分揀機(jī)系統(tǒng)的創(chuàng)新方案有效地突破了高層建筑垂直輸送效率低的瓶頸問(wèn)題，保證了醫(yī)院箱式物流自動(dòng)化全系統(tǒng)的輸送分揀高效率，滿足了現(xiàn)代醫(yī)院高樓層物流自動(dòng)化和智能化的物資輸送分揀新要求。該系統(tǒng)在懷遠(yuǎn)縣人民醫(yī)院投產(chǎn)2年來(lái)，運(yùn)行穩(wěn)定，效率富裕度大，客戶滿意度高。