數(shù)字孿生和AI 賦能下的醫(yī)院智慧院區(qū)

文/彭永安 季新華 李夢祥 祝高杰 產(chǎn)晟

基于數(shù)字孿生和AI 的智慧院區(qū)綜合指揮平臺的建設將有效提升院區(qū)智慧化安全管理水平和效率，實現(xiàn)對院區(qū)管理降本增效的建設目標。

作為我國醫(yī)療服務體系的主體，公立醫(yī)院的高質(zhì)量發(fā)展關乎整個社會民生。2021年6月，《關于推動公立醫(yī)院高質(zhì)量發(fā)展的意見》明確了公立醫(yī)院應積極完善內(nèi)部控制制度，推廣醫(yī)院后勤“一站式”服務。同時建立醫(yī)院運營管理決策系統(tǒng)，提升醫(yī)院管理的科學化、規(guī)范化、精細化程度。

本文以上海交通大學醫(yī)學院附屬國際和平婦幼保健院奉賢新院區(qū)應用為場景，結合醫(yī)院后勤和安全實際管理需求，將保障整個院區(qū)安全、綠色、高效、穩(wěn)定運行的各重要系統(tǒng)納入統(tǒng)一的監(jiān)管平臺中，鍛造出一件針對大型院區(qū)“一站式”運維的管理利器。探索基于數(shù)字孿生和AI的智慧院區(qū)綜合指揮平臺在醫(yī)院高質(zhì)量發(fā)展過程中的應用場景。

數(shù)字孿生醫(yī)院建設

上海交通大學醫(yī)學院附屬國際和平婦幼保健院奉賢新院區(qū)（以下簡稱“國婦嬰奉賢新院區(qū)”）作為上海市重大建設項目之一，也是上海市“五大新城建設”中首家新建啟用的三甲醫(yī)院，占地面積為6.6萬平方米，總建筑面積為100524平方米，擁有500張床位。國婦嬰奉賢新院區(qū)的建設將有效解決上海奉賢等南部郊區(qū)醫(yī)療資源相對薄弱的問題，每年將有大量的門急診以及住院人次。如此龐大的建筑體量以及業(yè)務量，對于院方如何能夠更加安全、高效、全面地管理好院區(qū)內(nèi)人、財、事、物提出了更高的要求。

醫(yī)院后勤管理作為醫(yī)院整體管理的關鍵組成部分，其對院區(qū)內(nèi)包含醫(yī)療、科研等各項工作的開展發(fā)揮著至關重要的保障作用，有著覆蓋面廣、影響面大的管理特點。因此，通過將醫(yī)院建筑、安防、消防、BA、能耗、機電、暖通、BIM、停車、保修等各類系統(tǒng)數(shù)據(jù)納入統(tǒng)一的管理平臺中，構建“一站式”的后勤服務體系將為院區(qū)運維工作高質(zhì)量發(fā)展提供堅實支撐。

通常大型系統(tǒng)集成類平臺的建設都需要一個高效且精細的業(yè)務及數(shù)據(jù)載體，傳統(tǒng)的二維數(shù)據(jù)平臺通常存在著對建筑本體的幾何信息表達的局限性，無法充分體現(xiàn)在大型院區(qū)管理過程中建筑運行數(shù)據(jù)與物理實體的關聯(lián)關系。

因此，通過對物理世界的數(shù)字孿生建設，將醫(yī)院建設過程中產(chǎn)生的BIM數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為虛擬世界中的孿生醫(yī)院，用于全面承載院區(qū)日常的運行數(shù)據(jù)與各類后勤管理工作中的業(yè)務關系，實現(xiàn)跨層級的物理世界與虛擬世界的無縫銜接，搭建好未來支撐萬物互聯(lián)的智慧院區(qū)核心技術體系。

數(shù)字孿生應用價值成效

數(shù)字孿生通過構建物理實體的數(shù)字孿生體，映射物理實體在真實環(huán)境中的變化，模擬物理實體在真實環(huán)境中的行為和特性，以實現(xiàn)故障診斷、狀態(tài)監(jiān)控和趨勢預測。

基于數(shù)字孿生技術建設的系統(tǒng)是實體醫(yī)院在計算機環(huán)境中的虛擬映射，系統(tǒng)以建筑模型為核心對分布在各異構系統(tǒng)中的信息數(shù)據(jù)進行采集，運用數(shù)字孿生技術、AI技術、物聯(lián)網(wǎng)技術、大數(shù)據(jù)分析及中間件等技術對這些數(shù)據(jù)進行封裝與融合，并通過定義統(tǒng)一的資源模型和數(shù)據(jù)存儲接口打通各系統(tǒng)間數(shù)據(jù)格式的差異，再通過一個平臺展示出來，見圖1。

圖1 系統(tǒng)架構圖

基于數(shù)字孿生等技術，整合院內(nèi)的智能化系統(tǒng)、數(shù)據(jù)與人員、建筑信息，建設涵蓋所有服務、輻射對應的業(yè)務的數(shù)字孿生平臺。對日常的智能設備的監(jiān)控、空間的分配、能耗的監(jiān)管、安防系統(tǒng)與樓宇BA系統(tǒng)報警、業(yè)務工單的提報與處理、車位的閑忙情況、建筑生命周期的管理及其他業(yè)務系統(tǒng)數(shù)據(jù)通過科學的統(tǒng)計方法進行統(tǒng)籌，并集成至一個平臺上進行展示，有效提高數(shù)據(jù)的利用率，實現(xiàn)后勤“一站式”服務平臺管理理念。系統(tǒng)功能根據(jù)日常使用場景不同劃分為日常運營模式與建筑運維模式。

目前數(shù)字孿生技術的應用：一是以AI攝像頭應用為基礎助力安消防“一體化”管理。平臺首先對安消防在基礎硬件層面進行融合，即使用多傳感器融合的探測器，實現(xiàn)對視頻、溫度、煙霧、火點等多維感知；其次集成融合傳統(tǒng)消防、安防系統(tǒng)于一體；在此基礎上再對軟件架構進行融合，基于統(tǒng)一架構形成軟件功能的組件化；最后對業(yè)務層面進行融合，當防區(qū)報警時，可聯(lián)動處置，快速開啟門禁，并根據(jù)人流情況進行疏散，提升應急指揮能力，實現(xiàn)一體化管理。

目前已全面接入院內(nèi)1534路高清攝像頭，通過后端算法服務器實現(xiàn)監(jiān)控的三維自動巡更、區(qū)域人員密度統(tǒng)計、進出院人數(shù)統(tǒng)計；在行為識別動態(tài)捕捉方面，對口罩未佩戴、摔倒、吸煙、人員聚集、消防通道堵塞、明火明煙等進行有效自動識別，并聯(lián)動安消防報警。

在院區(qū)已完成38個重點區(qū)域安消防算法布控，達到秒級自動報警；實現(xiàn)針對48個候診區(qū)域?qū)崟r人員密度監(jiān)控，見圖2。

通過從無到有的建設，使醫(yī)院管理人員對醫(yī)院每日進出人流量、每日高峰時段的重點區(qū)域人員密度、擁擠程度有了整體把控，并可根據(jù)人員管控數(shù)據(jù)情況進行統(tǒng)計分析，調(diào)整相應的運營策略，改善就醫(yī)環(huán)境。

二是以可視化為驅(qū)動賦能空間統(tǒng)籌規(guī)劃管理?；诳梢暬目臻g管理，在模型與空間信息高度還原的基礎上，能動態(tài)且直觀地展示建筑外部及內(nèi)部不同層次的空間細節(jié)。此次建設建筑面積共計100524平方米，涵蓋3349個單位空間，將每個空間按照特定類型進行分類展示，比如根據(jù)空間類型、使用科室的差異用不同顏色對相應空間進行著色顯示，提升空間信息的可讀性。另外空間信息除了包含空間本身的一些物理信息、功能屬性之外，通過對空間信息的統(tǒng)計與分析，能準確地描述空間的使用現(xiàn)狀，揭示空間的占用特征及規(guī)律，進而為空間需求的預測提供強有力的依據(jù)，提升醫(yī)院的空間管理水平，實現(xiàn)空間利用效益最大化，見圖3。

2 候診區(qū)域人員密度監(jiān)控。

3 可視化空間管理。

三是以物聯(lián)網(wǎng)技術與業(yè)務相結合實現(xiàn)能耗精細化管理。通過建設能耗管理模塊，對院內(nèi)的能耗消耗全過程實現(xiàn)動態(tài)平衡管理。針對院區(qū)內(nèi)三棟建筑共18個樓層里共831個智能水表、電表、能量計數(shù)據(jù)進行采集計量與實時監(jiān)測，并按照醫(yī)院的建筑區(qū)域、科室機構、能源種類、電能分項等不同維度對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，并以表格、曲線圖、柱狀圖、餅狀圖等方式直觀展示醫(yī)院內(nèi)各區(qū)域、各科室各類能源消耗的規(guī)律，使得各項節(jié)能效果可計可量，提高了醫(yī)院用能的科學化水平。

今后，可借助大量的歷史能耗數(shù)據(jù)，結合各種大數(shù)據(jù)分析、計算機等技術，提取合理可靠的有用信息，從能源源頭到用能終端，設計科學的監(jiān)測和管理新模式，輔助后勤管理人員制定行之有效的節(jié)能改造措施，逐步降低運行費用，實現(xiàn)醫(yī)院能耗管理工作的科學化和精細化。

四是以互聯(lián)網(wǎng)手段優(yōu)化停車流程。由于醫(yī)院地下停車場的空間較大，各停車區(qū)域有著相似的標志物和場景，病人或者家屬在停車就診后，尋找車輛離場時往往會遇到一定的困難，尋車導航不可或缺。然而當車輛駛入地下停車場等大面積的室內(nèi)場所時，由于衛(wèi)星信號受到建筑物的嚴重干擾，車輛通常難以接收到GPS／北斗信號進行定位，傳統(tǒng)的通用型地圖對醫(yī)院內(nèi)部結構路線不夠直觀清晰，因此現(xiàn)有的地圖導航無法實現(xiàn)導航功能。

醫(yī)院以互聯(lián)網(wǎng)手段，在停車場車位、出入口電梯間張貼二維碼用于位置定位。當車輛停入車位后，車主微信掃描車位二維碼，無需下載即可無感進入小程序與車位信息進行綁定；并可快速導航醫(yī)院主要區(qū)域，如門診、急診、住院部等的電梯導航路線；取車時掃描所在位置附近的二維碼，根據(jù)之前綁定的車位位置信息可快速生成尋車最優(yōu)路徑；并可支付停車費，提供“一站式”停車體驗。

通過對全院B1、B2層停車場288個車位、23個電梯出口設立定位二維碼，可對尋車路線進行實時、高效、準確的路線指引，完成“停車→尋找電梯→就診→尋找車輛→付停車費”的全流程閉環(huán)。

五是構建統(tǒng)一交互信息集成監(jiān)管平臺提升應急處理能力。平臺集成安防、消防、暖通、給排水、BA等多個子系統(tǒng)數(shù)據(jù)，提供算法識別事件報警與設備異常報警的統(tǒng)一監(jiān)管。預先配置好設備的閾值，當檢測到實時數(shù)據(jù)超閾即刻產(chǎn)生報警信息。同時在報警中心進行聲光聯(lián)動，及時通知到對應管理人員，快速進入應急處理流程。通過報警中心的統(tǒng)一交互，在平臺中實時監(jiān)管，根據(jù)聯(lián)動規(guī)則同步定位至事發(fā)場景區(qū)域，查看險情現(xiàn)場畫面圖片、調(diào)用附近攝像頭，為值班人員提供更多快速處置參考依據(jù)，最大限度地減少損失。

報警中心涵蓋未佩戴口罩、人員聚集、摔倒、明煙明火、消防通道堵塞、抽煙等6大識別算法，連接安防、消防、暖通、給排水、冷熱源、電梯、醫(yī)用氣體、水務等8大系統(tǒng)，提供80余類設備的狀態(tài)實時監(jiān)控，集成全平臺的數(shù)據(jù)信息，助力全面提升應急處理能力。

以數(shù)字孿生技術和AI算法為基礎構建的智慧院區(qū)運維管理平臺，結合了仿真、物聯(lián)網(wǎng)、AI等技術，實現(xiàn)數(shù)字化協(xié)同，讓建筑變成一個能夠全面感知的容器和載體，將物聯(lián)數(shù)據(jù)融入可視化立體場景中，加之平臺的預警、主動式運維機制，為醫(yī)院管理者提供集中、高效、便捷、多樣的管理模式。數(shù)字孿生技術賦能醫(yī)院成為單一系統(tǒng)互通的載體與聚合平臺，一方面給醫(yī)院提供院內(nèi)各系統(tǒng)的運行態(tài)勢、數(shù)據(jù)的集中研判與分析，輔助決策層進行頂層設計，另一方面對應急指揮等工作的智慧化發(fā)展提供更多的可能。