基于IPv6 與5G 技術(shù)的醫(yī)院物流機(jī)器人應(yīng)用研究

□ 李寬省 LI Kuan-sheng 王弢 WANG Tao

醫(yī)療機(jī)構(gòu)物流運(yùn)輸種類多、數(shù)量大，涵蓋醫(yī)療器械、耗材、藥品、標(biāo)本、醫(yī)療廢棄物等，據(jù)估計(jì)國內(nèi)醫(yī)院大約有46%的預(yù)算被投入到物流相關(guān)領(lǐng)域，其中人力勞動(dòng)投入約19%[1]。物流機(jī)器人是人工智能高新技術(shù)高速發(fā)展的產(chǎn)物，能夠滿足醫(yī)院運(yùn)輸物資種類數(shù)量多、體積多樣、運(yùn)送頻次高、配送位置精準(zhǔn)、及時(shí)高效等復(fù)雜需求[2-3]。2020年新冠疫情期間，更加凸顯了機(jī)器人在物流、生活管理、治療護(hù)理、宣教引導(dǎo)等方面的優(yōu)勢，有效減輕了醫(yī)護(hù)人員工作負(fù)擔(dān)及院內(nèi)交叉感染[4]，彰顯了智能機(jī)器人在醫(yī)療行業(yè)的廣闊應(yīng)用前景。

2023年4月，國家印發(fā)了《關(guān)于推進(jìn)IPv6 技術(shù)演進(jìn)和應(yīng)用創(chuàng)新發(fā)展的實(shí)施意見》，提出推動(dòng)IPv6 與5G、人工智能等技術(shù)的融合創(chuàng)新[5]。5G 技術(shù)突破了現(xiàn)有通信技術(shù)下的瓶頸，具備了低時(shí)延、移動(dòng)性、高帶寬、海量連接等特色，這大幅提升了自主移動(dòng)機(jī)器人(AMR)的大規(guī)模接入能力和調(diào)度能力，使得機(jī)器人行業(yè)的技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)多層次的升級(jí)[6]。IPv6 擁有更高的網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)效率、更好的移動(dòng)性支持、更優(yōu)秀的路由性能等優(yōu)勢，同時(shí)在保密性、完整性方面也有顯著改進(jìn)[7]。伴隨互聯(lián)網(wǎng)醫(yī)療和智慧醫(yī)院建設(shè)，各種基于IPv6和5G 技術(shù)的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)醫(yī)療和管理應(yīng)用層出不窮，為醫(yī)務(wù)人員、患者以及醫(yī)院管理人員帶來了全新的服務(wù)體驗(yàn)和管理方式。然而，基于IPv6 和5G 技術(shù)的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)在醫(yī)院物流領(lǐng)域的應(yīng)用研究還有待深入，特別是IPv6 與5G 技術(shù)與醫(yī)院物流機(jī)器人結(jié)合產(chǎn)生的創(chuàng)新應(yīng)用還有待我們?nèi)ド钊胪诰颉?/p>

本研究以上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬瑞金醫(yī)院藥品配送場景為例，以IPv6 與5G 技術(shù)為出發(fā)點(diǎn)，探討醫(yī)院物流機(jī)器人應(yīng)用的發(fā)展機(jī)遇，進(jìn)而通過對(duì)現(xiàn)有無線網(wǎng)絡(luò)的改造，構(gòu)建支持IPv6 與5G 的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，確保物流機(jī)器人在運(yùn)行過程中的通信功能得到充分保障。

建設(shè)方案及實(shí)踐

1. IPv6 與5G 醫(yī)療專網(wǎng)建設(shè)。圍繞服務(wù)、管理、醫(yī)療“三位一體”的智慧醫(yī)院建設(shè)目標(biāo)，醫(yī)院對(duì)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行了全面升級(jí)與改造，精心構(gòu)筑具有IPv4/IPv6 雙棧承載能力的IPv6 與5G 醫(yī)療專網(wǎng)，以滿足廣大患者的診療服務(wù)、醫(yī)院管理與日常辦公等多樣化需求。在網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃方面，我們逐步從IPv4 過渡至IPv4/IPv6 雙棧，并最終過渡至IPv6單棧。

IPV6 與5G 醫(yī)療專網(wǎng)采用了“IPv4 源站+地址轉(zhuǎn)換+IPv6 邊界安全防護(hù)”技術(shù)方案，調(diào)整了DNS 指向，通過協(xié)議轉(zhuǎn)換技術(shù)實(shí)現(xiàn)了IPv6 可達(dá)。同時(shí)，邊界防火墻全面支持IPv4/IPv6雙協(xié)議，對(duì)雙棧數(shù)據(jù)報(bào)文進(jìn)行嚴(yán)格的訪問控制、高效的路由轉(zhuǎn)發(fā)以及便捷的流量管理。具體的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋮⒁妶D1 所示。

圖1 IPV6與5G醫(yī)療專網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

2.無線專網(wǎng)導(dǎo)航。采用的物流機(jī)器人裝備了先進(jìn)的3D激光雷達(dá)，內(nèi)置多傳感器融合定位算法，具有構(gòu)建和定位3D 高清地圖的功能，能以百倍的定位信息量提供精確的定位服務(wù)，借助于IPv6 與5G 專網(wǎng)，設(shè)備的障礙躲避及定位導(dǎo)航能力得到顯著提升。物流機(jī)器人室內(nèi)導(dǎo)航技術(shù)，主要包括全局導(dǎo)航定位技術(shù)以及導(dǎo)航運(yùn)動(dòng)技術(shù)。在運(yùn)行過程中，物流機(jī)器人的視覺傳感器會(huì)實(shí)時(shí)收集周圍環(huán)境信息，并通過IPv6 與5G 專網(wǎng)把這些信息實(shí)時(shí)傳輸?shù)椒?wù)器(機(jī)器人調(diào)度系統(tǒng))。服務(wù)器上設(shè)有專門的處理單元，負(fù)責(zé)運(yùn)用相應(yīng)的視覺處理算法，作出實(shí)時(shí)決策，并以高速度、低延遲將決策指令發(fā)送至各個(gè)機(jī)器人，以便及時(shí)調(diào)整機(jī)器人的運(yùn)行姿態(tài)和行進(jìn)路線。

3.無線專網(wǎng)下的運(yùn)行調(diào)度。電梯與門禁調(diào)度、物品裝卸、狀態(tài)監(jiān)測與自動(dòng)充電、集群運(yùn)行調(diào)度等環(huán)節(jié)都需要通過IPv6 與5G 網(wǎng)絡(luò)與服務(wù)器(調(diào)度系統(tǒng))進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸通信。其中包括以下幾個(gè)方面的要點(diǎn)：(1)電梯與門禁調(diào)度，物流機(jī)器人需要通過醫(yī)院內(nèi)的電梯完成跨樓層運(yùn)輸任務(wù)，同時(shí)還需要在門禁處實(shí)現(xiàn)跨區(qū)域運(yùn)輸，這整個(gè)過程都需要依賴無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人、電梯、門禁(改造后)以及后臺(tái)服務(wù)器之間的交互協(xié)作；(2)物品裝卸調(diào)度，為了保證物品運(yùn)輸?shù)陌踩?，物流機(jī)器人、PDA(或其他終端)、關(guān)涉人員以及后臺(tái)服務(wù)器之間需要建立起一套無線網(wǎng)絡(luò)連接的認(rèn)證和調(diào)度機(jī)制，主要涉及機(jī)器人呼叫、開箱存放、取貨以及運(yùn)送狀態(tài)信息通知等環(huán)節(jié)；(3)狀態(tài)檢測與自動(dòng)充電，當(dāng)物流機(jī)器人出現(xiàn)故障時(shí)，相關(guān)故障信息會(huì)通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)胶笈_(tái)服務(wù)器，從而為運(yùn)維管理人員提供及時(shí)的維修服務(wù)；(4)集群運(yùn)行調(diào)度，機(jī)器人調(diào)度系統(tǒng)可以根據(jù)獲取到的機(jī)器人信息(狀態(tài)、位置、交通狀況等)，調(diào)度多個(gè)機(jī)器人分別執(zhí)行各自的任務(wù)，解決可能出現(xiàn)的避讓問題和方案優(yōu)化等問題。集群調(diào)度對(duì)網(wǎng)絡(luò)的帶寬、延遲性有較高的需求。

藥品運(yùn)送實(shí)踐及成效分析

1.藥品運(yùn)送流程。機(jī)器人藥品配送工作業(yè)務(wù)流程，見圖2：(1)藥房將指定病區(qū)的藥品進(jìn)行打包裝箱后，PDA 或計(jì)算機(jī)操作機(jī)器人調(diào)度系統(tǒng)呼叫機(jī)器人；(2)機(jī)器人到達(dá)藥房后，藥房打開機(jī)器人箱門存放，經(jīng)掃描箱碼后，操作機(jī)器人觸摸屏確認(rèn)“裝車完成”；(3)機(jī)器人開始按照調(diào)度系統(tǒng)的定位、導(dǎo)航自動(dòng)乘電梯、開門到病區(qū)配送藥品；(4)到達(dá)病區(qū)后，護(hù)士通過工號(hào)牌打開箱門，取出藥箱并使用PDA 掃描簽收；(5)收貨完成后，機(jī)器人自動(dòng)前往下一個(gè)病區(qū)配送，直到配送任務(wù)完成；(6)返回到藥房發(fā)藥處等待，機(jī)器人電量不足的時(shí)候，會(huì)自動(dòng)前往指定地方充電存放。

圖2 藥品運(yùn)送流程

2.實(shí)踐情況。在IPv6 與5G 醫(yī)療專網(wǎng)環(huán)境下，2 臺(tái)物流機(jī)器人在6 個(gè)病區(qū)進(jìn)行了為期1年的藥品運(yùn)輸試用運(yùn)行。根據(jù)后臺(tái)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，機(jī)器人總共出發(fā)2384 次，行駛總距離達(dá)到436.8 公里，承載總重量達(dá)46785 千克，總計(jì)完成了14060 筆運(yùn)單。試用期間，共出現(xiàn)了11 次異常情況，主要原因包括系統(tǒng)本身的故障或人為操作導(dǎo)致機(jī)器人無法正常配送，經(jīng)計(jì)算，異常率約為0.46%單次發(fā)車運(yùn)送中，機(jī)器人均需兼顧3 個(gè)不同病區(qū)站點(diǎn)的貨物，第一個(gè)站點(diǎn)的平均到達(dá)時(shí)間為2 分鐘，同樓層的第二個(gè)站點(diǎn)則為5 分鐘，而對(duì)于非同樓層的第二個(gè)站點(diǎn)，受制于電梯使用情況的影響，平均時(shí)間則為10 分鐘(差異較大)，至于最后一個(gè)站點(diǎn)的平均到達(dá)時(shí)間則為14 分鐘。詳細(xì)信息請參考表1。

表1 機(jī)器人與人工運(yùn)送數(shù)量及時(shí)間

3.成效分析。在運(yùn)行狀況方面，5G 的時(shí)延已經(jīng)達(dá)到了毫秒級(jí)別的程度，覆蓋的盲區(qū)相對(duì)較少。借助于IPv6 協(xié)議本身更高的網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)率、更出色的移動(dòng)支持性以及更好的路由性能，使得機(jī)器人和服務(wù)器之間的通信延遲得到有效降低，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)、高速的通信。

經(jīng)濟(jì)效益方面，機(jī)器人能夠24 小時(shí)不間斷地進(jìn)行物品運(yùn)送，根據(jù)我們對(duì)醫(yī)院6 個(gè)病區(qū)的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)顯示，這將幫助后勤部門節(jié)省超過2 名運(yùn)送崗位的人力資源。同時(shí)，也節(jié)約了護(hù)士對(duì)接物流的時(shí)間，降低了對(duì)接的復(fù)雜度，從而提高了護(hù)理工作的效率。

運(yùn)維管理方面，依靠IPv6 與5G 網(wǎng)絡(luò)和物流機(jī)器人的導(dǎo)航運(yùn)動(dòng)技術(shù)。如果需要調(diào)整運(yùn)行地點(diǎn)和路線，只需遠(yuǎn)程操作一臺(tái)機(jī)器人前往目的地進(jìn)行地圖構(gòu)建、情境學(xué)習(xí)，然后順利完成新路線的設(shè)置。這項(xiàng)措施并無需廠家專業(yè)運(yùn)維人員進(jìn)行定位標(biāo)簽的粘貼或者現(xiàn)場改造、規(guī)劃新線路，進(jìn)一步提升了運(yùn)維管理的靈活性和高效性，同時(shí)降低了運(yùn)維開支。

疫情防控方面，對(duì)隔離病房和發(fā)熱急診的物資運(yùn)送，不僅緩解了醫(yī)務(wù)人員短缺的問題，同時(shí)也在降低院內(nèi)感染風(fēng)險(xiǎn)中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，提升了患者的滿意度。

規(guī)范管理方面，從整個(gè)運(yùn)營過程中觀察，機(jī)器人的運(yùn)送更加規(guī)范化、更有效率以及配送的準(zhǔn)確性更高。在運(yùn)送醫(yī)療物資的過程中，對(duì)其的可追溯性、安全性以及保障性更好，流程管理也更加有條不紊。

網(wǎng)絡(luò)安全方面，后臺(tái)物流機(jī)器人服務(wù)器可與醫(yī)院的HIS、LIS、SPD 進(jìn)行柔性的對(duì)接，醫(yī)院系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中有大量敏感信息，保障用戶數(shù)據(jù)安全尤其重要。后臺(tái)服務(wù)器支持使用IPv6，用戶可以對(duì)網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密并對(duì)IP 報(bào)文進(jìn)行校驗(yàn)，極大地增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)的安全性，有效防止了黑客破解、控制機(jī)器人、偷盜機(jī)器人所運(yùn)送物資等可能發(fā)生的情況。對(duì)于對(duì)安全性有極高要求的醫(yī)院來說，具有重大的價(jià)值。

討論

1.物流機(jī)器人方案選擇。現(xiàn)有的可替代人工運(yùn)輸?shù)臋C(jī)械物流解決方案，如軌道小車、箱式物流系統(tǒng)、垂直井物流傳輸系統(tǒng)及氣動(dòng)物流傳輸系統(tǒng)，這些解決方案有著共同的缺點(diǎn)：建設(shè)成本高，必須在建筑規(guī)劃階段納入考慮范圍，且載重量較低[4]。而智能移動(dòng)機(jī)器人則既可以滿足傳統(tǒng)軌道物流與中型物流物品的傳輸要求，亦可實(shí)現(xiàn)解決軌道和箱式的載重與安裝維護(hù)問題，且改造成本相對(duì)較低，無需對(duì)建筑本體進(jìn)行施工，從而節(jié)省了工期與成本[8]。然而，智能機(jī)器人亦存在問題，在人流密集的通道運(yùn)行時(shí)，需要進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，且其速度略顯緩慢，尚待進(jìn)一步探討解決。

2.網(wǎng)絡(luò)安全風(fēng)險(xiǎn)。設(shè)計(jì)上，IPv6 協(xié)議比IPv4 協(xié)議在保密性、完整性等方面有顯著改進(jìn)，擁有不可替代的優(yōu)勢特征，然而，新技術(shù)在應(yīng)用推廣階段必將面臨諸多安全風(fēng)險(xiǎn)，因此需持續(xù)完善解決方案。目前，IPv6 相關(guān)技術(shù)正逐步普及與成熟，環(huán)境中的服務(wù)與應(yīng)用顯著增多，但I(xiàn)Pv6 的大部分設(shè)計(jì)和應(yīng)用并未經(jīng)過時(shí)間、規(guī)模方面的考驗(yàn)，仍存在安全隱患，而且由于IPv6 具有的某些新特性也將不可避免地引入部分特有的安全風(fēng)險(xiǎn)[9]。

3.助推醫(yī)院物流精細(xì)化管理。提升物流配送服務(wù)水平與質(zhì)量不僅關(guān)乎醫(yī)院后勤高效管理，更涉及臨床醫(yī)療工作效率，乃至醫(yī)院提供優(yōu)質(zhì)的醫(yī)療服務(wù)。而醫(yī)院物流精細(xì)化管理需要信息化手段推動(dòng)的智慧醫(yī)院建設(shè)，尤其需要新一代信息技術(shù)的持續(xù)融入與演化。IPv6、5G 等新興技術(shù)所構(gòu)建的新型網(wǎng)絡(luò)正是智慧醫(yī)院的基礎(chǔ)設(shè)施，也是智能物流機(jī)器人等現(xiàn)代化特色化應(yīng)用的重要保障，將在智慧醫(yī)院建設(shè)的各個(gè)層面、各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮作用，以此助力醫(yī)院物流的精細(xì)化管理。

展望

隨著大規(guī)模接入的集群式智能機(jī)器人陸續(xù)到來，機(jī)器人邊緣端將日益簡化，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與處理、定位導(dǎo)航、路徑規(guī)劃等運(yùn)算能力將從單個(gè)機(jī)器人個(gè)體轉(zhuǎn)移至云端(調(diào)度中心)，使得機(jī)器人個(gè)體硬件成本下降，從而提升了機(jī)器人的智能性與可迭代性[6]。IPv6 與5G 無線網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)Υ笠?guī)模接入、集群調(diào)度和智能運(yùn)維提供強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)支持，在云端與機(jī)器人之間建立可靠、安全的連接，充分發(fā)揮調(diào)度系統(tǒng)的運(yùn)算處理和調(diào)度能力，使得機(jī)器人邊緣端簡潔化、低成本化成為可能，解決了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)大范圍改造的高成本和復(fù)雜度問題，減少對(duì)醫(yī)院原有設(shè)施結(jié)構(gòu)的影響，驗(yàn)證過的機(jī)器人物流效果將得以數(shù)倍提升。未來，應(yīng)用的規(guī)?；瘜⑹沟梦锪鳈C(jī)器人可以跨領(lǐng)域綜合承擔(dān)導(dǎo)診、巡檢、保潔、消毒、護(hù)理、急救、宣教等多項(xiàng)任務(wù)，人工智能的潛力與經(jīng)濟(jì)價(jià)值也將被釋放。