藥房快速發藥系統中的上藥管理與控制研究

梁晨艷，高 芳

（航天科技集團九院16所機器人事業部，西安710100）

藥房快速發藥系統中的上藥管理與控制研究

梁晨艷，高 芳

（航天科技集團九院16所機器人事業部，西安710100）

隨著社會的進步以及醫療行業的發展，藥品種類越來越多，醫院規模也在不斷擴建，醫院藥房藥品的補充及取藥問題尤為突出，目前傳統的藥房工作效率低，工作人員勞動強度大，補藥與取藥供需不平衡導致患者等待時間長。基于.net平臺，采用C#語言以最優的路徑實現了自動化藥房快速發藥系統自動和手動藥品的補充。這一研究利用自動化設備代替藥房工作人員完成藥品的補充及發藥，縮短患者取藥等待時間，并且方便藥品的管理，這對提高醫院藥房工作效率及自動化程度具有一定的參考價值。

快速發藥；自動化程度；最優路徑

0　引言

當今社會科學技術不斷發展，特別是自動化控制技術和計算機技術已深入到各個領域，尤其在醫學領域中應用廣泛［1］。隨著醫院藥品種類和數量的不斷增加面臨的發藥時間長、發藥準確性下降等問題日益突出，如何有效管理、降低管理成本、快速進行藥房藥品的補充及減少發放藥品的差錯率、減輕工作強度是當前醫院藥房亟待解決的難題。

自動化藥房在全球很多比較發達的國家應用的比較普遍，已經成為國際上在藥品商店零售領域內一項應用較為成熟的技術。此項技術通過人工智能和機械傳輸手段，可以很大程度上提高藥品在零售終端儲運的效率，減少藥品的差錯率，并且節約寶貴的藥店營業面積，從而帶來藥店經營方式的轉變和運營模式的升級［2］。與傳統的藥房比較，自動化藥房具有省時準確等特點，從醫院角度來看，自動化藥房不僅可以提高經濟效益，更重要的是可以革新服務理念和服務模式［3］。目前自動化藥房理念已被越來越多的醫院管理者及藥房管理者所接受，也已深入到實際的應用中，在一些三甲醫院中，幾乎都用到。自動化藥房快速發藥設備改變了傳統藥房管理人員的工作方式，提高了工作效率，使病人取藥的時間得以縮短，醫院更加人性化。

本文為了改善目前醫院人工的上藥方式，減少藥師的勞動強度，通過設計快速發藥系統中的自動與手動上藥方式、PLC控制系統，設計上位管理軟件與伺服控制器的通信，從而控制電機、IO點、電磁鐵等動作，完成藥品的出藥、上藥等，同時提供給用戶直觀的操作界面和必要的功能。

1　上藥系統構成及工作原理

快速發藥上藥部分是通過機械手完成藥品的補充，整個上藥部分由藥柜、機械手、上藥平臺、掃描槍、PC機、上藥控制系統組成。共有兩個藥柜，每一個藥柜有8層，每層有22～31列不等（列數為可變，可根據藥盒寬度來調整列寬），每列平均放置10個藥盒。上藥機械手位于藥柜后方，在自動上藥時根據補藥單里的缺藥種類，操作人員掃描待補藥品的藥品條碼，藥品信息出現在自動上藥界面，操作者人工將藥品放置到上藥平臺左出藥口或者右出藥口，或者左右出藥口同時放藥，操作人要點擊上藥指令，上藥夾板將藥品加緊，機械手通過X水平軸與Y垂直軸的相互動作，走到藥品的相應儲位，撥藥機構動作將藥品撥入藥槽相應位置，撥藥機構依次將藥品撥入，直到補藥結束或者藥品不夠時，機械手回到人工上藥位并停止動作。系統組成如圖1所示。

圖1　上藥系統組成圖Fig.1 Diagram of prescription system

2　上藥管理軟件設計

上藥管理模塊主要負責進行人工或者自動上藥，完成藥品的補充工作。上藥軟件分為自動上藥和手動上藥兩部分，整個軟件能夠進行自動上藥與手動上藥界面的切換，能夠按照藥品編碼進行藥品所在的儲位、缺藥量、規格等情況查詢功能，可進行一種或兩種藥品的同時上藥，具有操作人員和圖形化的儲位顯示功能，同時具有手動上藥提示指示燈功能。

2.1人工上藥

人工上藥時首先進入圖形化的儲位顯示界面，在此界面當藥品缺藥量低于設定的藥品下限時，該儲位顯示紅色，正常為藍色，藥品滿時顯示黃色。點擊缺藥的儲位即可進入人工上藥界面，在圖形化的儲位顯示界面可一次選擇一個也可選擇兩個或者三個儲位同時上藥，選擇后進入到人工上藥界面，輸入要上藥的藥品數量，核對藥品信息，信息無誤后點擊確定。通過上位軟件與PLC的通信，所上藥品的儲位指示燈進行閃爍，同時該藥品所在層的PU圓帶轉動，人工將藥品放入所在的層，再由PU圓帶將藥品輸送到儲位。在上藥部分對于PLC反饋的信息是通過線程實時的讀取更新，當收到線程反饋的數據時更新數據庫里的藥品數量。

2.2自動上藥

自動上藥主要是利用機械手完成藥品的補充，操作人員根據補藥單，掃描要上的藥品條碼，上藥界面顯示要上的藥品數據，根據界面顯示將藥品放入相應的上藥平臺，然后點擊開始命令。將藥品的數量、藥盒寬度、藥品儲位及各儲位的缺藥量及相對于人工上藥位的水平與垂直方向位置坐標（X，Y）發送與PLC，PLC根據得到的數據，控制機械手運動到相應的槽位。將放藥臺上的藥品上完或者所有藥槽上滿后機械手回到人工上藥位。PLC端將各個儲位的上藥數量、機械手號、任務完成信號反饋給上藥軟件，根據反饋在任務完成線程里實時地進行數據更新。

自動上藥中可以只上一種藥也可以同時上兩種藥，當兩種藥品同時上藥時先動作機械手1運動到左出藥口進行藥品的補充，直到左邊上完然后動作機械手2到第二種藥品所在的儲位進行上藥，然后回到人工上藥位。當只上一種藥品時，控制相應藥品所在機械手進行動作，完成藥品的補充，然后回到人工上藥位。機械手的選擇是通過計算行程范圍算出各自機械手的上藥范圍，然后將數據庫里的storetable庫存表里的字段ghstate根據各個機械手能到達的行程范圍進行標記，只能1號機械手上的儲位的ghstate字段標記為1，只能2號機械手上的儲位的ghstate字段標記為2，1 和2號機械手都能進行上藥的標記為3，這樣就可以完成機械手的選擇了。

3　上藥模塊控制系統設計

上藥部分控制系統主要是通過通信接收上位發送來的藥品信息，同時按照藥品的儲位進行路徑規劃，控制機械手的各個軸動作，以最短的路徑完成儲位的藥品補充。當藥品補充完成后反饋給上位軟件相應的藥品數據，進行數據庫表數據的更新。

3.1上藥控制系統流程

整個上藥部分的控制系統采用貝加萊公司的X20系列PLC作為控制器，貝加萊X20系列PLC具有高速的指令處理能力、浮點數運算能力，還具有方便用戶的參數賦值，人機界面、診斷、口令保護等功能，兼容大部分主流現場總線，適合各種工業控制領域［6］。上藥部分控制系統采用X20CP1583 PLC控制4個伺服電機和3個步進電機，控制水平軸、垂直軸，撥藥機構，擋板，加藥機構，變頻器、電磁鐵、對射開關［7］。

上位軟件將上藥的藥品信息發送給PLC，PLC控制上藥機構夾板加緊藥品，檢驗上藥參數是否合理。藥品參數合理的話判斷上藥位1是否需要動作，否的話，判斷上藥位2是否需要動作，需要動作的話進行上藥路徑規劃。上藥機械手開始運動到1號上藥位的儲位，同時該儲位所在層的電磁離合器吸合，1號上藥機構夾板松開一定距離后撥藥，1號對射開關有信號后夾板推進一定距離，進行上藥。上藥未完成的話繼續之前操作，上藥完成的話接著判斷2號位是否上藥，不需要上藥的話1號儲位的該行電磁離合器松開，PLC反饋任務完成信號及機械手號、上藥數量，機械手返回原點，擋板歸零，夾板歸零；2號位需要上藥的話判斷2號位的上藥參數是否合理，合理進行上藥儲位路徑規劃，然后判斷2號儲位是否和1號儲位在一行，不在一行的話2號位的該行電磁離合器吸合，1號位的該行電磁離合器松開，在同一行的話上藥機械手開始運動到2號位，調整2號擋板距離，2號上藥位夾板松一定距離后撥藥，2號對射開關有信號后夾板推進一定距離，判斷2號上藥是否完成，未完成進行之前操作，完成的話2號儲位的該行電磁離合器松開，PLC反饋任務完成信號及機械手號、上藥數量，機械手返回原點，擋板歸零，夾板歸零。上藥控制工作做流程如圖2所示。

3.2上藥控制系統路徑規劃

上藥控制系統在接收到上位發送的藥品的儲位后，控制機械手運動到藥品所在儲位，直到將放藥臺上的藥品都上完，或者是將所有缺藥儲位都上滿，才回到人工上藥位。這一過程需要進行儲位路徑的規劃，以最短的時間與最近的距離，完成各儲位間的藥品補充，從而提高整個機構的上藥速度。

目前對于最短路徑的研究有多種算法，比較知名的有弗洛伊德算法和迪杰斯特拉算法，迪杰斯特拉算法是目前最好的算法，又叫狄克斯特拉算法，是從一個頂點到其余各頂點的最短路徑算法，解決的是有向圖中最短路徑問題。迪杰斯特拉算法主要特點是以起始點為中心向外層層擴展，直到擴展到終點為止。

假設現在有N個儲位，儲位的分布情況如圖3所示，借助迪杰斯特拉算法的思想，以人工上藥位作為零點（起點），以兩個儲位點之間的距離作為權值，同時考慮每個儲位的缺藥量與上藥平臺所放的藥品數量，這樣就構成了一個帶權圖G［8］。但其又不同于傳統帶權有向圖，其每個儲位之間都存在弧，通過各儲位的坐標點的X和Y值（X和Y的值來自上位機軟件），先算出離零點最近的儲位進行上藥，然后再以該儲位作為起始點，通過計算此點與其他儲位點之間的距離，比較出離其最短距離的儲位，作為下個起點，依次方法尋找下個儲位，直到遍歷完所有結點。首先將儲位集合V分成兩組，S為已求出的儲位的集合（初始時只含有起始點V）S=｛V0｝ ，T=V-S為其余頂點的集合，初始時T的儲位集合為T=｛V1，V2，…，Vj｝，D［ j］為兩點之間的距離，M［ i］為每個儲位的缺藥量，在接收到儲位時PLC默認以缺藥量的多少作為接收順序，整個上藥控制系統采用結構文本（ST）編程語言編寫，設計算法如下［9-10］：

圖2　控制系統流程圖Fig.2 Flow chart of control system

1）以人工上藥位V0為上藥起始點。

2）比較T集合中的儲位與人工上藥位V0之間的距離，人工上藥位坐標值為（0，0），通過計算每個儲位的坐標點與V0的距離，計算方法D［ j］=計算出來的路徑最短的儲位為Vj，則將該儲位加入集合S=｛V0，Vj｝，同時在T集合里刪除該儲位，此時T= ｛V1，V2，…，Vj-1｝。然后機械手走到位置Vj，開始上藥，PLC端對所上藥品計數，當上藥臺上藥品在該儲位上完，則機械手回到人工上藥位；上藥平臺上還有藥品時走下一個離Vj最近的儲位。

3）當路徑相同時，選擇缺藥量最大的作為新的起點。

4）以Vj作為起始點，比較T集合中剩余的各個儲位與人工上藥位之間的距離，選出新的儲位，重復步驟2。

5）依次遍歷完T集合里所有的點。

6）最終的集合S=｛V0，V1，V2，…，Vj｝，T=｛φ｝。

圖3　上藥儲位分布圖Fig.3 Distribution chart of storing medicine

4　上藥模塊軟件與控制系統通信設計

上位軟件與控制系統采用Modbus TCP/IP進行網絡通信，網絡通信一般采用socket通信，應用程序通過調用系統提供的socket庫函數來實現通信［11］。在系統中上藥、出藥、盤點都要調用通信函數，由于各模塊的不停地調用通信函數，為保證在各自模塊操作時不干擾其他模塊的通信，將通信函數寫為線程，寫在主界面里［12］。上位軟件與PLC的通信是將數據寫入PLC端的寄存器地址中，在PLC端定義 AIN［700］與AOUT［400］地址空間，分別進行與上位的讀寫操作，將PLC 段0～200的地址空間給上藥部分，這部分用到的函數主要有：

private void btnWriteMultipleReg_Click（int［］arr_write，int StartAddress，int part）

寫多個寄存器，int［］arr_write，為定義的寫數據區域，這里將寫區域定義為700，int StartAddress，為寫區域的開始地址，int part為這段寫區域的長度，在這里讀和寫的每一段區域的長度為100。

private void btnReadMultipleReg_Click（int［］arr_ read，int StartAddress_read，int part_read）

寫多個寄存器，int［］arr_write，為定義的寫數據區域，這里將寫區域定義為700，int StartAddress，為寫區域的開始地址，int part為這段寫區域的長度。

public byte［］ReadInputRegister（int id，int startAddress，byte numInputs）

讀輸入寄存器，使用該功能碼讀取連續輸入寄存器，int startAddress，為讀取的開始地址，byte numInputs為讀取的長度。

public void WriteMultipleRegister（int id，int startAddress，int numRegs，byte［］values）

寫多個寄存器函數，使用該功能碼寫連續寄存器塊，int startAddress，為寄存器快開始的地址，int numRegs，為要寫塊的長度，byte［］values為要寫的數據。

GetData_read（int［］arr_read，int part，byte［］readdata）

讀取數據，int［］arr_read，為讀取的數據長度，int part為讀取的區域，byte［］readdata為讀取的數據。

5　結論

本文以自動化藥房系統中的快速發藥設備為研究對象，基于.net平臺，采用C#語言通過對快速發藥設備中的上藥系統構成及工作原理、上藥流程、上藥機械手控制運動及上藥路徑規劃等的研究，以最優的路徑實現了自動化藥房快速發藥系統自動和手動藥品的補充。該研究可以及時準確地完成藥品的補充及發藥，縮短患者取藥等待時間，并且方便藥品的管理，隨著醫院自動化程度的提高及越來越多的大小型醫院都在引進自動化設備，這一研究為后續自動化藥房的推廣及研究提供了新思路。

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The Prescription Management and Control System Research of Pharmacy Rapid Drugs Delivery System

LIANG Chen-yan，GAO Fang
（The 16thInstitute，China Aerospace Science and Technology Corporation，Xi'an 710100）

With the development of society and medical industry.A lot of problems in medical industry are gradually revealed，such as：increasing drug category and expanding hospital scale.Especially in drugs replenishing and receiving in traditional hospital pharmacy，the low work efficiency of the pharmacy and unbalance between drugs replenishing and receiving cause high strength for staffs and long waiting time for patients.This article based on.Net platform，using C#language，through optimal path algorithm，to achieve a rapid drugs delivery system that could replenish and delivery drugs both automatically and manually.This study use automation equipment instead of pharmacy staffs to replenish and delivery drugs，shorten waiting time for patients to receiving their medicines，and facilitate the drugs management，this has a certain reference value to improve the hospital pharmacy work efficiency and automation degree.

rapid drugs delivery；automation degree；optimal path

TP273.5

A

1674-5558（2016）01-01205

10.3969/j.issn.1674-5558.2016.04.006

2015-10-12

梁晨艷，女，工程師，研究方向為計算機應用及自動化控制。