基于物聯(lián)網(wǎng)的醫(yī)療機(jī)構(gòu)UPS智能監(jiān)控及安全管理策略

張鞠成，張杰，陳長駿，黃天海，褚永華，王志康

浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第二醫(yī)院 臨床醫(yī)學(xué)工程部，浙江 杭州 310009

引言

由于氣候變化，自然災(zāi)害發(fā)生的數(shù)量和規(guī)模不斷擴(kuò)大，停電是自然災(zāi)害的常見后果。1990年以來，自然災(zāi)害每年影響了大約2.17億人[1-2]。衛(wèi)生設(shè)施是自然災(zāi)害中的主要救濟(jì)需求之一，醫(yī)療機(jī)構(gòu)依靠持續(xù)、不間斷的電力來運(yùn)行設(shè)備，以挽救生命并保護(hù)重要的電子數(shù)據(jù)。可靠、恒定的電力對(duì)現(xiàn)代醫(yī)療保健設(shè)施的運(yùn)營至關(guān)重要[3]，即使是短暫的電源中斷也可能對(duì)正在接受手術(shù)的患者或重癥監(jiān)護(hù)患者有害。然而我國的公共供電網(wǎng)絡(luò)存在電壓不穩(wěn)定、頻率偏移、浪涌等情況，如何保障醫(yī)療機(jī)構(gòu)穩(wěn)定、安全的供電已成為一個(gè)不容忽視的問題[4-7]。醫(yī)院手術(shù)室、監(jiān)護(hù)室、信息中心等重點(diǎn)區(qū)域需要安裝不間斷電源系統(tǒng)（Uninterruptible Power System，UPS），為數(shù)據(jù)中心、通信系統(tǒng)和急救、生命支持類醫(yī)療設(shè)備等敏感負(fù)載提供清潔、經(jīng)調(diào)節(jié)和不間斷的電源[8]。

根據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的不同，UPS系統(tǒng)可分為離線式UPS、在線交互式UPS和在線UPS系統(tǒng)。Aamir等[4]全面綜述了不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)UPS的電路系統(tǒng)和控制技術(shù)，使用單位在UPS系統(tǒng)選型時(shí)需要考慮電網(wǎng)環(huán)境、額定功率、體積大小和備用時(shí)間等不同方面。隨著大型三甲醫(yī)院規(guī)模逐漸擴(kuò)大，醫(yī)院使用UPS數(shù)量越來越多，品牌、型號(hào)、容量等也不盡相同，UPS使用科室往往不重視UPS的日常管理，造成UPS壽命縮短，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致火災(zāi)等安全事故，進(jìn)而導(dǎo)致醫(yī)療設(shè)備或信息系統(tǒng)故障，嚴(yán)重影響醫(yī)院社會(huì)聲譽(yù)[9]。例如，意大利那不勒斯Federico II大學(xué)醫(yī)院重癥監(jiān)護(hù)室的UPS故障引起火災(zāi)，導(dǎo)致9名患者緊急轉(zhuǎn)移或轉(zhuǎn)院[10]。目前，重癥監(jiān)護(hù)室和手術(shù)室消防安全和緊急疏散演練中并未考慮UPS起火相應(yīng)的緊急處理策略，需要加強(qiáng)UPS的監(jiān)管，以降低相關(guān)安全風(fēng)險(xiǎn)[11-12]。

當(dāng)前UPS的日常檢查目前主要通過人工巡檢，本單位巡檢發(fā)現(xiàn)的主要問題是：① ICU的UPS主機(jī)灰塵多，安裝環(huán)境不符合溫濕度要求，UPS機(jī)房與水冷機(jī)房同在一個(gè)房間，存在消防安全隱患；② 手術(shù)室UPS主機(jī)有報(bào)警未處理，地下二樓的UPS電池處于無人監(jiān)管狀態(tài)。人工巡檢需要耗費(fèi)大量的人力資源，管理效率較低，且難以判斷每個(gè)蓄電池的工作狀態(tài)是否正常，非工作時(shí)間UPS系統(tǒng)在無人監(jiān)管的情況下存在較大風(fēng)險(xiǎn)隱患[13]。本文介紹UPS安全使用管理制度的制定和實(shí)施，通過研發(fā)一套基于物聯(lián)網(wǎng)的UPS實(shí)時(shí)在線監(jiān)測管理系統(tǒng)，以提高UPS系統(tǒng)巡檢合格率，并實(shí)現(xiàn)UPS系統(tǒng)故障的早期預(yù)警。

1 制定并實(shí)施UPS安全使用管理制度

浙大二院3個(gè)院區(qū)的UPS分散在手術(shù)室、ICU、IT中心、消控中心和檢驗(yàn)科等多個(gè)科室，品牌、型號(hào)、容量等不盡相同，且部分UPS處于使用科室無人日常監(jiān)管狀態(tài)，如城東院區(qū)手術(shù)室的UPS主機(jī)在手術(shù)室內(nèi)部，而電池在地下二樓，對(duì)UPS的日常管理和定期維護(hù)造成較大挑戰(zhàn)。

針對(duì)UPS管理權(quán)責(zé)不明確、消防安全隱患大的問題，浙大二院2019年發(fā)布了院級(jí)《不間斷電源安全使用管理制度》，規(guī)定：使用部門設(shè)定專職或兼職管理人員負(fù)責(zé)UPS日常使用管理，臨床醫(yī)學(xué)工程部負(fù)責(zé)UPS的采購、安裝、培訓(xùn)、驗(yàn)收、維修和保養(yǎng)檢測，保衛(wèi)科負(fù)責(zé)UPS安裝區(qū)域消防設(shè)施管理和定期消防安全巡查，各部門工作職責(zé)如圖1所示。

圖1 UPS管理中各部門工作職責(zé)

2 設(shè)計(jì)和實(shí)施基于物聯(lián)網(wǎng)的UPS實(shí)時(shí)在線監(jiān)測管理系統(tǒng)

由于缺乏UPS在線監(jiān)測系統(tǒng)，管理人員無法實(shí)時(shí)掌握UPS使用狀態(tài)，故障解決響應(yīng)速度較慢。針對(duì)上述問題，本研究設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)的UPS實(shí)時(shí)在線監(jiān)測管理系統(tǒng)，將3個(gè)院區(qū)獨(dú)立分散的、不同類型的UPS統(tǒng)一納入集中監(jiān)測管理，實(shí)時(shí)監(jiān)測所有蓄電池運(yùn)行狀態(tài)和環(huán)境溫度、電池電壓、內(nèi)阻等信息。

2.1 基于物聯(lián)網(wǎng)的UPS實(shí)時(shí)在線監(jiān)測管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如圖2所示，基于物聯(lián)網(wǎng)的UPS實(shí)時(shí)在線監(jiān)測管理系統(tǒng)硬件由TA模塊、TC模塊和采集模塊組成，TA模塊與每節(jié)蓄電池連接，監(jiān)測蓄電池的電壓、內(nèi)阻和溫度；TC模塊監(jiān)測蓄電池組的環(huán)境溫度和充放電電流；采集模塊讀取所有TA模塊和TC模塊的數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理后上傳至服務(wù)器。UPS實(shí)時(shí)在線監(jiān)測管理系統(tǒng)軟件由數(shù)據(jù)庫、服務(wù)器和客戶端組成，客戶端軟件采用B/S構(gòu)架，通過客戶端軟件訪問服務(wù)器IP地址即可查詢監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用SQL-SERVER來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，并通過數(shù)據(jù)波動(dòng)保存技術(shù)，剔除無用的歷史數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)的有效性。

圖2 基于物聯(lián)網(wǎng)的UPS實(shí)時(shí)在線監(jiān)測管理系統(tǒng)框圖

基于物聯(lián)網(wǎng)的UPS實(shí)時(shí)在線監(jiān)測管理系統(tǒng)主要功能如下：

（1）UPS統(tǒng)一管理、實(shí)時(shí)監(jiān)控：監(jiān)控系統(tǒng)可分組管理分布在不同區(qū)域的UPS，將所有的UPS信息統(tǒng)一收集起來，管理人員可以在電腦前隨時(shí)查看任一UPS系統(tǒng)當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)，UPS系統(tǒng)整體的電流、環(huán)境溫度以及精確到每節(jié)蓄電池的電壓、內(nèi)阻和溫度均可實(shí)時(shí)查看，可以有效解決UPS中各個(gè)蓄電池的狀態(tài)較難檢查的問題，也為專業(yè)維護(hù)提供了準(zhǔn)確依據(jù)。例如當(dāng)觀察到UPS內(nèi)部蓄電池溫度高于環(huán)境溫度時(shí)，可以猜測UPS內(nèi)部散熱存在問題，并針對(duì)該問題做出相關(guān)的檢查維護(hù)工作。

（2）監(jiān)控歷史數(shù)據(jù)查詢：監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫可以存儲(chǔ)蓄電池近1年內(nèi)的所有歷史數(shù)據(jù)，并以圖表的形式展現(xiàn)出來，方便管理人員了解蓄電池的狀態(tài)變化，為維修和維護(hù)提供有效的數(shù)據(jù)支撐。

（3）監(jiān)控異常報(bào)警：可以根據(jù)不同類型的蓄電池，設(shè)置合適的電壓范圍、內(nèi)阻范圍和溫度范圍，當(dāng)有蓄電池的任一參數(shù)超出指標(biāo)時(shí)均可觸發(fā)平臺(tái)報(bào)警，同時(shí)也會(huì)通過短信通知管理人員。通過實(shí)時(shí)報(bào)警功能，管理人員可以在UPS出現(xiàn)故障時(shí)第一時(shí)間知曉，并根據(jù)平臺(tái)上或短信的報(bào)警內(nèi)容了解到故障原因，方便管理人員快速定位故障和制定相應(yīng)的解決辦法，可以有效地縮短UPS系統(tǒng)的故障處理時(shí)間，保障醫(yī)院供電安全。

2.2 基于物聯(lián)網(wǎng)的UPS實(shí)時(shí)在線監(jiān)測管理系統(tǒng)實(shí)施

2019年至2021年，浙大二院3個(gè)院區(qū)分批安裝了UPS實(shí)時(shí)在線監(jiān)測管理系統(tǒng)，根據(jù)《不間斷電源安全使用管理制度》要求，UPS使用環(huán)境要求清潔、少塵、干燥，電池使用溫度不超過10～30℃，因此針對(duì)現(xiàn)場巡查發(fā)現(xiàn)的問題，各職能科室做專項(xiàng)整改，主要包括：后勤管理科對(duì)不符合溫濕度要求的機(jī)房安裝空調(diào)，基建科對(duì)存在消防隱患的UPS進(jìn)行移機(jī)，臨床醫(yī)學(xué)工程部組織對(duì)重點(diǎn)區(qū)域無人值守的大型UPS加裝監(jiān)控系統(tǒng)、除塵、充放電測試、開展《不間斷電源安全使用管理制度》宣貫和日常管理培訓(xùn)等。

3 UPS日常管理

3.1 臨床醫(yī)學(xué)工程部每月巡檢

臨床醫(yī)學(xué)工程部每月對(duì)UPS進(jìn)行巡檢，現(xiàn)場巡檢之前通過客戶端軟件或IP地址訪問UPS線上管理平臺(tái)（圖3），環(huán)境溫度和每一節(jié)電池的電壓、內(nèi)阻和溫度可以實(shí)時(shí)顯示，也可查詢每一組電池的監(jiān)控歷史數(shù)據(jù)，對(duì)于監(jiān)控有問題的UPS現(xiàn)場重點(diǎn)巡查。現(xiàn)場具體巡檢內(nèi)容如表1所示，共10個(gè)巡檢項(xiàng)目，包括檢查主機(jī)和電池的使用環(huán)境、外觀及工作狀態(tài)，并與使用科室進(jìn)行交流等。

圖3 UPS實(shí)時(shí)在線監(jiān)測管理系統(tǒng)軟件界面

表1 臨床醫(yī)學(xué)工程部UPS每月巡檢項(xiàng)目

3.2 維保單位定期檢測和保養(yǎng)

除了臨床醫(yī)學(xué)工程部的每月巡檢，需要專業(yè)人員定期對(duì)UPS進(jìn)行性能檢測和全面保養(yǎng)，見表2。UPS內(nèi)部除塵可以改善UPS內(nèi)部的散熱，延長UPS使用壽命和降低因散熱導(dǎo)致的故障，充放電測試可以排查蓄電池的工作狀態(tài)和容量是否滿足使用需求，對(duì)于不滿足使用要求的蓄電池，需要更換電池以保證UPS整體性能。

表2 維保單位定期檢測和保養(yǎng)內(nèi)容

4 實(shí)施效果

4.1 提高UPS巡檢合格率

利用IBM SPSS 24.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，均數(shù)間比較采用t檢驗(yàn)，以P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。以各科室進(jìn)行專項(xiàng)整改為時(shí)間節(jié)點(diǎn)，將2020年11月至2021年5月間改進(jìn)前的UPS巡檢合格率與2021年6月至12月間改進(jìn)后的該指標(biāo)進(jìn)行前后對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)，在專項(xiàng)改進(jìn)后，UPS巡檢合格率均提高至100%。由此可見，此次專項(xiàng)整改對(duì)于UPS巡檢合格率具有明顯的提高，且差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05），見表3。

表3 UPS專項(xiàng)改進(jìn)前后巡檢合格率對(duì)比（%）

4.2 UPS故障早期預(yù)警

UPS實(shí)時(shí)在線監(jiān)測管理系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測總電壓、總電流、單體電池電壓、單體電池內(nèi)阻、單體電池負(fù)極溫度、環(huán)境溫度等，任何參數(shù)超出閥值后自動(dòng)告警。監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)場具備本地聲光告警，告警發(fā)生時(shí)，紅色告警燈點(diǎn)亮，告警蜂鳴器啟動(dòng)。如圖4所示，UPS管理工程師收到短信提醒，IT中心機(jī)房一組29節(jié)電池內(nèi)阻均超過10 mΩ，需要重點(diǎn)關(guān)注并盡早更換電池。

圖4 UPS監(jiān)控系統(tǒng)提示電池內(nèi)阻超范圍報(bào)警

5 討論

本研究設(shè)計(jì)開發(fā)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的醫(yī)療機(jī)構(gòu)UPS智能監(jiān)控系統(tǒng)，通過采集每一節(jié)蓄電池的溫度、電壓和內(nèi)阻等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了UPS的統(tǒng)一集中管理、蓄電池狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測、異常報(bào)警和歷史數(shù)據(jù)查詢等功能。UPS實(shí)時(shí)在線監(jiān)測管理系統(tǒng)的實(shí)施可以提高巡檢效率，縮短故障報(bào)警時(shí)間，同時(shí)在出現(xiàn)故障時(shí)，為維修人員提供較為直觀的判斷依據(jù)，縮短故障時(shí)間。

UPS在醫(yī)療機(jī)構(gòu)中布局分散，各部門自行管理存在很大的隱患，以往的研究多是加強(qiáng)巡查，甚至建立定期巡查制度，沒有形成全院級(jí)別的管理制度[13]。本研究通過制定院級(jí)《不間斷電源安全使用管理制度》，明確使用科室、臨床醫(yī)學(xué)工程部、保衛(wèi)科和維保單位的權(quán)責(zé)，以及定期巡檢和維護(hù)保養(yǎng)的頻率、具體項(xiàng)目，管理覆蓋面更廣、可操作性更強(qiáng)。嚴(yán)浩等[14]對(duì)醫(yī)院UPS進(jìn)行了安裝環(huán)境、輸入輸出電壓檢測、電池自檢等12個(gè)指標(biāo)的全面巡檢，合格率為66.7%，不合格問題主要是：安裝環(huán)境問題、灰塵大和處于旁路模式等。嚴(yán)浩等[14]建議使用年限3～6年的UPS巡檢周期每月一次，使用年限超過6年的UPS巡檢周期為兩周一次，由于缺乏基于物聯(lián)網(wǎng)的UPS監(jiān)控管理系統(tǒng)，該研究中臨床工程師需要到現(xiàn)場巡查才能發(fā)現(xiàn)UPS故障，相關(guān)問題處理相對(duì)滯后。劉曉霞[15]提出了一種實(shí)時(shí)在線UPS監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了可靠性分析建模，該研究尚停留在理論研究層面，沒有實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行系統(tǒng)驗(yàn)證，缺少配套使用的軟件系統(tǒng)，沒有故障報(bào)警功能。高士臣等[16]提出的UPS監(jiān)控系統(tǒng)與此類似，僅是提出了一種UPS監(jiān)控系統(tǒng)概念，沒有實(shí)施實(shí)例佐證系統(tǒng)的可靠性。

本研究提出的基于物聯(lián)網(wǎng)的醫(yī)療機(jī)構(gòu)UPS智能監(jiān)控系統(tǒng)可以提高UPS管理效率，降低巡檢工作量，但是對(duì)于UPS故障的處理仍比較被動(dòng)，只能在問題出現(xiàn)后去處理，還無法對(duì)蓄電池的故障做出預(yù)測。蓄電池的定期充放電維護(hù)需要在現(xiàn)場手動(dòng)進(jìn)行，還無法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制充放電維護(hù)。此外，目前UPS監(jiān)控系統(tǒng)是單獨(dú)的一套系統(tǒng)，將來可以集成到醫(yī)療設(shè)備管理信息系統(tǒng)中，方便統(tǒng)一管理。未來可以充分利用蓄電池的歷史監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)和充放電數(shù)據(jù)，通過機(jī)器學(xué)習(xí)算法建立蓄電池容量和使用壽命預(yù)測的數(shù)學(xué)模型，在蓄電池即將產(chǎn)生故障時(shí)提醒管理人員對(duì)蓄電池進(jìn)行更換，有效地降低UPS的故障率，減少UPS故障引起的不良事件[17-19]。

6 總結(jié)

本研究通過制定并全面實(shí)施《不間斷電源安全使用管理制度》，研發(fā)和實(shí)施基于物聯(lián)網(wǎng)的醫(yī)療機(jī)構(gòu)UPS智能監(jiān)控管理系統(tǒng)，將醫(yī)院中各個(gè)“孤島式”的UPS統(tǒng)一集中管理，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控每節(jié)蓄電池的工作狀態(tài)，提高了UPS的巡檢效率，系統(tǒng)的短信報(bào)警功能也可以迅速通知管理人員處理，降低故障解決時(shí)間。