數字孿生和AI 賦能下的醫院智慧院區

文/彭永安 季新華 李夢祥 祝高杰 產晟

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

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

本文以上海交通大學醫學院附屬國際和平婦幼保健院奉賢新院區應用為場景，結合醫院后勤和安全實際管理需求，將保障整個院區安全、綠色、高效、穩定運行的各重要系統納入統一的監管平臺中，鍛造出一件針對大型院區“一站式”運維的管理利器。探索基于數字孿生和AI的智慧院區綜合指揮平臺在醫院高質量發展過程中的應用場景。

數字孿生醫院建設

上海交通大學醫學院附屬國際和平婦幼保健院奉賢新院區（以下簡稱“國婦嬰奉賢新院區”）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。國婦嬰奉賢新院區的建設將有效解決上海奉賢等南部郊區醫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務量，對于院方如何能夠更加安全、高效、全面地管理好院區內人、財、事、物提出了更高的要求。

醫院后勤管理作為醫院整體管理的關鍵組成部分，其對院區內包含醫療、科研等各項工作的開展發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，通過將醫院建筑、安防、消防、BA、能耗、機電、暖通、BIM、停車、保修等各類系統數據納入統一的管理平臺中，構建“一站式”的后勤服務體系將為院區運維工作高質量發展提供堅實支撐。

通常大型系統集成類平臺的建設都需要一個高效且精細的業務及數據載體，傳統的二維數據平臺通常存在著對建筑本體的幾何信息表達的局限性，無法充分體現在大型院區管理過程中建筑運行數據與物理實體的關聯關系。

因此，通過對物理世界的數字孿生建設，將醫院建設過程中產生的BIM數據轉化為虛擬世界中的孿生醫院，用于全面承載院區日常的運行數據與各類后勤管理工作中的業務關系，實現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的智慧院區核心技術體系。

數字孿生應用價值成效

數字孿生通過構建物理實體的數字孿生體，映射物理實體在真實環境中的變化，模擬物理實體在真實環境中的行為和特性，以實現故障診斷、狀態監控和趨勢預測。

基于數字孿生技術建設的系統是實體醫院在計算機環境中的虛擬映射，系統以建筑模型為核心對分布在各異構系統中的信息數據進行采集，運用數字孿生技術、AI技術、物聯網技術、大數據分析及中間件等技術對這些數據進行封裝與融合，并通過定義統一的資源模型和數據存儲接口打通各系統間數據格式的差異，再通過一個平臺展示出來，見圖1。

圖1 系統架構圖

基于數字孿生等技術，整合院內的智能化系統、數據與人員、建筑信息，建設涵蓋所有服務、輻射對應的業務的數字孿生平臺。對日常的智能設備的監控、空間的分配、能耗的監管、安防系統與樓宇BA系統報警、業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務系統數據通過科學的統計方法進行統籌，并集成至一個平臺上進行展示，有效提高數據的利用率，實現后勤“一站式”服務平臺管理理念。系統功能根據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，實現對視頻、溫度、煙霧、火點等多維感知；其次集成融合傳統消防、安防系統于一體；在此基礎上再對軟件架構進行融合，基于統一架構形成軟件功能的組件化；最后對業務層面進行融合，當防區報警時，可聯動處置，快速開啟門禁，并根據人流情況進行疏散，提升應急指揮能力，實現一體化管理。

目前已全面接入院內1534路高清攝像頭，通過后端算法服務器實現監控的三維自動巡更、區域人員密度統計、進出院人數統計；在行為識別動態捕捉方面，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，并聯動安消防報警。

在院區已完成38個重點區域安消防算法布控，達到秒級自動報警；實現針對48個候診區域實時人員密度監控，見圖2。

通過從無到有的建設，使醫院管理人員對醫院每日進出人流量、每日高峰時段的重點區域人員密度、擁擠程度有了整體把控，并可根據人員管控數據情況進行統計分析，調整相應的運營策略，改善就醫環境。

二是以可視化為驅動賦能空間統籌規劃管理。基于可視化的空間管理，在模型與空間信息高度還原的基礎上，能動態且直觀地展示建筑外部及內部不同層次的空間細節。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計與分析，能準確地描述空間的使用現狀，揭示空間的占用特征及規律，進而為空間需求的預測提供強有力的依據，提升醫院的空間管理水平，實現空間利用效益最大化，見圖3。

2 候診區域人員密度監控。

3 可視化空間管理。

三是以物聯網技術與業務相結合實現能耗精細化管理。通過建設能耗管理模塊，對院內的能耗消耗全過程實現動態平衡管理。針對院區內三棟建筑共18個樓層里共831個智能水表、電表、能量計數據進行采集計量與實時監測，并按照醫院的建筑區域、科室機構、能源種類、電能分項等不同維度對數據進行統計，并以表格、曲線圖、柱狀圖、餅狀圖等方式直觀展示醫院內各區域、各科室各類能源消耗的規律，使得各項節能效果可計可量，提高了醫院用能的科學化水平。

今后，可借助大量的歷史能耗數據，結合各種大數據分析、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，設計科學的監測和管理新模式，輔助后勤管理人員制定行之有效的節能改造措施，逐步降低運行費用，實現醫院能耗管理工作的科學化和精細化。

四是以互聯網手段優化停車流程。由于醫院地下停車場的空間較大，各停車區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場所時，由于衛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，傳統的通用型地圖對醫院內部結構路線不夠直觀清晰，因此現有的地圖導航無法實現導航功能。

醫院以互聯網手段，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；并可快速導航醫院主要區域，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，根據之前綁定的車位位置信息可快速生成尋車最優路徑；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。

五是構建統一交互信息集成監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等多個子系統數據，提供算法識別事件報警與設備異常報警的統一監管。預先配置好設備的閾值，當檢測到實時數據超閾即刻產生報警信息。同時在報警中心進行聲光聯動，及時通知到對應管理人員，快速進入應急處理流程。通過報警中心的統一交互，在平臺中實時監管，根據聯動規則同步定位至事發場景區域，查看險情現場畫面圖片、調用附近攝像頭，為值班人員提供更多快速處置參考依據，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、醫用氣體、水務等8大系統，提供80余類設備的狀態實時監控，集成全平臺的數據信息，助力全面提升應急處理能力。

以數字孿生技術和AI算法為基礎構建的智慧院區運維管理平臺，結合了仿真、物聯網、AI等技術，實現數字化協同，讓建筑變成一個能夠全面感知的容器和載體，將物聯數據融入可視化立體場景中，加之平臺的預警、主動式運維機制，為醫院管理者提供集中、高效、便捷、多樣的管理模式。數字孿生技術賦能醫院成為單一系統互通的載體與聚合平臺，一方面給醫院提供院內各系統的運行態勢、數據的集中研判與分析，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展提供更多的可能。