深圳市人民醫(yī)院 設備科,廣東 深圳 518020
高效且優(yōu)質的物流配送服務是醫(yī)院后勤運營管理的核心內容之一,是醫(yī)院提供優(yōu)質醫(yī)療服務的基礎保障。近年來在信息化、智慧化醫(yī)院建設的浪潮下,部分醫(yī)院嘗試引入現(xiàn)代化物流系統(tǒng)。其中,基于無人駕駛技術的機器人(Automated Guided Vehicle,AGV)所組成的物流系統(tǒng)成為一種極具特色的解決方案[1]。AGV物流系統(tǒng)以醫(yī)院智慧物流配送為核心使命,結合目前不斷發(fā)展成熟的人工智能、自動駕駛、大數(shù)據(jù)、云計算等高新技術,實現(xiàn)院內后勤物流配送體系的高效穩(wěn)定運轉。在應對日益增加的物資配送工作的基礎上,進一步實現(xiàn)醫(yī)院的智慧化、自動化、信息化管理,提升物品配送效率,實現(xiàn)醫(yī)院后勤精細化管理,并且通過解放醫(yī)務工作者配送負擔,使其更專注于為患者提供專業(yè)且快捷的醫(yī)療服務,提升醫(yī)院品牌形象,提高社會影響力。
機器人物流是一個相對較新的概念,目前國內的企業(yè)還不多,在醫(yī)療場景中的應用尚處于初期但發(fā)展迅速的階段,本文旨在梳理移動機器人在醫(yī)療場景中應用的必要性以及當前的現(xiàn)狀,為醫(yī)療服務信息化建設提供參考。
醫(yī)院后勤工作中物流管理工作對醫(yī)院各部門事務開展有著直接或間接的影響,如何實現(xiàn)高效、統(tǒng)一的物流配送管理是現(xiàn)代醫(yī)院后勤工作中重要的問題。
醫(yī)療機構物流運輸?shù)男枨蠓浅4?,物流運輸內容包括藥品、器械、耗材、標本、被服、餐食、醫(yī)療垃圾等,統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示,國內醫(yī)院將大約46%的預算花費在與物流有關的地方,其中19%花費在了人力勞動上。而傳統(tǒng)人力物流配送工作效率受到8 h工作時間、人體體力限制、配送協(xié)調不均、配送失誤等問題影響,常常達不到院內物品配送時效要求,因此需要占用醫(yī)務人員相當大部分時間來輔助物品送遞,從而影響了醫(yī)務人員的護理工作。除此之外,在配送過程中涉及配送管理、物品管理、人員管理問題又給醫(yī)院后勤管理帶來新的挑戰(zhàn)。
醫(yī)院精益化管理要求將院內的人、事、物有效地聯(lián)動管理起來,傳統(tǒng)人力配送無法有效實現(xiàn)物品在運輸過程中進行記錄、追溯、監(jiān)督;護工的高流動性也引起護工招聘越來越困難,培訓與考核的時間和經(jīng)費成本越來越高。醫(yī)院整個運營效率降低、管理成本提高的矛盾日益尖銳,急需更加靈活、有效、方便、高效、安全的現(xiàn)代化物流系統(tǒng)。
實際上,我國醫(yī)院現(xiàn)代化物流系統(tǒng)發(fā)展經(jīng)歷了人力配送、機械化物流系統(tǒng)配送、人工智能機器人配送三個階段[2-3],見表1。
表1 醫(yī)院現(xiàn)代物流系統(tǒng)發(fā)展歷程
AGV是指裝備有電磁或光學等自動導引裝置,能夠沿規(guī)定的導引路徑行駛,具有安全保護以及各種移載功能的運輸車。AGV最早出現(xiàn)在20世紀50年代,美國Basrrett電子公司成功研發(fā)了世界上第一臺AGV,70年代開始在歐美、日本等發(fā)達國家工業(yè)領域推廣應用。
國內對AGV的研究和應用工作開展則相對比較遲緩。國內是從20世紀60年代開始自主研發(fā)AGV[4]。直到近幾年,中國人口紅利有所下降,人工成本不斷上升,AGV市場的價值才逐漸被挖掘。目前在國內還處于AGV的研發(fā)應用推廣期,主要應用于工廠物流與倉儲物流領域。在汽車、電商等行業(yè)為AGV物流機器人鏖戰(zhàn)不休的時候,醫(yī)院正成為AGV移動機器人應用的又一大熱門領域。
與傳統(tǒng)的醫(yī)療運輸方式相比,AGV機器人具有工作效率高、成本費用較低、節(jié)省管理精力、可靠性高、較好的柔性和系統(tǒng)拓展性等優(yōu)勢[5],在人口紅利消失的背景下,AGV將在醫(yī)療物流運輸中發(fā)揮越來越突出的作用。
(1)工作效率高。AGV實現(xiàn)上下料及來回運輸工作,實行不停機換料,縮短人工換料時間,提前做好物料準備,避免原始換料所產(chǎn)生的各種因素,保障了流水線的流暢性。AGV小車可實現(xiàn)自動充電功能,從而達到48 h連續(xù)運轉工作,大大提高了工作效率。
(2) 成本費用較低。隨著國內AGV技術的發(fā)展與成熟,AGV的性價比越來越高,與人力相比較,少人化、無人化的改革的工業(yè)轉型升級優(yōu)勢日益明顯。
(3)節(jié)省管理精力。AGV機器人可以實現(xiàn)全智能化管理,從而提高智能化管理水平,有效規(guī)避人員因素。
(4)可靠性高。相對于人工搬運,AGV的行駛路徑和速度可控、定位停車精準,從而大大提高了物料搬運的效率。同時,AGV管理系統(tǒng)可以對AGV小車全程監(jiān)控,可靠性得到極大提高。
(5)較好的柔性和系統(tǒng)拓展性。醫(yī)療AGV配置的中央管理系統(tǒng)可自動規(guī)劃AGV行駛路線,具有較好的靈活性。同時,AGV系統(tǒng)已成為工藝流程中的一部分,可作為如上層存儲空間等眾多工藝連接的紐帶,具有較高的可擴展性。
(6)人流物流分離。傳統(tǒng)的醫(yī)院物流方式的人、物流交叉情況較為嚴重,存在各類人員交叉感染的潛在可能性以及物品受污染、受損、丟失的現(xiàn)象,AGV可以有效解決這些問題。
對于醫(yī)院物流的升級來說,一方面其在現(xiàn)代醫(yī)院管理中的戰(zhàn)略意義重大,另一方面現(xiàn)有醫(yī)院物流體系低效率、高成本、費人工的缺點越來越顯著。因此,隨著人口紅利的消失,在人工成本不斷上漲和軌道物流、氣動物流等穩(wěn)定不足的現(xiàn)實下,利用AGV機器人實現(xiàn)醫(yī)療物資的無人物流配送正變得必要且可行,醫(yī)院引進AGV物流系統(tǒng)是適應醫(yī)院發(fā)展規(guī)律的客觀需要。
AGV機器人是一種集成了動力系統(tǒng)、機器系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等多種系統(tǒng)的復雜設備(圖1)[6]。在醫(yī)療AGV的研發(fā)和應用過程中,導航技術、路徑規(guī)劃技術、調度系統(tǒng)技術等是影響產(chǎn)品用戶體驗的核心,也是AGV企業(yè)的競爭優(yōu)勢和技術壁壘所在。
圖1 醫(yī)療AGV的組成系統(tǒng)
具體而言,醫(yī)療AGV產(chǎn)品在以下技術領域實現(xiàn)了突破,并將持續(xù)研發(fā)和動態(tài)更新。
AGV之所以能夠實現(xiàn)無人駕駛,導航和導引對其起到了至關重要的作用。導航技術的發(fā)展是AGV產(chǎn)品更新發(fā)展的最主要方向,當前醫(yī)療AGV產(chǎn)品的導航技術主要有直接坐標導航、電磁導航、磁帶導航、光學導航、激光導航、慣性導航、圖像識別導航等[7-10],總結如表2所示。
表2 醫(yī)療AGV導航技術總結
在醫(yī)療應用場景中,AGV并不是單臺作業(yè)的,而是多設備協(xié)同工作。隨著柔性制造系統(tǒng)的廣泛應用和物流自動化運輸系統(tǒng)的快速發(fā)展,多AGV的物流系統(tǒng)成為重要的研究方向,這其中,路徑規(guī)劃是直接影響多AGV系統(tǒng)整體性能的重要部分,格外受到學者關注,并提出了多種計算模型和策略[11]。
圖2 AGV路徑規(guī)劃的關鍵技術
(1)靜態(tài)環(huán)境中的AGV路徑規(guī)劃。靜態(tài)環(huán)境下的路徑規(guī)劃,是研究AGV在環(huán)境信息相對固定的情形下如何規(guī)劃最合理的路徑,這種情況應用的醫(yī)療場景,主要是在醫(yī)療建筑物中障礙物已知且不變的情形,比如醫(yī)院里某一相對固定的場景。對于靜態(tài)環(huán)境下的路徑規(guī)劃問題,其路徑規(guī)劃的難度和合理性,取決于路徑的平滑程度,路徑越趨于平緩,則AGV系統(tǒng)越容易實現(xiàn)[12]。全局路徑的靜態(tài)規(guī)劃關注AGV設備的實時性、安全性和送達性指標。
(2)動態(tài)環(huán)境中的AGV路徑規(guī)劃。動態(tài)環(huán)境下,行進路途中的環(huán)境信息會動態(tài)變化,難以提前掌握,這導致路徑規(guī)劃問題變得尤其復雜,靜態(tài)環(huán)境下的最優(yōu)路徑在動態(tài)環(huán)境中是不適用的,這就需要有更為先進的算法。在規(guī)劃AGV路徑時,AGV小車受到目標驅動、動態(tài)安全性和時間要求的約束,考量的最重要因素是在實現(xiàn)目標的前提下,對安全性和時間性進行合理的平衡。
在動態(tài)環(huán)境AGV路徑規(guī)劃的算法研究中,早期的局部路徑規(guī)劃方法有模擬退火算法、人工勢場法和模糊邏輯法等,近年來人工神經(jīng)網(wǎng)絡法、遺傳算法、蟻群優(yōu)化算法和粒子群算法等算法被逐步引入,基于兩階段交通控制策略的Petri網(wǎng)、Tabu Search算法、時間窗方法等也成為解決本問題的思路和方案[13-16]。
如前文所述,在醫(yī)療應用場景中,AGV是多臺設備協(xié)同工作的,因此,對AGV的調度控制直接影響到AGV的工作效率。AGV調度控制系統(tǒng)用于協(xié)調控制不同AGV車輛的工作服務計劃,由一系列軟硬件組成。
醫(yī)療AGV的系統(tǒng)調度技術也是AGV產(chǎn)品的核心技術之一,當前國內學術界和實務界尚處于初級階段[17],但該技術發(fā)展較為迅速,如滴滴打車等的系統(tǒng)調度技術逐漸被國內AGV廠商所引入,越來越多的AGV廠商研發(fā)了或正在研發(fā)自己的調度系統(tǒng)。
除此之外,AGV控制系統(tǒng)技術、驅動技術、電池解決方案等技術的穩(wěn)定性和先進性,對醫(yī)療AGV的質量也有顯著影響,也是當前研發(fā)和應用中在著力解決的重要問題。
AGV小車的應用領域非常廣泛,隨著信息、電子電工、機械設計制造等技術的進步發(fā)展,AGV正以更好的性能和更低的成本向大家走來。總結來講,除了醫(yī)療場景之外,AGV機器人還在以下場景中有著廣泛的應用[18-21]。
(1)貨物搬運。在工廠、倉庫、車間的貨物、物料搬運過程中,隨著人口紅利的消失,人工成本逐年增長,AGV的使用在各行各業(yè)流行起來。據(jù)統(tǒng)計,截至2018年底,全世界大約有2萬多種不同類型的AGV在2100個大型和小型倉庫中運行。
(2)生產(chǎn)線流水作業(yè)。傳統(tǒng)的生產(chǎn)線一般由連續(xù)的剛性傳動設備組成,短則數(shù)米長則幾千米。自從AGV小車的出現(xiàn),完全改變了這個格局,不僅是一個自動引導車輛使用,也可作為移動式裝配站處理平臺使用,它們可以獨立自由、獨立工作,并能準確無誤地有序組合,雖然沒有物理分區(qū)的形成,但可以發(fā)揮調節(jié)作用,完全媲美之前動態(tài)高度靈活的生產(chǎn)線,成本一下子就下降很多,從而企業(yè)可以更多投入到產(chǎn)品研發(fā)上。
(3)特殊的應用場景。AGV無人駕駛自動處理解決了一些不適合人們生產(chǎn)或工作的特殊環(huán)境問題,主要在一些危險行業(yè),比如核材料、危險品(農(nóng)藥、有毒物質、腐蝕性物品、生物制品、易燃易爆物品)等。在核電站和用于儲存的核輻射場所,AGV被用來運輸貨物和避免危險的輻射。還有就是強度大、有安全要求的行業(yè),在鋼鐵工廠中,AGV用于輸送爐料,降低工人的勞動強度。再就是人類不適合的作用,比如黑暗環(huán)境下的工作等,一個典型例子就是電影倉庫中,AGV可以在黑暗的環(huán)境中提供材料和半成品,這是人類所不能及的。
相對于傳統(tǒng)的工業(yè)場景應用,醫(yī)療行業(yè)用AGV起步較晚,目前生產(chǎn)醫(yī)療AGV產(chǎn)品的公司還不多,且大部分為創(chuàng)業(yè)型公司,市場還處于萌芽期。由于醫(yī)療應用場景的特殊性,當前在投入醫(yī)院使用的AGV大多采用SLAM自主導航技術,這樣不需要在地面進行鋪設,不會破壞地面的整潔,適用于醫(yī)院使用[22-23]。
國外如德國、新加坡、日本等國家將AGV機器人引入醫(yī)療領域的時間較早,一方面這些國家的技術相對比較成熟,另一方面這些國家的人力成本更高,因此在醫(yī)療AGV的應用方面已經(jīng)比較成熟,實現(xiàn)了在病人餐食、衣物、醫(yī)院垃圾、供應室消毒物品等多個醫(yī)療場景上的有效應用。
我國AGV機器人的應用最主要的領域還是在工業(yè)生產(chǎn)和物流行業(yè),在醫(yī)療領域的應用總體而言還處于起步階段。從2014年開始,國內逐漸涌現(xiàn)出了一批醫(yī)療AGV研發(fā)制造企業(yè),逐漸讓我國的研發(fā)工作和市場化發(fā)展有了一定起色。在應用方面,深圳人民醫(yī)院、武漢協(xié)和醫(yī)院、南京鼓樓醫(yī)院、中國醫(yī)學科學院阜外醫(yī)院等已經(jīng)配置了醫(yī)療AGV,而且大部分產(chǎn)品是國產(chǎn)產(chǎn)品。這些醫(yī)院主要將醫(yī)療AGV運用在消毒供應中心、藥物配置中心、護士站、住院部、手術室、庫房等6大場景之中,普遍取得了一定的實踐成果。
深圳市某AGV生產(chǎn)廠家2019年度在深圳市布局了22余家醫(yī)院,共41臺AGV設備,包括深圳市人民醫(yī)院、廣東省第二人民醫(yī)院、南方醫(yī)科大深圳醫(yī)院、北京中醫(yī)藥大學深圳醫(yī)院、深圳市坪山婦幼保健院等。筆者所在的深圳市人民醫(yī)院布局了6臺AGV設備,對該院的AGV工作進行統(tǒng)計分析,結果如下:平均每臺AGV每日的任務數(shù)為82次,每臺AGV平均每日的配送里程數(shù)為10760 m,每臺AGV平均每次的配送距離為131.23 m,每次配送平均耗時為3.22 min(含裝載卸載貨品時間)。從統(tǒng)計數(shù)據(jù)和使用情況來看,AGV設備的使用率較高,日均配送里程較長,展示出了對人力配送的良好替代性。
雖然AGV設備在醫(yī)療場景中的應用越來越廣泛,但是不可忽視的是,作為一個新生事物,其于醫(yī)療場景的融合當中,在醫(yī)生或護士的使用與交互當中,也暴露出了一些不足[24-26],主要有以下幾個方面:
(1)價格相對較高。作為一項融合了多項尖端技術的高科技產(chǎn)品,AGV產(chǎn)品的價格仍處于相對較高的位置。例如:2016年武漢協(xié)和醫(yī)院引進了兩臺智能物流機器人,每臺AGV的造價達到了200萬元,這樣的價格對于中小醫(yī)院而言太過昂貴。盡管從長遠來看,醫(yī)院使用AGV將有助于降低運營成本,但前期的投入巨大對于很多中小醫(yī)院導入來說還是有些困難。
(2) 技術的成熟程度有待提高。相比于傳統(tǒng)的工業(yè)場景,醫(yī)院的環(huán)境更加復雜,人員流動性更大,對AGV的導航系統(tǒng)、調度系統(tǒng)等技術要求也就更加嚴格,場景更加復雜,技術的成熟度與產(chǎn)品的用戶體驗和產(chǎn)品質量直接相關。
(3)功能性能與醫(yī)療人員的期望存在差異。人工智能技術的飛速發(fā)展和廣泛傳播,導致作為非研發(fā)人員的醫(yī)護人員等使用者對人工智能技術充滿了較高的期待,如實現(xiàn)自然語義多輪交互等,然而實際上人工智能技術還存在一定的局限性,智能機器人能提供的功能與性能與醫(yī)療人員的期待還存在一定差距,這是AI技術發(fā)展階段決定的。
隨著人工智能技術的發(fā)展和AGV技術的不斷成熟,AGV的應用場景也在不斷擴大,其中,以AGV為核心的現(xiàn)代物流系統(tǒng)為醫(yī)療服務行業(yè)帶來了嶄新的變化。本文概述了AGV的特點優(yōu)勢,研究認為AGV應用于醫(yī)療服務領域是可行且必要的;然后本文從導航技術、路徑規(guī)劃技術和系統(tǒng)調度系統(tǒng)三項核心技術解析了AGV機器人的研究進展,認為在導航技術方面、多機調度等方面還有較大的技術研發(fā)空間。在此基礎上,總結了國內醫(yī)療領域應用AGV的現(xiàn)狀情況,認為在價格、產(chǎn)品穩(wěn)定性、產(chǎn)品性能等方面還存在一定的不足。AGV廠商一方面要深入開展技術研發(fā),在導航技術等方面進一步突破,不斷提升產(chǎn)品的穩(wěn)定性與實用性,同時也要注重培養(yǎng)用戶認知,讓醫(yī)療AGV真正融入醫(yī)療服務場景,為醫(yī)院切實提供高效、優(yōu)質的物流配送服務。