本文以國內某移動式方艙傳染病醫院自動化物流系統規劃設計為例，首先對方艙中物資流動鏈路進行了介紹，并結合不同的自動化存儲系統方案，得出了符合移動式傳染病醫院的自動化物流存儲和配送方案，并創造性地將數字孿生（DT）技術應用到方案中，實現了對醫療物資和自動化設備的全鏈條實時可視化以及數字化。本文將為今后移動式方艙傳染病醫院自動化物流方案的總體規劃設計工作提供科學的理論和參考依據。

一、引言

圖1 移動式方艙醫院鳥瞰效果圖

本項目移動式方艙醫院（如圖1所示）符合三級甲等傳染病醫院的野戰全流程、全要素救治需求，可在36小時內實現全系統快速展開、機動部署和實際應用。該方艙醫院可達到收治100名傳染病住院患者的能力并最終建成了基于5G通訊技術的集信息化醫療信息系統、自動化配送作業系統、人工智能診斷與輔助決策支持系統、遠程醫療系統等于一體的綜合性現代化、智能化的移動式方艙傳染病醫院。其中，智能高效的自動化物流系統的應用可極大地降低醫護人員的數量，使醫護人員工作量減少30%～50%。該系統的應用既可保障正常的醫療作業，又滿足了突發疫情應急狀況下對少人化，甚至無人化的防控要求。

二、方艙醫院物資流動鏈路

方艙醫院自動化物流系統可無縫對接醫療系統HIS，實現藥品、器械、防護、消毒等醫療物資和后勤物資的收、存、發、送和全科室消殺工作的全閉環式動態實時追蹤管理和監控功能，物資鏈路如圖2所示。

圖2 物資流動鏈路圖

該物資鏈路圖展示了物資管理采用一物一碼，從物資入醫院中心藥房（一級倉）自動化存儲系統開始，到各病區配藥房（二級倉）的信息化存儲系統，以及由物資配送系統將其自一級倉到二級倉再運至相關方艙科室/病房，并最終消耗形成廢棄物垃圾實現路徑全過程實時追蹤，實現物資的全生命周期管理和全透明化實時監控。該自動化物流系統包含自動化中心倉儲系統和自動化配送機器人/AGV系統，自動化中心倉儲系統主要采用輕型堆垛機（Miniload AS/RS）和電子標簽（DPS）揀選來實現對醫療物資和后勤物資的自動化存儲和信息化管理；自動化配送機器人/AGV系統主要用于各科室與病區之間的大批量物資配送。

1. 物資自動化存儲系統

（1）醫療物資存儲系統設計

根據武漢方艙醫院的藥品推薦目錄和武漢客廳方艙醫院的最終藥品供應目錄以及《新型冠狀病毒肺炎診療方案（試行第七版）》，方艙醫院共供應約114 種藥品，藥品劑型以注射液（41 種，占35.96%）和片劑（33 種，占28.95%）為主，給藥方式以口服（54 種，占47.37%）和注射（51 種，占44.74%）為主，藥物劑型和給藥途徑均較集中。通過以上藥品分析，對于方艙醫院主要藥品類型為袋裝注射液、盒裝片劑等。為便于物資的自動化作業，采用標準料箱進行存儲。本次項目對兩種存儲系統（小型輕載堆垛機存儲系統和自動貨柜存儲系統）的庫容量進行了對比，通過對比確定了庫容量較大的作為本次項目的存儲系統。

①通用方艙設計

通用方艙尺寸（m）：3.0×6.0×3.0（具體布局圖如圖3所示）；

圖3 通用方艙布局圖

艙體功能設置：可作檢查、化驗、治療手術、辦公等并設置緩沖間；

艙體收展尺寸（m）：1.0×6.0。

②承載單元設計

存儲單元：塑料箱（示意圖如圖4所示）；

圖4 物資存儲料箱

外形尺寸L×W×H（mm）： 300×400×200；

單重（kg）：≤5；

額定承載（kg）：≤30；

信息載體：一維碼/二維碼。

③醫療物資小型輕載堆垛機存儲系統

該存儲系統采用Miniload小型堆垛機（結構如圖5所示），是本箱式存儲系統的核心搬運設備。它具有機身輕量化、體積小、速度快以及運行效率高等特點。與貨架一起由上游計算機聯網控制共同組成完整的方艙自動化物流存儲系統。

圖5 Miniload小型堆垛機

a. 存儲方艙規劃（見圖5）

b. 系統主要功能分區

● 卸貨方艙：

主要完成藥品物資的卸貨、收貨、理貨、拆箱、換箱、裝箱以及人工出入庫作業等。

主要配置簡易貨架、手推車、無線手持等。

● 存儲方艙：

主要完成藥品料箱存儲以及自動出、入庫作業。針對方艙空間狹小的布局，為追求最大空間利用率原則，開發新的結構形式以適應方艙空間特點，結構重新設計后，相較傳統型堆垛機，該型號堆垛機將存儲量增加了3倍多，堆垛機地軌采用快速安裝式結構，可滿足移動式方艙對安裝時間的快捷要求。

設置牛腿式雙深貨架，2貨位/貨格。存儲量近500料箱貨位，存儲藥品物資約10m3。

● 中央控制室方艙：

完成倉儲系統的計算機管理、調度以及監控功能的集中控制。

④小件醫療物資自動貨柜存儲系統

圖6 自動貨柜

自動貨柜是一種典型的物料自動存取（AS/RS）裝備（結構如圖6所示），是集光、機、電及信息管理為一體的自動化倉儲系統。它通過與計算機網絡，實現對貨物的智能化管理，充分利用垂直空間，最大限度地優化存儲，并且能與外部自動取送設備連接，形成一個高效、便捷的小型立體倉庫。

它在提高企業運作效率的同時幫助企業加強管理。存儲物料的貨位裝置可在垂直封閉的軌跡上運行，使需要的物料到達指定位置實現“貨到人”的操作理念，可在降低操作人員勞動強度、提高作業效率、降低揀貨差錯率等方面滿足部分用戶物流系統性能日益增長的需要，在配送中心、醫療機構等具有小件快速揀選需求的場合有大量的應用。

a. 存儲方艙規劃說明（見圖6）

b. 系統主要功能分區

● 卸貨方艙：

主要完成藥品物資的卸貨、收貨、理貨、拆箱、換箱、裝箱以及人工出入庫作業等。

主要配置簡易貨架、手推車、無線手持RF等。

● 立庫方艙：

主要完成藥品料箱存儲以及自動出、入庫作業。

根據方案外形尺寸，配置3臺Miniload小型自動貨柜；

存儲量：4排×12列×1貨位×7層=336料箱貨位，存儲藥品物資約8m3。

● 中央控制室方艙：

完成倉儲系統的計算機管理、調度以及監控功能的集中控制。

⑤小結

通過兩種存儲系統的對比，采用Miniload小型堆垛機方案可存儲藥品物資容積（10m3）大于自動貨柜方案（可存物資8m3），故本項目中選取Miniload小型堆垛機作為最終應用方案。

（2）配藥房和后勤物資存儲系統

圖7 DPS系統

考慮到存儲物資的揀配需求，對于配藥房和后勤物資的處理采用了電子標簽揀選系統（如圖7所示）。電子標簽揀選系統（DPS）為無紙化揀貨模式，它以一連串裝于貨架上的電子顯示裝置（電子標簽）取代揀貨單，指示應揀取商品及數量，將人腦解放出來，揀貨員無需靠記憶揀貨，根據燈光提示可以準確無誤地對貨品進行揀選。DPS系統通過與 WMS系統相結合，減少揀貨人員目視尋找的時間，可更大幅度地提高揀貨效率。

2. 物資無人化配送機器人/AGV系統

對于院內醫療物資的轉運方式，現階段最常用的有三種方式，分別為氣動管道式傳輸系統、軌道小車式運輸系統以及智能式機器人/AGV轉運系統。但前兩種輸送系統并不適用于移動式方艙傳染病醫院，主要原因如下。

氣動管道式傳輸系統適用于運輸重量不高于5kg的處方單據、血液標本以及藥瓶等小體積物資，速度較快約5~8m/s，普遍應用于門診量大、住院人數多、醫院規模較大的固定式大型民用醫院，而且氣動物流傳輸系統只能解決院內5%左右的物資輸送量，加之該系統維護成本和專業性要求較高，故并不適用于移動式方艙傳染病醫院對物流的整體要求。

軌道小車式運輸系統適用于運輸單次重量約10~20kg的標本、藥品、小型醫療用品以及文件等物資，滿足醫院約60%物品的輸送。小車一般行走速度較慢約0.4~0.6m/s，結構復雜，車不離軌，物品會在柜內翻轉，對輸送藥品有要求且維護費用較高，故在一些發達國家呈逐步淘汰趨勢，從發展的角度分析，也并不符合移動式方艙傳染病醫院的特殊情況。

與前兩種輸送系統相比，智能式機器人/AGV轉運系統無需搭建復雜的固定軌道即可實現柔性傳輸，單次轉運重量可達1噸以上，智能化程度高，可滿足醫院絕大部分醫療物資的運輸需要。該無人化配送機器人/AGV系統主要用于手術室、配藥房、檢驗科等與病區之間的大批量物資配送，包括消毒液、口罩、護目鏡等無菌物品以及病人診療所需的藥品、耗材等物資。本次應用的無人化配送機器人/AGV系統構成如圖8所示。

圖8 無人化配送機器人/AGV系統

3. 物資信息管理系統

自動化物流系統采用智能化出入庫管理軟件系統，整個過程在智能化運營管控系統的控制下，自動存儲堆垛機系統、電子標簽揀選系統以及配送機器人系統、消殺機器人系統、計算機硬件系統以及系統配套等設備組成一個智能系統完成全自動醫療和后勤物資的出入庫，庫存管理和配送、轉運和消毒等功能。

（1）系統總體設計

①架構設計

系統采用基于微服務的多層架構設計，主要分為基礎設施層、存儲層、服務層等多個層級，性能穩定的計算機硬件及操作系統為系統運行提供有力的環境支撐穩定的數據服務。其中主要服務有：基礎服務、倉儲管理服務、策略配置服務、AGV調度服務、接口服務、報表服務等，系統之間可以通過PC、移動設備、大屏等方式進行交互。具體架構圖如圖9所示。

圖9 系統架構圖

②網絡結構

系統在中心機房（藥品艙）部署VWMS服務，配藥室、病房、AGV系統通過5G網絡接入，RF使用無線網絡接入。網絡架構如圖10所示。

圖10 網絡架構圖

（2）系統功能設計

方艙VWMS業務功能主要包括：基礎信息、入庫管理、出庫管理、庫存管理、盤點管理、手持業務和AGV作業7大模塊，具體功能結構如圖11所示。

圖11 系統功能

①基礎信息

容器定義：定義方艙醫院所使用的存儲容器、周轉容器。

供應商維護：用來查詢、維護藥品、生活物資的供貨商信息。

包裝維護：定義藥品、生活物資的包裝及相互間的換算關系。

物料維護：定義系統所管理藥品、生活用品的基本信息，主要包含物料編碼、物料描述、包裝以及相關的批次屬性。

②入庫管理

收貨計劃單：編制藥品、生活用品的后或計劃單，為收貨準備好相關人員、設備及存儲貨位。

收貨質檢：質檢單用以記錄來貨的質檢情況。

標準收貨：編制標準收貨單以接收供應商的藥品或生活用品。

收貨流水查詢：查看收貨流水記錄。

③出庫管理

標準出庫：根據配藥室產生的補藥請求生成出庫單，并調用AGV向配藥室補貨。

包裝復核：藥品出庫前需要對已經揀選的藥品進行再次復核，通過該功能可以查看該箱內應該包含的藥品信息，符合人員根據顯示的明細核對揀選物品是否與顯示內容相符。

揀貨明細：用來查看揀貨明細。

出庫流水查詢：用來查看出庫流水。

庫存分配規則：用來增加、刪除、修改、查看庫存狀態分配規則。

④庫存管理

實時庫存查詢：用來查詢實時庫存，進入后輸入相關條件即可查詢。

收發存統計：用來查看收發存統計。

批屬性查詢：用于查詢批屬性所對應的批號。

凍結事務查詢：用來查詢凍結事務。

凍結庫存查詢：用來實時查詢凍結庫存。

庫存預警：當倉庫中某種SKU的數量低于一定數量或保質期臨近時將給以報警，報警方式有郵件提醒、待辦事項提醒，減少產品庫存積壓與報廢的風險。

⑤盤點管理

盤點需求、盤點維護、盤點級別、盤點規則。

⑥手持業務

收貨：使用手持RF完成收貨作業并與料箱或容器進行綁定。

上架：使用手持RF將托盤或容器存儲到推薦的位置并建立位置與容器的綁定關系。

揀貨：倉管員使用帶有“平庫揀貨”功能的手持RF，完成平庫揀貨操作。

盤點：根據不同的條件和需求生成盤點單，在手持RF中對需要盤點的倉位進行盤點。

移動：主要用于對庫內物資進行整理。

庫存查詢：使用手持RF查詢物資的庫存信息，可以按照物資條碼、物資編號、物資名稱、批次號等信息進行查詢。

⑦AGV作業

配送任務：管理AGV的所有配送任務，可以發起新任務或查看任務的執行狀態、預計完成時間等信息，必要時可以修改配送任務的優先級，比如正常情況下藥品配送的優先級高于入庫任務的優先級，也可以根據需要取消配送任務。

狀態監控：查詢系統內AGV的所處位置，車庫狀態信息（禁用、正常、故障、空閑），以及AGV所執行任務的類型、啟動時間預計完成時間等信息。便于用戶對車輛的運行狀態有全面的了解。

作業計劃：編制醫院各艙室的不可回收垃圾、生活垃圾、醫用垃圾、污衣的回收計劃或艙室的消殺計劃，系統將根據計劃執行回收任務。計劃可以按照月、周、日、時間編制。

（3）數字孿生系統（DTS）

數字孿生是利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數據，集成多學科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應的實體裝備的全生命周期過程。昆船自身作為自動化物流裝備供應商，提供的全部自動化設備均已安裝傳感器，可以實時動態收集物流裝備的狀態、行為等信息；同時已經自主研發了一套先進、快速、穩定和安全的自動化設備電控系統，為實施數字孿生系統提供完善的數據保障。

圖12 數字孿生虛實對比圖

本項目采用Unity-3D技術按照1:1等比例進行三維建模仿真3D圖形界面設計（圖12為昆船數字孿生系統虛實對比效果圖），實現系統設備3D高精度運行仿真。項目中采用的WCS Monitor4.0又稱為3D可視化監控，可在最大程度上以最直觀的監控表現方式展示給客戶。使用者在操作過程中，可以查看設備運行的各項參數信息，并通過數據表格的統計顯示，幫助使用者了解整個倉儲系統的運作健康狀況。

三、總結

該自動化物流系統超越傳統物流存儲和配送模式，構建了全方位、高效化的院內物資存儲和自動配送系統，同時提供配套的物資追溯管理信息系統和機器人/AGV智能控制系統，實現對各類物資的包括收、存、揀、配、發等在內的全流程智能化、柔性化業務管控，最大化地為現代化方艙醫院提供數字化、信息化、精準化物流管理解決方案。目前該項目處于實施收尾階段，項目的順利實施可為后續符合該物流特征的傳統大型三甲大型醫院自動化物流系統的設計提供了一定的借鑒經驗。