浅析自动化物流系统在某移动式方舱传染病医院的规划与设计

本文以国内某移动式方舱传染病医院自动化物流系统规划设计为例，首先对方舱中物资流动链路进行了介绍，并结合不同的自动化存储系统方案，得出了符合移动式传染病医院的自动化物流存储和配送方案，并创造性地将数字孪生（DT）技术应用到方案中，实现了对医疗物资和自动化设备的全链条实时可视化以及数字化。本文将为今后移动式方舱传染病医院自动化物流方案的总体规划设计工作提供科学的理论和参考依据。

一、引言

图1 移动式方舱医院鸟瞰效果图

本项目移动式方舱医院（如图1所示）符合三级甲等传染病医院的野战全流程、全要素救治需求，可在36小时内实现全系统快速展开、机动部署和实际应用。该方舱医院可达到收治100名传染病住院患者的能力并最终建成了基于5G通讯技术的集信息化医疗信息系统、自动化配送作业系统、人工智能诊断与辅助决策支持系统、远程医疗系统等于一体的综合性现代化、智能化的移动式方舱传染病医院。其中，智能高效的自动化物流系统的应用可极大地降低医护人员的数量，使医护人员工作量减少30%～50%。该系统的应用既可保障正常的医疗作业，又满足了突发疫情应急状况下对少人化，甚至无人化的防控要求。

二、方舱医院物资流动链路

方舱医院自动化物流系统可无缝对接医疗系统HIS，实现药品、器械、防护、消毒等医疗物资和后勤物资的收、存、发、送和全科室消杀工作的全闭环式动态实时追踪管理和监控功能，物资链路如图2所示。

图2 物资流动链路图

该物资链路图展示了物资管理采用一物一码，从物资入医院中心药房（一级仓）自动化存储系统开始，到各病区配药房（二级仓）的信息化存储系统，以及由物资配送系统将其自一级仓到二级仓再运至相关方舱科室/病房，并最终消耗形成废弃物垃圾实现路径全过程实时追踪，实现物资的全生命周期管理和全透明化实时监控。该自动化物流系统包含自动化中心仓储系统和自动化配送机器人/AGV系统，自动化中心仓储系统主要采用轻型堆垛机（Miniload AS/RS）和电子标签（DPS）拣选来实现对医疗物资和后勤物资的自动化存储和信息化管理；自动化配送机器人/AGV系统主要用于各科室与病区之间的大批量物资配送。

1. 物资自动化存储系统

（1）医疗物资存储系统设计

根据武汉方舱医院的药品推荐目录和武汉客厅方舱医院的最终药品供应目录以及《新型冠状病毒肺炎诊疗方案（试行第七版）》，方舱医院共供应约114 种药品，药品剂型以注射液（41 种，占35.96%）和片剂（33 种，占28.95%）为主，给药方式以口服（54 种，占47.37%）和注射（51 种，占44.74%）为主，药物剂型和给药途径均较集中。通过以上药品分析，对于方舱医院主要药品类型为袋装注射液、盒装片剂等。为便于物资的自动化作业，采用标准料箱进行存储。本次项目对两种存储系统（小型轻载堆垛机存储系统和自动货柜存储系统）的库容量进行了对比，通过对比确定了库容量较大的作为本次项目的存储系统。

①通用方舱设计

通用方舱尺寸（m）：3.0×6.0×3.0（具体布局图如图3所示）；

图3 通用方舱布局图

舱体功能设置：可作检查、化验、治疗手术、办公等并设置缓冲间；

舱体收展尺寸（m）：1.0×6.0。

②承载单元设计

存储单元：塑料箱（示意图如图4所示）；

图4 物资存储料箱

外形尺寸L×W×H（mm）： 300×400×200；

单重（kg）：≤5；

额定承载（kg）：≤30；

信息载体：一维码/二维码。

③医疗物资小型轻载堆垛机存储系统

该存储系统采用Miniload小型堆垛机（结构如图5所示），是本箱式存储系统的核心搬运设备。它具有机身轻量化、体积小、速度快以及运行效率高等特点。与货架一起由上游计算机联网控制共同组成完整的方舱自动化物流存储系统。

图5 Miniload小型堆垛机

a. 存储方舱规划（见图5）

b. 系统主要功能分区

● 卸货方舱：

主要完成药品物资的卸货、收货、理货、拆箱、换箱、装箱以及人工出入库作业等。

主要配置简易货架、手推车、无线手持等。

● 存储方舱：

主要完成药品料箱存储以及自动出、入库作业。针对方舱空间狭小的布局，为追求最大空间利用率原则，开发新的结构形式以适应方舱空间特点，结构重新设计后，相较传统型堆垛机，该型号堆垛机将存储量增加了3倍多，堆垛机地轨采用快速安装式结构，可满足移动式方舱对安装时间的快捷要求。

设置牛腿式双深货架，2货位/货格。存储量近500料箱货位，存储药品物资约10m3。

● 中央控制室方舱：

完成仓储系统的计算机管理、调度以及监控功能的集中控制。

④小件医疗物资自动货柜存储系统

图6 自动货柜

自动货柜是一种典型的物料自动存取（AS/RS）装备（结构如图6所示），是集光、机、电及信息管理为一体的自动化仓储系统。它通过与计算机网络，实现对货物的智能化管理，充分利用垂直空间，最大限度地优化存储，并且能与外部自动取送设备连接，形成一个高效、便捷的小型立体仓库。

它在提高企业运作效率的同时帮助企业加强管理。存储物料的货位装置可在垂直封闭的轨迹上运行，使需要的物料到达指定位置实现“货到人”的操作理念，可在降低操作人员劳动强度、提高作业效率、降低拣货差错率等方面满足部分用户物流系统性能日益增长的需要，在配送中心、医疗机构等具有小件快速拣选需求的场合有大量的应用。

a. 存储方舱规划说明（见图6）

b. 系统主要功能分区

● 卸货方舱：

主要完成药品物资的卸货、收货、理货、拆箱、换箱、装箱以及人工出入库作业等。

主要配置简易货架、手推车、无线手持RF等。

● 立库方舱：

主要完成药品料箱存储以及自动出、入库作业。

根据方案外形尺寸，配置3台Miniload小型自动货柜；

存储量：4排×12列×1货位×7层=336料箱货位，存储药品物资约8m3。

● 中央控制室方舱：

完成仓储系统的计算机管理、调度以及监控功能的集中控制。

⑤小结

通过两种存储系统的对比，采用Miniload小型堆垛机方案可存储药品物资容积（10m3）大于自动货柜方案（可存物资8m3），故本项目中选取Miniload小型堆垛机作为最终应用方案。

（2）配药房和后勤物资存储系统

图7 DPS系统

考虑到存储物资的拣配需求，对于配药房和后勤物资的处理采用了电子标签拣选系统（如图7所示）。电子标签拣选系统（DPS）为无纸化拣货模式，它以一连串装于货架上的电子显示装置（电子标签）取代拣货单，指示应拣取商品及数量，将人脑解放出来，拣货员无需靠记忆拣货，根据灯光提示可以准确无误地对货品进行拣选。DPS系统通过与 WMS系统相结合，减少拣货人员目视寻找的时间，可更大幅度地提高拣货效率。

2. 物资无人化配送机器人/AGV系统

对于院内医疗物资的转运方式，现阶段最常用的有三种方式，分别为气动管道式传输系统、轨道小车式运输系统以及智能式机器人/AGV转运系统。但前两种输送系统并不适用于移动式方舱传染病医院，主要原因如下。

气动管道式传输系统适用于运输重量不高于5kg的处方单据、血液标本以及药瓶等小体积物资，速度较快约5~8m/s，普遍应用于门诊量大、住院人数多、医院规模较大的固定式大型民用医院，而且气动物流传输系统只能解决院内5%左右的物资输送量，加之该系统维护成本和专业性要求较高，故并不适用于移动式方舱传染病医院对物流的整体要求。

轨道小车式运输系统适用于运输单次重量约10~20kg的标本、药品、小型医疗用品以及文件等物资，满足医院约60%物品的输送。小车一般行走速度较慢约0.4~0.6m/s，结构复杂，车不离轨，物品会在柜内翻转，对输送药品有要求且维护费用较高，故在一些发达国家呈逐步淘汰趋势，从发展的角度分析，也并不符合移动式方舱传染病医院的特殊情况。

与前两种输送系统相比，智能式机器人/AGV转运系统无需搭建复杂的固定轨道即可实现柔性传输，单次转运重量可达1吨以上，智能化程度高，可满足医院绝大部分医疗物资的运输需要。该无人化配送机器人/AGV系统主要用于手术室、配药房、检验科等与病区之间的大批量物资配送，包括消毒液、口罩、护目镜等无菌物品以及病人诊疗所需的药品、耗材等物资。本次应用的无人化配送机器人/AGV系统构成如图8所示。

图8 无人化配送机器人/AGV系统

3. 物资信息管理系统

自动化物流系统采用智能化出入库管理软件系统，整个过程在智能化运营管控系统的控制下，自动存储堆垛机系统、电子标签拣选系统以及配送机器人系统、消杀机器人系统、计算机硬件系统以及系统配套等设备组成一个智能系统完成全自动医疗和后勤物资的出入库，库存管理和配送、转运和消毒等功能。

（1）系统总体设计

①架构设计

系统采用基于微服务的多层架构设计，主要分为基础设施层、存储层、服务层等多个层级，性能稳定的计算机硬件及操作系统为系统运行提供有力的环境支撑稳定的数据服务。其中主要服务有：基础服务、仓储管理服务、策略配置服务、AGV调度服务、接口服务、报表服务等，系统之间可以通过PC、移动设备、大屏等方式进行交互。具体架构图如图9所示。

图9 系统架构图

②网络结构

系统在中心机房（药品舱）部署VWMS服务，配药室、病房、AGV系统通过5G网络接入，RF使用无线网络接入。网络架构如图10所示。

图10 网络架构图

（2）系统功能设计

方舱VWMS业务功能主要包括：基础信息、入库管理、出库管理、库存管理、盘点管理、手持业务和AGV作业7大模块，具体功能结构如图11所示。

图11 系统功能

①基础信息

容器定义：定义方舱医院所使用的存储容器、周转容器。

供应商维护：用来查询、维护药品、生活物资的供货商信息。

包装维护：定义药品、生活物资的包装及相互间的换算关系。

物料维护：定义系统所管理药品、生活用品的基本信息，主要包含物料编码、物料描述、包装以及相关的批次属性。

②入库管理

收货计划单：编制药品、生活用品的后或计划单，为收货准备好相关人员、设备及存储货位。

收货质检：质检单用以记录来货的质检情况。

标准收货：编制标准收货单以接收供应商的药品或生活用品。

收货流水查询：查看收货流水记录。

③出库管理

标准出库：根据配药室产生的补药请求生成出库单，并调用AGV向配药室补货。

包装复核：药品出库前需要对已经拣选的药品进行再次复核，通过该功能可以查看该箱内应该包含的药品信息，符合人员根据显示的明细核对拣选物品是否与显示内容相符。

拣货明细：用来查看拣货明细。

出库流水查询：用来查看出库流水。

库存分配规则：用来增加、删除、修改、查看库存状态分配规则。

④库存管理

实时库存查询：用来查询实时库存，进入后输入相关条件即可查询。

收发存统计：用来查看收发存统计。

批属性查询：用于查询批属性所对应的批号。

冻结事务查询：用来查询冻结事务。

冻结库存查询：用来实时查询冻结库存。

库存预警：当仓库中某种SKU的数量低于一定数量或保质期临近时将给以报警，报警方式有邮件提醒、待办事项提醒，减少产品库存积压与报废的风险。

⑤盘点管理

盘点需求、盘点维护、盘点级别、盘点规则。

⑥手持业务

收货：使用手持RF完成收货作业并与料箱或容器进行绑定。

上架：使用手持RF将托盘或容器存储到推荐的位置并建立位置与容器的绑定关系。

拣货：仓管员使用带有“平库拣货”功能的手持RF，完成平库拣货操作。

盘点：根据不同的条件和需求生成盘点单，在手持RF中对需要盘点的仓位进行盘点。

移动：主要用于对库内物资进行整理。

库存查询：使用手持RF查询物资的库存信息，可以按照物资条码、物资编号、物资名称、批次号等信息进行查询。

⑦AGV作业

配送任务：管理AGV的所有配送任务，可以发起新任务或查看任务的执行状态、预计完成时间等信息，必要时可以修改配送任务的优先级，比如正常情况下药品配送的优先级高于入库任务的优先级，也可以根据需要取消配送任务。

状态监控：查询系统内AGV的所处位置，车库状态信息（禁用、正常、故障、空闲），以及AGV所执行任务的类型、启动时间预计完成时间等信息。便于用户对车辆的运行状态有全面的了解。

作业计划：编制医院各舱室的不可回收垃圾、生活垃圾、医用垃圾、污衣的回收计划或舱室的消杀计划，系统将根据计划执行回收任务。计划可以按照月、周、日、时间编制。

（3）数字孪生系统（DTS）

数字孪生是利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。昆船自身作为自动化物流装备供应商，提供的全部自动化设备均已安装传感器，可以实时动态收集物流装备的状态、行为等信息；同时已经自主研发了一套先进、快速、稳定和安全的自动化设备电控系统，为实施数字孪生系统提供完善的数据保障。

图12 数字孪生虚实对比图

本项目采用Unity-3D技术按照1:1等比例进行三维建模仿真3D图形界面设计（图12为昆船数字孪生系统虚实对比效果图），实现系统设备3D高精度运行仿真。项目中采用的WCS Monitor4.0又称为3D可视化监控，可在最大程度上以最直观的监控表现方式展示给客户。使用者在操作过程中，可以查看设备运行的各项参数信息，并通过数据表格的统计显示，帮助使用者了解整个仓储系统的运作健康状况。

三、总结

该自动化物流系统超越传统物流存储和配送模式，构建了全方位、高效化的院内物资存储和自动配送系统，同时提供配套的物资追溯管理信息系统和机器人/AGV智能控制系统，实现对各类物资的包括收、存、拣、配、发等在内的全流程智能化、柔性化业务管控，最大化地为现代化方舱医院提供数字化、信息化、精准化物流管理解决方案。目前该项目处于实施收尾阶段，项目的顺利实施可为后续符合该物流特征的传统大型三甲大型医院自动化物流系统的设计提供了一定的借鉴经验。