数字孪生智慧后勤建设实践及应用探索

山东中医药大学附属医院   孙溪  房财福

【摘   要】医院后勤管理作为“三位一体”智慧医院建设的重要组成部分，后勤管理信息化、智能化关乎到智慧医院建设整体。以山东中医药大学附属医院惠民楼建设为契机，借助先进的数字孪生、物联网等技术搭建智慧后勤管理平台，采取“顶层设计、分步实施、逐步完善”的建设思路，进行智慧后勤建设的实践及应用研究。实现了后勤管理业务的全流程电子化、数据及场景可视化，提升后勤管理维度，满足后勤精细化管理需求，为医院高质量发展双向赋能。

【关键词】数字孪生+AI  智慧后勤建设  高质量发展  精细化管理  

2021年10月，国家卫健委、国家中医药管理局联合印发《公立医院高质量发展促进行动（2021-2025年）》，提出重点建设“三位一体”智慧医院。医院后勤管理作为“三位一体”智慧医院建设的重要组成部分，后勤管理信息化、智能化关乎到智慧医院建设整体。

山东中医药大学附属医院于2017年4月成功入选国家发展和改革委员会、国家中医药局《中医药传承创新工程项目储备库》，作为工程配套项目的惠民楼于2019年1月23日奠基开工。以惠民楼建设为契机，我院借助先进的数字孪生、物联网等技术搭建智慧后勤管理平台，采取“顶层设计、分步实施、逐步完善”的建设思路，进行智慧后勤建设的实践及应用研究。数字孪生智慧后勤管理平台首先搭建了惠民楼的数字孪生模型，通过前端1942台套的物联感知设备、全千兆弱电网络构筑的后勤专属“设备网”，将能耗管理、医疗气体、空调、照明、电梯、监控、污水水质监测等系统以及空间分配管理和后勤的维修、维保、巡检、值班业务均纳入到平台中，实现了后勤管理业务的全流程电子化、数据及场景可视化，提升后勤管理维度，满足后勤精细化管理需求，为医院高质量发展双向赋能。

惠民楼是国家中医药传承创新工程重点中医院建设项目、山东省“十三五”重点民生工程，建筑高度66.6米，地上主楼15层，裙楼5层，地下3层，总建筑面积109906.39平方米，其中地上建筑面积77594.43平方米，地下建筑面积32311.96平方米。该项目已于2022年6月30日顺利交付使用。

项目在规划设计阶段，充分考虑大楼运营运维问题，建立了后勤机电管控、安防等设备的设备专网，设置智能照明系统、联网风盘控制系统、智能变配电辅控系统、电梯运行监测系统等智能化系统，并规划建设了数字孪生智慧后勤管理平台。平台通过标准的HTTP、ModBustcp等协议，全面集成医疗气体、照明、空调、能耗、电梯、生活水泵房、污水水质监测、能源中心、变配电室、安防监控等系统。实现了通过一个平台，即可掌握后勤运行整体态势。同时，平台实现了后勤维保、维修、巡检的一站式服务模式，系统告警自动上传到数字孪生平台，并实现对故障的实时定位及派单操作，管理人员到场进行维修，维修后科室可对结果进行评价，实现了一站式服务的闭环管理。数据采集架构图、数据处理架构图分别如图2、3所示。

图2.数据采集架构图

图3.数据处理架构图

1.1实现医院后勤重点区域的安全全方位监测

作为保障医院运行及业务正常开展的关键系统，电梯、变配电系统、医疗气体、生活水泵房等系统的安全平稳运行非常重要。

（1）电梯

项目通过搭建数字孪生电梯管理应用场景+电梯智能监控系统，实现对全楼21部电梯运行状态的实时可视化监测，对电梯故障的实时分析及可视化告警。

图4.电梯运行实时监测

（2）变配电室

平台中搭建的数字孪生变配电室管理应用场景，接入变压器、有源滤波柜、电容补偿柜、进线柜、出线柜等各类设备的实时参数，同时接入现场监控画面，实现对变配电室的远程监控。

图5.变配电监测系统

（3）生活水泵房

平台中搭建的数字孪生生活水泵房应用场景，接入水泵、水箱等设备运行状态数据，实时监测水泵房水泵运行情况和水箱液位、地面水浸情况。通过接入监控视频查看现场实时画面，管理人员通过平台实时了解设备运行态势，节省了巡检人力物力，提升管理效能。

图6.生活水泵房实时监控监测

（4）污水处理站

污水水质监测关乎到医院污水排放是否达标，通过构建污水水质监测数字孪生应用场景并接入数据，实时了解污水水质情况，做到异常实时感知。通过对指标设置预警值、告警值，一旦发生数据异常升高即会触发预警，提醒管理人员关注污水水质情况；一旦发生数据超标，则触发告警。并可通过平台对历史数据进行回溯，找到问题点，提高处理效率。

图7.污水水质实时监测

（5）医疗气体

平台接入了医疗气体监测系统，在三维场景中展示楼层用气节点及管道分支，可实时监测楼层氧气压力、流量以及吸引压力，对压力、流量异常点位及时报警并定位故障位置，为医疗气体系统安全运行提供保障。平台也对负压机房真空罐、负压泵等设备进行实时监测，接入负压机房监控画面，通过平台即可实时查看负压机房内部情况。

图8.各楼层医气井监测数据界面

（6）能源中心

作为为患者提供舒适就诊环境的重要系统，同时也是医院耗能重点区域，能源中心制冷机组的科学管理尤为重要。平台通过建设能源中心冷水机组数字孪生模型，接入机组实时运行状态数据，对机组进行全方位监测和可视化管理。更好的实现远程监管，确保机组运行在合理的工况区间，在节能降耗的同时，为患者打造舒适的就诊环境。

图9.能源中心冷水机组状态监测

（7）网络设备电源监测

作为医院各类业务信息系统的承载，楼层弱电机房承担了中枢的作用，弱电机房的用电安全极为重要，一旦发生断电或其他问题，可能会造成比较严重的后果。平台规划通过设置弱电井网络设备UPS电源监测系统，搭建数字孪生UPS电源监测应用场景，对全楼弱电井内部的供电情况及UPS电源进行实时监测分析，一旦发生问题，孪生场景中会第一时间弹出告警信息并定位故障发生位置，同时将告警信息推送给相关人员，提升设备用电安全，保证医院业务健康稳定发展。

图10.弱电井UPS监测

（8）后勤重点管控区域监控

平台中还接入了后勤重点管控区域的实时监控，比如暖通机房、变配电室、生活水泵房、能源中心以及电梯轿厢等区域。

图11.重点部位实时监控

1.2能耗可视化管理为节能降耗带来实质效应

（1）数字孪生能耗监测

在传统医院建设项目中，能耗计量大多比较粗放，能耗计量节点大多集中在能耗初始节点，无法对分支能耗、末端能耗进行计量，导致只能看到总体耗能情况，无法精准分析能耗具体情况，也就无法做到对能耗的精准分析和控制。

本项目中，通过搭建数字孪生能耗监测管理应用场景以及设置178块物联网远传电表、129块物联网远传水表，实现了对住院病区分区精细化计量。平台可以记录实时上传的各住院病区的能耗情况，并且通过不断地运行积累数据，对各科室住院病区能耗进行趋势预测和设定能耗定额，为下一步科室住院病区绩效考核提供数据参考。有助于提高科室相关人员节能降耗意识，为医院节能降耗带来实质效应。

（2）空调、照明的远程控制

本项目中，针对建筑耗能高的空调和照明部分，设置了具备远程控制的专业设备及系统，实现对相关设备的远程控制。后勤管理人员通过数字孪生平台，实时监测医院各区域设备的运行状态，动态调整设备运行参数，在兼顾舒适度的同时，实现节能运行。

1.3一站式坐席服务让后勤管理提质增效

数字孪生智慧后勤管理平台的打造，让传统的BA控制室成为后勤运行管理的“智慧中枢”，通过管理流程建设，让后勤传统的管理方式转化为一站式坐席服务模式，后勤系统运行的所有数据通过可视化大屏实时呈现，后勤的维保、巡检、维修等业务可通过大屏实现派单、催单、工单实时进度查看，让后勤各项业务电子化、可视化，让后勤管理提质增效。

图12.一站式服务中心现场图

1.4空间数据模型的搭建为智慧后勤建设提供更多可能

医院的建筑数据、设备数据、能耗数据以及医疗业务数据非常多，但往往互联互通的程度不高，各系统间存在信息孤岛，很难从整个医院的角度去实现全生命周期的数据管理和设备维护。

本项目通过构建数字孪生医院，为后勤管理提供详实可靠的空间数据，实现了房屋的可视化管理。并将空间数据作为载体，可与设备、能耗、人员行为等多源异构数据进行统一整合，最终实现所有数据的互联、互通、互用，形成基于空间数据的数字资产。随着物联设备的建设完善，更多业务数据的融合，更多管理维度应用场景的提出，逐渐实现整个医院的“自我感知”、“自我分析”，从而达到质的飞跃。

图13.局部空间数据模型展示

2.1 在建设前期对空间布局科学规划

利用数字孪生+AI技术，进行空间布局的科学规划分析。首先搭建医院建筑的数字孪生模型，同时提取医院门诊就诊患者的就诊历史数据，分析各科室患者就诊流程，通过大量样本数据，提取不同科室患者就诊数据模型，将模型导入到数字孪生平台中，驱动算法进行患者模拟就诊环节，观察患者在数字孪生楼宇中的就诊流程，查看就诊流程中的“易堵点”、“问题点”，分析空间规划设置是否合理。

2.2优化患者就诊流程

基于数字孪生+AI技术，优化患者就诊流程。结合医院信息化系统数据，实时接入患者就诊流程节点数据，在数字孪生场景中模拟推演患者排队及等待情况，通过设置在各检验科室、各服务窗口的带有AI边缘计算的摄像头，实时分析患者排队情况，通过微信公众号、小程序等手段，将AI计算后的最优化的就诊排队流程建议发送给患者，指导患者合理选择就诊路线，降低患者等待时间，提升就诊体验。

2.3通过运行数据积累，为设备管理提出科学建议

随着平台运行数据的不断积累，包括设备运行数据、故障数据、业务数据等，结合行业数据、其他专业数据，通过AI算法模型，对设备运行状态做出预警，并对如何有效预防设备故障提出科学建议。

山东中医药大学附属医院的数字孪生智慧后勤管理平台，可以充分发挥数字孪生场景的空间定位和数据处理分析的优势，将各类系统统一整合，实现了“建设、维护、服务”于一体的医院智慧后勤全生命周期管理。数字孪生智慧后勤管理平台还将不断纳入我院新建的建筑和根据实际需要增加新的功能模块。

随着人工智能、物联网、云计算、大数据、数字孪生等新一代信息技术的广泛应用，数字孪生技术构建的医院空间数据将逐渐成为医院医疗数据、服务数据和管理数据的综合载体。不断开展医院智慧后勤建设，并实现后勤与临床业务之间的智慧链接，通过多源异构的数据汇聚和分析，以及人工智能算法的运用，将后勤平台融合到医院业务平台中，充分发挥数据价值，实现智慧医院一体化平台，方便医疗一线人员使用和为管理人员智慧决策提供科学支持。