陳婕卿 張 鋒 朱衛(wèi)國(guó) 楊文航 楊欣壯 王辰超 周 力 朱朝輝

(中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院北京協(xié)和醫(yī)院 北京 100730)

1 引言

2020年4月30日工業(yè)和信息化部辦公廳發(fā)布《關(guān)于深入推進(jìn)移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)全面發(fā)展的通知》[1]，鼓勵(lì)各行業(yè)加速傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，快速推進(jìn)和發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。2021年3月15日國(guó)家衛(wèi)生健康委員會(huì)辦公廳印發(fā)《醫(yī)院智慧管理分級(jí)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)體系(試行)》[2]，指出醫(yī)院智慧管理是“三位一體”智慧醫(yī)院建設(shè)的重要組成部分，應(yīng)充分利用智慧管理工具提升醫(yī)院管理的精細(xì)化和智能化水平。其中實(shí)驗(yàn)室管理對(duì)應(yīng)醫(yī)院運(yùn)營(yíng)管理和運(yùn)行保障管理的范疇，應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)和信息數(shù)字技術(shù)助力智慧實(shí)驗(yàn)室管理能力提升，將成為未來(lái)重要發(fā)展趨勢(shì)。2021年5月中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院北京協(xié)和醫(yī)院建成轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施(以下簡(jiǎn)稱轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)樓)，充分發(fā)揮醫(yī)院的臨床資源優(yōu)勢(shì)，緊密圍繞老齡化相關(guān)心腦血管疾病、疑難重癥和罕見病等，開展多學(xué)科交叉綜合合作的臨床實(shí)驗(yàn)和科學(xué)研究。同時(shí)轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)樓承擔(dān)了基礎(chǔ)研究成果快速向臨床應(yīng)用轉(zhuǎn)化的任務(wù)。針對(duì)實(shí)驗(yàn)室資源高效利用的需求，如果沿用傳統(tǒng)管理模式將會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)室共享困難、儀器閑置、重復(fù)購(gòu)置、難以溯源和存在安全隱患等管理問題。因此協(xié)和醫(yī)院應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)、信息化、智能化和數(shù)字化技術(shù)手段，為轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)樓構(gòu)建智慧實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)，并積極采用先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備的精準(zhǔn)、智能管控，促進(jìn)科研活動(dòng)高效開展，提高實(shí)驗(yàn)室運(yùn)轉(zhuǎn)效率。本文將從系統(tǒng)架構(gòu)、技術(shù)方案和功能實(shí)現(xiàn)等方面詳細(xì)闡述轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)樓的智慧實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，為行業(yè)內(nèi)同類研究提供參考。

2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

智慧實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)用分層結(jié)構(gòu)進(jìn)行搭建，包括用戶界面(User Interface,UI)層、業(yè)務(wù)層、數(shù)據(jù)層和運(yùn)行環(huán)境層等。UI層由前端顯示層和UI框架組成，前端提供PC端Web頁(yè)面；業(yè)務(wù)層由業(yè)務(wù)邏輯層、業(yè)務(wù)服務(wù)層組成；數(shù)據(jù)層由數(shù)據(jù)接口層、實(shí)體倉(cāng)儲(chǔ)層組成；系統(tǒng)日志、權(quán)限控制的中間件模塊貫穿UI層、業(yè)務(wù)層和數(shù)據(jù)層，提供統(tǒng)一日志記錄服務(wù)及鑒權(quán)服務(wù)。數(shù)據(jù)資源層主要使用MySQL關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)。系統(tǒng)采用瀏覽器/服務(wù)器(Browser/Server，B/S)架構(gòu)，部署在Windows Server的互聯(lián)網(wǎng)信息服務(wù)器(Internet Information Services，IIS)中，運(yùn)行環(huán)境使用微軟最新的.Net Core框架，在Web應(yīng)用外部附帶監(jiān)控審計(jì)、檢查更新，見圖1。

圖1 智慧實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)架構(gòu)

3 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

3.1 概述

智慧實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)的核心業(yè)務(wù)包括4部分：實(shí)驗(yàn)室儀器管理、實(shí)驗(yàn)室?；饭芾怼?shí)驗(yàn)環(huán)境監(jiān)測(cè)和實(shí)驗(yàn)動(dòng)物管理。此外還包括信息發(fā)布、場(chǎng)地預(yù)約、文檔管理和考核管理等基礎(chǔ)功能。系統(tǒng)建設(shè)在保障安全的同時(shí)提升實(shí)驗(yàn)室資源利用效率和共享水平，并通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的儀器管控[3]。

3.2 實(shí)驗(yàn)室儀器管理

針對(duì)實(shí)驗(yàn)室儀器和設(shè)備能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)其總運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)、運(yùn)行狀態(tài)、實(shí)時(shí)開關(guān)機(jī)情況、設(shè)備故障率和被預(yù)約次數(shù)等信息。通過智慧實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)、儀器控制器和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的組合應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)預(yù)約人員的儀器使用權(quán)限分配和使用周期設(shè)定，管理員能夠?qū)崟r(shí)遠(yuǎn)程開啟、關(guān)閉儀器，實(shí)時(shí)設(shè)置、取消故障，并且一鍵同步儀器權(quán)限。另外儀器設(shè)備可設(shè)置定期維護(hù)及校準(zhǔn)提醒功能，可根據(jù)不同時(shí)段設(shè)置不同預(yù)約策略。在數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方面能夠統(tǒng)計(jì)人員的使用記錄、費(fèi)用明細(xì)、預(yù)約記錄以及儀器使用時(shí)間、使用次數(shù)、使用時(shí)間與空閑時(shí)間占比。

3.3 實(shí)驗(yàn)室危化品管理

選用防爆儲(chǔ)存專柜儲(chǔ)存?；?，通過安裝智能鎖和應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以軟硬件結(jié)合的模式進(jìn)行管理。一方面系統(tǒng)監(jiān)控防止?；繁槐I等問題的發(fā)生，另一方面在柜子底部配置漏液槽，防止液體意外流出等風(fēng)險(xiǎn)。管理方面包括數(shù)據(jù)錄入、物品領(lǐng)取、歸還和盤點(diǎn)4個(gè)階段。管理人員在智慧實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)錄入?；沸畔?，包括試劑名稱、規(guī)格、存量、每次最大取用量、保質(zhì)期等?？蒲腥藛T取用試劑并關(guān)柜門時(shí)柜中讀卡器自動(dòng)讀取并進(jìn)行危化品盤點(diǎn)，同時(shí)記錄取用的試劑名稱、時(shí)間和取用人。當(dāng)科研人員對(duì)危化品用后稱重、放回防爆儲(chǔ)存專柜后，系統(tǒng)自動(dòng)記錄此次操作的各項(xiàng)信息。放入試劑到柜子并關(guān)上柜門即視為歸還成功。最后系統(tǒng)進(jìn)行盤點(diǎn)，配合門禁、視頻監(jiān)控等管控手段實(shí)現(xiàn)危化品閉環(huán)安全管理。

3.4 實(shí)驗(yàn)環(huán)境監(jiān)測(cè)

實(shí)驗(yàn)室環(huán)境要求不同于一般公共場(chǎng)所，環(huán)境監(jiān)測(cè)的目的是保障實(shí)驗(yàn)正常運(yùn)行，預(yù)防突發(fā)事件發(fā)生，使管理人員能及時(shí)掌握和了解實(shí)驗(yàn)室情況以減少損失[4]。環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊由3部分組成，包括溫度智能控制器、環(huán)境監(jiān)測(cè)智能控制器和斷電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其中環(huán)境監(jiān)測(cè)智能控制器可通過智能感知探頭對(duì)有特定溫濕度、氣體濃度要求的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行信息采集并進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)換，再經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)上傳至服務(wù)中心[5]。整個(gè)流程智能、高效，無(wú)需人工干預(yù)，為實(shí)驗(yàn)環(huán)境監(jiān)測(cè)提供可靠依據(jù)，見圖2。

圖2 實(shí)驗(yàn)環(huán)境監(jiān)測(cè)管理流程

3.5 動(dòng)物房管理

智慧實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物管理模塊設(shè)置主要是為解決傳統(tǒng)管理中各環(huán)節(jié)松散、關(guān)聯(lián)度低等問題，以及各類申請(qǐng)及審批線下處理的辦公效率低下問題。核心業(yè)務(wù)流程主要包括倫理實(shí)驗(yàn)在線學(xué)習(xí)和培訓(xùn)、倫理申請(qǐng)和審核、實(shí)驗(yàn)申請(qǐng)和審核、籠位分配和綁定、實(shí)驗(yàn)預(yù)約和管理等。此外該模塊具有科研人員訪問使用和管理員后臺(tái)統(tǒng)一管理功能，包括登錄、預(yù)約、審核等操作；系統(tǒng)后臺(tái)具備人員培訓(xùn)、實(shí)驗(yàn)管理、倫理審批管理、寄養(yǎng)喂養(yǎng)管理、動(dòng)物生產(chǎn)、籠位管理等多種功能，見圖3。

圖3 實(shí)驗(yàn)動(dòng)物管理業(yè)務(wù)流程

4 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用

近年來(lái)物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things，IOT)已被定位為我國(guó)新基建和戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)質(zhì)是泛在網(wǎng)絡(luò)融合協(xié)同的一種網(wǎng)絡(luò)工作模式[6]，其由智能感應(yīng)設(shè)備、傳輸網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)構(gòu)成。本研究中的設(shè)備應(yīng)用無(wú)線、有線和移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，通過傳輸控制協(xié)議及互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議(Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP)與專用監(jiān)聽軟件進(jìn)行長(zhǎng)連接通信，監(jiān)聽軟件再使用SignalR技術(shù)與核心服務(wù)器通信[7]。在物聯(lián)網(wǎng)智能管理方面，以軟件和硬件結(jié)合為基礎(chǔ)，通過醫(yī)用冷鏈智能管控模塊、物聯(lián)網(wǎng)儀器電源控制器、溫度智能控制器、冰箱智能控制鎖等IOT物聯(lián)網(wǎng)控制器，對(duì)實(shí)驗(yàn)人員使用情況、冰箱開關(guān)情況和溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的智能管控[8]。本研究中采用的物聯(lián)網(wǎng)儀器電源控制器通過儀器智能控制器開關(guān)來(lái)管控儀器電源，具有超強(qiáng)抗干擾能力以及計(jì)量、控制、限制、管理等功能，可以實(shí)現(xiàn)控制儀器使用權(quán)限的目的。該控制器支持刷卡識(shí)別、指紋識(shí)別和二維碼控制3類模式，綜合以上3種控制方式進(jìn)行智能控制器設(shè)計(jì)， 3種模式互不干擾、互相補(bǔ)充，見圖4。

圖4 物聯(lián)網(wǎng)電源控制器應(yīng)用模式

5 系統(tǒng)運(yùn)行情況

5.1 建設(shè)情況

歷經(jīng)5個(gè)月2021年3月4日完成智慧實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)項(xiàng)目建設(shè)，建設(shè)內(nèi)容包括需求調(diào)研、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、研發(fā)實(shí)施、用戶培訓(xùn)等。在系統(tǒng)建設(shè)中從人員、環(huán)境、安全、儀器、數(shù)據(jù)5方面充分進(jìn)行需求評(píng)估，從多個(gè)緯度為科研實(shí)驗(yàn)室提出新的管理理念與方式，為實(shí)驗(yàn)室儀器管理、實(shí)驗(yàn)室?；饭芾?、實(shí)驗(yàn)環(huán)境監(jiān)測(cè)和實(shí)驗(yàn)動(dòng)物管理4方面核心業(yè)務(wù)提供能力支撐和技術(shù)保障。

5.2 運(yùn)行情況

自2021年8月12日啟動(dòng)智慧實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)試運(yùn)行以來(lái)，已注冊(cè)用戶279名、共享儀器163臺(tái)、累計(jì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備使用機(jī)時(shí)達(dá)3 503小時(shí)，系統(tǒng)整體運(yùn)行平穩(wěn)。部署該系統(tǒng)前實(shí)驗(yàn)室儀器預(yù)約采用手工登記和電話聯(lián)系方式，部署系統(tǒng)后則采用線上預(yù)約模式。統(tǒng)計(jì)部署系統(tǒng)前后所需的預(yù)約工作時(shí)長(zhǎng)并匯總，Tm代表預(yù)約所需最可能時(shí)間，To代表最快完成預(yù)約的樂觀時(shí)間，Tp代表最慢完成預(yù)約的悲觀時(shí)間，通過三點(diǎn)估算法[9-10]進(jìn)行評(píng)估，估計(jì)預(yù)約所需時(shí)間T=(To+4×Tm+Tp)/6。對(duì)比部署該系統(tǒng)前后的儀器預(yù)約所需時(shí)長(zhǎng)，部署系統(tǒng)前約為8.17小時(shí)，部署系統(tǒng)后則僅需1.08小時(shí)，工作效率顯著提升，見表1。智慧實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)的搭建不僅支撐轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)業(yè)務(wù)和實(shí)驗(yàn)室資源共享，而且將實(shí)驗(yàn)室管理信息化水平提升到新高度。

表1 調(diào)查數(shù)據(jù)(單位：小時(shí))

6 結(jié)語(yǔ)

本研究梳理智慧實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案和管理模式，總結(jié)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在實(shí)驗(yàn)室儀器管理、實(shí)驗(yàn)室危化品管理、實(shí)驗(yàn)室環(huán)境監(jiān)測(cè)和實(shí)驗(yàn)動(dòng)物管理等方面的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。研究仍有不足之處，目前數(shù)據(jù)積累情況尚不足以進(jìn)行決策支持，智慧實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)在整合數(shù)據(jù)資源的同時(shí)，下一步工作中將實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)行數(shù)據(jù)的自動(dòng)收集和統(tǒng)計(jì)分析，為實(shí)驗(yàn)室未來(lái)建設(shè)規(guī)劃提供可靠的數(shù)據(jù)和決策支撐。智慧實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)的成功建設(shè)進(jìn)一步反映了其在設(shè)備共享、便捷管理、流程優(yōu)化和節(jié)約資源方面具有較好的推廣意義和應(yīng)用價(jià)值。智慧實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)建設(shè)是現(xiàn)代化智慧醫(yī)院建設(shè)和醫(yī)院智慧管理的重要組成部分，為轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)樓臨床實(shí)驗(yàn)和科學(xué)研究提供有力保障，未來(lái)將進(jìn)一步助力轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)管理的高水平、多元化和國(guó)際化發(fā)展。