BIM和IoT技术在医院智慧运维中的应用分析

李莹莹， 魏洪林， 李 宁， 乐佳玲， 王艳敏

(1. 哈尔滨工业大学建筑设计研究院，哈尔滨 150001；2. 哈尔滨工业大学，哈尔滨 150001)

0 引 言

建筑运维管理在整个项目全生命周期里是耗时最长、信息量和工作量最大的一个环节，成本占整个项目的55%-75%，因此有效控制和管理该系统至关重要。近年来，为提升建筑运维管理的智能化水平，建筑信息建模(Building Information Modeling，BIM)与物联网(Internet of Things, IoT)技术成为两种不可或缺的关键技术，两者的结合被视为建筑信息业的革命性变革，紧跟国家对新基建、智慧城市等建筑信息化、智能化的发展趋势。

作为智慧城市的重要组成部分，智慧型医院正成为现代化医院建设的主流方向，是构建在智慧城市大脑基础设施上一个重要的应用分支，是智慧城市智能感知、互联互通、智慧化应用架构的典型应用场景。尽管IoT和BIM技术已经在医院类建筑物的安防、消防及各类机电设备中得到应用，但应注意到：目前医院智慧运维系统多集中在单一技术应用为主，虽然也涉及全生命周期，但主要集中在设计、施工阶段，运维业务也多限于设备管理和能耗监测方面，且在运维阶段的自动化和信息集成度涉及很少，这极大阻碍了我国医院智能化的可持续发展。

1 医院智慧运维系统概况

1.1 医院传统运维系统存在问题

传统医院运维系统(图1)的智能化程度多依赖于现场设备的集成化工程设计，且多基于现场总线、蓝牙、以太网等多种网络形式，即智能化升级改造多体现在网络通讯方面技术的应用，存在的突出问题包括：

图1 传统基于网络集成的医院运维系统

(1) 国内劳动力成本的逐年增加，人力成本是运维阶段需要考虑的重要因素。

(2) 传统的医院运维系统属于被动式运维管理方式，涉及到照明、通风、监控、电梯、通讯等各系统，包含了大量的设备和管线。由于缺乏高素质、技术全面型运维管理人员，一旦这些设备和管线出现故障，无法及时发现和避免，甚至是引发安全事故。

(3) 过度依赖设备间的联动与通讯，忽略人在运维系统中的作用，进而缺乏对突发事件的快速、准确决策能力。

目前，基于图1传统医院运维系统的智能化设计与升级改造主要由设计院和消防产品类科技公司两方承担。

1.2 医院智慧运维系统框架

随着BIM、IoT、AI、大数据、数字孪生、GIS等新一代信息化技术的发展与应用，目前医院的智慧运维系统框架，多采用基于“一个平台+N个应用”的设计框架(图2)，按照“纵向贯通、横向交换、条块融合”的智能化设计思路，可面向医院所有员工的门户，提供了人、财、物等各方面的电子化管理工具，并可共享医院已有系统的信息，最终将所有数据进行汇总分析，为医院管理决策提供了有力支持。

图2 医院智慧运维系统框架

具体地，医院运维系统的N个应用系统是建立在三个数据中心基础上，即运维系统的智能性均是基于数据驱动进行，BIM和IoT技术的有机结合，可通过“感、传、知、用”等技术手段，能基于数据融合技术统一数据标准、规范数据来源，对医院运维系统的内部、外部数据资源进行数据整合和数据处理，最终形成符合标准规范的数据资源，实现各级业务单位信息的互联互通，进而实现临床服务、患者就诊简约化、运营管理精细化、决策分析科学化、区域协同多元化这五类典型应用，为提高医院的竞争力与创新力提供重要信息支撑。

1.3 BIM和IoT在医院智慧运维的应用剖析

医院是一个功能齐全、业务量众多的复杂运维系统，BIM与IoT两种关键技术旨在用信息化的方式提高其工作效率、改善其服务品质，具体应用剖析如下。

目前BIM技术在医院建筑的建模内容主要包括系统级、模块级和物件级三个层次。其中系统级相比于民用建筑所涵盖的建筑模型、结构模型、机电模型外，特殊增加了医用专项系统模型，服务于诸如手术系统、医用气体系统、医用物流系统和放射防护系统等特殊部门；模块级具体为某个系统的局部设备，例如某个特定的手术室、液氧站、物流机房、检验科、核磁共振检查室等；而物件级则进一步细化为某个单独的设备，如无影灯、传输瓶、磁共振设备、主机设备等，通常由医院的BIM族库构成。虽然BIM技术已经在医院工程领域得到成功应用，但是如何结合医院智慧运维的系统集成仍然缺乏有效的理论和实践应用标准。

针对IoT技术，目前在智慧医疗系统应用的关键是保证其信息的正确感知，涵盖终端感知延伸层、网络支撑层和应用层三个层面。其中最基础层为感知层，主要负责对医疗系统的所有系统完成识别、信息采集和处理的功能；网络支撑层是物联网技术的关键和核心，起到将采集到的信息上下传递的作用；而应用层则是智慧医疗的具体应用，代表着整个智慧医疗系统流程。目前，IoT在智慧运维系统中，主要用于人员管理、空间管理、安全管理和能源管理，其作用包括实时数据采集、端到端的通讯、综合智能分析、优化运行控制，并将静态信息和实时测控信息做融合，通过合适的算法实现优化控制功能，表1为智慧医院常用系统的数据接口形式。如何协调众多设备采用统一的数据格式标准，避免数据孤岛，并保证其信息的正确感知至关重要，这是目前的关键和难点。

医院智慧各运维子系统的数据接口形式 表1

2 BIM在智慧医院应用状况分析

随着智慧城市概念的提出和建筑业信息化的时代要求，BIM软件的应用是大势所趋。图3为智慧医院BIM协同工作平台框架，其中(a)为涵盖BIM、设计、施工及各专业配合等的基本工作流程，(b)则为涵盖不同人员、业务、阶段等的具体实施内容与框架。

图3 智慧医院BIM协同工作平台框架

基于BIM协同工作平台，可充分发挥BIM轻协同、易管理优势，主要体现在：(1)跨平台浏览BIM模型，支持漫游、剖切、视口保存等操作；(2)BIM+二维码，通过二维码实现BIM数据与现场数据信息的高效有序交换；(3)材料跟踪管理，对每一种材料模块建立对应的二维码；(4)质量管理，可即时在移动端以照片、文字记录至云平台；(5)4D进度管理，实现计划任务、采集的完成时间与BIM结合，形成可视化的4D进度模拟；(6)资料管理，实现项目资料(图纸、文档、图片、视频等)的分类管理，与BIM构件关联，形成BIM资料库。

具体由图3(b)智慧医院BIM的具体实施情况，可见涉及涉及技术管理人员、运维人员、维保供应商、资产财务人员、高级管理人员等，涵盖业务执行层、业务管理层、数据处理处理层，进而实现BIM的可视化管理，并结合数据库和API接口，建立智慧医院的数据联动平台，实现对医院各类信息的智能化综合管理。

根据前瞻产业研究院《2018-2023年中国建筑信息模型(BIM)市场前瞻与投资战略规划分析报告》调研与分析，2016年我国建筑信息模型应用项目比率约为30%-40%，主要应用于建筑面积大于2万平米的建筑和政府投资项目。与《关于推进建筑信息模型应用的指导意见》提出的2020年目比率达到90%还相差甚远，可见我国BIM应用尚处于起步阶段，国家政策引导，以及建筑业市场发展倒逼，众多特一级企业愈发重视BIM投入，潜力非常巨大。

然而，目前BIM技术的应用还存在很多技术壁垒和障碍，BIM软件之间数据信息交互还不够畅通，无形中给应用的企业增加了重复劳动，提高了使用成本。此外，尽管当前设计和施工两大极端BIM数据对接已有较好的成果，然而要推动设计、施工、运维阶段数据的打通还需要一段时间，BIM软件厂商之间和市场等多方面的竞争使得BIM软件的标准化、规范化等方面还存在很多亟待解决的问题，进而对BIM技术的应用和开发既是一定的挑战，也是一种有力的发展机遇。

3 IoT在智慧医院应用状况分析

IoT被称为继计算机、互联网之后，世界信息产业的第三次浪潮，目前已在智慧医院中得到应用，但仅处于初级阶段，其应用框架如图4所示。该构架在IoT层面实现了不同楼层和不同子系统建的无缝协同，整个IoT系统通过IoT交换机和路由器收发消息。

图4 IoT应用框架

目前IoT在医院智慧运维系统各模块的应用较广泛，例如生命体征智能采集监控系统、非接触式体征采集监控系统、智能输液管理系统、医药物流储监管、医疗监护、医疗设备管理等，本质上IoT技术都是基于其“万物感知”的优势，辅助相关系统的决策制定。以生命体征智能采集监控系统为例，通过可实时监测并自动的采集病人的各项生命体征数据，包括温度、血氧、脉搏等生命体征，然后通过IoT使得数据采集并上传到医院的智能化平台，并能对患者异常情况进行自动预警；同时医护人员通过该平台可直接获取病人的信息，而不需要手工录入，并辅助形成智能化的护理决策。

综合IoT在医院智慧运维系统各模块的应用，本质上其应用都可归结体现在数据采集、传输、服务等方面。

在数据采集方面，为终端及感知延伸层，主要对各种物体识别和智能感知，完成信息收集处理。在智慧医院应用时，IoT技术涉及人，即医、护、患等；物，即药、医疗仪器、医疗垃圾等及其存放地等。设置有源标签发射信号，将监测数据入网，且可通过手持终端等进行数据读取。

在传输方面，为网络支撑层，其主要任务为管理信息，把采集处理的信息传递给其他层面。在智慧医院应用时，从医疗数据安全的考虑，最好引入WAPI认证机制，只有合法数字证书的标签等产品，才允许接入、发送和传输数据，以保证医院网络覆盖的安全性和可靠性。

在应用服务层方面，即智慧医疗的具体应用，可根据医院的各项服务按需定制，如紧急呼叫管理、医疗物资或设备管理等，同时对外提供Web Service接口，方便与医院信息等系统对接，实现数据共享。

4 结束语

BIM技术与IoT技术是相辅相成的，尤其是随着建筑运维系统朝着专业化、可视化、智化、信息化方向的不断发展，如果没有BIM技术，运维管理无法跟建筑物相关联，无法在三维空间中定位，无法对周边环境和状况进行系统地考虑；如果没有IoT技术，那运维系统则还是会停留在目前靠人为简单操控的阶段，没有办法形成一个统一高效的管理平台。