数字孪生和AI 赋能下的医院智慧院区

文/彭永安 季新华 李梦祥 祝高杰 产晟

基于数字孪生和AI 的智慧院区综合指挥平台的建设将有效提升院区智慧化安全管理水平和效率，实现对院区管理降本增效的建设目标。

作为我国医疗服务体系的主体，公立医院的高质量发展关乎整个社会民生。2021年6月，《关于推动公立医院高质量发展的意见》明确了公立医院应积极完善内部控制制度，推广医院后勤“一站式”服务。同时建立医院运营管理决策系统，提升医院管理的科学化、规范化、精细化程度。

本文以上海交通大学医学院附属国际和平妇幼保健院奉贤新院区应用为场景，结合医院后勤和安全实际管理需求，将保障整个院区安全、绿色、高效、稳定运行的各重要系统纳入统一的监管平台中，锻造出一件针对大型院区“一站式”运维的管理利器。探索基于数字孪生和AI的智慧院区综合指挥平台在医院高质量发展过程中的应用场景。

数字孪生医院建设

上海交通大学医学院附属国际和平妇幼保健院奉贤新院区（以下简称“国妇婴奉贤新院区”）作为上海市重大建设项目之一，也是上海市“五大新城建设”中首家新建启用的三甲医院，占地面积为6.6万平方米，总建筑面积为100524平方米，拥有500张床位。国妇婴奉贤新院区的建设将有效解决上海奉贤等南部郊区医疗资源相对薄弱的问题，每年将有大量的门急诊以及住院人次。如此庞大的建筑体量以及业务量，对于院方如何能够更加安全、高效、全面地管理好院区内人、财、事、物提出了更高的要求。

医院后勤管理作为医院整体管理的关键组成部分，其对院区内包含医疗、科研等各项工作的开展发挥着至关重要的保障作用，有着覆盖面广、影响面大的管理特点。因此，通过将医院建筑、安防、消防、BA、能耗、机电、暖通、BIM、停车、保修等各类系统数据纳入统一的管理平台中，构建“一站式”的后勤服务体系将为院区运维工作高质量发展提供坚实支撑。

通常大型系统集成类平台的建设都需要一个高效且精细的业务及数据载体，传统的二维数据平台通常存在着对建筑本体的几何信息表达的局限性，无法充分体现在大型院区管理过程中建筑运行数据与物理实体的关联关系。

因此，通过对物理世界的数字孪生建设，将医院建设过程中产生的BIM数据转化为虚拟世界中的孪生医院，用于全面承载院区日常的运行数据与各类后勤管理工作中的业务关系，实现跨层级的物理世界与虚拟世界的无缝衔接，搭建好未来支撑万物互联的智慧院区核心技术体系。

数字孪生应用价值成效

数字孪生通过构建物理实体的数字孪生体，映射物理实体在真实环境中的变化，模拟物理实体在真实环境中的行为和特性，以实现故障诊断、状态监控和趋势预测。

基于数字孪生技术建设的系统是实体医院在计算机环境中的虚拟映射，系统以建筑模型为核心对分布在各异构系统中的信息数据进行采集，运用数字孪生技术、AI技术、物联网技术、大数据分析及中间件等技术对这些数据进行封装与融合，并通过定义统一的资源模型和数据存储接口打通各系统间数据格式的差异，再通过一个平台展示出来，见图1。

图1 系统架构图

基于数字孪生等技术，整合院内的智能化系统、数据与人员、建筑信息，建设涵盖所有服务、辐射对应的业务的数字孪生平台。对日常的智能设备的监控、空间的分配、能耗的监管、安防系统与楼宇BA系统报警、业务工单的提报与处理、车位的闲忙情况、建筑生命周期的管理及其他业务系统数据通过科学的统计方法进行统筹，并集成至一个平台上进行展示，有效提高数据的利用率，实现后勤“一站式”服务平台管理理念。系统功能根据日常使用场景不同划分为日常运营模式与建筑运维模式。

目前数字孪生技术的应用：一是以AI摄像头应用为基础助力安消防“一体化”管理。平台首先对安消防在基础硬件层面进行融合，即使用多传感器融合的探测器，实现对视频、温度、烟雾、火点等多维感知；其次集成融合传统消防、安防系统于一体；在此基础上再对软件架构进行融合，基于统一架构形成软件功能的组件化；最后对业务层面进行融合，当防区报警时，可联动处置，快速开启门禁，并根据人流情况进行疏散，提升应急指挥能力，实现一体化管理。

目前已全面接入院内1534路高清摄像头，通过后端算法服务器实现监控的三维自动巡更、区域人员密度统计、进出院人数统计；在行为识别动态捕捉方面，对口罩未佩戴、摔倒、吸烟、人员聚集、消防通道堵塞、明火明烟等进行有效自动识别，并联动安消防报警。

在院区已完成38个重点区域安消防算法布控，达到秒级自动报警；实现针对48个候诊区域实时人员密度监控，见图2。

通过从无到有的建设，使医院管理人员对医院每日进出人流量、每日高峰时段的重点区域人员密度、拥挤程度有了整体把控，并可根据人员管控数据情况进行统计分析，调整相应的运营策略，改善就医环境。

二是以可视化为驱动赋能空间统筹规划管理。基于可视化的空间管理，在模型与空间信息高度还原的基础上，能动态且直观地展示建筑外部及内部不同层次的空间细节。此次建设建筑面积共计100524平方米，涵盖3349个单位空间，将每个空间按照特定类型进行分类展示，比如根据空间类型、使用科室的差异用不同颜色对相应空间进行着色显示，提升空间信息的可读性。另外空间信息除了包含空间本身的一些物理信息、功能属性之外，通过对空间信息的统计与分析，能准确地描述空间的使用现状，揭示空间的占用特征及规律，进而为空间需求的预测提供强有力的依据，提升医院的空间管理水平，实现空间利用效益最大化，见图3。

2 候诊区域人员密度监控。

3 可视化空间管理。

三是以物联网技术与业务相结合实现能耗精细化管理。通过建设能耗管理模块，对院内的能耗消耗全过程实现动态平衡管理。针对院区内三栋建筑共18个楼层里共831个智能水表、电表、能量计数据进行采集计量与实时监测，并按照医院的建筑区域、科室机构、能源种类、电能分项等不同维度对数据进行统计，并以表格、曲线图、柱状图、饼状图等方式直观展示医院内各区域、各科室各类能源消耗的规律，使得各项节能效果可计可量，提高了医院用能的科学化水平。

今后，可借助大量的历史能耗数据，结合各种大数据分析、计算机等技术，提取合理可靠的有用信息，从能源源头到用能终端，设计科学的监测和管理新模式，辅助后勤管理人员制定行之有效的节能改造措施，逐步降低运行费用，实现医院能耗管理工作的科学化和精细化。

四是以互联网手段优化停车流程。由于医院地下停车场的空间较大，各停车区域有着相似的标志物和场景，病人或者家属在停车就诊后，寻找车辆离场时往往会遇到一定的困难，寻车导航不可或缺。然而当车辆驶入地下停车场等大面积的室内场所时，由于卫星信号受到建筑物的严重干扰，车辆通常难以接收到GPS／北斗信号进行定位，传统的通用型地图对医院内部结构路线不够直观清晰，因此现有的地图导航无法实现导航功能。

医院以互联网手段，在停车场车位、出入口电梯间张贴二维码用于位置定位。当车辆停入车位后，车主微信扫描车位二维码，无需下载即可无感进入小程序与车位信息进行绑定；并可快速导航医院主要区域，如门诊、急诊、住院部等的电梯导航路线；取车时扫描所在位置附近的二维码，根据之前绑定的车位位置信息可快速生成寻车最优路径；并可支付停车费，提供“一站式”停车体验。

通过对全院B1、B2层停车场288个车位、23个电梯出口设立定位二维码，可对寻车路线进行实时、高效、准确的路线指引，完成“停车→寻找电梯→就诊→寻找车辆→付停车费”的全流程闭环。

五是构建统一交互信息集成监管平台提升应急处理能力。平台集成安防、消防、暖通、给排水、BA等多个子系统数据，提供算法识别事件报警与设备异常报警的统一监管。预先配置好设备的阈值，当检测到实时数据超阈即刻产生报警信息。同时在报警中心进行声光联动，及时通知到对应管理人员，快速进入应急处理流程。通过报警中心的统一交互，在平台中实时监管，根据联动规则同步定位至事发场景区域，查看险情现场画面图片、调用附近摄像头，为值班人员提供更多快速处置参考依据，最大限度地减少损失。

报警中心涵盖未佩戴口罩、人员聚集、摔倒、明烟明火、消防通道堵塞、抽烟等6大识别算法，连接安防、消防、暖通、给排水、冷热源、电梯、医用气体、水务等8大系统，提供80余类设备的状态实时监控，集成全平台的数据信息，助力全面提升应急处理能力。

以数字孪生技术和AI算法为基础构建的智慧院区运维管理平台，结合了仿真、物联网、AI等技术，实现数字化协同，让建筑变成一个能够全面感知的容器和载体，将物联数据融入可视化立体场景中，加之平台的预警、主动式运维机制，为医院管理者提供集中、高效、便捷、多样的管理模式。数字孪生技术赋能医院成为单一系统互通的载体与聚合平台，一方面给医院提供院内各系统的运行态势、数据的集中研判与分析，辅助决策层进行顶层设计，另一方面对应急指挥等工作的智慧化发展提供更多的可能。