基于IPv6 与5G 技术的医院物流机器人应用研究

□ 李宽省 LI Kuan-sheng 王弢 WANG Tao

医疗机构物流运输种类多、数量大，涵盖医疗器械、耗材、药品、标本、医疗废弃物等，据估计国内医院大约有46%的预算被投入到物流相关领域，其中人力劳动投入约19%[1]。物流机器人是人工智能高新技术高速发展的产物，能够满足医院运输物资种类数量多、体积多样、运送频次高、配送位置精准、及时高效等复杂需求[2-3]。2020年新冠疫情期间，更加凸显了机器人在物流、生活管理、治疗护理、宣教引导等方面的优势，有效减轻了医护人员工作负担及院内交叉感染[4]，彰显了智能机器人在医疗行业的广阔应用前景。

2023年4月，国家印发了《关于推进IPv6 技术演进和应用创新发展的实施意见》，提出推动IPv6 与5G、人工智能等技术的融合创新[5]。5G 技术突破了现有通信技术下的瓶颈，具备了低时延、移动性、高带宽、海量连接等特色，这大幅提升了自主移动机器人(AMR)的大规模接入能力和调度能力，使得机器人行业的技术得以实现多层次的升级[6]。IPv6 拥有更高的网络转发效率、更好的移动性支持、更优秀的路由性能等优势，同时在保密性、完整性方面也有显著改进[7]。伴随互联网医疗和智慧医院建设，各种基于IPv6和5G 技术的移动互联网医疗和管理应用层出不穷，为医务人员、患者以及医院管理人员带来了全新的服务体验和管理方式。然而，基于IPv6 和5G 技术的移动互联网在医院物流领域的应用研究还有待深入，特别是IPv6 与5G 技术与医院物流机器人结合产生的创新应用还有待我们去深入挖掘。

本研究以上海交通大学医学院附属瑞金医院药品配送场景为例，以IPv6 与5G 技术为出发点，探讨医院物流机器人应用的发展机遇，进而通过对现有无线网络的改造，构建支持IPv6 与5G 的网络环境，确保物流机器人在运行过程中的通信功能得到充分保障。

建设方案及实践

1. IPv6 与5G 医疗专网建设。围绕服务、管理、医疗“三位一体”的智慧医院建设目标，医院对现有网络基础设施进行了全面升级与改造，精心构筑具有IPv4/IPv6 双栈承载能力的IPv6 与5G 医疗专网，以满足广大患者的诊疗服务、医院管理与日常办公等多样化需求。在网络规划方面，我们逐步从IPv4 过渡至IPv4/IPv6 双栈，并最终过渡至IPv6单栈。

IPV6 与5G 医疗专网采用了“IPv4 源站+地址转换+IPv6 边界安全防护”技术方案，调整了DNS 指向，通过协议转换技术实现了IPv6 可达。同时，边界防火墙全面支持IPv4/IPv6双协议，对双栈数据报文进行严格的访问控制、高效的路由转发以及便捷的流量管理。具体的网络拓扑参见图1 所示。

图1 IPV6与5G医疗专网网络拓扑

2.无线专网导航。采用的物流机器人装备了先进的3D激光雷达，内置多传感器融合定位算法，具有构建和定位3D 高清地图的功能，能以百倍的定位信息量提供精确的定位服务，借助于IPv6 与5G 专网，设备的障碍躲避及定位导航能力得到显著提升。物流机器人室内导航技术，主要包括全局导航定位技术以及导航运动技术。在运行过程中，物流机器人的视觉传感器会实时收集周围环境信息，并通过IPv6 与5G 专网把这些信息实时传输到服务器(机器人调度系统)。服务器上设有专门的处理单元，负责运用相应的视觉处理算法，作出实时决策，并以高速度、低延迟将决策指令发送至各个机器人，以便及时调整机器人的运行姿态和行进路线。

3.无线专网下的运行调度。电梯与门禁调度、物品装卸、状态监测与自动充电、集群运行调度等环节都需要通过IPv6 与5G 网络与服务器(调度系统)进行实时的数据传输通信。其中包括以下几个方面的要点：(1)电梯与门禁调度，物流机器人需要通过医院内的电梯完成跨楼层运输任务，同时还需要在门禁处实现跨区域运输，这整个过程都需要依赖无线网络实现机器人、电梯、门禁(改造后)以及后台服务器之间的交互协作；(2)物品装卸调度，为了保证物品运输的安全性，物流机器人、PDA(或其他终端)、关涉人员以及后台服务器之间需要建立起一套无线网络连接的认证和调度机制，主要涉及机器人呼叫、开箱存放、取货以及运送状态信息通知等环节；(3)状态检测与自动充电，当物流机器人出现故障时，相关故障信息会通过无线网络传输到后台服务器，从而为运维管理人员提供及时的维修服务；(4)集群运行调度，机器人调度系统可以根据获取到的机器人信息(状态、位置、交通状况等)，调度多个机器人分别执行各自的任务，解决可能出现的避让问题和方案优化等问题。集群调度对网络的带宽、延迟性有较高的需求。

药品运送实践及成效分析

1.药品运送流程。机器人药品配送工作业务流程，见图2：(1)药房将指定病区的药品进行打包装箱后，PDA 或计算机操作机器人调度系统呼叫机器人；(2)机器人到达药房后，药房打开机器人箱门存放，经扫描箱码后，操作机器人触摸屏确认“装车完成”；(3)机器人开始按照调度系统的定位、导航自动乘电梯、开门到病区配送药品；(4)到达病区后，护士通过工号牌打开箱门，取出药箱并使用PDA 扫描签收；(5)收货完成后，机器人自动前往下一个病区配送，直到配送任务完成；(6)返回到药房发药处等待，机器人电量不足的时候，会自动前往指定地方充电存放。

图2 药品运送流程

2.实践情况。在IPv6 与5G 医疗专网环境下，2 台物流机器人在6 个病区进行了为期1年的药品运输试用运行。根据后台数据统计显示，机器人总共出发2384 次，行驶总距离达到436.8 公里，承载总重量达46785 千克，总计完成了14060 笔运单。试用期间，共出现了11 次异常情况，主要原因包括系统本身的故障或人为操作导致机器人无法正常配送，经计算，异常率约为0.46%单次发车运送中，机器人均需兼顾3 个不同病区站点的货物，第一个站点的平均到达时间为2 分钟，同楼层的第二个站点则为5 分钟，而对于非同楼层的第二个站点，受制于电梯使用情况的影响，平均时间则为10 分钟(差异较大)，至于最后一个站点的平均到达时间则为14 分钟。详细信息请参考表1。

表1 机器人与人工运送数量及时间

3.成效分析。在运行状况方面，5G 的时延已经达到了毫秒级别的程度，覆盖的盲区相对较少。借助于IPv6 协议本身更高的网络转发率、更出色的移动支持性以及更好的路由性能，使得机器人和服务器之间的通信延迟得到有效降低，实现了实时、高速的通信。

经济效益方面，机器人能够24 小时不间断地进行物品运送，根据我们对医院6 个病区的监控数据显示，这将帮助后勤部门节省超过2 名运送岗位的人力资源。同时，也节约了护士对接物流的时间，降低了对接的复杂度，从而提高了护理工作的效率。

运维管理方面，依靠IPv6 与5G 网络和物流机器人的导航运动技术。如果需要调整运行地点和路线，只需远程操作一台机器人前往目的地进行地图构建、情境学习，然后顺利完成新路线的设置。这项措施并无需厂家专业运维人员进行定位标签的粘贴或者现场改造、规划新线路，进一步提升了运维管理的灵活性和高效性，同时降低了运维开支。

疫情防控方面，对隔离病房和发热急诊的物资运送，不仅缓解了医务人员短缺的问题，同时也在降低院内感染风险中发挥了关键作用，提升了患者的满意度。

规范管理方面，从整个运营过程中观察，机器人的运送更加规范化、更有效率以及配送的准确性更高。在运送医疗物资的过程中，对其的可追溯性、安全性以及保障性更好，流程管理也更加有条不紊。

网络安全方面，后台物流机器人服务器可与医院的HIS、LIS、SPD 进行柔性的对接，医院系统数据库中有大量敏感信息，保障用户数据安全尤其重要。后台服务器支持使用IPv6，用户可以对网络层的数据进行加密并对IP 报文进行校验，极大地增强了网络的安全性，有效防止了黑客破解、控制机器人、偷盗机器人所运送物资等可能发生的情况。对于对安全性有极高要求的医院来说，具有重大的价值。

讨论

1.物流机器人方案选择。现有的可替代人工运输的机械物流解决方案，如轨道小车、箱式物流系统、垂直井物流传输系统及气动物流传输系统，这些解决方案有着共同的缺点：建设成本高，必须在建筑规划阶段纳入考虑范围，且载重量较低[4]。而智能移动机器人则既可以满足传统轨道物流与中型物流物品的传输要求，亦可实现解决轨道和箱式的载重与安装维护问题，且改造成本相对较低，无需对建筑本体进行施工，从而节省了工期与成本[8]。然而，智能机器人亦存在问题，在人流密集的通道运行时，需要进行特殊设计，且其速度略显缓慢，尚待进一步探讨解决。

2.网络安全风险。设计上，IPv6 协议比IPv4 协议在保密性、完整性等方面有显著改进，拥有不可替代的优势特征，然而，新技术在应用推广阶段必将面临诸多安全风险，因此需持续完善解决方案。目前，IPv6 相关技术正逐步普及与成熟，环境中的服务与应用显著增多，但IPv6 的大部分设计和应用并未经过时间、规模方面的考验，仍存在安全隐患，而且由于IPv6 具有的某些新特性也将不可避免地引入部分特有的安全风险[9]。

3.助推医院物流精细化管理。提升物流配送服务水平与质量不仅关乎医院后勤高效管理，更涉及临床医疗工作效率，乃至医院提供优质的医疗服务。而医院物流精细化管理需要信息化手段推动的智慧医院建设，尤其需要新一代信息技术的持续融入与演化。IPv6、5G 等新兴技术所构建的新型网络正是智慧医院的基础设施，也是智能物流机器人等现代化特色化应用的重要保障，将在智慧医院建设的各个层面、各个领域发挥作用，以此助力医院物流的精细化管理。

展望

随着大规模接入的集群式智能机器人陆续到来，机器人边缘端将日益简化，数据存储与处理、定位导航、路径规划等运算能力将从单个机器人个体转移至云端(调度中心)，使得机器人个体硬件成本下降，从而提升了机器人的智能性与可迭代性[6]。IPv6 与5G 无线网络能够对大规模接入、集群调度和智能运维提供强大的网络支持，在云端与机器人之间建立可靠、安全的连接，充分发挥调度系统的运算处理和调度能力，使得机器人边缘端简洁化、低成本化成为可能，解决了传统网络大范围改造的高成本和复杂度问题，减少对医院原有设施结构的影响，验证过的机器人物流效果将得以数倍提升。未来，应用的规模化将使得物流机器人可以跨领域综合承担导诊、巡检、保洁、消毒、护理、急救、宣教等多项任务，人工智能的潜力与经济价值也将被释放。