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      基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的醫(yī)院智能物流系統(tǒng)模型構(gòu)建研究

      2024-12-04 00:00:00周岐山金冠楠林航陳詩(shī)超鄭晟
      關(guān)鍵詞:系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型構(gòu)建醫(yī)院

      摘 要:隨著醫(yī)院物流系統(tǒng)的復(fù)雜性不斷提高,如何優(yōu)化和管理該系統(tǒng)成為研究焦點(diǎn)。本研究基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法,針對(duì)醫(yī)院智能物流系統(tǒng)進(jìn)行深入探討,并構(gòu)建模型。主要目的是解決現(xiàn)有物流系統(tǒng)中的效率低、資源浪費(fèi)等問(wèn)題。研究結(jié)果表明,經(jīng)過(guò)優(yōu)化的物流模型能夠提高30%的工作效率,并減少20%的資源浪費(fèi)。本研究的創(chuàng)新點(diǎn)在于首次采用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法針對(duì)醫(yī)院智能物流系統(tǒng)進(jìn)行建模,為醫(yī)院物流管理提供全新的解決思路,具有重要的理論價(jià)值和實(shí)際應(yīng)用前景。

      關(guān)鍵詞:系統(tǒng)動(dòng)力學(xué);醫(yī)院;智能物流系統(tǒng);模型構(gòu)建

      中圖分類號(hào):TP 391" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

      1 醫(yī)院智能物流系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀

      隨著科技的快速發(fā)展和醫(yī)療行業(yè)對(duì)高效運(yùn)營(yíng)模式的不斷追求,建立一個(gè)集成、靈活且自適應(yīng)的智能物流系統(tǒng)變得至關(guān)重要。本文以福建醫(yī)科大學(xué)孟超肝膽醫(yī)院為案例,在智能物流系統(tǒng)應(yīng)用中,實(shí)現(xiàn)了醫(yī)療物品傳輸賦能,達(dá)到全院物流自動(dòng)化目標(biāo)。綜合利用72臺(tái)自驅(qū)動(dòng)小車和智能軌道物流傳輸系統(tǒng),串聯(lián)48個(gè)軌道站點(diǎn),實(shí)現(xiàn)了門(mén)診醫(yī)技樓、住院樓、醫(yī)學(xué)中心以及行政科研樓等關(guān)鍵區(qū)域的精確物流傳輸,確保藥品、標(biāo)本、單據(jù)等重要物品及時(shí)、準(zhǔn)確地配送至各職能科室與護(hù)理單元,例如中心供應(yīng)、病理科、手術(shù)室、檢驗(yàn)科、住院藥房和ICU等。其自動(dòng)化物流網(wǎng)絡(luò)主要貫通二層的靜脈配置、住院藥房和中心檢驗(yàn)等大功能科室,以便大批量常用物品快速高效的發(fā)送至各軌道站點(diǎn)。該智能物流系統(tǒng)的主水平連接層設(shè)計(jì)在二層,最低安裝高度位于3000mm,滿足醫(yī)院安全運(yùn)行高度空間要求[1]。

      2 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論與模型基礎(chǔ)

      2.1 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的基本原理

      在智能醫(yī)院物流系統(tǒng)的構(gòu)建中,系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)提供了一個(gè)理論框架和方法論,通過(guò)研究系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性質(zhì)和控制機(jī)制來(lái)優(yōu)化醫(yī)療物流過(guò)程。具體來(lái)說(shuō),假設(shè)智能小車的位置為狀態(tài)變量x(t),系統(tǒng)輸入變量u(t)代表目標(biāo)速度或目標(biāo)位置,而輸出變量y(t)描述的是物品的實(shí)際傳輸狀態(tài)或小車的實(shí)際速度。系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的基本方程如公式(1)所示。

      (1)

      在該框架下調(diào)整輸入變量u(t)(例如,調(diào)整小車的目標(biāo)速度或改變目標(biāo)位置)。

      式中:為速度變量;f為函數(shù);g代表額外作用力。對(duì)狀態(tài)變量x(t)和輸出變量y(t)動(dòng)態(tài)控制和優(yōu)化,提升物流效率和響應(yīng)速度。若進(jìn)一步簡(jiǎn)化并量化分析,可構(gòu)建線性時(shí)間不變的連續(xù)系統(tǒng)模型,如公式(2)所示。

      (2)

      式中:A、B、C、D分別為系統(tǒng)的狀態(tài)、輸入、輸出、矩陣,通過(guò)合理定制這些矩陣,智能物流系統(tǒng)能精確控制小車的位置與速度,實(shí)現(xiàn)物流效率最大化。

      2.2 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)在物流系統(tǒng)中的應(yīng)用價(jià)值

      在深入探討系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)在醫(yī)院智能物流系統(tǒng)中的應(yīng)用價(jià)值過(guò)程中,技術(shù)層面的細(xì)致化表達(dá)成為關(guān)鍵。構(gòu)建的數(shù)據(jù)模型通常融入狀態(tài)方程、流量方程以及存量調(diào)整時(shí)間的具體參數(shù)。例如,在系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型中,對(duì)于一個(gè)物流節(jié)點(diǎn)i,其物流量(Fi)可以通過(guò)以下?tīng)顟B(tài)方程描述,如公式(3)所示。

      Fi(t)=Si(t)/Ti " " " " (3)

      式中:Si(t)為節(jié)點(diǎn)i在時(shí)刻t的物料存量;Ti為其存量調(diào)整時(shí)間。該方程揭示了節(jié)點(diǎn)i的物流量與其存量及調(diào)整時(shí)間的關(guān)系,為物流節(jié)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)行為提供了數(shù)學(xué)化的描述。

      2.3 動(dòng)態(tài)建模的核心概念與流程

      在醫(yī)院智能物流系統(tǒng)中,動(dòng)態(tài)建模的核心概念與流程關(guān)乎多維度參數(shù)的交互性分析與系統(tǒng)行為的動(dòng)態(tài)模擬。系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)關(guān)注的是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和行為之間的內(nèi)在聯(lián)系。利用狀態(tài)流量圖表達(dá)醫(yī)院物流系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性,例如使用存量與流量圖(StockandFlowDiagram)展示藥品儲(chǔ)存(存量)和運(yùn)輸速率(流量)之間的關(guān)系。如圖1所示[2]。核心概念如反饋、延遲和非線性決策鏈在物流系統(tǒng)中反映為實(shí)時(shí)庫(kù)存信息(feedback)如何調(diào)節(jié)物資調(diào)度(delay)以及該過(guò)程中的多方策略協(xié)同(non-lineardecision-makingchain)。流程通常包括定義問(wèn)題邊界、識(shí)別關(guān)鍵變量與因果關(guān)系、構(gòu)建初步模型、校準(zhǔn)及驗(yàn)證模型和策略測(cè)試與優(yōu)化。

      2.4 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的驗(yàn)證與仿真技術(shù)

      在醫(yī)院智能物流系統(tǒng)的框架下,系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的驗(yàn)證與仿真技術(shù)為確保模型精度和預(yù)測(cè)能力提供了科學(xué)基礎(chǔ)。設(shè)模型初始藥品存量為S0,通過(guò)動(dòng)態(tài)模型的形式化定義流入流量I(t)和流出流量O(t),其中t表示時(shí)間,設(shè)定某一醫(yī)療物資的流入速率與需求量D(t)、存儲(chǔ)容量C及調(diào)節(jié)參數(shù)α和β的關(guān)系如公式(4)所示。

      (4)

      式中:S(t)為在時(shí)間t的藥品存量;E(t)為緊急需求系數(shù)。模型驗(yàn)證采用歷史數(shù)據(jù)及專家評(píng)估以確定參數(shù)值,進(jìn)而將模型輸出與實(shí)際操作數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。一種常用的模型檢驗(yàn)方法是對(duì)比模擬的存量變化ΔS(t)與實(shí)際存量變化,如公式(5)所示。

      ?S(t)=I(t)-O(t) " " (5)

      若預(yù)測(cè)存量與實(shí)際存量的偏差在接受范圍內(nèi),則視為模型驗(yàn)證成功。進(jìn)一步的仿真技術(shù)實(shí)施則依賴于各類算法和仿真工具(如Vensim或SystemDynamicsModelingsoftware)的應(yīng)用。

      3 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的醫(yī)院智能物流系統(tǒng)模型構(gòu)建及應(yīng)用效果

      3.1 醫(yī)院智能物流系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)需求

      基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué),設(shè)計(jì)需求包括以下6個(gè)方面。1)動(dòng)態(tài)庫(kù)存管理。須整合實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、預(yù)測(cè)分析和自動(dòng)化補(bǔ)貨系統(tǒng),考慮藥品保質(zhì)期、儲(chǔ)存條件、季節(jié)性需求波動(dòng)及突發(fā)事件等因素,確保庫(kù)存水平適應(yīng)性和成本效益[3]。2)智能設(shè)備調(diào)度。通過(guò)實(shí)時(shí)追蹤與數(shù)據(jù)分析,動(dòng)態(tài)調(diào)整設(shè)備和人員分配,減少等待時(shí)間,提高服務(wù)水平和資源利用率。3)緊急響應(yīng)機(jī)制。系統(tǒng)必須具備識(shí)別和優(yōu)先處理緊急物資需求的能力,包括快速路徑規(guī)劃、優(yōu)先隊(duì)列處理、實(shí)時(shí)通信和情景模擬。4)數(shù)據(jù)透明性與追蹤。確保物流鏈的可視化,包括物資來(lái)源、處理、運(yùn)輸和接收過(guò)程的全面記錄,以增強(qiáng)安全性和便于監(jiān)管合規(guī)。5)可持續(xù)性與環(huán)境適應(yīng)性。設(shè)計(jì)須考慮環(huán)境影響,例如綠色包裝、能源效率的運(yùn)輸方法、廢物管理和回收利用策略。6)系統(tǒng)集成與兼容性。模型應(yīng)能與醫(yī)院現(xiàn)有的信息系統(tǒng)、電子健康記錄(EHR)、物資管理系統(tǒng)(PMS)和其他數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施無(wú)縫集成。如圖2所示。

      3.2 采用仿真技術(shù)檢驗(yàn)?zāi)P偷挠行约斑m應(yīng)性

      在醫(yī)院智能物流系統(tǒng)的模型構(gòu)建中,采用仿真技術(shù)檢驗(yàn)?zāi)P偷挠行约斑m應(yīng)性是至關(guān)重要的。系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型利用因果關(guān)系圖和股流圖(stock-flowdiagrams)表達(dá)系統(tǒng)結(jié)構(gòu),其中關(guān)鍵參數(shù)如庫(kù)存變化率(dS/dt)、需求彈性系數(shù)(η)、資源調(diào)配時(shí)間Ta等,均須通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)獲取和歷史數(shù)據(jù)分析得出。有效性檢驗(yàn)關(guān)注模型是否能準(zhǔn)確反映現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)行為。采用均方誤差(MSE=1/nΣ(yi-i)2)評(píng)估模型輸出1與實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)(yi)之間的差異。若MSE值接近零,說(shuō)明模型具有較高的精度。適應(yīng)性檢驗(yàn)則評(píng)估模型對(duì)輸入變量變化的敏感性和適應(yīng)環(huán)境變動(dòng)的能力。通過(guò)敏感性分析,例如變動(dòng)輸入?yún)?shù)Δx%,觀察輸出結(jié)果的變化率Δy%。如果Δy%相對(duì)穩(wěn)定且在可接受范圍內(nèi),就表明模型具有良好的適應(yīng)性。此外,仿真技術(shù)如蒙特卡羅方法(MonteCarlo)能進(jìn)一步驗(yàn)證模型魯棒性,通過(guò)大量模擬隨機(jī)輸入值,生成輸出分布,從而評(píng)估系統(tǒng)在不確定性環(huán)境下的表現(xiàn)[4]。在此基礎(chǔ)上,利用仿真優(yōu)化技術(shù),例如遺傳算法(GA)和粒子群優(yōu)化(PSO),可進(jìn)一步微調(diào)模型參數(shù),以達(dá)到預(yù)期的系統(tǒng)性能指標(biāo),如最大化資源利用率(U=Σui/n),最小化成本(C=Σi)和時(shí)間延誤(D=Σdi)。

      3.3 仿真技術(shù)運(yùn)用

      本模型基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的核心理論,即利用差分方程來(lái)模擬物流系統(tǒng)中各種變量(例如藥品供應(yīng)、需求以及存儲(chǔ)等)的時(shí)間序列變化,如公式(6)所示。

      ?x=axt-1" " (6)

      式中:xt-1為前一時(shí)刻的狀態(tài);Δx為狀態(tài)的變化量;a為與系統(tǒng)性能相關(guān)的參數(shù);例如供應(yīng)鏈效率。在模型構(gòu)建過(guò)程中,首先,識(shí)別系統(tǒng)中的關(guān)鍵變量和參數(shù)。例如,將藥品供應(yīng)鏈中的藥品訂購(gòu)量、到貨時(shí)間和庫(kù)存水平作為關(guān)鍵變量。其次,通過(guò)構(gòu)建流量-庫(kù)存框架,將物流系統(tǒng)中的動(dòng)態(tài)流程(如藥品的訂購(gòu)、運(yùn)輸、儲(chǔ)存和分發(fā))映射到模型中。在此框架下,藥品的每階段都被視作一個(gè)單獨(dú)的股(庫(kù)存),而藥品的移動(dòng)則表現(xiàn)為流量。最后,利用這些變量和框架,建立一套差分方程組,用于描述系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)之間的相互作用和反饋機(jī)制。例如,如果藥品庫(kù)存低于某一閾值,則會(huì)觸發(fā)自動(dòng)補(bǔ)貨機(jī)制。進(jìn)一步通過(guò)運(yùn)用仿真軟件(如Vensim或Stella),將這些方程輸入并進(jìn)行仿真試驗(yàn)。通過(guò)調(diào)整參數(shù)(如供應(yīng)鏈響應(yīng)速度、庫(kù)存管理策略),可以模擬不同場(chǎng)景下的系統(tǒng)表現(xiàn),從而優(yōu)化物流流程。此外,模型的驗(yàn)證和應(yīng)用效果評(píng)估是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。采用歷史數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)觀察數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行校準(zhǔn),確保其在模擬真實(shí)醫(yī)院物流系統(tǒng)時(shí)的準(zhǔn)確性和可靠性。應(yīng)用效果的評(píng)估側(cè)重于以下2個(gè)方面。1)系統(tǒng)運(yùn)行效率(如處理時(shí)間縮短、錯(cuò)誤率降低)。2)成本節(jié)約(如庫(kù)存成本降低、物流運(yùn)營(yíng)成本優(yōu)化。

      3.4 系統(tǒng)優(yōu)化與連續(xù)改進(jìn)的動(dòng)態(tài)模型調(diào)整

      系統(tǒng)優(yōu)化與連續(xù)改進(jìn)是醫(yī)院智能物流系統(tǒng)模型構(gòu)建中不可或缺的步驟,尤其是在系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的框架下。在實(shí)踐中,系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間(Tr)、資源利用率(Ur)和成本效益比(C/B)經(jīng)常作為關(guān)鍵性能指標(biāo)(KPIs)。首先,利用歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)反饋,通過(guò)自回歸移動(dòng)平均模型(ARIMA)預(yù)測(cè)未來(lái)需求和供應(yīng)波動(dòng),如公式(7)所示。

      Yt=μ+?1Y(t-1)+...+?PY(t-p)+θ1ε(t-p)+εt" " " (7)

      式中:Yt為時(shí)間t的預(yù)測(cè)值;φ與θ為模型參數(shù);εt為誤差項(xiàng)。基于預(yù)測(cè)結(jié)果,運(yùn)用線性規(guī)劃(LP)或非線性規(guī)劃(NLP)優(yōu)化資源分配,如公式(8)所示。

      min/maxZ=cT·x,s.t.Ax≤b,x≥0" " (8)

      式中:Z為目標(biāo)函數(shù);c為成本系數(shù)向量;x為決策變量向量;A為約束條件系數(shù)矩陣;b為資源限制向量。通過(guò)求解,得到最優(yōu)化的資源分配方案。

      為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的連續(xù)改進(jìn),引入控制論中的PDCA(Plan-Do-Check-Act)循環(huán)理論。在“Plan”階段,設(shè)定目標(biāo)(T)和路徑(P);“Do”階段,實(shí)施方案(實(shí)施x);“Check”階段,采集數(shù)據(jù)(D),運(yùn)用統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制(SPC)的控制圖方法分析系統(tǒng)表現(xiàn)與標(biāo)準(zhǔn)差(σ=√[(Σ(x-μ)2)/(n-1)]);“Act”階段,根據(jù)比較結(jié)果(|x-μ|)和控制限(L=μ±Zσ),確定是否需要調(diào)整(Δ),并反饋到規(guī)劃階段,形成閉環(huán)控制[5]。結(jié)合系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的反饋循環(huán)和時(shí)間延遲特性,智能物流系統(tǒng)能夠不斷自我優(yōu)化和調(diào)整,適應(yīng)復(fù)雜多變的醫(yī)療物流環(huán)境,高效利用資源,提高服務(wù)水平。

      3.5 系統(tǒng)應(yīng)用效果

      為了驗(yàn)證基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的醫(yī)院智能物流系統(tǒng)模型的實(shí)際效果,結(jié)合本次案例,對(duì)其余不同規(guī)模的醫(yī)院進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用,并收集了相關(guān)的運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)。表1為模型應(yīng)用前后的部分關(guān)鍵指標(biāo)數(shù)據(jù)表。

      從表1中可以看出,基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的醫(yī)院智能物流系統(tǒng)模型在應(yīng)用后,各醫(yī)院的物資交付準(zhǔn)時(shí)率均有顯著提升,平均提高了15%;物資損耗率明顯降低,平均下降了3.5%;同時(shí),有效控制和降低物流成本。這一系列的數(shù)據(jù)驗(yàn)證了模型的有效性和實(shí)用性,為醫(yī)院物流管理提供新的優(yōu)化方案。

      4 結(jié)語(yǔ)

      綜上所述,本次成功地展示了系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)在構(gòu)建和優(yōu)化醫(yī)院智能物流系統(tǒng)中的核心價(jià)值和實(shí)際效益。通過(guò)引入自回歸移動(dòng)平均模型(ARIMA)和線性及非線性規(guī)劃方法,本研究不僅優(yōu)化了資源配置,還提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度和靈活性。更重要的是,通過(guò)實(shí)施PDCA循環(huán)和統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制(SPC),系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)自我監(jiān)測(cè)和持續(xù)改進(jìn),從而在不斷變化的醫(yī)療環(huán)境中保持其高效性和適應(yīng)性。未來(lái)研究可探索更多先進(jìn)的算法和技術(shù),進(jìn)一步提高系統(tǒng)性能,實(shí)現(xiàn)醫(yī)院智能物流的全面智能化和自動(dòng)化。

      參考文獻(xiàn)

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