无人机血液配送系统规划

王慧明，黄永晖，范雨哲，孙术发，郭成波

（东北林业大学 工程技术学院，黑龙江 哈尔滨 150040）

1 引言

目前，我国的血液配送方式主要以车辆运输为主，各采血点获得的血液制品均先通过车辆运输至中心血站血库进行储存，医院根据用血需求预测向血站申请用血，并将血站分配的血液制品通过车辆运至医院的血库进行保存，当医院各科室有输血需求时，从医院内的血库获取需要的血液制品。在该供应体系中，由于大量的血液制品在需要使用之前，先被分配到了各医院的自备血库储存，医院用血量和血型的随机性，会导致在医院内部有些血型血液制品供不应求，有些血型血液制品供过于求，使得血液短缺和血液过剩问题同时存在。在紧急救援中，时间就是生命，当出现某种血液制品临时短缺时，医院需要临时向中心血站申请调用，而以汽车为主的运输方式受众多不确定性因素影响，比如车况、路况、天气及司机状态等，很难保证紧急情况下能够按时送达目的地。因此，要改变这种现状，需要从血液供应的模式着手进行改进，匹配需求与供应，减少血液从血站到目的地的时间，寻找新的配送方式，探索新的血液库存管理办法。

2 无人机血液运输现状

我国的法律规定由血站负责血液的储存，一个城市的血液供给网络要靠血液中心与各医院相关部门联合调度才能完成。供给网络的效率，受多方面影响，如医院和血液中心的血液库存量、血液中心在收到用血请求后的响应速度、运输车辆在城市运输过程中发生的各种不确定性等[1]。想要提高效率，尽可能满足城市各医院的用血需求，就要合理安排医院及血站的血液库存，提高血站的响应速度，并尽可能减少运输车辆在行驶过程中的不确定性。

近年来我国经济飞速发展，人们的物质生活水平得到提升，使得私家车市场保有量过快增长，加上城市道路发展滞后，道路拥堵已经成为了每个城市都要面临的普遍问题[2]。就汽车运输而言，由于公路交通的不确定性，极大的降低了城市汽车运输的效率，而这正是影响血液供给网络效率的关键所在。近年来随着无人机配送方式的兴起，为城市血液配送带来了新的方向[3-4]。国内外的各类实验也验证了采用无人机进行血液运输的可行性。Mayur Katariya等采用无人机运输血液制品，通过传感器密切监测箱内环境，研究无人机飞行过程对血液成分的影响，对无人机运输血液的深入研究提供了科学依据[5]。美国约翰霍普金斯大学Amukele等在研究中发现，无人机运输过程中的时间长度和血液环境温度会对血糖和血钾产生一定的影响，欲保证血液制品的质量，必须对血液的运输环境进行严格的要求[6]。

刘星辰等论证了无人机在“最后一公里”配送中的可行性[7]，翁丹宁等研究了无人机物流配送的主要影响因素[8]，刘子齐等探讨了无人机配送血液供应链管理等相关问题[9]。2018年4月，浙江省首次进行无人机紧急配送血液试飞，在长兴县水口乡卫生院内起飞一架自重11kg的白色无人机，19min后平稳降落到指定地点。此次试飞，无人机平均飞行速度达到43.2km/h，而此次试飞的物流无人机，最大载重7kg，最远航程30km，最高速度达到70km/h，而且能在雨雪天气飞行，能抵抗六级大风，是我国医用物流无人机在医疗急救领域的首次试飞，说明医疗无人机的独特优势在未来将会越来越明显。国内外很多企业在这方面不断探索创新，例如京东、顺丰等物流企业已经在进行无人机配送市场的探索。亚马逊在这方面研究较早，在2013年公布了“Prime Air”计划，目前已经研发到了第九代，能独立飞行16km送货并自动返回。Zipline在2014年就已经开始研发无人机为医疗中心运送药物，2017年又将服务拓展至坦桑尼亚，并拥有世界上唯一的覆盖全国的无人机配送中心。

3 血液供给模式对比

血液来源唯一，无论是何种血液制品都无法长期保存，所以血液是医疗健康系统中不可替代的关键资源，对采集、检测、运输、储存及使用等方面都有严格要求，无法即采即用，这与医院用血需求的突发性和紧急性形成突出矛盾。传统血液供给模式如图1（a）所示，血液配送以汽车为主，医院为应对患者的随机用血需求，需要在医院内自建血库，提前将一定血液制品存储在自建的血库中。由于血液制品为易腐品，对存储的环境条件要求较高，如果存储时间过长，则会导致血液制品变质作废，所以血液制品的管理成本非常昂贵。当医院紧急需要大量某种血液制品时，非常容易造成库存短缺，此时需要向血液中心血库申请紧急调度。由于运输过程采用汽车运输，非常容易受到交通拥堵等道路不确定性因素的干扰，导致血液不能及时送到医院，影响急救治疗，危及病人的生命安全。

采用无人机运输血液，可以不受地形及交通道路环境等限制，配送时间完全可控，一定数量的无人机，配以系统的管理调度，足以满足一定范围内多个医院的紧急输血配送需求。采用无人机配送的血液供给模式如图1（b）所示，通过建立无人机血液配送系统，可以在一定范围内利用一个中心血库，为多个医院提供实时血液制品配送。医院可以根据实时需求，向中心血库申请用血，中心血库根据需求信息为医院提供对应的血液制品，并采用无人机直接从中心血库运至医院。一定区域内的血液制品可由中心血库统一管理，医院不需要自己存储血液制品。与传统血液供给系统相比，无人机血液配送系统中血液由血液中心统一管理调度，医院不需要自持库存，减少了医院血液库存管理的成本，增加了血液供应网络的灵活性，同时还减少了血液制品在医院存储过程中不必要的浪费。

图1 血液供给模式对比

4 无人机血液配送整体规划

在无人机血液配送系统中，各医院与血液中心间建立信息共享网络，由医院的输血科与血液中心进行实时沟通，以达到信息共享的目的。血液中心可将各类型血液库存的实时数据提供给各医院，而各医院可按需预约，将血液类型、所需血量、期望到达时间等信息通过共享信息网络反馈给血液中心。血液中心实时监测各医院预约请求，综合考虑情况的紧急程度、血量需求、库存余量等因素并及时做出回应，调度无人机进行快速配送。血液配送过程中，需要对路线信息及血液状态信息及时更新并记录，例如无人机何时从血液中心发出、血液发出时的状态(血液温度、数量、外包装情况等)，飞行实时位置轨迹（通过快速处理全球定位系统（GPS）及地理信息系统（GIS）实时返回的位置信息进行监测），预计何时到达及到达时的状态等都应该在共享信息网络上存有记录，以供后续查证、统计。未来可以根据这些数据进行需求预测，使血液中心库存管理更加科学、血液中心与医院的配合更加高效。配送过程中应严格遵循血液的保存及运输要求，医院和血液中心应在信息共享网络上实时监测运输箱内的温度，保证在运输过程中血液温度变化在安全范围之内，以避免变质血液进入临床。

我国空域目前并未大范围开放，为了血液运输过程中无人机的飞行安全，用于城市内血液配送的无人机需要向有关部门报备，其外形、用途、所携带物品等信息应在有关部门有详细记录，从而与其它民用无人机区分开，方便管理。由于配送血液的无人机工作性质特殊，需由中心血站统一保养维护，分配调度。每次配送用的无人机及配送箱都应该详细记录，并在配送后检查无人机的运行状态和动力电池的消耗情况，及时进行保养维护，并检查运输箱的安全性，严格对运输箱进行消毒处理，使无人机与运输箱能尽快投入到下一次的配送任务当中。用于运输血液的无人机，应具有续航时间长、飞行稳定的特点，与运输箱连接的夹持机构需要满足易更换和快速拆装等特点。

4.1 硬件规划

无人机血液运输系统的载体为无人机，承载物品为血液制品，为了保证运输的可靠性，要求无人机性能安全稳定，因此可以采用技术成熟的商用无人机。由于无人机运输承载能力有限，为了提高运输血液制品的净含量，需要尽可能的降低血液运输箱的重量，同时由于无人机运输的特殊性，运输箱的设计需要考虑保温、减震、防摔等性能。为了使无人机能够安全可靠的运输血液，需要设计可靠性高的血液运输箱夹持机构，将无人机与血液运输箱稳固连接。

由于血液的保存对环境温度有很高要求，在飞行过程中血液要与外界隔离，所以用于和无人机配套的血液运输箱需要具有良好的保温性能，为了在无人机有限的载重下可以运输更多的血液，需要箱体尽可能降低自重。考虑无人机运行过程中存在显著的高频振动，因此还需要运输箱具有减震功能。根据以上要求可以设计出如图2所示的血液运输箱，箱体及箱盖采用新型轻质EPP 材料，既能保证箱体的结构强度，又能实现良好的隔温效果，血液承载盒用于放置血液，承载盒中间放置有冰盒，以保证血液制品一直处于低温环境。在箱体内壁附着有气囊，内部填充导热系数低的二氧化碳，一方面可以进一步降低箱内与外部的热传递，另一方面分布在内壁的气囊通过充气可以将内部血液承载盒挤紧，起到减震的作用，降低由于无人机飞行引起的振动对内部血液的影响。

图2 血液运输箱

根据需求地点和需求用量的不同，要选择不同型号的无人机和运输箱来配送。无人机与血液运输箱连接的夹持机构在保证结构强度的情况下应具备质量轻、结构简单、可快速连接不同型号的无人机和运输箱等特点。轻质的夹持机构可以更少的占用无人机的载重量，增大无人机的血液运输能力，简单的机械结构可以让工作人员在最短的时间内完成运输箱与无人机的组装与拆卸，为医护人员与患者节省宝贵的时间。

4.2 无人机血液配送系统管理规划

由于我国目前医疗资源分布不均，一二线城市集中了大量的优质医疗资源，使得相应的医院会吸引周边大量的病人，用血量也会比较突出。采用无人机作为区域血液运输的主要工具，虽然与汽车运输相比减少了运输过程消耗的时间，但是由于各医院不再单独储存血液，如果不进行合理血液调度规划，非常容易造成血液供给与需求的不匹配，因此需要对无人机血液配送系统进行系统的规划设计。

无人机血液配送系统和传统的地面运输系统有相似之处，都需要对运输工具进行管理维护，根据不同的用血需求合理的分配血液数量，调度无人机进行配送。无人机血液配送系统可以分为血液采集网点、血液需求调度中心和无人机调度系统三部分。

血液采集网点负责血液的现场采集工作，如果采集到的血液为紧缺血型，可以通过血液采集车配备的无人机第一时间将血液运送至血液中心进行必要的检测筛选，确定血液制品合格后，直接通过无人机运送至急需该血型的医院。非紧缺血型，可以在采集点暂时保存，积攒一定的量之后，再统一运送至血液中心血库进行保存。无人机血液配送流程如图3所示。

图3 无人机血液配送流程

血液需求调度中心设立于血液中心，负责血液采集点和医院之间的信息协调沟通，接收各医院的实时血液需求申请，并根据血液中心的库存情况和需求的紧急程度，安排血液的配送任务。当接收到血液中心紧缺的血型需求申请时，血液需求调度中心与各血液采集点沟通，采用无人机紧急调度对应血型血液。

无人机调度系统包括无人机地面管理中心和无人机飞行规划监控中心两部分，无人机地面管理中心主要负责根据血液需求调度中心的任务安排进行血液运输箱的装卸，并根据要求对无人机进行控制和维护。无人机飞行规划监控中心主要负责根据实时血液需求情况，合理规划无人机飞行路线，由于血液中心与医院之间的运输路线是固定的，因此用于血液配送的无人机飞行过程比较适合采用GPS模式下的自动定点飞行控制，由飞行规划监控中心下载航线信息，无人机自动根据航线信息运送血液。

城市的用血需求，一部分来源于医院的手术输血需求；另一部分则来源于意外状况的随机用血需求。血站需要配备针对不同飞行距离和载荷的血液运输箱的无人机，根据不同的血液需求量和输送距离，考虑血液需求的紧急程度，选择相匹配的运输箱和无人机进行配送，根据时间要求合理调度无人机完成血液运输工作。

5 结论

本文对无人机血液配送系统展开了研究，分析了采用无人机进行血液配送相比传统血液配送模式的优势所在，针对无人机配送，提出了血液运输箱和无人机夹持结构的设计思路，将配送系统分为血液采集网点、血液需求调度中心和无人机调度系统三个部分进行了职能规划。采用无人机进行血液运输，可以大大简化血液配送的供应流程，提高血液配送的效率，降低血液存储的成本，能够避免血液在配送期间不必要的损失，促进血液配送体系的健康发展。