基于信息集成的数字化智慧医院建设方案*

张新龙，韩艳梅，丁雪乾，吴琪瑞，王建林

(1.兰州大学第一医院，兰州市 730050；2.兰州大学资源环境学院，兰州市 730050)

随着信息技术的快速发展与卫生健康管理的深化改革，卫生医疗行业也逐渐迈入了信息化、智慧化的新时代。全国大部分医院都在紧跟社会发展的步伐，不断研发引进更加智能的数字化智慧医疗系统。数字化医疗系统的建设能够将医院运营管理、医疗业务、科研教育等各个业务系统进行全部打通，将医院的人、车、物全部实现连接，同时，在医院数据沉淀的基础上对大数据进行分析，可进行相关的科研工作，满足当前综合医院角色全连接、数据全共享、业务协同的数字化智慧医院和高水平研究型医院的建设需求。由于当下烟囱式系统的孤立性和封闭性，各系统之间无法联动，数据不能共享，无法对数据进行融合与分析。本建设方案规划采用物联网、云计算、大数据、人工智能(Artificial Intelligence，AI)等新的信息通信技术(Information and Communications Technology，ICT)打造一个统一的智慧化数字平台，分期将医院的管理、医疗、科研等系统对接到统一的数字平台上。实现医院各个系统的信息交互、信息共享，参数关联、联动互动以及独立共生。

1 总体方案

1.1 建设计划

为了打造统一的数字底座，实现医院运营数据、业务数据、科研数据的全融合，流程全打通，建设数字化医院和医疗科研大数据系统，通过统筹规划和需求导向，对平台进行分期建设，逐步打造。首先着重打造智慧院区数字平台和智慧运营中心。通过华为云应用数字化平台ROMA(RelationShip;Open;Muti-Cloud;AnyConnect)与各个弱电子系统对接，协同物联网实现本院区内人、车、物可视、可管、可控。其次打造医疗业务互联互通和医疗大数据分析平台建设。核心业务基于医院本地数据中心承载，非核心业务以及大数据分析应用基于公有云进行承载，ROMA实现公有云和私有云的无缝衔接。最后建设医疗专题库，应用微服务创新。建设细分医疗专题库和基于单病种的健康管理平台，医疗业务应用进行微服务化改造，并基于系统联动进行不断的业务创新。方案部署架构图如图1所示。

图1 部署架构图

1.2 建设原则

数字化智慧医院系统总体设计需统筹规划，协同工作，遵循政府以及相关管理组织机构的设计依据和标准。坚持体系建设与应用并重的原则，以需求为导向，以应用促建设，在建设先进、可靠、高性能的信息平台基础上，网络互连，资源共享，加强云计算、大数据、物联网等技术的推广应用，统一管理，建设与应用双促进，充分提高医院院区运营的经济效益和社会职能。

1.3 建设思路及系统架构

方案设计思路上将各个垂直的，业务上条块分割的子系统通过新兴技术进行互联互通，打造业务数字化，系统联接化的院区信息化系统。围绕“1+1+1”架构，即统一的ICT基础设施层，一个数字化平台和一套医院院区应用。将医院内的人员、车辆、物资通过传感器或子系统接入，最终实现医院资源融合、数据融合、业务融合。

方案技术架构如图2所示，理论上将方案系统分为三层，即基础设施层、业务使能平台(数字平台)、业务应用。基于混合云架构，将计算、网络统一存储在资源池中，私有云为医院核心业务提供平台层和业务层的调度服务，公有云为医学影像存档与通讯系统(Picture Archiving and Communication Systems，PACS)、互联网业务、业务创新等应用提供服务。数字平台不仅采集医院的医疗信息，例如医院信息系统(Hospital Information System,HIS)、检验科信息系统(Laboratory Information System,LIS)、PACS、电子病历(Electronic Medical Record，EMR)、药品、耗材等，还包括后勤安防数据，例如门禁、监控、资产、车辆、考勤，甚至还有医院的财务、教学、运营等所有数据。然后对数据进行脱敏、清洗、治理和标准化，进而构建人员、车辆、资产、事件等主题库和儿科、心内、肿瘤等专病库，通过自然语言处理、影响识别、知识图谱等技术提供数据服务平台，以供上层应用调度和创新。

图2 整体技术架构图

ROMA平台通过集成以下5个子系统平台通过集成数据、服务、应用等打破烟囱应用，消灭信息孤岛，打通业务流，实现业务数字化全联接协同。物联网平台在应用层对医院各个子系统进行信息和数据集成，实现信息资源的共享与管理，提高工作效率；视频云平台监控院区资源共享，让视频基础组件微服务化；地理信息系统(Geographic Information System，GIS)平台在软硬件的支持下，对院区有关地理分布的数据进行采集、存储、管理、运算、分析、显示和描述；医院集成平台将现有的HIS、EMR、LIS、PACS等系统的业务进行实时的标准数据交换；大数据平台FusionInsight构建医院海量信息的处理系统，并对数据进行挖掘，发现数据价值及数据变现。

2 功能模块设计

2.1 ROMA平台设计

2.1.1 系统概述。医院院区全连接服务ROMA定位为集成服务、数据、应用，打破平台、云、网络、地域边界，连接烟囱应用，消灭信息孤岛，打通业务流，实现业务数字化全联结协同，它由数据联结FDI、消息联接MQS和服务联接APIs三部分组成。

快速数据集成(Fast Data Integration,FDI)是ROMA融合集成解决方案平台的数据集成产品，支持文本、消息、应用程序编程接口(Application Programming Interface,API)、结构和非结构化数据等多种数据源之间的灵活、快速、无入侵式的数据集成，可以实现跨机房、跨数据中心、跨云的数据集成方案，并能自助实施，运维、监控集成数据。

消息队列服务(Message Queue Service,MQS)是针对华为打造的专业消息中间件，基于高可用分布式集群技术，搭建包括发布订阅、消息轨迹、资源统计、监控报警等一套完整的消息云服务。

APIs是ROMA融合集成解决方案平台的API管理产品，涵盖API Gateway、LiveData和API Market三个子产品。ROMA南向集成视频分析系统、GIS、物联网平台、以及停车系统、计算机网络系统、医护随身报警系统、排队叫号系统，北向开放API、MQS消息给上层应用调用，同时将部分子系统数据同步至上层应用数据库中。

2.1.2 ROMA-API设计。(1)需求描述。基于信息运营中心(Information Operations Center，IOC)各个应用系统的场景分析，总结出ROMA-APIs平台需求如下：API生命周期管理；API编排管理；API路由调度；API调用分析统计；API流量控制；应用级认证；后台服务访问安全；监控警告。(2)功能架构。API主要功能部件有API Gateway、LiveData、API Market。API网关拉通内外网服务，API Gateway支持从API设计到发布的全生命周期管理；LiveData是接口组合编排组件，支持向南向服务厂商提供的原子接口，根据业务需要编排为场景化API，给北向应用提供标准化Restful接口服务；同时利用其编排能力，提供单个rest接口，支持从多个DS执行不同的SQL语句；API Market是面向开发者的统一服务开放门户，通过API Market可以便捷地查阅到需要的API以及它的详情和使用方法。ROMA APIs平台功能架构如图3所示。

2.1.3 功能描述。(1)API Gateway API生命周期的管理覆盖API的开发、测试、发布的整个生命周期，支持快速回滚；支持自定义映射规则，将调用请求转换成后端需要的格式；支持参数类型以及参数值的校验，减少后端非法请求的处理成本。支持对API、用户、应用设置按分钟、小时、天的调用量控制，可以设置特例用户或者应用，对某个用户或者应用单独流量控制；支持Appkey认证HMAC算法签名、支持SSL/TSL加密，借助华为云实现防病毒和攻击，支持针对IP或应用的白名单和黑名单。(2)API Market 服务订阅可以查询到需要的API以及详情和使用方法，申请开通需要的API服务，支持已开通的API在线测试；服务发布支持API注册发布到API Martet，支持服务所有者查看服务订单，支持API调用分析和展示调用状态；支持新旧多版本API管理，提供在线化文档。(3)LiveData REST接口管理包括开发、测试、发布的整个生命周期管理。LiveData提供单个rest接口支持多个DB执行不同SQL语句，监控提供可视化REST接口使用状况，并可以配置报警方式，支持REST接口用户定制的接口流量控制方案，直接使用浏览器自带REST请求工具完成接口的编排与调试。

图3 ROMA APIs平台功能架构图

2.1.4 ROMA-FDI设计。(1)需求描述 FDI是ROMA融合集成解决方案平台的数据集成产品，支持多种数据源之间的数据集成，实现跨机房，数据中心，云的数据集成方案，并能自助实施，运维，监控集成数据。FDI的平台需求包括：支持快速轻量级集成，支持复杂多样的网络环境和灵活调度，应用可弹性扩展以及提供数据安全防护机制。(2)功能描述。可以对数据集成任务启动、停止、修改，查看数据集成任务的状态，查看运行日志，提供运行报告；对创建的任务进行监控、对异常任务处理；提供任务调度服务，根据任务配置为插件分配任务；数据插件支持各类数据库、文本文件、消息、API等多种数据的读取和写入，支持任务调度，分片读取和写入数据，支持任务监控和中断续读，自动修复任务并清理垃圾数据，提供插件启动停止服务；提供可靠的数据传输通道。ROMA-FDI任务管理功能如图4所示。

图4 ROMA-FDI 任务管理功能示意图

2.1.5 ROMA-MQS设计。MQS基于高可用分布式集群技术，搭建了包括发布订阅、消息轨迹、资源统计、监控报警一套完整消息云服务。主要作用是通过统一接口，做到多种消息中间件接入，跨系统集成和系统内集成的统一，跨数据中心和机房部署的统一。MQS采用前、中、后台分层设计，基于服务化和模块化原则，去中心化提供分布式自由组网模式，适配混合IT架构。

2.1.6 ROMA与其他系统集成。(1)与视频分析系统集成。ROMA通过视频监控的设备查询接口将摄像机设备信息同步到IOC应用数据库中。通过视频监控的设备状态查询接口，定时将摄像机同步到IOC应用数据库。集成视频分析系统的分析任务开放给IOC进行调用。视频分析系统产生的黑名单由系统推送给ROMA、MQS、IOC订阅消息获取实时黑名单。IOC集成视频监控虚拟云网络(Virtual Cloud Networking，VCN)的SDK视频插件获取摄像机的实时视频和历史录像。(2)与物联网集成。ROMA通过物联网的设备信息查询接口获取设备基础信息、点位信息数据，并同步至IOC应用数据库。物联网将设备设施的告警信息、状态信息、点位实时数据推送至ROMA MQS，IOC订阅MQS消息获取设备告警、状态以及点位数据变化信息；ROMA集成物联网的设备控制接口，开放给IOC调用。(3)与GIS集成。ROMA集成GIS的地图服务接口，IOC集成GIS的JS SDK，GIS的JS SDK与通过ROMA开放的GIS地图服务进行通信，IOC通过JS SDK获取地图相关能力进行地图展示和查询。(4)与停车系统集成。停车系统与ROMA对接时，设备告警，状态信息由停车系统推送给ROMA MQS，IOC订阅MQS消息获取实时警告、状态进行展示处理。IOC调用通过停车系统开放的控制指令接口，下发控制指令到停车系统设备。处理通行记录、车位信息、停车场信息等由ROMA调用停车系统的接口，将数据同步至IOC应用数据库。(5)叫号系统集成。本建设方案中的排队叫号系统采用开放数据库的形式与ROMA进行对接。数据库采用SQLServer 2012，ROMA将通过FDI将排队叫号系统中的数据进行抽取和转发。

2.1.7 南向子系统扩展与升级方案。在智慧医院今后的发展中，新建或者新接入ROMA平台的子系统应满足开放性原则，支持北向开放能力，应支持SOAP、REST、WebSocke的服务接入，或用开放数据库主持北向对接。如果采用数据库方式要求支持采用JDBC/ODBC、FTP等方式获取数据，则可以用如下数据库或协议：Oracle、MySQL、SQL Server、PostgreSQL、Mongo DB、FI MPPDB、API、FTP、FI Hive、LDAP。

根据方案设计的子系统数量，接口数量，安装部署的ROMA能力为FDI业务量：8M/S；MQS业务量：2000TPS；APIs业务量：4000TPS。未来ROMA升级可以通过提升混合云VM性能，相应地提高ROMA的处理能力。对于新建子系统对接ROMA新适配的接口，通过软件升级方式进行。

2.1.8 可靠性设计与日常运维。(1)可靠性设计ROMA 部署组网中针对3个部件的运行时组件采取了集群部署，保障运行时的可靠性。组网中部署的每个容器都会对应部署WatchDog，监控每个运行让其状态在容器宕机时，会自动拉起容。并且监控当前VM的CPU使用率、内存使用率、磁盘使用率、配置告警阈值，到达阈值时记录告警日志，保障容器的可靠性。(2)运维API日志查询用于查询每个应用调用API的日志详情，包括每一个过程的详细运行结果。在API Gateway页面点击日志可查看其详细信息。

ROMA平台APP之间是隔离的，API Connect、FDI、MQS的使用都要ROMA进行授权。最小授权规则提供基于角色的权限管理模型。系统中的所有密码、私钥等相关数据都经过加密后存储。ROMA不涉及用户数据只作为运行时的集成管道。

2.1.9 安装部署。方案中ROMA需要对控制网、视讯网及医院内网应用系统进行集成，同时要满足医院今后业务云化的趋势，故采用分布式部署。在四网核心旁挂私有云部署ROMA，并在各子网隔离区(Demi-litarized Zone，DMZ)部署ROMA-Agent。私有云DMZ部署ROMA-Agent，打通网上资源。

2.2 智慧院区运营中心设计

2.2.1 系统概述。智能运营中心是以物联网、大数据、云计算、AI、移动互联、GIS等新型数字化技术为基础，依据平安医院系统，对医院范围内的人员、车辆、资产设施进行全连接、数据全融合、状态全可视、业务全可观、事件全可控。智能运营中心系统从院区各角度进行统一检测控制和管理，实现跨子系统的联动，提高医院院区智能化管理水平，提供开放的数据结构，其业务管理子系统包括综合安防系统、楼宇自控系统、资产管理系统、一卡通系统、路灯管理系统、位置服务平台、能耗监测系统、信息发布系统等。智能运营中心运营如图5所示。

图5 运营示意图

2.2.2 系统功能。(1)视频巡逻。视频巡逻是指在系统上预先设置好巡逻路线，进行视频巡逻，系统按预先设置的步骤完成巡逻任务。从而减少人工巡逻工作量。系统的工作步骤如下：创建巡逻计划→执行计划→互动打卡→事件上报→报告提交。(2)医护告警。医护告警模块主要是对医护人员随身报警系统产生的告警事件进行处理并归档。警报发生时，医护随身报警系统将告警信息通过物联网平台上报至平安医院后台Server，Server将告警转发至Protal(客户端)。Protal在GIS地图报警点位上产生一个报警并标识其位置；Protal根据预设的设备与摄像头的关联规则，制动切换至关联摄像头视频画面并保存其告警前后30 s的视频。(3)停车管理。停车管理包含车辆的出入记录、黑名单管理、车辆统计，车位统计、停车道闸控制、告警事件上报等功能，通过ROMA接口进行车辆统计和对黑名单车辆告警。(4)能耗监测。能耗管理可以在电子地图上展示电表位置信息，可以对用电实时数据进行检测展示，设置检测频率。同时对耗能历史数据进行分析，形成面对不同管理层级需求的统计分析报表，为决策提供辅助。

电表与物联网(Internet of Things，IoT)对接，ROMA 通过IoT的接口将电表数据同步至IOC业务数据库，IoT将实时数据推送至ROMA的MQS，IOC通过MQS获取实时耗能数据，并对其进行分析展示，并对相关配置进行修改。

2.2.3 IOC可视化呈现设计。(1)二维可视化。二维可视化通过交互院区地理位置信息和周边系统信息，可以查看院区内部的建筑，设施，设备信息。以院区电子版CAD图纸为基础构建院区地形和相关数据库。基于GIS设备图层管理可展示智慧路灯以及传统弱电主要设施的分布；展示GIS安防管理的视频监控、门禁、防盗等信息；当出现报警时，展示相对应的消防资源分布，比如消防栓、灭火器等；物业公司通过院区物业的分布进行相关的人力配置。(2)三维建模。三维建模主要是基于院区的建筑、内部组成以及设施，利用数字建模和数字移交技术，构建立体三维院区，通过弱电系统数据和智慧院区系统数据实现三维数字一体化管控。三维建模主要包括场景可视化和设施可视化。场景可视化是通过对院区地形、建筑、绿化、设备设施数据进行收集并数字化，构建三维模型并可视化，实时了解设备报警及设备故障处理等情况；设施可视化包括设施设备分级浏览、设备搜索和设备前端增删改查操作以及属性编辑。数据同步更新至三维数据库以实现实时数据模型更新。

3 结语

数字化智慧医院的建设一方面为患者及其家属提供了便利的就诊以及住院条件，极大提高了医疗服务整体满意度；另一方面，信息化管理平台为医院的管理人员、医护人员以及相关的科研人员提供了高效便捷的服务。面对日益增多的信息化需求，根据我院信息化建设经验提出的基于ROMA信息集成的数字化智慧医院建设方案可为当下的医疗信息化提升提供较为先进的实例水平，并为数字化智慧医院升级等诸多业务奠定有利的基础。