医院高层建筑箱式物流自动化系统输送效率的研究与提高

文/ 张正明 周林才 王浩 付国栋

随着全国城镇化率不断提高，城市规模越来越大，人口越来越向城市集中，给城市医疗带来巨大挑战，再加上新冠疫情对城市医疗资源的挤兑，使得医院迫切需要通过创新驱动来提高服务能力和医疗资源利用率，实现跨越式发展。

医院智能化和自动化物流系统建设，成为医院高效运营的重要选项和发展方向。低楼层建筑或裙楼大多规划为门诊楼和医技楼，高层塔楼多规划为住院楼。要实现医院各科室、各高低楼层物流自动线全部贯通，中型箱式物流自动化系统是最好的解决方案，能够满足药品、医嘱、检验标本、手术器械、大输液、后勤物资等在高低层建筑间、各楼层及各科室间的互联互通。

在大量医院中型箱式物流系统工程实践中，我们发现高层建筑的垂直输送分拣效率是影响医院全系统物流效率的瓶颈，本文针对这一关键技术问题进行分析研究和仿真计算，创新性地提出“多机串行接力、随机协同控制”的高效垂直输送分拣新方案，从而有效提高了中型箱式物流系统的综合效率，并经过多个工程验证，收效良好。

一、医院高层建筑箱式物流垂直输送分拣系统的现状

医院智能箱式物流系统主要由垂直输送分拣系统、横向贯通线、智能站点、控制系统和监控调度系统组成，如图2所示。物流系统的总效率，取决于垂直输送分拣系统效率和贯通线的效率。

图1 医院智能化和自动化物流系统正加快建设

图2 吉大二医院物流自动化系统3D数模

1.贯通线

贯通线主要由辊柱机、皮带机、转辙机构、分流机构和合流机构等组成，如图3所示。贯通线设计速度为0.5m/s，周转箱长度通常为500～600mm，输送间隔为400mm，输送效率为1500箱/小时。转辙机构需要多个启停节拍动作才能完成周装箱的换线。经过实际测试，转辙机构完成一个周转箱的换线动作需要3.5s，效率为1000箱/小时。转辙机构与贯通输送线为串联关系，含转辙机构的综合输送线效率为1000箱/小时。经过大量工程项目实际运用，贯通线的输送效率完全满足现有医院使用要求。

图3 贯通线

2.智能站点

站点设置在垂直输送分拣机的各层出口处，由两条具有缓存和收发输送功能的站点终端线体组成，站点平铺和双层两种结构形式，终端线体为3～5个积放段的辊筒线，如图4所示。站点一条线体用于接收和缓存垂直分拣机送来的满箱医用物品，如液体、标本、药品等；另一条用于缓存或发送空箱或标本等。工作人员将采集好的标本或空箱等放置到下层发送站台，无需人工输入目的地，在HIS信息系统统一调度下，满箱的标本由站点下层的发送站台RFID自动识别周转箱上的信息，并由水平输送设备和垂直分拣机自动发往目的地；并取走分拣机送到站点上层的待检标本或其他医用物资，实现各科室站点物资的互联互通。

图4 智能站点

站点的接收或发送站台具有周转箱智能排队和声光提示功能，操作人员可在站点传输线任意位置放置，或取走周转箱。

楼层站点的两条收发线体与垂直分拣机对接，对接中间有自动防火层门，既有科室与提升井道之间防火功能，又有隔音和安全防护功能。

3.垂直输送分拣机

常规垂直输送分拣机有往复式（电梯模式）和连续式（多进多出）两种形式。楼层高度在25m以下时，一般采用连续式或往复式。连续式输送分拣效率较高，但因自身提升链较为笨重，设备输送高度受限。往复式多用于楼层间垂直输送，或效率要求不高的低层建筑垂直输送分拣。对于高度大于25m的高层建筑一般只能使用往复式，往复式输送分拣机的最大问题就是输送分拣效率低，此瓶颈影响到整个系统物流效率。

下面以77.6m提升行程的高层建筑为例，分析影响往复式垂直输送分拣效率的主要因素。往复式垂直输送分拣机轿厢设计4工位，每次提升输送2个满周转箱，留2个接空箱工位，如图5所示。分拣机从底层直接提升至顶层，分拣机及站点接口设备运行参数，如表1所示。 表1中的“一传输”是指站点缓存位至层门的距离，“二传输”是指轿厢内工位辊筒段的长度。

表1 垂直分拣机运行参数

图5 轿厢双层4工位

根据以上两表垂直分拣机和站点交接设备的运行参数，整理出垂直输送分拣机从一层至顶层的完整循环的时间统计，如表3所示。

从表3看出，一个垂直输送循环耗时124.3 s，每小时循环次数3600s÷124.3s=29次。轿厢4工位，上升和下降各输送2个满箱和2个空箱。由此得出垂直输送分拣机的效率P：

表2 一传输和二传输运行参数

表3 垂直分拣机一个完整输送循环时间统计

P=4×29=116箱/小时

经过以上普通往复式垂直输送分拣机（电梯模式）的效率分析计算，总结出影响垂直输送分拣效率的主要因素如下：

（1）分拣机上升和下降的时间占总时间的77%，提升效率随提升高度的增加而降低。井道越高，效率越低。

（2）周转箱进出轿厢的开关门时间占总时间的10%。这是由于普通垂直分拣机采用门刀形式驱动层门，只能在轿厢完全停稳后才能启动开门程序。

经过诸多项目实际运行情况和计算结果验证，楼层越高往复式垂直输送分拣机提升效率越低，高层输送分拣机的效率是制约医院中型智能箱式物流系统发展和推广应用的主要瓶颈。

二、智能箱式物流系统的效率需求分析

以安徽省的怀远县人民医院为例，医院建筑由两栋18层楼（内科、外科）和两栋低层门诊楼和医技楼组成。医院规模为1400张床位，其中北区内科大楼有702张床位，南区外科大楼有730张床位。箱式物流自动化系将4栋楼全部贯通。物流系统主要由LT1和LT2两台高层垂直输送分拣设备、LT3和LT4两台低层垂直输送分拣设备及LT5层面垂直输送设备组成，图6为该院智能箱式物流系统3D图，图7为怀远县人民医院物流贯通线。

图6 怀远县人民医院物流自动化系统组成3D图

图7 怀远县人民医院部分物流贯通线

1.医用物资供应时段需求

该院医用物资需求时段如下：

（1）药品及输液高峰时段：上午8:00～10:00与下午13:00～15:00；

（2）消毒供应高峰时段：上午9:00～10:00与下午14:00～15:00；

（3）标本供应高峰时段：上午9:00～10:00；

（4）被服及后勤物资供应高峰时段：下午15:00～17:00；

（5）其他时间根据医患需求分散输送。

2.医用物资日需求量及对分拣机输送效率需求分析测算

以下统计表是2022年8～10月各垂直输送分拣机对应科室平均每天高峰时段周转箱输送量的统计数据，以及提升效率需求进行的分析。

（1）LT1 垂直输送分拣机的物资输送量需求

1号垂直输送分拣设备（LT1）位于北区内科楼内，起于地下一层库房站点，止于十七层楼顶，主要用于库房、核医学科、透析中心、日间病房、产科及六层到十七层病区的物资交互。各科室床位数共计约702张，高峰时段对输送物资药品、输液、标本、消毒供应及后勤物资的需求统计，如表4所示。

表4 LT1高峰时段输送需求量统计表

上午9:00～10:00为药品输液、消毒供应和标本重叠输送峰值输送效率为：

Pm1=(76+36+82)=194箱/h；

下午14:00～15:00为药品输液和消毒供应重叠输送峰值，输送效率为：

Pm2=（76+36）=112箱/h

由此可知，LT1输送峰值效率为194箱/h。

（2）LT2 垂直输送分拣机输送量需求

2号垂直输送分拣设备（LT2）位于南区内科楼内，起于一层急诊病房站点，止于十七层楼顶，主要用于急诊病房、儿科、ICU、新生儿及六层到十七层病区的物资交互。各科室床位数共计约730张，输送物资范围有药品、输液、标本、消毒供应及后勤物资，需求量见表5。

表5 LT2高峰时段输送需求量统计表

上午9:00～10:00为药品输液、消毒供应和标本重叠输送峰值时段，效率需求为：

Pm2=(78+41+94)=213箱/h；

下午14:00～15:00为药品输液和消毒供应重叠输送峰值，输送效率为：

Pm2=（78+41）=119箱/h；

由此可知，LT2输送峰值效率为213箱/h。

（3）LT3 垂直输送分拣机输送量需求

3号垂直输送分拣设备（LT3）位于门诊医技楼内，起于二层中控维护室站点，止于四层楼顶，主要用于介入中心、住院药房和静脉配置的物资交互。输送物资范围有药品、输液、标本、消毒供应及后勤物资，需求量如表6所示。

表6 LT2高峰时段输送需求量统计表

上午9:00～10:00为药品输液、消毒供应和标本重叠输送峰值时段，输送效率需求：

Pm3=(210+3)=213箱/h；

由此可知，LT3输送峰值效率为213箱/h。

（4）LT4 垂直输送分拣机输送量需求

4号垂直输送分拣设备（LT4）位于门诊医技楼内，起于一层输液大厅站点，止于四层楼顶，主要用于检验科、手术室的物资交互。输送物资范围有药品、输液、标本、消毒供应及后勤物资，需求量如表7所示。

表7 LT4高峰时段输送需求量统计表

与前面计算方法相同，LT4峰值时段效率需求Pm4=(55+19+176)=250箱/h。

（5）LT5 垂直输送分拣机输送量需求

5号垂直输送分拣设备（LT5）位于门诊医技楼内，起止于四层，连接中心供应一个站点，主要用于收发中心供应的消毒物品和一次性物品等。LT5高峰时段输送需求量统计，如表8所示。

表8 LT5高峰时段输送需求量统计表

LT5峰值时段效率需求Pm5=99箱/h。

针对高层建筑常规垂直输送效率与医院实际输送峰值需求的巨大差异，贵阳普天物流技术有限公司经过研究对比和仿真验证，提出“多机接力式高效垂直输送分拣系统”的创新解决方案。

（6）效率需求总结

从以上怀远县人民医院的数据统计分析和计算结果看出，两栋18层高楼的垂直输送分拣设备中LT2峰值时段效率需求最高，达到213箱/h；两栋低层楼中的LT4峰值时段效率需求最高，达到250箱/h。按此效率要求，低楼层垂直分拣机可采用多进多出垂直分拣机；但对于两栋高层楼的垂直分拣机效率要求则无法满足，而多进多出垂直分拣机效率满足，但最大提升高度不够；普通直通式垂直分拣机效率差异太大。

三、医院高层建筑箱式物流垂直输送分拣系统效率瓶颈的解决方案

针对高层建筑常规垂直输送效率与医院实际输送峰值需求的巨大差异，贵阳普天物流技术有限公司经过研究对比和仿真验证，提出“多机接力式高效垂直输送分拣系统”的创新解决方案。

该方案是在井道内安装多台子垂直分拣机（如图8），每台子分拣机输送高程在8～12m，子垂直分拣机与子垂直分拣机间周转箱接力传递，子垂直分拣机交出周转箱后就可返回接下一箱，多台子分拣机通过智能感知、多机串行接力、随机协同控制的方式紧张有序工作，实现总体效率的大幅提升。无论楼层多高，此方案均能保证较高的提升效率。

图8 接力式垂直输送分拣机

此外，对全部自动层门进行了改进，将普通方案的门机打开层门改进为每层门单独配置驱动电机，实现在轿厢到达前提前打开层门，节约开关门耽误的时间，进一步提升输送效率。

本创新技术方案在怀远县人民医院进行了实施验证，在每个高层垂直输送分拣机井道里安装了6台子垂直分拣机，每台子提升机升程为10m，轿厢双层4工位，这6台子提升机串行接力、协同控制实现周转箱的升降输送分拣。怀远县人民医院高效接力垂直子分拣系统参数，如表9～表11所示。

表9 子提升机运行参数

表10 提升机运行步骤及对应时间

表11 10m行程子提升机效率

从空间维度看，各子垂直分拣机是接力增高，解决了高层和超高层升程问题。从时间维度看，各子垂直分拣机都是在并行工作，原来一台直通垂直分拣机由多台子垂直分拣机替代，效率大幅增加。层门驱动的改进，对效率提升也有一些效果。综合以上技术创新，使怀远县人民医院高层垂直分拣机系统的垂直输送效率达到289箱/h，大大超过高层实际213箱/h的需求。

四、结论

通过对医院高层建筑垂直输送分拣机效率研究计算、仿真分析及在怀远县人民医院的应用效果看，多台接力垂直输送子分拣机系统的创新方案有效地突破了高层建筑垂直输送效率低的瓶颈问题，保证了医院箱式物流自动化全系统的输送分拣高效率，满足了现代医院高楼层物流自动化和智能化的物资输送分拣新要求。该系统在怀远县人民医院投产2年来，运行稳定，效率富裕度大，客户满意度高。