BIM和IoT技術在醫院智慧運維中的應用分析

李瑩瑩， 魏洪林， 李 寧， 樂佳玲， 王艷敏

(1. 哈爾濱工業大學建筑設計研究院，哈爾濱 150001；2. 哈爾濱工業大學，哈爾濱 150001)

0 引 言

建筑運維管理在整個項目全生命周期里是耗時最長、信息量和工作量最大的一個環節，成本占整個項目的55%-75%，因此有效控制和管理該系統至關重要。近年來，為提升建筑運維管理的智能化水平，建筑信息建模(Building Information Modeling，BIM)與物聯網(Internet of Things, IoT)技術成為兩種不可或缺的關鍵技術，兩者的結合被視為建筑信息業的革命性變革，緊跟國家對新基建、智慧城市等建筑信息化、智能化的發展趨勢。

作為智慧城市的重要組成部分，智慧型醫院正成為現代化醫院建設的主流方向，是構建在智慧城市大腦基礎設施上一個重要的應用分支，是智慧城市智能感知、互聯互通、智慧化應用架構的典型應用場景。盡管IoT和BIM技術已經在醫院類建筑物的安防、消防及各類機電設備中得到應用，但應注意到：目前醫院智慧運維系統多集中在單一技術應用為主，雖然也涉及全生命周期，但主要集中在設計、施工階段，運維業務也多限于設備管理和能耗監測方面，且在運維階段的自動化和信息集成度涉及很少，這極大阻礙了我國醫院智能化的可持續發展。

1 醫院智慧運維系統概況

1.1 醫院傳統運維系統存在問題

傳統醫院運維系統(圖1)的智能化程度多依賴于現場設備的集成化工程設計，且多基于現場總線、藍牙、以太網等多種網絡形式，即智能化升級改造多體現在網絡通訊方面技術的應用，存在的突出問題包括：

圖1 傳統基于網絡集成的醫院運維系統

(1) 國內勞動力成本的逐年增加，人力成本是運維階段需要考慮的重要因素。

(2) 傳統的醫院運維系統屬于被動式運維管理方式，涉及到照明、通風、監控、電梯、通訊等各系統，包含了大量的設備和管線。由于缺乏高素質、技術全面型運維管理人員，一旦這些設備和管線出現故障，無法及時發現和避免，甚至是引發安全事故。

(3) 過度依賴設備間的聯動與通訊，忽略人在運維系統中的作用，進而缺乏對突發事件的快速、準確決策能力。

目前，基于圖1傳統醫院運維系統的智能化設計與升級改造主要由設計院和消防產品類科技公司兩方承擔。

1.2 醫院智慧運維系統框架

隨著BIM、IoT、AI、大數據、數字孿生、GIS等新一代信息化技術的發展與應用，目前醫院的智慧運維系統框架，多采用基于“一個平臺+N個應用”的設計框架(圖2)，按照“縱向貫通、橫向交換、條塊融合”的智能化設計思路，可面向醫院所有員工的門戶，提供了人、財、物等各方面的電子化管理工具，并可共享醫院已有系統的信息，最終將所有數據進行匯總分析，為醫院管理決策提供了有力支持。

圖2 醫院智慧運維系統框架

具體地，醫院運維系統的N個應用系統是建立在三個數據中心基礎上，即運維系統的智能性均是基于數據驅動進行，BIM和IoT技術的有機結合，可通過“感、傳、知、用”等技術手段，能基于數據融合技術統一數據標準、規范數據來源，對醫院運維系統的內部、外部數據資源進行數據整合和數據處理，最終形成符合標準規范的數據資源，實現各級業務單位信息的互聯互通，進而實現臨床服務、患者就診簡約化、運營管理精細化、決策分析科學化、區域協同多元化這五類典型應用，為提高醫院的競爭力與創新力提供重要信息支撐。

1.3 BIM和IoT在醫院智慧運維的應用剖析

醫院是一個功能齊全、業務量眾多的復雜運維系統，BIM與IoT兩種關鍵技術旨在用信息化的方式提高其工作效率、改善其服務品質，具體應用剖析如下。

目前BIM技術在醫院建筑的建模內容主要包括系統級、模塊級和物件級三個層次。其中系統級相比于民用建筑所涵蓋的建筑模型、結構模型、機電模型外，特殊增加了醫用專項系統模型，服務于諸如手術系統、醫用氣體系統、醫用物流系統和放射防護系統等特殊部門；模塊級具體為某個系統的局部設備，例如某個特定的手術室、液氧站、物流機房、檢驗科、核磁共振檢查室等；而物件級則進一步細化為某個單獨的設備，如無影燈、傳輸瓶、磁共振設備、主機設備等，通常由醫院的BIM族庫構成。雖然BIM技術已經在醫院工程領域得到成功應用，但是如何結合醫院智慧運維的系統集成仍然缺乏有效的理論和實踐應用標準。

針對IoT技術，目前在智慧醫療系統應用的關鍵是保證其信息的正確感知，涵蓋終端感知延伸層、網絡支撐層和應用層三個層面。其中最基礎層為感知層，主要負責對醫療系統的所有系統完成識別、信息采集和處理的功能；網絡支撐層是物聯網技術的關鍵和核心，起到將采集到的信息上下傳遞的作用；而應用層則是智慧醫療的具體應用，代表著整個智慧醫療系統流程。目前，IoT在智慧運維系統中，主要用于人員管理、空間管理、安全管理和能源管理，其作用包括實時數據采集、端到端的通訊、綜合智能分析、優化運行控制，并將靜態信息和實時測控信息做融合，通過合適的算法實現優化控制功能，表1為智慧醫院常用系統的數據接口形式。如何協調眾多設備采用統一的數據格式標準，避免數據孤島，并保證其信息的正確感知至關重要，這是目前的關鍵和難點。

醫院智慧各運維子系統的數據接口形式 表1

2 BIM在智慧醫院應用狀況分析

隨著智慧城市概念的提出和建筑業信息化的時代要求，BIM軟件的應用是大勢所趨。圖3為智慧醫院BIM協同工作平臺框架，其中(a)為涵蓋BIM、設計、施工及各專業配合等的基本工作流程，(b)則為涵蓋不同人員、業務、階段等的具體實施內容與框架。

圖3 智慧醫院BIM協同工作平臺框架

基于BIM協同工作平臺，可充分發揮BIM輕協同、易管理優勢，主要體現在：(1)跨平臺瀏覽BIM模型，支持漫游、剖切、視口保存等操作；(2)BIM+二維碼，通過二維碼實現BIM數據與現場數據信息的高效有序交換；(3)材料跟蹤管理，對每一種材料模塊建立對應的二維碼；(4)質量管理，可即時在移動端以照片、文字記錄至云平臺；(5)4D進度管理，實現計劃任務、采集的完成時間與BIM結合，形成可視化的4D進度模擬；(6)資料管理，實現項目資料(圖紙、文檔、圖片、視頻等)的分類管理，與BIM構件關聯，形成BIM資料庫。

具體由圖3(b)智慧醫院BIM的具體實施情況，可見涉及涉及技術管理人員、運維人員、維保供應商、資產財務人員、高級管理人員等，涵蓋業務執行層、業務管理層、數據處理處理層，進而實現BIM的可視化管理，并結合數據庫和API接口，建立智慧醫院的數據聯動平臺，實現對醫院各類信息的智能化綜合管理。

根據前瞻產業研究院《2018-2023年中國建筑信息模型(BIM)市場前瞻與投資戰略規劃分析報告》調研與分析，2016年我國建筑信息模型應用項目比率約為30%-40%，主要應用于建筑面積大于2萬平米的建筑和政府投資項目。與《關于推進建筑信息模型應用的指導意見》提出的2020年目比率達到90%還相差甚遠，可見我國BIM應用尚處于起步階段，國家政策引導，以及建筑業市場發展倒逼，眾多特一級企業愈發重視BIM投入，潛力非常巨大。

然而，目前BIM技術的應用還存在很多技術壁壘和障礙，BIM軟件之間數據信息交互還不夠暢通，無形中給應用的企業增加了重復勞動，提高了使用成本。此外，盡管當前設計和施工兩大極端BIM數據對接已有較好的成果，然而要推動設計、施工、運維階段數據的打通還需要一段時間，BIM軟件廠商之間和市場等多方面的競爭使得BIM軟件的標準化、規范化等方面還存在很多亟待解決的問題，進而對BIM技術的應用和開發既是一定的挑戰，也是一種有力的發展機遇。

3 IoT在智慧醫院應用狀況分析

IoT被稱為繼計算機、互聯網之后，世界信息產業的第三次浪潮，目前已在智慧醫院中得到應用，但僅處于初級階段，其應用框架如圖4所示。該構架在IoT層面實現了不同樓層和不同子系統建的無縫協同，整個IoT系統通過IoT交換機和路由器收發消息。

圖4 IoT應用框架

目前IoT在醫院智慧運維系統各模塊的應用較廣泛，例如生命體征智能采集監控系統、非接觸式體征采集監控系統、智能輸液管理系統、醫藥物流儲監管、醫療監護、醫療設備管理等，本質上IoT技術都是基于其“萬物感知”的優勢，輔助相關系統的決策制定。以生命體征智能采集監控系統為例，通過可實時監測并自動的采集病人的各項生命體征數據，包括溫度、血氧、脈搏等生命體征，然后通過IoT使得數據采集并上傳到醫院的智能化平臺，并能對患者異常情況進行自動預警；同時醫護人員通過該平臺可直接獲取病人的信息，而不需要手工錄入，并輔助形成智能化的護理決策。

綜合IoT在醫院智慧運維系統各模塊的應用，本質上其應用都可歸結體現在數據采集、傳輸、服務等方面。

在數據采集方面，為終端及感知延伸層，主要對各種物體識別和智能感知，完成信息收集處理。在智慧醫院應用時，IoT技術涉及人，即醫、護、患等；物，即藥、醫療儀器、醫療垃圾等及其存放地等。設置有源標簽發射信號，將監測數據入網，且可通過手持終端等進行數據讀取。

在傳輸方面，為網絡支撐層，其主要任務為管理信息，把采集處理的信息傳遞給其他層面。在智慧醫院應用時，從醫療數據安全的考慮，最好引入WAPI認證機制，只有合法數字證書的標簽等產品，才允許接入、發送和傳輸數據，以保證醫院網絡覆蓋的安全性和可靠性。

在應用服務層方面，即智慧醫療的具體應用，可根據醫院的各項服務按需定制，如緊急呼叫管理、醫療物資或設備管理等，同時對外提供Web Service接口，方便與醫院信息等系統對接，實現數據共享。

4 結束語

BIM技術與IoT技術是相輔相成的，尤其是隨著建筑運維系統朝著專業化、可視化、智化、信息化方向的不斷發展，如果沒有BIM技術，運維管理無法跟建筑物相關聯，無法在三維空間中定位，無法對周邊環境和狀況進行系統地考慮；如果沒有IoT技術，那運維系統則還是會停留在目前靠人為簡單操控的階段，沒有辦法形成一個統一高效的管理平臺。