基于物聯網的醫療機構UPS智能監控及安全管理策略

張鞠成，張杰，陳長駿，黃天海，褚永華，王志康

浙江大學醫學院附屬第二醫院 臨床醫學工程部，浙江 杭州 310009

引言

由于氣候變化，自然災害發生的數量和規模不斷擴大，停電是自然災害的常見后果。1990年以來，自然災害每年影響了大約2.17億人[1-2]。衛生設施是自然災害中的主要救濟需求之一，醫療機構依靠持續、不間斷的電力來運行設備，以挽救生命并保護重要的電子數據。可靠、恒定的電力對現代醫療保健設施的運營至關重要[3]，即使是短暫的電源中斷也可能對正在接受手術的患者或重癥監護患者有害。然而我國的公共供電網絡存在電壓不穩定、頻率偏移、浪涌等情況，如何保障醫療機構穩定、安全的供電已成為一個不容忽視的問題[4-7]。醫院手術室、監護室、信息中心等重點區域需要安裝不間斷電源系統（Uninterruptible Power System，UPS），為數據中心、通信系統和急救、生命支持類醫療設備等敏感負載提供清潔、經調節和不間斷的電源[8]。

根據拓撲結構的不同，UPS系統可分為離線式UPS、在線交互式UPS和在線UPS系統。Aamir等[4]全面綜述了不同拓撲結構UPS的電路系統和控制技術，使用單位在UPS系統選型時需要考慮電網環境、額定功率、體積大小和備用時間等不同方面。隨著大型三甲醫院規模逐漸擴大，醫院使用UPS數量越來越多，品牌、型號、容量等也不盡相同，UPS使用科室往往不重視UPS的日常管理，造成UPS壽命縮短，嚴重時可能會導致火災等安全事故，進而導致醫療設備或信息系統故障，嚴重影響醫院社會聲譽[9]。例如，意大利那不勒斯Federico II大學醫院重癥監護室的UPS故障引起火災，導致9名患者緊急轉移或轉院[10]。目前，重癥監護室和手術室消防安全和緊急疏散演練中并未考慮UPS起火相應的緊急處理策略，需要加強UPS的監管，以降低相關安全風險[11-12]。

當前UPS的日常檢查目前主要通過人工巡檢，本單位巡檢發現的主要問題是：① ICU的UPS主機灰塵多，安裝環境不符合溫濕度要求，UPS機房與水冷機房同在一個房間，存在消防安全隱患；② 手術室UPS主機有報警未處理，地下二樓的UPS電池處于無人監管狀態。人工巡檢需要耗費大量的人力資源，管理效率較低，且難以判斷每個蓄電池的工作狀態是否正常，非工作時間UPS系統在無人監管的情況下存在較大風險隱患[13]。本文介紹UPS安全使用管理制度的制定和實施，通過研發一套基于物聯網的UPS實時在線監測管理系統，以提高UPS系統巡檢合格率，并實現UPS系統故障的早期預警。

1 制定并實施UPS安全使用管理制度

浙大二院3個院區的UPS分散在手術室、ICU、IT中心、消控中心和檢驗科等多個科室，品牌、型號、容量等不盡相同，且部分UPS處于使用科室無人日常監管狀態，如城東院區手術室的UPS主機在手術室內部，而電池在地下二樓，對UPS的日常管理和定期維護造成較大挑戰。

針對UPS管理權責不明確、消防安全隱患大的問題，浙大二院2019年發布了院級《不間斷電源安全使用管理制度》，規定：使用部門設定專職或兼職管理人員負責UPS日常使用管理，臨床醫學工程部負責UPS的采購、安裝、培訓、驗收、維修和保養檢測，保衛科負責UPS安裝區域消防設施管理和定期消防安全巡查，各部門工作職責如圖1所示。

圖1 UPS管理中各部門工作職責

2 設計和實施基于物聯網的UPS實時在線監測管理系統

由于缺乏UPS在線監測系統，管理人員無法實時掌握UPS使用狀態，故障解決響應速度較慢。針對上述問題，本研究設計了基于物聯網的UPS實時在線監測管理系統，將3個院區獨立分散的、不同類型的UPS統一納入集中監測管理，實時監測所有蓄電池運行狀態和環境溫度、電池電壓、內阻等信息。

2.1 基于物聯網的UPS實時在線監測管理系統設計

如圖2所示，基于物聯網的UPS實時在線監測管理系統硬件由TA模塊、TC模塊和采集模塊組成，TA模塊與每節蓄電池連接，監測蓄電池的電壓、內阻和溫度；TC模塊監測蓄電池組的環境溫度和充放電電流；采集模塊讀取所有TA模塊和TC模塊的數據，對數據進行分析處理后上傳至服務器。UPS實時在線監測管理系統軟件由數據庫、服務器和客戶端組成，客戶端軟件采用B/S構架，通過客戶端軟件訪問服務器IP地址即可查詢監測數據，采用SQL-SERVER來存儲數據，并通過數據波動保存技術，剔除無用的歷史數據，提高數據的有效性。

圖2 基于物聯網的UPS實時在線監測管理系統框圖

基于物聯網的UPS實時在線監測管理系統主要功能如下：

（1）UPS統一管理、實時監控：監控系統可分組管理分布在不同區域的UPS，將所有的UPS信息統一收集起來，管理人員可以在電腦前隨時查看任一UPS系統當前的運行狀態，UPS系統整體的電流、環境溫度以及精確到每節蓄電池的電壓、內阻和溫度均可實時查看，可以有效解決UPS中各個蓄電池的狀態較難檢查的問題，也為專業維護提供了準確依據。例如當觀察到UPS內部蓄電池溫度高于環境溫度時，可以猜測UPS內部散熱存在問題，并針對該問題做出相關的檢查維護工作。

（2）監控歷史數據查詢：監控系統的數據庫可以存儲蓄電池近1年內的所有歷史數據，并以圖表的形式展現出來，方便管理人員了解蓄電池的狀態變化，為維修和維護提供有效的數據支撐。

（3）監控異常報警：可以根據不同類型的蓄電池，設置合適的電壓范圍、內阻范圍和溫度范圍，當有蓄電池的任一參數超出指標時均可觸發平臺報警，同時也會通過短信通知管理人員。通過實時報警功能，管理人員可以在UPS出現故障時第一時間知曉，并根據平臺上或短信的報警內容了解到故障原因，方便管理人員快速定位故障和制定相應的解決辦法，可以有效地縮短UPS系統的故障處理時間，保障醫院供電安全。

2.2 基于物聯網的UPS實時在線監測管理系統實施

2019年至2021年，浙大二院3個院區分批安裝了UPS實時在線監測管理系統，根據《不間斷電源安全使用管理制度》要求，UPS使用環境要求清潔、少塵、干燥，電池使用溫度不超過10～30℃，因此針對現場巡查發現的問題，各職能科室做專項整改，主要包括：后勤管理科對不符合溫濕度要求的機房安裝空調，基建科對存在消防隱患的UPS進行移機，臨床醫學工程部組織對重點區域無人值守的大型UPS加裝監控系統、除塵、充放電測試、開展《不間斷電源安全使用管理制度》宣貫和日常管理培訓等。

3 UPS日常管理

3.1 臨床醫學工程部每月巡檢

臨床醫學工程部每月對UPS進行巡檢，現場巡檢之前通過客戶端軟件或IP地址訪問UPS線上管理平臺（圖3），環境溫度和每一節電池的電壓、內阻和溫度可以實時顯示，也可查詢每一組電池的監控歷史數據，對于監控有問題的UPS現場重點巡查。現場具體巡檢內容如表1所示，共10個巡檢項目，包括檢查主機和電池的使用環境、外觀及工作狀態，并與使用科室進行交流等。

圖3 UPS實時在線監測管理系統軟件界面

表1 臨床醫學工程部UPS每月巡檢項目

3.2 維保單位定期檢測和保養

除了臨床醫學工程部的每月巡檢，需要專業人員定期對UPS進行性能檢測和全面保養，見表2。UPS內部除塵可以改善UPS內部的散熱，延長UPS使用壽命和降低因散熱導致的故障，充放電測試可以排查蓄電池的工作狀態和容量是否滿足使用需求，對于不滿足使用要求的蓄電池，需要更換電池以保證UPS整體性能。

表2 維保單位定期檢測和保養內容

4 實施效果

4.1 提高UPS巡檢合格率

利用IBM SPSS 24.0進行統計學分析，均數間比較采用t檢驗，以P<0.05為差異有統計學意義。以各科室進行專項整改為時間節點，將2020年11月至2021年5月間改進前的UPS巡檢合格率與2021年6月至12月間改進后的該指標進行前后對比，可以發現，在專項改進后，UPS巡檢合格率均提高至100%。由此可見，此次專項整改對于UPS巡檢合格率具有明顯的提高，且差異具有統計學意義（P<0.05），見表3。

表3 UPS專項改進前后巡檢合格率對比（%）

4.2 UPS故障早期預警

UPS實時在線監測管理系統實時監測總電壓、總電流、單體電池電壓、單體電池內阻、單體電池負極溫度、環境溫度等，任何參數超出閥值后自動告警。監控系統現場具備本地聲光告警，告警發生時，紅色告警燈點亮，告警蜂鳴器啟動。如圖4所示，UPS管理工程師收到短信提醒，IT中心機房一組29節電池內阻均超過10 mΩ，需要重點關注并盡早更換電池。

圖4 UPS監控系統提示電池內阻超范圍報警

5 討論

本研究設計開發了一種基于物聯網的醫療機構UPS智能監控系統，通過采集每一節蓄電池的溫度、電壓和內阻等參數，實現了UPS的統一集中管理、蓄電池狀態實時監測、異常報警和歷史數據查詢等功能。UPS實時在線監測管理系統的實施可以提高巡檢效率，縮短故障報警時間，同時在出現故障時，為維修人員提供較為直觀的判斷依據，縮短故障時間。

UPS在醫療機構中布局分散，各部門自行管理存在很大的隱患，以往的研究多是加強巡查，甚至建立定期巡查制度，沒有形成全院級別的管理制度[13]。本研究通過制定院級《不間斷電源安全使用管理制度》，明確使用科室、臨床醫學工程部、保衛科和維保單位的權責，以及定期巡檢和維護保養的頻率、具體項目，管理覆蓋面更廣、可操作性更強。嚴浩等[14]對醫院UPS進行了安裝環境、輸入輸出電壓檢測、電池自檢等12個指標的全面巡檢，合格率為66.7%，不合格問題主要是：安裝環境問題、灰塵大和處于旁路模式等。嚴浩等[14]建議使用年限3～6年的UPS巡檢周期每月一次，使用年限超過6年的UPS巡檢周期為兩周一次，由于缺乏基于物聯網的UPS監控管理系統，該研究中臨床工程師需要到現場巡查才能發現UPS故障，相關問題處理相對滯后。劉曉霞[15]提出了一種實時在線UPS監控系統硬件設計，并進行了可靠性分析建模，該研究尚停留在理論研究層面，沒有實際應用進行系統驗證，缺少配套使用的軟件系統，沒有故障報警功能。高士臣等[16]提出的UPS監控系統與此類似，僅是提出了一種UPS監控系統概念，沒有實施實例佐證系統的可靠性。

本研究提出的基于物聯網的醫療機構UPS智能監控系統可以提高UPS管理效率，降低巡檢工作量，但是對于UPS故障的處理仍比較被動，只能在問題出現后去處理，還無法對蓄電池的故障做出預測。蓄電池的定期充放電維護需要在現場手動進行，還無法實現遠程控制充放電維護。此外，目前UPS監控系統是單獨的一套系統，將來可以集成到醫療設備管理信息系統中，方便統一管理。未來可以充分利用蓄電池的歷史監控數據和充放電數據，通過機器學習算法建立蓄電池容量和使用壽命預測的數學模型，在蓄電池即將產生故障時提醒管理人員對蓄電池進行更換，有效地降低UPS的故障率，減少UPS故障引起的不良事件[17-19]。

6 總結

本研究通過制定并全面實施《不間斷電源安全使用管理制度》，研發和實施基于物聯網的醫療機構UPS智能監控管理系統，將醫院中各個“孤島式”的UPS統一集中管理，可以實時監控每節蓄電池的工作狀態，提高了UPS的巡檢效率，系統的短信報警功能也可以迅速通知管理人員處理，降低故障解決時間。