基于IPv6 與5G 技術的醫院物流機器人應用研究

□ 李寬省 LI Kuan-sheng 王弢 WANG Tao

醫療機構物流運輸種類多、數量大，涵蓋醫療器械、耗材、藥品、標本、醫療廢棄物等，據估計國內醫院大約有46%的預算被投入到物流相關領域，其中人力勞動投入約19%[1]。物流機器人是人工智能高新技術高速發展的產物，能夠滿足醫院運輸物資種類數量多、體積多樣、運送頻次高、配送位置精準、及時高效等復雜需求[2-3]。2020年新冠疫情期間，更加凸顯了機器人在物流、生活管理、治療護理、宣教引導等方面的優勢，有效減輕了醫護人員工作負擔及院內交叉感染[4]，彰顯了智能機器人在醫療行業的廣闊應用前景。

2023年4月，國家印發了《關于推進IPv6 技術演進和應用創新發展的實施意見》，提出推動IPv6 與5G、人工智能等技術的融合創新[5]。5G 技術突破了現有通信技術下的瓶頸，具備了低時延、移動性、高帶寬、海量連接等特色，這大幅提升了自主移動機器人(AMR)的大規模接入能力和調度能力，使得機器人行業的技術得以實現多層次的升級[6]。IPv6 擁有更高的網絡轉發效率、更好的移動性支持、更優秀的路由性能等優勢，同時在保密性、完整性方面也有顯著改進[7]。伴隨互聯網醫療和智慧醫院建設，各種基于IPv6和5G 技術的移動互聯網醫療和管理應用層出不窮，為醫務人員、患者以及醫院管理人員帶來了全新的服務體驗和管理方式。然而，基于IPv6 和5G 技術的移動互聯網在醫院物流領域的應用研究還有待深入，特別是IPv6 與5G 技術與醫院物流機器人結合產生的創新應用還有待我們去深入挖掘。

本研究以上海交通大學醫學院附屬瑞金醫院藥品配送場景為例，以IPv6 與5G 技術為出發點，探討醫院物流機器人應用的發展機遇，進而通過對現有無線網絡的改造，構建支持IPv6 與5G 的網絡環境，確保物流機器人在運行過程中的通信功能得到充分保障。

建設方案及實踐

1. IPv6 與5G 醫療專網建設。圍繞服務、管理、醫療“三位一體”的智慧醫院建設目標，醫院對現有網絡基礎設施進行了全面升級與改造，精心構筑具有IPv4/IPv6 雙棧承載能力的IPv6 與5G 醫療專網，以滿足廣大患者的診療服務、醫院管理與日常辦公等多樣化需求。在網絡規劃方面，我們逐步從IPv4 過渡至IPv4/IPv6 雙棧，并最終過渡至IPv6單棧。

IPV6 與5G 醫療專網采用了“IPv4 源站+地址轉換+IPv6 邊界安全防護”技術方案，調整了DNS 指向，通過協議轉換技術實現了IPv6 可達。同時，邊界防火墻全面支持IPv4/IPv6雙協議，對雙棧數據報文進行嚴格的訪問控制、高效的路由轉發以及便捷的流量管理。具體的網絡拓撲參見圖1 所示。

圖1 IPV6與5G醫療專網網絡拓撲

2.無線專網導航。采用的物流機器人裝備了先進的3D激光雷達，內置多傳感器融合定位算法，具有構建和定位3D 高清地圖的功能，能以百倍的定位信息量提供精確的定位服務，借助于IPv6 與5G 專網，設備的障礙躲避及定位導航能力得到顯著提升。物流機器人室內導航技術，主要包括全局導航定位技術以及導航運動技術。在運行過程中，物流機器人的視覺傳感器會實時收集周圍環境信息，并通過IPv6 與5G 專網把這些信息實時傳輸到服務器(機器人調度系統)。服務器上設有專門的處理單元，負責運用相應的視覺處理算法，作出實時決策，并以高速度、低延遲將決策指令發送至各個機器人，以便及時調整機器人的運行姿態和行進路線。

3.無線專網下的運行調度。電梯與門禁調度、物品裝卸、狀態監測與自動充電、集群運行調度等環節都需要通過IPv6 與5G 網絡與服務器(調度系統)進行實時的數據傳輸通信。其中包括以下幾個方面的要點：(1)電梯與門禁調度，物流機器人需要通過醫院內的電梯完成跨樓層運輸任務，同時還需要在門禁處實現跨區域運輸，這整個過程都需要依賴無線網絡實現機器人、電梯、門禁(改造后)以及后臺服務器之間的交互協作；(2)物品裝卸調度，為了保證物品運輸的安全性，物流機器人、PDA(或其他終端)、關涉人員以及后臺服務器之間需要建立起一套無線網絡連接的認證和調度機制，主要涉及機器人呼叫、開箱存放、取貨以及運送狀態信息通知等環節；(3)狀態檢測與自動充電，當物流機器人出現故障時，相關故障信息會通過無線網絡傳輸到后臺服務器，從而為運維管理人員提供及時的維修服務；(4)集群運行調度，機器人調度系統可以根據獲取到的機器人信息(狀態、位置、交通狀況等)，調度多個機器人分別執行各自的任務，解決可能出現的避讓問題和方案優化等問題。集群調度對網絡的帶寬、延遲性有較高的需求。

藥品運送實踐及成效分析

1.藥品運送流程。機器人藥品配送工作業務流程，見圖2：(1)藥房將指定病區的藥品進行打包裝箱后，PDA 或計算機操作機器人調度系統呼叫機器人；(2)機器人到達藥房后，藥房打開機器人箱門存放，經掃描箱碼后，操作機器人觸摸屏確認“裝車完成”；(3)機器人開始按照調度系統的定位、導航自動乘電梯、開門到病區配送藥品；(4)到達病區后，護士通過工號牌打開箱門，取出藥箱并使用PDA 掃描簽收；(5)收貨完成后，機器人自動前往下一個病區配送，直到配送任務完成；(6)返回到藥房發藥處等待，機器人電量不足的時候，會自動前往指定地方充電存放。

圖2 藥品運送流程

2.實踐情況。在IPv6 與5G 醫療專網環境下，2 臺物流機器人在6 個病區進行了為期1年的藥品運輸試用運行。根據后臺數據統計顯示，機器人總共出發2384 次，行駛總距離達到436.8 公里，承載總重量達46785 千克，總計完成了14060 筆運單。試用期間，共出現了11 次異常情況，主要原因包括系統本身的故障或人為操作導致機器人無法正常配送，經計算，異常率約為0.46%單次發車運送中，機器人均需兼顧3 個不同病區站點的貨物，第一個站點的平均到達時間為2 分鐘，同樓層的第二個站點則為5 分鐘，而對于非同樓層的第二個站點，受制于電梯使用情況的影響，平均時間則為10 分鐘(差異較大)，至于最后一個站點的平均到達時間則為14 分鐘。詳細信息請參考表1。

表1 機器人與人工運送數量及時間

3.成效分析。在運行狀況方面，5G 的時延已經達到了毫秒級別的程度，覆蓋的盲區相對較少。借助于IPv6 協議本身更高的網絡轉發率、更出色的移動支持性以及更好的路由性能，使得機器人和服務器之間的通信延遲得到有效降低，實現了實時、高速的通信。

經濟效益方面，機器人能夠24 小時不間斷地進行物品運送，根據我們對醫院6 個病區的監控數據顯示，這將幫助后勤部門節省超過2 名運送崗位的人力資源。同時，也節約了護士對接物流的時間，降低了對接的復雜度，從而提高了護理工作的效率。

運維管理方面，依靠IPv6 與5G 網絡和物流機器人的導航運動技術。如果需要調整運行地點和路線，只需遠程操作一臺機器人前往目的地進行地圖構建、情境學習，然后順利完成新路線的設置。這項措施并無需廠家專業運維人員進行定位標簽的粘貼或者現場改造、規劃新線路，進一步提升了運維管理的靈活性和高效性，同時降低了運維開支。

疫情防控方面，對隔離病房和發熱急診的物資運送，不僅緩解了醫務人員短缺的問題，同時也在降低院內感染風險中發揮了關鍵作用，提升了患者的滿意度。

規范管理方面，從整個運營過程中觀察，機器人的運送更加規范化、更有效率以及配送的準確性更高。在運送醫療物資的過程中，對其的可追溯性、安全性以及保障性更好，流程管理也更加有條不紊。

網絡安全方面，后臺物流機器人服務器可與醫院的HIS、LIS、SPD 進行柔性的對接，醫院系統數據庫中有大量敏感信息，保障用戶數據安全尤其重要。后臺服務器支持使用IPv6，用戶可以對網絡層的數據進行加密并對IP 報文進行校驗，極大地增強了網絡的安全性，有效防止了黑客破解、控制機器人、偷盜機器人所運送物資等可能發生的情況。對于對安全性有極高要求的醫院來說，具有重大的價值。

討論

1.物流機器人方案選擇。現有的可替代人工運輸的機械物流解決方案，如軌道小車、箱式物流系統、垂直井物流傳輸系統及氣動物流傳輸系統，這些解決方案有著共同的缺點：建設成本高，必須在建筑規劃階段納入考慮范圍，且載重量較低[4]。而智能移動機器人則既可以滿足傳統軌道物流與中型物流物品的傳輸要求，亦可實現解決軌道和箱式的載重與安裝維護問題，且改造成本相對較低，無需對建筑本體進行施工，從而節省了工期與成本[8]。然而，智能機器人亦存在問題，在人流密集的通道運行時，需要進行特殊設計，且其速度略顯緩慢，尚待進一步探討解決。

2.網絡安全風險。設計上，IPv6 協議比IPv4 協議在保密性、完整性等方面有顯著改進，擁有不可替代的優勢特征，然而，新技術在應用推廣階段必將面臨諸多安全風險，因此需持續完善解決方案。目前，IPv6 相關技術正逐步普及與成熟，環境中的服務與應用顯著增多，但IPv6 的大部分設計和應用并未經過時間、規模方面的考驗，仍存在安全隱患，而且由于IPv6 具有的某些新特性也將不可避免地引入部分特有的安全風險[9]。

3.助推醫院物流精細化管理。提升物流配送服務水平與質量不僅關乎醫院后勤高效管理，更涉及臨床醫療工作效率，乃至醫院提供優質的醫療服務。而醫院物流精細化管理需要信息化手段推動的智慧醫院建設，尤其需要新一代信息技術的持續融入與演化。IPv6、5G 等新興技術所構建的新型網絡正是智慧醫院的基礎設施，也是智能物流機器人等現代化特色化應用的重要保障，將在智慧醫院建設的各個層面、各個領域發揮作用，以此助力醫院物流的精細化管理。

展望

隨著大規模接入的集群式智能機器人陸續到來，機器人邊緣端將日益簡化，數據存儲與處理、定位導航、路徑規劃等運算能力將從單個機器人個體轉移至云端(調度中心)，使得機器人個體硬件成本下降，從而提升了機器人的智能性與可迭代性[6]。IPv6 與5G 無線網絡能夠對大規模接入、集群調度和智能運維提供強大的網絡支持，在云端與機器人之間建立可靠、安全的連接，充分發揮調度系統的運算處理和調度能力，使得機器人邊緣端簡潔化、低成本化成為可能，解決了傳統網絡大范圍改造的高成本和復雜度問題，減少對醫院原有設施結構的影響，驗證過的機器人物流效果將得以數倍提升。未來，應用的規模化將使得物流機器人可以跨領域綜合承擔導診、巡檢、保潔、消毒、護理、急救、宣教等多項任務，人工智能的潛力與經濟價值也將被釋放。