CN108128584A - 一种智能化与自动化药房 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能化与自动化药房，其包含储药系统、上药系统和出药系统；储药系统采用层次分析法和整数优化聚类分析方法进行储药，储药系统包含储药柜；上药系统包含上药机械手和上药输送机构；上药输送机构的出药口与上药机械手的U型槽的进药口相对接，该上药机械手的U型槽的出药口与储药柜的入口相连，形成上药通道；出药系统包括升降机、出药机构和接药传送带；储药柜的U型槽出药口与出药机构的进药口相对接，出药机构的出药口与接药传送带连接形成出药通道。本发明可有效节约医院有限的场地，在不增加药房场地面积时，大幅提高药品和药柜的利用率，因而具有重要的经济效益，可在多个场景中进行推广意义，经济与社会效益显著。

Description

一种智能化与自动化药房

技术领域

本发明涉及智能化与自动化药房系统领域，特别涉及一种智能化与自动化药房。

背景技术

医疗技术和信息技术的快速发展使得我国医疗卫生信息化建设正迈入智慧时代。而大型医院的智能化和自动化程度直接影响了医疗系统的使用效率。智能药房的出现有助于缓解甚至解决大型医院分布不均、医疗资源有限等突出矛盾，加快推进感知健康和智慧医疗的建设与发展。当前药房药品摆放分散，药房面积利用率低，还增加了药师的劳动强度，急需设计制造一种能够降低药剂师工作强度、提高药品上药和发药的效率和准确率，构建服务质量好、智能性能好、信息化和自动化程度高的药房。

智能药房储药柜设计时，需要根据医院病人用药分布信息不断增加或减少药品，因此药品尺寸信息具有量大、季节变化幅度大、分段时变等特点并需要进行动态调整。对于设计相应的储药柜这一任务而言，考虑到医院特点，需要根据药品使用情况，统计尺寸信息并进行自动聚类，从而动态调整药槽宽度和高度信息，并定期对储药柜进行填充。

现有方法在设计药槽时，通常直接采用整数规划或者简单的模式分类完成一次性的设计，设计方法较为复杂且无法自动化运算，并无法覆盖可能出现的动态调整情况，直接影响药品的分类效果和药品发放效率，影响了医院的效益。

而对于自动化药房中的药品而言，其药品尺寸和使用频率统计数据本身具备混合属性，即既需要考虑尺寸信息，满足各种几何约束条件，方便自动化系统装药出药；又需要考虑其种类特性，方便分类，还需要便于实现和人员操作。而现有大部分混合属性聚类算法在用于药品分类时，普遍存在聚类质量低、聚类算法参数依赖性大、聚类类别个数和聚类中心无法准确自动确定等问题,因此其应用受到极大限制，并直接影响了智能化药房的使用效能。针对这些问题，在考虑药房本身使用特点的前提下，本专利提出了一种两级聚类规划算法，不仅可以考虑药品分布的三维尺寸统计信息特征，还可以兼顾单个药盒存在对应的药槽列宽区间等具体空间约束，降低设计的保守性，提高药房空间的利用率。

现有专利中，“201310739129.X-一种智能上药方法”提供一种自动化药房上药的方法，通过查找药品判断是否需要加药，没有可用的加药仓则控制有药的加药仓运行，有可用的加药仓则将药品装入可用的加药仓然后控制有药的加药仓运行，实现自动加药和提高加药效率，从而最终实现缓存区加药仓作业流程的优化控制。但是并未涉及到药槽的具体设计，药盒的分类标准和具体优化策略等问题，使得并不能直接指导上药和储药系统的设计。

而专利“CN201010153524.6-智能配发药方法”提供了一种用于医院门诊的智能配发药方法，该方法利用自动化控制系统录入配药单的信息，并利用自动化控制系统记录和检索配药单上的药品在储药装置上的储放信息。但是该方法未采用整数优化方法来设计上药和发药流程，机械手不具备智能的特点，另外，对于大规模的药品信息也无法进行有效分类和提供指导性的药槽系统设计建议。

论文“快速发药系统的设计与运动分析”对快速发药系统的机械结构和控制部分做了设计，对出药机构进行了运动分析，计算了药盒的运动轨迹，对不同种类的盒装药品在机器采用的翻板机构进行了设计，对上药机械手进行了运动分析，研究了其固有特性，验证了送药机构的振幅，设计了快速发药系统的上药机械手、储药柜、出药机构、输送装置等的机械结构，以及控制系统。但是该论文未同时涉及上药出药顺序的优化设计，在获得分组数和各组中的类别信息后，单独采用聚类分析方法和体积最大化法容易造成组内间距划分有较大保守性，造成冗余度过高的不足，采用组合优化的设计方法重新设计每一组中的排列情况，而理想情况下，采用组距分组时，需要遵循“不重不漏”的原则。“不重”是指一项数据只能分在其中的某一组，不能在其他组中重复出现；“不漏”是指组别能够穷尽，即在所分的全部组别中每项数据都能分在其中的某一组，不能遗漏。

从以上分析可以看出，现有主要的专利与论文中的方法和系统功能与本专利存在本质区别，在采用的方法和解决的主要问题等方面，均存在较大不同之处。

对于自动化药房中的药品而言，其药品尺寸和使用频率统计数据本身具备混合属性，即既需要考虑尺寸信息，满足各种几何约束条件，方便自动化系统装药出药；又需要考虑其种类特性，方便分类，还需要便于实现和人员操作。而现有大部分混合属性聚类算法在用于药品分类时，普遍存在聚类质量低、聚类算法参数依赖性大、聚类类别个数和聚类中心无法准确自动确定等问题,因此其应用受到极大限制，并直接影响了智能化药房的使用效能。针对这些问题，在考虑药房本身使用特点的前提下，所以需要提出了一种两级聚类规划算法，不仅可以考虑药品分布的三维尺寸统计信息特征，还可以兼顾单个药盒存在对应的药槽列宽区间等具体空间约束，降低设计的保守性，提高药房空间的利用率。

所以上述所需的智能药房信息化和自动化的实现将是“智慧医疗”中的重要组成部分，当实现智能药房后，将为“智慧医疗”打下良好的硬件基础。同时，通过逐步实现患者与医务人员、医疗机构、医疗设备甚至是智慧药房等之间的互动，逐步达到信息化与自动化。有利于医疗行业融入更多人工智慧、传感技术等高科技，使医疗服务走向真正意义的智能化，促进医疗事业的繁荣发展，满足智能药房甚至智慧医疗高效服务患者的迫切需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种智能化与自动化药房，其通过采用层次分析法和整数优化聚类分析方法进行储药，并通过智能药房管理控制系统实现上药系统和储药系统的相互配合，可实现药房的上药和储药的自动化和智能化，以及有效提高医院现有药房盒装药品整体存储效率及发放效率。

为了达到上述目的，本发明提供了一种智能化与自动化药房，其包含有：

储药系统，其采用层次分析法和整数优化聚类分析方法进行储药，所述储药系统包含储药柜；所述储药柜设置有储存药品的药槽；

上药系统，其包含上药机械手和上药输送机构；所述上药输送机构的出药口与所述上药机械手的U型槽的进药口相对接，该上药机械手的U型槽的出药口与所述储药柜的入口相连，形成上药通道；

出药系统，其包括升降机、出药机构和接药传送带；所述储药柜的U型槽出药口与所述出药机构的进药口相对接，所述出药机构的出药口与所述接药传送带连接形成出药通道。

优选地，所述储药柜还设置有架体和药架支撑梁，所述储药柜的药槽与水平面平行且还与所述药架支撑梁固定连接；

所述储药柜分成若干行且按照药盒宽度分成若干列，行和列交错的位置放置所述储药柜的用于盛放药盒的U型槽。

优选地，所述层次分析法和整数优化聚类分析方法包含：

第一过程：当储药系统初步分组时，先采用层次分析的药品聚类算法，仅根据药品三维尺寸信息进行第一层级粗分类，自动完成药品样本的模式识别与归类，以使不同类药品尺寸向量的样本之间的欧式距离最大化且同一类药品样本之间的药品尺寸向量欧式距离最小化；

第二过程：当储药系统细分组时，经过所述第一过程的聚类过程，在获得分组数和各组中的类别信息后，对每一组分类结果，采用带约束的组合优化的设计方法重新设计每一组组内的排列情况；其中采用组距分组时，遵循不重方法和不漏方法；所述不重方法是指一项药品尺寸向量的数据仅能分在其中一组，不能在其他组中重复出现；所述不漏方法是指在所分的全部药品组别中每项数据都能分在其中一组，不产生遗漏。

优选地，所述第一过程的具体步骤为：

统计一段时间内药房使用的各种药盒的长高宽信息，获得统计数据库，建立空间直角坐标系并得到三维散点图，然后利用聚类分析法将数据进行标准化处理，样本间相似性采用欧氏距离变量，类间距离的计算则选用平均法进行聚类计算，获得分组数和各组中的类别信息；

令g(C_i,C_j)为所有可能的X聚类对的函数，用于测量两个聚类之间的近邻性，并用t表示当前聚类的层次级别；该聚类算法执行时，先计算出数据集中向量之间的距离，记为距离矩阵；通过对距离矩阵迭代更新，完成聚类，具体流程为：

S1、算法初始化：

S11：初始化聚类X₀＝{{x₁},…,{x_N}}；

S12：设定距离矩阵P₀＝P(X)；

S13：令t＝0；

S2、重复执行以下步骤：

S21：令t＝t+1；

S22：合并各个聚类C_i和C_j为C_q，并有：

S23：删除第i行和第j行以及第i列和第j列，同时插入新的行和列，该插入的新的行列为新合并的聚类C_q与所有其他聚类之间的距离值，直到将所有向量合并到一个聚类中，定义C_q＝C_i∪C_j，并且产生新聚类X_t＝{X_t-1-C_i∪C_j}∪{C_q}；

其中，聚类效果终止条件设定：加入一个阈值判断，当这个距离大于阈值时，则不需要再合并，算法结束。

优选地，所述第二过程的具体步骤为：

对于每一组分类结果，设定D表示药槽的宽度，l_i、d_i和h_i分别表示药盒的长、宽和高；

包含以下具体的四个约束：

a、顺利推出；

根据药房调研结果可得每个药盒与左右两侧间距为2mm，所述顺利推出需要满足以下约束：

d+2<D (1)

b、无并排现象；

药槽宽度和药盒宽度之间满足：

2d<D (2)

c、无侧翻现象；

定义当药盒在药槽内侧倒至药槽内时称为侧翻，药盒在侧翻过程，横向最大距离为宽与高的对角线，则药槽的宽度应该大于此对角线长度，则：

d、无水平旋转现象；

定义当药盒在药槽内平面旋转90度时为水平旋转，则药盒在水平旋转过程中，横向最大距离为宽与长的对角线，则药槽的宽度应该大于此对角线长度，则：

优选地，基于所述四个约束条件建立单目标优化模型，计算最小列宽分类，并设计区间无重叠聚类算法，进行最少间距种类的求解，并求解少列宽的分类数目，具体包含：

T1、设定N为药槽按照列宽的分类数，T为特定时间内药品总数量且为已知的整数；所述最小列宽分类规划问题归纳为求解如下带约束优化问题：

min N

其中，该约束优化问题是指将所有药盒用最少的药槽规格来放置，等价于对M个区间，寻找N个区间，使得这N个区间之间交集为空，且该N个区间每一个都至少完全属于原始区间中的一个；

T2：通过区间无重叠聚类算法，使得到N个区间相互间无重叠，且每个区间一定完全包含于原始的某个区间中，使所有的药盒一定能放置于某个聚类后的药槽中，具体为：

T21、将所有区间按照区间下限从小到大排列，记排序好的区间为[C_i-,C_i+]；

T22、从第一个区间开始，比对C₁的上限与C₂的下限，如果C₁∩C₂＝0时，则C₁为单独一类，并从分析中暂时剔除，对C₂...C_M继续聚类；

当C₁∩C₂≠0时，交集为C₁'，则将C₁'代替C₁和C₂，对C₁'...C₃...C_M继续聚类；

T23、重复第二步，直至所有原始区间聚类完毕。

优选地，所述上药系统的上药机械手安装在二维XY移动机器人上，所述上药系统通过粒子群优化求解方法计算上药顺序，以使所述上药机械手遍历所有上药点，并自动优化二维XY移动机器人的理想运动路径，获得上药的顺序，进行上下左右组合运动，并通过上位机将数据发送给上药机械手进行自动上药。

优选地，所述储药系统还包含储药柜机架和储药柜外壳。

优选地，所述上药通道中设置有视觉检测验证系统，进行药品的检测与比对，校核上药准确性以及上药通道与出药通道之间的配合，便于实现药品的批量补给、药盒密集存储与管理，以及按处方自动发药并自动发送到指定位置。

优选地，其还包含智能药房控制管理系统；所述智能药房控制管理系统分为依次进行控制连接的管理监控级、控制级和设备级，以控制该药房的出药过程；

所述管理控制级通过智能药房管理/监控系统实现控制，该智能药房管理/监控系统包含有药盒聚类及整数优化系统、TSP发药装置优化系统、TSP上药装置优化系统和激光测距智能药房监控系统；所述管路控制级与医院HIS系统通信连接，且医院HIS系统与终端PC通信连接；

所述控制级通过发药/上药下位机控制系统执行控制操作，该发药/上药下位机控制系统与智能药房管理/监控系统连接；设备级通过电磁铁、光电开关、普通电机、伺服驱动器和伺服电机实现的，且该伺服驱动器与伺服电机连接实现控制。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：(1)本发明提出的一种两级聚类规划算法，不仅可以考虑药品分布的三维尺寸统计信息特征，还可以兼顾单个药盒存在对应的药槽列宽区间等具体空间约束，降低设计的保守性，提高药房空间的利用率；解决了现有技术中大部分混合属性聚类算法在用于药品分类时，普遍存在聚类质量低、聚类算法参数依赖性大、聚类类别个数和聚类中心无法准确自动确定等以及影响智能化药房的使用效能的问题。(2)本发明中的智能药房能够按照处方要求准确发放盒装药品，并优化上药和出药的顺序，使得完成指定的任务前提下，机械手的运动距离大大缩短，从而实现了能量的节省和资源的节约，同时，采用水平而非斜坡式发药结构，保证了可靠性，克服了传统药房中，单独凭借重力可能因摩擦力过大造成药品无法正常出药的不足。(3)本发明的激光测距进行药品的盘点和计数，可靠性进一步得到提升，该系统可以储存一定数量的盒装药品，确保发药的连续进行，并可以根据任务情况自行计算最优路径，从而相对于传统的药房自动化系统具备了一定的智能性，可大幅提高药品的储存密度及发放效率，该系统可靠性高，智能性强，成本低，可推广性强，是一种有潜力创造经济效益和社会效益的方法及系统。

附图说明

图1本发明的储药柜示意图；

图2本发明的上药机械手示意图；

图3本发明的储药柜机架示意图；

图4本发明的出药机构示意图；

图5本发明的药盒散点图分布图；

图6本发明的聚类效果图；

图7本发明的药房控制系统整体功能框图；

图8a-图8c本发明的药盒长宽高约束示意图；

图9本发明的区间无重叠聚类示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种智能化与自动化药房，为了使本发明更加明显易懂，以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

本发明的智能化与自动化药房主要包含上药系统、出药系统和储药系统，如图1、图2、图3和图4所示。

储药系统包含外力助推式(区别于斜坡式)的储药柜1、储药柜机架3和储药柜外壳6，该储药柜1设置有架体、药槽和药架支撑梁。储药柜1的药槽直接与药架支撑梁固定连接并与水平面平行。

通常规定储药柜1中的药盒最大尺寸方向为长度，最小尺寸为高度，居中的为宽度，则药盒的长度范围变化较大，宽度范围次之，高度范围最小。所以按药盒高度并留有一定空间余量将储药柜1分成若干层，按照药盒宽度范围将整个储药柜1分成若干列，行和列交错的地方放置储药柜1的U型槽，该U型槽中盛放药盒。每一层的层高是一致的，按照摆在该层的最高的药盒选取该层的层高。每列的宽度不必相等，但是分系列设计，不用每种药品做一种储药柜U型槽，可减少U型槽模具数量，降低成本。

对于本发明的上药系统和发药系统的管理，可以将药品的上药问题归纳为求解旅行商优化问题(Travelling salesman problem，简称TSP)，即采用粒子群优化求解计算，使得上药机械手2能够遍历所有上药点，并优化一段感兴趣时间内的机械手运动路径，获得上药顺序，并将数据发送给机械手进行自动上药。

其中，上药系统包含智能的上药机械手2和上药输送机构；上药输送机构的输送皮带的一端为上药口，另一端为出药口。上药输送机构的出药口与上药机械手2的U型槽的进药口相对接。上药机械手2安装在二维XY移动机器人上，当智能药房控制管理系统采用粒子群优化求解计算上药顺序，使得上药机械手2能够遍历所有上药点，并自动优化一段时间内的二维XY移动机器人的理想的运动路径，获得上药的顺序，可进行上下左右组合运动，并从上位机将数据发送给上药机械手2进行自动上药。智能上药机械手2的U型槽的出药口与平面的储药柜1的入口相连，形成上药通道。

与传统的利用药品重力进行下降不同，本发明采用水平外力助推式发药方式，来实现出药。该出药系统包括升降机、出药机构4和接药传送带5。其中，储药柜1的U型槽出药端与出药机构4的进药口相对接，该出药机构4的出药口与接药传送带5过渡连接构成出药通道。

本发明的药房还包含视觉检测验证系统和智能药房控制管理系统。

其中，上药系统的上药通道中设置有视觉检测验证系统，进行药品的检测与比对，即可通过视觉检测验证系统来校核上药的准确性和上药通道与出药通道配合情况，共同实现药品的批量补给、药盒密集存储与管理，并按处方自动发药并自动发送到指定位置的功能。

另，如图7所示，智能药房控制管理系统分为依次进行控制连接的管理监控级、控制级和设备级，实现对药房的出药过程的控制。

其中，管理控制级主要是通过智能药房管理/监控系统实现，该智能药房管理/监控系统包含有药盒聚类及整数优化系统、TSP发药装置优化系统、TSP上药装置优化系统和激光测距智能药房监控系统。该管路控制级与医院HIS系统通信连接，且医院HIS系统(即医院信息系统)与终端PC相互之间通信连接。控制级是通过发药/上药下位机控制系统执行控制操作，该发药/上药下位机控制系统与智能药房管理/监控系统连接。设备级的控制作用是通过电磁铁、光电开关、普通电机、伺服驱动器和伺服电机实现的，且该伺服驱动器与伺服电机连接。

示例地，由于药品在储药柜1的U型槽中进行存储和管理时，该U型槽提前根据药品使用频率和规格进行了优化设计。且每一列U型槽中的药品种类和数量可以从激光测距智能药房监控系统的激光测距传感器中进行读取计算，从而实现了药品的动态库存管理，当某一种药品过少时，还会自动报警，从而提醒进行补充，提高了智能性。

示例地，通过本发明进行处方药品信息处理与发放，具体为：基于本发明的储药系统，可及时进行药品的摆放，并将摆放结果录入智能药房控制管理系统。例如，当医生开具处方后，录入成为医院HIS系统的电子处方。智能药房管理系统读取医院HIS系统的电子处方后，将该电子处方对应成药品坐标和数量信息发送给智能药房监控系统，并发送控制指令到发药/上药下位机控制系统，并基于设备级的各个行器进行出药动作，出药系统的升降机带动出药机构执行TSP运算算法，获得运动路径后，按顺序运行到相应储位，将药品送到出药系统的出药口的分拣装置，收集整个处方的所有药品，传送并分拣到处方指定窗口，从而实现药品的发放，成功输送给病人。

本发明的储药系统可采用层次分析法和整数优化聚类分析方法进行储药，如下：

(一)当储药系统进行初步分组时，先采用基于层次分析的药品聚类算法，仅根据药品三维尺寸信息进行第一层级粗分类，自动完成药品样本的模式识别与归类，使得不同类药品尺寸向量的样本之间的欧式距离最大化且同一类药品样本之间的药品尺寸向量欧式距离最小化，具体实施方式为：

统计一段时间内药房使用的各种药盒的长高宽信息，获得统计数据库，建立空间直角坐标系并得到三维散点图，然后利用聚类分析法将数据进行标准化处理，样本间相似性采用欧氏距离变量，类间距离的计算则选用平均法进行聚类计算，获得分组数和各组中的类别信息。

令g(C_i,C_j)为所有可能的X聚类对的函数，此函数用于测量两个聚类之间的近邻性，用t表示当前聚类的层次级别。该聚类算法执行时，先计算出数据集中向量之间的距离，记为距离矩阵(或称为不相似矩阵)。通过对距离矩阵迭代更新，完成聚类，主要流程描述如下：

S1、算法初始化：

a)初始化聚类X₀＝{{x₁},…,{x_N}}；

b)设定距离矩阵P₀＝P(X)；

c)令t＝0；

S2、重复执行以下步骤：

i)令t＝t+1；

ii)合并各个聚类C_i和C_j为C_q，这两个聚类满足：

iii)删除第i和j行，第i和j列，同时插入新的行和列，新的行列为新合并的聚类C_q与所有其他聚类之间的距离值，直到将所有向量合并到一个聚类中。即定义C_q＝C_i∪C_j,并且产生新聚类X_t＝{X_t-1-C_i∪C_j}∪{C_q}。

聚类效果终止条件设定：加入一个阈值判断，当这个距离大于阈值时，就说明不需要再合并了，此时算法结束。该过程中散点图和聚类示意如图5、图6所示。

(二)当储药系统进行细分组时：通过以上聚类过程，在获得分组数和各组中的类别信息后，为了克服单独采用层次分析方法或体积最大化法仅考虑尺寸信息而没考虑药盒不能翻转、重叠及旋转，每个药盒存在对应的药槽列宽区间等具体空间约束，容易造成组内间距划分有较大保守性，冗余度过高的不足，对每一组分类结果，采用带约束的组合优化的设计方法重新设计每一组组内的排列情况。采用组距分组时，遵循“不重不漏”的原则。其中，“不重”是指一项药品尺寸向量的数据只能分在其中的某一组，不能在其他组中重复出现。“不漏”是指药品组别能够穷尽，即在所分的全部药品组别中每项数据都能分在其中的某一组，不产生遗漏。从而保证药盒不能翻转、重叠及旋转，保证每个药盒满足对应的药槽列宽区间等具体空间约束，降低传统方法造成组内间距划分有较大保守性，冗余度过高的不足的特点。该具体过程如下：

药盒为了能顺利推送过程，且不出现并排重叠、侧翻或水平旋转，因此每个药盒存在对应的药槽列宽区间，根据上述初步分组步骤中的三个条件分别进行约束。对于每一组分类结果，假定D表示药槽的宽度，l_i、d_i和h_i表示药盒的长、宽、高。以下给出具体约束：

(a)顺利推出

根据常用药房调研结果，通常每个药盒与左右两侧间距2mm，因此，为了能顺利推出，需要满足以下约束，如图8a所示：

d+2<D (1)

(b)无并排现象

如图8a所示，为了不发生并排现象，则药槽的宽度不能大于两倍药盒的宽度，如图1所示，因此，药槽宽度和药盒宽度之间满足：

2d<D (2)

(c)无侧翻现象

如图8b所示，定义当药盒在药槽内侧倒至药槽内时称为侧翻。考虑药盒在侧翻过程中，横向最大距离为宽与高的对角线，因此，为避免侧翻，则药槽的宽度应该大于此对角线长度，即：

(d)无水平旋转现象

如图8c所示，定义当药盒在药槽内平面旋转90度时为水平旋转。同样考虑药盒在水平旋转过程中，横向最大距离为宽与长的对角线，因此，为避免水平旋转，则药槽的宽度应该大于此对角线长度，即：

基于上述四个约束条件，建立模型：

在只考虑储药柜竖向隔板的最小间距种类，设计药槽数量的问题可以转化为约束优化问题进行求解。具体而言，在满足上述安全送药的四个条件，即侧间距2mm顺利推出、无并排、无侧翻、无水平旋转这四个条件，建立单目标优化模型，计算最小列宽分类，并设计区间无重叠聚类算法，实现最少间距种类的求解，由程序得到最少列宽的分类数目。

(i)假定N为药槽按照列宽的分类数，T为特定时间内药品总数量，为已知的整数。其中2016年12月底统计仁济数据中共570种药品种类，而为了未来进行扩展，暂时取T＝2000。

上述最小列宽分类规划问题可以归纳为求解如下带约束优化问题：

min N

为了将所有药盒用最少的药槽规格来放置，等价于对M个区间，寻找N个区间，使得这N个区间之间交集为空，且这N个区间每一个都至少完全属于原始区间中的某一个。采用matlab相关优化工具箱可以方便的进行求解，从而获得药槽数量N。

(ii)对于区间无重叠聚类算法，该聚类过程示意图如图9所示，具体为：

第一步、将所有区间，按照区间下限从小到大排列，记排序好的区间为[C_i-,C_i+]。

第二步、从第一个区间开始，比对C₁的上限与C₂的下限，如果C₁∩C₂＝0时，则C₁为单独一类，并从分析中暂时剔除，对C₂...C_M继续聚类；

当C₁∩C₂≠0时，交集为C₁'，则将C₁'代替C₁,C₂，对C₁'...C₃...C_M继续聚类。

第三步、重复第二步，直至所有原始区间聚类完毕。

按照上述聚类过程，显然最后得到的N个区间相互间无重叠，且每个区间一定完全包含于原始的某个区间中，即所有的药盒一定能放置于某个聚类后的药槽中。

所以，本发明的储药系统的优化设计可有效节约医院里面有限的场地，在不增加药房场地面积情况下，大幅提高药品和药柜的利用率，具有重要的经济效益。

综上所述，本发明的智能化与自动化除有效对药品进行分类并获得药槽设计系统外，还能按照处方要求准确发放盒装药品，优化机械手的路径使其达到较小的总位移，还能储存足够数量的药品供发放，保证一定周期内(通常一周换两次)发药功能正常运行，还能通过上药检测系统把药盒准确的放在指定位置上，而激光测距传感器能准确地对系统药品数量进行清点；该系统可以有效提高了医院药品的存储密度和药品的发放效率，还实现了医院药房盒装药品发放的整体流程信息化和自动化，即可完成自动补给和高可靠性发药、实现药盒密集存储与管理、可以按处方自动发药并分拣到确定窗口，以及实现智能药房系统的高效率上药及发药，降低对人力资源的要求，保证系统的高可靠性和稳定性，具有巨大的经济与社会效益，是一种有潜力的优化设计方法及系统。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种智能化与自动化药房，其特征在于，其包含：

储药系统，其采用层次分析法和整数优化聚类分析方法进行储药，所述储药系统包含储药柜(1)；所述储药柜(1)设置有储存药品的药槽；

上药系统，其包含上药机械手(2)和上药输送机构；所述上药输送机构的出药口与所述上药机械手(2)的U型槽的进药口相对接，该上药机械手(2)的U型槽的出药口与所述储药柜(1)的入口相连，形成上药通道；

出药系统，其包括升降机、出药机构(4)和接药传送带(5)；所述储药柜(1)的U型槽出药口与所述出药机构(4)的进药口相对接，所述出药机构(4)的出药口与所述接药传送带(5)连接形成出药通道。

2.如权利要求1所述的智能化与自动化药房，其特征在于，

所述储药柜(1)还设置有架体和药架支撑梁，所述储药柜(1)的药槽与水平面平行且还与所述药架支撑梁固定连接；

所述储药柜(1)分成若干行且按照药盒宽度分成若干列，行和列交错的位置放置所述储药柜(1)的用于盛放药盒的U型槽。

3.如权利要求2所述的智能化与自动化药房，其特征在于，

所述层次分析法和整数优化聚类分析方法包含：

第一过程：当储药系统初步分组时，先采用层次分析的药品聚类算法，仅根据药品三维尺寸信息进行第一层级粗分类，自动完成药品样本的模式识别与归类，以使不同类药品尺寸向量的样本之间的欧式距离最大化且同一类药品样本之间的药品尺寸向量欧式距离最小化；

第二过程：当储药系统细分组时，经过所述第一过程的聚类过程，在获得分组数和各组中的类别信息后，对每一组分类结果，采用带约束的组合优化的设计方法重新设计每一组组内的排列情况；其中采用组距分组时，遵循不重方法和不漏方法；所述不重方法是指一项药品尺寸向量的数据仅能分在其中一组，不能在其他组中重复出现；所述不漏方法是指在所分的全部药品组别中每项数据都能分在其中一组，不产生遗漏。

4.如权利要求3所述的智能化与自动化药房，其特征在于，所述第一过程的具体步骤为：

统计一段时间内药房使用的各种药盒的长高宽信息，获得统计数据库，建立空间直角坐标系并得到三维散点图，然后利用聚类分析法将数据进行标准化处理，样本间相似性采用欧氏距离变量，类间距离的计算则选用平均法进行聚类计算，获得分组数和各组中的类别信息；

令g(C_i,C_j)为所有可能的X聚类对的函数，用于测量两个聚类之间的近邻性，并用t表示当前聚类的层次级别；该聚类算法执行时，先计算出数据集中向量之间的距离，记为距离矩阵；通过对距离矩阵迭代更新，完成聚类，具体流程为：

S1、算法初始化：

S11：初始化聚类X₀＝{{x₁},…,{x_N}}；

S12：设定距离矩阵P₀＝P(X)；

S13：令t＝0；

S2、重复执行以下步骤：

S21：令t＝t+1；

S22：合并各个聚类C_i和C_j为C_q，并有：

S23：删除第i行和第j行以及第i列和第j列，同时插入新的行和列，该插入的新的行列为新合并的聚类C_q与所有其他聚类之间的距离值，直到将所有向量合并到一个聚类中，定义C_q＝C_i∪C_j，并且产生新聚类X_t＝{X_t-1-C_i∪C_j}∪{C_q}；

其中，聚类效果终止条件设定：加入一个阈值判断，当这个距离大于阈值时，则不需要再合并，算法结束。

5.如权利要求4所述的智能化与自动化药房，其特征在于，

所述第二过程的具体步骤为：

对于每一组分类结果，设定D表示药槽的宽度，l_i、d_i和h_i分别表示药盒的长、宽和高；

包含以下具体的四个约束：

a、顺利推出；

根据药房调研结果可得每个药盒与左右两侧间距为2mm，所述顺利推出需要满足以下约束：

d+2<D (1)

b、无并排现象；

药槽宽度和药盒宽度之间满足：

2d<D (2)

c、无侧翻现象；

定义当药盒在药槽内侧倒至药槽内时称为侧翻，药盒在侧翻过程，横向最大距离为宽与高的对角线，则药槽的宽度应该大于此对角线长度，则：

d、无水平旋转现象；

定义当药盒在药槽内平面旋转90度时为水平旋转，则药盒在水平旋转过程中，横向最大距离为宽与长的对角线，则药槽的宽度应该大于此对角线长度，则：

6.如权利要求5所述的智能化与自动化药房，其特征在于，

基于所述四个约束条件建立单目标优化模型，计算最小列宽分类，并设计区间无重叠聚类算法，进行最少间距种类的求解，并求解少列宽的分类数目，具体包含：

T1、设定N为药槽按照列宽的分类数，T为特定时间内药品总数量且为已知的整数；所述最小列宽分类规划问题归纳为求解如下带约束优化问题：

其中，该约束优化问题是指将所有药盒用最少的药槽规格来放置，等价于对M个区间，寻找N个区间，使得这N个区间之间交集为空，且该N个区间每一个都至少完全属于原始区间中的一个；

T2：通过区间无重叠聚类算法，使得到N个区间相互间无重叠，且每个区间一定完全包含于原始的某个区间中，使所有的药盒一定能放置于某个聚类后的药槽中，具体包含：

T21、将所有区间按照区间下限从小到大排列，记排序好的区间为[C_i-,C_i+]；

T22、从第一个区间开始，比对C₁的上限与C₂的下限，如果C₁∩C₂＝0时，则C₁为单独一类，并从分析中暂时剔除，对C_2...C_M继续聚类；

当C₁∩C₂≠0时，交集为C₁'，则将C₁'代替C₁和C₂，对C₁'...C_3...C_M继续聚类；

T23、重复第二步，直至所有原始区间聚类完毕。

7.如权利要求1所述的智能化与自动化药房，其特征在于，

所述上药系统的上药机械手(2)安装在二维XY移动机器人上，所述上药系统通过粒子群优化求解方法计算上药顺序，以使所述上药机械手(2)遍历所有上药点，并自动优化二维XY移动机器人的理想运动路径，获得上药的顺序，进行上下左右组合运动，并通过上位机将数据发送给上药机械手(2)进行自动上药。

8.如权利要求1所述的智能化与自动化药房，其特征在于，

所述储药系统还包含储药柜机架(3)和储药柜外壳(6)。

9.如权利要求2所述的智能化与自动化药房，其特征在于，

所述上药通道中设置有视觉检测验证系统，进行药品的检测与比对，校核上药准确性以及上药通道与出药通道之间的配合，便于实现药品的批量补给、药盒密集存储与管理，以及按处方自动发药并自动发送到指定位置。

10.如权利要求1所述的智能化与自动化药房，其特征在于，其还包含智能药房控制管理系统；所述智能药房控制管理系统分为依次进行控制连接的管理监控级、控制级和设备级，以控制该药房的出药过程；

所述管理控制级通过智能药房管理/监控系统实现控制，该智能药房管理/监控系统包含有药盒聚类及整数优化系统、TSP发药装置优化系统、TSP上药装置优化系统和激光测距智能药房监控系统；所述管路控制级与医院HIS系统通信连接，且医院HIS系统与终端PC通信连接；

所述控制级通过发药/上药下位机控制系统执行控制操作，该发药/上药下位机控制系统与智能药房管理/监控系统连接；设备级通过电磁铁、光电开关、普通电机、伺服驱动器和伺服电机实现的，且该伺服驱动器与伺服电机连接实现控制。