Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по техническим специальностям  

На правах рукописи

ПАШУЕВА Ирина Михайловна

МОДЕЛИРОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ УПРАВЛЕНИЯ РАСПРЕДЕЛЕННОЙ СИСТЕМОЙ РАЙОННЫХ ЦЕНТРОВ ДОГОСПИТАЛЬНОЙ МЕДИЦИНСКОЙ ПОМОЩИ

Специальность: 05.13.01 -  Системный анализ, управление и обработка информации (технические и медицинские системы)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Воронеж - 2012

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО Воронежский государственный технический университет

Научный руководитель  Пасмурнов Сергей Михайлович,  кандидат технических наук, профессор, Воронежский государственный технический университет, декан Естественно-гуманитарного факультета

 

Официальные оппоненты:  Бурковский Виктор Леонидович, доктор технических наук, профессор, академик РАЭН, академик РАКЦ, заслуженный деятель науки РФ, Воронежский государственный технический университет, проректор по развитию информационных ресурсов и молодежной политике;

Преображенский Юрий Петрович, кандидат технических наук, доцент, Воронежский институт высоких технологий, начальник отдела информатизации и менеджмента качества

Ведущая организация - ФГБОУ ВПО Воронежский государственный университет

Защита состоится 25 мая 2012г. в 16 часов в конференц-зале на заседании диссертационного совета Д212.037.02 Воронежского государственного технического университета по адресу:  394026, г. Воронеж, Московский проспект, 14.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ФГБОУ ВПО Воронежский государственный технический университет.

Автореферат разослан 24 апреля 2012г.

Ученый секретарь 

диссертационного совета Коровин Е. Н.

Общая характеристика работы

Актуальность темы.

В современных условиях приоритетные направления деятельности органов регионального управления ориентированы, в том числе на повышение эффективности работы медицинских учреждений, к которым относятся и центры скорой медицинской помощи. Для реализации их эффективной работы нужна четкая оперативная координация процессов функционирования распределенной сети районных центров догоспитальной медицинской помощи.  С позиции управления распределенная сеть представляет собой сложноструктурированную систему управления, в которой процессы взаимодействия составляющих ее элементов носит принципиально вероятностный характер. Это ограничивает возможность использования здесь классических аналитических методов моделирования и управления. Альтернативой здесь выступает объектно-ориентированные математические методы, позволяющие в оперативных условиях осуществлять прогнозирование возникновения чрезвычайных режимов работы, обусловленных предельной частотой поступления вызовов на центральный диспетчерский пункт с последующим оптимизационным распределением имеющегося ресурса в ограниченные периоды времени. В результате формируется необходимое количество бригад скорой помощи, которое включает в себя как свободные в данный момент объекты, так и объекты, осуществляющие процесс обслуживания предыдущих вызовов. В последнем случае необходимо сформировать команды по немедленному направлению данных объектов к месту возникновения чрезвычайного режима. Поскольку данная проблема носит комплексный характер, требуется интеграция соответствующих математических моделей управления в рамках единого программного комплекса с соответствующими средствами информационного обеспечения.

Следует отметить, что в работах ряда авторов (С.В. Полянской, Т.В. Чубарова, Ш.И. Галиева и других) предлагаются подходы, позволяющие эффективно решать задачи управления распределенной сетью районных центров догоспитальной медицинской помощи (далее РСРЦДМП). Но в большинстве случаев данные подходы реализуют только частные задачи, которые носят локальный характер. В этой связи актуальность темы диссертационного исследования продиктовано необходимостью дальнейшего развития математических средств моделирования управления сложноструктурированным стохастическим объектом, которым является РСРЦДМП, для обеспечения оптимального оперативного распределения ограниченного ресурса с целью повышения эффективности и качества работы системы в целом.

Работа выполнена в соответствии с основным научным направлением Воронежского государственного технического университета Вычислительные комплексы и проблемно-ориентированные системы управления.

Объект исследования - процесс управления распределенной сетью районных центров догоспитальной медицинской помощи.

Предмет исследования - математическое, методологическое и  программное обеспечение комплекса управления сетью распределенных районных центров скорой медицинской помощи.

Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка моделей и управления РСРЦДМП, обеспечивающих эффективность функционирования за счет повышения оперативности оптимального распределения ограниченного ресурса.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- провести системный анализ процессов функционирования РСРЦДМП и разработать формализованное описание городской сети центров скорой медицинской помощи;

-осуществить моделирование процессов управления РСРЦДМП;

-разработать имитационную модель процесса перераспределения транспортного ресурса в рамках РСРЦДМП и модель оптимального управления центрами скорой медицинской помощи;

-осуществить программную реализацию разрабатываемых моделей и алгоритмов, а так же средств их информационного обеспечения;

- реализовать имитационную модель анализа эффективности реализации системы управления РСРЦДМП в чрезвычайных режимах оказания медицинской помощи.

Методы исследования. Для достижения поставленных задач в работе были использованы методы теории системного анализа, принятия решений, имитационного моделирования, теории оптимизации.

Научная новизна. В работе получены следующие основные результаты, характеризующиеся научной новизной:

формализованное описание процессов функционирования РСРЦДМП, отличающееся реализацией аппарата сетей Петри;

модель процесса перераспределения транспортного ресурса в условиях чрезвычайного режима работы, отличающийся использованием механизмов взаимодействия структурных элементов сетей Петри;

имитационные модели процесса перераспределения транспортного ресурса и анализа эффективности реализации системы управления, обеспечивающие формирование и принятие управленческих решений в среде GPSS;

алгоритм принятия оперативных решений, отличающийся реализацией процедуры анализа матрицы альтернатив при чрезвычайных режимах работы;

средства программного и информационного обеспечения моделей принятия решений, обеспечивающие оперативный режим работы РСРЦДМП.

Практическая значимость и результаты внедрения.

Разработанные модели и алгоритмы управления распределенной сетью городских центров догоспитальной медицинской помощи дают возможность повысить эффективность работы службы. Предложенная оптимизационная модель дает возможность решения задачи управления распределенной сетью районных центров догоспитальной медицинской помощи.

Разработанный программный комплекс внедрен в практическую работу служб скорой помощи г. Воронежа, что подтверждается актом внедрения. Экономический эффект полученный от внедрения результатов диссертационного исследования повышает качество и оперативность принимаемых решений в условиях чрезвычайных режимов медицинского обслуживания населения.

Тематика работы соответствует п. 3 Разработка критериев и моделей описания и оценки эффективности решения задач системного управления Е и п. 9 Разработка проблемно-ориентированных систем управления, принятия решений и оптимизации Е паспорта специальности 05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка информации.

Апробация работы. Основные положения и научные результаты диссертационного исследования докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах:

VI международный семинар Физико-математическое моделирование систем, Воронеж. 27-28 ноября, 2009г.

Всероссийская конференция Интеллектуализация управления в социальных и экономических системах. ВГТУ. Воронеж. 2010г.

Всероссийская конференция Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве, Воронеж: ГОУВПО Воронежский государственный технический университет, 2011г.

VII международный семинар Физико-математическое моделирование систем. ВГТУ. Воронеж. 27-28 ноября, 2011г.

Научно-методических семинарах кафедры систем автоматизированного проектирования и информационных систем Воронежского государственного технического университета, Воронеж. 2008-2011г.

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 10 печатных работ, в том числе 2 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ для публикации основных результатов диссертационных исследований. В работах, опубликованных как в соавторстве, так и единолично и приведенных в конце автореферата, автором изложены следующие результаты: отражена актуальность темы диссертационного исследования; разработана модель описания процесса управления РСРЦДМП с помощью сетей Петри [3,4,5,6,7,8]; произведен анализ функционирования программного комплекса, приведены результаты имитационного моделирования [1, 2].

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 148 наименований, приложения. Основная часть работы изложена на 159 страницах, содержит 48 рисунков, 2 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследования, их научная новизна, определена практическая значимость полученных результатов, приведены сведения об апробации и внедрении результатов научного исследования, проведен краткий обзор диссертационной работы.

Первая глава посвящена обзору современного состояния служб догоспитальной медицинской помощи, анализу технического обеспечения городских и районных центров, особенностей работы отдельных отделов службы. Отмечается, что в работе центров догоспитальной медицинской помощи возникает задача оперативного планирования. Подробно рассмотрена общая последовательность обслуживания пациентов городским и районными центрами скорой медицинской помощи. Отмечается, что на сегодняшний день возникает необходимость разработки программного комплекса управления распределенной сетью районных центров скорой медицинской помощи в условиях мегаполиса.

В первой главе проводится анализ разработанных программных комплексов управления городским центром скорой помощи. Отмечается, что имеются коммерческие разработки в области универсальных систем автоматизации служб быстрого реагирования, в частности центров скорой медицинской помощи. Однако имеющиеся системы не охватывают специфические особенности предметно-ориентированной области, связанные с классификацией поступающих вызовов, прогнозированием возникновения экстренных режимов работы городского центра догоспитальной службы, помощью в принятии управленческих решений в задаче перераспределении бригад между районными центрами. Представляется актуальным разработка алгоритмов помощи в принятии управленческих решений на основе критериальной оценки поиска оптимального решения.

Во второй главе проводится моделирование процессов управления РСРЦДМП. Городская сеть центров догоспитальной медицинской помощи как объект управления представляет собой сложноструктурированную систему. На рис. 1. представлена структура взаимодействия основных функциональных элементов сети.  Обратная связь характеризует анализ статистических данных РСРЦДМП с целью прогнозирования и выявления чрезвычайных режимов работы, анализируется поведение распределенной сети центров медицинской помощи в различных режимах работы.

Рисунок 1 - Структура взаимодействия основных функциональных элементов сети

На основании теории множеств описываются элементы системы. Множество А представляет собой совокупность бригад городского центра скорой медицинской помощи. Множества А1, Е, Аn  являются подмножествами множества А и состоят из элементов-бригад, принадлежащих соответственно первому, второму и т.д. районному центру скорой помощи, где n - количество районных центров:

, , , (1)

Совокупность всех поступающих на диспетчерский пункт городского центра звонков представляет собой множество В. Аналогично для каждого районного центра совокупность вызовов будет задаваться множествами В1, Е, Вn, принадлежащих множеству В:

,, , (2)

где х - характеризует порядковый номер и адрес вызова, а элементами множеств С1, Е , Сn являются адреса, закрепленные за соответственным районным центром скорой медицинской помощи.

В качестве способа описания выбирается аппарат сетей Петри, имеющий наглядность и простоту понимания. С помощью аппарата сетей Петри разрабатывается формальная модель функционирования системы управления городским центром догоспитальной медицинской помощи. В качестве позиций сети выбираются состояния системы от момента приема вызова до завершения работы бригады и отправления отчета об обслуживании пациента. Выбираются маркеры двух типов: вызовы и бригады.

На рис. 2. представлена модель описания работы станции скорой помощи, состоящей из двух районов.

Рисунок 2 - Сеть Петри, иллюстрирующая работу центра догоспитальной медицинской помощи

Прием вызовов на диспетчерских пунктах моделируется позициями а1, а2, а3 и  а4. В переходах t1, t2, t3 и t4  вызовам присваивается класс. В переходе t5 к позиции а6 вызов дублируется несколько раз, если на его обслуживание нужно более одной бригады. Переход t6 срабатывает, если вызов относится к данному району города. Переход t7 выстраивает вызовы по мере неотложности. Позиция а9 содержит маркеры, которые соответствуют количеству бригад в районном центре. В переходе t8 выбирается бригада. Информация об этом записывается в файл статистики (позиция а10). Позиции а11, а12 и а13 характеризуют прибытие и обслуживание вызова. Переход t12 характеризует принятие вызова на диспетчерский пункт другого районного центра. Позиции а21, а22 и  а23 описывают ситуацию, при которой необходимо перераспределить бригады скорой помощи между районными центрами. Сеть Петри анализируется.

Предложена формализованная модель, описывающая алгоритм перераспределения бригад скорой медицинской помощи из одного района в другой (рис.3).

Рисунок 3 - Сеть Петри, иллюстрирующая ситуацию перераспределения бригад в другой районный центр

Позиции а1, а2, а3, а4, а5 и а6 представляют собой очередь ждущих обслуживание вызовов для каждого из районов города.  Переход t1 срабатывает, когда в районном центре возникает экстренный режим работы. Аналогичным образом срабатывает каждый из переходов t2, t3, t4, t5, t6. Рекомендуемая бригада района выводится на монитор компьютера дежурного врача в виде диалогового окна (переход t8). Переход t9 срабатывает, когда дежурный врач находится на рабочем месте и принимает решение о перераспределении бригад. Предусматривается возможность принятия решения автоматически, по истечении определенного времени (переход t10). Позиция а10 содержит информацию о бригадах, которые необходимо перенаправить в другой районный центр города.

Предложена методика помощи в принятии управленческих решений о перераспределении бригад скорой помощи между районными центрами при возникновении экстренного режима работы. Предлагается использовать метод критериальной оценки. В качестве критериев выбираются: количество ожидающих обслуживания вызовов (S1), количество свободных машин (S2), удаленность районного центра от района с чрезвычайным режимом работы (S3), предполагаемое количество свободных машин в ближайшие семь (S4) и пятнадцать минут (S5) Для каждого районного центра критерии определяются по бальной оценке (табл.1).

Бальные оценки критериев. Таблица 1.

Критерий

Бальная оценка

0

1

2

3

4

5

Больше 5

Кол-во ожидающих обслуживания вызовов S1

0

1

2

3

4

5

10

Количество свободных бригад S2

1

0,8

0,6

0,4

0,2

0,1

0

Количество свободных бригад через 7 мин. S4

2

1,6

1,2

0,8

0,4

0,2

0,1

Количество свободных бригад через 15 мин. S5

4

3,2

2,4

1,6

0,8

0,6

0,4

Для каждого критерия изначально определен весовой коэффициент . Однако предлагается возможность изменение весовых коэффициентов для любого критерия дежурным врачом в настройках программы. 

Составляется матрица решений, столбцами которой являются баллы критериев. Матрица решений будет иметь вид, представленный в табл.2.

Матрица решений. Таблица 2.

S1

S2

Е

Sm

А1

Е

Е

Е

Е

Е

Е

Аn

Е

К

Е

Предлагается математическая модель нахождения оптимального решения задачи управления сетью распределенных бригад скорой медицинской помощи. При расчете учитывается изменяемый весовой коэффициент.

Первый критерий будет иметь вид:

,  (3)

где - многокритериальная оценка степени рациональности переброски бригад из i-го районного центра в район с чрезвычайным режимом работы; m - количество районных центров в городе. В Воронеже на сегодняшний день шесть районных центров; - весовой коэффициент каждого критерия; - критерий оценки; - балльная оценка j-го критерия для i-го районного центра. Совокупность этих элементов образуют матрицу решений.

Второй критерий для решения задачи выбора оптимального решения управления распределенной сетью районных центров примет вид:

, (4)

где - порядковый номер критерия в матрице решений; - коэффициент, по умолчанию принимаемый 0,5. Предлагается возможность изменения значение данного коэффициента в настройках программного комплекса.

В третьей главе приводится программное и информационное обеспечение процессов управления городской сетью центров догоспитальной медицинской помощи, описывается его структура (рис. 4).

Рассматриваются модули сотрудников службы, раскрываются особенности настройки параметров программного комплекса, позволяющих адаптировать систему управления под индивидуальные возможности службы. Он разработан в системе объектно-ориентированного программирования Delphi 7 и работает под управлением операционной системы Windows 98 и выше.

Рисунок 4 - Структура программного комплекса управления распределенной сетью городских центров

На рис. 5 приведена структура базы данных программного комплекса управления районными центрами догоспитальной медицинской помощи. Таблица городского центра содержит статистическую информацию, представляемую на монитор дежурного врача.

Разработанный программный комплекс предоставляет возможность сбора и анализа статистической информации, что позволяет быстро получить доступ к интересующим данным, передавать их между отделами в электронном виде, что ускоряет и упрощает процесс взаимодействия между структурными подразделениями. Программный комплекс просчитывает количество ожидающих обслуживания вызовов, количество свободных машин, предполагаемое количество свободных машин в ближайшее время, среднее время поступления вызова на диспетчерский пункт, ожидания выезда бригады, обслуживания. Эти параметры позволяют оценить качество оказания услуг в каждом районе, оценить необходимость модернизации структуры службы.

Рисунок 5 - Структура базы данных программного комплекса управления сетью районных центров догоспитальной помощи

Программный комплекс позволяет повысить эффективность работы службы, за счет разработанной оценки альтернатив при принятии управленческих решений.

Предлагается имитационная модель, разработанная по формальной модели управления распределенной сетью городских центров догоспитальной помощи. В качестве средства моделирования используется язык имитационного моделирования GPSS.

Рассматриваются для наглядности две модели: первая без применения модуля перераспределения бригад скорой помощи, и вторая - с применением этого модуля. Моделирование проводится в одинаковых условиях, с одинаковым количеством поступающих вызовов в течение 24 часов (1440 минут). На рис. 6 представлено рабочее окно имитационной модели и файл статистики в среде GPSS.

Рисунок 6 - Рабочее окно программы GPSS с файлом статистики листингом имитационной модели распределенной сети районных центров догоспитальной медицинской помощи

Отличительной особенностью данной модели является использование в качестве транзактов двух разных типов объектов:  материальных объектов реального мира - бригад скорой медицинской помощи и объектов обслуживания - вызовов. При этом применяются ассоциации одного транзакта с разными типами объектов на разных участках модели. На определенном участке имитационной модели оператор копирования разделяет один транзакт на два, каждый из которых представляет собой отображение разных типов объектов исследуемой системы. На некотором участке модели транзакт ассоциируется сразу с двумя взаимодействующими типами объектов различного класса.

Результаты моделирования анализируются. Среднее время ожидания направления бригады, учитывая, что район находился в чрезвычайном режиме работы, составляет 1,6 минуты. Замечается, что незначительное количество вызовов ожидали, пока бригада освободится. Однако время ожидания каждого вызова не превышало 18 минут.

Перераспределение бригад позволило оптимизировать  работу городского центра скорой медицинской помощи. Управление бригадами скорой помощи помогло значительно сократить время ожидания и  обслуживания вызовов.

По результатам моделирования отмечается, что, несмотря на то, что в первый район поступало больше вызовов, количество обслуженных за сутки вызовов для каждого районного центра догоспитальной медицинской помощи мало отличается.

В четвертой главе представлены результаты практической апробации моделей и алгоритмов управления городской сетью центров догоспитальной медицинской помощи.

Предлагаются две модели работы служб догоспитальной медицинской помощи: с применением программного комплекса и без него. Обе модели рассматриваются в равных условиях по поступающим вызовам: их количеству и классу, а так же по ресурсам бригад. За время моделирования каждой моделью обслуживается 300 вызовов.  В результате неоднократных экспериментов были получены графики скорости обслуживания поступающих вызовов - рис. 7 и рис. 8.

Анализируя полученные диаграммы, делается вывод, что программный комплекс управления сетью распределенных центров догоспитальной помощи ускоряет и оптимизирует работу станций скорой медицинской помощи. В программном комплексе учитываются вызовы, поступившие относительно давно и до сих пор не обслуженные, им отдается приоритет. Это позволяет  рационально организовать работу станций скорого медицинского обслуживания.

Рисунок 7 - Результат моделирования, иллюстрирующий зависимость количества обслуженных заявок от времени до внедрения комплекса управления сетью распределенных районных центров догоспитальной медицинской помощи

Рисунок 8 -  Результат моделирования, иллюстрирующий зависимость количества обслуженных заявок от времени после внедрения комплекса управления сетью распределенных районных центров догоспитальной медицинской помощи

На рис. 8 проиллюстрирован результат использования системы управления центрами догоспитальной медицинской помощи. Из рисунка видно, что среднее время обслуживания поступивших вызовов сократилась почти на 24%.

По результатам имитационного моделирования делается вывод о том, что использование программного комплекса повышает эффективность, упрощает и оптимизирует работу станций скорой помощи, сокращает время реагирования на вызов, предоставляет возможность в режиме реального времени получить информацию о карте больного, его хронических заболеваниях и возможных аллергических реакциях.

В приложении приведены акты внедрения.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

  1. Разработано формализованное описание городской сети районных центров догоспитальной медицинской помощи.

2. Разработана имитационная модель процесса перераспределения транспортного ресурса в рамках РСРЦДМП.

3. Разработана модель оптимального управления центрами скорой медицинской помощи.

4. Разработана модель принятия решений об оптимальном перераспределении бригад скорой медицинской помощи между районами в чрезвычайных режимах работы.

5. Разработана имитационную модель анализа эффективности реализации системы управления РСРЦДМП в чрезвычайных режимах оказания медицинской помощи.

6. Разработанные модели и алгоритмы апробированы в реальных условиях РСРЦДМП г. Воронежа, от внедрения результатов диссертационного исследования получен экономический эффект, который повышает качество и оперативность принимаемых решений в условиях чрезвычайных режимов медицинского обслуживания населения.

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в следующих работах:

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1.  Пасмурнов С.М., Пашуева И.М. Моделирование и анализ подсистемы управления центрами быстрого реагирования с помощью сетей Петри // Вестник Воронежского государственного технического университета, Том 7, № 9, 2011, с.106-109.

2.  Пасмурнов С.М., Пашуева И.М. Применение сетей Петри в моделировании подсистемы управления центрами быстрого реагирования // Системы управления и информационные технологии, Научно-технический журнал, №4.1(46), 2011, с. 162-166

Статьи и материалы конференции

3. Пасмурнов С.М., Пашуева И.М. Методы анализа систем управления центром догоспитальной медицинской помощи // Моделирование и управление процессами в здравоохранении: межвуз. сб. научн. тр. Воронеж: ГОУВПО ВГТУ, 2009. с.119-126

4. Пасмурнов С.М., Пашуева И.М. Автоматизированная система управления центром скорой медицинской помощи // Ежегодный сборник Воронежского института высоких технологий 2009. ВИВТ. Воронеж. с.35-37.

5. Пасмурнов С.М., Пашуева И.М. Сети Петри как метод моделирования системы управления станциями скорой помощи // Физико-математическое моделирование систем, VI международный семинар 2009г., часть 4, с.55-59

6. Пасмурнов С.М., Пашуева И.М. Адаптация аппарата сетей Петри под моделирование системы управления станциями скорой медицинской помощи // Физико-математическое моделирование систем. VI международный семинар, 2009г., часть 4, с.60-63

7. Пашуева И.М.  Автоматизированные системы управления центрами скорой медицинской помощи // Интеллектуализация управления в социальных и экономических системах. Труды всероссийской конференции. ГОУВПО ВГТУ. Воронеж. 2010г. с. 284-286

8. Пасмурнов С.М., Пашуева И.М. Моделирование и оптимизация подсистемы управления центрами быстрого реагирования с помощью сетей Петри // Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве: труды Всероссийской конференции, Воронеж: ГОУВПО Воронежский государственный технический университет, 2011г. с. 91-92.

9. Пасмурнов С.М., Пашуева И.М. Моделирование подсистемы управления центрами служб быстрого реагирования с применением аппарата сетей Петри // Физико-математическое моделирование систем. VII международный семинар, 2011г., часть 3, с.203-208

10. Пасмурнов С.М., Пашуева И.М. Выбор оптимального метода решения транспортных задач // Сборник трудов победителей конкурса на лучшую научную работу студентов и аспирантов ВГТУ. 2008 с.32-33

Пописано в печать 24.04.2012.

Формат 6084/16. Бумага для множительных аппаратов.

Усл. печ. л. 1,0. Тираж 80 экз. Заказ №____.

ФГБОУ ВПО Воронежский государственный технический университет

394026 Воронеж, Московский пр-т, 14

Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по техническим специальностям