基于离散事件仿真的地震后医疗服务功能评估与恢复优化

《International Journal of Disaster Risk Reduction》：Post-earthquake medical service function evaluation and recovery optimization based on discrete event simulation

医院震后医疗服务功能动态评估与修复优化研究，采用离散事件仿真构建包含分诊、治疗、资源分配和修复四个模块的模型，通过故障树分析评估非结构部件、管道系统和医疗设备的损坏对部门可用性的影响，并基于等待时间和治疗完成率指标建立多目标优化模型，运用NSGA-II算法确定优先修复序列。研究表明，关键部门优先修复可显著提升服务效率。

　　地震是一种频繁且破坏性极强的自然灾害，每年全球范围内发生超过140万次，造成大量人员伤亡和经济损失。在地震发生后，受影响人群的生命安全和健康状况需要在数小时之内得到保障。作为紧急医疗救助的主要提供者，医院必须具备持续运行的能力，并能够迅速恢复其医疗服务功能。然而，医院作为医疗系统的核心，往往也是地震中受损最严重的设施之一。除了结构上的破坏，医院内的非结构部件和医疗设备也常常受到损害。尽管这种破坏不会导致建筑物完全倒塌，但它会显著削弱医院在地震后的医疗服务能力和应急救援能力。以往的地震损害研究显示，医院中的非结构部件和医疗设备在地震后通常受到严重破坏，例如在2013年的7.0级芦山地震中，虽然芦山县医院住院楼的主体结构基本完好，但其医疗设备和非结构部件却遭受了严重损坏，严重影响了患者及时接受治疗的能力。类似地，智利地震的案例研究也表明，非结构部件和医疗设备的损坏是医院功能中断的主要原因。此外，统计数据表明，约97%的伤害发生在地震发生后的前30分钟内。在这一阶段，医院不仅要面对自身服务能力的下降，还必须应对患者治疗需求的激增。因此，科学评估医院在地震后的服务能力变得尤为重要，同时，制定有效的恢复策略以确保关键医疗服务功能的快速恢复也成为迫切需求。

鉴于自然灾害的高频率和医院在地震后应急响应中的核心作用，越来越多的研究关注地震后医院服务能力的评估。不同研究者根据其分析视角对“医疗服务功能”的定义存在差异。例如，Hassan等人将医疗服务功能定义为医疗服务的数量和质量，Shang等人则将其解释为成功治疗路径的比例，Palomino等人关注的是患者等待时间，而Zhai等人则强调治疗覆盖率。在明确了医疗服务功能的内涵后，采用合适的方法进行科学评估和有效分析就显得尤为关键。由于地震灾害具有突发性、局部性和破坏性，无法通过物理实验来研究医疗服务功能的变化。因此，数值分析方法成为评估地震后医院功能的主流手段。其中，故障树分析（FTA）和基于计算机的仿真方法被广泛应用于这一领域。例如，Jacques等人构建了一个基于伤亡人数、结构损坏和非结构损坏的医院故障树，以评估地震后的功能状态。Franchin等人则利用可用手术室和医院床位作为关键指标，构建了一个医院故障树以评估个体医院的功能状况。Cheng等人将故障树分析与BIM模型相结合，建立了一个定量评估框架，用于评估地震后医院建筑的医疗服务功能。然而，故障树分析的主要局限在于其无法模拟医疗服务功能随时间的动态变化。值得注意的是，计算机仿真方法能够综合考虑医疗人员、设备和建筑部件的损害与修复过程，同时支持医疗服务功能的动态建模。因此，近年来，基于计算机仿真的地震后医疗服务功能动态评估研究逐渐增多。目前，离散事件仿真（DES）和系统动力学（SD）等工具被广泛用于研究不同灾害情景下医疗服务功能的变化。例如，Favier等人在急诊科的DES模型中评估了因物理损坏导致的医疗服务功能损失，并量化了这些损失。Cimellaro等人构建了一个急诊科的DES模型，并利用患者等待时间来量化地震后的医疗服务能力。TariVerdi等人则创建了一个涵盖急诊科、手术室和ICU的DES模型，以研究不同灾害强度下患者数量的变化如何影响医疗系统的容量。然而，该模型未考虑医院非结构部件的损坏。Khanmohammadi等人构建了一个系统动力学模型，用于评估地震后医院的医疗服务功能，以患者治疗与等待的比例作为服务性能的衡量标准。Zhai等人则采取了更为全面的方法，考虑了关键医院部门的损坏状态，并以治疗患者与总患者比例作为医院服务功能的指标。他们还利用DES模拟地震后的医院功能变化。Ceferino等人则在DES模型中引入了“患者优先分配”机制，以模拟不同地区医院的功能负荷变化。尽管这些研究为地震后医院医疗服务功能的评估提供了有价值的见解，但它们仍然存在一些共同的局限性。首先，大多数模型忽略了非结构部件、管道系统和医疗设备的损坏对医院功能的影响。其次，现有的仿真模型大多局限于对地震后医疗服务功能的静态或简化评估，缺乏对医疗服务恢复过程的动态描绘。

基于此，本研究全面考虑了地震后医院非结构部件、管道系统和医疗设备的损坏对医疗服务功能的影响，并构建了一个基于离散事件仿真的模型，用于动态模拟和评估地震后医院医疗服务的演变与恢复过程。研究的其余部分组织如下：第二部分首先评估了地震后医院的可用性，这是通过故障树分析和脆弱性分析实现的。在第二部分的第二小节，构建了一个地震后医院治疗的DES模型，包括四个不同的模块：患者分诊模块、治疗流程模块、医疗资源分配模块和医院修复模块。在第二部分的第三小节，构建了一个医院部门和病房修复的优化模型，考虑了两个功能指标，即等待时间和治疗完成率，并在资源约束条件下进行优化。该模型的目的是确定医院部门和病房修复的最优策略。第三部分则通过一个位于中国某城市的实际医院案例，展示了所提出的方法的实用性。第四部分讨论了不同地震强度和恢复资源对医疗服务功能恢复的影响。第五部分总结了本研究的结论。

本研究的核心目标是通过离散事件仿真方法，分析地震后医院医疗服务功能的动态变化，并提出有效的恢复策略，以提升医院的整体服务能力。为了实现这一目标，研究首先构建了医院关键部门和病房的故障树分析模型，结合脆弱性分析，量化了这些部门和病房在不同地震情景下的可用性。随后，研究构建了一个包含四个模块的DES模型，分别用于模拟患者的分诊、治疗流程、医疗资源分配和医院修复过程。通过该模型，能够动态地模拟地震后医院医疗服务功能的变化，并进行评估。最后，研究构建了一个在资源约束条件下的医院部门和病房修复顺序优化模型，考虑了两个功能指标：等待时间和治疗完成率。该模型的目标是确定最优的修复策略，以提升医院的医疗服务功能。这一方法已在一座位于中国的真实医院中得到验证。研究结果表明，非结构部件、管道系统和医疗设备的损坏对医院部门和病房的可用性产生了显著影响。此外，优先修复关键部门和病房，如急诊科和ICU，能够显著提高治疗效率，减少患者等待时间，从而提升医院的整体服务能力。本研究为地震后的医院应急响应和恢复策略提供了理论支持，旨在增强医院的服务功能。

在地震后的医院恢复过程中，合理的修复顺序和优先级设置至关重要。不同的部门和病房在地震中的损坏程度不同，其恢复所需的时间和资源也存在差异。例如，急诊科和ICU由于承担着紧急救治任务，其恢复优先级应高于其他普通科室。此外，医院的非结构部件和管道系统虽然不会直接导致结构破坏，但它们的损坏会严重影响医院的正常运行。因此，必须在修复过程中综合考虑这些因素，以确保医疗服务功能的快速恢复。本研究提出的优化模型通过引入等待时间和治疗完成率这两个关键指标，能够更准确地评估不同修复策略对医院服务能力的影响。同时，该模型在资源约束条件下进行优化，使得修复策略更具现实可行性和经济性。

本研究的DES模型能够动态地模拟地震后医院医疗服务功能的演变过程。通过该模型，可以观察到地震发生后，医院的分诊、治疗、资源分配和修复过程如何受到影响，并预测在不同修复策略下的医疗服务功能恢复情况。例如，在模型中，患者分诊模块能够模拟地震发生后，医院如何根据患者伤情的严重程度进行分类和优先安排。治疗流程模块则能够模拟不同治疗科室在地震后的运作情况，包括治疗资源的使用效率和治疗流程的顺畅程度。医疗资源分配模块则能够模拟在地震后的资源短缺情况下，医院如何合理分配有限的医疗资源，以满足患者的需求。医院修复模块则能够模拟不同修复策略下，医院的修复进度和完成情况。通过这四个模块的协同作用，研究能够全面地评估地震后医院医疗服务功能的变化，并为制定恢复策略提供依据。

此外，本研究还通过实际案例验证了所提出方法的有效性。所选案例医院位于中国某城市，其门诊楼和住院楼均采用钢筋混凝土框架结构，设计抗震等级为VIII级。医院的各部门和病房分布如图4所示，研究通过构建DES模型，模拟了地震后医院各部门和病房的可用性变化，并评估了不同修复策略对医院服务能力的影响。研究结果表明，非结构部件、管道系统和医疗设备的损坏对医院的可用性产生了显著影响，因此，在修复过程中必须优先考虑这些关键部位的修复。同时，研究还发现，合理的修复顺序和优先级设置能够显著提高治疗效率，减少患者等待时间，从而提升医院的整体服务能力。

在讨论部分，研究进一步探讨了不同地震强度对医院医疗服务功能恢复的影响。同时，研究还比较了增加修复团队数量对整体恢复功能的影响。通过分析不同地震强度下的恢复情况，研究发现，地震强度越高，医院的可用性下降越严重，因此，恢复策略需要更加灵活和高效。此外，研究还发现，增加修复团队的数量能够在一定程度上加快医院的恢复速度，提高治疗完成率，减少患者等待时间。然而，修复团队的增加也带来了资源成本的上升，因此，必须在恢复效率和资源成本之间进行权衡。研究通过Pareto前沿分析，展示了在不同地震强度和资源约束条件下，如何实现治疗完成率和患者等待时间之间的最佳平衡。例如，在地震强度较低的情况下，修复团队的数量对治疗完成率和患者等待时间的影响较小，而在地震强度较高的情况下，修复团队的数量对恢复效果的影响更为显著。

本研究提出的优化模型不仅能够评估不同修复策略对医院服务能力的影响，还能够为决策者提供科学的、高效的恢复方案。通过该模型，医院可以优先修复关键部门和病房，从而确保医疗服务功能的快速恢复。此外，该模型还能够优化修复顺序，使得有限的资源能够被合理分配，以提高修复效率。研究结果表明，优先修复急诊科和ICU等关键部门，能够显著提升医院的治疗效率，减少患者等待时间，从而增强医院的整体服务能力。同时，研究还发现，不同修复策略对医院的恢复效果存在显著差异，因此，必须根据实际情况选择最优的修复方案。

本研究的创新之处在于，不仅考虑了地震对医院结构的破坏，还综合考虑了非结构部件、管道系统和医疗设备的损坏对医院服务能力的影响。此外，研究通过构建DES模型，实现了对医院医疗服务功能的动态模拟，使得恢复策略能够更加灵活和科学。同时，研究还引入了两个关键功能指标：等待时间和治疗完成率，使得优化模型能够更准确地评估不同修复策略的效果。通过该模型，医院可以优先修复关键部门和病房，从而确保医疗服务功能的快速恢复。此外，研究还发现，修复团队的数量和修复策略的选择对医院的恢复效果具有重要影响，因此，必须在实际应用中进行合理的资源配置和策略优化。

本研究的结果对于地震后的医院应急响应和恢复策略具有重要的指导意义。通过科学评估医院在地震后的服务能力，可以为决策者提供有效的恢复方案，以确保关键医疗服务功能的快速恢复。此外，研究还表明，合理的修复顺序和优先级设置能够显著提高医院的恢复效率，减少患者等待时间，从而提升医院的整体服务能力。因此，本研究不仅为地震后的医院应急响应提供了理论支持，还为实际恢复策略的制定提供了科学依据。研究的最终目标是通过优化恢复策略，增强医院在地震后的服务能力，提高患者治疗效率，减少灾害伤亡，从而提升整体的应急响应能力。