基于遺傳算法的護士排班系統(tǒng)研究

李小麗，薛清福

(1.泉州經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息技術(shù)系，福建泉州362000;2.泉州醫(yī)學(xué)高等?？茖W(xué)校社科公共部，福建泉州362000)

在信息技術(shù)高度發(fā)展的現(xiàn)代醫(yī)院管理中，怎樣有效地將現(xiàn)代化的信息技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)院日常事務(wù)管理中，使護理管理在規(guī)范化、科學(xué)化的軌道上良性運行，其重要性日益凸顯.目前，我國大多數(shù)醫(yī)院在信息化過程中多集中于財務(wù)信息化、藥品信息化、醫(yī)療信息管理及統(tǒng)計方面，其應(yīng)用范圍相對較初級，深入信息化方面則較少.在我國各級醫(yī)院，這一領(lǐng)域尚未得到充分開發(fā)和利用，而隨著信息化進程的深入進行，醫(yī)院的事務(wù)管理必將進行更深入的信息化.

目前，我國醫(yī)院事務(wù)管理中，有一部分的工作仍是手工進行的，如護士排班工作［1］，這在很多的文獻中也有提及，護士排班工作的信息化進程中明顯需要加快步伐.由于人工解決護士的排班工作，不僅浪費的大量的時間，其排班的效果也不太理想，受太多人為因素的影響，其排班質(zhì)量的測定也沒有科學(xué)的手段.因此，這種自調(diào)度方式亟需進行改革.在人工排班的過程中，主要依靠護士長依據(jù)平時排班的經(jīng)驗和相對簡單的約束條件對護士的班次進行安排.雖然在這個過程中，簡單的報表與統(tǒng)計輸出功能也有使用，但完全利用計算機技術(shù)自動生成護士排班工作表，在我國醫(yī)院事務(wù)管理中幾乎沒有采用.由此可見，將此工作進行信息化的需求是非常迫切的，同時，自動化排班減少了工作量與人工參與帶來的不合理因素，能充分考慮更多護士的要求，平衡每一位護士的工作量，從而從整體上提高全體護理人員的工作效率與工作滿意度，同時也提高病人對于護理工作的滿意度［1］.

本文將利用遺傳算法將護士排班工作進行自動化，自動建立排班表，實現(xiàn)護士排班工作的自動化、人性化避免人工干預(yù).

1 護士排班中的基本問題

護士排班是一個復(fù)雜的排班問題，該問題影響著醫(yī)院日常工作的各個方面.因此，高質(zhì)量的軟件方法來解決此問題是非常關(guān)鍵的.更重要的是此問題的解決將會對于有效地使用時間與精力，甚至平衡整個醫(yī)院的勞動力以及更好地滿足人員需求起著非常重要的作用.一個高質(zhì)量的護士排班方法，更會產(chǎn)生一個工作滿意度高、效率高的團隊.員工排班問題，受到了計算機專家、人事經(jīng)理、業(yè)務(wù)專家的廣泛關(guān)注己有40多年了.雖然這些行業(yè)有不同的時間基準，但它們之間都有很大的關(guān)聯(lián)性.醫(yī)院人員安排更具有挑戰(zhàn)性，不像其他行業(yè)，護士的工作是24小時制的，不規(guī)則的班次工作對于護士本身的健康與工作滿意度都是有影響的.

排班問題就其本質(zhì)來說是一個NP完全問題，即算法的計算時間是呈指數(shù)增長的，這類問題的典型代表如:巡回旅行商問題(Travel Salesman Problem，TSP)［2］、作業(yè)調(diào)度問題(Job Shop Scheduling Problem，JSP)［2］、背包問題(Knapsack Problem，KP)［2］問題、排課問題等，很多人嘗試采用各種方法對此類問題求解，如回溯算法、反復(fù)比較法、整數(shù)規(guī)劃、規(guī)則系統(tǒng)、模糊理論.這些非智能算法雖然在一定程度上解決了排班問題，但都存在所求非最優(yōu)解的局限性.自90年代初期，Colomim等人首先嘗試應(yīng)用遺傳算法來解決課程表問題后，模擬退火、禁忌搜索、蟻群算法等智能優(yōu)化算法，以及在此基礎(chǔ)上的改進方法開始出現(xiàn).目前人們對NP完全問題研究的主要思路是如何降低其計算復(fù)雜度，即利用一個近似算法來代替，力爭使得解決問題的時間從指數(shù)增長化簡到多項式增長，這是解決護士排班問題一個好的思路［3，4］.

2 遺傳算法

遺傳算法(Genetic Algorithm)［2］是一類借鑒生物界的進化規(guī)律(適者生存，優(yōu)勝劣汰遺傳機制)演化而來的隨機化搜索方法.它是由美國的Holland J教授1975年首先提出，其主要特點是直接對結(jié)構(gòu)對象進行操作，不存在求導(dǎo)和函數(shù)連續(xù)性的限定;具有內(nèi)在的隱并行性和更好的全局尋優(yōu)能力;采用概率化的尋優(yōu)方法，能自動獲取和指導(dǎo)優(yōu)化的搜索空間，自適應(yīng)地調(diào)整搜索方向，不需要確定的規(guī)則.遺傳算法的這些性質(zhì)，已被人們廣泛地應(yīng)用于組合優(yōu)化、機器學(xué)習(xí)、信號處理、自適應(yīng)控制和人工生命等領(lǐng)域.它是現(xiàn)代有關(guān)智能計算中的關(guān)鍵技術(shù).

遺傳算法主要特點是群體搜索策略和種群中個體之間的信息交換.它尤其適用于處理傳統(tǒng)搜索方法難以解決的復(fù)雜的和非線性的問題.由于它具有這些特點，自20世紀80年代以來關(guān)于它的理論和應(yīng)用研究都成了十分熱門的課題，尤其是應(yīng)用研究顯得格外活躍，不僅應(yīng)用領(lǐng)域擴大了，而且利用遺傳算法進行優(yōu)化和規(guī)則學(xué)習(xí)的能力也顯著提高.目前它已被廣泛應(yīng)用于組合優(yōu)化、機器學(xué)習(xí)、自適應(yīng)控制［5］、規(guī)劃設(shè)計和人工生命等領(lǐng)域，被認為是21世紀有關(guān)智能計算中的關(guān)鍵技術(shù)之一.

3 系統(tǒng)設(shè)計

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

通過以上對于各部分問題的需求分析，本系統(tǒng)擬采用B/S模式開發(fā)護士排班系統(tǒng)，系統(tǒng)主要分為三個架構(gòu)層次，分別為:數(shù)據(jù)庫層(SQLServer 2005)、應(yīng)用程序邏輯層(ASP.NET)、客戶端(包含客戶手機端).護士排班系統(tǒng)的整個系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示:

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

3.2 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計

在目前我國的大多數(shù)醫(yī)院中，由于護士的工作模式與其所處的科室及從事的工作性質(zhì)相關(guān)，其排班情況也不盡相同.因此，根據(jù)我國醫(yī)院的臨床經(jīng)驗，在進行護士排班系統(tǒng)設(shè)計時，必須為護士提供相對靈活與彈性較大的工作表.這就要求，在實際操作過程中，系統(tǒng)排班完成后，仍能根據(jù)醫(yī)院臨床需求，配置相應(yīng)的護士人員排班模式，同時可根據(jù)醫(yī)院臨床需要隨時維護調(diào)整，同時考慮當(dāng)排班的改變時，系統(tǒng)具有及時通知班次改變的相關(guān)護士人員的功能.根據(jù)以上要求，設(shè)計系統(tǒng)的頂層用例圖，本系統(tǒng)的用例圖如圖2所示.

圖2 系統(tǒng)頂層用例圖

各用例主要功能的描述分別如下所述:

系統(tǒng)管理用例主要包含三大功能，用于對科室、護士、權(quán)限進行相關(guān)設(shè)置與管理.

科室管理用例:系統(tǒng)管理員根據(jù)醫(yī)院自身的科室安排與設(shè)置，可進行基本科室數(shù)據(jù)的錄入管理，其中科室主要信息包含科室名稱、科室管理員、科室聯(lián)系電話等信息，主要操作包括對相關(guān)記錄進行增加、刪除、修改、查詢.

人員管理用例:系統(tǒng)管理員根據(jù)醫(yī)院自身的人員安排與設(shè)置，包括系統(tǒng)用戶以及護士人員.其中護士人員信息包括姓名、科室、聯(lián)系電話、出生年月、身份證號等相關(guān)信息.系統(tǒng)用戶包括用戶名、聯(lián)系電話、科室等信息，主要操作包括對相關(guān)記錄進行增加、刪除、修改、查詢.

權(quán)限管理用例:系統(tǒng)管理員根據(jù)醫(yī)院自身的人員安排與設(shè)置，對其分配相應(yīng)的權(quán)限，使相關(guān)人員具有進行相關(guān)模塊的訪問與使用的權(quán)限.系統(tǒng)管理員將排班系統(tǒng)中所涉及的用戶進行相應(yīng)角色的劃分，再為每個角色分配相應(yīng)的的權(quán)限.當(dāng)用戶登錄系統(tǒng)時，根據(jù)用戶所屬的角色，讀出該用戶所擁有的權(quán)限.主要操作包括對相關(guān)記錄進行增加、刪除、修改、查詢.

排班管理用例:本用例主要是進行護士排班工作，其中有基本護士排班信息的建立，在排班過程中，對于護士的班次及工作周期可進行相關(guān)設(shè)置，各科室根據(jù)相關(guān)的要求對自己科室管轄的護士進行排班處理，同時將護士人員的限制信息加入排班過程中，滿足個人合理的需要.排班后的信息可自動生成相關(guān)的科室排班信息與護士個人排班信息，方便滿足科室與個人查詢的需要.同時考慮在醫(yī)院日常實際事務(wù)中可能需要對自動生成的護士排班表進行相關(guān)的更改，因此，在此用例中，同樣可以采用人工方式對排班結(jié)果進行相應(yīng)的調(diào)整.

報表管理用例:在本用例中，相關(guān)科室可對相關(guān)的護士人員的工作量或休假時間進行相關(guān)的單一或組合條件的查詢與統(tǒng)計操作，也可以對其實際工作量如工作天數(shù)、休假天數(shù)、各種班次的工作次數(shù)進行相關(guān)的查詢與統(tǒng)計.相關(guān)的統(tǒng)計信息將為其他信息化工作提供有用的參考，如護士績效工資的計算，合理安排護士人員的休假日期等.同時利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)可以挖掘出更多的信息，為今后更加人性化的工作提供參考依據(jù).

消息管理用例:本用例有如下特點，消息傳遞高效，實時、可靠、穩(wěn)定.系統(tǒng)管理員與科室護士長同時進行相關(guān)消息的發(fā)布，防止消息沒有傳達到相關(guān)人員.同時考慮到護士工作的特殊性，可能在工作時間沒有上網(wǎng)的條件，考慮發(fā)布相關(guān)信息后，再利用手機短信的方式進行相關(guān)消息的傳達.另外，護士可以通過電腦或手機端登陸，自動進行相關(guān)信息的接收.若未登錄系統(tǒng)，護士人員的手機同樣也會收到相關(guān)短信的提醒，防止消息傳遞不及時.

反饋管理用例:本用例主要考慮系統(tǒng)在自動排班的過程中需要考慮護士個人的特殊要求.因此，相關(guān)人員可通過登錄進入此用例，進行相關(guān)反饋信息的提交.

3.3 Android手機端設(shè)計

根據(jù)目前我國智能手機與移動互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展與使用，結(jié)合相關(guān)的需求分析，考慮不僅開發(fā)電腦端的信息接收與查詢機制，也開發(fā)出適用于手機的應(yīng)用端(如Android手機端)，使護士排班系統(tǒng)更加便利.對于手機端應(yīng)用程序的開發(fā)完全與PC端相同，因此在此部分不再對其功能進行詳細描述.

4 結(jié)論

排班問題在各行各業(yè)都是一個常見的問題，包括航空公司、機場、部隊、呼叫中心/聯(lián)系、緊急服務(wù)(警察、消防和救護人員)、工廠、醫(yī)療(醫(yī)生和護士)等行業(yè)中.建立一個合理的排班系統(tǒng)，是一個具有挑戰(zhàn)性的工作和費時的過程.實際上，排班問題是一個數(shù)學(xué)類問題(NP－Hard)，雖然沒有算法能保證最佳解決這個問題，但采用遺傳算法，卻能產(chǎn)生一個能夠顯著提高原來手動排班工作效率的計算機自動排班系統(tǒng).

本項目所開發(fā)的護士排班系統(tǒng)比較全面地涵蓋了排班中的手工工作，同時考慮護理人員自身需求，進行人性化的排班，以使得護士排班工作能跟上信息化的步伐，并一定程度上實現(xiàn)了無紙化辦公，同時推動醫(yī)院的信息化進程，并將對其它行業(yè)中類似問題的解決起到一個拋磚引玉的作用.

［1］柯彩霞，謝文，劉曉華，等.護士排班模式改革與效果［J］.中國護理管理，2008，(11):38－40.

［2］邵軍力，張景，魏長華.人工智能基礎(chǔ)［M］.北京:北京電子工業(yè)出版社，2000.

［3］胡廉民，張九華，常永耘，等.求解護士排班問題的可變鄰域搜索遺傳算法［J］.計算機工程與科學(xué)，2013，(5):149－153.

［4］Musa A.Scheduling nurses using goal programming techniques［J］.IIE Transactions，1984，(3):216－221.

［5］Smith L D.A computer－based nurse scheduling system［J］.Computer，1977，(4):195－212.