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地球信息科学学报 >

2019 , Vol. 21 >Issue 9: 1411 - 1419

DOI: https://doi.org/10.12082/dqxxkx.2019.180533

地理信息科学理论与方法

面向时空可达性的城市应急医疗机构推荐方法

  • 刘晓慧 , 1, * ,
  • 刘永伟 2 ,
  • 蔡菲 1 ,
  • 樊文平 1
展开
  • 1. 山东建筑大学测绘地理信息学院,济南 250101
  • 2. 泰华智慧产业集团股份有限公司,济南 250101

刘晓慧（1984-）,女,山西灵丘人,博士,主要从事时空数据挖掘及空间信息技术在应急决策中的应用研究。 E-mail: xhliu0512@163.com

收稿日期: 2018-10-19

  要求修回日期: 2019-05-07

  网络出版日期: 2019-09-24

基金资助

山东省自然科学基金项目(ZR2016DQ06)

山东省高校科技计划项目(J16LH05)

山东省住房和城乡建设科技计划项目(2018-K8-02)

山东省社科规划项目(14DGLJ06)

山东建筑大学博士基金项目(XNBS1404)

版权

版权所有，未经授权，不得转载、摘编本刊文章，不得使用本刊的版式设计。
收起

Selection Method for Urban Emergency Medical Institutions Considering Spatiotemporal Accessibility

  • LIU Xiaohui , 1, * ,
  • LIU Yongwei 2 ,
  • CAI Fei 1 ,
  • FAN Wenping 1
Expand
  • 1. School of Surveying and Geo-Informatics, Shandong Jianzhu University, Ji'nan 250101, China
  • 2. Telchina Smart Industry Group Company with Limited Liability, Ji'nan 250101, China
*LIU Xiaohui, E-mail:

Received date: 2018-10-19

  Request revised date: 2019-05-07

  Online published: 2019-09-24

Supported by

Shandong Provincial Natural Science Foundation, China(ZR2016DQ06)

Science and Technology Project of Institutions of Higher Education of Shandong Province(J16LH05)

The Housing and Construction Department Science-Technology Program of Shandong Province of China(2018-K8-02)

Shandong Province Social Science Planning Research Project(14DGLJ06)

Doctoral Research Fund of Shandong Jianzhu University(XNBS1404)

Copyright

Copyright reserved © 2010. Office of Journal of Geo-information Science All articles published represent the opinions of the authors, and do not reflect the official policy of the Chinese Medical Association or the Editorial Board, unless this is clearly specified.
Fold

摘要

快速选择和分配应急医疗机构是城市突发事件应急响应的一个重要方面。医疗机构的地理位置和城市实时交通是影响城市医疗机构时空可达性的主要因素,医疗机构的资源数量和突发事件的救助需求是否匹配决定了医疗服务的可及性。本文综合考虑以上影响因素,将医疗机构的地理位置、实时道路通行情况、医疗机构等级及其资源数量以及突发事件的救助需求作为选择指标,建立适合城市突发事件应急救助需求的医疗机构选择模型,设计其算法流程并利用青岛市相关数据进行实验,验证其可行性及关键步骤的作用。本文提出的应急医疗机构选择模型及算法能够在推荐医疗机构的同时完成救治人员分配和路线规划,提高了应急医疗机构的选择效率,对城市突发事件应急响应具有一定的应用价值和决策指导意义。

关键词： 应急医疗服务; 医疗机构选择; 时空可达性; 医疗救助需求; 动态时间成本最短路径; 青岛市

本文引用格式

刘晓慧 , 刘永伟 , 蔡菲 , 樊文平 . 面向时空可达性的城市应急医疗机构推荐方法[J]. 地球信息科学学报, 2019 , 21(9) : 1411 -1419 . DOI: 10.12082/dqxxkx.2019.180533

Abstract

With the rapid development of urbanization in China, urban scale is increasing. The urban population is increasing rapidly, and public emergencies occur frequently, which raises new requirements for emergency management and decision-making of public emergency departments. In cities, the population density is very large and the speed of population flow is fast. Once an emergency occurs in the crowd, there will be so many people involved. Therefore, relevant departments are required to take scientific and efficient emergency response actions timely. It is an important aspect of emergency response for urban emergencies to select and allocate emergency medical institutions. In the process of emergency decision-making, the selection of medical institutions should meet two requirements. On one hand, it should enable the injured to reach the selected medical institutions quickly; On the other hand, it requires the selected medical institutions to have the ability to deal with emergency events and realize the accessibility of emergency medical services. However, geographic location of medical institutions and real-time traffic are the main factors affecting the spatiotemporal accessibility of medical institutions. Meanwhile, the availability of medical services is determined by the matching degree between the resource quantity in medical institutions and emergency assistance need. Based on existing research and the theory of spatiotemporal accessibility, this paper focused on the needs of urban emergency relief, and studied the method to recommend emergency medical institutions for decision-makers. So, the location of medical institutions, real-time traffic, the grade and resources quantity of medical institutions, and the need for emergency assistance were used as choice indicators to define the spatiotemporal accessibility of medical institutions. A medical institution selection model suitable for emergency assistance of city emergencies was proposed, which can recommend medical institutions that meet the emergency response requirements for emergency decision-makers. On this basis, an algorithmic flow for the model was designed, and its feasibility and the role of key steps were verified experimentally. Compared with the traditional accessibility measurement method, the emergency medical institution selection model and algorithm proposed in this paper consider the impact of real-time road traffic situation and the matching degree between emergency rescue demand and emergency resource. Meanwhile, this algorithm can complete the route planning while selecting the most suitable medical assistance institution, which can improve the decision-making efficiency. It is of great practical significance for improving emergency response.

Key words： emergency medical services; medical institutions selection; spatiotemporal accessibility; medical assistance need; shortest path of dynamic time cost; Qingdao

1 引言

随着中国城市化进程的加快,城市规模不断增大,城市人口迅速增加,城市的突发公共事件频繁发生,给公共应急部门的应急管理与决策提出了新的要求。城市中人员密度大,人员流动速度快,人群中一旦发生突发事件,涉及的人员数量不可计数,需要相关部门能够快速采取科学、高效的应急响应行动。医疗救助应急服务是应急响应的一个重要组成部分,在突发事件发生时,快速选择和分配医疗机构对应急响应具有重要的意义。
目前,国内外关于医疗救助应急服务的研究成果主要有医疗应急管理与决策中的知识共享[1]、应急医疗资源需求模型构建[2]、医疗应急资源分配与决策[3,4,5]、医院面向突发事件的应急响应仿真[6,7]、利用地理空间信息对急救时间进行研究[8,9]、面向灾害应急响应的临时医疗服务设施选址[10]及基于层次模型对急救中心的选址优化[11]。在医疗机构的选择方面,姜艳萍等[12]从医院的应急医疗能力和决策者对医院应急医疗能力的期望两方面对医院进行综合评价。
可达性研究包括空间可达性和时空可达性两类不同的研究视角[13,14,15]。空间可达性重点关注研究对象的地理空间特征[16,17]。而时空可达性反映了要到达一个地方能够克服的距离与时间等阻力因素的能力[18,19]。时空可达性的度量指标通常有通行时间、行程距离、设施可用性等[20]。还有研究表明公共设施的时空可达性与出行的交通方式有关联[21]。方志祥等[22]指出时空可达性要依据个性化需求来界定可达时空,并将兴趣点的可利用时间作为描述指标来衡量特定位置的时空可达特征。Jamtsho等[23]通过服务中心吸引力、到达服务中心的出行时间或距离以及人们的保健需求等指标分析医疗保健服务的空间可达性。
对于突发事件应急决策过程中对医疗机构的选择,一方面应该能够使伤病人员快速到达所选医疗机构,另一方面又要求所选医疗机构具有处理应急事件的能力（专业人员、设施等）,实现应急医疗服务的可及性。现有可达性研究中采用的交通行程时间大多是平均交通时间[16,25],忽略了交通拥堵等问题导致的交通时间变化。而交通拥堵作为城市的常见问题,道路通行情况对医疗机构的时空可达性具有重要影响[17,20]。另外,已有研究大多通过可达性分析来研究区域内医疗机构的合理性[16-17,24],通常选择医疗机构的等级规模[16,24]作为医疗机构服务能力的评价指标。但是医疗机构服务能力是有限的,不同时间服务资源的不同和医疗需求的不同,会导致服务能力不同。
基于此,本文综合考虑城市内道路交通情况对应急救助的影响以及医疗机构实时服务能力和医疗需求的匹配度等问题,采用医疗机构的地理位置、实时道路通行情况、可用资源数量以及城市突发事件救助需求等因素,来界定医疗机构的时空可达性,建立适合城市突发事件应急服务的医疗机构选择模型,并结合空间网络分析进行模型计算,为城市突发事件应急决策人员推荐满足应急响应要求的医疗机构。

2 应急医疗机构选择模型

在已有应急医疗服务理论和成果的基础上,选取合适的应急医疗机构选择指标,建立面向城市突发事件应急响应的医疗机构选择模型,为决策者推荐合适的医疗机构。

2.1 选择指标

已有研究中对医院的选择重点考虑2个方面的信息：① 医院的应急医疗能力;② 医院是否符合决策者的期望[12]。对医院应急能力的评价主要考虑组织管理、快速反应、救援技术、救援保障等医院本身的因素[12]。但是,对于城市突发事件的应急医疗需求而言,接受救治前的时间对于有些需要急救的情况比较关键。因此,本文从时空可达性分析的视角出发,综合突发事件地理位置与医疗机构之间的空间关系、实时道路通行情况以及医疗机构的实时救助能力、突发事件对医疗机构的救助需求等因素建立应急医疗机构选择指标体系。
（1）交通距离。表示从突发事件所在地到达医疗机构所经过道路的长度。反映医疗机构的地理空间位置,对伤病人员接受治疗前的时间有重要影响。
（2）道路拥挤程度。表示从医疗机构往返事件发生地所经过的道路各路段的拥挤程度,用道路拥堵系数表示。反映医疗机构的周边环境,对伤病人员接受救治前的时间有重要影响。
（3）医疗资源。包括在事件发生后的短时间内,医疗机构拥有的空床位数、能够参与救治的专业人员的专业救助技能及数量等。反映医疗机构当前时刻的应急救助能力。
（4）救助需求。表示城市突发事件造成的人员受伤情况,包括受伤类型及人数,反映突发事件的应急救助需求。

2.2 数学模型构建

突发事件发生后产生的后果复杂多样,对复杂的应急救助情景进行建模假设：① 事件发生后,存在多个人需要尽快送往医院接受救治;② 应急专家根据事件情况可以粗略估算出各类不同程度的需要接受救治的伤病人数;③ 存在多个医疗机构,每个医疗机构具备有限的接收伤病人员的资源类型和数量;④ 由于各医疗机构的空间位置不同,伤病人员到达医疗机构所需要的时间不同;⑤ 时间是影响急救的关键因素,因此把伤病人员接受救治前所经过的时间作为选择医疗机构的关键因素;⑥ 时间成本由交通距离和道路拥堵系数决定。
基于上述规定,给出如下定义：
定义1 H = h 1 , … , h i , … , h m 表示m个能够提供应急救助服务的医疗机构, i ∈ 1 , … , m , m ∈ N 。
定义2 P = p 1 , … , p j , … , p n 表示n种不同类型的需救治的伤病人数, j ∈ 1 , … , n , n ∈ N 。
定义3 R i = r 1 i , … , r j i , … , r n i 表示医疗机构hi针对n种救助服务类型能够接收的伤病人数, j ∈ 1 , · · · , n , n ∈ N 。
定义4 A i = a 1 i , … , a j i , … , a n i 表示给医疗机构hi分配的n种类型的待接收伤病人数, j ∈ 1 , … , n , n ∈ N 。
定义5 Q = q 1 , … , q j , … , q n 表示第n类伤病人员分配的医疗机构个数, j ∈ 1 , … , n , n ∈ N 。
定义6 L = l 1 , … , l i , … , l m 表示m个医疗机构到事发地的直线距离, i ∈ 1 , … , m , m ∈ N 。
定义7 D = d 1 , … , d i , … , d m 表示m个医疗机构到事发地的交通距离, i ∈ 1 , … , m , m ∈ N 。
定义8 B = b 1 , … , b k , … , b r 表示r种道路拥堵系数, k ∈ 1 , … , r , r ∈ N 。
定义9 T 1 = t 1 1 , … , t i 1 , … , t m 1 表示从m个医疗机构到达事发地的时间成本, T 2 = t 1 2 , … , t i 2 , … , t m 2 表示从事发地到达m个医疗机构的时间成本, i ∈ 1 , … , m , m ∈ N 。
综合空间位置、环境因素、救助能力、救助需求等方面的信息,以上述定义为基础,建立的城市突发事件应急救助医疗机构选择模型可描述为：选择m个医疗机构组成的集合： H = h 1 , … , h i , … , h m ,使得如下约束条件成立：
min f 1 = ∑ i = 1 m l i
min f 2 = ∑ i = 1 m t i 1 + t i 2
∑ i = 1 m r j i ≥ p j , j ∈ 1 , · · · , n
∑ i = 1 m a j i = p j , j ∈ 1 , · · · , n
a j i = r j i , 1 ≤ i ≤ q j - 1 p j - ∑ i = 1 q j - 1 r j i , i = q j q j ≤ m
式（1）表示m个医疗机构距事发地的直线距离的总和 f 1 最小;式（2）表示从m个医疗机构到达事发地的往返时间成本的总和 f 2 最小;式（3）表示m个医疗机构能够接收各类型伤病人员的总数必须不小于实际需要的数量;式（4）表示每一类需救治的伤病人员被分配到m个医疗机构;式（5）表示分配给单个医疗机构的每种类型伤病人数。

3 应急医疗机构选择过程及算法

3.1 应急医疗机构选择过程

时间成本是应急救助过程中选择医疗机构的关键指标,主要取决于交通距离和道路拥堵情况,道路拥堵情况需要实时获取。因此,对于一个中型城市内的医疗机构,直接计算往返各个医疗机构的时间成本并进行排序,需要耗费大量的时间和空间用于计算时间成本并对其作比较。直线距离在一定程度上能反映医疗机构的地理服务范围。为了减少计算和比较时间成本所需时间,提高医疗机构推荐的效率,本文利用救助需求和直线距离先做初步筛选,即满足式（1）,再对初步筛选的结果集合计算时间成本并作比较,使其满足式（2）,然后再根据各个医疗机构提供的救助类型及资源数量依次进行判断和选取,使其满足式（3）-式（5）,获得推荐的目标医疗机构集合,同时计算出需救治人员在各医疗机构的分配方案。该算法具体流程（图1）如下：
图1 应急医疗机构选择算法流程

Fig. 1 Flowchart of emergency medical institutions selection

（1）设定初始筛选的直线距离 L 0 与伤病类型,通过属性选择与缓冲区分析作初步筛选,获得距离事发地点的直线距离在 L 0 范围内并符合救助需求的医疗机构集合 H 0 。
（2）如果集合 H 0 不为空,则对 H 0 中各医疗机构与事发地点之间作路径分析,计算从各医疗机构到达事发地点并返回的时间成本,并对其进行排序,得到按时间成本升序排列的待选医疗机构集合 H 1 ;否则,扩大 L 0 并执行步骤（1）。
（3）对于集合 H 1 ,依次提取各医疗机构 h i ,获得其可接收的n类伤病人数 R i ,如果 R i 中存在非0值,即能够接收一个或多个类型的伤病人员,则动态计算当前医疗机构可接收的n类伤病人数 R = r 1 , … , r j , … , r n （ i ∈ 1 , … , n , n ∈ N ）, r j = r j + r j i ( r j 初始值为 0 ) 。同时给 h i 分配对应类型的救助人数 a j i ,分配规则为：如果 r j < p j ,则 a j i = r j i , r j 减少 a j i , 同时 p j 也减少 a j i ;否则 a j i = p j , p j 变为0,即第j类需救治的伤病人员已分配完。当针对医疗机构 h i 已分配完n类伤病人员时,则将该医疗机构转移至目标集合 H ,并执行步骤（4）。
（4）：如果n类需救治的伤病人数都已分配完,即 P = p 1 , … , p j , … , p n 中各值均变为0,则结束算法;否则,判断 H 1 中的医疗机构是否全部提取完,如果已经提取完,则设定新的筛选直线距离,基于前一次筛选所覆盖区域向周围扩大筛选范围,执行步骤（1）;如果没有提取完,则继续执行步骤（3）。

3.2 动态时间成本最短路径的计算

动态时间成本最短路径,也即伤病人员到达各医疗机构过程中行驶时间最短的路径。在应急医疗机构选择算法中,关键的步骤是计算“伤病人员到达各医疗机构的时间成本（记为T）”。本文针对不同等级医疗机构拥有的救护车资源情况,设置计算时间成本的具体规则,并根据定义9作如下规定：①二甲以上等级的医疗机构按照“从各医疗机构到达事发地点并返回的时间成本”计算,即 T = T 1 + T 2 ;②二甲以下等级的医疗机构按照“从事发地点到达各医疗机构的时间成本”计算,即 T = T 2 。求解T的计算过程如图2所示,将实时道路拥堵系数作为计算每个路段时间成本的权重因子。考虑到救护车一般拥有优先通行权,本文实验作如下设定：对于二甲以上等级医疗机构,权重取道路拥堵系数的1/2;对于二甲以下等级医疗机构,道路拥堵系数作为权重直接参与计算。为了不影响时间成本排序结果对推荐医疗机构的影响,本文对二甲以上等级医疗机构和二甲以下等级医疗机构分别进行标记,对比较严重的救助需求优先从二甲以上等级医疗机构中进行筛选,对一般救助需求不做限定。
图2 伤病人员到达医疗机构的动态时间成本最短路径计算过程

Fig. 2 Shortest path calculation considering dynamic time cost of the injured to medical institutions

4 应急医疗机构推荐实验

4.1 实验区概况及数据来源

本文基于MapGIS K10平台,利用其缓冲区分析和网络分析工具,采用C#语言实现以上算法,完成满足时空可达性与救助需求的医疗机构的筛选,以青岛市行政区划内五类医疗机构为例,验证算法的可行性。
青岛市作为山东省副省级市、计划单列市,位于山东半岛东南部,地理位置为119°30′E-121°00′E,35°35′N-37°09′N,是国家沿海重要中心城市、国际性港口城市,交通网络建设较为全面。
实验过程对每个医疗机构设置其针对3种救助服务类型（轻度外伤、骨伤、重度受伤）能够接收的伤病人数。其中,医疗机构分布数据来源于2018年高德地图POI,共1389条数据,图3为利用ArcMap进行可视化的结果。为尽可能真实的模拟实际情况,本文利用高德交通态势API采集2018年连续多日不同时间的实时路况信息作为道路拥堵实验数据。
图3 研究区医疗机构空间分布

Fig. 3 Spatial distribution of medical institutions in the study area

4.2 实验结果及分析

实验依据图1所示流程进行,假设P点为事发地所在位置,首先通过初步筛选获得符合救助类型需求且距离P点的直线距离在1 km范围内的医疗机构集合 H 0 ;然后根据实时路况和医疗机构等级计算P点到达医疗机构的动态时间成本最短路径（图4）,并按照动态时间成本最短路径由小到大进行排序,获得医疗机构集合 H 1 以及事发地P到达 H 1 中各机构的动态时间成本最短路径（图5（a））;进而结合具体的救助需求和 H 1 中每个医疗机构可用的资源数量从 H 1 中依次进行筛选,获得一定时空可达性范围内符合具体救助类型的医疗机构 H 及其能够提供的救助数量,形成需救治人员在各医疗机构的分配方案, H 为推荐结果集合（图5（b））。
图4 从医疗机构A往返事发地P的路线分析

Fig. 4 Route analysis for going to the emergency site P from the medical institution A and back

图5 符合时空可达性及救助需求的青岛市应急医疗机构筛选过程

Fig. 5 Emergency medical institutions selection according to spatiotemporal accessibility and assistance need

图4结果表明,由于各路段的时间成本随时间动态变化,不同时间所获得的路线有很大差异。上午7:00计算得到的动态时间成本最短路径,从医疗机构A到达事发地P的路径R1和从事发地P返回医疗机构A的路径R2所经过的路段不同。虽然R2比R1所经过的路段的长度长,但是该时间段R1的反向路段处于高峰拥堵状态,通过时间成本的比较,算法选择了时间成本更短的路径R2作为从事发地P返回医疗机构A的路径;上午11:00计算得到的动态时间成本最短路径,从医疗机构A到达事发地P和从事发地P返回医疗机构A的路径R3和R4所经过的路段相同,反映了该时间段路径R3和R4的时间成本和路段长度均成正比,而此时的道路拥堵数据显示道路通畅,与实验结果一致。因此,考虑道路通行状态,以事发地的伤病人员到达各医疗机构的动态时间成本最短路径作为推荐医疗机构的依据之一,在一定程度上适合城市突发事件应急响应的时效性要求。
图5表明,在选择一定时空可达性范围内符合具体救助类型的医疗机构并建立救助分配方案过程中,根据具体的救助需求和医疗机构能够提供的资源数量医疗机构进行精确匹配,获得的结果符合实际需求。但是在医疗机构数量较多时,计算量较大,因此利用缓冲区分析在一定直线距离范围内初步筛选符合救助需求类型的医疗机构集合可以极大的减少需要精确匹配的医疗机构数量,具有重要的作用。

5 总结与讨论

医疗救助应急服务是城市突发事件应急响应的一个重要组成部分,在突发事件发生时,快速选择和分配医疗机构对应急响应具有重要的意义。对于突发事件的医疗应急决策,一方面要求所选医疗机构具有处理应急事件的资源,另一方面又需要伤病人员能够尽快到达所选医疗机构。
本文基于时空可达性理论,围绕城市突发事件救助需求,综合医疗机构地理位置、实时道路通行情况、可用资源数量以及应急救助需求等因素,提出了一种面向城市突发事件救助的应急医疗机构推荐方法。该方法在传统可达性度量方法基础上,考虑了对实时道路交通情况以及应急救助需求和应急资源匹配度等因素的影响。在上述方法支撑下,设计了应急医疗机构选择算法,基于MapGIS K10平台和C#语言验证方法的可行性。实验表明：
（1）基于缓冲区分析在一定直线距离范围内利用救助需求类型作初步筛选,既满足了医疗机构推荐模型中式（1）的要求,又可极大的提升应急医疗机构的选择效率,对医疗机构较多的大型城市中突发事件应急医疗救助具有一定的实际应用价值;
（2）通过计算伤病人员到达医疗机构的动态时间成本最短路径并排序,满足了医疗机构推荐模型中式（2）的要求,并且在选择医疗机构的同时完成路线的规划,节省了选择医疗机构后再作路线规划的时间,有效提高了选取结果的有效性;
（3）计算动态时间成本最短路径过程中,将实时道路交通拥堵系数作为道路网的权重,并针对不同等级的医疗机构采用不同的时间成本计算方法,在不同时间的城市交通路况、医疗机构救助资源情况下,推荐的应急医疗机构有较大差别,对实时路况差异较大的城市中突发事件应急医疗救助具有一定的实际应用价值;
（4）根据初步筛选后各个医疗机构的救助类型及资源数量与救助需求的类型及数量进行精确的比较和匹配,不仅满足医疗机构推荐模型中式（3）、（4）、（5）的要求,获得符合要求的目标医疗机构集合,而且同步计算出需救治人员在各医疗机构的分配方案,可有效提升应急医疗决策的效率。
本文工作还有很多方面需要细化和完善。首先,计算动态时间成本时,本文实验过程采用的实时交通拥堵系数是利用高德地图交通态势API获得连续多天的实时路况信息,并进行整理获得。对于应急医疗机构推荐需要真实有效的实时路况和预测路况信息,因此下一步需要根据历史路况信息和实时路况信息,研究每个路段的预测路况信息的预测方法。其次,道路拥堵系数作为动态时间成本的权重因子,本文虽然针对不同的医疗机构等级做了区分,但是还需进一步验证取值的合理性。另外,本文实验对医疗资源的匹配过程,仅针对3种救助服务类型设置各医院的可接收人数,而实际情况相对复杂很多,后续可对医疗资源进行细化,使其能更好的模拟真实情况。

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