БАИС: за миллион лет до нашей эры. Часть 2. Задачи, подлежащие автоматизации

 КОНСТАНТИН ТОКМАЧЕВ, ЗАО «Русское море», системный аналитик, ciril2@proc.ru

БАИС: за миллион лет до нашей эры
Часть 2. Задачи, подлежащие автоматизации

Классификация задач управления больницей в перспективе их автоматизированного решения

В предыдущей статье [1] мы привели примеры нескольких актуальных задач БАИС, таких как «Управление коечным фондом», «Диспетчеризация исследований и процедур», «Больничная статистика». Напомним, речь шла о рубеже 70-80 годов прошлого века, когда в СССР создавались первые БАИС. Мы отметили, что, хотя указанные задачи были поставлены и решены в те годы, по сути, они до сих пор не внедрены в практику. Сегодня мы рассмотрим еще одну важную тему БАИС (и вообще информационных систем предприятий) – тему перечисления задач, подлежащих автоматизации.

Согласимся, вопрос поставлен как-то странно. Казалось бы, выбирай задачи и автоматизируй. Какой здесь может быть порядок? Да и решенные задачи БАИС из 70-х кажутся взятыми наугад. Мы постараемся показать, что это не так, что тема перечисления задач управления больницей (или их классификация) сама является некой задачей и даже имеет (наверное, не единственное) решение. Для этого мы применим методы кибернетики и системного анализа, дисциплин, о которых не часто услышишь в последнее время. Мы также применим метод гомоморфизма функциональных систем С. Бира и идею органопроекции П. Флоренского.

Больница как управляемая система

Начнем с классического представления предприятия как управляемого объекта. Кибернетика, наука, открытая американским математиком Норбертом Винером где-то в середине XX века, предлагает рассматривать управляемый объект в виде контура управления с обратной связью (см. рис.1). Имеется сам объект, имеется устройство управления (администрация, как в больнице, или программа, как в АСУ ТП), наконец, имеется измерительное устройство, то, которое сегодня мы называем KPI (Key Performance Indicator) и которое обеспечивает «обратную связь» между устройством управления и объектом.

Рисунок 1. Блок-схема системы управления с обратной связью: УУ – устройство управления; ОУ – орган управления; О – управляемый объект; ИУ – измерительное устройство

Например, в больнице таким измерительным устройством можно считать кабинет больничной статистики, подготавливающий периодическую цифровую отчетность о многих аспектах деятельности. Винер выдвинул идею управления «по отклонению». Это означает, что для объекта задан некий нормативный уровень, например среднегодовое число прошедших больных для стационара, и если реальный показатель (KPI) отклоняется от нормативного значения, то применяется управленческое воздействие.

Заметим, что и само название «кибернетика» и идея управления «по отклонению», по сути, взяты Винером из трудов древнегреческого философа Платона. В диалоге «Политик» Платон описывает, как Бог управляет ходом вещей. Платон сравнивает Бога с кормчим (греч. – кибернетос), который налегает на весло, когда ладья отклоняется от правильного курса[2]. В диалоге «Политик», кстати, описывается космический переворот, когда Бог – кибернетос – уже не может исправить накопившиеся ошибки, когда все движение становится ошибкой. Тогда кормчий разворачивает ладью, и развитие идет в обратную сторону, в частности мертвые поднимаются из могил…

Для того чтобы превратить больницу (и любое другое предприятие) в управляемую систему, нужно тематизировать деятельность больницы. Нужно представить эту деятельность каксовокупность технологических процессов, состоящих из вполне определенных операций, занимающих какое-то время, требующих каких-то ресурсов и т.д. Очевидно, центральным вбольнице является лечебно-диагностический процесс пациента (Л-ДП), который, в свою очередь, декомпозируется на процессы диагностики и лечения, в том числе хирургические операции, медикаментозное лечение, диеты, физиотерапию и т.д. Чтобы быть управляемой (автоматически управляемой), больница должна быть представлена как система технологических операций. Для операций справедливо важное соотношение: их можно просуммировать по Л-ДП пациентов, как оказанные им медицинские услуги, а можно – поподразделениям, как выполненные объемы действий, и результаты суммирования, очевидно, должны быть одинаковы:

∑_i∑_j O_ij = ∑_j∑_i O_ij,

где:

• i=1..N – множество пациентов;
• j=1..M – множество подразделений;
• O_ij – операция, проведенная пациенту i в подразделении j;
• ∑_i – суммирование по индексу i.

При ведении автоматизированной истории болезни (ИБ или КСБ – карты стационарного больного) в ней, по сути, регистрируется Л-ДП пациентов, и появляется возможность перекрестного контроля отчетов подразделений относительно выполненных там операций.

Как система операций больница аналогична промышленному предприятию, и для ее описания можно применить отработанные на предприятиях методики. В частности, вспоминая про кибернетический контур управления, больницу можно разложить на подсистему производства и подсистему управления.

Подсистема производства

Подсистема производства – это совокупность лечебно-диагностических и обеспечивающих служб, рассматриваемых вместе со своим материально-техническим оснащением имедицинским персоналом. Каждый компонент подсистемы производства характеризуется спектром своих исполнительских возможностей (операций) и производственными связями с другими компонентами. Компонент подсистемы производства можно представить в виде отдельного модуля с несколькими входами и выходами. Важно отметить, что с точки зрения системного подхода реальная, исторически сложившаяся структура данного учреждения теряет свою исключительность и необходимость и становится сравнимой с другими возможными структурами, подчиненными той же цели. Это позволяет критически оценить достоинства и недостатки конкретной структуры.

Каждый компонент подсистемы производства сам является подсистемой производства. Это очевидно, поскольку любое подразделение – это, по сути, набор методик, а любая методика – это либо цех, либо единичное устройство. Скажем, что между двумя компонентами существует связь, если производственная деятельность одного компонента непосредственно зависит от производственной деятельности другого.

Не будем уходить в «инфернальные» медицинские подробности, но один пример приведем. Производственная деятельность клинико-диагностической лаборатории непосредственно зависит от поступления биоматериалов больных из лечебных отделений. Эти биоматериалы собирает и транспортирует постовая медсестра отделения.

Следовательно, существует производственная связь между постом медсестры и клинико-диагностической лабораторией. Часть биоматериалов (мокрота, моча, кал) достаются постовой медсестре непосредственно от больного, другая часть (кровь, желудочное и дуоденальное содержимое) передает постовой медсестре процедурная медсестра. Следовательно, существует производственная связь между постовой и процедурной медсестрами внутри лечебного отделения.

Отметим две важных особенности графа проведения исследований (см. рис. 2), как и любого другого графа, изображающего медицинское обслуживание. Наряду с реальными действиями (забор и доставка биоматериала, лабораторное исследование) на графе присутствуют моменты передачи информации, чтения и записи, являющиеся неотъемлемой частью технологии. Сам граф организации исследований инвариантен относительно оснащения или местонахождения лаборатории, других конкретных деталей больницы. Онпередает топологию организации проведения исследований, общую для широкого класса больниц. Это позволяет программировать соответствующий блок типовой БАИС как некий суперкласс, куда уточняющие детали организации могут быть внесены ниже, на уровне порожденных классов (см. рис. 3).

Рисунок 2. Граф проведения исследований в клинико-диагностической лаборатории

Рисунок 3. Подсистема производства больницы

Отметим также, что хотя подсистема производства многопрофильной больницы представляет собой некий топологический инвариант, она будет отличаться, очевидно, отпредприятий другой направленности – доменного цеха или факультета вуза, например. Поэтому можно сказать, что подсистема производства сугубо специфична относительно рода деятельности предприятия.

Подсистема управления

Сама по себе подсистема производства безынициативна. Врач-ординатор, выписывающий лист назначений больному согласно плану диагностики и лечения, впервые соединяет компоненты подсистемы производства в один технологический процесс. Подсистему производства больницы можно уподобить множеству устройств компьютера, тому, чтоименуется hardware. Тогда цепочки врачебных назначений пациентам, образующие Л-ДП, будут соответствовать программам или software. Но все больничные службы с ихпроизводственными связями, все врачи с их назначениями пациентам – это еще подсистема производства. Как утверждает кибернетика, управление появляется, когда процесс отклоняется от нормального течения.

Мы обращали внимание выше, что системы производства предприятий специфичны и радикально зависят от вида деятельности. Тем удивительнее звучит тезис британского кибернетика Стаффорда Бира [3], что все подсистемы управления, по сути, одинаковы. Напомним, С. Бир – автор чилийского экономического чуда, министр в правительстве социалиста Сальвадора Альенде, впервые решивший задачу автоматического управления экономикой целой страны с применением компьютерной сети Кибернет, предшественника интернета. (Дело, правда, не было доведено до конца, поскольку правительство С. Альенде было свергнуто, а сам он погиб в ходе военного переворота генерала Аугусто Пиночета в1973 году.)

С. Бир рассмотрел промышленное предприятие как «жизнеспособную систему» и нашел, что иерархия – неотъемлемый элемент в строении любого жизнеспособного организма: «Все жизнеспособные системы организованы подобным образом независимо от того, являются ли они физическими, биологическими, социальными или экономическими системами. В природе существуют общие законы управления, действующие везде, и каждая жизнеспособная система представляет собой модель любой другой». Из этого смелого тезиса следует простой вывод. Если все системы управления гомоморфны, то почему бы не взять за образец наилучшую из них – нервную систему человека?

Мы обращали внимание, что в основе кибернетических идей Н. Винера лежала философия Платона, в частности образ кормчего. Идеи С. Бира, на наш взгляд, уходят корнями вфилософию Аристотеля. Именно он в трактате «О душе» определил понятие «живого». Напомним, Аристотель любую вещь раскладывал по базису материи и формы. Так вот, живое– это то, материя чего состоит из органов (является органической), а «формой» живого является душа. При этом душа (форма живого), по Аристотелю, действительно инвариантна ииерархична, и более простые формы живого – это, по сути, подмножества более сложных форм. (Кстати, эта преемственность в ряду форм живого – растения, животные, человек – есть предчувствие Аристотелем эволюционной теории Ч. Дарвина.)

Среди основателей идей кибернетики нельзя не упомянуть замечательного русского космиста священника о. Павла Флоренского, погубленного в Соловецком лагере. Органический подход в технике П. Флоренский назвал «органопроекция» – технические устройства как «проецирование» органов вовне человеческого тела. Например, архитектуру храма П. Флоренский рассматривал как проекцию коленопреклоненного человеческого тела. Идея С. Бира о нервной системе человека как идеальной модели системы управления – вариант органопроекции по П. Флоренскому.

Но если взять за образец подсистемы управления нервную систему человека, то можно перечислить и задачи управления, стоящие перед промышленным предприятием (ибольницей) как жизнеспособным организмом.

И так, моделью идеальной системы управления по С. Биру является нервная система человека (см. рис. 4). Чем она управляет? Органическим телом человека. То есть аналогом подсистемы производства для человека является органическое тело, и производственные подразделения аналогичны органам. Нервную систему С. Бир разбивает на пять иерархически упорядоченных систем, каждая из которых имеет свой спектр задач.

Система 1. Это уровень управления отдельными органами тела – печенью, сердцем, легкими и т.д. В анатомии нервной системы ему соответствует сегмент спинного мозга, действующий через рефлекторные дуги. На предприятии (в больнице) это уровень управления отдельными подразделениями – лечебными отделениями, диагностическими службами и т.д. (см. рис. 3).

Система 2. Это уровень управления совокупностями подразделений. Анатомически это спинной мозг со всеми сегментами и рефлекторными дугами. В больнице этопроизводственные процессы, охватывающие несколько подразделений, например диагностические исследования, охватывающие лечебные отделения и диагностические подразделения (см. рис. 2).

Система 3. Это уровень управления предприятием (больницей) в целом. Для живого организма (человека) это задача поддержания гомостаза – постоянства внутренней среды организма. Например, постоянная концентрация кислорода в крови (согласованность дыхания и кровообращения) или постоянная температура тела (уровень энергетических запасов, химическое расщепление жиров).

Анатомически Система 3 представляет собой автономную нервную систему, а описанные специальные входы и выходы равнозначны симпатическим и парасимпатическим стволам (см. рис. 4). Управляющий центр Системы 3 имеет свой аналог в виде заднего мозга – варолиев мост, продолговатый мозг, мозжечок.

Рисунок 4. Подсистема управления по С. Биру

Гомостаз представлен наборами KPI, и управляющее воздействие возникает при выходе значений KPI за допустимые пределы. Традиционным измерителем показателей работы больницы являются ретроспективные фиксированные отчеты и оперативные произвольные запросы, обрабатываемые в службе больничной статистики.

Система 4. Это уровень взаимодействия с другими предприятиями. Анатомически это средний мозг, через который проходят все импульсы, поступающие от органов чувств. Длягородской клинической больницы актуально взаимодействие со смежными учреждениями здравоохранения – поликлиниками района и станциями скорой помощи – направляющими, соответственно, плановых и экстренных больных в стационар.

Иначе Систему 4 можно назвать «внешний гомеостаз». Для больницы речь идет о контроле потоков пациентов, медицинских кадров, медикаментов, продуктов питания, расходных материалов и т.п. Но дело не только в управлении хозяйственной деятельностью. Совместное использование дорогостоящей медицинской аппаратуры, консультативная помощь, втом числе удаленная диагностика, обмен опытом, взаимная оценка деятельности позволяют избежать ошибок и эффективно использовать ресурсы здравоохранения.

На уровне Системы 4 предприятие выступает как целое в отношении других предприятий. Поэтому оно должно обладать самостоятельностью в принятии управленческих решений. Другим необходимым условием решения задач Системы 4 является наличие технических коммуникаций и протоколов обмена медицинской информацией между медучреждениями. Заметим, подобным протоколом, обеспечивающим преемственность медицинских данных о пациенте для всех учреждений здравоохранения, могла бы быть (так и не созданная) электронная ИБ.

Система 5. Это уровень «исторического предвидения», представленный самой корой головного мозга. Реально речь может идти о решении задач оптимизации структуры больницы, дооснащения медицинской аппаратурой или вычислительной техникой, разделении функций с другими медучреждениями. Формально, на этом уровне может быть принято решение о закрытии или полном перепрофилировании предприятия в соответствии с экономической конъюнктурой или другими причинами.

Проецируя уровни идеальной системы управления (нервной системы человека) на конкретное предприятие, мы получаем перечень задач, которые в идеале должны решаться врамках подсистемы управления предприятия. Мы обращали внимание, что «жизнеспособные системы» гомоморфны – похожи частично, а не изоморфны – полностью идентичны. Например, в больницах, по сути, на регулярной основе решаются лишь задачи первого, второго и отчасти третьего уровней. Для решения этих задач предусмотрены особые документы и особые сотрудники (медицинские статистики). Необходимость решения задач других уровней очевидна; в каком-то виде они и решаются. Но «верхняя» часть спектра задач управления даже не тематизирована в больнице. Дистанция между реально решаемым спектром задач и их идеальным списком задает направление развития подсистемы управления больницы. Сам нормативный список задач управления является удобным каталогом опций при проектировании БАИС.

Гомоморфизм функциональных систем

Когда С. Бир говорит об одинаковости «жизнеспособных систем», он, вероятно, имеет в виду не полную их идентичность, но некое отображение, которое ставит в соответствие элементы двух систем – скажем, органическое тело живого существа и набор цехов промышленного предприятия. Подобное отображение в математике называется гомоморфизмом, если оно сохраняет функции – операции над элементами. (Заметим, термин «гомоморфизм» не имеет отношения к ЛГБТ-сообществу.) В случае «жизнеспособных систем» подоперациями понимаются операции управления. Скажем, в Системе 3 речь идет о контроле неких KPI – обобщенных показателей деятельности. По сути, для всех «жизнеспособных систем» управление по отклонению – это набор одних и тех же операций, вне зависимости от специфики деятельности предприятия. Это подтверждается и универсальным математическим аппаратом, скажем, OLAP-кубами, применяемым на уровне Системы 3 для формулировки KPI и контроля за их значениями.

Вернемся к БАИС «КОДИСТА», описанной в первой части нашей статьи, и сопоставим решенные задачи с классификацией С. Бира. Лечащий врач «пишет программу» диагностики и лечения пациента. Его назначения, а также результаты их выполнения, внесенные в ИБ, представляют Л-ДП, основной технологический процесс больницы. Хотя ИБ гуляет повсему стационару, отвечает за нее лечащий врач в лечебном отделении, так что функционал ведения ИБ отнесем к Системе 1. Функционал дифференциальной диагностики, выполняемый на основе полученных результатов исследований, внесенных в ИБ, тоже отнесем к уровню подразделения, к Системе 1.

Задачи «Коечный фонд» и «Диспетчеризация» – это типичные задачи управления совокупностями подразделений, входящие в Систему 2. «Коечный фонд» – это функционал учета иконтроля движения больных (поступление, переводы, выписка) через лечебные отделения стационара на основе Формы № 7 «Листок учета движения больных отделения». «Диспетчеризация» – это функционал реализации врачебных назначений на диагностические исследования и лечебные процедуры (составление расписаний и контроль ихисполнения). Назначения больным и забор биоматериалов производится в лечебных отделениях, а исследования и процедуры проводятся в диагностических и вспомогательных подразделениях (см. рис. 3).

Функционал «Больничная статистика», предполагающий вычисление регламентированных отчетов по всем аспектам больничной деятельности, а также оперативное исследование острых проблем путем произвольных запросов к базе данных, составленных на искусственном языке, – это, очевидно, представитель задач третьего уровня – поддержки гомеостаза больницы, – или Системы 3.

Система здравоохранения в СССР была плановой и типовой, как и все народное хозяйство. Для ряда задач масштаба страны это давало большие преимущества, но для отдельного медицинского учреждения экономические и хозяйственные инициативы были закрыты. По сути, круг задач Систем 4 и 5 не мог решаться в больнице. Все решения принимались далеко от больницы, в министерствах и ведомствах. С точки зрения подсистемы управления С. Бира больница в СССР была «всадником без головы».

Функционал оптимизации структуры медучреждения, скажем, метод имитационного моделирования работы (программа SIM.PAS), – это типичная задача Системы 5, задача стратегического планирования, впрочем, недалекого будущего.

С. Бир предполагал, что с каждым из уровней системы управления может быть связана математическая модель. Так и получилось. Статистический последовательный анализ какметод дифференциальной диагностики в Системе 1.

Одноканальная система обслуживания с бесконечным бункером [4] как модель для Системы 2, где заявки поступают из отделений с интенсивностью λ, скапливаются в потенциально «бесконечной» очереди ξ, обслуживаются в лаборатории с интенсивностью μ > λ, так что средняя длина очереди Mξ оценивается выражением:

Mξ=λ^2 / μ∙(μ-λ),

показывающим зависимость процесса (Mξ) как от лечебных отделений (λ), так и от диагностических подразделений (μ).

Реляционная база данных, искусственные языки запроса (SQL), показатели KPI и современные средства аналитики – OLAP-кубы – дают представлении о методах Системы 3.

Наконец, методы имитационного моделирования работы медучреждений, когда, к примеру, больница описывается как многокомпонентная иерархическая система массового обслуживания и случайные события и величины (поступление пациента, срок ожидания исследования) моделируются методом Монте-Карло, – пример прогностического функционала Системы 5.

Политическая повестка дня

Мы писали выше, что термин «кибернетос» – кормчий – появляется впервые не где-то, но в платоновском диалоге «Политик», причем в контексте космического переворота.

Мы упоминали также, что С. Бир участвовал в некоем социально-экономическом эксперименте в Чили и что эксперимент был прерван по политическим мотивам, в результате военного переворота.

При описании Систем 4 и 5 мы упомянули также, что решение задач на этих уровнях требует определенных властных полномочий у руководителей. Например, в СССР задачи «внешнего гомеостаза» и стратегии развития решались не в больнице, а на уровне Минздрава, Госплана и их региональных ведомств. В этом были свои преимущества. Во-первых, качество принимаемых типовых решений было высоким; во-вторых, была возможность оптимально распределить консолидированные ресурсы. Но медучреждение оставалось «всадником без головы».

Другой причиной, затруднявшей решение задач Системы 4, была естественная территориальная разобщенность смежных учреждений здравоохранения, отсутствие интерфейсов – каналов связи и единых протоколов обмена данными в медицинском формате. Компьютерных сетей с протоколом TCP/IP, вроде интернета, еще не существовало.

На сегодня уровень зарегулированности медучреждений в РФ ниже, чем в СССР, а степень ответственности руководителей заметно повышена. Типовые централизованные решения и планы, при всех своих достоинствах, не отменяют решения задач управления Систем 4 и 5 на местах, с учетом конкретных условий работы медучреждений. На плечах администрации снова «появилась голова», перечень задач из 70-80-х и современные средства коммуникации (интернет), казалось бы, позволяют на новом историческом этапе подойти к важной задаче создания БАИС.

Напомним, все описанные задачи были поставлены и решены на рубеже 70-80-х годов прошлого века. А сегодня, когда мы подходим к оператору за компьютером за справочной информацией (в поликлинике или где-то еще), мы нередко стоим и ждем. Если вдруг мы выражаем недовольство, слышим в ответ: «А что вы хотели? Это же компьютер, машина. Конечно, он работает долго. Без него бы я давно вам все сделала…»

Зачем сегодня мы вспоминаем о задачах, решенных 40 лет назад? В предыдущей статье мы говорили, что многие из этих задач не внедрены в практику, хотя по-прежнему актуальны. Описывали компьютерные решения ряда задач БАИС на рубеже 70-80-х годов. Специально обращали внимание читателя на чудовищные ограничения, которые накладывались наБАИС из-за недостаточного в те годы развития вычислительной техники, языков и методов программирования. Наше предложение состоит в том, чтобы соединить во многом логически безупречную постановку задач управления и эффективные математически методы их решения, разработанные в 70-80-х годах, с фантастическими (по меркам тех лет) возможностями современной вычислительной техники и программирования.

1. Токмачев К. БАИС: за миллион лет до нашей эры. //«Системный администратор», №7-8. 2017 г. – С. 72-77 (http://samag.ru/archive/article/3476).
2. Платон. Политик. // Сочинения в трех томах. – М.: Мысль, 1972. – Т. 3, часть 2, с. 31 [272-273].
3. Бир С. Корректировка плана корпорации // Внутрифирменное планирование в США. – М.: Прогресс, 1972. – С.61-68.
4. Розенберг В.Я., Прохоров А.И. Что такое теория массового обслуживания. – М.: Советское радио, 1965. – С. 255.

Комментарии могут оставлять только зарегистрированные пользователи