CN114096353A - 针对实验室分析器的基于优化的负载计划***和方法 - Google Patents

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Abstract

***和方法包括针对生物流体样本的实验室分析器的基于优化的负载计划模块。基于优化的负载计划模块可在计算机服务器上执行，且被配置成基于以下用户选择的且经加权的目标中的一个或多个来优化跨大量实验室分析器的化验（实验室测试）分配：减少的周转时间、负载平衡、高效的试剂使用率、更低的质量保证成本和/或改进的***鲁棒性。基于优化的负载计划模块输出包括计算机可执行指令的负载计划，该计算机可执行指令被配置成使实验室分析器***的***控制器执行下述操作：根据用户选择的且经加权的目标，来调度和引导要在实验室分析器***的一个或多个所选择的实验室分析器处执行的每个所请求的测试。还描述了其他方面。

Description

针对实验室分析器的基于优化的负载计划***和方法
技术领域
本公开涉及提供针对实验室分析器的负载计划的***和方法。
背景技术
将多个小规模诊断实验室集中化和合并成大规模诊断实验室以用于生物流体样本（例如血液、尿液等）的分析已经成为近年来的趋势。该趋势主要由政府健康保险公司针对最频繁地安排的实验室测试的报销中的减少来驱动。鉴于典型地小的利润率（例如，3%），如果报销率继续下降，则由许多小规模诊断实验室进行的持续操作可能是不可能的。此外，针对与纳税人以及诊断实验室的关联测试体积有关的信息的政府报告要求可能使许多小规模诊断实验室没有办法实现的信息技术基础设施成为必需。因此，将多个小规模诊断实验室集中化和合并成大规模诊断实验室很可能继续。
大规模诊断实验室可以跨大量实验室分析器（例如，100+个）每年处理数百万个生物流体样本。大量实验室分析器可以经由延伸例如200米或更多米的自动化轨道而连接。这种大规模诊断实验室的操作要求由人类操作者进行一致且连续的监视、评估和干预，以确保结果是准确的并且服务级协定被满足。
相应地，存在未满足的改进包括大量实验室分析器的大规模诊断实验室的需要。
发明内容
根据第一方面，提供了一种针对实验室分析器***的基于优化的负载计划的方法。所述方法包括：在计算机服务器处接收计算机可读数据，包括所述实验室分析器***中包括的多个实验室分析器的清单、要由所述实验室分析器***执行的所请求的测试的类型和数目、以及与所述实验室分析器***的操作和要执行的所请求的测试的类型和数目相关的偏好或优先级。所述方法还包括：经由在所述计算机服务器上执行的基于优化的负载计划模块，来确定用于在所述实验室分析器***中执行所请求的测试中的每一个的负载计划。所述负载计划包括被配置成使所述实验室分析器***的***控制器执行下述操作的计算机可执行指令：根据所述偏好或优先级中的一个或多个，来调度和引导要在所述实验室分析器***的一个或多个所选择的实验室分析器处执行的所请求的测试中的每一个。
根据另一方面，提供了一种非瞬变计算机可读储存介质，包括具有计算机可执行指令的基于优化的负载计划模块。所述负载计划模块的计算机可执行指令被配置成使计算机服务器确定针对包括多个实验室分析器和***控制器的实验室分析器***的负载计划。所述负载计划包括被配置成使所述***控制器执行下述操作的计算机可执行指令：基于由所述计算机服务器接收到的计算机可读数据，来调度和引导要在所述实验室分析器***的一个或多个所选择的实验室分析器处执行的多个所请求的测试中的每一个。由所述计算机服务器接收到的计算机可读数据包括所述多个实验室分析器的清单、要由所述实验室分析器***执行的所请求的测试的类型和数目、以及与所述实验室分析器***的操作和要执行的所请求的测试的类型和数目相关的偏好或优先级。
在进一步的方面中，提供了一种实验室分析器***。所述实验室分析器***包括***控制器和多个实验室分析器，所述多个实验室分析器由所述***控制器控制，且经由用于向所述多个实验室分析器和从所述多个实验室分析器传输样本容器的一个或多个自动化轨道而彼此连接。所述多个实验室分析器中的每一个被配置成：在所述样本容器中包含的一个或多个样本上执行一个或多个测试。所述实验室分析器***还包括耦合到所述***控制器的计算机服务器。所述计算机服务器包括：基于优化的负载计划模块，具有被配置成使所述计算机服务器确定针对所述实验室分析器***的负载计划的计算机可执行指令。所述负载计划包括被配置成使所述***控制器执行下述操作的计算机可执行指令：基于由所述计算机服务器接收到的计算机可读数据，来调度和引导要在所述实验室分析器***的一个或多个所选择的实验室分析器处执行的多个所请求的测试中的每一个。由所述计算机服务器接收到的计算机可读数据包括所述多个实验室分析器的清单、要由所述实验室分析器***执行的所请求的测试的类型和数目、以及与所述实验室分析器***的操作和要执行的所请求的测试的类型和数目相关的偏好或优先级。
本公开的另外其他方面、特征和优势可以容易地从许多示例实施例和实现方式的以下描述和图示中变得明显，这些示例实施例和实现方式包括所想到的用于实施本发明的最佳模式。本公开还可能有其他和不同实施例的能力，并且其若干细节可以在各种方面得以修改，全部在不脱离本发明的范围的情况下。例如，本公开的一些实施例可以适用于其他产业，诸如例如航空业、人员调度和递送服务。本公开意在覆盖落在所附权利要求书（下面进一步看到）的范围内的所有修改、等同方案和可替换方案。
附图说明
下面描述的附图用于图示性目的，而不必按比例绘制。相应地，附图和描述应被视为本质上图示性而非限制性的。附图不意在以任何方式限制本发明的范围。
图1图示了根据一个或多个实施例的实验室分析器***的示意框图。
图2图示了根据一个或多个实施例的具有试剂传送带的实验室分析器的示意图。
图3图示了根据一个或多个实施例的基于优化的负载计划模块的输入数据的功能框图。
图4A-B图示了根据现有技术的针对实验室分析器***的示例负载计划。
图4C图示了根据一个或多个实施例的针对实验室分析器***的示例负载计划。
图5是根据一个或多个实施例的针对实验室分析器***的基于优化的负载计划的方法的流程图。
具体实施方式
与其中使用仅有限数目的实验室分析器的小规模诊断实验室相比，提高效率的机会随着具有重叠测试（例如，化验和/或临床化学）菜单的多个实验室分析器的使用而出现。特别地，存在未满足的下述需要：通过创建跨多个实验室分析器的所请求的测试（例如，化验和/或临床化学）的最优分配来改进大规模诊断实验室的操作效率。根据本公开实施例的灵活优化***和方法被配置成：优化这种跨大量实验室分析器的实验室测试分配，该大量实验室分析器也可以被称作仪器和/或机器（诸如，免疫化验仪器、临床化学分析器和体外分析器）。
优化***和方法的实施例可以有利地提供以下五个特征中的一个或多个：减少的周转时间（TAT）、负载平衡、高效的试剂使用率、更低的质量保证成本和/或改进的***鲁棒性。减少TAT可以提高吞吐量，从而保持在服务级协定的限度内并对时间敏感请求作出响应。提供跨每个实验室分析器的平衡负载可以改进总体TAT并减少过度的分析器磨损。可以将试剂添加到测试样本，以帮助确定、测量或识别测试样本的特性或状况（例如，测量血液样本中的葡萄糖或其他分析物的量）。试剂通常是与诊断实验室操作相关联的大成本。因此，优化试剂使用可以是一些实验室操作中的优先事项。而且，每个实验室分析器经历带来时间和成本两者的质量控制和校准过程。因此，针对最优效率而管理实验室分析器的使用导致更低质量保证成本和时间效率。并且确保整个实验室设置的鲁棒性提高下述可能性：即使在一个或多个实验室分析器离线的情况下（诸如，对于维护或修理），也可以完成所有所请求的测试。
优化***和方法将跨实验室分析器的测试分配的优化实现为混合整数线性规划（MILP），其可以适应于特定实验室的独特需要。例如，如果TAT是期望目的，则优化***和方法的一个或多个实施例可以被配置成相比于其他考虑而对TAT进行优先化排序。此外，优化***和方法可以被连续地利用以适配于实验室工作负载的改变的需求，诸如例如针对某些测试的请求中的猛增。
根据实施例的优化***和方法包括可适应于实验室的独特需要的可配置约束和目标函数。约束可以包括例如：实验室分析器的试剂传送带中的可用试剂包缝或楔形物的数目；初始试剂包容积；以及所配置的测试菜单。目标函数可以包括例如质量保证成本、测试分配冗余度、跨实验室分析器的工作负载平衡、以及样本必须作出以完成所要求的测试的对实验室分析器的访问的总数（例如，一些样本可能必须访问三个或更多个实验室分析器以完成它们所要求的测试，而其他样本可能必须访问仅一个实验室分析器以完成它们所要求的测试）。
根据实施例的优化***和方法可以被配置成：基于实验室的历史数据或当前工作负载来找到最优分配，基于要处理的样本的数目或时间来允许实验室分析器的操作窗口的选择；报告化验结果和由于不充足的试剂而不能被运行到完成的化验的数目；允许容易地添加可能的新约束到现有***，允许关于重要性次序、相对归一化权重或这两者的组合而对目标进行优先化排序；和/或仿真和观察所启用/禁用的约束和/或目标优先化排序对关键性能度量的影响。
在一些实施例中，优化***和方法可以提供下述扩展：该扩展可以报告针对每个化验的试剂包的所要求的数目，因此工作负载可以被运行到完成。优化***和方法可以另外或可替换地提供可在试剂将要耗尽时预测预期时间的扩展。
本文将参考图1-5来描述本发明优化***和方法的进一步细节。
图1图示了根据实施例的实验室分析器***100。实验室分析器***100可以自动处理大量生物样本。实验室分析器***100可以包括***控制器102、很多个实验室分析器（由实验室分析器104、106和108表示）、一个或多个自动化轨道110、计算机服务器112和用户接口120。实验室分析器***100可以包括其他部件、装备和设备（未示出），诸如例如各种传感器、条形码读取器、机器人机构、样本容器加载区域、预处理站（其可以包括例如自动化离心机和样本预筛装备）等等。
自动化轨道110可以被配置成：向实验室分析器中的每一个和从实验室分析器中的每一个以及向实验室分析器***100内的其他位置和从实验室分析器***100内的其他位置传输样本容器（未示出）。样本容器可以均被提供有可在其上包括标识信息的一个或多个标签，诸如时间戳、（一个或多个）所请求的测试、患者标识等。（一个或多个）标签可以包括例如条形码和/或具有在其上打印的字母数字信息。标识信息可以是在实验室分析器***100附近的各种位置处机器可读的。自动化轨道110可以是有轨轨道（例如，单轨或多轨）、传送带的合集、传送器链、可移动平台、或者任何其他合适类型的传送机构。自动化轨道110可以是圆形或其他合适形状，且可以是闭合轨道（例如，环道）。
***控制器102可以控制实验室分析器***100的操作，包括用于实施各种类型的测试的每个实验室分析器104、106和108的操作、样本容器向和从每个实验室分析器104、106和108以及遍及实验室分析器***100的其他地方的移动、以及各种其他***部件（未示出）的操作。***控制器102可以包括例如基于微处理器的中央处理单元或其他合适处理器、合适存储器、软件和/或固件、以及用于控制实验室分析器***100的操作的其他合适电子器件和硬件。
实验室分析器104、106和108被配置成：在生物样本（诸如例如血液、尿液、脑脊液等）上执行一种或多种类型的诊断测试和/或分析。在一些实施例中，实验室分析器***100可以具有100个或更多个实验室分析器，每一个表示任何清单消耗诊断学科，诸如例如化学、免疫化验、血液学或分子学。在一些实施例中，实验室分析器***100的许多实验室分析器可能能够执行相同测试菜单，而其他实验室分析器可能能够执行仅有限数目的菜单或仅某些个体测试。由实验室分析器***100的实验室分析器执行的测试中的一些可以包括例如葡萄糖、血红蛋白A1C、钠、钾、氯化物、二氧化碳、胆固醇、甘油三酯、凝血酶原时间、铁、脂肪酶、胆红素、钙、镁、肌酐、尿素氮、促甲状腺激素、甲肝和/或乙肝等等。其他测试可以由实验室分析器***100的实验室分析器执行。
如图2中所示，至少一些实验室分析器（诸如，实验室分析器204）包括试剂传送带205，试剂传送带205具有被配置成在其中接收试剂的多个试剂缝207或位置。试剂可以被添加到测试样本，以帮助确定、测量或识别测试样本的特性或状况（例如，测量血液样本中的铁、葡萄糖或其他成分的量）。试剂缝207可以被径向地布置在试剂传送带205的中心周围，使得机架或包括移液管的其他机器人（二者均未示出）可以经由试剂传送带205的旋转来接入位于试剂缝207中的试剂中的任一个。试剂缝207中的每一个可以接收相同试剂或不同试剂。试剂传送带205中的缝207的数目可以跨实验室分析器而不同。
返回到图1，用户接口120可以通信地耦合到***控制器102和计算机服务器112。用户接口120可以包括：用户输入设备（例如，键盘）122，用于将例如数据、针对状态的请求、操作和控制命令等录入到***控制器102和/或计算机服务器112。用户接口120还可以包括：显示设备124，被配置成显示从***控制器102和计算机服务器112接收到的状态、菜单、数据和/或消息。例如，用户接口120可以提供与实验室分析器104、106和108的操作状态有关的信息以及与在其处正在执行或要执行的测试的状态有关的信息。
在一些实施例中可以是基于云的计算机服务器112可以是任何合适计算机设备，且包括被配置成存储规划指令和其他信息/数据的存储器114（例如，RAM、ROM、其他或组合）。计算机服务器112还可以包括被配置成执行规划指令的处理器116（例如CPU、微处理器等等）。计算机服务器112可以进一步包括通信接口118，经由通信接口118，计算机服务器112可以耦合到***控制器102和用户接口120且与***控制器102和用户接口120电子通信。在一些实施例中，通信接口118可以实现与耦合在计算机服务器112与***控制器102和/或用户接口120之间的网络（未示出）的通信。网络可以包括例如因特网、局域网（LAN）、无线局域网（WLAN）、电力线通信（PLC）网络等等。通信接口118可以被配置成从用户接口120接收输入数据126。
计算机服务器112还可以包括下面更详细描述的基于优化的负载计划模块115。基于优化的负载计划模块115可以被存储在存储器114中且由处理器116执行。在可替换实施例中，基于优化的负载计划模块115可以被存储在其他非瞬变计算机可读储存介质中。基于优化的负载计划模块115包括计算机可执行指令，且可以被配置和可操作成接收和处理输入数据126以创建负载计划128。输入数据126包括计算机可读数据，该计算机可读数据至少表示实验室分析器***100中包括的多个实验室分析器（例如，实验室分析器104、106和108）的清单、要由实验室分析器***100执行的所请求的测试的类型和数目、以及与实验室分析器***100的操作和要执行的所请求的测试的类型和数目相关的偏好或优先级。
图3图示了根据一个或多个实施例的输入数据326，其是输入数据126的实施例且可以作为输入而被提供给基于优化的负载计划模块115。实验室分析器的清单数据（LA清单）可以指示例如可用实验室分析器的总数、每个实验室分析器能够执行的测试的类型、以及针对每个实验室分析器的试剂缝的数目。与实验室分析器有关的其他信息可以另外或可替换地被包括在清单数据中。所请求的测试可以包括针对对于上面列出的测试中的一个或多个而提供给实验室分析器***100的测试样本的请求。可以请求其他类型的测试，只要至少一个实验室分析器能够执行该类型的测试即可。偏好或优先级可以包括周转时间（TAT）、跨实验室分析器的负载平衡、实验室分析器处的试剂使用率或质量保证（QA）成本中的至少一个。如图3中所示，可以对这些偏好/优先级进行加权，其中被示出到特定偏好/优先级的右侧的箭头指示更大重要性，而被示出到特定偏好/优先级的左侧的箭头指示更小重要性。例如，在针对实验室分析器***100的特定负载计划的确定中，箭头325指示负载平衡具有更大重要性，而箭头327指示质量保证成本具有更小重要性。与实验室分析器***100的操作和/或要执行的所请求的测试有关的其他信息可以另外或可替换地被包括在输入数据326中。
负载计划128包括：计算机可执行指令，其可以由***控制器102执行，使得根据在输入数据中接收到的目标（偏好/优先级）来在实验室分析器***100中执行所请求的测试中的每一个。更特别地，负载计划128包括被配置成使***控制器102执行下述操作的计算机可执行指令：根据在输入数据中接收到的目标（偏好/优先级）来调度和引导要在实验室分析器***100的一个或多个所选择的实验室分析器（例如，实验室分析器104、106和/或108）处执行的所请求的测试中的每一个。负载计划128可以针对每个所选择的实验室分析器而指示要在其处执行的测试的所选择的一种或多种类型、要在其处执行的所请求的测试的数目、以及要执行该数目的所请求的测试的次序。
例如，负载计划128可以提供所有所请求的测试到至少所选择的次多个实验室分析器的分配，使得每个所选择的实验室分析器具有基本上相等数目的要执行的所请求的测试。也就是说，在一些实施例中，没有所选择的实验室分析器被分配，例如，具有最少数目的所分配的测试的所选择的实验室分析器的多于5% - 10%那么多的测试。
在另一示例中，负载计划128可以提供所有所请求的测试到至少所选择的次多个实验室分析器的分配，使得没有所选择的实验室分析器被给予要求首次完成所有其所分配的测试的所选择的实验室分析器的多于5% - 10%那么多的完成时间的多个测试要执行。
在再一示例中，负载计划128可以提供所有所请求的测试到至少所选择的次多个实验室分析器的分配，使得在所请求的时间框架（例如，24小时）内或到指定到期日和/或时间完成每个所请求的测试或者在输入数据126或326中识别的每个高优先级测试。
在又一示例中，负载计划128可以提供所有所请求的测试到至少所选择的次多个实验室分析器的分配，使得每个所选择的实验室分析器具有足够试剂以执行被分配给它的所有所请求的测试。
基于优化的负载计划模块115可以经由通信接口118来自动地使计算机服务器112将负载计划128传输到***控制器102。
负载计划128还可以或可替换地可以被查看，且在一些实施例中在用户接口120处被编辑，且然后由人类操作者传输到***控制器102。用户接口120被配置成促进人类操作者与基于优化的负载计划模块115之间的交互。特别地，输入设备122和显示设备124可以操作以显示包括图标、滚动条、框和/或按钮的菜单，通过该菜单，人类操作者可以与基于优化的负载计划模块115对接，以例如录入输入数据126或326，查看多种控制和状态显示屏，和/或查看、编辑和/或向***控制器102转发负载计划128。在一些实施例中，控制和状态显示屏可以显示并使得能够控制基于优化的负载计划模块115的一些或所有方面。
在一些实施例中，基于优化的负载计划模块115可以是使用混合整数线性规划来实现的。如上所描述，基于优化的负载计划模块115接收输入数据126或326。除上面描述的输入数据的类型外或对上面描述的输入数据的类型来说可替换地，输入数据126或326可以包括要由基于优化的负载计划模块115考虑的样本的时间窗口。给定要测试的样本的一天的工作负载，则基于优化的负载计划模块115可以包括仅落在时间窗口内的样本或仅直到某个数目的样本。在一些实施例中，基于优化的负载计划模块115的假设是：试剂缝207（图2）一旦被加载有试剂包就不在优化窗口期间被重新加载。因此，可在实验室分析器上运行的测试的最大数目可以取决于其中加载的初始试剂包的数目、它们的容积和由每个对应测试消耗的每单位容积。该信息可以被包括在输入数据126或326的清单数据中。基于优化的负载计划模块115可以被配置成基于实验室分析器中的可用试剂和以下五个用户选择的目标（其中每一个也可以由用户相对于其他目标而加权）中的一个或多个来创建所请求的测试的分配：减少的周转时间（TAT）、负载平衡、高效的试剂使用率、更低的质量保证成本和/或改进的***鲁棒性。
在一些实施例中，可以使用以下算法以实现基于优化的负载计划模块115（注意，可互换地使用术语“实验室分析器”、“仪器”和“机器”；并且可互换地使用术语“试剂缝”和“楔形物”）：
令
Figure 417111DEST_PATH_IMAGE002
标示二元决策变量，其指示测试
Figure 865409DEST_PATH_IMAGE004
到楔形物
Figure 412191DEST_PATH_IMAGE006
上的实验室分析器
Figure 72979DEST_PATH_IMAGE008
的分配，其中
Figure 152931DEST_PATH_IMAGE010
、
Figure 240972DEST_PATH_IMAGE012
和
Figure 773585DEST_PATH_IMAGE014
分别表示测试、机器和楔形物的集合。
Figure DEST_PATH_IMAGE015
标记法
Figure DEST_PATH_IMAGE017
被定义为对针对每个样本的所要求的测试进行编码的二元矩阵：
Figure 769223DEST_PATH_IMAGE018
其中
Figure 703681DEST_PATH_IMAGE020
，
Figure 962624DEST_PATH_IMAGE022
，并且
Figure 982532DEST_PATH_IMAGE024
是所有患者样本的集合。
给定样本数据
Figure 985123DEST_PATH_IMAGE026
，则最优加载计划对应于求解在装备和测试相关约束下对目标进行优化的混合整数规划：
最小化
Figure 774088DEST_PATH_IMAGE028
受制于
Figure DEST_PATH_IMAGE029
Figure DEST_PATH_IMAGE031
其中f和g分别是目标和约束的复合函数。下表1列出了所有相关变量以用于快速引用
变量名称 定义 类型
Figure DEST_PATH_IMAGE033
 如果仪器<i>i</i>具有在第<i>w</i>个楔形物（试剂容器）中加载的测试<i>j</i>，则为1 优化
Figure DEST_PATH_IMAGE035
 将在仪器<i>i</i>上处理的测试<i>j</i>的总数 优化
Figure DEST_PATH_IMAGE037
 指示由于未满足的容量而未完成的测试<i>j</i>的总数的松弛变量 优化
Figure DEST_PATH_IMAGE039
 如果仪器<i>i</i>可以用于覆盖由样本<i>a</i>请求的一个或多个测试，则为1 优化
Figure DEST_PATH_IMAGE041
 用于执行一个测试<i>j</i>的所消耗的试剂的体积（与仪器无关） 输入数据
Figure DEST_PATH_IMAGE043
 测试<i>j</i>的统一质量保证相关成本 输入数据
Figure DEST_PATH_IMAGE045
 在其上执行测试<i>j</i>的仪器的最小数目 输入数据
Figure DEST_PATH_IMAGE047
 测试<i>j</i>的指示在多个仪器上运行它的相对需要的冗余度因子 输入数据
Figure DEST_PATH_IMAGE049
 被放置在楔形物<i>w</i>上仪器<i>i</i>中的测试<i>j</i>的初始试剂包大小（容积） 输入数据
Figure DEST_PATH_IMAGE051
 如果样本<i>a</i>要求测试<i>j</i>，则为1 输入数据
表1：在优化过程中涉及的变量列表
优化目标
在一些实施例中，要优化的目标可以包括：质量保证（QA）成本、测试分配冗余度、跨仪器的工作负载平衡、以及样本必须作出以完成所要求的测试的仪器访问的总数。指示符函数可以被定义为
Figure 889418DEST_PATH_IMAGE052
。这里，
Figure 396623DEST_PATH_IMAGE054
指代所有非负整数的集合。对于任何矩阵
Figure DEST_PATH_IMAGE055
，如果
Figure DEST_PATH_IMAGE057
，则
Figure 734063DEST_PATH_IMAGE058
，并且否则，
Figure DEST_PATH_IMAGE059
。该指示符函数可以在识别在实验室分析器***中加载的测试时有用。例如，频繁使用的标记法
Figure DEST_PATH_IMAGE061
在仪器i中的所有楔形物上求和，且因而指示测试j是否存在于其上。以矩阵形式，在所有仪器和测试上，可以提供以下内容：
Figure 675737DEST_PATH_IMAGE062
。
下面更详细地给出优化目标的数学公式：
1）用于对质量保证（QA）成本进行最小化的目标函数：
Figure DEST_PATH_IMAGE063
其中
Figure DEST_PATH_IMAGE065
是QA材料成本、试剂成本和与停机时间相关联的成本的统一成本。对于每个实验室分析器，随着实验室分析器加载更多不同类型的测试，QA成本升高。
2）用于对未满足的容量成本进行最小化的目标函数：考虑到工作负载和资源的量（诸如，所加载的试剂体积）可能不足以处理所有样本，将化验j的未完成的测试的数目标示为
Figure DEST_PATH_IMAGE067
，并且将未满足的容量成本声明如下：
Figure 807641DEST_PATH_IMAGE068
该目标的最优性条件是
Figure 598879DEST_PATH_IMAGE070
，这意味着可以在给定资源内处理所有测试。
3）用于对测试分配冗余度进行最大化的目标函数：考虑其中优选地针对鲁棒性而在若干机器上执行一个或多个特定测试的场景，并且假定例如在输入数据内提供冗余度因子
Figure 943273DEST_PATH_IMAGE072
。那么，目标函数测量由测试分配实现的总冗余度：
Figure DEST_PATH_IMAGE073
这里，
Figure DEST_PATH_IMAGE075
是加载测试j的仪器的数目。对该目标进行最大化将激励具有要被分配给多于一个仪器的大冗余度因子的测试。
4）用于针对工作负载平衡进行最小化的目标函数：需要样本和测试跨实验室分析器的平衡分布，以实现最优TAT并减少过渡磨损。两个策略被识别以实现该任务，由于每一个具有其自身的优点。基于优化的负载计划模块115允许这两个方案的组合。实现负载平衡时的第一策略力求化验（测试）的总量跨将在其上执行该化验的仪器的均等分布。为了这样做，惩罚实验室分析器i上的测试j的所分配的数目
Figure DEST_PATH_IMAGE077
从标称值的偏差。该标称值针对每个测试而被选择为以下平均值：
Figure 503567DEST_PATH_IMAGE078
其中
Figure 806373DEST_PATH_IMAGE080
是使测试j被分配的仪器的数目。然而，该标称值的计算要求
Figure 22590DEST_PATH_IMAGE080
的知识，其可以仅是通过求解另一优化问题来获得的。为了理清该依赖性，使用替代物
Figure 686788DEST_PATH_IMAGE082
，其被定义为使测试j在其测试菜单上启用的仪器的数目。由于
Figure 304851DEST_PATH_IMAGE084
，因此我们获得标称值的下界
Figure 512979DEST_PATH_IMAGE086
，使得
Figure 216492DEST_PATH_IMAGE088
。
该目标函数然后可以被编写如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE089
。
实现负载平衡时的第二方案力求要在每个实验室分析器上执行的测试的总数的均等分布，而不论测试类型如何。类似于第一策略，力图对从标称值的偏差进行最小化。在该情况下，标称值被定义如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE091
。
然而，由于
Figure 433847DEST_PATH_IMAGE077
是优化变量，并且因此标称值不是预先已知的。取而代之，使用替代物：
Figure DEST_PATH_IMAGE093
。
该替代物是上界，使得
Figure DEST_PATH_IMAGE095
，这是由于不是所有测试都可能在可用试剂体积内完成。那么，目标函数是：
Figure 437575DEST_PATH_IMAGE096
。
然后，总体负载平衡目标可以被编写如下：
Figure 816604DEST_PATH_IMAGE098
其中
Figure 7414DEST_PATH_IMAGE100
和
Figure 762880DEST_PATH_IMAGE102
是对每个平衡策略的相对贡献进行调整的非负权重。
不同于先前的目标函数，负载平衡成本函数是二次的。将这种目标包括到公式显著地增加了计算负担，这是由于问题变为混合整数二次规划的实例。这是通过下述操作来解决的：通过使用针对
Figure 824377DEST_PATH_IMAGE104
和
Figure 374307DEST_PATH_IMAGE106
两者的整数非负松弛变量来对从标称值的线性偏差进行测量和最小化。在对
Figure DEST_PATH_IMAGE107
进行线性化时，
Figure DEST_PATH_IMAGE109
和
Figure DEST_PATH_IMAGE111
被用作与仪器i上的测试j的过度和丢失负载相对应的松弛变量：
最小化
Figure DEST_PATH_IMAGE113
受制于
Figure DEST_PATH_IMAGE115
Figure DEST_PATH_IMAGE117
。
Figure 147353DEST_PATH_IMAGE106
的线性化遵循具有松弛变量的引入的非常类似的方案，且为了简要而被省去。
5）用于对要由样本作出的总实验室分析器访问进行最小化的目标函数：每个样本一般要求多次实验室分析器访问。这是由于相同类型的实验室分析器上的化验菜单差异或访问不同类型的实验室分析器的需要所致。样本的每次这种实验室分析器访问影响样本的TAT，连同总体TAT。该现象可以是通过对要求样本作出的总停止的数目进行计数来计及的：
Figure 440932DEST_PATH_IMAGE118
其中
Figure 888093DEST_PATH_IMAGE120
是指示样本“a”是否将要求仪器i的二元变量：
Figure DEST_PATH_IMAGE121
。
对该目标进行最小化将激励样本“a”以请求尽可能少的仪器，且因而减少它所作出的停止的数目，从而直接优化TAT。
优化约束
现在描述优化约束的数学公式。优化约束与影响实验室的吞吐量的因素密切相关：实验室分析器中的可用试剂缝（楔形物）的数目、初始试剂包容积和所配置的测试菜单。可行解应当满足所有这些约束。现在详述每个优化约束的公式。
1）试剂缝不能被分配有多于一个化验：
Figure DEST_PATH_IMAGE123
Figure DEST_PATH_IMAGE125
。
注意，在每个实验室分析器具有不同数目的试剂缝的情况下，公式可以被琐细地修改成定义针对每个实验室分析器（仪器）i的试剂缝（楔形物）
Figure DEST_PATH_IMAGE127
的集合。
2）要加载的试剂包的数目不能大于实验室分析器中的试剂缝的数目：
Figure 405662DEST_PATH_IMAGE128
Figure 571065DEST_PATH_IMAGE130
。
3）必须覆盖所有类型的所请求的测试：该约束确保对于每个所请求的测试，存在至少一个实验室分析器以执行它：
Figure DEST_PATH_IMAGE131
Figure DEST_PATH_IMAGE133
。
该约束引起
Figure 933913DEST_PATH_IMAGE134
个不等式。为了简明，这里滥用标记法I以指代通用逐元素指示符函数。给定固定测试类型j，则
Figure DEST_PATH_IMAGE135
是指示测试j是否被样本排序的二元变量。该约束的右手侧
Figure DEST_PATH_IMAGE137
指示是否存在使测试j被分配的仪器。该约束中使用的不等式指示对于每个所要求的测试j，存在至少一个实验室分析器以执行它。
4）应当完成所有所请求的测试：该约束与上面在优化目标章节中定义的第二目标函数
Figure DEST_PATH_IMAGE139
直接相关，并确保尽可能多地完成测试。通过使用针对每个测试j的松弛变量
Figure 796433DEST_PATH_IMAGE067
来计及由于容量或时间框架问题而未完成的样本的可能性。约束然后变为：
Figure DEST_PATH_IMAGE141
Figure DEST_PATH_IMAGE143
其中
Figure 953745DEST_PATH_IMAGE144
Figure DEST_PATH_IMAGE145
Figure 872022DEST_PATH_IMAGE146
。
5）如果测试j未被启用（或不存在于测试菜单中），则不允许实验室分析器（仪器）i运行该测试：该约束实际上包括两个场景。第一，测试j被包括在实验室分析器i的工厂***菜单中，但未被开启，然后该实验室分析器的试剂缝不应当被分配有测试j。第二，测试j不存在于实验室分析器的工厂***菜单中。这是当测试j落在与实验室分析器不同的类别中时的情况。例如，不能在免疫化验分析器上执行化学测试。在该约束中考虑全部两个场景：
Figure DEST_PATH_IMAGE147
。
6）所执行的测试的试剂体积应当小于实验室分析器的试剂缝中存储的总体积，
Figure DEST_PATH_IMAGE149
Figure DEST_PATH_IMAGE151
其中
Figure DEST_PATH_IMAGE153
是针对试剂缝（楔形物）w上的测试j的实验室分析器（仪器）i中的容器大小（容积）。由于不考虑在优化窗口期间对试剂的重新加载，因此可在仪器上运行的测试的最大数目将取决于试剂包的初始容积。
7）冗余度约束：该约束通过显式地强制运行测试j的实验室分析器的最小数目
Figure DEST_PATH_IMAGE155
，来补充对上面在优化目标章节中描述的总冗余度因子进行最大化的目标函数：
Figure DEST_PATH_IMAGE157
Figure DEST_PATH_IMAGE159
。
表达式
Figure 867923DEST_PATH_IMAGE160
指示仪器i是否在其楔形物中的任一个中被分配有测试j。
Figure 24097DEST_PATH_IMAGE162
针对使测试j被分配的实验室分析器的总数进行计数。
8）与停止相关的约束的数目：在对如在目标中给出的所有样本所作出的总停止的数目进行最小化时，要求是存在至少一个机器集合以执行所请求的测试。由样本a请求的测试的集合由
Figure 86731DEST_PATH_IMAGE164
标示，并且使测试j被分配的仪器的集合由
Figure DEST_PATH_IMAGE165
标示。然后，覆盖约束可以被编写如下：
Figure 226726DEST_PATH_IMAGE166
Figure DEST_PATH_IMAGE167
。
这里注意，术语
Figure DEST_PATH_IMAGE169
是均与优化变量
Figure DEST_PATH_IMAGE171
相联系的两个指示符变量
Figure 196956DEST_PATH_IMAGE172
和
Figure 738795DEST_PATH_IMAGE174
的非线性组合（乘法）。该非线性施加了附加计算复杂度，并且为了缓和这一点，通过引入附加二元松弛变量
Figure 237910DEST_PATH_IMAGE176
并将原始约束变换成以下内容来使该组合松弛：
Figure 599621DEST_PATH_IMAGE178
Figure 576804DEST_PATH_IMAGE180
受制于
Figure 441992DEST_PATH_IMAGE182
Figure 810876DEST_PATH_IMAGE184
Figure DEST_PATH_IMAGE185
。
优化策略
如上所描述，可以关于实验室分析器***的需要来配置目标和约束。例如，可以基于历史数据或操作考虑来使化验的冗余度因子或要在分配化验时使用的实验室分析器的最小数目适应于实验室。类似地，可以基于具体需要来对目标进行优先化排序，这是由于一般地，目标中的每一个不能被同时优化到它们个体最佳值中的每一个，因为它们可能是抵触的。在这种情况下，例如，不可能找到其中由于QA成本所致的目标被最小化的解，而分配冗余度目标被最大化。多目标的优化中的最优性的构思可以由被称为帕累托（Pareto）最优性的内容表征。
给定k个目标函数
Figure DEST_PATH_IMAGE187
，则当且仅当不存在其他解x使得
Figure DEST_PATH_IMAGE189
Figure DEST_PATH_IMAGE191
时，解
Figure DEST_PATH_IMAGE193
是帕累托最优的。
在帕累托最优分配中，不能在不带来来自（一个或多个）其他目标的一个或多个附加损耗的情况下改进一个或多个特定目标。这是优化可以在多目标的问题中做到最好的内容。例如，这可能对应于下述分配：其中，不能在不使针对QA成本的目标函数降级的情况下减小工作负载平衡目标。在该化验分配问题中，从帕累托最优解的该集合返回分配是有兴趣的。
使用两个方案以达到帕累托最优解：字典序和加权和。当存在目标的具体重要性次序时，字典序解方法是有用的。字典序方案可以是通过下述操作来应用的：在如上面在优化约束章节中描述的可能解的集合上，利用按重要性的次序的目标与要求一起顺序地求解优化问题。给定经排序的目标的集合，则字典序方案继续如下：
1）构造包括与要求相关联的变量和约束的优化问题；
2）对 i= 1、……、k循环
3）最小化
Figure DEST_PATH_IMAGE195
；
4）
Figure 610948DEST_PATH_IMAGE193
←最优解；
5）如果 i < k ，那么
6）添加常量
Figure DEST_PATH_IMAGE197
；
7）返回
Figure 391822DEST_PATH_IMAGE193
；
寻找帕累托最优解时的第二方法是加权和方案。给定与每个目标相对应的权重
Figure 642675DEST_PATH_IMAGE198
，则利用单个目标函数求解优化问题如下：
最小化
Figure 218013DEST_PATH_IMAGE200
。
一般地，针对许多诊断实验室的最切实可行的选项将是使用字典序和加权和方案的组合，这是由于目标的严格排序可能不必然存在。在这种情况下，一些目标可以具有相同字典次序，且因而与关联的权重一起被优化。基于优化的负载计划模块115可以采用所有这些优化方案。
图4A和4B图示了可传统地创建的负载计划400A和400B的示例，而图4C图示了根据一个或多个实施例的可由基于优化的负载计划模块115创建的负载计划400C的示例。负载计划400A、400B和400C中的每一个基于针对供应下述九种类型的免疫化验测试的菜单的实验室分析器***的目标和约束的相同集合：A、B、C、D、E、F、G、H和I，其中测试A和G频繁地被一起请求。实验室分析器***具有三个实验室分析器404、406和408，每一个具有六个试剂缝407（在图4A-C中的每一个中对仅一个加标签）。试剂缝407中的每一个可以被加载有要针对九种类型的测试之一而使用的特定试剂包。目标是负载平衡、试剂使用率、质量保证成本和***鲁棒性（例如，足以克服实验室分析器故障的冗余度）。
如图4A中所示，传统负载计划400A可以使九个测试跨三个实验室分析器404、406和408均匀分布，使得每一个执行三个测试的不同集合：实验室分析器404执行测试A、B和C；实验室分析器406执行测试D、E和F；并且实验室分析器408执行测试G、H和I。然而，如果实验室分析器404、406和/或408中的任一个发生故障，则可能发生问题。被分配给故障实验室分析器的测试不能在其他两个操作的实验室分析器中的任一个处执行，这是由于负载计划400A不具有冗余度。此外，要求测试A和G的任何样本必须访问全部两个实验室分析器404和408，这可能使***吞吐量和周转时间（TAT）降级。
图4B示出了传统负载计划400B，其基于冗余度。实验室分析器404、406和408中的每一个执行六个测试的不同组合：实验室分析器404执行测试A、B、C、D、E和F；实验室分析器406执行测试D、E、F、G、H和I；并且实验室分析器408执行测试G、H、I、A、B和C。然而，负载计划400B导致：试剂成本翻倍，这是由于每个测试在两个实验室分析器中执行；以及两倍的质量保证成本，这是由于每个实验室分析器（执行六种类型的测试）要求负载计划400A两倍多的校准和质量控制（其中每个实验室分析器执行仅三种类型的测试）。
图4C示出了根据实施例的由基于优化的负载计划模块115创建的负载计划400C。负载计划400C使测试跨实验室分析器404、406和408而分布，使得每个分析器执行仅五个或四个测试，从而实现负载平衡并降低质量保证成本。也就是说，实验室分析器404执行测试A、B、C、G和H；实验室分析器406执行测试D、E、F和G；并且实验室分析器408执行测试D、A、I和G。此外，通常一起请求的测试A和G两者都在三个实验室分析器中的两个（实验室分析器404和408）处执行，从而减少每样本对实验室分析器的访问的数目，这进而可以提高吞吐量和/或增加周转时间。由于分析器故障所致的停机时间暴露也被减少，这是因为九种类型的测试中的三种（A、D和G）在三个实验室分析器中的至少两个中执行。并且负载计划400C导致更低的试剂成本，这是由于不是所有缝407都被使用（且被加载有试剂包）。
图5图示了根据本公开一个或多个实施例的针对实验室分析器***的基于优化的负载计划的方法500的流程图。方法500可以由合适的计算机服务器（诸如例如，计算机服务器112）、合适的***控制器（诸如例如，***控制器102）或其他合适计算机设备实施。方法500可以包括：在过程框502处，在计算机服务器处接收计算机可读数据，包括实验室分析器***中包括的多个实验室分析器的清单、要由实验室分析器***执行的所请求的测试的类型和数目、以及与实验室分析器***的操作和要执行的所请求的测试的类型和数目相关的偏好或优先级。例如，计算机可读数据可以表示图1的输入数据126或图3的输入数据326。
方法500还可以包括：在过程框504中，经由在计算机服务器上执行的基于优化的负载计划模块，来确定用于在实验室分析器***中执行所请求的测试中的每一个的负载计划。负载计划可以包括被配置成使实验室分析器***的***控制器执行下述操作的计算机可执行指令：根据偏好或优先级中的一个或多个，来调度和引导要在实验室分析器***的一个或多个所选择的实验室分析器处执行的所请求的测试中的每一个。在一些实施例中，基于优化的负载计划模块可以是基于优化的负载计划模块115，负载计划可以是负载计划128，***控制器可以是***控制器102，实验室分析器可以是实验室分析器104、106和108，和/或实验室分析器***可以是实验室分析器***100，全部是图1的。
在一些实施例中，负载计划可以包括下述计算机可执行指令：其指示所有所请求的测试到至少一些所选择的实验室分析器的分配，使得每个所选择的实验室分析器具有基本上相等数目的要执行的所请求的测试。在其他实施例中，负载计划可以包括下述计算机可执行指令：其指示所有所请求的测试到至少一些所选择的实验室分析器的分配，使得每个所选择的实验室分析器具有足够试剂以执行被分配给它的所有所请求的测试。
在一个或多个实施例中，方法500可以进一步包括：将负载计划从计算机服务器传输到实验室分析器***的***控制器，其中负载计划由***控制器执行，以根据偏好或优先级中的一个或多个，来调度和引导要在实验室分析器***的一个或多个所选择的实验室分析器处执行的所请求的测试中的每一个。
尽管本公开易受各种修改和可替换形式影响，但已经在附图中作为示例而示出且在本文中详细描述具体方法和***实施例。然而，应当理解，本文公开的特定方法和***不意在限制本公开，而是相反，意在覆盖落在权利要求书的范围内的所有修改、等同方案和可替换方案。

Claims (20)

1.一种针对实验室分析器***的基于优化的负载计划的方法，包括：
在计算机服务器处接收计算机可读数据，包括所述实验室分析器***中包括的多个实验室分析器的清单、要由所述实验室分析器***执行的所请求的测试的类型和数目、以及与所述实验室分析器***的操作和要执行的所请求的测试的类型和数目相关的偏好或优先级；以及
经由在所述计算机服务器上执行的基于优化的负载计划模块，来确定用于在所述实验室分析器***中执行所请求的测试中的每一个的负载计划，所述负载计划包括被配置成使所述实验室分析器***的***控制器执行下述操作的计算机可执行指令：根据所述偏好或优先级中的一个或多个，来调度和引导要在所述实验室分析器***的一个或多个所选择的实验室分析器处执行的所请求的测试中的每一个。
2.如权利要求1所述的方法，进一步包括：将所述负载计划传输到所述实验室分析器***的***控制器。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述多个实验室分析器的清单指示实验室分析器的数目、每个实验室分析器能够执行的测试的类型、以及针对每个实验室分析器的试剂缝的数目。
4.如权利要求1所述的方法，其中要执行的所请求的测试的类型包括葡萄糖、胆固醇、铁、脂肪酶、胆红素、钙、镁或肌酐中的至少一个。
5.如权利要求1所述的方法，其中所述偏好或优先级包括周转时间、跨所述实验室分析器的负载平衡、所述实验室分析器处的试剂使用率或质量保证成本中的至少一个。
6.如权利要求1所述的方法，其中包括计算机可执行指令的所述负载计划针对至少一些所选择的实验室分析器而指示要在其处执行的测试的所选择的一种或多种类型、要在其处执行的所请求的测试的数目、以及要执行该数目的所请求的测试的次序。
7.如权利要求1所述的方法，其中包括计算机可执行指令的所述负载计划指示所有所请求的测试到至少一些所选择的实验室分析器的分配，使得每个所选择的实验室分析器具有基本上相等数目的要执行的所请求的测试。
8.如权利要求1所述的方法，其中包括计算机可执行指令的所述负载计划指示所有所请求的测试到至少一些所选择的实验室分析器的分配，使得每个所选择的实验室分析器具有足够试剂以执行被分配给它的所有所请求的测试。
9.一种非瞬变计算机可读储存介质，包括具有计算机可执行指令的基于优化的负载计划模块，所述计算机可执行指令被配置成使计算机服务器执行下述操作：
确定针对包括多个实验室分析器和***控制器的实验室分析器***的负载计划，所述负载计划包括被配置成使所述***控制器执行下述操作的计算机可执行指令：基于由所述计算机服务器接收到的计算机可读数据，来调度和引导要在所述实验室分析器***的一个或多个所选择的实验室分析器处执行的多个所请求的测试中的每一个，所述计算机可读数据包括所述多个实验室分析器的清单、要由所述实验室分析器***执行的所请求的测试的类型和数目、以及与所述实验室分析器***的操作和要执行的所请求的测试的类型和数目相关的偏好或优先级。
10.如权利要求9所述的非瞬变计算机可读储存介质，其中所述负载计划模块的计算机可执行指令进一步被配置成使所述计算机服务器将所述负载计划传输到所述***控制器。
11.如权利要求9所述的非瞬变计算机可读储存介质，其中所述多个实验室分析器的清单指示实验室分析器的数目、每个实验室分析器能够执行的测试的类型、以及针对每个实验室分析器的试剂缝的数目。
12.如权利要求9所述的非瞬变计算机可读储存介质，其中所述负载计划指示所有所请求的测试到至少一些所选择的实验室分析器的分配，使得每个所选择的实验室分析器具有基本上相等数目的要执行的所请求的测试。
13.如权利要求9所述的非瞬变计算机可读储存介质，其中所述负载计划指示所有所请求的测试到至少一些所选择的实验室分析器的分配，使得每个所选择的实验室分析器具有足够试剂以执行被分配给它的所有所请求的测试。
14.如权利要求9所述的非瞬变计算机可读储存介质，其中具有计算机可执行指令的基于优化的负载计划模块包括混合整数线性规划。
15.一种实验室分析器***，包括：
***控制器；
多个实验室分析器，由所述***控制器控制，且经由用于向所述多个实验室分析器和从所述多个实验室分析器传输样本容器的一个或多个自动化轨道而彼此连接，所述多个实验室分析器中的每一个被配置成在所述样本容器中包含的一个或多个样本上执行一个或多个测试；以及
耦合到所述***控制器的计算机服务器，所述计算机服务器包括：基于优化的负载计划模块，具有被配置成使所述计算机服务器确定针对所述实验室分析器***的负载计划的计算机可执行指令，其中所述负载计划包括被配置成使所述***控制器执行下述操作的计算机可执行指令：基于由所述计算机服务器接收到的计算机可读数据，来调度和引导要在所述实验室分析器***的一个或多个所选择的实验室分析器处执行的多个所请求的测试中的每一个，所述计算机可读数据包括所述多个实验室分析器的清单、要由所述实验室分析器***执行的所请求的测试的类型和数目、以及与所述实验室分析器***的操作和要执行的所请求的测试的类型和数目相关的偏好或优先级。
16.如权利要求15所述的实验室分析器***，其中所述实验室分析器中的至少一些具有试剂传送带。
17.如权利要求15所述的实验室分析器***，其中所述多个实验室分析器的清单指示实验室分析器的数目、每个实验室分析器能够执行的测试的类型、以及针对每个实验室分析器的试剂缝的数目。
18.如权利要求15所述的实验室分析器***，其中所述偏好或优先级包括周转时间、跨所述多个实验室分析器的负载平衡、所述实验室分析器处的试剂使用率或质量保证成本中的至少一个。
19.如权利要求15所述的实验室分析器***，其中所述负载计划指示所有所请求的测试到至少一些所选择的实验室分析器的分配，使得每个所选择的实验室分析器具有基本上相等数目的要执行的所请求的测试。
20.如权利要求15所述的实验室分析器***，其中所述负载计划指示所有所请求的测试到至少一些所选择的实验室分析器的分配，使得每个所选择的实验室分析器具有足够试剂以执行被分配给它的所有所请求的测试。
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