脚踏实地探索制药行业“智能化”方向

上海医药工业研究院 汤继亮

脚踏实地探索制药行业“智能化”方向

上海医药工业研究院 汤继亮

汤继亮（1946-）

上海医药工业研究院研究员，从事医药自动化和信息化工程设计与研究。原国家医药管理局电子技术改造医药传统产业专家组专家、北京大学国际药物工程管理硕士项目客座教授、华东理工大学GMP研究生班客座教授、上海市政府采购评审专家、注册全国自动化系统工程师（ASE）、注册国家设备监理师、注册上海市工程设备监理工程师、中国医药设备工程协会专家委员会专家、中国仪器仪表学会医药测控技术专家组专家。上海制药行业协会信息化专业委员会特聘专家、上海市化工学会化工自动化专业委员会、计算机化工应用专业委员会委员、《化工与医药工程》、《仪器仪表用户》编委会委员。

自从德国提出“工业4.0”概念，我国政府也在2015年5月8日发布的《中国制造2025》战略规划中首次强调把“智能制造”作为我国制造业发展的主攻方向，所谓“智能”、“智能化”以及“智能制造”、“智能工厂”的概念几乎风靡我国各个行业，但是其实我们中的大部分人并没有真正明白这些概念的真正含义。

随着全球性金融危机的爆发，目前无论是工业基础比较发达的西方国家还是发展中的新兴经济体，纷纷都在制定以重振制造业为核心的再工业化战略，发达国家高端制造回流、重塑制造业优势，抢占制造业新一轮竞争制高点；发展中国家却以低成本优势，争夺中低端制造转移。中国的制造业在自身存在许多不利的条件下，面临‘双向挤压’的严峻挑战，因而发展智能制造，提升制造业竞争力刻不容缓。

正因如此，尽管我国制药行业作为典型的传统产业，与其它行业相比，现在无论在自动化、信息化基础水平还是认识观念水平上都存在一定的差距，提出“智能化”的要求确是有些比较超前，但是我国制药行业作为制造业的一部分，依然必须面对形势发展与国家发展战略的要求。

本文“立足当前，着眼长远”，结合行业的特点与实际情况，脚踏实地探索制药行业的“智能化”方向，认真思索相关问题。

1 医药行业“智能制造”涉及的范畴

目前我国“医药行业”本身涉及的范围较广，主要包括制药、制药装备、医药研发、医药物流、医疗器械、医药流通与医药商务等。但从制造行业角度来说，主要包括：制药业、制药装备制造业、医疗器械制造业以及与制造流程和装备有关的其它方面（如医药物流）。

从《中国制造2025》对“智能制造”内容要求出发，医药行业“智能制造”应该包括装备的智能化与制造过程的智能化。也就是说会主要涉及到：制药（制药生产过程智能化）、制药装备（制药装备本身及其制造过程的智能化）和医疗器械（医疗器械本身及其制造过程的智能化）。值得一提的是，《中国制造2025》规划已经把“生物医药及高性能医疗器械”列为十大重点突破领域。

从现在对“智能制造”的内容定义与制造业务流程定义来看：制药行业的所谓“智能制造”范围也会与其它行业一样，会涉及到产品的设计、制造、管理到服务的整个生命周期；会涉及与产品整个生命周期有关的整个供应链和产业链的管理过程与内容。

从“智能制造”的技术内容来看，制药行业的“智能制造”会涉及通用的和行业特殊性的有关“智能技术”、“智能装置”和“智能系统”问题。如：“智能制造”通用的机器人、3D打印、ERP/MES/PCS在内的IACS综合控制系统、物联网、工业大数据与云计算等技术的应用等；如制药行业的药物有效成分与质量的在线PAT过程分析技术、药品原辅料、中间品和成品的RFID射频识别与追踪技术、基于物联网的药品全生命周期质量监控系统等等。

对于有关医药行业“智能制造”的未来发展，国家工信部正在根据国家《中国制造2025》等有关政策的精神，积极组织制订《医药工业十三五规划》，本人也已应邀为其中有关“智能制造”部分的内容提供有关参考意见，目前规划内容还在完善之中。

2 制药生产智能工厂探索需脚踏实地

虽然“智能”或“智能化”并不是全新的概念，但是希望真正落实成型也是近两年的事。即便是德国的“工业4.0”也是在2013汉诺威工业博览会上才正式推出，也刚刚正式起步不久；目前比较常见的智能制造或智能工厂的形态大部分还是出现在离散加工与装配行业与过程。随着智能制造的推进与发展，在不同的行业与不同的制造过程中将会有不完全相同的形态。虽然目前制药行业有些企业已经开始在做智能化工厂的规划和探索工作，但是到目前为止，至少我个人还没有看到真正称得上所谓“智能工厂”的制药企业，因为我个人认为，将来的所谓“智能化”工厂必须具有以下两个特点：

（1）必须符合所谓“智能”或“智能化”的四个特征：即它的装备与制造过程必须具备充分的自动化感知能力、记忆与分析能力、自学习与自决策能力以及自适应与自执行能力，否则谈不上真正的所谓“智能化”。

（2）要实现制药行业具备上述能力的所谓的“智能工厂”，其首先必须从下：提升制药生产底层制药装备和制药过程的自动化、数字化与网络化的水平，建立所谓的信息物理系统CPS的智能化基础。其次是必须从上：充分采用新一代的信息化技术（主要包括工业互联网技术、物联网技术、工业大数据技术、云计算技术等），建立以这些技术为基础的数据中心和支撑服务平台。

只有在上、下两个层面上真正具备上述的智能化基础，才有可能建立“智能制造”所需要的信息深度感知、智能优化与自决策、精准控制和自执行等先进的制造系统与过程，实现产品贯穿设计、制造、流通、服务等全生命周期的智能化制造与管理，达到“智能工厂”所具有的柔性化、个性化和精益制造的智能化能力。

虽然目前已经可以看到不少有关从概念上描绘的所谓“智能工厂”框图，但我个人认为在没有真正落实以上两个基础形态之前，一切也都仅是概念而已，何况制药行业在新的“智能制造”与“制造工厂”模式下，与其它行业相比，还有许多特殊问题有待解决和落实。

当然，根据目前我国制药企业自动化与信息化的水平与现状，实现制药行业真正意义的“智能制造”和“智能工厂”必然会有一个探索、循序渐进和不断完善的过程，不同制药装备、不同药品生产工厂也必然会有不完全相同的“智能化”内容与形态，一切都有待踏踏实实地探索与完善，过早地打上实现“智能制造”和“智能工厂”的标签未必科学务实。

3 制药行业智能工厂需求特点

制药行业作为一个特殊的传统产业、它将来的智能化工厂的内容和形态肯定会有很多独特的地方，但是与其他行业相比，其最大特殊点就是制药行业是一个特别讲究质量、规范和验证的行业。为了确保药品从研发、临床、配送、经营直到使用等整个生命周期各个方面的质量，国内外的药监机构或有关医药组织从合规性要求出发，制订了包括GLP、GAP（对中药材）、GCP 、GMP、GDP、GSP和GUP等在内的一整套严格的质量管理规范（通称为GxP），这些规范的本质与目的是对药品的整个生命周期各个方面的质量因素进行严格的、可追溯的严密监控。这其中也包括了所有与药品质量密切相关的自动化、信息化设备、系统与工程都必须符合制药行业有关计算机化系统的验证CSV的要求。

毫无疑义，制药行业未来的智能工厂从生产设备形式、生产控制、管理和运行模式以及企业管理的模式与系统结构都会发生极大的变化。但是无论有多大变化，新的智能化工厂所有生产和管理过程，无论是硬件、还是软件以及所有与药品质量密切相关的环节都必须满足相关的GxP要求。同时，在新的智能制造与智能工厂的模式下，建立在原来传统生产模式基础上的有关的GxP规范可能也会做必要的合理调整的需求，因为合规性也必须为推动技术进步服务。

4 我国制药生产过程智能化发展现状

制药工业在我国是一个传统的产业。由于行业的特殊性，相对于其他行业来说，长期以来总体上存在着“一小”（企业规模小）、“二多”（企业数量多、产品数量多）和“三低”（产品技术水平低、新药研发力量低、管理水平低）的现象，这就使制药行业在生产、经营和管理等方面的自动化与信息化水平都处在相对比较落后的状态。

（1）在自动化方面

制药行业中的原料药生产，虽然可以看到一些自动化控制系统的应用，但这些应用大部分还局限在原料药生产的某些局部单元和辅助系统上（如抗生素发酵；中药提取、浓缩和分离；化学制药的反应、提取和分离；在线消毒和清洗；锅炉等），连自动化批控制的目标都基本没有达到。

制药行业中的制剂生产，大部分是采用高度机电一体化的单机组或多机组流水线的生产形式。虽然这些机组设备中，相当一部分也应用了不少先进的自动化技术和手段（包括各种光、机、电、磁、气等传感技术，测试技术、传动技术、运动技术、分析技术，PLC、PAC、单片机、嵌入式技术、总线技术等）。但它们的自动化问题大多数还是由国内外设备供应商来完成的。它们自动化设计往往仅仅考虑设备内部的自动化需求，对外大部分是封闭的，往往既无法提供必要的重要质量参数和工艺条件参数的数据输出，更无法提供外部系统对设备进行统一协调和优化控制的指令输入条件；有些设备甚至还不具备完整的网络和数据通讯功能。生产过程中的原辅料、中间品、半成品到最后成品的物流转运和投放大多还是人工的，整个制剂生产过程都是断离的。整个生产过程存在许多信息化孤岛。

虽然目前也有一些企业在设备供应商的配合下，开始对一些局部设备单元的通讯和数据采集以及局部批过程的控制进行探索，但因为是局部的，并没有和整个企业的信息化管理密切结合。也有一些企业采用进口的软件平台，在探索建立制药生产的MES系统，但受到现有制药设备封闭性的限制，实际上也只实现了少量的数据采集、条码或RFID对物料的管控与追踪、电子记录和车间级的生产管理，并未能真正实现制剂生产过程的自动化批控制和真正意义上的“制造执行系统”（MES）。

（2）在信息化方面

虽然目前我国大多数制药企业在信息化基础建设和应用方面都有一定的进步，而且大多数骨干制药企业也都建立了自己的企业资源管理（ERP）系统、财务及成本管理（FCM）、供应链管理（SCM）系统、客户关系管理（CRM）和办公室自动化（OA）系统，但是实际上全行业的信息化建设和应用水平参差不齐，信息化建设和应用方面存在着如下明显的薄弱环节：

① 虽然很多制药企业在企业管理方面有了一定范围的应用，但这些应用大部分还局限在传统的企业上层的财务管理、供销存管理、生产计划管理、客户和商务管理以及办公自动化等的水平和模式；

② 信息化并没有真正深度融合到产品（药品和设备）优化设计、产品（药品和设备）生产加工过程的控制和管理、产品质量的控制和管理、设备和能源的优化管理以及工业环境改进等工业过程之中；

③ 企业的信息化和自动化大部分是互相分离的；因而远没有实现真正的“信息化与工业化的深度融合”，没有实现国家“两化融合”所要求的“生产过程的实时监测、故障诊断、质量控制和调度优化，深化生产制造与运营管理、采购销售等核心业务系统的综合集成”。

④ 至于包括物联网、大数据和云计算技术等新一代信息化技术的应用也几乎普遍没有开始探索。

总而言之，制药行业“信息化与工业化的深度融合”和生产过程“智能化”的道路依然漫长和艰巨。

“实现制药行业“智能工厂”，首先必须打好两个基础：从下提升制药生产底层制药装备和制药过程的自动化、数字化与网络化的水平，建立所谓的信息物理系统CPS的智能化基础。从上充分采用工业物联网技术、物联网技术、工业大数据技术、云计算技术等新一代的信息化技术，建立以这些技术为基础的数据中心和支撑服务平台。”

5 制药行业智能工厂建设面临的挑战

我个人认为，由于制药行业的特殊性，要真正推动制药行业智能工厂建设，关键的是必须首先解决以下挑战性问题：

（1）必须务实地在行业中做好国家“两化融合”与《中国制造2025》的政策宣传工作，必须既服从国家战略性政策与方向的要求，又从制药行业自身的特点和需求出发，使行业从企业的决策层到普通员工都能真正认识清楚国家“两化融合”与《中国制造2025》政策的重要性与意义，真正了解清楚什么是“智能化”、 制药行业为什么要走“智能化”道路以及如何合理地、科学和务实地走好“智能化”道路。一定要从企业的特点、需求和条件出发，遵照《中国制造2025》规划中指出的“立足当前，着眼长远”和“整体推进，重点突破”的基本原则。

切忌许多商业化、表面化、形式化的概念操作，因为这反倒会严重影响行业对实现智能化的自信心与积极性，同时也容易在“智能化”道路上带来不必要的弯路与损失。

（2）必须提升制药生产底层制药装备和制药过程的自动化、数字化与网络化的水平，尤其是提高和完善药品生产过程的自动化水平，改进制药装备的合规性与开放性、增强制药装备信息上传下控和网通互联功能，形成真正的智能化制药装备，为实现药品生产全过程的自动化与柔性化的批控制、建立真正的生产执行系统MES和实现智能制造和智能工厂创造好底层的基础。

（3）从建设智能工厂要求角度，全面梳理、建立和完善企业从供应、计划、生产、设备、质量、营销、服务、财务到人员等全范围的业务流程和信息化管理系统；逐步实现企业各业务系统之间以及与生产控制系统（PCS）、生产执行系统（MES）的信息化综合集成。

（4）充分采用包括工业互联网、物联网、大数据和云计算等新一代的信息化技术，建立以这些技术为基础的数据中心和支撑服务平台，广泛获取和挖掘数据与信息资源，为智能制造各环节的自动优化和决策提供数据与信息支撑，实现制药企业真正全范围的信息化管理、药品全生命周期的质量监控与追溯以及跨企业、跨行业、跨平台的信息化共享，促进各价值链之间的协同发展与服务。

（5）按照国内外有关药品质量法规的要求，探索制订在“智能工厂”模式下，各类与药品质量有关的计算机化系统验证标准，实现对智能药厂各类自动化、信息化和智能化系统、设备和工程的合理和完整的计算机化系统验证。因为如果这个问题在制药行业不能得到合理的解决和落实，所有的智能化装备与技术措施都会不被认可。因此这对于制药行业不但是一项重要的课题，也是一个重要的挑战。

6 制药生产过程智能化对于自动化技术的需求

要实现制药生产过程智能化，首先必须提高各个环节的自动化水平。根据制药行业的特点，除了一般性通用的自动化技术需求之外，可能会突出对以下几项自动化技术与应用的需求：

（1）各类数据与信息的自动化感知手段，如无线传感技术，关键质量与有效成分的PAT过程分析技术，有关的视频、视觉技术，微量异物检测技术，RFID标签技术等。

（2）自动识别、控制和优化技术，如自动化批控制技术（Batch Control），先进控制技术（APC），模糊控制技术（Fuzzy Control），MES应用技术，各类建模、仿真和分析软件技术等。

（3）模块与装置应用技术，如嵌入式技术，机器人应用技术（包括AGV运载），气流输送技术，特殊要求的自动装、卸与执行装置等。

（4）其它有关特殊要求的技术，如无线通讯技术、非接触式检测技术、手自动一体的卫生型执行阀门、各类防爆型人机界面等。

未来自动化技术应用的重点主要包括：自动化批控制技术（Batch Control）、MES应用技术、无线传感技术、PAT过程分析技术、嵌入式技术和机器人应用技术等。