制藥行業(yè)是我國智能化水平重點提升的十大領(lǐng)域之一——隨著“工業(yè)4.0”、“中國制造2025”等戰(zhàn)略的不斷推出，越來越多的制藥企業(yè)開始重視自動化和數(shù)字化在工廠建設(shè)方面的重要性。

想要建設(shè)生物制藥智能化工廠，僅僅只是配備信息化系統(tǒng)還遠遠不夠，因為它是一個更加全面的概念——即 “面向藥品生產(chǎn)從原料到包裝的全流程環(huán)節(jié)，以高端智能裝備為基礎(chǔ)，利用信息化、大數(shù)據(jù)、云處理等先進技術(shù)，與藥品生產(chǎn)工藝要求高度集成，實現(xiàn)智能化生產(chǎn)的新型工廠”。它需要同時滿足生產(chǎn)運營的柔性、高效、高質(zhì)量、安全（GMP）、節(jié)能環(huán)保等要求，并能通過互聯(lián)網(wǎng)與供應(yīng)商、客戶等外部資源聯(lián)系，實現(xiàn)“云”制造。

“工欲善其事，必先利其器”。目前，為建成智能化工廠，生物制藥企業(yè)除了在科技創(chuàng)新上下功夫外，還不斷向智能制造邁進，以期實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)的智能化。未來，數(shù)字化和智能化將成為生物制藥企業(yè)降本增效與擴大產(chǎn)能的重要手段，并推動生物制藥企業(yè)的發(fā)展邁入快車道。本文將從“制藥企業(yè)智能制造系統(tǒng)基本架構(gòu)搭建”、“計算機化驗證系統(tǒng)管理”、“制藥智能工廠的未來展望”三個維度，深入闡述在工業(yè)4.0 時代，生物制藥企業(yè)智能化工廠的解決方案。

制藥企業(yè)智能制造系統(tǒng)基本架構(gòu)搭建

根據(jù)《中國制藥工業(yè)智能制造白皮書（2020 年版）》，制藥企業(yè)智能制造的系統(tǒng)架構(gòu)包括設(shè)備層、控制層、業(yè)務(wù)管理層、經(jīng)營管理層4 個方面，如圖1 所示。

圖1 制藥企業(yè)智能制造系統(tǒng)架構(gòu)

設(shè)備層，一般由單體硬件組成，具體包括基于指令的自動化操作設(shè)備、儀表及傳感器等。設(shè)備層負責(zé)執(zhí)行具體的生產(chǎn)作業(yè)，并為生產(chǎn)過程控制生成、提供底層數(shù)據(jù)。

控制層承擔(dān)與設(shè)備層對接，數(shù)據(jù)收集、整合設(shè)備層等有關(guān)數(shù)據(jù)的職責(zé)，是智能制造的信息化管理基礎(chǔ)。企業(yè)可以通過數(shù)據(jù)整合在控制層初步實現(xiàn)可視化管理。此外，可以在控制層按需配置初級的跨設(shè)備管理系統(tǒng)，實現(xiàn)小范圍的自動化運行。

業(yè)務(wù)管理層，通過生產(chǎn)制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）、倉儲管理系統(tǒng)（WMS）、實驗室信息管理系統(tǒng)（LIMS）、質(zhì)量信息管理系統(tǒng)（QMS）等系統(tǒng)的單項建設(shè)與系統(tǒng)間集成，實現(xiàn)智能制造業(yè)務(wù)管理一體化應(yīng)用。

經(jīng)營管理層，它橫跨于其他系統(tǒng)之上，貫穿研發(fā)、生產(chǎn)、質(zhì)量和物流全流程，是制藥企業(yè)實現(xiàn)全局優(yōu)化的管理需求的關(guān)鍵。業(yè)務(wù)管理層、控制層和設(shè)備層各系統(tǒng)間的全面互聯(lián)互通是經(jīng)營管理層發(fā)揮智能決策作用的重要前提。

實現(xiàn)智能化制藥工廠的關(guān)鍵技術(shù)包括：企業(yè)物聯(lián)網(wǎng)；生產(chǎn)設(shè)備智能化、工作站化；機器人技術(shù)及智能傳感器技術(shù)的應(yīng)用；符合制藥行業(yè)特點，滿足GMP 要求的智能化管理系統(tǒng)；能進一步優(yōu)化生產(chǎn)，提高企業(yè)整體運營效率的大數(shù)據(jù)分析技術(shù)；云計算技術(shù)應(yīng)用；互聯(lián)網(wǎng)與智能化工廠的融合；數(shù)據(jù)安全技術(shù)等。

智能化制藥工廠的基礎(chǔ)物聯(lián)網(wǎng)是以工業(yè)以太網(wǎng)、無線工業(yè)以太網(wǎng)為標準，以環(huán)形拓撲網(wǎng)絡(luò)為結(jié)構(gòu)，每一個節(jié)點都可以從網(wǎng)絡(luò)上獲取、發(fā)送信息，并將傳感器、控制器、設(shè)備、人員、軟件和產(chǎn)品等聯(lián)系在一起，形成人與物、物與物的相聯(lián)，通過物聯(lián)網(wǎng)，打通藥廠生產(chǎn)的全流程數(shù)據(jù)鏈，實現(xiàn)大數(shù)據(jù)分析及生產(chǎn)過程的智能管理。

智能化制藥工廠云服務(wù)主要可以分為IaaS (Infrastructure as a Service，基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù))、PaaS(Platform as a Service，平臺即服務(wù))、SaaS (Software as a service，軟件即服務(wù))。這三者的差別可以通過舉例來輔助理解：

1.IaaS，即當藥企進行中試放大的時候，由服務(wù)商提供廠房、設(shè)備、動力這些基礎(chǔ)設(shè)施，藥企自己來做中試；

2.PaaS，即當藥企進行中試放大的時候，服務(wù)商除了會提供基礎(chǔ)設(shè)施，還會順便購買輔料，并提供人員進行中試放大，藥企只需要提供原料和配方；

3.SaaS，就是只做藥品上市許可持有人（MAH），服務(wù)商承包所有工作，企業(yè)可以直接拿到產(chǎn)品去出售。

計算機化驗證系統(tǒng)管理

國家提出的工業(yè)4.0 布局中包括機器人、高端智能設(shè)備、大數(shù)據(jù)及云的信息化和計算機化系統(tǒng)驗證服務(wù)。在這4 個核心戰(zhàn)略里，其中最為重要的一項就是計算機化系統(tǒng)驗證服務(wù)。制造行業(yè)有一句重要的質(zhì)量口號：沒有被記錄下來的一切都是謊言。計算機化系統(tǒng)驗證是從計算機化系統(tǒng)驗證V模型（如圖2 所示）演變過來的，相比之下模型更加細化，并加入了驗證文檔。計算機化系統(tǒng)驗證實施的詳細內(nèi)容如表1 所示。

圖2 計算機化系統(tǒng)驗證V 模型

表1 計算機化系統(tǒng)驗證實施內(nèi)容

（續(xù)）

制藥智能工廠的未來展望：軟核心與硬核心

對于制藥企業(yè)來說，建設(shè)智能化工廠的主要目標包括：設(shè)備/生產(chǎn)過程/產(chǎn)品/管理全方位滿足GMP 要求；用智能化生產(chǎn)設(shè)備實現(xiàn)更高效、高質(zhì)量的生產(chǎn)；利用機器人技術(shù)代替人工，提高效率，節(jié)約成本，并滿足潔凈、無菌生產(chǎn)環(huán)境的需求；智能化管理系統(tǒng)與設(shè)備的融合，實現(xiàn)柔性化、定制化生產(chǎn)，保證企業(yè)批量生產(chǎn)盈利；利用大數(shù)據(jù)分析，進一步優(yōu)化生產(chǎn)，提高企業(yè)整體運營效率；產(chǎn)品智能化，實現(xiàn)周期可追溯；利用云及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)遠程智能服務(wù)、智能物流；實現(xiàn)工廠之間、工廠內(nèi)部生產(chǎn)全流程的高度集成。

生物制藥智能化工廠的硬核心是生產(chǎn)裝備智能化。首先，現(xiàn)有裝備應(yīng)進行智能化升級，即設(shè)備升級為工作站。每個工作站是由若干個設(shè)備組成，組成了局部的信息物理系統(tǒng)（CPS），能自主地完成生產(chǎn)工作。工作站之間可實現(xiàn)信息互聯(lián)、自我整定、自我動作調(diào)解。工作站可以從管理系統(tǒng)獲取相關(guān)的生產(chǎn)指令，并智能調(diào)整各設(shè)備的動作，這些都是互聯(lián)的優(yōu)勢。其次，應(yīng)使用機器人替代機械設(shè)備。應(yīng)用場景之一是在無菌潔凈環(huán)境中，機器人可以實現(xiàn)在無菌制劑灌裝瓶傳送過程中對產(chǎn)品進行檢測及快速處理；還可實現(xiàn)在膠塞清洗滅菌轉(zhuǎn)運后，與灌裝系統(tǒng)的無菌對接；另外，泡罩機器人和預(yù)灌封一體機機器人也已得到了廣泛應(yīng)用。應(yīng)用場景之二是在搬運、上下料、碼垛等倉儲物流方面。最后，應(yīng)采用具有物聯(lián)網(wǎng)的智能傳感器及視覺系統(tǒng)使產(chǎn)品智能化。通過接入企業(yè)物聯(lián)網(wǎng)，可隨時感知其他設(shè)備的狀態(tài)，實現(xiàn)生產(chǎn)過程及工藝的自動調(diào)整；監(jiān)控數(shù)據(jù)、報表等可實時傳輸?shù)街悄苌a(chǎn)管理系統(tǒng)，與產(chǎn)品批次實時統(tǒng)一，單一的設(shè)備就此變成了模塊化的工作站。

生物制藥智能化工廠的軟核心是智能化管理系統(tǒng)。如果制藥企業(yè)已經(jīng)配備了很多的管理系統(tǒng)，那么進行合規(guī)、有效的管理是非常重要的。軟核心亟需解決的問題是建設(shè)安全高效的數(shù)據(jù)庫。一個智能化工廠必須擁有一個大數(shù)據(jù)存儲中心，進行大量數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)存儲，并有安全的保障。這個安全保障是多方面的，既包括可防止數(shù)據(jù)庫不被病毒攻擊，本身可以安全穩(wěn)定地運行，也包括對公司質(zhì)量管理全方位的監(jiān)督。另外，確保數(shù)據(jù)的真實可靠性保證也異常重要。具體操作包括：在采集時，通過采用傳感器及智能設(shè)備來代替人工錄入；在存儲時，則可以運用大數(shù)據(jù)技術(shù)、加密技術(shù)、冗余技術(shù)、數(shù)據(jù)備份等方法；在數(shù)據(jù)分析時，確保各功能分析模塊滿足GMP 認證要求；在數(shù)據(jù)操作時，進行嚴格的登陸管理、操作權(quán)限管理；在數(shù)據(jù)記錄/輸出時，有電子簽名。

除此之外，智能化工廠的實施也面臨著諸多的難點。第一個難點就是標準化。它包括企業(yè)物聯(lián)網(wǎng)標準化、管理系統(tǒng)模塊標準化、功能標準化、生產(chǎn)過程標準化及管理產(chǎn)品的標準化。目前要工廠做到每個工序都進行標準化，還較為困難。第二個難點就是安全，即信息安全、產(chǎn)品安全和生產(chǎn)過程安全。第三個難點就是打造一個智能化工廠的成本非常高昂，所以進行良好的成本控制非常重要。

制藥智能工廠實際案例

目前，國內(nèi)眾多領(lǐng)先的生物制藥企業(yè)已經(jīng)開始布局智能化工廠。例如，抗體藥物CDMO 新銳企業(yè)白帆生物，2020 年就在上海的臨港新片區(qū)建成了智能化無交叉生產(chǎn)基地并投產(chǎn)。該基地符合中國GMP、美國GMP以及歐盟GMP 標準，生產(chǎn)規(guī)模最高可達12 000 l。秉承著“質(zhì)量源于設(shè)計”的理念，白帆臨港基地在設(shè)計之初，就以打造智能化工廠為目標，首創(chuàng)NONCROS?無交叉抗體技術(shù)，配備了全球一流的智能化設(shè)備和管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了高效的自動化生產(chǎn)和電子化管理，可保障合作客戶臨床前藥學(xué)研究、臨床研究、商業(yè)化生產(chǎn)等各階段項目高效率和高標準的交付。

相信在未來，走向智能化將有效賦能制藥企業(yè)長遠發(fā)展，構(gòu)建企業(yè)的核心競爭力，為企業(yè)發(fā)展提供有力支撐，并且協(xié)同行業(yè)上下游助推中國創(chuàng)新生物藥物的發(fā)展。