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2021年我國制藥工業智能制造發展現狀及趨勢
如今,制藥企業飛速發展,物聯網、人工智能、5G、大數據和云計算為傳統的制藥生產模式及效率、商業模式帶來了新的挑戰與機遇。這些新技術的應用為顯著提高藥品工業的生產效率、質量和靈活性帶來巨大潛力。《“十四五”醫藥工業發展規劃》提出,要深入實施智能制造、綠色制造和質量提升行動,提高藥品、醫療器械全生命周期質量管理水平和產品品質,推動醫藥工業高端化、智能化和綠色化發展。隨著工業4.0時代的到來,如何部署這些技術將決定制藥企業的未來。要實現制藥工廠智能化這一美好愿景,需要對其概念、現狀、戰略意義和挑戰有深入理解。
一、智能制造概念
智能制造場景是指面向制造全過程的單個或多個環節,通過新一代信息技術、先進制造技術的深度融合,實現具備協同和自治特征、具有特定功能和實際價值的應用。不管在以醫療器械企業為典型的離散制造型工廠,還是在以制藥企業為典型的單一流水線型工廠,智能制造都能為工廠提供從工廠設計、產品研發、工藝設計、計劃調度、生產作業、倉儲配送、質量管控、設備管理、安全管控、能源管理、環保監控、營銷管理、售后服務、供應鏈管理及模式創新在內的企業全生命周期管理及服務的質的提升。
圖一 智能制造的實施(來源:《流程型智能制造白皮書》)
圖二 代表性舉例:藥企數字化轉型系統架構(來源:海爾卡奧斯)
二、我國制藥工業智能制造現狀
2.1 政策
2016年,國家食品藥品監督管理總局與工業和信息化部、國家發展改革委、科技部、商務部、國家衛生計生委等部門聯合印發了《醫藥工業發展規劃指南》,提出引導企業提升制藥裝備的自動化、數字化、網絡化水平,廣泛獲取和挖掘生產過程的數據和信息,為生產過程的自動化和決策提供支撐;推動“制造執行系統”(MES)、“過程分析技術”(PAT)在生產過程中的應用,整合集成各環節數據信息實現對生產過程自動化控制,有效保證藥品質量穩定。2018年,國務院頒布《國家智能制造標準體系建設指南》,解決標準缺失、滯后、交叉重復等問題。隨著一系列政策的出臺,智能制造監管體系不斷完善,為藥企落地智能制造提供了遵循。
表一 2018-2021年相關政策主要內容及影響
2.2 生物化工領域智能制造滲透率低
然而,不可否認的是,部分制藥企業對實施智能制造的必要性、方法論缺乏充分認識,或在信息化建設的過程中沒有找到改進方向,無從下手。根據中國電子技術標準化研究院公布的數據,生物化工領域智能制造的滲透率遠低于其他行業,行業滲透率僅有6%。
圖三 2020年中國智能制造行業滲透率
三、智能制造價值分析
智能制造通過人機協同方式提高勞動生產效率,減少人工成本;利用溫度、濕度、光線傳感器結合圖像識別技術等手段提升藥品檢測一致性和穩定性,降低產品不良品率,減少因質量問題造成的經濟損失。依據需求端數據反饋,合理安排要素投入,減少物料浪費。設備接入物聯網可實時在線監測和控制能源和資源使用,精準發力,避免能源浪費。利用智能化節能減排設備或解決方案替換落后產能和生產工藝、實現綠色生產。智能制造可以實現在價值鏈各個環節收集數據、用戶交互,鼓勵用戶全程參與產品生產過程;通過捕捉的員工績效數據、設備開工率數據、能源損耗數據等精細化數據,進行實時展示和分析助力下一步決策,提升用戶體驗。
l 降低成本
·降低勞動力需求,減少人工成本
·降低產品不良品率,減少因質量問題造成的損失
·零庫存降低倉儲費用,減少物料成本
l 優化產出
·優化生產流程,改善制造工藝,加快生產速度
·科學安排生產,提升設備效率
·提升生產執行精度,提高產品質量
l 減少能耗
·實時監測、控制能源使用情況
·淘汰落后產能設備和技術,替代為節能減排方案
l 升級產線
·推動生產模式從大規模生產向個性化定制生產轉變
·從制造向服務端延伸
·從單鏈條生產向網絡協同生態演進
圖四 工業4.0中用于藥品生產的網絡物理系統(CPS)
(圖源:Industry 4.0 for pharmaceutical manufacturing Preparing for the smart factories of the future)
2013年德國《工業4.0實施建議》將CPS作為工業4.0的核心技術,CPS的關鍵部分包括公共云、私有云和生產車間。公共云包含為外部客戶提供的應用服務。私有云處理高層性能信息,如遠程監控系統、生產、能源管理、實驗室信息、控制服務以及建模和仿真。公共云和私有云以數字方式反映物理系統的狀態,從而實現實時優化和預測。制造車間由設備、PATs儀器和實時釋放測試(RTRt)組成。PAT提供對制造過程的控制,RTRt根據制造過程中收集的信息確保產品質量。過程中的操作(如進料、濕法制粒、流化床干燥、研磨、混合、壓縮和片劑包衣)通過互聯網連接到本地網絡和云。
四、藥企智能制造發展趨勢
4.1 IT與OT融合
IT(信息技術)與OT(操作技術)的融合為智能制造發展帶來更多機遇。隨著信息技術的發展,大多數制藥企業現在都開始在“大數據”的世界中航行,這需要捕獲、處理和檢索大量的存儲和實時數據。這些數據分為兩類:IT 數據與OT數據。基于物理實體的基本狀態,并將兩類數據融合,可以構建設施、設備和產品的完整數字孿生模型,涵蓋從收到訂單、制作生產、到發貨物流監控全過程,實時監測,還可以在數字世界提前預測未來可能的業務變化,做出數據驅動的決策,提高智能制造敏捷性。因此,IT+OT融合的廣泛應用對構建智能工廠意義重大,是數據要素在制造業落地的重要抓手。
圖五 IT與OT融合趨勢 圖源:頭豹研究院
4.2 從“人智驅動”向“數智驅動”轉變
智能制造突破了傳統物理層面連接方式和數量的限制,廣泛連接和跨域協作形成了海量的數據資產。數據作為新的生產要素將為企業的生產、組織和運營帶來了新的價值創造。隨著智能制造在制藥行業的滲透,越來越多的企業將從“人智驅動”向“數智驅動”轉變。擁有更多數據資產的企業相比信息化落后的藥企必將形成競爭優勢。
圖六 技術范式變革 引自《信息物理系統建設指南(2020)》
4.2 “雙碳”契機加速智能制造推進
2020年第75屆聯合國大會上,中國提出了“雙碳”目標,力爭于2030年前實現碳達峰, 2060年前實現碳中和。作為先進生產代表的智能制造,與“雙碳”關系密切。
未來制造企業會利用大數據,人工智能和物聯網技術,在智慧園區內建設基于智能制造核心驅動的能源管理系統,對設備能耗信息、環境信息及運營信息進行統計、分析,得出與能源消耗及能源效率相關的決策性數據和信息,幫助管理人員了解歷史和當前的能源使用狀況,并預測未來的能耗趨勢。輔助管理人員做出正確的能源改善策略,實現多能源,多業態和多用戶的綜合管理。“雙碳”對智能制造提供商和制藥企業都是一個發展契機,覆蓋產品、技術、經營等諸多方面。
4.3智能制造國際標準化
我國在國務院、工信部、科技部等部門的支持下,持續推進智能制造標準化工作,并取得了一系列成果。截至2019年底已發布國家標準232項,完成國標立項135項,形成標準草案500余項。在智能制造國際標準化方面,我國積極拓展雙邊、多邊合作,例如成立了中德智能制造/工業4.0標準化工作組、中法現代產業合作伙伴等,加深了有關國家的合作共識,為推動智能制造國際標準化營造協調一致的國際氛圍。
2022年,中國醫保商會也將發揮資源優勢,致力于平臺搭建、行業協同、建言獻策,把目光從“企業內”轉向“企業間”,抓住產業鏈協同市場;以全球化視角,促進國內、國際監管政策趨同,為藥企落地智能制造提供技術支持和評估服務,服務企業產業升級,促進國際化業務發展。
4.4 挑戰與機遇并存
值得注意的是,我國醫藥行業以中小企業為主,許多制藥企業仍然受工業2.0范式掣肘。多方面因素導致了這一現象:信息化建設基礎薄弱、信息化改造無從下手、技術人才缺乏、改造投資回收期長……一些企業局部設備實現了機械化生產,但單元之間的協同、設備的操作仍然依靠人工。由于缺乏跨設備、跨流程、跨單元的整體管理,企業內部形成“信息孤島”。雖然大量工業信息的采集和分析對于企業發展有益,但數據安全與數據管理也應得到企業家的高度重視,企業需要重視相關人才培訓計劃的制定,由于跨行業、跨領域的限制,也需要持續推進和服務商的合作。此外,醫藥健康是強監管行業,如何合規化改造升級,需要制藥企業持續加強與監管部門的溝通。
但是,政策方面也已經關注到這一點,工信部發布的《“十四五”促進中小企業發展規劃》指出:力爭到2025年,中小企業實現整體發展質量穩步提高,創新能力和專業化平顯著提升,經營管理明顯提高,服務供給力全面提升,發展環境進一步優化。因此,抓住智能制造政策機遇、搶先布局謀劃是生物醫藥行業的必然選擇。中國醫保商會也將持續推進智能制造專家團隊建設,解決制藥企業實施智能制造過程中的急難愁盼問題,促進我國制藥企業國際化、專業化、智能化邁上新的臺階。
參考文獻:
1. 流程型智能制造白皮書;中國電子技術標準化研究院、華制智能、東北大學
2. 醫藥企業數字化轉型分析;海爾卡奧斯 張弛
3. Industry 4.0 for pharmaceutical manufacturing Preparing for the smart factories of the future
4. 未來50年中國智能制造全景前瞻;頭豹研究院
5. 2022中國“智能制造”領域十大趨勢;海比研究院
6. 信息物理系統建設指南(2020);中國電子技術標準化研究院
7. 智能制造國際標準化發展綜述;丁露 、汪爍 、王玉敏