周 明，張燕群，段念林，周金海

(1.南京中醫(yī)藥大學(xué) 中醫(yī)學(xué)院·中西醫(yī)結(jié)合學(xué)院，江蘇 南京 210023；2.杭州海善制藥設(shè)備股份有限公司，浙江 杭州 311401；3.南京中醫(yī)藥大學(xué) 人工智能與信息技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210023)

0 引言

在中醫(yī)藥發(fā)展的歷史長河中，很長一段時(shí)期，中藥材的加工生產(chǎn)都停留在作坊式的手工作業(yè)階段。新中國成立之后，隨著國家工業(yè)制造業(yè)的不斷發(fā)展以及市場對中藥材需求量的持續(xù)增加，20世紀(jì)70年代，機(jī)械設(shè)備開始應(yīng)用到中藥材的加工生產(chǎn)中，現(xiàn)已非常普遍[1]。但長期以來，加工過程一直依靠老藥工的人為把握，藥效質(zhì)量波動較大，在生產(chǎn)過程的信息化管控方面還比較薄弱。

國家藥品監(jiān)督管理部門為了有效規(guī)范中藥企業(yè)的生產(chǎn)，制定《藥品生產(chǎn)質(zhì)量管理規(guī)范GMP》，中藥企業(yè)需按照GMP要求進(jìn)行管理。因此，研究應(yīng)用現(xiàn)代信息技術(shù)對企業(yè)信息化進(jìn)行升級改造以保障中藥生產(chǎn)過程可靠有序、確保產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、強(qiáng)化企業(yè)科技含量和市場競爭力已是一種必然趨勢。本文基于無線互聯(lián)架構(gòu)的MES應(yīng)用研究，希望在中藥生產(chǎn)質(zhì)量管控方面尋找更經(jīng)濟(jì)、更高效的方法。

1 中藥企業(yè)生產(chǎn)管理信息技術(shù)的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀

通用管理類軟件，如辦公自動化、財(cái)務(wù)管理、倉儲管理系統(tǒng)等，直接用于中藥企業(yè)的人、財(cái)、物管理已經(jīng)十分常見，且融合性較好[2]。但是，面向中藥材及飲片生產(chǎn)執(zhí)行層的信息化管理系統(tǒng)，即工業(yè)制造中的MES系統(tǒng)，在中藥企業(yè)中的應(yīng)用屈指可數(shù)。針對中藥制藥的MES系統(tǒng)，最主要的特點(diǎn)就是監(jiān)督，包括對生產(chǎn)流程的監(jiān)督、生產(chǎn)品質(zhì)的監(jiān)督以及對生產(chǎn)設(shè)備的監(jiān)督，外加控制與管理功能，可構(gòu)成完整的自動化系統(tǒng)，綜合地發(fā)揮作用[3]。黃海松等[4]討論了以優(yōu)化整個(gè)生產(chǎn)過程為核心，提出通過對生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)的提取，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的最優(yōu)調(diào)度，并對系統(tǒng)具體模塊設(shè)計(jì)進(jìn)行了闡述。洪艷萍等[5]提出綜合信息集成平臺的構(gòu)建，強(qiáng)調(diào)了企業(yè)數(shù)據(jù)的核心地位。通過實(shí)地考察，南京海昌中藥集團(tuán)早在十年前就在中藥飲片生產(chǎn)過程中開發(fā)使用遵循GMP要求且符合SOP流程的MES系統(tǒng)，并成為行業(yè)示范[6]。大數(shù)據(jù)、人工智能是目前較為熱門的信息技術(shù)，如有針對商業(yè)智能方面的研究，力求實(shí)現(xiàn)中藥企業(yè)管理者對企業(yè)運(yùn)營信息的深度了解，提升生產(chǎn)決策水平[7-9]。但是，目前中藥企業(yè)生產(chǎn)過程信息化系統(tǒng)的應(yīng)用并不普及，新技術(shù)沒有真正地應(yīng)用于中藥企業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)，只是一定程度上保證了中藥質(zhì)量安全[10-15]。

2 “保和堂”凈切生產(chǎn)線智能物聯(lián)管控信息化升級方案應(yīng)用設(shè)計(jì)

“保和堂”是一家中藥飲片中大型企業(yè)。長期以來，中藥材凈切生產(chǎn)設(shè)備多以傳統(tǒng)電氣開關(guān)及部分PLC控制為主，操控機(jī)制略顯單一，生產(chǎn)線整體缺少對數(shù)據(jù)的及時(shí)準(zhǔn)確采集，難以追溯。生產(chǎn)質(zhì)量主要依賴?yán)纤幑と藶榘芽兀a(chǎn)管理規(guī)范性差，產(chǎn)品質(zhì)量易波動。為了企業(yè)發(fā)展，生產(chǎn)信息化智能升級改造需求迫在眉睫。

升級改造方案重點(diǎn)是構(gòu)建中藥材凈切生產(chǎn)智能設(shè)備對應(yīng)管控信息化系統(tǒng)。通過參照洗藥、潤藥、去皮、切制等加工工藝標(biāo)準(zhǔn)流程，運(yùn)用計(jì)算機(jī)在線定制操作規(guī)程，控制工藝參數(shù)，收發(fā)生產(chǎn)任務(wù)，管控加工過程，實(shí)現(xiàn)加工過程規(guī)范化、中藥材質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化、生產(chǎn)成本節(jié)約化及數(shù)據(jù)可追溯分析。

2.1 系統(tǒng)框架及功能

中藥材凈切生產(chǎn)智能化設(shè)備對應(yīng)管控信息化系統(tǒng)總體框架如圖1所示，具體功能如下。

(1)生產(chǎn)計(jì)劃管理：企業(yè)生產(chǎn)計(jì)劃、操作規(guī)范等，通過信息化方式下達(dá)工區(qū)，工人可根據(jù)要求操作相應(yīng)設(shè)備執(zhí)行加工任務(wù)。

(2)參數(shù)精確控制：通過智能控制器管理凈切設(shè)備，采用過程控制手段，充分保證各種參數(shù)的精確控制。例如，通過PID等溫控方式控制潤藥機(jī)溫度，使溫度誤差小于±5℃。

圖1 系統(tǒng)框架

(3)實(shí)時(shí)監(jiān)控功能：通過智能控制器實(shí)時(shí)采集關(guān)鍵數(shù)據(jù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)超警戒值數(shù)據(jù)，并且進(jìn)行上傳及報(bào)警。

(4)參數(shù)跟蹤、保存：中藥材凈切生產(chǎn)過程中，對所有重要數(shù)據(jù)進(jìn)行跟蹤保存，便于質(zhì)量信息處理、歷史記錄查詢及追溯。

(5)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)設(shè)備監(jiān)控：利用無線通信或5G網(wǎng)絡(luò)，通過虛擬網(wǎng)絡(luò)控制臺(Virtual Network Console，VNC)技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)視加工設(shè)備，遠(yuǎn)程控制凈切加工設(shè)備的參數(shù)、運(yùn)轉(zhuǎn)和停止。

(6)數(shù)據(jù)云端存儲：各部分通過工業(yè)控制線或無線局域網(wǎng)連接，生產(chǎn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)匯總在云端服務(wù)器，便于智能分析處理。

2.2 技術(shù)措施及描述

2.2.1 主程序架構(gòu)

中藥材凈切生產(chǎn)智能化設(shè)備對應(yīng)管控系統(tǒng)，服務(wù)器端主程序采用瀏覽器/服務(wù)器(Browser/Server，B/S)模式進(jìn)行設(shè)計(jì)，主體架構(gòu)分為3層，從低到高分別為數(shù)據(jù)庫訪問層、業(yè)務(wù)邏輯層和界面層，層與層之間通過接口進(jìn)行連接。其中，界面層使用Model-View-Controller(MVC)框架，架構(gòu)清晰，維護(hù)方便。業(yè)務(wù)邏輯層使用工作流理念，規(guī)范工區(qū)操作流程，利于實(shí)現(xiàn)中藥材加工的標(biāo)準(zhǔn)化。根據(jù)系統(tǒng)分布式部署需求，界面層與業(yè)務(wù)邏輯層之間使用Windows Communication Foundation(WCF)框架嵌入服務(wù)層，使得界面層各功能模塊可以與主程序完全分離，根據(jù)需要部署到不同設(shè)備上。主程序架構(gòu)如圖2所示。

2.2.2 工區(qū)無線客戶端設(shè)計(jì)

工區(qū)客戶端采用微信小程序開發(fā)，通過接口與主程序服務(wù)層進(jìn)行通信，可實(shí)現(xiàn)查看生產(chǎn)任務(wù)、錄入加工記錄、檢測成品質(zhì)量等功能，主界面如圖3所示。微信小程序是一種全新的連接用戶與服務(wù)的方式，可以在微信內(nèi)便捷地獲取和傳播，無需下載安裝，具有出色的使用體驗(yàn)。其輕量化、隨需隨用，可以實(shí)現(xiàn)工區(qū)客戶端的無線布局，降低以往工區(qū)固定式箱體客戶端布置、排線、維護(hù)上的難度，方便中藥材加工企業(yè)對生產(chǎn)過程的升級改造。

2.2.3 遠(yuǎn)程設(shè)備監(jiān)控

涉及中藥材生產(chǎn)的部分設(shè)備要進(jìn)行自動化升級，利用可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller，PLC)對設(shè)備控制方式的改造是工業(yè)自動化的標(biāo)志。PLC以弱電控制取代了傳統(tǒng)電氣化的強(qiáng)電控制，通過預(yù)先設(shè)計(jì)并存儲在其內(nèi)部的執(zhí)行邏輯，調(diào)控機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行。目前，PLC在國內(nèi)外已廣泛應(yīng)用于鋼鐵、電力、汽車制造等行業(yè)。中藥材生產(chǎn)設(shè)備的升級改造主要涉及PLC的開關(guān)量邏輯控制、模擬量控制以及通信聯(lián)網(wǎng)功能。通過開關(guān)量邏輯對設(shè)備的啟動和停止進(jìn)行控制；通過模擬量控制對設(shè)備運(yùn)行的溫度、壓力、速度等模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控；通過通信聯(lián)網(wǎng)功能實(shí)現(xiàn)PLC控制器間的通信及PLC與其他智能設(shè)備間的通信。

采用虛擬網(wǎng)絡(luò)控制臺(Virtual Network Console，VNC)關(guān)聯(lián)生產(chǎn)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對設(shè)備生產(chǎn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)視和對設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。VNC是基于UNIX和Linux操作系統(tǒng)的開源軟件，遠(yuǎn)程控制能力強(qiáng)大，高效實(shí)用，主要由客戶端應(yīng)用程序(vncviewer)和服務(wù)器端應(yīng)用程序(vncserver)兩部分組成。VNC客戶端通過瀏覽器或vncviewer連接至vncserver，經(jīng)過簡單設(shè)置即可實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的遠(yuǎn)程訪問。

2.2.4 云服務(wù)器部署

系統(tǒng)主程序使用云服務(wù)器部署。通過第三方租賃服務(wù)配置符合需求的云服務(wù)器，進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)軟件安裝、參數(shù)設(shè)置，建立遠(yuǎn)程連接。將本地的項(xiàng)目發(fā)布文件夾上傳至服務(wù)器端，IIS管理器中添加網(wǎng)站，配置服務(wù)器出入站規(guī)則。最后進(jìn)行服務(wù)器安全組設(shè)置，即可在外網(wǎng)實(shí)時(shí)訪問主程序包括數(shù)據(jù)庫。云服務(wù)器部署方案，降低了本地服務(wù)器維護(hù)成本和難度，便于遠(yuǎn)程終端的隨時(shí)訪問，多地共享數(shù)據(jù)，便于智能分析處理。

圖2 主程序架構(gòu)

整個(gè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)遵循中藥生產(chǎn)GMP要求，加工過程完全按照標(biāo)準(zhǔn)操作步驟(SOP)設(shè)置，通過上端控制室統(tǒng)籌下達(dá)生產(chǎn)任務(wù)，各工區(qū)人員通過可移動設(shè)備接收并完成生產(chǎn)，任務(wù)單在工區(qū)自動流轉(zhuǎn)。系統(tǒng)總的工作流程如圖4所示。以“凈選=>洗藥=>去皮”為例，工區(qū)流轉(zhuǎn)過程如圖5所示。

3 結(jié)語

針對“保和堂”公司，現(xiàn)代信息新技術(shù)在中藥材生產(chǎn)管控中的融合應(yīng)用，可以更好地實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化、無紙化及數(shù)據(jù)可追溯分析，在更大程度上達(dá)到了生產(chǎn)的自動化、智能化目標(biāo)，確保了產(chǎn)品質(zhì)量更加穩(wěn)定，促進(jìn)了經(jīng)濟(jì)效益的提高。作為案例，也可以在中藥制藥行業(yè)積極推廣應(yīng)用。

圖3 小程序工區(qū)操作界面

圖4 系統(tǒng)工作流程

國家《中國制造2025》及《中醫(yī)藥發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃綱要(2016—2030年)》已明確將“加快推進(jìn)智能制造，注重信息化、智能化與工業(yè)化的融合”列為主攻方向。國家也已經(jīng)把中藥飲片質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)業(yè)列為當(dāng)前我國優(yōu)先發(fā)展的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)化重點(diǎn)領(lǐng)域之一。相信經(jīng)過一個(gè)時(shí)期的努力，現(xiàn)代信息新技術(shù)與中藥生產(chǎn)各環(huán)節(jié)的不斷深入結(jié)合，一定會在規(guī)范生產(chǎn)管理、提高中藥質(zhì)量、提升產(chǎn)業(yè)競爭力等方面顯現(xiàn)突出效果，從而使中藥這一古老的傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)重?zé)ㄇ啻?，為中藥產(chǎn)業(yè)和大健康產(chǎn)業(yè)發(fā)展做出新的貢獻(xiàn)。

圖5 工區(qū)流轉(zhuǎn)