融合信息技术的智能制药装备
在中药产业升级中的应用现状及前景
杨立成冯亮通讯作者贾晓斌
(中国药科大学中药学院)
中药产业是我国医药产业的重要组成部分，近年来中药产业产值持续增长，2017年中药市场规模已占我国医药市场的1/3，逐步成为国民经济的重要支柱之一。为保障中药产业发展，我国很多地方都出台了鼓励中医药发展的政策，其目的就是协调先进的科技手段，融合中医药的特色优势，以创新驱动的方式推动中药产业转型升级，向信息化、智能化迈进。
新冠肺炎疫情发生以来，中医药在防治中表现极为突出，根据《健康中国2030》纲要，2020年中医药市场规模预计达5806亿元。疫情在提供机遇的同时，也暴露出中医药行业本身的发展问题。面对疫情，部分中医药行业仍受到影响，如部分中药材种植周期长，传统炮制工艺及制剂生产需要大量劳动力，相关工艺设备已不能满足日益增长的市场需求和国家要求。同时，一些生产设备、工艺流程信息化、智能化程度较高的企业，在疫情期间保持了高效率、高产能、高安全等生产状态，充分保障了生产供应需求，并且还具有成本低、利润高、工艺合理、信息可追溯等优势，充分体现了产业信息化、数字化的重要意义。 通过提高“智能制造”在工业生产中的比重，在人力资源匮乏或其他特殊情况下，保障中药产品优质高效供给。一些企业利用5G、人工智能、物联网、大数据为代表的信息技术，推动中药产业向智能制造时代靠拢，改革中药制药技术，也得到了政策的鼓励和支持。中药产业是典型的具有自主知识产权优势的民族产业，信息技术在中药产业的协同融合，对中药产业由传统产业向现代化、信息化、智能化的转型升级，或将具有深远的发展意义。
中药产业升级的障碍
我国中药产业规模虽大、销量巨大，但与一些世界知名药企相比还不能比，走出国门、走向世界难度较大。另外，产业特性与化学制药相比还存在明显差异。中药农业产业链条长，中药种植依赖农业生产、自然资源和气候条件，不同产地同一品种的产品质量差异较大。中药行业部分企业还处于机械化、劳动力依赖型复杂生产阶段，引进制药技术和先进设备尚未得到广泛推广，生产周期长、工艺相对粗糙，质量控制水平建立在满足国家最低要求的基础上，影响因素较多，如信息技术等尚未充分融入传统制药技术，产品升级乃至产业升级仍需要投入大量精力和资金，部分药企在各产业环节发展缓慢或滞后，农业质量弱化现象明显。 行业标准缺失、缺乏规模效应，导致质量控制评价体系难以构建，难以保证中药原料生产工艺的质量、稳定性和一致性。虽然国家和药企一直在加大对中药精髓保护和研发的力度，但仍需努力改善传承创新不足的状况，中药的理论创新、标准创新、产品研发创新等方面还有提升空间。
同时，我国中药制药装备生产规模庞大，在制药装备企业数量、产品品种、规格、产量等方面居世界前列。但国产制药装备在产品稳定性、创新性、耐用性等关键性能上还存在明显差距，而工艺制造水平决定着中药产品质量，通过提高制药装备智能化水平，可控制关键工艺水平，解决制约产品质量的瓶颈问题是当今制药装备企业的当务之急。企业需要加大研发投入，政府需要出台政策加强创新，鼓励支持企业，不断缩小差距，从而推动中药制药产业向基础共性技术、绿色制造技术、节能环保技术、信息互联互通技术、智能制造技术发展，推动标准化体系建设。
因此，中药产业升级亟待充分利用现代科学手段，制定从研发、生产、质量控制到安全评价、临床应用的一套标准体系，解决质量控制与评价问题；其中，信息技术将在中药现代化中发挥巨大作用。在大数据、物联网、人工智能等先进信息技术的强力支撑下，一方面可以轻松解决信息不对称的困境，实现过程感知、生产可视化、产品评价、质量追溯，确保中药的安全性、有效性、稳定性和均一性；另一方面，可以帮助中药研究的多学科、跨行业的合作，加速中药现代化进程，最终带动相关技术的发展，实现中药产业升级。
中药产业向“智能制造”转型升级的必要性
中药智能制造应通过智能装备集成建设，形成智能工厂为平台，从生产过程大数据入手，发挥中药资源优势，将智能制造与自动化大生产相衔接，扩大生产规模，提高工序智能化程度，使智能制造的特征显现出来，提高其对中药行业繁琐制剂工艺的理解能力和对设备性能的控制与调整能力，在人力有限的情况下实现智能化监督与控制，提高产出率和产品质量，确保在竞争中占据优势地位。目前，部分企业在局部业务范围内实现了信息化、数字化，部分中药生产线还处于机械化或自动化阶段，还未能加入数字化、智能化的行列。
中药智能制造技术形成的关键在于对中药制药工艺进行数字化、信息化、智能化改革，追求产品全环节自动化控制，通过多种技术融合进行工艺创新改进，工艺流程标准化，利用先进技术装备节约成本、提高产能、降低能耗、保护环境，使人们摆脱简单重复、低智能化的体力劳动和对人体有害的生产环境，有效提高和控制产品的质量水平。打破传感器、自动控制、数字技术等方面的壁垒，发展工业传感器、过程检测分析仪器等数字化、智能化装备，研究自动控制技术，推动中药产业绿色化、智能化升级，逐步向“智能工厂”迈进。
对于中药全产业链的产业升级，需要利用物联网、大数据、人工智能等先进的信息技术推动中药智能制造快速发展，打造中药制造智能工厂，并结合“工业4.0”和“制剂4.0”概念，提出“中药工业4.0”(即中药制造版工业4.0)，将“产、学、研、用”结合起来，推动中药智能制造标准化、规范化，建设数据集成、技术集成的中药数字化车间，建立大数据挖掘分析后的中药产品质量控制标准，宣传和扶持高智能化的中药企业，积极推进标杆建设，提升中药智能制造整体水平，从而扫清中药产业现存的发展障碍，指明未来产业升级的发展方向。 中药产品质量是实现中药现代化、智能化制造的基础，而融合信息化、智能化要素的工业自动化，可以进一步加速中药智能化制造的发展，促进中药质量的提升。未来，只有功效明确、安全性有保障的产品才有市场，而智能制造势必是实现这一市场发展需求的必由之路。
中药质量控制瓶颈制约严重。有业内专家提出，通过信息技术的应用，从全产业链各个环节入手，建立全过程质量控制一体化体系，可以提升中药质量。一方面，借助生产线上的各种仪器、传感器、机器视觉、过程分析设备，可以动态获取设备运行状态、工艺参数、物料状态、环境条件等数据，实现中药生产过程的“数字化”。另一方面，质量是生产出来的，不是检验出来的，因此对各种参数的检测只是对产品质量下限的实时控制和预警，而在中药生产过程中，更应该关注关键质量属性。通过积累这些数据，可以加强对生产过程中关键参数的风险意识、深度理解和科学调制，实现药品质量的实时优化和控制，逐步提高中药质量的一致性，确保疗效和安全性。 打破中药生产过程中的信息孤岛现象，实现生产全过程的监控，合理管理和调度各类生产资源，提高运营效率。
信息技术在中药产业升级中的应用
中药制药装备需要从“中国制造”向“智能制造”转型，实现生产管控更加智能化、监管更加智能化。当前中药产业升级大致可分为：1）从中药材到中药饮片环节；2）中药制剂原料（中药提取物等）环节；3）中药制剂成型环节。中药产业链信息不对称是质量管控与评价体系难以落实的主要原因。 因此，以数字信息互联网技术为纽带，借助云计算、5G、大数据、物联网、人工智能等信息技术手段，将多项技术协同融合于中药产业各个环节，形成智能化、网络化、数字化的中药产业链，形成全信息链质量数据流闭环，实现协同推进中药产业升级，解决生产要素整合缓慢、资源配置优化不够、交易成本高等问题，打破信息不对称壁垒，完善产品质量控制评价体系，保障产品安全稳定，为产业创新提供有力支撑。
3.1 从中药材到中药饮片
在中药材种植、采收、加工、炮制过程中，传统经验和隐性知识对保证中药材质量起着关键作用。中药炮制是一门传统特色技术，但饮片品种规格繁多，炮制方法不统一，工艺技术单一、机械化，饮片质量得不到严格保证，直接影响中药临床疗效。饮片生产在将传统经验与现代信息技术相结合的前提下，可以在产业链源头有效控制质量，保证药材的真实性和质量，进而提高饮片生产的专业化程度，通过相应的生产设备实现标准化、规模化生产，进一步实现生产过程的自动化甚至信息化。只有前面这些基础足够扎实，才能构建饮片智能化生产模型。
现在的电磁煎药机采用电磁加热技术、微电脑控温技术、智能温度补偿技术、芯片植入技术，可将中药煎药的工艺参数植入芯片，实现智能化批量生产、一键自动出料，还可区分清炒、碳炒、辅料炒、麸炒、蜜炒、醋炒等多种炮制方法，替代传统的加热方式，促进中药饮片标准化生产，确保饮片生产过程稳定、安全、便捷、环保。一些药企在中药饮片加工生产中积极引入计算机信息技术，实现全过程信息化管理，利用先进的生产设备，使饮片的制备过程、生产步骤机械化，对中药饮片的原料选择、炮制生产、包装、贮存等过程的质量检测进行有序控制，体现了现代科技。 与传统产业的完美结合，完成了中药饮片生产环节的升级，实现了中药饮片生产的规模化、自动化、标准化，致力于中药饮片生产所需的设施设备全面升级；市面上还有智能化程度较高的数控直线往复式切药机，只需要在设备系统上设置好参数，就可以在操作台上对药材进行切割，相比传统切药机，智能化调整可以使切割出来的药材更加精准，外形更加美观，充分发挥药材的药性，提高生产效率；还有针对中药材的智能包装开发，为中药材提供从种植、采收、加工、物流、仓储到销售等全环节的物联网智能包装及包装信息化服务，实现中药材追溯体系的建设，推动中药材市场的发展。
3.2 中药制剂原料生产
中药制剂原料通常分为固体（粉末、浸膏粉或浸膏）、半固体（浓膏）、液体（浸膏）三种状态。制剂原料的物理性质影响成型工艺的难易、加工流程的顺畅，从而影响最终产品的质量。
目前，中药制剂原料环节可以依托自动控制系统和在线检测系统，依靠电子计算机或控制器对生产过程进行自动控制，利用传感器技术及时检测各个工艺参数的信息，涵盖提取、浓缩、醇化、干燥等工艺环节，这样自动控制和实时监测传感器的智能制造过程系统可以解决目前中药制剂水平存在的一些障碍。借助传感器和大数据技术，为在线检测信息采集提供了坚实的基础，将大大提高中药智能制造系统中过程的实时监控，从而做出反馈进行优化调整，为中药制剂原料产业的升级奠定坚实的基础。
例如在提取过程中，不同成分对不同工艺参数的要求不同，如压力、温度、湿度等，且要最大限度的保留各类有效成分。传感器可以及时采集生产过程数据，传输到自动控制系统进行分析处理，再做出相应的反馈调整，实现实时动态控制。天士力集团基于复方丹参滴丸数字化车间开发的质量数字化系统，可以集成pH值、温度、压力、流量、近红外或拉曼光谱、工业成像技术等常规传感器，对生产过程的关键工艺参数和质量属性进行实时监测和分析。浓缩过程变量多、干扰大，一旦遇到不利因素，势必会引起结焦、药液降温或热分解等问题。传感器技术的集成可以有效提高中药浓缩过程的控制和管理水平，确保中药生产稳定安全，符合相关操作标准； 在干燥工序中，可对中药干燥过程进行连续化、智能化管理，有效提高中药加工效率，降低生产成本，确保制成的中药符合国家安全标准；在灭菌工序中，可对灭菌温度、处理时间、辐照剂量、施加压力、耐热参数、致死率等参数进行实时监控和管理，确保中药成品符合相关标准的同时，节省很大一部分能耗成本。
3.3 中药制剂的成型
中成药的化学组成和制药工艺特点决定了其生产制造过程动态变化的高度复杂性，工艺条件难以完全掌握，缺乏有效的检测技术和设备，便捷地观察工艺参数成为及时有效调控中药制药工艺的核心条件。
国内中药企业也在中药智能化探索中药智能化。如楚天科技在片剂生产中采用一步法制粒生产线、干法制粒生产线、超高速压片生产线、多功能包衣生产线和全自动数控联动包装生产线，整条制粒生产线由喷雾制粒、沸腾干燥、制粒等多个作业单元组成，在提高产品质量、保证工艺重现性、数据完整性、提高效率、减少人为失误等方面取得了显著的进步。华生药业实施智能化外包后，产品外包效率比传统手工包装提高至少100%，产品效率提高50%，同时工作失误减少90%以上；一些制药装备企业开发了全智能包中包追溯生产线、全智能中药配方颗粒装瓶生产线、全智能罐装包装线等制药装备。 这些主要是根据企业的实际要求，在此基础上减少工作量和工时，同时加强设备分装质量和GMP管控的要求，推动中药产业和制药装备的智能化发展；天士力在智能制造水平提升的基础上，构建了完整的数字化研究平台体系，通过数据系统和信息系统，开发高速微滴制粒工艺及成套智能装备，实现面向现代中药智能制造的装备创新与系统设计，对制剂成型的稳定性、均匀性进行监测，如滴丸或丸形的工业成像与图像识别，对工艺终点进行实时判断，如浓缩工艺的在线密度测量，以及在线质量控制，如胶囊充填工艺的在线质量测量；康仁堂药业利用在线浊度传感器对颗粒的溶解度进行客观评价，将浊度值与视觉方法相结合，建立分级评价标准，为判断颗粒溶解度的程度提供定量数据。 利用传感器技术客观表征中药制剂关键质量属性，明确中药制药过程智能化控制的目标；康源药业热毒宁注射液提取精制工艺，满足中药行业数字化、智能化要求，通过先进的现代质量控制技术提高注射剂质量管理水平，将实时通讯和数据平台与生产过程控制管理系统相结合，实现信息化与工业化融合，实现生产全过程控制，为行业其他企业中药制剂成型信息化升级提供借鉴。
发展趋势
数据科学是中医药工业4.0理念的核心组成部分，但目前使用的数据科学应用多为被动式，用于监测或分析，智能程序或算法很少成为实时控制回路的一部分，也很少独自承担关键的主动决策。当今的工业设备技术距离中医药工业4.0和智能制造的目标还很遥远，需要投入更多的精力和资金来弥补行业先进技术水平与我们之间的差距。
中药智能制造的核心是质量数字化，以中药现代化、智能化为基础，利用现代科技手段，解构中药的系统性、复杂性，明确安全、有效、质量可控的中药数字化内涵，以“全产业链质量数字化”为核心，实现现代中药产品研发、工艺数字化设计、过程建模控制、生产可视化管理、产品透明化服务，打造全产业链智能制造平台。见图1。中药智能制造需要采集生产制造数据，在保证信息真实、完整、有效的同时，还要注意信息的安全性和异构系统数据对接的统一规则。信息采集的真实性、数据的完整性和安全性是实现中药智能制造要考虑的重点。另一项新兴技术——区块链技术，保障了数据的安全性，其内容难以篡改。 具有去中心化、数据不可篡改、公开透明、匿名等特点，区块链可与云计算、大数据、物联网等技术相结合，建立中药材追溯体系，是中药材行业的又一次突破性创新，再一次为中药材行业构建信用环境，实现从最初种植到后续所有流通环节的追溯管理，保障中药材质量安全，促进中药材产业蓬勃发展。
在制药行业中的3D打印的申请一直在进行，图2显示了2015年3D打印药物的示意图。首次准备快速效果的避免心脏融合的片剂，并通过质量评估来验证其制备的可行性，随后，在3D打印的快速效果的避免心脏分散片剂的处方优化了，这是对患者的含量进行了大大改善，并降低了对患者的表现，并降低了质量的调整。这在很短的时间内增加了冠状动脉血流，并减轻了对急性心绞痛药物的需求。 基于原始的滴水药剂型的研究，解决了不稳定的组件的损失以及在传统药物技术的制备过程中的需求。 3D印刷后的研究，开发和创新的榜样，为未来的发展提供了想法。
我国传统中医制药行业的现代化过程开始很晚，因此中国医学制药行业和制药技术与世界发展水平之间存在差距，并且存在高能源消耗，严重的污染，例如，诸如较低的综合资源促进了绿色的概念和技术的概念，因此，绿色的概念和技术构成了绿色的概念，因此，该概念是如此。在药品过程中对环境的损害，并最大程度地利用原材料，以实现生产企业的经济和社会益处的协调优化，例如，使用上市品种的二次开发，使用新技术和新方法来改善生产过程，从“中医。药物过程应最大程度地减少能源的使用，开发节能和减少排放技术和设备，同时确保药物的质量和功效。 例如，机械蒸气恢复（MVR）用于相关设备的浓度，次级蒸汽是回收的，企业的能源消耗大大降低从药物残留物中，也可以将药物残留物用作微生物发酵的培养基，例如，瓜尼（Guo Wenying）和其他人使用Coptis Chinensis药物残留物作为发酵基质，并发明了一种抑制植物病原体生物的生长的生物含量。 研究发现，木质纤维素生物量的厌氧发酵可以产生乙酸，丙酸，丁酸，等丁酸，瓣膜酸，瓣膜酸和其他短链脂肪酸，并且可以产生综合方法的一种循环范围，从而产生氢，甲烷，乙醇和其他能量的工厂，这也可以产生氢，甲烷，乙醇和其他能量的范围。中药的制造，因此指出了工业升级的清晰途径。
在生产转型期的每个阶段，中药企业应根据其实际需求寻求平衡，促进中医生产与先进的药物技术的整合和开发，并及时地积累并改善相应的智能制造业水平，并避免使用趋势和制药设备的趋势建议不成熟的技术和设备创新直接将智能设备应用于传统的生产过程，而不是强迫增长。
讨论与展望
传统中药的科学和技术创新受到了高度重视，其战略地位变得更加突出。
坚持保持完整性和创新的思考，通过云计算，物品互联网，大数据和人工智能等尖端的信息技术来完成多个学科和行业的深入交叉融合，贯穿固有的科学研究思维和工业模型，从根本上改善了工业知识的产生，自遗性和利用，并实现了宗教的进步，并加快了人的精神和创造的效率在新水平上的尿道设备，通过协调信息技术的协调，提高效率和质量的协调，增强了中医的绿色智能制造，并促进中医学准备的主要新技术，并促进了整个中国医学工业的效率，并促进了绿色的效率，并提高了良好的发展，并促进了新的中国医学工业的效率，并增强了效率，并提高了绿色的发展中药的有效物质基础，中医质量评估的一致性以及中药临床功效的一致性，并逐渐建立了现代的中药综合技术系统和药品设备系统，并具有中国独特的知识产权，并促进中医通过技术信息化向世界智能制造。
信息技术具有明显的优势，但是我所在国家的中药行业通常是较晚的，如果我们只是引入先进的设备，并强行“嫁接”，这可能会阻碍中国医学公司的转型和升级，而现在，中国医学公司应将自己的生产条件和金融行业升级到数字化，并将其与数字化融合在一起。排卵和升级设备和流程，并通过多样化的投资（例如改进政策和人才培训）逐渐建立智能制造系统，并稳步发展到智能制造时代。
