智能手持移動設備在原料藥生產行業現代化工廠中的應用

馬立鵬，姚 杰，徐煥鋒，蔡 駿，馬浩棟

（浙江中控技術股份有限公司，杭州 310053）

0 引言

近年來，隨著國家經濟的快速發展，人民大眾的生活水平、知識水平的提高，大量的勞動密集型工廠面臨著招工難、人工成本居高不下的問題。大量的精細化工企業，如原料藥生產工廠由于工作環境惡劣，地理位置普遍較偏遠等原因，招工難的問題更為突出。改善工人的生產工作環境，引入更加現代化的工作方式，吸引當代工人投入到傳統行業的生產活動中，是一個龐大而刻不容緩的課題。在國家智能制造2025計劃提出后，依托工業4.0改革的浪潮，筆者有幸參與了原料藥生產工廠的自動化以及智能化生產改造項目，并且在實際生產控制解決方案中引入了移動設備，提升了工廠的生產效率，降低工人的工作強度，為工廠的生產活動帶來更好的智能化體驗[1]。

2010年前后，個人電腦是人們工作生活的核心。大量的資訊、工具通過互聯網傳播，人們使用個人電腦獲取知識，幫助開展工作。個人電腦成為了人們日常生活必不可少的工具。時至今日，以智能手機為代表的智能移動設備在消費級領域已經幫助人們完成了移動化、便攜化的轉變。人們對工具的使用習慣從笨重的個人電腦，轉移到了更加靈巧的個人智能移動設備。這種日常生活上的改變，也逐漸在改變著生產工作的習慣。圍繞著個人電腦的軟件系統已經不能滿足日漸變化的應用市場，人們希望工作環境中的工具、軟件辦公系統也能像生活中一樣便攜、方便，隨時隨地可以幫助開展工作。

智能移動設備的引入，迎合了人們的生活和工作的習慣。使用智能移動設備開展生產工作，不再像以前使用辦公電腦時代那樣需要從生產區域移步到辦公室才能操作專業的軟件系統，使用智能移動設備人們可以隨時隨地對生產系統進行訪問，對生產設備發送控制指令，對生產活動進行記錄。利用移動智能設備，隨時進行工作記錄，甚至一部分機械的記錄行為，不再需要人工進行記錄，人們只需要在系統進行生產活動的結論處進行簽名確認即可。智能移動設備在生產環境的引入，改變了人們的生產工作習慣，改善了車間工人的生產活動的工作強度，有效提高了生產效率。

1 移動智能終端以及制藥自動化、智能化概述

移動智能終端是近年來隨著科技水平的發展而快速發展一種硬件設備，而自動化與智能化則是隨著生產力水平的不斷進步而被越來越重視的工廠建設的指標。

與常規的消費級智能設備如智能手機、平板設備相比，工業級智能設備會根據生產業務內置高性能激光掃描引擎、超高頻RFID、光指紋模塊，部分特殊領域的設備還可以進行公安部備案，提供身份驗證功能。

與一般的流程化工行業不同，制藥行業的自動化一般會在生產安全、工藝穩定、合規性上提出更多的要求，甚至為了應對不同的出口要求，需要使用不同的生產流程以及工藝控制，給自動化控制系統提出了更高的要求。

制藥行業為了應對合規性的挑戰，在數據完整性、生產可追溯上會提出更多的要求。通過車間物聯網、生產自動化、記錄無紙化、數據透明化，配合大數據、數據挖掘技術可以為生產決策提供輔助建議，實現生產的智能化。

2 制藥自動化、智能化的優越性

自動化技術作為一種較為成熟的系統工程技術方案，在常規的離散工業、流程工業中有著較好的應用。制藥行業的自動化方案會依托自動化控制系統、各類傳感設備、控制器等實現對工藝流程和工藝參數的控制，實現生產的自動化。在工藝相對穩定的生產活動中，自動化技術可以顯著提高產量，提升效益，并且可以代替人工參與高危、高污染的生產活動，極大改善了一線工作人員的生產環境[2]。

制藥行業只能有選擇地實現生產智能化，主要表現為利用信息化系統實現生產數據無紙化，進而保證數據完整性、生產記錄可追溯。

3 移動化的優勢

移動化作為近年來新掀起的改革浪潮，在生產生活中有著大量的應用，利用特定的智能終端設備完成生產活動、生產檢查等工作。移動設備作為傳統計算機的替代品，擁有以下優勢：

1）移動設備往往不需要有線網絡，且自帶蓄電池，可以脫離電源進行工作，生產區域不需要額外再做電路改造，減少了硬件改造成本，同時也降低了由于改造帶來的環境風險。移動設備的價格較之常規的計算機有較大的優勢，就目前市面上來說，相同規格的防爆要求的移動設備價格一般只有同類計算機的三分之一，甚至更低。

2）市面上主流的應用于工業生產的移動設備可拓展模塊豐富，一般會配備標準協議的藍牙、超高頻RFID，適用于生產環境的掃碼引擎，提供了基礎實現的指紋模塊。這些模塊可以配合各類定制硬件、條碼、管理體系，大大減少一線工人的設備操作量。通過對預制的條碼掃描，配合生產管理系統的數據推送，降低了錯錄、少錄的概率，保證了數據的真實和完整，保證生產過程可控、有序。

移動設備的可定制化（主要體現在可以加裝各個標準模塊），使得設備更加適應特定的生產活動。在有大量粉塵或者易燃易爆的生產場景中，可以加裝防爆外殼；在倉庫、質檢等場景中，可以加裝掃碼引擎來實現快速錄入、核對工作；在常規的實驗室或者中控室中，可以放棄模塊的加裝，來節省設備費用。

在非生產活動中，例如巡檢，移動設備可以結合GPS定位、藍牙網管、WiFi點完成智能巡檢，免去以往巡檢中需要攜帶點打卡器、攝像機等設備的困擾。而且可以配合巡檢系統，動態規劃路線，及時了解巡檢情況。

4 移動終端在智能藥廠生產中的應用

常規的配有移動設備的軟件服務架構可以參考圖1。移動設備可以作為B/S架構系統中客戶端，代替常規的PC客戶端來參與生產活動過程。其中，APPServer和WebServer通過消息中間件（MQ）、標準WebService協議接口負責與MES、ERP系統進行信息交互，用于接收生產指令、報送生產過程。而PC客戶端（H5）、移動設備（安卓）作為操作終端，提供人機交互界面，對生產過程進行控制[3]。

圖1 智能化車間軟件的基本架構Fig.1 Basic architecture of intelligent workshop software

與常規的PC客戶端不同，移動設備為了考慮設備本身的重量、續航、一體化以及模塊的定制，拋棄了常規的鍵盤鼠標等輸入設備，帶來了操作的差異。為了平衡性能和續航，選擇使用了更低功耗和性能的CPU、內存等設備元件。一般來說，移動設備的應用可能會遇到以下難點和風險：

1）車間生產環境惡劣或生產環境要求嚴格，要求移動設備具備防爆、防塵、防水等特性，并且按照國家法規要求，移動設備的生產商需要取得相應的資質，大大縮小了設備的選擇范圍，提高了設備的平均價格。

2）一線工人由于年齡、學歷等問題無法較好地適應使用移動設備代替傳統的紙質記錄，甚至產生抵觸情緒。

生產過程中，要求信息傳遞及時、準確、可靠，而常規的移動設備通過標準HTTP協議進行消息傳遞，無法做到及時性。

3）移動設備由于本身的性能問題，無法承載大量的數據計算以及頁面渲染。

4）不同系統的業務接口協議、鑒權機制不同，甚至有些服務由于本身年代久遠，無法提供標準的WebService，帶來了更多的集成難度和工作量。

5）信息化系統需要應對國內GxP法規的挑戰。

綜合以上風險，為了真正實現移動設備的“無憂”使用，存在以下技術和管理兩大難點：

第一，技術難點。由于信息化系統架構和功能的復雜性，大量業務操作導致系統本身的學習成本直線上升，應注意對軟件在移動設備上的優化，提升軟件的易用性，減少主動輸入的行為，減少由輸入操作帶來的操作風險。同時應該注意保證軟件的穩定性，減少由于系統原因導致的生產中斷。技術難點是軟件供應商必須解決的問題。

第二，管理難點。由于移動設備的特殊性，移動設備的應用需要克服一線操作抵觸以及設備挪用問題。需要生產車間出具相應的管理體系和方案并加以落實，生產車間應當注意對操作工的疏導和培訓工作。

移動設備的功能模塊可以參考圖2，移動設備作為軟件終端，額外著重開發了以下模塊或功能：

圖2 移動設備軟件的基本架構Fig.2 Basic architecture of mobile device software

a）考慮使用附帶指紋功能的移動設備，開發對應的指紋模塊，應用于登錄模塊和電子簽名模塊的用戶認證，可以通過對開源項目Sourceafis的改造，實現指紋的遠程驗證、加密、同步功能[4]。

b）應對車間復雜、惡劣的生產環境，為了提高一線工人的使用效率，使用光電掃碼模塊，配合條碼管理，減少用戶輸入。同時，為了減少設備硬件的強依賴以及考慮模塊損壞的情況，可以基于ZXing開發攝像頭掃碼模塊，用于支持更多的常規移動設備。

c）為了保證系統中消息傳遞的及時性，在常規的HTTP協議的WebService之外，還使用了WebSocket，完成消息的收發功能。額外地開發了線程安全的消息隊列和消息清洗機制，實現了消息的高效推送和頁面渲染。

d）提供了操作站管理模塊，加強對參與生產的移動設備的管理。同時，為了保證設備信息的安全性，在本地I/O組件中，添加了基于AES的加密模塊，用于加密指紋信息以及設備的標志信息，實現設備的定點使用。

移動設備的軟件設計。作為執行終端，可能通過讀寫位號的方式直接控制現場生產設備的直接參與生產的設備，在軟件設計上，應該注意以下幾點：

為了保證操作的可靠性和有效的權限驗證，可以選擇使用指紋、人臉識別等方式來進行權限驗證，甚至可以通過搭配外部攝像頭、藍牙模塊來實現記錄操作過程的視頻記錄。

作為一線生產設備，軟件本身可以通過條碼掃描、超高頻RFID等識別技術，通過內置配置等手段來減少輸入，降低由輸入錯誤導致的業務風險。

選擇使用標準的WebService協議，以應對不同系統的接口差異。在需要高實時性的數據交互場景中，可以選擇使用WebSocket+HTTP的方式來完成交互，保證網絡I/O的通暢。

為了保證執行的效率，應當盡量減少在移動設備上進行大量運算，同時也應當避免大量的磁盤I/O。

對于不確定的業務，可以選擇核心頁面Web化，通過H5等相關技術來實現業務的在線更新。對于部分性能要求較高的業務，可以通過配合熱更新、增量更新的方式來實現。

5 結束語

在全球經濟進步和互聯網快速發展的今天，越來越多的業務提供了移動設備的支持。在自動化以及智能化的改革浪潮下，國內藥廠的改革工作也在摸索中前行。移動設備為制藥行業工廠提供了終端輸入和輸出，貼合人們的日常使用體驗，配合物聯網、5G等前沿技術，允許工人在移動設備上接入到自動化智能化生產環境中，對生產過程進行監控，大大減少了工廠的設備成本、人工成本，提升了生產效率以及用戶體驗。