基于数字孪生技术打造无人化数字药厂

随着科技的不断进步，制药行业面临着提高生产效率、确保药品质量一致性、降低成本以及满足严格监管要求等多重挑战。数字孪生技术的出现为制药企业提供了创新的解决方案，通过创建物理药厂的虚拟数字模型，实现对生产过程的实时监控、优化与控制，推动药厂向无人化方向发展，开启制药行业智能制造的新篇章。

1 数字化工厂技术

数字化工厂是指由工厂建设阶段产生的数字化的静态信息、运维阶段产生的数字化的动态信息和基于工厂对象的关联关系构成，并通过三维可视化和虚拟仿真技术对工厂进行数字化模拟和全生命周期的数字化管理。数字化工厂信息由工厂建设阶段的数字化静态信息和运维阶段产生的数字化动态信息构成。

数字化移交是对工程建设阶段产生的静态信息进行数字化创建至移交的工作过程，涵盖信息交付策略制定、交付基础制定、信息交付方案制定、信息整合与校验、信息移交和信息验收。

数字孪生是一种利用数字化手段对物理实体或系统进行全面、精确建模的技术。它通过实时采集物理对象的数据，并在虚拟模型中进行模拟、分析和预测，实现物理世界与虚拟世界的双向映射与交互，为决策提供准确依据。图 1 为数字化工厂系统的组成部分，不难看出数字化交付和数字孪生技术是数字化工厂的重要组成部分。

图1 数字化工厂系统

2 数字化药厂的布局

无人化数字药厂的布局规划是基于数字化工厂技术实现的，数字化工厂技术是利用计算机和网络实现产品生命周期中的设计、制造、装配、质量控制和检验等功能，可在计算机虚拟环境中对整个生产过程进行仿真、评估和优化，从而解决由产品的设计到制造现实的转化过程，并大大缩短从设计到生产的转换时间。

数字化工厂是建立在模型基础上的数字孪生，区别于传统的三维建模技术，数字孪生技术可以实现三维模型的高度实时渲染。所有的模型最终全部导入数字孪生平台中，呈现的是虚拟的车间全景，具有高度的交互性，可以对空间布局的任何调整进行实时的响应；同时具备漫游的功能，按照设定的路径漫游展示车间的各个区域布局，方便工程人员观察、检验车间布局的合理性；利用数字孪生强大的交互功能，在虚拟的车间环境下，工程人员可以对现有的车间布局方案进行评估和优化。

3 数字化药厂的实施案例

此项目以数字化交付的理念和技术，建立工厂统一的数据库交付平台，将数字化工厂全生命周期数据存放在同一个数据库中，实现工厂生命周期的数据一致性管理。同时数据库交付平台是一个开放系统架构，具有多种系统接口，可与众多第三方系统建立连接，从而建立一个持续优化、全面

协同的工厂全生命周期管理系统。

建立数字化交付平台，完成数字化工厂数据库的建立。

数字化工厂的数据建立、转制和录入，及其 3D 建模和虚拟现实3D 演示的开发以及 3D 工程设计。

图2 流程与 3D 模型关联图

为使药企在生产运行时，能够从不同视角方便、准确、及时的透视海量的生产运行数据，利用成熟的数字化技术，以某项目数字化交付平台及生产运营数据为基础，通过对每个净化车间的三维仿真 + 定制化数据挖掘和展示，用场景孪生、数据孪生两种方式实现虚拟工厂与现实工厂的相互映射，使企业管理层能够随时随地的利用虚拟工厂实时把握或事后回顾整个现实世界的生产运营情况，为企业精益化管理提供大数据支撑。

（1）场景孪生的方式：通过生产区的三维动态仿真、利用该项目已有的生产运行数据 + 定制化数据挖掘分析，以实时或“ 数字电影回放” 的方式展示：净化区内的每个批次的生产过程及相关的人机料法环等数据。

（2）数据孪生的方式：利用该项目已有的生产运行数据，通过曲线、饼状图、柱状图、图表并辅以三位模型等，静态、综合展示：生产过程的人机料法环等数据。

4、结论

数字孪生技术为打造无人化数字药厂提供了强大的技术支撑和创新动力。通过构建完善的架构体系和实现多种功能应用，无人化数字药厂在提高生产效率、保障药品质量、降低成本等方面展现出显著优势。尽管面临技术集成、数据安全和人才短缺等挑战，但随着应对策略的实施和技术的持续进步，数字孪生技术在制药行业的应用前景广阔，有望引领制药企业实现智能化转型升级，推动整个制药产业的高质量发展。实践证明： 数字化工厂技术是辅助新厂建设以及车间改造的有效工具，通过构建三维的交互虚拟环境，从而为布局评估和优化提供依据。未来的研究方向是实现静态的虚拟车间向更加真实的动态的虚拟车间的升级，不仅反映车间里各元素的空间布局位置，同时能实现各运动单元的运动，为布局规划方案的评估和优化提供更真实可靠的依据。

参考文献

[1] 邢帆. 数字孪生技术或助智能制造加速发展[J]. 中国信息化，2018（4）：1.

[2]陶飞，刘蔚然，刘检华，等.数字孪生及其应用探索[J].计算机集成制造系统，2018，24（1）：1-18.