制药4.0：工厂制造的未来蓝图：实现数据驱动的品质提升、效率加速与灵活响应的四个阶段

为何选择制药4.0？ 为何选择制药4.0？ 日益上涨的成本和激烈的市场竞争，正迫使制药企业精简并现代化改造其生产环境。为此，企业运营必须具备以下几方面能力： 国际制药工程学会（ISPE）将上述各项能力的实现统称为“制药4.0” “制药行业应如何采纳并应用工业4.0？”制药4.0回应了这一问题。其目标是提升质量、效率，并在质量体系 利用预测性分析，主动解决问题 内实现合规性的自动化集成。为实现此目标，关键在于制定一套整体控 制策略，通过数字化技术（将信息转换成计算机可读格式）对整个价值网络进行实时评估，从而优化管理决策。1 为何选择制药4.0？ 制药4.0将数字创新融入整个制造生命周期，通过自动化、人工智能和持续改进，打造具备连续性、自主性和自修复能力的未来工厂。据ISPE的一项调查显示： 30%的公司尚未在组织内部开展制药4.0行动。 50%的公司处于起步或试运行阶段。 为何选择制药4.0？ 制药4.0旨在最终实现整个制造过程环境的自动化与精益化，但实施需分步进行。 实现制药4.0的四个阶段 过去，技术可靠性、资源和数字技能的局限性延缓了制药制造业的数字化进程。2分步实施能有效降低风险，同时培育价值文化、提升技能、夯实技术基础，推动企业可持续发展。本文档介绍了制药4.0的实践路径，以帮助您： 数字孤岛 数字融合 为持续投资提供商业案例 获得竞争优势 市场前景展望 竞争加剧、市场变局与挑战并存 制药领域的竞争正愈演愈烈。密集频繁的新品发布不仅稀释了产品价值，也缩短了产品建立市场地位的窗口期。上市时机是成败关键。滚动每个转轮，以了解更多信息。 当下，制造商面临的挑战是即便只生产单一产品，也必须加速生产。 性，需要员工对生产线进行重新配置、执行变更管理，并对每一款产品的系统进行重新验证。这些步骤都必须严格按照标准操作规程执行，涉及人工审查和设备维护等环节，这无疑会拖长整体生产时间。 制药4.0解锁超高效制造制药4.0之旅 制药企业面临的五大核心挑战 历史数据管理 应对方案 挑战 •生产制造环节仍大量依赖人工操作、纸质清单和手写记录。•现有的“数字化”信息往往缺乏统一规范，呈现碎片化状态，并被局限在各自独立的数据孤岛中。•数据获取困难重重，查阅目的可能仅限于验证结果，而非为未来的决策提供有效依据。 •建立一个数据本体，能够定义并梳理各要素间的关联，进而形成一个统一的框架，以实现在不同系统和数据库间采集、结构化和集成数据。•FAIR（可查找、可访问、可互操作、可重用）框架性原则提供了行动指南，确保数据更具价值、更易于获取，从而为分析和决策提供支持。 制药企业面临的五大核心挑战 历史数据管理 应对方案•为简化根本原因分析和质量管控，需要借助数字化手段来支持标准 挑战•制造商必须通过产品测试、工艺验证和文档记录，确保每一批产品均 化和自动化的工作流及任务。•数字化文件可简化维护记录的管理、质量控制检测，并提供符合法规要求的证明。 达到质量及法规要求。这些环节无疑增加了时间、成本与风险。•手动录入关键绩效指标（KPI）会进一步拖慢生产效率。•一旦产品质检不合格，必须进行根本原因分析并采取补救措施，以避免影响后续生产批次，这一过程往往造成大量的时间与材料浪费。•违规行为可能面临食品药品监督管理局（FDA）的处罚，如程序缺失、校准不彻底以及维护步骤不到位。7•不合规可能导致生产中断，复工耗时且困难，并引发更频繁的审查，需要为之投入更多时间和精力进行监管。 制药企业面临的五大核心挑战 历史数据管理 应对方案 挑战 •此类工作流需要进行更多批次记录审查、设备清洗和生产线调整等操作。•依赖于人工操作的流程难以扩展并适应不断增长的市场需求。这可能影响当前市场份额，并带来高昂的研发成本，利润空间有限。数字化转型能够简化相关任务，以缩短新产品制造所需的重新配置和设备组装时间，并能：•简化KPI（关键绩效指标）管理•支持多产品线操作运营，实现快速重组•最大限度地降低错误发生和数据丢失风险 制药企业面临的五大核心挑战 历史数据管理 应对方案 挑战 •通过自动化提升运营效率，让资深员工从事专业性更强的任务，并为新员工提供更多培训时间。•数字化转型有助于提升整体生产力，填补知识空白。•数字化平台和远程协作工具实现了无缝沟通和知识共享。•让经验丰富的员工能够随时随地指导培养新员工。 •随着科技的不断进步，市场对具备专业技能的人才需求日益旺盛。 制药企业面临的五大核心挑战 历史数据管理 应对方案 挑战 •先进的数据分析能力支持预测性维护，有助于更高效地分配资源，并降低因停机风险产生的成本。•数字孪生技术能够优化设施规划与设计，从而减少建设成本并提升投资回报率。 影响。 制药4.0解锁超高效制造 打造超高效制造环境 制药4.0通过自动化、连续化生产和数据驱动运营，彻底改变制药生产模式。 借助统一的数据和互联工具，制造商能够利用物联网(IoT)、人工智能和机器学习(ML)实现： 制药4.0如何提升效率 整合数据1 增强人员能力 将供应链、工厂和患者数据进行全面整合，建立信任并提高透明度。 通过部署现代化的数据采集、数据完整性和管理系统，制造商可以为决策和自动化创建单一真实数据来源。这进一步改善了网络安全水平，实现了端到端可追溯性，并有助于保护知识产权。 过程，并支持持续改进。•集成数据构成高级分析的基础，驱动预测能 -根本原因分析以及纠正与预防措施 （CAPA）-合规性，以更好的保证质量，更快地解决生产问题。 力和自动化发展。 制药4.0如何提升效率 整合数据1 增强人员能力2 制药4.0有助于解决技能短缺问题，并提升员工敬业度与留任率。通过为员工配备数字化工具和自动化技术，制药企业可以实现运营转型，提高效率，并在竞争中保持领先地位。 使员工更容易适应不断变化的生产要求。•将专业知识和现场经验融入数字化工作流 让员工更快地掌握复杂操作和维护技能，从而提高其工作效率和安全性。•将标准操作规程融入工作流程，实现无 程，可以保护企业中有价值的知识，同时确保操作规范化。 纸化记录，规避人为操作失误。 制药4.0如何提升效率 整合数据1 增强人员能力 制药4.0赋能企业在产品整个生命周期中获得全局洞察和持续优化，有助于消除部门间的隔阂，以减少浪费并缩短交付周期。 产过程中的物料追踪，确保质量一致性和更高收率。•统一协调过程控制，并通过所有生产事件 够及早发现生产质量问题，更快速、更准确地把控质量。利用过程分析技术（PAT）对这些属性进 数据的单一视图，实现多产线、配方控制过程的自动化。这有助于自动生成完整且可审计的电子批次记录，更简单的满足合规性要求。 行分析和建模，并自动调整工艺参数以避免产品报废。 制药4.0如何提升效率 增强人员能力 整合数据 1 数字化技术能够简化运营并优化性能。通过将现实世界与虚拟数据深度融合，创建实时数字孪生，企业能够显著加快设计与建设周期，有效规避潜在风险，并大幅提升团队协作效率。我们的目标是使用开放的、即插即用的物联网架构，打造一个可操作性的数字孪生系统，从 而建立一个统一的数据枢纽。随着扩展现实XR（涵盖增强现实、虚拟现实和混合现实）技术的蓬勃发展，制造商如今已能 自如地在物理与虚拟世界之间无缝切换，开展创新工作。•实时资产监测能更快地发现异常。•以软件为中心的灵活单元操作加快生产线 •借助于预测性分析，企业能在故障发生前采取缓解措施，进而优化资产表现并延长其有效寿命。 调整与产品转换速度，这不仅大幅提升了设备整体效率（OEE），还有效降低了重复验证的需求。 制药4.0如何提升效率 整合数据 增强人员能力 将机器人和协作机器人整合到生产流程中，通过提升精度、效率和生产力，最大限度地发挥其投资价值。机器人和协作机器人可以帮助企业： 造周期。•通过最大限度地减少人员与生产环节的接触， 质量始终如一。•自动化执行有一定危险、敏感且劳动密 降低生物污染风险，防止污染物进入生产设备。 集型任务，减轻员工体力负担，提高安全性，并使员工能专注于更复杂的作业。 制药4.0之旅 制药4.0助力制造商从容应对日益复杂的法规和市场挑战，从而提升竞争力。然而，每家企业的转型之路都独具特色。 我们梳理出四个阶段，旨在展现普遍的成熟度特征，并为迈向更高水平提供转型思路。 制药4.0之旅 传统制造时代面临的挑战 行动建议•将海量数据数字化 情境描述制造商普遍依赖人工和纸质流程，自动化程度较低，仅配备基础的可 编程逻辑控制器。 •质量问题难以有效诊断和纠正•合规管理工作耗费大量人力•缺乏足够的资源和精力用于转型，只能采取缓慢渐进的改进方式 制药4.0之旅 客户获益 转型升级的路线图。 制药4.0之旅 情境描述 行动建议 迈向第二阶段 人工操作流程混杂并行。•批次记录可能为半电子化，且本地系统集成 提高效率的项目•跟踪关键绩效指标，如设备正常运行时间、生产周期和成品率•专注于数据标准化，以挖掘更大价值，并为高级分析铺平道路•在可行的情况下，将人工流程转换为自动化•实施电子批记录，并实现数据数字化•对接本地批次配方系统与设备自动化系统•简化按需分析和人工数据分析流程•采用标准化数据和应用框架 续见下页> 度有限•分析工作仅在问题发生后以人工方式进行，而非用于主动决策•缺乏集成导致无法获取全局视图，从而引发效率低下和质量不稳定 制药4.0之旅 客户获益选择具备自动化数据采集功能的设备，有助于监测性能并及早发现问题。 早期实施“制药4.0”项目，已充分展现自动化的价值： •具备数据采集功能的自动化设备，以更低风险带来显著效益 •升级到内置传感器可加快数据访问速度，实现预测性维护和问题预警 制药4.0之旅 行动建议 情境描述 线或设备组的性能。关注设备性能及其对质量、速度和产量的影响。•借助电子批次记录，简化质量保证和合规 •连接工艺模块与数据库接口，助力提升企业制 药4.0能力•利用即用型模板，简化控制部署，减少工程投•整合数据，实现对流程的全面视图，辅助更优•促进运营与IT部门协作，共同决定需监测与共享的数据，以改善绩效表现续见下页> 性流程，并通过标准化平台保障数据安全共享•逐步实现垂直整合，将企业资源计划、实验室执行系统、实验室信息管理系统、制造执行系统和自动化系统集成打通•采用与开放自动化标准兼容的预验证操作入决策 制药4.0之旅 客户获益 •互联设备，逐步淘汰老旧技术•标准模板，简化控制部署，减少工程投入•利用标准化接口与互联数据，提供更清晰的流程视图，辅助更优决策•信息技术(IT)与运营技术(OT)融合•系统与数据，采用云优先策略 制药4.0之旅 传统制造时代面临的挑战 行动建议新项目侧重于： 情境描述企业逐渐向具备普遍实时预测分析能力的 迈向第四阶段 一体化工厂网络迈进。 遍应用•确保系统零停机（包括升级），并助力过程持续演进•将在线、实时、连续、闭环的过程验证与控制，以及自动化实时质量保证作为标准实施 的电子批次记录，并应用仿真与增强现实技术。•带有可视化功能的数据仪表板，提供即时趋势分析访问，让员工能够在正确的时间和地点，基于正确的数据做出明智决策。 制药4.0之旅 客户获益通过与外部伙伴的集成，构建高度互联的智能工厂，全面提升端到端供应链的可 见性。•线上/近线质量检测与实时发布得以实现 •数字孪生技术助力更快速的流程建模与持续改进•人工智能和机器学习赋能预测能力，使制造商能够在生产或质量问题发生之前预先识别并加以解决•整合产品研发与制造，实现两种职能之间数据和知识的无缝传输，从而提升效率并加速产品上市 制药4.0之旅 传统制造时代面临的挑战 客户获益 情境描述 完整的价值链集成，确保数据和物料在整个供应链中无缝流转。•模块化与连续性生产模式，支持仪器设