智能手持移动设备在原料药生产行业现代化工厂中的应用

马立鹏，姚 杰，徐焕锋，蔡 骏，马浩栋

（浙江中控技术股份有限公司，杭州 310053）

0 引言

近年来，随着国家经济的快速发展，人民大众的生活水平、知识水平的提高，大量的劳动密集型工厂面临着招工难、人工成本居高不下的问题。大量的精细化工企业，如原料药生产工厂由于工作环境恶劣，地理位置普遍较偏远等原因，招工难的问题更为突出。改善工人的生产工作环境，引入更加现代化的工作方式，吸引当代工人投入到传统行业的生产活动中，是一个庞大而刻不容缓的课题。在国家智能制造2025计划提出后，依托工业4.0改革的浪潮，笔者有幸参与了原料药生产工厂的自动化以及智能化生产改造项目，并且在实际生产控制解决方案中引入了移动设备，提升了工厂的生产效率，降低工人的工作强度，为工厂的生产活动带来更好的智能化体验[1]。

2010年前后，个人电脑是人们工作生活的核心。大量的资讯、工具通过互联网传播，人们使用个人电脑获取知识，帮助开展工作。个人电脑成为了人们日常生活必不可少的工具。时至今日，以智能手机为代表的智能移动设备在消费级领域已经帮助人们完成了移动化、便携化的转变。人们对工具的使用习惯从笨重的个人电脑，转移到了更加灵巧的个人智能移动设备。这种日常生活上的改变，也逐渐在改变着生产工作的习惯。围绕着个人电脑的软件系统已经不能满足日渐变化的应用市场，人们希望工作环境中的工具、软件办公系统也能像生活中一样便携、方便，随时随地可以帮助开展工作。

智能移动设备的引入，迎合了人们的生活和工作的习惯。使用智能移动设备开展生产工作，不再像以前使用办公电脑时代那样需要从生产区域移步到办公室才能操作专业的软件系统，使用智能移动设备人们可以随时随地对生产系统进行访问，对生产设备发送控制指令，对生产活动进行记录。利用移动智能设备，随时进行工作记录，甚至一部分机械的记录行为，不再需要人工进行记录，人们只需要在系统进行生产活动的结论处进行签名确认即可。智能移动设备在生产环境的引入，改变了人们的生产工作习惯，改善了车间工人的生产活动的工作强度，有效提高了生产效率。

1 移动智能终端以及制药自动化、智能化概述

移动智能终端是近年来随着科技水平的发展而快速发展一种硬件设备，而自动化与智能化则是随着生产力水平的不断进步而被越来越重视的工厂建设的指标。

与常规的消费级智能设备如智能手机、平板设备相比，工业级智能设备会根据生产业务内置高性能激光扫描引擎、超高频RFID、光指纹模块，部分特殊领域的设备还可以进行公安部备案，提供身份验证功能。

与一般的流程化工行业不同，制药行业的自动化一般会在生产安全、工艺稳定、合规性上提出更多的要求，甚至为了应对不同的出口要求，需要使用不同的生产流程以及工艺控制，给自动化控制系统提出了更高的要求。

制药行业为了应对合规性的挑战，在数据完整性、生产可追溯上会提出更多的要求。通过车间物联网、生产自动化、记录无纸化、数据透明化，配合大数据、数据挖掘技术可以为生产决策提供辅助建议，实现生产的智能化。

2 制药自动化、智能化的优越性

自动化技术作为一种较为成熟的系统工程技术方案，在常规的离散工业、流程工业中有着较好的应用。制药行业的自动化方案会依托自动化控制系统、各类传感设备、控制器等实现对工艺流程和工艺参数的控制，实现生产的自动化。在工艺相对稳定的生产活动中，自动化技术可以显著提高产量，提升效益，并且可以代替人工参与高危、高污染的生产活动，极大改善了一线工作人员的生产环境[2]。

制药行业只能有选择地实现生产智能化，主要表现为利用信息化系统实现生产数据无纸化，进而保证数据完整性、生产记录可追溯。

3 移动化的优势

移动化作为近年来新掀起的改革浪潮，在生产生活中有着大量的应用，利用特定的智能终端设备完成生产活动、生产检查等工作。移动设备作为传统计算机的替代品，拥有以下优势：

1）移动设备往往不需要有线网络，且自带蓄电池，可以脱离电源进行工作，生产区域不需要额外再做电路改造，减少了硬件改造成本，同时也降低了由于改造带来的环境风险。移动设备的价格较之常规的计算机有较大的优势，就目前市面上来说，相同规格的防爆要求的移动设备价格一般只有同类计算机的三分之一，甚至更低。

2）市面上主流的应用于工业生产的移动设备可拓展模块丰富，一般会配备标准协议的蓝牙、超高频RFID，适用于生产环境的扫码引擎，提供了基础实现的指纹模块。这些模块可以配合各类定制硬件、条码、管理体系，大大减少一线工人的设备操作量。通过对预制的条码扫描，配合生产管理系统的数据推送，降低了错录、少录的概率，保证了数据的真实和完整，保证生产过程可控、有序。

移动设备的可定制化（主要体现在可以加装各个标准模块），使得设备更加适应特定的生产活动。在有大量粉尘或者易燃易爆的生产场景中，可以加装防爆外壳；在仓库、质检等场景中，可以加装扫码引擎来实现快速录入、核对工作；在常规的实验室或者中控室中，可以放弃模块的加装，来节省设备费用。

在非生产活动中，例如巡检，移动设备可以结合GPS定位、蓝牙网管、WiFi点完成智能巡检，免去以往巡检中需要携带点打卡器、摄像机等设备的困扰。而且可以配合巡检系统，动态规划路线，及时了解巡检情况。

4 移动终端在智能药厂生产中的应用

常规的配有移动设备的软件服务架构可以参考图1。移动设备可以作为B/S架构系统中客户端，代替常规的PC客户端来参与生产活动过程。其中，APPServer和WebServer通过消息中间件（MQ）、标准WebService协议接口负责与MES、ERP系统进行信息交互，用于接收生产指令、报送生产过程。而PC客户端（H5）、移动设备（安卓）作为操作终端，提供人机交互界面，对生产过程进行控制[3]。

图1 智能化车间软件的基本架构Fig.1 Basic architecture of intelligent workshop software

与常规的PC客户端不同，移动设备为了考虑设备本身的重量、续航、一体化以及模块的定制，抛弃了常规的键盘鼠标等输入设备，带来了操作的差异。为了平衡性能和续航，选择使用了更低功耗和性能的CPU、内存等设备元件。一般来说，移动设备的应用可能会遇到以下难点和风险：

1）车间生产环境恶劣或生产环境要求严格，要求移动设备具备防爆、防尘、防水等特性，并且按照国家法规要求，移动设备的生产商需要取得相应的资质，大大缩小了设备的选择范围，提高了设备的平均价格。

2）一线工人由于年龄、学历等问题无法较好地适应使用移动设备代替传统的纸质记录，甚至产生抵触情绪。

生产过程中，要求信息传递及时、准确、可靠，而常规的移动设备通过标准HTTP协议进行消息传递，无法做到及时性。

3）移动设备由于本身的性能问题，无法承载大量的数据计算以及页面渲染。

4）不同系统的业务接口协议、鉴权机制不同，甚至有些服务由于本身年代久远，无法提供标准的WebService，带来了更多的集成难度和工作量。

5）信息化系统需要应对国内GxP法规的挑战。

综合以上风险，为了真正实现移动设备的“无忧”使用，存在以下技术和管理两大难点：

第一，技术难点。由于信息化系统架构和功能的复杂性，大量业务操作导致系统本身的学习成本直线上升，应注意对软件在移动设备上的优化，提升软件的易用性，减少主动输入的行为，减少由输入操作带来的操作风险。同时应该注意保证软件的稳定性，减少由于系统原因导致的生产中断。技术难点是软件供应商必须解决的问题。

第二，管理难点。由于移动设备的特殊性，移动设备的应用需要克服一线操作抵触以及设备挪用问题。需要生产车间出具相应的管理体系和方案并加以落实，生产车间应当注意对操作工的疏导和培训工作。

移动设备的功能模块可以参考图2，移动设备作为软件终端，额外着重开发了以下模块或功能：

图2 移动设备软件的基本架构Fig.2 Basic architecture of mobile device software

a）考虑使用附带指纹功能的移动设备，开发对应的指纹模块，应用于登录模块和电子签名模块的用户认证，可以通过对开源项目Sourceafis的改造，实现指纹的远程验证、加密、同步功能[4]。

b）应对车间复杂、恶劣的生产环境，为了提高一线工人的使用效率，使用光电扫码模块，配合条码管理，减少用户输入。同时，为了减少设备硬件的强依赖以及考虑模块损坏的情况，可以基于ZXing开发摄像头扫码模块，用于支持更多的常规移动设备。

c）为了保证系统中消息传递的及时性，在常规的HTTP协议的WebService之外，还使用了WebSocket，完成消息的收发功能。额外地开发了线程安全的消息队列和消息清洗机制，实现了消息的高效推送和页面渲染。

d）提供了操作站管理模块，加强对参与生产的移动设备的管理。同时，为了保证设备信息的安全性，在本地I/O组件中，添加了基于AES的加密模块，用于加密指纹信息以及设备的标志信息，实现设备的定点使用。

移动设备的软件设计。作为执行终端，可能通过读写位号的方式直接控制现场生产设备的直接参与生产的设备，在软件设计上，应该注意以下几点：

为了保证操作的可靠性和有效的权限验证，可以选择使用指纹、人脸识别等方式来进行权限验证，甚至可以通过搭配外部摄像头、蓝牙模块来实现记录操作过程的视频记录。

作为一线生产设备，软件本身可以通过条码扫描、超高频RFID等识别技术，通过内置配置等手段来减少输入，降低由输入错误导致的业务风险。

选择使用标准的WebService协议，以应对不同系统的接口差异。在需要高实时性的数据交互场景中，可以选择使用WebSocket+HTTP的方式来完成交互，保证网络I/O的通畅。

为了保证执行的效率，应当尽量减少在移动设备上进行大量运算，同时也应当避免大量的磁盘I/O。

对于不确定的业务，可以选择核心页面Web化，通过H5等相关技术来实现业务的在线更新。对于部分性能要求较高的业务，可以通过配合热更新、增量更新的方式来实现。

5 结束语

在全球经济进步和互联网快速发展的今天，越来越多的业务提供了移动设备的支持。在自动化以及智能化的改革浪潮下，国内药厂的改革工作也在摸索中前行。移动设备为制药行业工厂提供了终端输入和输出，贴合人们的日常使用体验，配合物联网、5G等前沿技术，允许工人在移动设备上接入到自动化智能化生产环境中，对生产过程进行监控，大大减少了工厂的设备成本、人工成本，提升了生产效率以及用户体验。