第一章 绪论
1.1 研究背景及意义
1.1.1 研究背景
随着经济社会的快速发展，人民对美好生活的向往开始从追求物质生活转变成对精神生活的追求，而药品是保证人民在追求美好生活过程中的一个重要前提，现阶段我国是一个制药大国，但还不是一个制药强国，截止到 2017 年我国国内医药工业销售收入已达 32651 亿元如图 1- 1 所示，2010-2017 年复合增速达 17.2%，药品生产经营企业达到了 46.56 万，全国经评审合格，拥有药品生产许可证的企业约 6802家[1, 2]。
虽然我国药品生产企业种类数量多、销售销售收入高，但也无法掩盖目前创新能力弱、仿制药或生物类似药疗效差异大、管理水平低、自动化程度低、生产效率低等，距离发达国家这样的真正制药强国还有很长的一段路要走。《健康中国 2030》指出，要加快加大对创新药（医疗器械）和临床急需新药（医疗器械）的投入，从全面发展的角度提高药品生产质量和药品疗效、加大研发的创新投入、利用现代信息技术推广药品生产管理理念、全面加强药品监管，形成全品种、全流程的监管链条[3]，推动药品生产企业的全面高速创新发展。
物联网（Internet of Things, IoT）作为一项近几十年快速发展起来的一项新技术，在生产制造领域的应用有效实现了对动态生产过程的监控与反馈，利用近场通讯技术、射频识别技术（RFID）、卫星定位导航、图像人脸识别、传感器技术探测等技术，极大提高了生产系统生产效率和管理水平。2011 年 4 月德国政府正式提出“工业 4.0”战略之后，不久奥巴马政府便提出投资 10 亿美元建立属于美国“工业互联网”标准，中国政府在 2015 年 3 月第十二届全国人大三次会议政府工作报告中，由国务院总理李克强首次提出中国的制造业要迈向中高端，实施“中国制造 2025”的宏大计划[6]，随后亚洲的日本国家及欧洲的相应国家也相继提出了相类似规划。从美国的“工业互联网”、德国的“工业 4.0”、及“中国制造 2025”都需要物联网技术的支撑，本次工业革命或信息化革命的目标在于利用成熟的信息技术、发达的网络技术、人工智能和大数据相结合的手段，推动生产制造行业向人工智能方向转型。截止至 2017年全球物联网设备数量增长到 84 亿台，据公开数据显示，截止至 2018 年中国的物联网产业规模将超过 1.2 万亿元，预计到 2025 年物联网产业的市场规模或将达到3.9～11.1 万亿美元[7, 8]。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 物联网技术研究现状
20 世纪末，美国科学家提出了物联网的概念，但受限于当时的信息技术、网络硬件和传感器技术的并未受到足够的重视，随着近十几年科学技术的快速发展，相应的网络技术、传感器技术、人工智能和大数据的发展，物联网也被快速的应用于人类生活的方方面面，为人类的生活带来诸多便利。
Mezghani 等[10, 11] 基于可穿戴的物联网技术设计了一套对患者活动进行健康管理的系统，利用这套系统，可以收集患者的活动数据，通过对这些数据进行。综合分析，从而实现对患者的健康管理的目标。Jara 等[12] 等通过移动的物联网设备，监测患者应用药物后的不良反应等相关的健康信息，并将这些技术应用在药物管理系统中，为医生开药方的时候提供数据依靠，从而便于做出临床决策。陈丹[13]则阐述了物联网在医院管理中的应用，并分析了目前主要的应用方向为输液信息管理、婴儿防盗系统、患者监护系统、医疗器械管理等。
Martínez 等 [14]通过建立了一个智能化生产平台，通过嵌入 RFID 标签来跟踪仓库供应链管理系统中包装单元、运输单元、仓库管理单元和市场展示所有的数据流，从而为客户提供有价值的服务。Poon 等[15]采用 RFID 技术，为了提高仓库的运作效率和降低仓库生产成本建立了一个物流资源管理系统，并对这个管理系统进行了测试，通过不断的对测试结果进行优化，最终证明了这个仓库管理系统的可行性。周静[16] 首先采用了模糊层次分析法建立了农产品供应链的评价体系，然后通过实证研究对应用物联网的农产品的分别对生产、加工、仓储、运输、零售等环节进行了竞争力的分析，最终得出的结论是，利用物联网技术能有效的提高农产品供应链的竞争力。
曹玉莲[17]通过对一家玩具生产企业，对出入库、生产加工管理、追踪信息管理等进行了系统的分析，基于上述分析设计了一种基于物联网技术对案例企业进行全生产过程的追踪系统，这套系统可以为企业节约大量成本、系统追溯生产过程、对有问题的产品可以及时定位并召回为企业的生产质量、企业声誉带来大量的好处。周蓉[18]利用建模的方法探讨了基于物联网技术的食品冷链全生命周期的实时监管，设计了一套食品冷链的物联网追踪系统，通过加强各个冷链物流环节的沟通，为食品安全、食品追踪和监控及物联网在食品冷链环节的应用提供了参考。谈慧和罗睿姝等[19, 20]设计了一种基于 RFID 技术的系统应用于药品供应链管理中，实现对药物数据采集、药物生产信息、药物在仓库的信息、药物销售信息、药物追溯等功能。
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第二章 物联网及系统动力学概述
2.1 物联网
2.1.1 物联网理论
物联网是近现代快速发展起来的一门科学技术，其主要是依赖于不同传感器、场景识别技术、全球定位系统等等，将信息通过通信技术、数字化处理技术、安全应用技术等，实现人与人、物与物、人与物之间的相互识别，构建起万物互联的网络。物联网的本质其实不是一门新的技术，是通过将各种技术进行有机的组合，借助于传统的电信网络、无线通信、终端应用等技术，实现万物识别和智能化应用。要实现上述功能，物联网的结构一般要由三层构成，分别是感知层、网络层和应用层，感知层就是利用各种传感器技术识别声、光、热、位置等信息；网络层就是依赖于传统的电信网络、通信模式和现在的 5G 技术及未来的量子通信技术等；应用层则需要各种终端设备的支持，例如智能手机、无人驾驶汽车、自动搬运小车、图形识别等等。
2.1.2 物联网关键技术
支持物料网的技术一般可分成 4 大类，分别是传感器技术、通信及网络技术、信息处理和云技术、安全技术。
⑴ 传感器技术：物联网中的眼睛，拥有它就可以对万物进行识别，常用的传感器技术有近场通讯识别技术（RFID）、声音、图像、位置信息（GPS）等等，随着现代科技的发展，这些技术也同时具有了自我学习、自我诊断、自我校准等人工智能的技术。
⑵通信及网络技术：网络是实现信息交流的前提，网络的连通依赖于传统的电信网络和无线网络，而通信技术把海量设备、传感器之间产生的杂乱无章的信息通过不同的协议转换成同一种语言，从而将信息传递出去，实现信息流的通畅。
⑶信息处理和云技术：当大量的信息不断的被传感器识别并通过网络和通信技术传递到信息处理器，处理器需要通过不停的运算从而判断并决策，从而实现信息的感知信息感知、提取融合和内容识别的一体化，实现信息的实时处理，协调等一体化操作，随着云计算的研究不断深入，越来越多的信息处理将会通过云计算进行。
⑷安全技术：庞大的信息被收集后往往具有大量的私有数据，私有数据里面涉及到商业信息、科学专利、国家安全、民众隐私等信息，因此安全技术是保证这些信息不被外协的主要技术，对这些信息通过加密、密钥、区块链等技术，阻止非授权的企业或个人非法访问等以保证信息的绝对安全。
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2.2 系统动力学
2.2.1 系统动力学理论
系统动力学（system dynamics，SD）是系统科学理论与计算机仿真紧密结合、研究系统反馈与行为的一门科学，是系统科学与管理科学的一个重要分支[52]。其研究过程遵循“凡是系统必有结构，系统结构决定系统功能的”系统科学方法，其中反馈理论是系统动力学的核心，系统的结构与系统的行为之间表现出来的关系就是反馈，对系统进行分类可以初步分成一阶系统及高阶系统，不同的系统的结构和行为有着不同的联系，这个关系可以用正反馈回路或者负反馈回路进行表示，而一个系统往往具有多个反馈回路，通过对多个反馈回路的行为进行因果关系分析、建立流量存量关系并明确其中的因果关系及其极性和系统的延迟就可以为我们的系统进行建模和仿真研究。
系统存在于我们生活的方方面面，而系统动力学也是被广泛的应用项目管理、物流与供应链、公司战略、宏观经济等等，在面对这些复杂而又动态的系统时，系统动力学通过定量与定性的方法，将模型中的流量和存量、因果关系进行研究，从而可以准确的模拟现实中的模型，为研究人员提供数据的支持和决策。采用系统动力学进行系统性能分析，通常有如下几种方法。
⑴ 因果回路图（Causal loop diagram）
反馈是系统动力学的核心，而在系统动力学中因果回路图是负责系统反馈结构的一个重要的工具，在模型建设的初期，研究人员需要跟客户及相关的人员一起来描绘系统的心智模型。一张因果回路图包含多个变量，变量之间的关系就是由因果链来表示，从而有助于研究人员迅速的表达整个系统的成因，理清整个系统的因果关系如图 2- 1 所示。
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第三章 J 药品企业生产系统分析...............................16
3.1 J 药品生产企业概述............................... 16
3.1.1 药品生产企业简介.........................................16
3.1.2 原料和在制品出入库流程...................................17
第四章 物联网生产系统设计................................25
4.1 物联网生产系统总体设计............................................ 25
4.1.1 系统框架设计..............................25
4.1.2 系统功能设计...............................26
第五章 系统动力学建模与仿真分析.................................. 33
5.1 系统动力学建模.........................................33
5.1.1 建模的目的.......................................33
5.1.2 建模的边界.........................................33
第五章 系统动力学建模与仿真分析
5.1 系统动力学建模
5.1.1 建模的目的
通过对生产系统的原料及在制品出入库流程、生产工艺流程、生产业务流程进行系统的分析，根据关键工艺的功能构建一个纯化车间、无菌车间和包装车间组成的生产系统的动力学模型。在传统离散型生产企业的模式下运行该模型，物料配送延迟、在制品管理困难、信息时效性差等问题存在的情况下，根据仿真结果分析生产系统中存在的系统问题，并对应用物联网技术前后生产系统的生产效率、生产成本、在制品库存等进行分析，证明生产系统中应用物联网技术的重要性，在实现信息共享的情况下通过不同的仿真模型，持续找出最优的方案。
5.1.2 建模的边界
由于生产系统的复杂性及不可预测性，在进行系统动力学建模时，第一要素就是要明确建模的边界，只有在明确了系统边界的情况下才能开展系统的建模，明确系统的变量及系统的因果关系，这样的建模才能从实际出发，建模的结果才会可靠和有实际的指导意义。本文将主要围绕 J 药品生产企业的生产系统进行模型的建立，因此，针对本次研究的生产系统而言，模型的界定应该围绕生产企业的纯化车间、无菌车间包装车间进行设置，具体模型边界图如图 5- 1 所示，实线框表示的是系统的边界，其中生产制造过程就包括了整个生产系统的纯化生产车间、无菌生产车间、包装生产车间。
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结论与展望
系统动力学作为一门研究系统反馈与行为的科学，被广泛的使用在各个行业中，本文将系统动力学建模仿真的方法结合物联网技术应用到药品生产企业，对于系统动力学来说是一个新的尝试。通过全面的分析企业的现状识别企业存在的问题点，通过系统动力学的建模仿真的方法，进一步的识别和发现生产过程中的动态活动和生产系统的内部作用机理，同时对使用物联网的情形进行了假设，全面分析了使用物联网技术可以带来的收益。因此本文研究的结论如下：
(1) 通过全面分析药品生产企业的物料进出库流程、生产工艺情况及生产的业务流程，将物联网技术设计应用于生产系统当中，对整个生产系统的物联网框架，系统功能，库存监管等进行了详细的设计，以解决生产系统中存在的配送时间和准备时间长、信息时效性差，在制品管理困难等问题，为企业后续的信息化过程提供了参考。
(2) 运用系统动力学的理论知识对药品生产企业的生产行为进行了系统的分析，确立了系统的因果反馈结构，并对此进行了系统动力学的建模，全面的对模型的合理性进行了测试。
(3) 对传统生产系统及物联网生产系统进行了仿真，在优化生产时间的前提下，结合物联网技术带来的优势将按批量生产和周期性转移生产策略改成按需求生产和按量转移生产策略。在同一个仿真周期内，可以将产量提高约 50%倍，降低在制品库存量约 45%。在生产工艺未发生改变的情况下可以有效的提高生产效率，降低生产成本，为后续的管理者的优化决策提供了最优的物联网方案。
(4) 在现实条件下，生产系统是一个非常复杂的系统，涉及到人、机、料、法、环、测等因素，由于受限于时间精力及研究人员本身的水平，本文在对生产系统动力学建模时只考虑到了部分的影响因素，这对于模型的精确性及可抗干扰性受到了一定的影响，这也是本文研究中的不足之处。如何更有效的对整个生产系统进行建模，扩大生产系统的边界将是后续研究的重点。
参考文献（略）