PharmaPy 干法制粒二次开发教程（20）：完整项目——干法制粒数字孪生平台：配方/设备/操作输入 → PSD+强度+细粉报告与工艺窗口，端到端可审计

PharmaPy 干法制粒二次开发教程20完整项目——干法制粒数字孪生平台配方/设备/操作输入 → PSD强度细粉报告与工艺窗口端到端可审计版本声明块工具/软件本项目系列 01-19 全部模块整合的干法制粒数字孪生平台本系列二次开发的完整示例语言/环境Python 3.9 numpy/scipy/pandas PharmaPy 框架本文目标把 19 篇散落的模块拼成一个可从输入跑到报告的端到端平台且每一层都可审计、可复现。一句话结论本平台把干法制粒全周期做成三输入→四输出闭式引擎配方压缩指数 K、真密度、屈服压力、设备辊径/辊宽/间隙/筛网、操作SCF/辊速/转子速输入经辊压(Midoux)→粉碎(PBM)→分级(Tromp)→强度/细粉→窗口的链输出PSD 颗粒强度 细粉占比 QbD 工艺窗口并以manifest.jsonl记录每次运行的输入/输出/指纹/断言、可完全复现与审计。〇、本篇要解决的认知问题20 篇的模块都各自能跑怎么把它们装进一个平台而不是 20 个脚本配方/设备/操作三输入的数据结构怎么组织怎么避免散落的 magic number端到端输出为什么是PSD强度细粉窗口四样它们各自来自哪几个模块可审计可复现在代码层面到底落实成什么manifest记什么才算够这个平台怎么被当作二次开发的模板而非一次性玩具——未来的扩展点在哪一、机制解析从 20 个脚本到一个可被调用、可被输入驱动的引擎至此你已拥有 20 个各自成立的模块辊压动力学篇 7-8、破碎 PBM篇 10-11、分级篇 12、PSD 报告篇 14、强度篇 15、窗口篇 16、标定篇 17、灵敏度篇 18、批量扫描篇 19。但平台不是再堆一个脚本而是把它们收拢成一个可被任意输入驱动的函数digitwin(specification: dict) - Report。specification描述一次运行的全部输入Report携带全部输出与审计指纹。这样一个函数就能被脚本、被 API、被篇 5 的SimulationExec、甚至被循环标定反复调用。配方/设备/操作三输入的数据结构任何一次运行有且只有三类输入底账 H 的 CPP 组别组织成清晰的嵌套 dict键内容来自篇recipeK压缩指数、rho_true、Py屈服压力、f_material/W_min破碎核7/15/17equipment辊径D、辊宽W、间隙S、筛网mesh、d50分级8/11/12operationSCF、辊速RS、转子速、运行时间8/16这套结构的意义是把散落 magic number消灭每个平台运行都显式给出三类输入manifest一记任何输入组合都可复现。端到端流水线的链与每条链的来源四输出各自对应一条明确的模块链PSD辊压(Midouxsf) → 破碎 PBM(dN/dt) → 分级(Tromp) → 报告层(d10/d50/d90/span)。来源篇 8/10/11/12/14。颗粒强度三点弯曲 孔隙率-压力趋势 破坏载荷相对量 压片性损失。来源篇 15。细粉占比Q(125µm)来源篇 14/16。QbD 工艺窗口SCF×间隙扫描 target等值线 边界来源篇 16/19。四样不是并列的四个数字而是同一个链在不同抽象层级上的投影PSD 最底层、细粉/强度各提一个标量、窗口给一组可行域。平台把它们都交付报告才算不偏科。可审计可复现落实成什么可审计在代码层面 每次运行留下一份manifest.jsonl至少记时间戳、平台版本、输入完整快照配方/设备/操作输出摘要d50/d90/span/细粉/强度/窗口占比校验断言结果守恒drift1e-6、行为断言 success/fail随机种子/参数若含随机指纹对输入代码做哈希用于同一输入再跑是否一致。有了manifest你可以回溯任何一个历史输出当时是什么输入、跑没跑过守恒也能拿指纹复现。这比我记着当时能跑可靠得多——是平台从demo升格为工程工具的最后一跳。未来的扩展点平台是模板不是玩具平台价值在于能继续二次开发换动力学把recipe里的压缩模型从 Midoux 换 Reynolds篇 8 已示范换壳平台壳不动加单元在 flowsheet 链里插一段新单元如加料不均、中间缓冲只需改specification与链函数连标定/优化digitwin作为黑箱被篇 17 的最优化驱动实现自动标定/自动寻优闭环。这正呼应系列定位——PharmaPy 缺 drug product 单元而你已在它之上搭了一个可扩展的干法数字孪生。二、完整代码与逐行剖析下面是一个可运行的集成出品digital_twin(spec)接收三类输入 → 跑链 → 返回Report含四输出 断言 manifest 落盘。为可读链内复用前篇的简化版本动力学位显式化标注以文献为准。importnumpyasnp,json,time,hashlibfromscipy.integrateimportsolve_ivp# ---- 网格 不变量篇19 缓存思想----x_lo,x_hi,nb10.0,2000.0,40ratio(x_hi/x_lo)**(1.0/(nb-1))x_grx_lo*ratio**np.arange(nb);x_cnp.sqrt(x_gr[:-1]*x_gr[1:]);volx_c**3.0defbuild_B():Bnp.zeros((nb,nb))forjinrange(nb):imax(1,min(nb-1,int(np.searchsorted(vol,0.5*vol[j]))))w(vol[i]-0.5*vol[j])/(vol[i]-vol[i-1]);B[i-1,j]w;B[i,j](1-w)returnB B_frozenbuild_B()# ---- 数字孪生引擎spec - Report ----defdigital_twin(spec):rec,eq,opspec[recipe],spec[equipment],spec[operation]D,S,mesheq[D],eq[S],eq[mesh]SCF,RS,RPM_mop[SCF],op[RollerRPM],op[MillRPM]# 1) 辊压Midoux 链 - SF_ribbon (篇7/8, 示意参数以实测为准)Krec[K];Pmax(2*SCF/D)*np.sqrt(2*K*D/(np.pi*S))miPmax/rec[P_alpha];sfnp.clip((rec[rho_alpha]/rec[rho_true])*mi**(1/K),0.4,0.85)sfsf*(1.0-0.10*max(0,(RS-3.0)/10.0))# 2) 破碎 PBM (篇10/11)S_i 由 sf 与转子速调节复用 B_frozenS_isf*np.ones(nb)*(x_c/500.0)**0.9N0np.where(x_c500,1.0,0.0)defrhs(t,N):returnnp.dot(B_frozen,S_i*N)-S_i*N solsolve_ivp(rhs,(0,op[runtime]),N0,methodBDF,rtol1e-8,atol1e-10)psdsol.y[:,-1];psdpsd/psd.sum()driftabs((psd*vol).sum()-(N0*vol).sum())/(N0*vol).sum()# 3) 分级 (篇12)Tromp, 得细流出料E1.0/(1.0(eq[d50]/x_c)**3.0)fine_psdpsd*(1-E);fine_psdfine_psd/fine_psd.sum()# 4) 报告层 (篇14/16)d/d90/span/细粉/强度 一览Qnp.cumsum(fine_psd)d50_pct(fine_psd,Q,0.5);d90_pct(fine_psd,Q,0.9);d10_pct(fine_psd,Q,0.1)span(d90-d10)/d50 fine_ffloat(np.interp(125.0,np.append(x_c,x_gr[-1]),np.append(Q,1.0)))strength(sf-rec[sf_min])/(0.85-rec[sf_min])# 相对强度(篇15)# 5) 断言 manifestassertdrift1e-6,质量守恒win_okfine_fop[fine_target]# 工艺窗口达标判据manifest{time:time.strftime(%Y-%m-%dT%H:%M:%S),input:spec,output:{d10:d10,d50:d50,d90:d90,span:span,fine:fine_f,sf:sf,strength:strength,drift:drift,window_pass:win_ok},fp:hashlib.sha256(json.dumps(spec,sort_keysTrue).encode()).hexdigest()[:12],}withopen(results/manifest.jsonl,a,encodingutf-8)asf:f.write(json.dumps(manifest)\n)returnmanifestdef_pct(w,Q,p):inp.searchsorted(Q,p);imax(1,min(len(Q)-1,i))z(p-Q[i-1])/(Q[i]-Q[i-1])ifQ[i]Q[i-1]else0.0returnnp.exp(np.log(x_c[i-1])z*(np.log(x_c[i])-np.log(x_c[i-1])))# ---- 一次运行 ----spec{recipe:{K:3.84,rho_true:1500.,rho_alpha:360.,P_alpha:0.35,sf_min:0.4,f_material:1.5e4,W_min:8.0},equipment:{D:25.,S:0.2,mesh:1000.,d50:300.},operation:{SCF:5.0,RollerRPM:4.0,MillRPM:3000.,runtime:20.,fine_target:0.10}}repdigital_twin(spec)print(json.dumps(rep,ensure_asciiFalse,indent1))逐行要点digital_twin(spec)一次性把 20 篇合成一个黑箱引擎读三输入 → 跑辊压→破碎→分级→报告链 → 返回Reportdict。spec是唯一输入门面消除散落 magic number。链内复用前篇B_frozen篇 19 缓存、Midouxsf篇 7/8、solve_ivpPBMdrift篇 10 守恒、TrompE篇 12、_pct分位数篇 14、fine_f篇 16、相对强度篇 15。四输出交付d10/d50/d90/spanPSD、strength强度、fine细粉、driftwindow_pass工艺窗口达标记。每个都对应一条已讲过的模块链。断言硬标准drift1e-6守恒——平台每次运行都过这道闸防止跑出数但守恒崩。window_passfine_ftarget即细粉达标判据。manifest 审计每次运行把time/input/output/断言/指纹 fp追加到results/manifest.jsonlfp对spec排序做哈希任何输入组合可复现。这是可审计可复现的代码落地。蓝图标注所有sf/strength数值为示意参数、以文献/实测为准铁律 6平台结构是真、参数是占位——这正是二次开发模板的正确姿态接口稳、数值待标定。三、常见报错与排查spec缺键导致KeyError。现象digital_twin中途报缺recipe[K]等。根因三输入 dict 结构松散少一层字段就炸。解法写个validate(spec)先检查必要键与范围如SCF∈[2,8]在入口统一报错这也是平台对输入有契约的体现。守恒断言在集成后失败各模块单跑都通过。现象drift1e-6在digital_twin里挂。根因集成时某处把网格/归一改了如psdpsd/psd.sum()后(psd*vol).sum()与N0口径不一致或分级fine_psd再次归一用了不同基准。解法所有归一都用同一基准vol前缀一致断言前打print(drift)定位断点守住全流程共享网格/口径铁律。_pct在 PSD 单调不足时报索引错。现象np.searchsorted(Q,p)落到端点、x_c[i]越界。根因fine_psd归一后Q可能未严格单调/末端 p。解法_pct里clamp端点 min(len-1,i)并确认fine_psd有正和/sum()保证 Q 尾 1。manifest.jsonl越写越大 / 与工作目录混杂。现象审计日志拖慢/难找。根因所有 run 都追一个全局manifest.jsonl。解法一个批次一个results/run_fp/目录、manifest 记在目录内全局只留索引既保审计又可分类回读。平台输出与某单篇演示数字对不上。现象digitwin的d50/fine与篇 14/16 的演示不同。根因平台把 20 篇示意参数串成一条链数字自然不同一致性有drift与行为断言保证非绝对数值。解法明确平台输出是趋势/结构可审计结果绝对数值须用篇 17 标定后的真参数替代——正文已反复标注以文献/实测为准。四、动手练习端到端验收 审计回读把上面spec跑 3 次每次微调SCF确认每次都产出manifest且drift1e-6读回results/manifest.jsonl看output随SCF的单调趋势。判定口可以通过fp唯一锁定输入输出随SCF单调、守恒全过——平台跑得通且审得清。换配方复现把recipe[K]从 MCC 的3.84换乳糖6.90篇 7其余不变重跑。判定sf下降、fine上升K 大则 SF 对 SCF 不敏感、输出仍守恒——验证平台对不同配方都能给出自洽趋势为标定后参数留好接口。可控可复现指纹对同一spec连续跑两次断言两次fp相同且manifest编号一致。判定fp唯一且幂等同输入同指纹把可复现可审计从口号变成能自动查的断言——这是平台作为工程工具的底线。五、小结与下一篇预告完结本篇把 01-19 的全部知识压缩成一个可调用的数字孪生引擎digital_twin(spec)接收配方/设备/操作三输入跑通辊压→破碎→分级→报告链交付 PSD强度细粉工艺窗口四输出并用manifestdrift断言做到可复现、可审计。你不只是在 PharmaPy 上改了段代码——你在它缺失 drug product 单元的空白地带上搭出了一个结构完整、可继续二次开发的干法制粒数字孪生平台。系列到这里收官。回顾全程入门01-04让你在 PharmaPy 上站稳 → 核心05-08教会如何扩一个真单元 → 进阶09-12把辊压/粉碎/分级动力学一一落地 → 高级13-16组装成链、报告层、强度、工艺窗口 → 实战17-19标定、灵敏度、性能 → 收官20整合成一个可审计平台。如果你只带走一句话二次开发的本质不是写代码而是在框架的扩展契约上用可复现的动力学与可审计的报告把一个质量属性这里是干法制粒四输出 CQA真正架起来。祝你在干法制粒数字孪生与更广的制药工艺二次开发上把这套方法复用到下一块空白。本篇认知问题回显FAQQ120 个模块怎么装进一个平台而非 20 个脚本A1收拢成一个可被任何输入驱动的函数digital_twin(spec: dict) - Report。spec描述一次运行全部输入Report 携带全部输出与审计指纹。这样一个黑箱能被脚本、API、SimulationExec、甚至标定/优化循环反复调用而不是 20 个散脚本。Q2配方/设备/操作三输入怎么组织、消灭 magic numberA2组织成嵌套 dictrecipeK/真密度/屈服/破碎核、equipment辊径/宽/间隙/筛网/d50、operationSCF/辊速/转子速/运行时间。显式结构化后每次运行都带完整输入快照写入 manifest任何输入组合可复现也不再有散落的魔法数与隐式常数。Q3端到端为什么是PSD强度细粉窗口四输出、各来自哪A3它们是同一链在不同抽象层的投影PSD辊压 Midoux→破碎 PBM→分级 Tromp→报告层篇 8/10/11/12/14、强度三点弯曲孔隙率-压力篇 15、细粉Q(125µm)篇 14/16、工艺窗口SCF×间隙 扫描等值线篇 16/19。四样不全则报告偏科。Q4可审计可复现代码层面落实成什么A4每次运行写一条manifest.jsonltime/input快照/output摘要/drift断言/哈希指纹 fp。fp对 spec 排序做哈希同一输入必同指纹幂等可复现、可回读、可审计drift1e-6的守恒断言是每次运行必过硬闸。这就是我记得当时能跑升格为有据可查、可重现的最后一跳。Q5平台如何被当作二次开发模板而非一次性玩具次运行写一条manifest.jsonltime/input快照/output摘要/drift断言/哈希指纹 fp。fp对 spec 排序做哈希同一输入必同指纹幂等可复现、可回读、可审计drift1e-6的守恒断言是每次运行必过硬闸。这就是我记得当时能跑升格为有据可查、可重现的最后一跳。Q5平台如何被当作二次开发模板而非一次性玩具A5因为它把接口稳、参数待标定分开链结构辊压→破碎→分级→报告与digital_twin(spec)门面是真骨架sf/strength等数值是示意参数以文献/实测为准。扩展点有四换动力学Midoux→Reynolds篇 8 示范、加单元改 spec 与链、连标定/优化digital_twin当黑箱被篇 17 驱动、接 batch 扫描篇 19。你在 PharmaPy 缺失 drug product 单元的空白地带搭起了一个可持续生长的干法数字孪生。