APS中生產(chǎn)計劃排程的基本原理

1、APS中生產(chǎn)計劃排程的基本原理  姜鐵虎   2002-9-30投稿    供應(yīng)鏈管理（SCM）涉及企業(yè)間的集成以及在產(chǎn)銷網(wǎng)絡(luò)中協(xié)調(diào)物流和信息流的各個方面。作為企業(yè)信息中樞的ERP系統(tǒng)，現(xiàn)在已經(jīng)在許多企業(yè)中用于作業(yè)處理和定單執(zhí)行。高級計劃系統(tǒng)（APS，AdvancedPlanningSystems）作為ERP的補充，用于協(xié)調(diào)物流、開發(fā)瓶頸資源和保證交貨日期。APS應(yīng)用各種優(yōu)化技術(shù)，并根據(jù)企業(yè)的商業(yè)目標來改進計劃。APS包括需求和供應(yīng)計劃、運輸和生產(chǎn)計劃排程等各種供應(yīng)鏈計劃模塊，本文主要介紹APS中生產(chǎn)計劃

2、排程（ProductionPlanningandScheduling）模塊的基本原理1。        決策狀況描述        生產(chǎn)計劃排程的目的是為車間生成一個詳細的短期生產(chǎn)計劃。排產(chǎn)計劃（Productionschedule）指明了計劃范圍內(nèi)的每一個定單在所需資源上的加工開始時間和結(jié)束時間，也即指出了在給定資源上定單的加工工序。排產(chǎn)計劃可以通過直觀的甘特圖（Ganttchart）形式給出。   &#

3、160;排產(chǎn)計劃的計劃間隔可以從一天到幾周，取決于具體的工業(yè)生產(chǎn)部門。合理的計劃長度取決于幾個因素：一方面，它至少應(yīng)當涵蓋與一個定單在生產(chǎn)單元中最大的流動時間（flowtime）相對應(yīng)的時間間隔；另一方面，計劃間隔受到已知顧客定單或可靠需求預(yù)測的可用性限制。很顯然，只有當排產(chǎn)計劃適度穩(wěn)定時，在一個資源上進行定單排程才是有用的。也就是說，它們不應(yīng)受不期望事件經(jīng)常變化的影響（如定單數(shù)量改變或中斷）。    對某些生產(chǎn)類型（如jobshop），生產(chǎn)計劃排程需要對（潛在）瓶頸資源上的任務(wù)定單進行排序和計劃；而對另一些生產(chǎn)類型（如成組技術(shù)），生產(chǎn)計劃排程要能自動地

4、、按時段檢查資源組的能力，看其是否能夠在下一個時間段內(nèi)完成成組加工的一組定單。然后，可以手工排序這組定單在下一個時間段內(nèi)的加工次序。    排產(chǎn)計劃任務(wù)能夠而且也應(yīng)當分散來做，這樣可以利用每個地點人們的專業(yè)知識和車間當前狀況的知識（例如人員的可用性）。    生產(chǎn)計劃排程受到上層主生產(chǎn)計劃的約束，主生產(chǎn)計劃設(shè)立了在分散的決策單位中執(zhí)行生產(chǎn)計劃排程的框架。從主計劃中可獲得的相應(yīng)指導(dǎo)包括：使用超時或加班的數(shù)量；在不同時間點上來自供應(yīng)鏈上游設(shè)施物料項的可用性；涉及來自供貨商輸入物料的采購協(xié)議。此外，由于主生產(chǎn)計劃在供應(yīng)鏈

5、上有更寬的視點和更長的計劃區(qū)間，從中我們還可以得到：    計劃結(jié)束時需要建立的各物料項的季節(jié)性庫存量；    交付給供應(yīng)鏈下游設(shè)施的定單截止日期（下游設(shè)施可以是緊接著的下一級生產(chǎn)單位，分銷商或最終顧客）。        排產(chǎn)計劃生成        由車間模型生成排產(chǎn)計劃的一般程序可簡單地描述為下面6個步驟（如圖1所示）。   

6、     1、建模    車間模型必須詳細地捕捉生產(chǎn)流程的特征和相應(yīng)的物流，以便以最小的成本生成可行的計劃。    由于一個系統(tǒng)的產(chǎn)出率只受潛在瓶頸資源的限制，因此，我們只需對車間現(xiàn)有全部資源的一部分也即那些可能成為瓶頸的資源，建立一個清晰的模型。關(guān)于建模方法的細節(jié)我們將在后面進一步闡述。        2、提取需要的資料    生產(chǎn)計劃排程使用的

7、資料來自ERP系統(tǒng)、主生產(chǎn)計劃和需求計劃。生產(chǎn)計劃排程僅利用這些模塊中可用資料的一個子集，因此，在建立一個給定生產(chǎn)單元的模型時，必須指明它實際需要哪些資料。         3、生成一組假定（生產(chǎn)狀況）    除了從ERP系統(tǒng)、主生產(chǎn)計劃和需求計劃這些資料源中接收的資料之外，車間或生產(chǎn)單位的決策者或許對車間當前或未來的狀況會有更進一步的知識或期望，這些信息在其它地方（如軟件模塊中）是不能得到的。再者，對車間的可用能力或許也可以有多種選擇（如柔性的倒班安排等）。因此，決策人員必

8、須有能力修改資料和建立某種生產(chǎn)狀況（見圖1中的第三步，點劃線框表示這一步必須由決策人員執(zhí)行，并且是可選的）。        4、生成一個（初始）排產(chǎn)計劃    在有了模型和資料之后，就可以針對給定的生產(chǎn)狀況，利用線性規(guī)劃、啟發(fā)式算法和基因算法等各種復(fù)雜的優(yōu)化方法來生成排產(chǎn)計劃。這項工作可以一步完成，也可以通過兩級計劃層次（先綜合的生產(chǎn)計劃，后詳細的排產(chǎn)計劃）完成。        5、排產(chǎn)計劃分析和

9、交互修改    如果通過兩級計劃層次完成，也即先生成綜合資源的上層生產(chǎn)計劃。那么，在生成一個詳細的排產(chǎn)計劃之前，人們或許首先要對這個生產(chǎn)計劃進行分析。特別地，如果生產(chǎn)計劃不可行，決策人員可以交互地指定一些計劃途徑來平衡生產(chǎn)能力（如增加班時或指定不同的加工路徑）。這或許要比修改在單個資源上的加工工序（下層排產(chǎn)計劃）更加容易。    APS采用了例外管理（Management Byexception）的技術(shù)，如果出現(xiàn)問題和不可行性（如超過定單交貨期或資源過載），APS就會發(fā)出警告（alerts）。這些警告首先被“過濾”

10、，然后，正確的警告被傳遞到供應(yīng)鏈中正確的組織單位。    此外，針對一種生產(chǎn)狀況產(chǎn)生的排產(chǎn)方案還可以通過結(jié)合決策者的經(jīng)驗和知識交互地改進。當然，為了提供真正的決策支持，必要的修改次數(shù)應(yīng)當受到限制。        6、生產(chǎn)狀況核準    當決策人員確定已經(jīng)評估了所有可選方案時，他/她將選擇那個體現(xiàn)最佳生產(chǎn)狀況的排產(chǎn)計劃去執(zhí)行。        7、執(zhí)行和更新排產(chǎn)

11、計劃    決策人員選定的排產(chǎn)計劃將被傳遞給：MRP模塊（分解計劃）、ERP系統(tǒng)（執(zhí)行計劃）和運輸計劃模塊（在顧客定單完成時安排裝運車輛）。    MRP模塊把在瓶頸資源上計劃的所有活動分解成在非瓶頸資源上生產(chǎn)的那些物料或由供貨商交付的物料；此外，對某些加工定單所必需的物料也將被預(yù)定。    排產(chǎn)計劃將持續(xù)執(zhí)行到某個事件信號發(fā)生時才進行更新，也即直到修改一個排產(chǎn)計劃看來是可取的時候（見圖1中的LoopII）。這個事件可以是一個新定單的到來、機器故障或凍結(jié)的計劃部分已執(zhí)行完畢（

12、后面我們還將對排產(chǎn)計劃的更新作詳細討論）。    改變車間生產(chǎn)模型的情況不太經(jīng)常（如圖1中的LoopI）。如果結(jié)構(gòu)保持不變和只是數(shù)量上受到影響（例如一個機床組中的機床數(shù)或某些已知產(chǎn)品的新變種），那么，通過下載ERP系統(tǒng)中的資料，APS能自動更新模型。但當變化很大時（例如具有某些新特征的新生產(chǎn)階段的引入），那么，由專家對模型進行手動調(diào)整則是可取的。    下面我們將對車間生產(chǎn)流程模型的建模方法作更詳細的闡述。         &

13、#160;   圖1、排產(chǎn)計劃的一般步驟      生產(chǎn)流程建模        車間模型必須結(jié)合所有必要的生產(chǎn)流程細節(jié)來決定顧客定單的完成時間，模型需要的輸入來自有關(guān)的物料和潛在的瓶頸資源。排產(chǎn)計劃中每一步的時間間隔通常很小（如幾個小時），有時甚至可以是連續(xù)的。        1、模型    我們可以把建模的范圍限制在

14、（潛在）瓶頸上執(zhí)行的運作，因為只有這些資源限制了車間的產(chǎn)出。由于生產(chǎn)計劃排程并不打算控制車間（這個任務(wù)留給了ERP系統(tǒng)），一些車間的細節(jié)（如監(jiān)視定單當前狀況的控制點）可以被忽略。    在模型的兩個連續(xù)活動之間，在非瓶頸資源上執(zhí)行的所有流程步驟都只被表達為固定的提前期差度（fixedleadtimeoffset）。這種處理方法與眾所周知的“高級計劃給出提前期只是作為計劃的結(jié)果而不是一個事先給定的常數(shù)”這一敘述并沒有矛盾。在這里，提前期差度僅包括前述非瓶頸資源上的加工和運輸時間，因為等待時間不會存在。    模型可以

15、通過關(guān)聯(lián)的資料來定義，這些資料可分為結(jié)構(gòu)資料（structuraldata）和狀況相關(guān)資料（situationdependentdata）。    結(jié)構(gòu)資料包括：生產(chǎn)地點，工件，物料單，工藝路徑和相關(guān)的操作指令，（生產(chǎn)）資源，供貨商清單，準備時間矩陣，和時間表（工廠日歷）。    對車間分布在不同地方的一個大型供應(yīng)鏈，把所有資料歸集到一個專門地點或許會有好處。這樣的話，一個零件就可以通過它的生產(chǎn)地點來識別，盡管它在顧客眼中是一樣的。    物料清單通常是基于單層描述（存放在一

16、個物料文件中），也即每一個零件號只連接到它下一層物料的那些零件號。一個給定零件的完整物料清單很容易在計算機上通過連接這些單層表達來構(gòu)造。    每個工件的資源消耗可以從工藝路徑和操作說明中得到。每個定單的工件數(shù)以及每個工件的資源消耗是計算單個定單順序和排程所必須的。因此，可以用生產(chǎn)流程模型（PPM，ProductionProcessModel）來清晰地表達物料加工路徑和生產(chǎn)操作。    圖2給出了一個PPM的例子，它描述了一個特定尺寸和商標的瓶裝蕃茄醬的兩級生產(chǎn)流程。第一個PPM表達液體蕃茄醬的生產(chǎn)，包括清洗攪拌池

17、，攪拌配料，和等待裝瓶。一旦蕃茄醬準備好了，它將在24小時內(nèi)被裝瓶。蕃茄醬可同時用于不同尺寸的瓶子，每一種尺寸都將對應(yīng)一個PPM。             圖2、兩級蕃茄醬生產(chǎn)流程模型（PPM）        一個PPM至少由一個運作（operation）組成，而每個運作包含一個或幾個活動（activities）。一個運作總是與一個基本資源相關(guān)（如攪拌池）。二級資源比如人員也可歸屬于一個

18、活動?；顒踊蛟S要求一些輸入物料并能產(chǎn)生一些物料作為輸出。當然，我們必須指明什么時候需要輸入物料和什么時候輸出物料可用。在一個運作中，活動的技術(shù)順序（也稱為優(yōu)先關(guān)系）可以用箭頭線表示，就如同在項目計劃活動中一樣，可以用結(jié)束開始，結(jié)束結(jié)束，開始結(jié)束，開始開始關(guān)系和最大最小時間距離來連接。這就允許非常準確地建立包括平行執(zhí)行活動（重疊的活動）在內(nèi)的兩個生產(chǎn)活動之間的時間約束模型。    一個顧客定單的計時、資源和物料需求可以通過有向標界線（peggingarcs）連接相關(guān)的PPMs導(dǎo)出（見圖3中的粗體線和虛線）。有向標界線把一個PPM的輸出物料（節(jié)點）與后一級P

19、PM的輸入物料（節(jié)點）連在一起。結(jié)果，從最后一級生產(chǎn)流程開始展開一個定單（如圖3中的定單C505X）和相應(yīng)的PPMs,就可以在各時間窗中生成關(guān)于資源和物料消耗的信息。這些時間窗可直接用于成生可行排產(chǎn)計劃2。    工廠日歷指明了休息日和其它資源工時的中斷，另外還包括車間（或資源）是否以一班，兩班或三班運作的信息。高級計劃系統(tǒng)（APS）通常提供幾個典型日歷可供選擇。             圖3、標界線：連接兩個生產(chǎn)流程模型（P

20、PMs）        狀況相關(guān)資料隨車間當前的狀況而變，它包括：初始庫存（含在制品庫存）、資源的準備狀態(tài)、和給定時間間隔內(nèi)要加工的一組定單。由用戶指定的運作規(guī)則資料包括：批量規(guī)則，優(yōu)先規(guī)則和加工路徑選擇。    盡管建立批量規(guī)則最好是根據(jù)實際生產(chǎn)情況例如資源的利用和相關(guān)成本的情況，但APS通常要求事先輸入一些簡單規(guī)則。這些規(guī)則可以是固定批量、最小批量或給定定單間隔時間的批量。APS軟件包或是提供一組規(guī)則可供選取，或是以高級編程語言的形式來編寫它。在某個資源上決定定單優(yōu)先次序

21、的規(guī)則以類似的方式處理3。    如果執(zhí)行一個生產(chǎn)定單存在可選路徑，那么人們會期望APS在生成排產(chǎn)計劃的過程中選擇最佳路徑。但經(jīng)驗表明，用戶得自己選擇一個適當?shù)穆窂健Ｓ袝r可選路徑是作為一個優(yōu)先列表輸入，只有當一個寧愿的路徑導(dǎo)致不可行計劃，求解器才會去試第二個最佳路徑，然后試第三個最佳，等等。        2、目標    最后還要指定一個優(yōu)化目標。這些目標指導(dǎo)尋找一個好的、期望能接近最優(yōu)的計劃方案。在生產(chǎn)計劃排程模塊中選擇優(yōu)化目標時，我

22、們看到主要有下面一些面向時間的目標：    Makespan，完成所有定單任務(wù)所需要的時間。使makespan最小是多機床任務(wù)排序問題中常見的優(yōu)化目標；    Lateness，定單任務(wù)完成時間和它的到期時間之差。使所有定單的lateness總和最小，或使單個定單中最大的lateness最小，是常見的排程目標。    Flowtime，一個定單任務(wù)在生產(chǎn)系統(tǒng)中花費的時間。使所有定單的flowtime總和最小也是一個優(yōu)化目標。    Se

23、tuptime，每個定單任務(wù)的生產(chǎn)準備時間。使所有定單的setuptime總和最小也可以作為一個優(yōu)化目標。        另外，還有三個與成本相關(guān)的目標，分別是：使可變生產(chǎn)成本總和最?。皇股a(chǎn)準備成本總和最?。缓褪箲土P成本總和最小。    盡管在排產(chǎn)這個計劃層對成本的自由度影響很有限，但我們可以看到，對于不同加工路徑的選擇（例如，是安排標準定單或是緊急定單），也還是要以貨幣的術(shù)語來評估。    如果需要對“軟約束”建模（例如，為備貨生產(chǎn)

24、定單履行計劃的交貨時間），我們可以把懲罰成本包含在目標函數(shù)中。懲罰成本也稱為缺貨成本，它是當需求出現(xiàn)時沒有足夠的現(xiàn)貨來滿足需求所招致的成本。    如果決策人員想要同時追求上面幾個優(yōu)化目標，使每個目標都達到最優(yōu)，這樣“理想”的解答通常是不存在的。那么，只好尋求一個妥協(xié)方案。一種方法是建立上面單個目標的加權(quán)和，這個組合目標函數(shù)可以象單目標函數(shù)一樣對待，因此，可以應(yīng)用同樣的求解方法4。 3、解的表達    表達一個模型的解也即詳細的排產(chǎn)計劃，有幾種選擇。它可以簡單地表達為一個任務(wù)清單，上面列出了每個任務(wù)在分配

25、給它的資源上的起始和完成時間。要把排產(chǎn)計劃傳送到其它模塊中，這是最恰當?shù)谋磉_方式。    決策人員通常更喜歡排產(chǎn)計劃以甘特圖表達（如圖4所示），用甘特圖可以在一定的時間間隔上平行地顯示所有資源。人們既可以專注于一個指定顧客定單和它在相應(yīng)生產(chǎn)階段的排程，也可以把注意力集中在單個資源及其在時間上的排程。    如果決策人員允許交互地改變排產(chǎn)計劃，例如把一個運作交互地移到另一個資源，那么以平行方式顯示所有資源的甘特圖是最好的表達。    下面我們再來看看更新一個現(xiàn)有排產(chǎn)計劃的一些選

26、擇。        排產(chǎn)計劃更新        生產(chǎn)計劃排程假定所有資料是確定已知的，也即決策狀況是確定的。盡管這是一個理想的假設(shè)，但對一些時間段還是可以進行調(diào)整。為了處理不確定性（例如非計劃的生產(chǎn)率變化或未預(yù)料的資源停工），軟件工具允許監(jiān)控人們假定發(fā)生在車間的變化，并生成一個更新了的期望的定單完成時間。這些變化是否大到需要重新優(yōu)化排程將基于決策者的判斷。在一個計劃實際交付車間實施之前，可以通過提供大量的可選狀況的生成和測試能力來幫助決

27、策者的判斷。這種方法也稱為仿真，目前的APS軟件工具都提供仿真手段（見圖1的第3到第5步）。    在這里要提到的另一個特征是兩步計劃方法，也稱為增量式計劃。假定有一個新的定單到來。如果它落在生產(chǎn)計劃排程的計劃范圍內(nèi)，這個新顧客定單的活動可以插入到它所需資源上已排序好的定單中。在現(xiàn)行排產(chǎn)計劃中尋找時間空隙，以便新定單的排程只須做微小的調(diào)整。如果能維持排產(chǎn)計劃的可行性，那么就能導(dǎo)出新定單的一個計劃交貨期，并送回給顧客。    由于上面這一基本排程可以通過不同的定單順序來改進，所以重新優(yōu)化經(jīng)常會被考慮，以便通過新的排序

28、來減少成本。        下面我們就來舉例說明。假定有4個定單需要在某個機床上排程，表1給出了定單交貨時間，優(yōu)化的目標是使順序相關(guān)的生產(chǎn)準備時間總和最小。如果實際開始時間在100（時間單位），所有定單的加工時間相同（1個時間單位），順序相關(guān)的準備時間是0，1/3，2/3或1個時間單位（表2給出了準備時間矩陣）。那么，最優(yōu)的排程顯然是ABCD（如圖4所示）。            在開始加工定單A

29、之后，我們被要求檢查是否能夠接收一個交貨時間為107的新定單E。假定不允許因為一個新（緊急）定單而中斷一個已經(jīng)開始執(zhí)行的定單，那么我們可以檢查在完成定單A，B，C或D之后，把工作E直接插入現(xiàn)行排程（如圖5所示）。由于在定單A和E這個子順序之間存在一個正的準備時間，插在A之后會違反定單B的交貨期，因此是不可行的。依理可以找到三個可行排程，其中可選方案c）具有最小的準備時間總和。因此，交貨期為107的新定單E可以被接受（假定定單E值一個時間單位的附加生產(chǎn)準備時間）。    當重新執(zhí)行排程優(yōu)化時，我們可以得到一個新的包括定單E的可行排產(chǎn)方案，它減少了1/3的生

30、產(chǎn)準備時間（如圖6所示）。            生成一個新的定單排程是費時的，并且通常會導(dǎo)致一些緊張（nervousness）。這些緊張是因為與先前的實際計劃相比改變了定單開始的時間和生產(chǎn)的數(shù)量。緊張可能導(dǎo)致車間的額外工作，例如某些輸入物料或許要更早交付，而這又要與供貨商一起檢查。為了減少緊張，通常可以把在一個資源上接下來的幾個定單固定，也即它們的加工順序是固定的而不作為重新優(yōu)化的一部分。開始時間落在一個給定時間段（稱為凍結(jié)范圍）的所有定單都將被固定5。 

31、0;      結(jié)束語        假定已經(jīng)生成了主生產(chǎn)計劃，我們就可以為不同的車間和生產(chǎn)單元導(dǎo)出詳細的排產(chǎn)計劃。生產(chǎn)計劃排程是在一個計劃層中完成還是分兩個計劃層次來做，很大程度上取決于車間的生產(chǎn)類型。在一個資源上的定單排序通常有許多可選方案，要找到一個最優(yōu)的排產(chǎn)計劃，對一個資源上的n個定單理論上要評估n!種不同的排序。盡管強有力的求解算法已經(jīng)開發(fā)出來減少尋找好的方案所要評估的解的數(shù)量，優(yōu)化的計算量仍會隨著排程定單的數(shù)量而急劇增加。幸運的是生成一個排產(chǎn)計

32、劃通常不必從零開始，因為先前計劃的一部分已經(jīng)是固定的（例如落在凍結(jié)區(qū)中的定單）。同樣，把生產(chǎn)計劃排程分為兩個計劃層次來做也減少了在低計劃層上生成可行定單順序的數(shù)量。此外，增量式計劃或由決策者指定的部分排程的重新優(yōu)化也限制了計算量。    APS系統(tǒng)導(dǎo)入后效益：· 減少生產(chǎn)排程時間，降低產(chǎn)銷協(xié)調(diào)會議時間 · 掌握所有訂單生產(chǎn)進度狀況，提供客戶準時交貨需求 · 客戶插單或訂單異動時，提供立即重排功能，分析所有訂單異動狀況，事前防范訂單延誤 · 業(yè)務(wù)Forecast輸入，預(yù)測未來產(chǎn)能狀況及長期物料采購 · 提供生產(chǎn)計劃和實際完工回報，掌控生產(chǎn)績效降低生產(chǎn)成本 · 連結(jié)物料需求，提供進料時間，達成JIT以降低庫存減少缺料 · 掌控產(chǎn)能和物料，將復(fù)雜的制造業(yè)管理透明化 · 內(nèi)部產(chǎn)能和物料控管，委外加工生產(chǎn)計劃，材料供貨商準確交期提供，以符合客戶訂單交期，使上下游之供應(yīng)鏈達到整合。 APS系統(tǒng)具備的功能為：· 生產(chǎn)設(shè)備資源文件：設(shè)備資源名稱，群組代號（不同資源但可共享），資源數(shù)量，各資源之共享日歷（亦包含個別日歷），產(chǎn)能系數(shù) · 制程標準工時檔：制程名稱，加工批量，產(chǎn)能時，工時，