高级计划系统(APS)中生产计划排程

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1、高级计划系统(APS )中生产计划排程供应链管理(SCMSCM 涉及企业间的集成以及在产销网络中协调物流和 信息流的各个方面。作为企业信息中枢的ERPERP 系统，现在已经在许多企业中用于作业处理和定单执行。高级计划系统(APSAPS AdvaneedAdvaneed PlanningPlanning SystemsSystems) 作为 ERERP P的补充，用于协调物流、开发瓶颈资源和保证交货日期。APSAPS 应用各种优化技术，并根据企业的商业目标来改进计划。APSAPS 包括需求和供应计划、运输和生产计划排程等各种供应链计划模块，本文主要介绍APSAPS 中生产计划排程(Product

2、ionProduction PlanningPlanning andand SehedulingSeheduling)模块的基本原理1 1。决策状况描述生产计划排程的目的是为车间生成一个详细的短期生产计划。排产 计划(ProductionProduction scheduleschedule )指明了计划范围内的每一个定单在所需资源上 的加工开始时间和结束时间，也即指出了在给定资源上定单的加工工序。排 产计划可以通过直观的甘特图(GanttGantt chartchart )形式给出。排产计划的计划间隔可以从一天到几周，取决于具体的工业生产部 门。合理的计划长度取决于几个因素：一方面，它至少应

3、当涵盖与一个定单 在生产单元中最大的流动时间(flowflow timetime )相对应的时间间隔；另一方面， 计划间隔受到已知顾客定单或可靠需求预测的可用性限制。很显然，只有当 排产计划适度稳定时，在一个资源上进行定单排程才是有用的。也就是说， 它们不应受不期望事件经常变化的影响(如定单数量改变或中断)。对某些生产类型(如 jobjob shopshop)，生产计划排程需要对(潜在)瓶颈资源上的任务定单进行排序和计划；而对另一些生产类型（如成组技术） ，生 产计划排程要能自动地、按时段检查资源组的能力，看其是否能够在下一个 时间段内完成成组加工的一组定单。然后，可以手工排序这组定单在下一个

4、 时间段内的加工次序。排产计划任务能够而且也应当分散来做，这样可以利用每个地点人 们的专业知识和车间当前状况的知识（例如人员的可用性） 。生产计划排程受到上层主生产计划的约束，主生产计划设立了在分散的决策单位中执行生产计划排程的框架。从主计划中可获得的相应指导包 括：使用超时或加班的数量；在不同时间点上来自供应链上游设施物料项的 可用性；涉及来自供货商输入物料的采购协议。此外，由于主生产计划在供 应链上有更宽的视点和更长的计划区间，从中我们还可以得到：计划结束时需要建立的各物料项的季节性库存量；交付给供应链下游设施的定单截止日期（下游设施可以是紧接着的 下一级生产单位，分销商或最终顾客） 。排

5、产计划生成由车间模型生成排产计划的一般程序可简单地描述为下面 6 6 个步骤 （如图 1 1所示）。1 1、建模车间模型必须详细地捕捉生产流程的特征和相应的物流，以便以最小的成本生成可行的计划。由于一个系统的产出率只受潜在瓶颈资源的限制，因此，我们只需对车间现有全部资源的一部分-也即那些可能成为瓶颈的资源，建立一个清 晰的模型。关于建模方法的细节我们将在后面进一步阐述。2 2、提取需要的数据生产计划排程使用的数据来自 ERPERP 系统、主生产计划和需求计划。 生产计划排程仅利用这些模块中可用数据的一个子集，因此，在建立一个给 定生产单元的模型时，必须指明它实际需要哪些数据。3 3、生成一组假

6、定（生产状况）除了从 ERPERP 系统、主生产计划和需求计划这些数据源中接收的数据之外，车间或生产单位的决策者或许对车间当前或未来的状况会有更进一步 的知识或期望，这些信息在其它地方（如软件模块中）是不能得到的。再者， 对车间的可用能力或许也可以有多种选择（如柔性的倒班安排等） 。因此，决 策人员必须有能力修改数据和建立某种生产状况（见图 1 1 中的第三步，点划 线框表示这一步必须由决策人员执行，并且是可选的） 。4 4、生成一个（初始）排产计划在有了模型和数据之后，就可以针对给定的生产状况，利用线性规划、启发式算法和基因算法等各种复杂的优化方法来生成排产计划。这项工 作可以一步完成，也可

7、以通过两级计划层次（先综合的生产计划，后详细的 排产计划）完成。5 5、排产计划分析和交互修改如果通过两级计划层次完成，也即先生成综合资源的上层生产计划。 那么，在生成一个详细的排产计划之前，人们或许首先要对这个生产计划进 行分析。特别地，如果生产计划不可行，决策人员可以交互地指定一些计划 途径来平衡生产能力（如增加班时或指定不同的加工路径） 。这或许要比修改 在单个资源上的加工工序（下层排产计划）更加容易。APSAPS 采用了例外管理（ManagementManagement ByBy exceptionexception ）的技术，如果出现问题和不可行性（如超过定单交货期或资源过载），AP

8、SAPS 就会发出警告（ alertsalerts ）。这些警告首先被“过滤”，然后，正确的警告被传递到供应链中 正确的组织单位。此外，针对一种生产状况产生的排产方案还可以通过结合决策者的 经验和知识交互地改进。当然，为了提供真正的决策支持，必要的修改次数 应当受到限制。6 6、生产状况核准当决策人员确定已经评估了所有可选方案时，他 / / 她将选择那个体现 最佳生产状况的排产计划去执行。7 7、执行和更新排产计划决策人员选定的排产计划将被传递给：MRPMRP 模块（分解计划）、ERPERP系统（执行计划）和运输计划模块（在顾客定单完成时安排装运车辆） 。MRPMRP 模块把在瓶颈资源上计划的

9、所有活动分解成在非瓶颈资源上生产的那些物料或由供货商交付的物料；此外，对某些加工定单所必需的物料也将被预定排产计划将持续执行到某个事件信号发生时才进行更新，也即直到 修改一个排产计划看来是可取的时候（见图 1 1 中的 LoopLoop IIII ）。这个事件可以 是一个新定单的到来、机器故障或冻结的计划部分已执行完毕（后面我们还 将对排产计划的更新作详细讨论）。改变车间生产模型的情况不太经常（如图 1 1 中的 LoopLoop I I ）。如果结构 保持不变和只是数量上受到影响（例如一个机床组中的机床数或某些已知产 品的新变种），那么，通过下载 ERPERP 系统中的数据，APSAPS 能

10、自动更新模型。但 当变化很大时（例如具有某些新特征的新生产阶段的引入） ， 那么，由专家对 模型进行手动调整则是可取的。()2从ERP靠编主生产计划尊中脱出需要的毅菽/主咸一个初贿）排产计划7s通过ERP系姣姉和更新排产，引有斗孑停件嘎宋莖斬忧化5、和萨计划分析和交互陸改缶生产愷lYes图 1、排产计划的一般步骤生产流程建模_1-建權面我们将对车间生产流程模型的建模方法作更详细的阐述。车间模型必须结合所有必要的生产流程细节来决定顾客定单的完成 时间，模型需要的输入来自有关的物料和潜在的瓶颈资源。排产计划中每一 步的时间间隔通常很小（如几个小时） ，有时甚至可以是连续的。1 1、 模型 我们可以

11、把建模的范围限制在 （潜在） 瓶颈上执行的运作， 因为只 有这些资源限制了车间的产出。由于生产计划排程并不打算控制车间（这个 任务留给了ERPERP 系统），一些车间的细节（如监视定单当前状况的控制点）可 以被忽略。在模型的两个连续活动之间，在非瓶颈资源上执行的所有流程步骤 都只被表达为固定的提前期差度（ fixedfixed leadlead timetime offsetoffset ）。这种处理方法 与众所周知的“高级计划给出提前期只是作为计划的结果而不是一个事先给 定的常数”这一叙述并没有矛盾。在这里，提前期差度仅包括前述非瓶颈资 源上的加工和运输时间，因为等待时间不会存在。模型可以通

12、过关联的数据来定义， 这些数据可分为结构数据 （ structuralstructuraldatadata ）和状况相关资料（ situationsituation dependentdependent datadata ）。结构数据包括：生产地点，工件，物料单，工艺路径和相关的操作 指令， （生产）资源，供货商清单，准备时间矩阵，和时间表（工厂日历） 。对车间分布在不同地方的一个大型供应链，把所有数据归集到一个 专门地点或许会有好处。这样的话，一个零件就可以通过它的生产地点来识别，尽管它在顾客眼中是一样的。物料清单通常是基于单层描述（存放在一个物料文件中），也即每一个零件号只连接到它下一层物

13、料的那些零件号。一个给定零件的完整物料清 单很容易在计算机上通过连接这些单层表达来构造。每个工件的资源消耗可以从工艺路径和操作说明中得到。每个定单的工件数以及每个工件的资源消耗是计算单个定单顺序和排程所必须的。因 此，可以用生产流程模型（PPMPPM ProductionProduction ProcessProcess ModelModel ）来清晰地表达 物料加工路径和生产操作。图 2 2 给出了一个 PPMPPM 的例子，它描述了一个特定尺寸和商标的瓶装蕃茄酱的两级生产流程。第一个 PPMPPM 表达液体蕃茄酱的生产，包括清洗搅拌 池，搅拌配料，和等待装瓶。一旦蕃茄酱准备好了，它将在 2

14、424 小时内被装瓶蕃茄酱可同时用于不同尺寸的瓶子，每一种尺寸都将对应一个PPMPPM1:言装线1:拥拌他图 2、两级蕃茄酱生产流程模型（PPM一个 PPMPPM 至少由一个运作（operationoperation ）组成，而每个运作包含一个或几个活动（ activitiesactivities ）。一个运作总是与一个基本资源相关（如搅拌池） 。 二级资源-比如人员-也可归属于一个活动。活动或许要求一些输入物料并 能产生一些物料作为输出。当然，我们必须指明什么时候需要输入物料和什 么时候输出物料可用。在一个运作中，活动的技术顺序（也称为优先关系） 可以用箭头线表示，就如同在项目计划活动中一样

15、，可以用结束开始，结束 结束，开始结束，开始开始关系和最大最小时间距离来连接。这就允许非常 准确地建立包括平行执行活动（重迭的活动）在内的两个生产活动之间的时 间约束模型。一个顾客定 单的计时、资源和物料需求可以通过有向标界线（peggingpegging arcsarcs ）连接相关的 PPMsPPMs 导出（见图 3 3 中的粗体线和虚线）。有向 标界线把一个 PPMPPM 的输出物料（节点）与后一级 PPMPPM 的输入物料（节点）连 在一起。结果，从最后一级生产流程开始展开一个定单 （如图 3 3 中的定单 C505XC505X） 和相应的 PPMsPPMs 就可以在各时间窗中生成关于

16、资源和物料消耗的信息。这些时 间窗可直接用于成生可行排产计划 22 。工厂日历指明了休息日和其它资源工时的中断，另外还包括车间（或资源）是否以一班，两班或三班运作的信息。高级计划系统（ APSAPS 通常提供几图 3 3、标界线：连接两个生产流程模型（PPMSPPMS状况相关资料随车间当前的状况而变，它包括：初始库存（含在制 品库存）、资源的准备状态、和给定时间间隔内要加工的一组定单。由用户指 定的运作规则数据包括：批量规则，优先规则和加工路径选择。尽管建立批量规则最好是根据实际生产情况-例如资源的利用和相 关成本的情况，但 APSAPS 通常要求事先输入一些简单规则。这些规则可以是固 定批量

17、、最小批量或给定定单间隔时间的批量。 APSAPS 软件包或是提供一组规则 可供选取，或是以高级编程语言的形式来编写它。在某个资源上决定定单优 先次序的规则以类似的方式处理3 3。如果执行一个生产定单存在可选路径，那么人们会期望APSAPS 在生成排产计划的过程中选择最佳路径。但经验表明，用户得自己选择一个适当的 路径。有时可选路径是作为一个优先列表输入，只有当一个宁愿的路径导致 不可行计划，求解器才会去试第二个最佳路径，然后试第三个最佳，等等。2 2、目标最后还要指定一个优化目标。这些目标指导寻找一个好的、期望能 接近最优的计划方案。在生产计划排程模块中选择优化目标时，我们看到主 要有下面一

18、些面向时间的目标：MakespanMakespan 完成所有定单任务所需要的时间。使 makespanmakespan 最小是多机床任务排序问题中常见的优化目标；LatenessLateness ，定单任务完成时间和它的到期时间之差。使所有定单的 latenesslateness总和最小，或使单个定单中最大的 latenesslateness 最小，是常见的排程目 标。FlowtimeFlowtime ，一个定单任务在生产系统中花费的时间。使所有定单的 flowtimeflowtime总和最小也是一个优化目标。SetuptimeSetuptime ，每个定单任务的生产准备时间。 使所有定单的

19、setuptimesetuptime总和最小也可以作为一个优化目标。另外，还有三个与成本相关的目标，分别是：使可变生产成本总和最小；使生产准备成本总和最小；和使 惩罚成本总和最小。尽管在排产这个计划层对成本的自由度影响很有限，但我们可以看 到，对于不同加工路径的选择（例如，是安排标准定单或是紧急定单） ，也还 是要以货币的术语来评估。如果需要对“软约束”建模（例如，为备货生产定单履行计划的交 货时间），我们可以把惩罚成本包含在目标函数中。 惩罚成本也称为缺货成本， 它是当需求出现时没有足够的现货来满足需求所招致的成本。如果决策人员想要同时追求上面几个优化目标，使每个目标都达到 最优，这样“理想

20、”的解答通常是不存在的。那么，只好寻求一个妥协方案。 一种方法是建立上面单个目标的加权和，这个组合目标函数可以象单目标函 数一样对待，因此，可以应用同样的求解方法 44 。3 3、解的表达表达一个模型的解也即详细的排产计划，有几种选择。它可以简单 地表达为一个任务清单，上面列出了每个任务在分配给它的资源上的起始和 完成时间。要把排产计划传送到其它模块中，这是最恰当的表达方式。决策人员通常更喜欢排产计划以甘特图表达（如图 4 4 所示），用甘特 图可以在一定的时间间隔上平行地显示所有资源。人们既可以专注于一个指 定顾客定单和它在相应生产阶段的排程，也可以把注意力集中在单个资源及 其在时间上的排程

21、。如果决策人员允许交互地改变排产计划，例如把一个运作交互地移 到另一个资源，那么以平行方式显示所有资源的甘特图是最好的表达。下面我们再来看看更新一个现有排产计划的一些选择。排产计划更新生产计划排程假定所有数据是确定已知的，也即决策状况是确定的。 尽管这是一个理想的假设，但对一些时间段还是可以进行调整。为了处理不 确定性（例如非计划的生产率变化或未预料的资源停工） ，软件工具允许监控 人们假定发生在车间的变化，并生成一个更新了的期望的定单完成时间。这 些变化是否大到需要重新优化排程将基于决策者的判断。在一个计划实际交 付车间实施之前，可以通过提供大量的可选状况的生成和测试能力来帮助决 策者的判断

22、。这种方法也称为仿真，目前的 APSAPS 软件工具都提供仿真手段（见 图 1 1 的第 3 3 到第 5 5 步）。在这里要提到的另一个特征是两步计划方法，也称为增量式计划。 假定有一个新的定单到来。如果它落在生产计划排程的计划范围内，这个新 顾客定单的活动可以插入到它所需资源上已排序好的定单中。在现行排产计 划中寻找时间空隙，以便新定单的排程只须做微小的调整。如果能维持排产 计划的可行性，那么就能导出新定单的一个计划交货期，并送回给顾客。由于上面这一基本排程可以通过不同的定单顺序来改进，所以重新 优化经常会被考虑，以便通过新的排序来减少成本。下面我们就来举例说明。假定有 4 4 个定单需要

23、在某个机床上排程，表 1 1 给出了定单交货时 间，优化的目标是使顺序相关的生产准备时间总和最小。如果实际开始时间 在 100100（时间单位），所有定单的加工时间相同（ 1 1 个时间单位），顺序相关的 准备时间是 0 0， 1/31/3， 2/32/3 或1 1 个时间单位（表 2 2 给出了准备时间矩阵） 。那么， 最 优 的 排 程 显 然 是 ABCDABCD （ 如图 4 4 所i.数ife到期时间定单A5CD到期时间I-.1 4171 IH在开始加工定单 A A 之后，我们被要求检查是否能够接收一个交货时间为 107107 的新定单 E E。假定不允许因为一个新（紧急）定单而中断

24、一个已经开 始执行的定单，那么我们可以检查在完成定单 A,A, B,B, C C 或 D D 之后，把工作 E E 直接插入现行排程（如图 5 5 所示）。由于在定单 A A 和 E E 这个子顺序之间存在一 个正的准备时间，插在 A A 之后会违反定单 B B 的交货期，因此是不可行的。依理可以找到三个可行排程，其中可选方案 c c）具有最小的准备时间总和。因此,交货期为 10107 7 的新定单 E E 可以被接受 （假定定单 E E 值一个时间单位的附加生 产准备时间）当重新执行排程优化时，我们可以得到一个新的包括定单E E 的可行排产方案，它减少了 1/31/3 的生产准备时间（如图

25、6 6 所示）。示）。toABCDE 1A10111811012/31 J1101/3D111/311E112/311毅厶數据：生产谁备吋闾矩阵Fl回c _D _.因准备时闾10Q 01 02 03 04 03 M 07 OS1口 生产生成一个新的定单排程是费时的，并且通常会导致一些紧张(nervousnessnervousness)。这些紧张是因为与先前的实际计划相比改变了定单开始的 时间和生产的数量。紧张可能导致车间的额外工作，例如某些输入物料或许 要更早交付，而这又要与供货商一起检查。为了减少紧张，通常可以把在一 个资源上接下来的几个定单固定，也即它们的加工顺序是固定的而不作为重 新优化

26、的一部分。开始时间落在一个给定时间段(称为冻结范围)的所有定 单都将被固定55。结束语假定已经生成了主生产计划，我们就可以为不同的车间和生产单元导出详细的排产计划。生产计划排程是在一个计划层中完成还是分两个计划层次来做，很大程度上取决于车间的生产类型。在一个资源上的定单排序通常有 许多可选圏冬崔一台机東上具有到期时间和相关住备吋周顺序的四个定廉的甘特暗圏5、 生成新顾客定单E的到期吋何2 1/321/32准备时间之霜：I 2/3鬥乩苣新优化后的持程方案，要找到一个最优的排产计划，对一个资源上的n n 个定单理论上要评估 n!n!种不同的排序。尽管强有力的求解算法已经开发出来减少寻找好 的方案所

27、要评估的解的数量，优化的计算量仍会随着排程定单的数量而急剧 增加。幸运的是生成一个排产计划通常不必从零开始，因为先前计划的一部 分已经是固定的（例如落在冻结区中的定单）。同样，把生产计划排程分为 两个计划层次来做也减少了在低计划层上生成可行定单顺序的数量。此外， 增量式计划或由决策者指定的部分排程的重新优化也限制了计算量。APSAPS 系统导入后效益：减少生产排程时间，降低产销协调会议时间-掌握所有订单生产进度状况，提供客户准时交货需求-客户插单或订单异动时，提供立即重排功能，分析所有订单异 动状况，事前防范订单延误*业务 ForecastForecast 输入，预测未来产能状况及长期物料采购

28、提供生产计划和实际完工回报，掌控生产绩效降低生产成本*连结物料需求，提供进料时间，达成 JITJIT 以降低库存减少缺料掌控产能和物料，将复杂的制造业管理透明化*内部产能和物料控管，委外加工生产计划，材料供货商准确交期提供，以符合客户订单交期，使上下游之供应链达到整合。APSAPS 系统具备的功能为:生产设备资源档：设备资源名称，群组代号（不同资源但可共享）， 资源数量，各资源之共享日历（亦包含个别日历），产能系数制程标准工时档：制程名称，加工批量，产能/时，工时，换线 时间，主要资源，次要资源，宽放产能和物料共享之（BOMJPBOMJP 成品，制程，组成数，制程关系，制程间隔，制程用料，用料

29、数，旧料，代用料有限产能：依各制程工时，以其使用之设备资源，参考工作日历， 自动错开，排出工作进度。自动排程（含后续之插单及生产异常状况）：以有限产能，各制 令出货顺序，各制令限制条件（锁定，延后），各制令生产完 成进度，自动排出生产计划。能提供并连结物料需求之进料日期以符合 JITJIT:排出各制令生产 上线时间，依各制令未完数量，提供物料计算各制令所需材料，并以各制令生产上线日期扣除进料检验日期作为各材料进料交 货日期，若来不及进料之材料回复至排程，视情况依进料日重排委外商亦能纳入生产计划：厂内制程依数量计算工时，委外商依 加工批量计算工时，厂内和委外商之工作日历亦不同。*各机台皆能个别设

30、定加班时间：配合出货日期，计算机自动显示需加班之设备资源，更改需加班之设备资源则出货日期自动提符合本土化企业之排程法则：排程法则之好坏影响该 APSAPS 系统是 否能使用，多数人尚使用理论性的派工法则，或者是需设很多参 数很复杂的排程法则，实际上制造业决定排程顺序之法则为”无法则之法则”，也就是生产中和被锁定之制令不动 （无法则），依 出货日期和进料日期顺序排程（有法则）。替代设备自动更换以平衡产能缩短交期：遇有订单交期过晚或部 份设备产能稼动率过低，系统能依所设定数据之各设备资源之替 代性，并平衡各产能提高稼动率，自动更换制令之设备资源，达 到订单交期缩短功能。生产异常调整并自动重排：任何

31、异常状况如：缺料，提机，订单 异动，插单，进度落后.等，给予依各以之之数字或时间，系统 能自动且快速自动重排。*生产计划能结合生产回报：生产部门依生产计划执行生产，依生 产完成状况定时回报，系统更新各制令之生产进度，并以甘特图 显示进度使易于辨别，固定时间将落后进度更新重排。 配合生产 现场环境和人员操作单纯化， 提供 BarcodeBarcodeScaSca nnernner,盘点机或 连结机器信息，以提高数据输入之正确性。生产回报数据能提供绩效及差异分析：依据生产计划何时寄回报数据作各项管理性之不良率， 停机，效率， 工时分析及各项差异 分析，已发现问题，并能藉由信息改善问题，提高产能效率，降 低生产成本。以上为根据制造业，参考许多不同制程之生管实际运作，整合并规 划成同一标准功能， 以使中小企业能以标准版本之低成本享受大型企业 才有的APS-APS-先进生产排程系统。