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)（APSAdvancedPlanningSystems ）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(biāo)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)計劃排程（ProductionPlanningandScheduling）模塊的基本原理 1。決策狀況描述生產(chǎn)

2、計劃排程的目的是為車間生成一個詳細(xì)的短期生產(chǎn)計劃。排產(chǎn)計劃（Productio nschedule ）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。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(dāng)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(dāng)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

3、，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、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(dāng)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(dāng)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

4、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6 個步驟（如圖 1 所示）。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1 、建模車間模型必須詳細(xì)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

5、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(xì)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(dāng)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

6、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(xì)的排產(chǎn)計劃）完成。5 、排產(chǎn)計劃分析和交互修改 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(xì)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

7、 （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”，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(dāng)然，為了提供真正的決策支持，必要的修改次數(shù)應(yīng)當(dāng)受到限制。6 、生產(chǎn)狀況核準(zhǔn)當(dāng)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

8、執(zhí)行。7 、執(zhí)行和更新排產(chǎn)計劃決策人員選定的排產(chǎn)計劃將被傳遞給：MRP莫塊（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Loopll ）。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（后面我們還將對排產(chǎn)計劃的更新作詳細(xì)討論）。改變車間生產(chǎn)模型的情況不太經(jīng)常（如圖1中的Loopl ）。如果結(jié)構(gòu)保

9、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(dāng)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(xì)的闡述。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(xì)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（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)

10、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(xì)節(jié)（如監(jiān)視定單當(dāng)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(dá)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（situationdependentdat

11、a）。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(zhǔn)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(dá)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

12、產(chǎn)流程模型（PPMProductio nProcessModel ）來清晰地表達(dá)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(biāo)的瓶裝蕃茄醬的兩級生產(chǎn)流程。第 一個PPM表達(dá)液體蕃茄醬的生產(chǎn)，包括清洗攪拌池，攪拌配料，和等待裝瓶。一旦蕃茄醬準(zhǔn)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言裝線第二資彼:注綽：基本貞諛I(yè) :1-QhOh|潘洗裝會+k*k 4清烷扎員轉(zhuǎn)腐-員裝童人員 包裝宜活動 產(chǎn)品兩亍冷動之何的物謊f含最大提前期）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 ）

13、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(dāng)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(zhǔn)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(biāo)界線（peggingarcs

14、）連接相關(guān)的PPMs導(dǎo)出（見圖3中的粗體線和虛線）。有向標(biāo)界線把一個 PPM勺輸出物料（節(jié)點）與后一級PPM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。"攝天時聞滯后：ohyI圖3、標(biāo)界線：連接兩個生產(chǎn)流程模型（ PPMs狀況相關(guān)資料隨車間當(dāng)前的狀況而變，它包括：初始庫存（含在制品庫存）、資源的準(zhǔn)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