先进规划与排程系统

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先进规划与排程系统 (Advanced Planning and Scheduling,APS)

　　先进规划排程系统（APS，Advanced Planning & Scheduling System）是一种以系统模拟或数理规划等方式填写甘特图。

　　先进规划与排程系统是利用许多进步的管理规划技术，包括限制理论（Theory of Constraints，TOC）、作业研究（Operations Research，OR）、基因演算法（Genetic Algorithms，GA）、限制条件满足技术（Constraint Satisfaction Technique，CST）等，在有限资源下，追求供给与需求间的平衡规划；同时，利用资讯的储存与分析能力，以最短的期限，达到最有效的规划。

　　一般业界的ERP能整合企业的资料，但欠缺排程的功能，APS则拥有“决策支援”的能力，可以随异常状况如缺料、停机、插单、数量调整、工期调整、加班设定等而调整。APS 可以让规划者快速结合生产相关资讯，例如订单（Order）、制令（MO，或称工单）、途程（Route）、半成品（WIP）、存货（Stock）、物料清单（BOM）等。随着企业之间的差异性，生产相关资讯亦不尽相同，如制令之下可能还有批量（Lot）。

　　APS系统又可区分为“物料规划”与“产能规划”。产能规划一般比较好解，物料规划则碍于现场布置，较难取得一致性的共识。

　　一、物料规划

　　物料规划着重于原物料与零组件间进料时程及投入产出的规划，但物料规划无法考虑产能的限制。

　　二、产能规划

　　产能规划着重于产业制程特性、生产排程限制以及派工法则，最简单的派工法则是先进先出（FIFO）。

　　先进规划与排程系统是为了解决传统系统的问题，因此必须具备克服传统系统缺点的功能。目前APS常见的功能如下：

　　1.能在固定资源下设法追求效益最大化的规划

　　在传统系统中，因未能考虑资源限制与企业目标，故无法使规划达到最优化。但是APS应用了数学模式、网络模式、模拟方法等先进技术，因此能在各种不同限制条件下，拟出一个可行及最大化的规划。

　　2.即时作业能力

　　APS能搜集生产上的各种即时资料，并立刻进行即时分析与规划，使得规划人员能应对许多突发状况（如紧急插单、物料供给延误等）。

　　3.能考虑供需规划的整合

　　由于APS能同时兼顾需求面与供给面，使得供需规划能达到均衡，符合企业运营上之需要。

　　4.提供决策支持的功能

　　目前企业处在剧变的环境中，常需要更多决策支持功能的工具，APS因具备模拟等预测分析工具，有利于规划人员在分析上的运用，进而取得正确决策。

　　现代企业管理的关键点是企业资源规划，传统的ERP的核心是MRP和MRPII，它的理论形成已有三十多年，近些年来其理论和应用不断增添新内容，但它的静态物料结构、无资源能力约束、估算的生产提前期等早已不能满足更多新的需求。为了克服ERP无法解决的问题，一个新的基于有限资源能力的理论在九十年代初开始应用，这就是APS(Advanced Planning and Scheduling)。

　　APS解决了ERP无法解决的动态过程管理问题。它是基于有限资源能力的优化计划，它将企业资源能力、时间、产品、约束条件、逻辑关系等生产中的真实情况同时考虑。资源、物料和时间必须属于某个工序/操作Operation或工序连接成的工艺路线Routing。没有不属于工序或工艺路线的资源、物料和工作时间。许多工序/操作Operation按一定的逻辑和规则连接成工艺路线。有了资源, 物料和时间的基础数据后，就有了各种资源和时间相叠形成的数学迷宫问题。再加上市场需求，客户订单产生了驱动破解迷宫的需求，找出最合理的通过迷宫的路径就是我们要求解的最优排产计划困惑。

　　通常这种解答方法是通过数学方法来找出最佳迷宫路径解，这就是APS的核心问题。基于资源能力, 物料和时间约束条件为基础理论的企业管理方法，解决了企业计划不能实时反映物料需求和资源能力动态平衡问题。最大化的利用了生产能力，最大化的减少了库存量，最快速的提高了市场反应速度。这解决了企业以最小的投入，获取最大化利润的关键问题。企业要不断的得到各种实时的计划，用以调整自己去适应市场的变化。APS理论成功的应用管理软件解决了这个问题。它实时的为企业提供各种计划。成功的例子是 i2 的供应链、Adexa 的生产排产和 J.D.Edwards 的集团多网点能力平衡和生产排产。

　　APS理论是新一代管理方法的核心，它解决了ERP， MRP, MRPII 和 BOM以及供应链管理长期困扰的问题。 MRP, MRPII 和 BOM 是产生无限能力的静态的物料需求。这种物料需求无法准确的反映实际需求。 静态、粗略管理和动态实时精确管理是ERP和APS之间的最大区别。

　　APS与ERP管理软件相比它存在历史短，事物处理功能还欠发展，还需要时间去完善。当传统的ERP系统的事物管理功能和APS的先进理论结合时，世界上新的管理系统就在很短的时间内诞生了，这就是APS和传统的ERP的结合体，当今世界先进的管理软件公司都按照此方式运作。

　　解决ERP无法解决的问题之一生产排产问题

　　用APS的基于资源能力、约束理论、时间和物料为基础理论进行生产排产，我们要做的工作是解决 ERP和MRP 所不能解决的问题。不准确的计划，即没有准确的时间、地点、数量的粗略计划。ERP的生产排产计划是根据主生产计划、预测和订单共同产生的。PS-D生产排产计划理论上讲只靠订单驱动。我们编制的PS-D生产排产计划系统要能提供下列功能:

　　1. 计算出满足订单要求的生产排产计划。其中包括可以满足订单的最迟或最早开完工时间，及有准确的时间对应的物料需求计划。

　　2. 订单更改变化或临时插入紧急订单后，要能快速的重新排生产作业计划，立刻报出能否满足变化，最早可以在什么时间开始生产紧急插入订单和最快交货时间及新的物料需求。

　　3. 生成满足订单任务所占用的精确资源情况和此订单实时的精确物料需求计划。

　　4. 计算订单的物料需求，为采购或供应商作出精确的到货时间、地点、数量的物料需求计划。在预计算出直接来源于供应商的物料难以满足需求时，产生库存物料需求计划。库存需求计划的原则是在供应商不能实时的满足订单要求才产生，从而，使在保证订单的前提下使库存量最小。

　　5. 计算满足订单的工序需求(精确的具体的需求量、时间、地点)和中间件(不能被下到工序消化吸收的上道工序的产出品)，为采购计划和库存计划提供准确的信息。

　　6. 计算出订单的精确的采购计划，包括交货的量、时间、地点、价格等。

　　7. 监控单个订单或多个订单的生产进度情况。模拟多个订单的相互影响情况等。 展示ERP和MRP无法提供的精确到分秒的物料需求计划和资源使用计划， 为实时的精细管理提供依据。

　　8. 产生订单的实际成本、利润，所需物料及准确到货时间、库存情况，物料属于哪些订单及物料在加工中的价格升值。

　　9. 产生各种精确的计划，这些计划要有准确的时间、数量、位置、成本和计划对应的订单:资源使用计划、物料需求计划、物料供应/采购计划、成本计划。对订单的库存计划，另外还有对市场及对突发事件的预计库存量计划等。

　　10. KPI(Key Performance Indicators)产生各种精确的报表用以对各种计划进行评估。 在KPI图中可显示资源利用率、订单履约率、材料利用率， 库存成本、制造成本、运输成本等。为决策层提供决策依据。为了解决这一系列问题，我们按APS的有限能力的约束理论编制高级生产排产计划系统，即PS-D(Production Scheduling-Discrete)去解决ERP遗留的问题。PS-D是APS先进的计划系统中的一个生产排产计划子系统。

　　一.用APS中的PS-D解决进行生产排产的步骤

　　1.把所有和生产有关的资源和物料放到工序Operation中。可以用替代的资源和物料，但必须保证质量。

　　2.把所有生产某一产品所用到的所有工序连接起来形成一个工艺路线Routing。一个产品必须有最少一个Routing。 可以定义一个以上的替代工艺路线，也可以让系统按逻辑规则自动生成工艺路线，但必须保证质量。

　　3.重复步骤2，直到把企业能生产的所有产品输入系统，并对每个产品建立相应的工艺路线Routing。

　　4.建立工序Operation时必须输入相关的参数。如:资源(人、设备、工装)、时间、物、料、储存空间、供应商、负荷率、单位成品、工作时间、可以连接的上下工序、工序连接的规则、工作日历、最大生产能力、维修保养时间、相关约束条件等。

　　5.建立工艺路线Routing时必须考虑和输入相关的参数、规则和逻辑关系、工序的起始时间set up time。如:

　　A.建立工序间的连接时间(不同的工序间连接时间不同、物料不同连接时间不同、物料运输时间、工装设备的准备时间也不同)这个时间是规则、逻辑关系、参数等变量的应变量的动态值。

　　B.工序间产生物料需求或产生中间产品否? 物料需求来源供应商还是库存?产生中间产品是以最少时间到下道工序还是入库?

　　C.工序间的逻辑关系，是否强制连接等等许多。这些是制作APS系统的经验和理论。

　　6.用户可以输入产品订单要求PS-D系统进行生产排产。当订单输入后并证实和计算完，系统要产生可行的工艺路线Routing，即生产方式的甘特图。当用户输入许多不同产品的订单，系统必须能对所有订单产生相应的工艺路线和对应的甘特图。

　　7.所有产生产品的工艺路线和相关信息要以甘特图的形式显示出来。用户可以从甘特图看到产品的工艺路线、工序和生产产品和设备的细节，并可从甘特图跳转到drill-down相关的细节报表。

　　二. APS中的PS-D的作用和解决的实际问题

　　1.PS-D的作用:排产完成后产生的甘特图显示排产情况。它根据输入条件、规则，在短时间内帮助计划员和车间排产员做出排产计划(在这之前是需要手工长时间才能计算出结果)。

　　由于手工计算能力排产需要很长时间，销售人员将订单输入后，手工计算不可能立刻得到结果并告知客户能否在需要的时间内排产或生产，在等待几小时或数天排产的结果计算出后，订单早已丢失。本系统可以快速用资源能力对订单计算和排产，得出能否生产和产品的交货期。并告诉你在这种交货期的生产情况下能否盈利。由于本系统的初始版本的排产方法和算法来源于计划员和车间排产员，再加上资源能力约束算法，它是最基本的算法，还没有经过改进和优化。排产的方案基本类似计划员的手工排产加上能力验算，但PS-D能快速地从许多因数中找出可行的排产方案，可以瞬间完成许多计划员几天的手工排产工作。要产生更好的优化的排产计划，需要人工反复计算和反复的调整。即要人工使用PS-D快速模拟、计算排产，再对排产结果进行分析和改进，最终得到好的排产结果。

　　本系统的初始版本是一个帮助企业提高资源利用率的工具，可快速解决和回答客户订单需求和需求变化的好工具。它能做到 ERP所不能及的事 -动态的利用资源、实时的监控生产物料和资源利用率情况为决策层提供实时的决策依据。要系统自动产生更好的最优排产计划，需要有更好的算法，这种算法正是世界上先进国家和大公司正在严格保密研究的东西。先进的算法接受计划员输入的基本信息和资源能力信息后，就可自动计算出最优的排产方案。它计算的方法是:首先产生无数多的可行方案(解)，然后自动的从无数多的可行方案选出最优的方案。自动且快速得出最优的方案是我们工作的长期努力目标。

　　2.监控/查询 PS-D有以下监控和查询功能:

　　(1). 订单在某时刻所在的位置和状态，正在用哪些资源进行生产，订单产品在哪条或哪几条工艺路线上; (2). 订单任意时刻所需的物料情况、状态，所需的物料能按时到货否、有安全备用库存物料否。 (3). 订单的资源(设备、工装、人员等)的占用率，并可人工调节资源占用情况和工艺路线，最大化的利用资源; (4). 订单产品某时刻的价值，它的最终价值。工艺路线调整后的时间变化和价值变化; (5). 一个临时插入的订单能否被生产(排产)，它的最早最晚完工时间，它对其它订单的影响， 它的成本和对其它订单的成本影响;

　　3. 解决的实际问题:

　　(1).计算出完成订单的最晚开始生产时间和满足订单的完工时间及物料需求，如不能按时完成订单，告知客户最近的订单完工时间，或给出替代方案如:按订单期限交货一半，另一半几天后交货; (2).如按订单的时间生产有困难或不能排产，它的问题，瓶颈制约在哪里?用调整工艺路线和工序来满足订单，或用增加资源(人员、设备等)来满足订单; (3).每个工序都可看到资源利用率，对利用率低的资源加以调整，达到最佳的资源利用率， 以减少资源浪费;

　　三.PS-D的主要功能

　　1.基于能力的APS把资源、时间、生产规则、逻辑、物料、客户订单等同时考虑。它处理的数据是动态的，它反应企业的真实生产情况。它能动态的计算资源能力，可以立刻回答订单问题，计算现有资源能力能否完成订单CTP"Capable to Promise"。

　　即对一个新输入的订单的数量、交货期为需求条件，立刻对资源能力进行计算并得出能否满足订单的结果，PS-D按订单要求和输入的生产规则检查/计算生产(资源)能力是否能按时按量的生产出产品。这完全是面向客户需求的生产，(这不同于ERP的ATP"Available to Promise"，面向库存生产，用查询库存量来决定能否满足订单)。在计算满足此订单的同时也计算出此订单的成本是多少，此订单能否获利PTP"Profitable to Promise"。由于PS-D完全是按订单生产，它原则上可做到零库存。交货期是排产时间(生产时间)加供应商的送货时间。

　　2.由于APS的管理原理先进，它能更好更准确的产生ERP要求的各类计划。例如:

　　资源计划和生产作业计划:这类计划中资源的使用情况是精确到设备、工装、人员的分秒，用户可从看到任意事态的资源占用情况。生产作业中的物料、中间品的情况精细到具体的工位、占用的工序时间、相关的供应商或库存，批量数量等。

　　物料需求计划:由于物料需求是和生产工序一起动态存在的，不是用BOM静态产生的，物料需求有精确的时间，原则上是上到工序的产出品作为下道工序的需求物料，只有上工序的产出不能满足本工序时才产生物料需求，并要有供应商精确的到货品时间。物料需要的量、时间和位置都很精确。为直接从供应商准确订货提供了依据。而对库存物料的需求数量相对很少。

　　资源使用计划:用户看到任意时刻的资源使用情况，和资源使用率。如不满意，可以人工调整以达到最佳情况，并可用于帮助调整企业的设备需用计划。

　　库存计划:PS-D产生的计划精确到分秒，而且尽可能的用生产能力去满足需求，以APS资源约束原理计算出的结果为依据做出的库存计划不但非常精确而且大大的减少库存量。

　　采购计划:由于有了订单才产生生产排产计划，物料需求计划。计划的精确到分秒、工位，采购计划也更准确，采购量也更少。

　　成本计划:用户可看到订单的成本，而且可以看到中间品和在制品的成本。调配排产计划，订单的成本也变化。可在满足订单的情况下，调配排产得到最大的利润。

　　批量跟踪计划:由于工序中每道工艺都有严格的资源使用和记录。某人某台设备何时加工的某产品的某一步都记录在案。产品跟踪起来很方便。

　　四.APS市场前景展望

　　APS 的基于有限资源能力的管理原理可运用到企业管理的各个关键计划环节，应用成功的两个例子就是生产排产、物流的优化平衡，即供应链优化计划软件。中国软件行业中能成功使用APS理论来研发管理软件的企业尚属空白，可喜的是某些企业已经认识到APS理论用于管理的重要性，并有少量投入。

　　由于APS管理理念与ERP不同，一个是基于有限资源能力的动态计划，另一个是基于事务处理的静态计划。如排产， PS-D是将资源、时间、物料按一定的规则逻辑组织生产，有了需求之后就能动态的计算出物料或设备的精确需求时间和数量。而ERP用BOM计算的需求是没有准确的生产设备需求时间和物料需求时间。

　　因此采取APS理论的生产排产系统PS-D和ERP的生产排产系统并行存在是管理软件行业发展的阶段性需要，对管理要求不高的生产型企业可以选用ERP中的生产管理系统，它只给出粗略的库存管理和生产管理，并用大量库存去许诺客户订单和满足不精确的物料需求计划。

　　针对管理水平要求高(JIT准时制生产、面向市场生产)的企业、精益生产型企业就需要用APS的生产管理系统PS-D，此系统能给出精确的客户订单承诺，精确的物料需求和精确的生产作业计划等。

　　ERP企业只有使用APS理论才能做出高端的ERP产品，才能占领高端市场，目前中国的高端软件市场大多被国外软件公司占领，为改变这种现状中国软件企业有必要且必须研发自己的APS产品，研制出适合于国内生产企业的高端ERP产品，才能在行业中处于领先地位。

　　最后，为了充分说明企业理财系统能力成熟度明细性构造模型的软件实现，必须从业务范围、单据构成、流程模板、账表支持、使用步骤、初始余额六个方面分别对五个不同能级开展研究。

　　另一方面是从技术的角度提升软件易使用程度。要通过对关键信息技术的应用研究，如移动技术、RFID、OFFICE 等，使其与ERP结合，方便ERP信息获取。通过对关键开发技术的研究、引进。提高软件的灵活性、易用性。实现传统ERP想做而没有做到的事。通过研究做企业爱用、好用、快速导入的ERP。

　　案例：按订单生产的先进规划与排程系统分析

　　以广东江门某企业为例,结合约束理论、准时生产、高级数学模型与算法,对按订单生产的离散型生产企业的高级计划与排产系统应用进行分析与研究。

　　1.先进排产管理子系统(APS)

　　各事业部或车间利用APS系统分解后的主生产计划,按照产品的工艺过程和资源约束条件,自动分配资源(机器设备和人力资源),并根据资源的工作日历及班次,自动安排生产作业计划和物料需求计划。

　　管理人员还可以根据安排结果,在APS系统上进行手工调整。

　　主要功能:生成日自制件生产计划、外购(外协)件以及胶料日需求计划;通过产能计算和产能平衡对生产任务进行排产,产生日机台作业计划;通过自动生成作业记录卡,实现对各工作中心的生产进度的跟踪与监控,确保作业计划按时完成。

　　功能特点:集成了物料需求和细能力需求以及车间任务和车间作业功能,使生产计划——物料需求计划——能力平衡——车间执行——生产调度一气呵成。

　　排产简述

　　(1)总计划员运行MPS主生产计划,经粗能力平衡后,将可以安排的任务设置为锁定状态,以防止确认的计划被修改;

　　(2)APS模块读入主生产计划已经锁定的任务;

　　(3)按产品BOM结构展开到APS,进行生产任务排序,确定优先级;

　　(4)将设定好的优先级,按由高到低的顺序遍历任务队列;

　　(5)根据产能定义和计算,将每一任务按机台与模具资源分配到单个机台上;

　　(6)如果当天没有可用机台,就顺延到下一天,以此类推直到队列中的任务全部被安排;

　　(7)如有些任务被安排到订单的交货期之后,系统自动通知销售公司,使其与客户重新协商订单的交货日期,并根据重新确定的交货日期进行排产;

　　(8)APS排产见下图：

　　2.算法分析

　　APS有两种计划排产方法:(1)算法任务顺序计划:一次一个定单或任务;(2)模拟顺序计划:一次一个工序或操作。排产计划的一般程序可简单地描述为如下图所示的6个步骤。

　　（1）算法设计

　　APS系统一般是由k(1,2,…,k)台机器与n(1,2,…,n)件不同的工件所组成,所有的工件都必须根据处理计划,按照工艺流程进行大量的装配与处理,每个工件要求一系列的操作,每个工作的操作顺序可以用有向无环图来表示,这样就可以用拓扑排序来解决排产问题,从而将排产问题转换为线性规划的数学模式来求解。每个工件的排产可以选择任何一台机器。任何一张给定的生产订单,可以看成是工件与机器的一个集合。

　　假设作业J_i需要处理的时间为t_i(),若作业i分配到处理机j上处理,则令x_ij = 1,否则为0,表示处理机J_p完工时间,表示作业i只能分配到一个处理机上,因此其排产数学模型为:

　　而()=0,1。

　　模拟退火算法来源于固体退火原理,将固体加温至充分高,再让其徐徐冷却,加温时,固体内部粒子随温升变为无序状,内能增大,而徐徐冷却时粒子渐趋有序,在每个温度都达到平衡态,最后在常温时达到基态,内能减为最小。用固体退火模拟组合优化问题,将内能E模拟为目标函数值f,温度T演化成控制参数t,即得到解组合优化问题的模拟退火算法:由初始解i和控制参数初值t开始,对当前解重复“产生新解→计算目标函数差→接受或舍弃”的迭代,并逐步衰减t值,算法终止时的当前解即为所得近似最优解,这是基于蒙特卡罗迭代求解法的一种启发式随机搜索过程。

　　（2）模拟退火算法的流程

　　求解排产问题的模拟退火算法模型可描述如下:

　　step1:给定起始温度T、终止温度T₀和退火速度a,处理机数n作业数m,随机给出一个调度方案,计算完工时间f₀。

　　step2:若T > T₀,转step3;否则算法停止,输出X₀。

　　step3:随机产生作业j和处理机i,令x_kj = 0(,x_ij = 1,此时变量记为X₁。

　　step4:计算完工时间f₁,,若, 接受新值,转step2,否则转step3。

　　该算法结构简单,但其中所有的判断和操作都要与现场诸多限制条件紧密结合才能有实际意义。