先進規劃與排程系統

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先進規劃與排程系統 (Advanced Planning and Scheduling,APS)

　　先進規劃排程系統（APS，Advanced Planning & Scheduling System）是一種以系統模擬或數理規劃等方式填寫甘特圖。

　　先進規劃與排程系統是利用許多進步的管理規劃技術，包括限制理論（Theory of Constraints，TOC）、作業研究（Operations Research，OR）、基因演演算法（Genetic Algorithms，GA）、限制條件滿足技術（Constraint Satisfaction Technique，CST）等，在有限資源下，追求供給與需求間的平衡規劃；同時，利用資訊的儲存與分析能力，以最短的期限，達到最有效的規劃。

　　一般業界的ERP能整合企業的資料，但欠缺排程的功能，APS則擁有“決策支援”的能力，可以隨異常狀況如缺料、停機、插單、數量調整、工期調整、加班設定等而調整。APS 可以讓規劃者快速結合生產相關資訊，例如訂單（Order）、制令（MO，或稱工單）、途程（Route）、半成品（WIP）、存貨（Stock）、物料清單（BOM）等。隨著企業之間的差異性，生產相關資訊亦不盡相同，如制令之下可能還有批量（Lot）。

　　APS系統又可區分為“物料規劃”與“產能規劃”。產能規劃一般比較好解，物料規劃則礙於現場佈置，較難取得一致性的共識。

　　一、物料規劃

　　物料規划著重於原物料與零組件間進料時程及投入產出的規劃，但物料規劃無法考慮產能的限制。

　　二、產能規劃

　　產能規划著重於產業製程特性、生產排程限制以及派工法則，最簡單的派工法則是先進先出（FIFO）。

　　先進規劃與排程系統是為瞭解決傳統系統的問題，因此必須具備剋服傳統系統缺點的功能。目前APS常見的功能如下：

　　1.能在固定資源下設法追求效益最大化的規劃

　　在傳統系統中，因未能考慮資源限制與企業目標，故無法使規劃達到最優化。但是APS應用了數學模式、網路模式、模擬方法等先進技術，因此能在各種不同限制條件下，擬出一個可行及最大化的規劃。

　　2.即時作業能力

　　APS能搜集生產上的各種即時資料，並立刻進行即時分析與規劃，使得規劃人員能應對許多突髮狀況（如緊急插單、物料供給延誤等）。

　　3.能考慮供需規劃的整合

　　由於APS能同時兼顧需求面與供給面，使得供需規劃能達到均衡，符合企業運營上之需要。

　　4.提供決策支持的功能

　　目前企業處在劇變的環境中，常需要更多決策支持功能的工具，APS因具備模擬等預測分析工具，有利於規劃人員在分析上的運用，進而取得正確決策。

　　現代企業管理的關鍵點是企業資源規劃，傳統的ERP的核心是MRP和MRPII，它的理論形成已有三十多年，近些年來其理論和應用不斷增添新內容，但它的靜態物料結構、無資源能力約束、估算的生產提前期等早已不能滿足更多新的需求。為了剋服ERP無法解決的問題，一個新的基於有限資源能力的理論在九十年代初開始應用，這就是APS(Advanced Planning and Scheduling)。

　　APS解決了ERP無法解決的動態過程管理問題。它是基於有限資源能力的優化計劃，它將企業資源能力、時間、產品、約束條件、邏輯關係等生產中的真實情況同時考慮。資源、物料和時間必須屬於某個工序/操作Operation或工序連接成的工藝路線Routing。沒有不屬於工序或工藝路線的資源、物料和工作時間。許多工序/操作Operation按一定的邏輯和規則連接成工藝路線。有了資源, 物料和時間的基礎數據後，就有了各種資源和時間相疊形成的數學迷宮問題。再加上市場需求，客戶訂單產生了驅動破解迷宮的需求，找出最合理的通過迷宮的路徑就是我們要求解的最優排產計劃困惑。

　　通常這種解答方法是通過數學方法來找出最佳迷宮路徑解，這就是APS的核心問題。基於資源能力, 物料和時間約束條件為基礎理論的企業管理方法，解決了企業計劃不能實時反映物料需求和資源能力動態平衡問題。最大化的利用了生產能力，最大化的減少了庫存量，最快速的提高了市場反應速度。這解決了企業以最小的投入，獲取最大化利潤的關鍵問題。企業要不斷的得到各種實時的計劃，用以調整自己去適應市場的變化。APS理論成功的應用管理軟體解決了這個問題。它實時的為企業提供各種計劃。成功的例子是 i2 的供應鏈、Adexa 的生產排產和 J.D.Edwards 的集團多網點能力平衡和生產排產。

　　APS理論是新一代管理方法的核心，它解決了ERP， MRP, MRPII 和 BOM以及供應鏈管理長期困擾的問題。 MRP, MRPII 和 BOM 是產生無限能力的靜態的物料需求。這種物料需求無法準確的反映實際需求。 靜態、粗略管理和動態實時精確管理是ERP和APS之間的最大區別。

　　APS與ERP管理軟體相比它存在歷史短，事物處理功能還欠發展，還需要時間去完善。當傳統的ERP系統的事物管理功能和APS的先進理論結合時，世界上新的管理系統就在很短的時間內誕生了，這就是APS和傳統的ERP的結合體，當今世界先進的管理軟體公司都按照此方式運作。

　　解決ERP無法解決的問題之一生產排產問題

　　用APS的基於資源能力、約束理論、時間和物料為基礎理論進行生產排產，我們要做的工作是解決 ERP和MRP 所不能解決的問題。不准確的計劃，即沒有準確的時間、地點、數量的粗略計劃。ERP的生產排產計劃是根據主生產計劃、預測和訂單共同產生的。PS-D生產排產計劃理論上講只靠訂單驅動。我們編製的PS-D生產排產計劃系統要能提供下列功能:

　　1. 計算出滿足訂單要求的生產排產計劃。其中包括可以滿足訂單的最遲或最早開完工時間，及有準確的時間對應的物料需求計劃。

　　2. 訂單更改變化或臨時插入緊急訂單後，要能快速的重新排生產作業計劃，立刻報出能否滿足變化，最早可以在什麼時間開始生產緊急插入訂單和最快交貨時間及新的物料需求。

　　3. 生成滿足訂單任務所占用的精確資源情況和此訂單實時的精確物料需求計劃。

　　4. 計算訂單的物料需求，為採購或供應商作出精確的到貨時間、地點、數量的物料需求計劃。在預計算出直接來源於供應商的物料難以滿足需求時，產生庫存物料需求計劃。庫存需求計劃的原則是在供應商不能實時的滿足訂單要求才產生，從而，使在保證訂單的前提下使庫存量最小。

　　5. 計算滿足訂單的工序需求(精確的具體的需求量、時間、地點)和中間件(不能被下到工序消化吸收的上道工序的產出品)，為採購計劃和庫存計劃提供準確的信息。

　　6. 計算出訂單的精確的採購計劃，包括交貨的量、時間、地點、價格等。

　　7. 監控單個訂單或多個訂單的生產進度情況。模擬多個訂單的相互影響情況等。 展示ERP和MRP無法提供的精確到分秒的物料需求計劃和資源使用計劃， 為實時的精細管理提供依據。

　　8. 產生訂單的實際成本、利潤，所需物料及準確到貨時間、庫存情況，物料屬於哪些訂單及物料在加工中的價格升值。

　　9. 產生各種精確的計劃，這些計劃要有準確的時間、數量、位置、成本和計劃對應的訂單:資源使用計劃、物料需求計劃、物料供應/採購計劃、成本計劃。對訂單的庫存計劃，另外還有對市場及對突發事件的預計庫存量計劃等。

　　10. KPI(Key Performance Indicators)產生各種精確的報表用以對各種計划進行評估。 在KPI圖中可顯示資源利用率、訂單履約率、材料利用率， 庫存成本、製造成本、運輸成本等。為決策層提供決策依據。為瞭解決這一系列問題，我們按APS的有限能力的約束理論編製高級生產排產計劃系統，即PS-D(Production Scheduling-Discrete)去解決ERP遺留的問題。PS-D是APS先進的計劃系統中的一個生產排產計划子系統。

　　一.用APS中的PS-D解決進行生產排產的步驟

　　1.把所有和生產有關的資源和物料放到工序Operation中。可以用替代的資源和物料，但必須保證質量。

　　2.把所有生產某一產品所用到的所有工序連接起來形成一個工藝路線Routing。一個產品必須有最少一個Routing。 可以定義一個以上的替代工藝路線，也可以讓系統按邏輯規則自動生成工藝路線，但必須保證質量。

　　3.重覆步驟2，直到把企業能生產的所有產品輸入系統，並對每個產品建立相應的工藝路線Routing。

　　4.建立工序Operation時必須輸入相關的參數。如:資源(人、設備、工裝)、時間、物、料、儲存空間、供應商、負荷率、單位成品、工作時間、可以連接的上下工序、工序連接的規則、工作日曆、最大生產能力、維修保養時間、相關約束條件等。

　　5.建立工藝路線Routing時必須考慮和輸入相關的參數、規則和邏輯關係、工序的起始時間set up time。如:

　　A.建立工序間的連接時間(不同的工序間連接時間不同、物料不同連接時間不同、物料運輸時間、工裝設備的準備時間也不同)這個時間是規則、邏輯關係、參數等變數的應變數的動態值。

　　B.工序間產生物料需求或產生中間產品否? 物料需求來源供應商還是庫存?產生中間產品是以最少時間到下道工序還是入庫?

　　C.工序間的邏輯關係，是否強制連接等等許多。這些是製作APS系統的經驗和理論。

　　6.用戶可以輸入產品訂單要求PS-D系統進行生產排產。當訂單輸入後並證實和計算完，系統要產生可行的工藝路線Routing，即生產方式的甘特圖。當用戶輸入許多不同產品的訂單，系統必須能對所有訂單產生相應的工藝路線和對應的甘特圖。

　　7.所有產生產品的工藝路線和相關信息要以甘特圖的形式顯示出來。用戶可以從甘特圖看到產品的工藝路線、工序和生產產品和設備的細節，並可從甘特圖跳轉到drill-down相關的細節報表。

　　二. APS中的PS-D的作用和解決的實際問題

　　1.PS-D的作用:排產完成後產生的甘特圖顯示排產情況。它根據輸入條件、規則，在短時間內幫助計劃員和車間排產員做出排產計劃(在這之前是需要手工長時間才能計算出結果)。

　　由於手工計算能力排產需要很長時間，銷售人員將訂單輸入後，手工計算不可能立刻得到結果並告知客戶能否在需要的時間內排產或生產，在等待幾小時或數天排產的結果計算出後，訂單早已丟失。本系統可以快速用資源能力對訂單計算和排產，得出能否生產和產品的交貨期。並告訴你在這種交貨期的生產情況下能否盈利。由於本系統的初始版本的排產方法和演算法來源於計劃員和車間排產員，再加上資源能力約束演算法，它是最基本的演算法，還沒有經過改進和優化。排產的方案基本類似計劃員的手工排產加上能力驗算，但PS-D能快速地從許多因數中找出可行的排產方案，可以瞬間完成許多計劃員幾天的手工排產工作。要產生更好的優化的排產計劃，需要人工反覆計算和反覆的調整。即要人工使用PS-D快速模擬、計算排產，再對排產結果進行分析和改進，最終得到好的排產結果。

　　本系統的初始版本是一個幫助企業提高資源利用率的工具，可快速解決和回答客戶訂單需求和需求變化的好工具。它能做到 ERP所不能及的事 -動態的利用資源、實時的監控生產物料和資源利用率情況為決策層提供實時的決策依據。要系統自動產生更好的最優排產計劃，需要有更好的演算法，這種演算法正是世界上先進國家和大公司正在嚴格保密研究的東西。先進的演算法接受計劃員輸入的基本信息和資源能力信息後，就可自動計算出最優的排產方案。它計算的方法是:首先產生無數多的可行方案(解)，然後自動的從無數多的可行方案選出最優的方案。自動且快速得出最優的方案是我們工作的長期努力目標。

　　2.監控/查詢 PS-D有以下監控和查詢功能:

　　(1). 訂單在某時刻所在的位置和狀態，正在用哪些資源進行生產，訂單產品在哪條或哪幾條工藝路線上; (2). 訂單任意時刻所需的物料情況、狀態，所需的物料能按時到貨否、有安全備用庫存物料否。 (3). 訂單的資源(設備、工裝、人員等)的占用率，並可人工調節資源占用情況和工藝路線，最大化的利用資源; (4). 訂單產品某時刻的價值，它的最終價值。工藝路線調整後的時間變化和價值變化; (5). 一個臨時插入的訂單能否被生產(排產)，它的最早最晚完工時間，它對其它訂單的影響， 它的成本和對其它訂單的成本影響;

　　3. 解決的實際問題:

　　(1).計算出完成訂單的最晚開始生產時間和滿足訂單的完工時間及物料需求，如不能按時完成訂單，告知客戶最近的訂單完工時間，或給出替代方案如:按訂單期限交貨一半，另一半幾天後交貨; (2).如按訂單的時間生產有困難或不能排產，它的問題，瓶頸制約在哪裡?用調整工藝路線和工序來滿足訂單，或用增加資源(人員、設備等)來滿足訂單; (3).每個工序都可看到資源利用率，對利用率低的資源加以調整，達到最佳的資源利用率， 以減少資源浪費;

　　三.PS-D的主要功能

　　1.基於能力的APS把資源、時間、生產規則、邏輯、物料、客戶訂單等同時考慮。它處理的數據是動態的，它反應企業的真實生產情況。它能動態的計算資源能力，可以立刻回答訂單問題，計算現有資源能力能否完成訂單CTP"Capable to Promise"。

　　即對一個新輸入的訂單的數量、交貨期為需求條件，立刻對資源能力進行計算並得出能否滿足訂單的結果，PS-D按訂單要求和輸入的生產規則檢查/計算生產(資源)能力是否能按時按量的生產出產品。這完全是面向客戶需求的生產，(這不同於ERP的ATP"Available to Promise"，面向庫存生產，用查詢庫存量來決定能否滿足訂單)。在計算滿足此訂單的同時也計算出此訂單的成本是多少，此訂單能否獲利PTP"Profitable to Promise"。由於PS-D完全是按訂單生產，它原則上可做到零庫存。交貨期是排產時間(生產時間)加供應商的送貨時間。

　　2.由於APS的管理原理先進，它能更好更準確的產生ERP要求的各類計劃。例如:

　　資源計劃和生產作業計劃:這類計劃中資源的使用情況是精確到設備、工裝、人員的分秒，用戶可從看到任意事態的資源占用情況。生產作業中的物料、中間品的情況精細到具體的工位、占用的工序時間、相關的供應商或庫存，批量數量等。

　　物料需求計劃:由於物料需求是和生產工序一起動態存在的，不是用BOM靜態產生的，物料需求有精確的時間，原則上是上到工序的產出品作為下道工序的需求物料，只有上工序的產出不能滿足本工序時才產生物料需求，並要有供應商精確的到貨品時間。物料需要的量、時間和位置都很精確。為直接從供應商準確訂貨提供了依據。而對庫存物料的需求數量相對很少。

　　資源使用計劃:用戶看到任意時刻的資源使用情況，和資源使用率。如不滿意，可以人工調整以達到最佳情況，並可用於幫助調整企業的設備需用計劃。

　　庫存計劃:PS-D產生的計劃精確到分秒，而且儘可能的用生產能力去滿足需求，以APS資源約束原理計算出的結果為依據做出的庫存計劃不但非常精確而且大大的減少庫存量。

　　採購計劃:由於有了訂單才產生生產排產計劃，物料需求計劃。計劃的精確到分秒、工位，採購計劃也更準確，採購量也更少。

　　成本計劃:用戶可看到訂單的成本，而且可以看到中間品和在製品的成本。調配排產計劃，訂單的成本也變化。可在滿足訂單的情況下，調配排產得到最大的利潤。

　　批量跟蹤計劃:由於工序中每道工藝都有嚴格的資源使用和記錄。某人某台設備何時加工的某產品的某一步都記錄在案。產品跟蹤起來很方便。

　　四.APS市場前景展望

　　APS 的基於有限資源能力的管理原理可運用到企業管理的各個關鍵計劃環節，應用成功的兩個例子就是生產排產、物流的優化平衡，即供應鏈優化計劃軟體。中國軟體行業中能成功使用APS理論來研發管理軟體的企業尚屬空白，可喜的是某些企業已經認識到APS理論用於管理的重要性，並有少量投入。

　　由於APS管理理念與ERP不同，一個是基於有限資源能力的動態計劃，另一個是基於事務處理的靜態計劃。如排產， PS-D是將資源、時間、物料按一定的規則邏輯組織生產，有了需求之後就能動態的計算出物料或設備的精確需求時間和數量。而ERP用BOM計算的需求是沒有準確的生產設備需求時間和物料需求時間。

　　因此採取APS理論的生產排產系統PS-D和ERP的生產排產系統並行存在是管理軟體行業發展的階段性需要，對管理要求不高的生產型企業可以選用ERP中的生產管理系統，它只給出粗略的庫存管理和生產管理，並用大量庫存去許諾客戶訂單和滿足不精確的物料需求計劃。

　　針對管理水平要求高(JIT準時制生產、面向市場生產)的企業、精益生產型企業就需要用APS的生產管理系統PS-D，此系統能給出精確的客戶訂單承諾，精確的物料需求和精確的生產作業計劃等。

　　ERP企業只有使用APS理論才能做出高端的ERP產品，才能占領高端市場，目前中國的高端軟體市場大多被國外軟體公司占領，為改變這種現狀中國軟體企業有必要且必須研發自己的APS產品，研製出適合於國內生產企業的高端ERP產品，才能在行業中處於領先地位。

　　最後，為了充分說明企業理財系統能力成熟度明細性構造模型的軟體實現，必須從業務範圍、單據構成、流程模板、賬表支持、使用步驟、初始餘額六個方面分別對五個不同能級開展研究。

　　另一方面是從技術的角度提升軟體易使用程度。要通過對關鍵信息技術的應用研究，如移動技術、RFID、OFFICE 等，使其與ERP結合，方便ERP信息獲取。通過對關鍵開發技術的研究、引進。提高軟體的靈活性、易用性。實現傳統ERP想做而沒有做到的事。通過研究做企業愛用、好用、快速導入的ERP。

　　案例：按訂單生產的先進規劃與排程系統分析

　　以廣東江門某企業為例,結合約束理論、準時生產、高級數學模型與演算法,對按訂單生產的離散型生產企業的高級計劃與排產系統應用進行分析與研究。

　　1.先進排產管理子系統(APS)

　　各事業部或車間利用APS系統分解後的主生產計劃,按照產品的工藝過程和資源約束條件,自動分配資源(機器設備和人力資源),並根據資源的工作日曆及班次,自動安排生產作業計劃和物料需求計劃。

　　管理人員還可以根據安排結果,在APS系統上進行手工調整。

　　主要功能:生成日自製件生產計劃、外購(外協)件以及膠料日需求計劃;通過產能計算和產能平衡對生產任務進行排產,產生日機台作業計劃;通過自動生成作業記錄卡,實現對各工作中心的生產進度的跟蹤與監控,確保作業計劃按時完成。

　　功能特點:集成了物料需求和細能力需求以及車間任務和車間作業功能,使生產計劃——物料需求計劃——能力平衡——車間執行——生產調度一氣呵成。

　　排產簡述

　　(1)總計劃員運行MPS主生產計劃,經粗能力平衡後,將可以安排的任務設置為鎖定狀態,以防止確認的計劃被修改;

　　(2)APS模塊讀入主生產計劃已經鎖定的任務;

　　(3)按產品BOM結構展開到APS,進行生產任務排序,確定優先順序;

　　(4)將設定好的優先順序,按由高到低的順序遍歷任務隊列;

　　(5)根據產能定義和計算,將每一任務按機台與模具資源分配到單個機臺上;

　　(6)如果當天沒有可用機台,就順延到下一天,以此類推直到隊列中的任務全部被安排;

　　(7)如有些任務被安排到訂單的交貨期之後,系統自動通知銷售公司,使其與客戶重新協商訂單的交貨日期,並根據重新確定的交貨日期進行排產;

　　(8)APS排產見下圖：

　　2.演算法分析

　　APS有兩種計劃排產方法:(1)演算法任務順序計劃:一次一個定單或任務;(2)模擬順序計劃:一次一個工序或操作。排產計劃的一般程式可簡單地描述為如下圖所示的6個步驟。

　　（1）演算法設計

　　APS系統一般是由k(1,2,…,k)台機器與n(1,2,…,n)件不同的工件所組成,所有的工件都必鬚根據處理計劃,按照工藝流程進行大量的裝配與處理,每個工件要求一系列的操作,每個工作的操作順序可以用有向無環圖來表示,這樣就可以用拓撲排序來解決排產問題,從而將排產問題轉換為線性規劃的數學模式來求解。每個工件的排產可以選擇任何一臺機器。任何一張給定的生產訂單,可以看成是工件與機器的一個集合。

　　假設作業J_i需要處理的時間為t_i(),若作業i分配到處理機j上處理,則令x_ij = 1,否則為0,表示處理機J_p完工時間,表示作業i只能分配到一個處理機上,因此其排產數學模型為:

　　而()=0,1。

　　模擬退火演算法來源於固體退火原理,將固體加溫至充分高,再讓其徐徐冷卻,加溫時,固體內部粒子隨溫升變為無序狀,內能增大,而徐徐冷卻時粒子漸趨有序,在每個溫度都達到平衡態,最後在常溫時達到基態,內能減為最小。用固體退火模擬組合優化問題,將內能E模擬為目標函數值f,溫度T演化成控制參數t,即得到解組合優化問題的模擬退火演算法:由初始解i和控制參數初值t開始,對當前解重覆“產生新解→計算目標函數差→接受或捨棄”的迭代,並逐步衰減t值,演算法終止時的當前解即為所得近似最優解,這是基於蒙特卡羅迭代求解法的一種啟髮式隨機搜索過程。

　　（2）模擬退火演算法的流程

　　求解排產問題的模擬退火演算法模型可描述如下:

　　step1:給定起始溫度T、終止溫度T₀和退火速度a,處理機數n作業數m,隨機給出一個調度方案,計算完工時間f₀。

　　step2:若T > T₀,轉step3;否則演算法停止,輸出X₀。

　　step3:隨機產生作業j和處理機i,令x_kj = 0(,x_ij = 1,此時變數記為X₁。

　　step4:計算完工時間f₁,,若, 接受新值,轉step2,否則轉step3。

　　該演算法結構簡單,但其中所有的判斷和操作都要與現場諸多限制條件緊密結合才能有實際意義。