基于APS与MES集成的车间生产计划和调度方

 进入21世纪，技术迅猛发展，市场瞬息万变，企业要想在激烈的市场竞争中立于不败之地，就必须对客户和市场的要求做出快速响应。而企业要想通过先进的生产运作和管理模式，按照市场的要求用低成本、高质量、短交货期的方法把产品交付到客户手中，提高企业信息化程度是一个行之有效的方法。APS（Advanced Planning & Scheduling）和MES（Manufacturing Execution System）作为先进的企业生产计划管理模式和先进执行系统，正为越来越多的企业所接受。企业的主要活动是生产，生产管理是企业管理中最重要的部分，而生产管理的大部分工作最终要落实到。车间生产计划和调度在企业生产管理中起着承上启下的作用，合理的生产计划和调度方法能够加深企业对生产过程机制及关键数据的理解，提高企业的生产能力，进而降低生产占用的库存费用。因此，有必要通过对APS和MES的集成研究，加强对车间生产的管理和控制，使车间生产计划和调度活动更加快速准确。

    1 APS和MES简介

    1.1  高级计划与排程（APS）

    高级计划与排程系统是20世纪后50年发展起来的革命性管理技术。它是一种基于供应链管理和约束理论的先进计划与排程工具，包含了大量的数学模型、优化及模拟技术，其功能优势在于实时基于约束的重计划与报警功能。在计划与排程的过程中，APS将企业内外的资源与能力约束都囊括在考虑范围之内，用复杂的智能化运算法则，做常驻内存的计算。APS在提高企业经济效益方面的潜能是巨大的，它能及时响应客户要求，快速同步计划，提供精确的交货日期，减少在制品与成品库存，并发考虑供应链的所有约束，自动识别潜在瓶颈，提高资源利用率，从而改善企业的整体生产管理水平。

    如图1的APS计划层次模型所示，APS覆盖了供应链管理战略层、战术层、操作层3个计划层次。其中战略层包括供应链战略、供应链计划；战术层包括需求计划与预测、制造计划、操作计划、分销计划；操作层包括可承诺能力CTP（Capable to Promise）、车间作业排产、运输计划、承诺可供货量ATP（Available to Promise）。

    对于车间内短期的生产计划制订，如安排一台机器上的多种产品的生产次序等，APS常用约束规划CP（Constraint Programming）来解决。CP将存在的每一个资源约束表示为一个变量，然后用约束变量之间的逻辑关系找到满足所有约束的解决方案。APS根据大量精确数据的输入，对工作流程进行模拟，并提供实时监控功能。APS可将模拟的排程结果以甘特图的形式输出到可视化的计划板上，根据既定规则进行拖放式调整，以求达到最优化。

    1.2  制造执行系统（MES）

    制造执行系统是美国管理界20世纪90年代提出的新概念。MES是处于计划层和车间层操作控制系统之间的执行层，在整个企业信息系统中起着承上启下的重要作用。MES对生产过程进行实时监视、诊断和控制，完成生产单元整合和系统优化，在生产过程层进行物料平衡、制订生产计划、实时排程、优化调度，进而对生产过程物料、能量、质量、设备、资金，甚至人力资源统一进行监测、分析、控制和优化，实现了从订单下达到产品完成整个生产过程的优化管理。当工厂里面有实时事件发生时，MES能对此及时做出反应、报告，并用当前的准确数据对它们进行指导和处理。这种对状态变化的迅速响应使得MES能够减少企业内部没有附加值的活动，有效地指导工厂的生产运作过程，从而使其既能提高工厂及时交货能力、改善物料的流通性能，又能提高生产回报率。

    MESA给出了MES的11个主要的功能模块，其一般功能模型如图2所示，而在实际MES系统产品可能只包含其中一个或几个功能模块。

    同时，MESA也定义了当前MES系统的技术模型，如图3所示。

    与APS相比，MES是一个提供很多功能模块的整个解决方案，但是从优化的角度看，MES达不到APS提供的优化功能的水平。因此，将APS与MES集成更适合于复杂的实时性要求较强的车间生产计划和调度活动。

    2 现行车间生产计划和调度方法分析

    作为产品加工的具体执行部门，车间生产管理涉及到产品生产过程的方方面面，如：生产过程监控、生产调度、现场设备管理、人员安排、消耗统计、工时统计、动态成本核算、物料管理、在制品管理以及产品数据管理，等等。一个典型的制造车间生产活动模型如图4所示。其主要工作流程是：首先将接收到的主生产计划进行任务分解，然后根据一定的规则，确定各子任务的加工设备，而任务单的开工时间则根据定单下达日期、任务单计划入库日期、相关的工艺信息以及各加工单元的当前加工计划来统一决定。在编制出理论计划以后，就形成了对各加工单元的负荷。接着，要在各加工设备上进行加工能力与工作负荷的平衡，制订派工计划和相关物料准备计划等。同时，根据物料、工装等条件及各加工单元的反馈信息，制订出正式作业计划，并开始派工。计划下达后，在实际生产过程中，还要不断根据各个参数的变化，进行实时的调度，确保主生产计划的顺利实现。

    现行的传统生产管理系统中，生产决策层与车间执行层，计划层、调度层与控制层是独立分开的，信息采集大多只能通过人工录入的方式进行，车间生产信息的反馈周期较长。造成在生产调度与控制过程中缺乏必要的现场信息，不能及时根据实际生产情况的变化进行重新调度，更谈不上实时修订生产计划了。并且当实际生产情况无法实现原有生产计划时，传统的生产管理系统也往往不能及时发现这些问题并加以解决，最终导致企业产品的交货期延误。

    3 基于APS和MES集成的车间生产计划和调度

    通过前面两部分的阐述可以发现，在比较复杂的车间生产活动中，MES系统中的详细生产计划和生产调度模块的功能有限，而且不能根据实际生产情况的变化进行重新调度。我们以企业的ERP系统作为信息基础，采用APS和MES集成的方法，由MES提供实时的车间生产进度、在制品信息和现场设备运行状况等，然后利用APS的先进优化算法，可以初步解决现行车间生产计划和调度的优化问题。

    3.1 APS和MES集成的体系结构分析

    现代制造企业中，ERP已经成为必备的业务和数据平台，无论是APS，还是MES，都需要与ERP系统进行数据交互和信息共享，获得系统自身运行必需的相关数据。当将APS和MES集成时，也必须将ERP系统考虑在内，也就是将ERP、APS、MES三个系统进行集成，这其中不可避免地出现交叉和重叠的现象。因此基于ERP的APS与MES集成系统的框架确定，主要考虑企业的产品、生产模式、计划模式、已有系统与新构建系统的差异等情况。

    目前，国内外已经有学者提出了APS、MES与ERP集成的框架，但是现有的集成框架结构仍以供应链管理平台为界面，其中APS的应用偏重于供应链计划的管理，主要面向物料复杂、外协外购较多的企业生产环境。本文在前人研究的基础之上，提出了如图5所示的针对车间生产计划与调度的系统集成框架。该框架以APS、MES和ERP的闭环系统集成为核心，解决了企业内部车间生产计划和调度的优化问题。

    3.2 APS和MES集成的车间生产计划和调度的功能模型分析

    上节中提出的系统集成框架主要解决的是各个系统的定位和接口问题，但是各个系统的计划模块如何交互，范围和功能如何重新划分，需要进一步的分析。

    本文给出的集成系统，其功能模块首先包括了APS系统中的需求计划、全球ATP；ERP系统中的BOM、主生产计划、MRP；MES系统中的生产排程、分派等。而那些各个系统交叉或重叠的功能模块，优化工具选取APS的原有功能模块，实体功能选取ERP和MES的原有功能模块。其中主生产计划、MRP和生产排程构成了企业生产计划系统的主体，其中又以MRP和生产排程模块对车间生产计划和调度方法起决定作用。在集成后的系统中，对于这两部分的算法根据车间生产活动的特点做了修正。如图6所示。

3.3 APS和MES系统集成的实现方法

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