（企业管理专业论文）以APS优化ERP生产计划的方法研究.pdf

摘要 企业资源计划( e r p ) 风行于制造业的同时，其基于m r p i i 的生产计划模块的 车间作业计划与生产排程脱节的弊端也暴露无疑，而高级计划与排程系统( a p s ) 则是解决计划排程的有效工具。为了充分发挥e r p 与a p s 各自的优势，有必要探 讨e r p 与a p s 的联合运用，为此需要解决两个核心问题：一方面需要按照各种规 则及约束对生产订单以及生产设备等因素进行详细可视的计划排程算法，另一方 面，需要将这一算法与原有e r p 系统有效的集成。 本文即是从这两个方面入手，既重点讨论了解决计划排程问题的遗传算法的 编码方式、适应度函数、基本遗传操作等，并用m a t l a b 实现；同时，提出了一个 基于w e b 服务的集成框架，详细阐述了封装该遗传算法成为g a s c h e d u l i n g 服务， 供用户调用，有效实现系统集成的过程。最后提供一个案例供读者参考。 本论文具有一定的理论意义和现实意义。理论上，a p s 理论研究是对e r p 生产 计划的补充和发展，改变了企业以往完全依靠人的经验和感觉进行排程的随意性 和低效性等不足；实践上，没有停留在使用m a i l a b 实现遗传算法的阶段，进一步 运用w e b 服务技术将其封装成g a s c h e d u li n g 服务，使得g a s c h e d u li n g 服务在 网络上可以被查找和调用，通过调用这个服务便可直接优化e r p 生产计划，这对企 业来说，在技术上i 降低了企业对复杂算法开发能力的要求和开发成本，方便了 与企业自身e r p 系统的集成，在管理效果上，g a s c h e d u l i n g 服务的运用，改善了 交货延期，减少了在制品积压情况和库存成本，提高了资金周转效率，增强了企业 竞争力，具有强烈的现实意义。 关键词：e r p 生产计划，a p s ，遗传算法，企业应用集成，w e b 服务 a b s t r a c t e n t e r p r i s er e s o u r c ep l a n n i n g ( e r p ) i sw i d e l yu s e db ym a n u f a c t u r i n ge n t e r p r i s e s m c a n w h i l e t h ed i s a d v a n t a g e so fp r o d u c t i o n - p l a n n i n gm o d u l eb a s e do nm r p i i a r ea l s o e x p o s e d h o w e v e r ，a d v a n c e dp l a n n i n ga n ds c h e d u l i n g ( a p s ) i s ag o o dm e a n st os o l v e t h ep l a n n i n gp r o b l e m i no r d e rt of u l l yu t i l i z eb o t ha d v a n t a g e so fe r p a n da p ss y s t e m ， i ti sn e c e s s a r yt ou s ee r pa n da p ss i m u l t a n e i t y s o ，t h e r ea r et w oc o r ei s s u en e e dt o s o l v e ：o nt h eo n eh a n d ，w en e e das c h e d u l i n ga l g o r i t h m st h a ta c c o r d i n gt ov a r i o u s r u l e a n dr e s t r i c t i o nt og e td e t a i l e da n dv i s u a lp l a n n i n ga n ds c h e d u l i n gp i c t u r e ，o nt h eo t h e r h a n d i ti sn e c e s s a r yt oi n t e g r a t et h es c h e d u l i n ga l g o r i t h m sa n d e r pe f f e c t i v e l y t h i sp a p e rs t r e s sc o d i n gm e t h o d ，f i t n e s sf u n c t i o n ，g e n e t i co p e r a t o r so fg e n e t i c a i g o r i t h m s a n du s em a t l a bd e v e l o pt h eg e n e t i ca l g o r i t h m s a n dt h e naf r a m e w o r k b a s e do nw e bs e r v i c e su s e dt od e s c r i b et h eo p e r a t i o no ft h ei n t e g r a t i o ns o l u t i o n ，a f t e r t h a t ，i no r d e rt oi m p l e m e n ti n t e g r a t i o ne f f e c t i v e l y ，t h ep r o c e s so fe n c a p s u l a t i n gg e n e t i c a i g o r i t h m st oag a s c h e d u l i n gs e r v i c e sw h i c h w i l lb ec a l l e db yu s e ri sp u tf o r w a r d f i n a l l y ，ac a s ei sd e m o n s t r a t e di nt h i sp a p e r t h ep a p e rh a st h e o r ya n da c t u a lv a l u e f r o mt h et h e o r ya s p e c t ，a d v a n c e dp la n n i n g a n ds c h e d u l i n gs y s t e mr e n e wa n dd e v e l o pt h ep l a n n i n go fe r p , a n dr e m e d yt h ed e f e c t o fm a nm a d ep l a n n i n g ，s u c ha sr a n d o ma n di n e f f i c i e n t f r o mt h ea c t u a la s p e c t ，t h e d a p e rn o to n l yu s em a t l a bd e v e l o pt h eg e n e t i ca l g o r i t h m s ，b u ，t a l s oe n c a p s u l a t e g e n e t i ca l g o r i t h m st oag as c h e d u l i n gs e r v i c e sw h i c hc a nb es e a r c h e d ，c a l l e do nt h e w e ba n do p t i m i z et h ep l a n n i n go fe r p f o rt h ee n t e r p r i s e ，i tr e d u c e st h ed e m a n do f d e v e l o p i n ga n dc o s t m e a n w h i l e ，t h eu s eo fg a s c h e d u l i n g c a ni m p r o v el e a dt i m e ， d e c r e a s ew o r k i n 。p r o c e s sa n dc o s t ，h e l pt h ei m p l e m e n t a t i o no ft h ee n t e r p r t s er e s o u r c e o fp l a n n i n gs y s t e m ，a n di m p r o v et h ec o r ec o m p e t e n c eo ft h ec o r p o r a t i o n k e yw o r d s ：p r o d u c t i o n p l a n n i n go fe r p , a p s ，g e n e t i ca l g o r i t h m s ，e a i w e bs e r v i c e h 学位论文原创性声明与版权使用授权书 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特另t ld n 以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名：训学 日期：力可年，月衫日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本论文收录到中国学位论 文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 。本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密四。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名： 钠窖 新签名：锹 帆刁年r 月日 日期：汐可年，月彤日 第一章绪论 随着全球一体化经济发展和市场环境变化，越来越多的制造企业采用了e r p 软件对企业的生产、销售、财务、人力资源、供应链等进行全面管理。但是，很 多企业实施e r p 之后的应用效果不能尽如人意，e r p 实施的成功率不高，其中一个 很重要的原因就是忽略了e r p 生产计划系统的改进。 在e r p 的诸多系统中，生产计划系统是处于核心地位的。生产计划强调时间 进度，重计划，以保证交货期为目标，以时间计划为主线，以产品结构工艺工序 为计划分解依据，以标准化为基础，强调在正确的时间将正确的物料信息按正确 的数量送到正确的地方n3 。可以说，生产计划系统就是e r p 系统的主线，集成采购、 库存、销售、成本等诸系统，合理调配利用企业资源，最优地组织生产，准时高 质地完成生产需求。所以，增强和优化e r p 生产计划有利于企业缩短交货期、提 高产品质量、降低成本和改进服务，提高核心竞争能力。正因为e r p 生产计划所 处的重要地位，本文将对优化e r p 生产计划所面临的问题进行一番探究，并提出 相应的解决方案。 1 1 课题来源及研究背景和意义 1 1 1 课题来源 本课题来源于导师曾小青副教授参与的国家自然科学基金项目( 编号： 7 0 5 7 2 0 6 0 ) ：实现多级供货能力承诺的虚拟企业生产计划协同优化研究。 1 1 2 研究背景和意义 1 研究背景 面临瞬息万变的商业环境和激烈的价格竞争，以及客户要求提高服务质量以 及越来越广泛地产品选择，怎样才能在不影响客户服务质量的前提下缩短供应周 期，最大限度实现客户满意度，这是每个制造企业需要考虑的一个问题。大多数 e r p 软件能够让用户了解其工厂的现行运行状况，但对用于生产部件之资源( 如设 备、工件和人力等) 方面韵实际能力未予以考虑，因此，无论资源是否超负荷使 用，都采用相同的备货时间来计算投产时间。这样的排程计划产生的不良结果有： 资源超负荷运行；在制品增加；订单执行超过预期时间；交货延迟； 提前定购生产原材料导致库存成本增加等。作为主管生产的公司经理或厂长，他 们可能会遇到这样的问题：能否通过分配有限材料和能力，以满足客户交付日期 和优先订单的要求? 能否确定最佳的生产顺序以减少设置和更换? 能否通过降低 生产负荷或合理分配生产以平衡j 二厂能力? 能否使供应商交货与工厂排程相同 步? 作为销售人员，他们可能面临这个问题：能否在顺利完成已有订单计划的前 提下对新订单的交付日期进行承诺? 制造商必须具备计划、优化和排程的能力， 以便应用最合适的技术解决其与众不同的计划和排程问题。 上述问题的解决就需要一套高效的算法来解决，即如何按照各种规则及约束 对生产订单以及生产设备等因素进行详细的可视的计划。这也是高级计划系统 ( a p s ) 所要研究的课题。 有了高效的算法却并不意味问题的解决，原因是多方面的，其中很重要的一 条原因就是原有e r p 和a p s 的集成问题。不论是给e r p 装载上a p s 引擎，还是要 用a p s 优化e r p ，两个截然不同的系统要协同工作将面临很多问题，传统的企业应 用集成一般使用了诸如r m i 、c o r b a 、d c o m 等技术点对点集成，往往无法满足企业 的需求并导致整合成本过高与整体效率过低的现象；另外，传统的企业应用集成 也没有充分考虑到和企业外部信息系统的共享，对电子商务和b 2 b 应用支持比较 差。如何去面对语言的差异、平台的差异、协议的差异、数据结构的差异等问题 所带来的复杂系统集成的挑战，是解决这个问题的关键。这也是w e b 服务技术所 要研究的课题。 综上所述，如何研究出一套行之有效的算法对生产订单、生产设备等进行详 细的可视的计划，如何将使用这一算法的a p s 系统与原有e r p 系统有效的集成是 我们必须面对和解决的问题。 2 本论文的意义 首先，从理论意义上来说，a p s 解决了基于m r p i i 的e r p 生产计划系统设计方 面的先天缺陷，弥补了车间作业计划与生产排程计划脱节问题。a p s 能够针对所给 定的生产状况( 主生产计划、能力数据、工艺路线等) ，采用诸如线性规划、整数混 合规划、推理、约束理论、模拟等方法，在有限的生产能力下得出最合理的排产计 划，并允许人机的交互，包括选择各种排序规则( 如最小成本或最大顾客满意度) 和 对生产车间的能力的安排可以做出多种选择( 如柔性的倒班安排等) 。所以，a p s 在理论上是e r p 的发展和补充。 其次，从实践意义来说，本文没有停留在使用m a t l a b 实现遗传算法的阶段， 进一步运用w e b 服务技术将其封装成g a s c h e d u l i n g 服务，使得g a s c h e d u l i n g 服务在网络上可以被查找和调用，企业通过调用这个服务便可直接优化其e r p 生 产计划系统，得出的排产计划可以指明计划周期内的每批物料在特定加工设备的 加工次序，并以直观的甘特图形式给出，省去了独立开发算法复杂的排程计划系统 2 的负担，降低了企业对开发能力的要求和开发成本，方便了与企业自身e r p 系统 的集成。 最后，从现实意义来说，a p s 的应用有利于提高e r p 实施的成功率和效率。目 前，越来越多的企业选用e r p 这一先进的管理信息系统以提升企业的核心竞争力。 但是，e r p 实施后，是否能达到期望值却值得商榷。现代的制造企业中，计划部门 都处于关键地位。计划部门直接负责协调企业的各种业务活动，如制造、库存、 采购、销售以及供应链上的其它资源。计划部门按照一定的规则如订单计划等， 协调这些行政独立的部门，形成企业的增值链，从而为企业创造效益。计划部门 的运营情况直接决定着企业是否能够以最低的成本、最短的时间、最优的质量向 客户提供满意的服务。但是相关研究心3 表明2 0 0 4 年中国制造企业应用最多的仍然 是e r p 系统中与财务与物流相关的模块，其次为生产与成本相关的模块管理，使 用较少的是车间管理与决策支持等系统。在制造企业中应用了生产与成本系统的 主要是管理基础较好的大、中型企业。在e r p 的深化应用方面，如车间作业管理、 及时生产、决策支持系统等，本世纪才刚刚得以推广，在我国制造企业中应用程 度不高，例如，与e r p 的核心m r p 、m r p i i 相关的生产控制模块的实施比例只有6 6 9 6 ， 排在第五位。同时，在已实施的模块中有5 5 的答卷者认为最难实施的模块是生产 控制模块嘲。美国a m r ( a d v a n c e dm a n u f a c t u r i n gr e s e a r c h ) 研究中心经调查认为， 那些已经采用a p s 模式的企业产生的投资收益率约为3 0 0 ，并称a p s 是日益复杂的 商务环境下具有革命性进步的企业计划工具h 1 。可见a p s 在提高企业经济效益方面 的潜能是巨大的，它具有及时响应客户要求，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，自动识别潜在瓶颈等 功能。所以，企业在应用e r p 的基础上引进a p s ，能够使企业的效率进一步提高， 充分满足客户的需求，增强企业的核心竞争力。 1 2 企业资源计划( e r p ) 概述 1 2 1 企业资源计划概念和发展历程 1 企业资源计划概念 2 0 世纪9 0 年代初，美国著名的计算机技术咨询和评估集团g a r t e rg r o u p 公 司首先提出企业资源计划( e r p ) 概念。最初它是基于企业内部供应链的管理，即 将企业内部生产经营的所有业务如订单、采购、库存、计划、生产、质量、运输、 市场、销售、服务以及相应的财务活动等纳入一条供应链内进行管理。随着市场 竞争的加剧，企业更加注重对资金的管理和动态利润的分析，即如何在供应链上 更好地利用企业有限的资金实现企业利润最大化。为此，e r p 在对整个供应链的管 理过程中加入了企业理财的观念，更加强调了对资金流和信息流的控制。 e r p 系统是建立在信息技术的基础上，以系统化的管理思想，为企业决策层及 员工提供决策运行手段的管理平台。e r p 系统集信息技术与先进的管理思想于一 身，是信息时代的现代化企业向国际化发展的管理模式，也代表了当前集成化企 业管理软件系统的思想理论，反映时代对企业合理调配资源，最大化地创造社会 财富的要求，成为企业在信息时代生存发展的基石。我们可以从管理思想、软件 产品、管理系统三个层次给出e r f 的定义3 。 在管理思想方面：e r p 是一整套企业管理系统体系标准，实质是在m r p i i ( 制 造资源计划) 基础上进一步发展而成的面向供应链( s u p p l yc h a i n ) 的管理思想。 在软件产品方面：e r p 是综合应用了客户机服务器体系结构、关系数据库、 面向对象技术、图形用户界面、第四代语言( 4 g l ) 、网络通讯等信息产业成果，以 e r p 管理思想为灵魂的软件产品。 在管理系统方面：e r p 是整合企业管理理念、业务流程、基础数据、人力物力、 计算机硬件和软件于一体的企业资源管理系统。 2 企业资源计划的发展历程 从2 0 世纪6 0 年代至今，e r p 的发展大致经历了基本m r p 、闭环m r p 、m r pi i 以 及e r p 四个阶段哺1 。 ( 1 ) 基本m r p 阶段 在企业中，库存控制一直是一项非常重要的工作，因为库存会占用大量的资 金。各个企业都想方设法作好库存控制以降低成本、提高效率。随着对库存问题 探讨的不断深入，逐渐在库存管理中应用了订货点法的思想。对于稳定消耗的物 料( 即每天消耗的量大致一样) ，订货点法确实起到了一定的作用，但对于非稳定 消耗的物料，这一方法就难以应付了。针对订货点法的不足，管理专家在探讨解 决方法时提出了分层式产品结构以及物料的独立需求和相关需求的概念。这就是 m r p 方法形成的最初雏形。 基本m r p 的思想是围绕所要生产的产品，应当在正确的时间和地点，按照规 定的数量得到真正需要的物料。通过按照各种物料真正需要的时间来确定订货与 生产日期，以避免造成库存积压。 ( 2 ) 闭环m r p 阶段 基本m r p 能根据有关数据计算出相关物料需求的准确时间与数量，但它还不 够完善，其主要缺陷是没有考虑到生产企业现有的生产能力和采购的有关条件的 约束。因此，计算出来的物料需求的日期有可能因设备和工时的不足而没有能力 生产，或者因原料的不足而无法生产。为了解决以上问题，m r p 系统在七十年代发 展为闭环m r p 系统。 4 闭环m r p 理论思想是：以整体生产计划为系统流程的基础，考虑能力需求计 划( c r p ) ，使物料需求计划成为可行的计划，同时还将生产能力需求计划、车间作 业计划和采购作业计划也全部纳入m r p ，形成一个封闭的系统。 ( 3 ) m r p ii 阶段 闭环m r p 系统的出现，使生产活动方面的各种子系统得到了统一。但这还不 够，因为在企业的管理中，生产管理只是一个方面，它所涉及的仅仅是物流，而 与物流密切相关的还有资金流。这在许多企业中是由财会人员另行管理的，这就 造成了数据的重复录入与存贮，甚至造成数据的不一致性。于是，在八十年代， 人们把生产、财务、销售、工程技术、采购等各个子系统集成为一个一体化的系 统，并称为制造资源计划系统，为了区别物料需求计而记为m r p i i 。 m r pi i 的基本思想：就是把企业作为一个有机整体，以物料需求计划为核心， 将m r p 的信息共享程度扩大，使生产、销售、财务、采购、工程紧密结合在一起， 共享有关数据，组成一个全面生产管理的集成化模式。m r pi i 是一个比较完整的生 产经营管理计划体系，是实现制造业企业整体效益的有效管理模式，它具有计划 的一贯性与可行性、管理的系统性、数据共享性、动态应变性、物流、资金流的 统一等特点。 ( 4 ) e r p 阶段 e r p 是在m r p i i 的基础上发展起来的，是以m r p i i 为核心，在m r p i i 的基础上 扩展了管理范围，并根据实践的需要，把质量、流程管理、人力资源等功能纳入 了其模式。 1 2 2 企业资源计划生产计划的不足 从企业资源计划( e r p ) 的发展历程可以看出，虽然它不断扩充其内容，将企 业的物流，资金流和信息流统一进行管理，对企业所拥有的人力、资金、材料、 设备、信息、时间等各项资源进行综合平衡和充分考虑，以期待最大限度地利用 企业现有的资源取得更大的经济效益。 但是，e r p 的生产计划模块作为制造企业运作的核心内容却只是对m r p i i 的延 续，并无实质的更新和变化。其生产计划的生成过程一般为：首先是生成主生产计 划，其次是根据主生产计划生成物料需求计划，最后，根据由物料需求计划生成 的零部件生产计划编制车间作业计划。要得到主生产计划一般是从订单，部 分企业是从市场预测出一个生产数量，基本是管理者在进行决策，人的因素起绝 对作用。这个过程中会有一些行业或者企业的特别计算方法，需经过一些四则运 算式的统计分析，e r p 软件要做二次开发，但基本不存在技术难题。接着在相关需 求的思想下，制造业的产品按从原料到成品的实际加工装配过程划分层次，建立 5 上下层物料的层次从属关系和数量构成关系，从而勾勒出反映产品构成关系的产 品结构图，回答和解决了“需要什么样的材料或零部件? 需要多少”的问题，得 到物料需求计划。然后在时间分割的思想的下，m r p i i 把连续的时间流划分成 一些适当的时间单元，在不同的时间单元反映库存状态数据，按照具体的日期， 计划时区准确记录和存储物料状态数据，说明了物料需求的优先级，回答了“何 时需要材料或零部件问题”，得到车间作业计划。最终再根据现有的能力，与 前面的需求计划对比，分析供需间的矛盾，进行能力平衡。表面上看，m r p i i 似乎 已经很完美，但恰恰就是在最基层的车间作业计划上，m r p i i 显得无能为力，它根 本无法自动得到具体而复杂的生产作业过程，即详细生产排程，从而出现车间作 业计划与生产排程计划的脱节。 所以，在现实的生产制造过程中，我们经常会发现这样的现象一一某企业无 论e r p 软件搞得如何如火如荼，似乎都与生产调度人员无关。车间里或者生产线 上的生产排程和管理仍然是在用最初最原始的老方式一一多数时候是经验，有时 候是感觉在起作用，加上少量的以e x c e l 为工具的报表运算。e r p 功能再强管得再 宽似乎也管不到这里。结果，表面风风火火的e r p 与企业最关键的运转过程发生 了断层，从这个断层衍生出来的一大堆问题成为众家e r p 难解之死结，如：是否 可以接受插单? 在满足交期的情况下是否能力利用率是否达到最优? 应优先考虑 生产能力调整还是负荷调整等问题。概括起来一句话就是：企业如何对企业最底 层的生产资源一一人员、设备、场地等，按照它们的能力进行合理安排，这是生 产计划排程要解决的问题。也是目前e r p 普遍所忽略的，直接制约了e r p 的发展”1 。 1 3 高级计划系统( a p s ) 概述 1 3 1 高级计划系统概念 高级计划系统( a p s ) 的一些主要思想早在2 0 世纪5 0 年代以前就已经出现， 主要以比较直观的甘特图和数学规划模型解决计划问题为代表。这些思想和方法 对于a p s 的萌芽和发展起到了奠基性作用。到了5 0 年代后期和6 0 年代初期，很 多公司开始配置计算机，用来观察存在问题的计划，优化少数关键性的材料来平 衡对产品的需求，并且开始考虑能力需求。这一时期，“最优化”的定义促进了a p s 的发展。6 0 年代中期到7 0 年代，一些跨国公司为了解决越来越复杂的制造业问题， 开始在公司内部开发产品来解决线性规划计划，以i b m 公司的m r p 系统为代表， 并且为8 0 年代m r p i i 的出现奠定了基础。此后的高级计划系统逐渐与最优生产技 术( o p t ，又称“约束理论”) 、m p r i i 、人工智能和专家系统相结合。9 0 年代以后， 供应链管理思想为越来越多的大型企业所接受，它涉及跨企业组织的计划系统， 6 而a p s 能够统一和协调企业间的中长期的计划，是供应链管理的核心。所以，供 应链管理思想进一步促进了a p s 的发展聃1 。 到目前为止，国际上对高级计划系统( a p s ) 还没有一种明确的定义，它是一 种基于供应链管理和约束理论阳3 的先进计划与排产工具，包含了大量的数学模型、 优化及模拟技术n 引。在计划与排产的过程中，a p s 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，作常驻内存的计算。这样就 形成了a p s 的3 项核心技术特征n ： ( 1 ) 基于约束理论( t o c ) 。 ( 2 ) 采用多种优化算法。 ( 3 ) 采用脱机主服务器常驻内存运行的计算机技术。 1 3 2 高级计划系统现状和发展趋势 1 高级计划系统国内外发展现状 目前，a p s 主要应用于传统的制造业、快速消耗的商品行业等。制造业是a p s 系统供应商所在的传统领域。许多公司都是资金密集型企业。物料清单不是很复 杂，允许相当大小的建模来模拟业务。传统的主要问题是存货成本和客户服务成 本。a p s 帮助计划者来协调这些冲突来得到最优计划。在快速消耗的商品行业，公 司的主要问题就是把它们的制造计划与销售计划相联系。a p s 是在整个的销售网络 中为了制造设备和约束条件建模。特别是当一个公司有大量的工厂为全球化的销 售网络工作时，a p s 能够对存货、制造功效和客户服务进行控制。 在国外，主要是软件公司对a p s 进行研究n2 1 。著名软件公司有i 2 t e c h n o l o g i e s 、i n c 、s a p 、s y s t e mm o l d i n g 以及t h r u p u tt e c h n o l o g i e s 等，各 个公司的产品特点都各有不同，在此就不赘述。 而在我国，a p s 的实施应用才刚刚起步。联想实施了1 2a p s ，取得了初步成 效，也为我国的其他企业实施a p s 提供了宝贵的经验。但国内对于a p s 的理论及 软件开发的研究，却寥若晨星。 2 高级计划系统发展趋势 二十一世纪信息时代，代表当今先进管理思想的高级排产计划系统，a p s 的发 展呈现以下趋势n 朝： ( 1 ) 基于电子商务( e l e c t r o n i cc o m m e r c e ) 的供应链管理更加需要a p s 系统 的协调，所以a p s 将与供应链管理更加紧密结合。 ( 2 ) 虽然a p s 是从大型企业计划系统基础上发展起来的，但其计划原理同样 适合于中小企业。目前由于价格等因素，中小企业还不能应用a p s 系统，但随着a p s 7 研究的深入，不久的将来，小巧灵活的a p s 系统将为中小企业的计划优化服务。所 以，a p s 的应用范围越来越广。 ( 3 ) a p s 将成为各种计划技术与方法的系统融合，并且成为结合行业与产品 特点的高级计划系统。所以，a p s 的集成化与个性化也是一个发展趋势。 ( 4 ) 现在的产品提倡个性化，而个性化产品就是一个个项目。因此，a p s 应该 与项目管理结合，形成企业整体的计划管理系统。 1 4e r p 和a p s 的关系 1 e r p 与a p s 的联系 a p s 作为对e r p 计划系统的补充和优化，集成主要集中在与e r p 计划系统的交 互层次上，如图1 1 所示n 引。首先，a p s 的需求计划模块从e r p 的定单输入中获得 客户的实际需求，然后需求计划模块再结合外部数据中预测需求通过a p s 算法计 算得出预测生产计划，同时再通过a p s 中的供应链计划模块中的约束条件，得到 指导m r p 的约束主生产计划，传回e r p 的主生产计划模块。a p s 的制造计划模块与 e r p 的m r p 通过制造订单，结合b o m 、库存信息以及采购信息等数据综合考虑，反 复交互论证，得出将要生产排产的生产任务单。该生产任务单包含的信息为所要 加工产品的数量及需求日期。a p s 的排产计划模块则会根据算法而得到工作中心的 生产排产单以及在制品的排队序列。同时接受对车间活动的监测数据，实现对车 间变化信息的动态反映。 图1 1a p s 与e r p 关系图 8 2 a p s 与e r p 的区别 e r p 是依赖于m r p i i ，主要基于无限物料、无限能力的理论，是通过缺料分析、 能力分析、由人进行调整决定采取行动。a p s 的计划是基于约束理论通过事先定义 的约束规则，由计算机自动采取计算。除此以外，a p s 与e r p 在计划上也有许多关 键的不同，如表1 1 所示n 5 j 。 表1 1a p s 与e r p 的关键不同点 规则 e r p a p s 计划物料和能力顺序同时 计划的时间段分段连续 组织一体的计划 按功能计划集成计划 计划的传向单向双向 分配供应给客户不能可以 可以承诺量( a t p ) 静态动态 约束的类型只有软约束 软约束和硬约束 制造提前期固定灵活 模拟能力低高 计划的可视性本地点本地点、多地点和全局 实现计划豹速度慢快 评估机会成本不能可以 总之，e r p 在除生产计划以外的财务管理、成本管理、采购管理、销售管理、 库存管理、人力资源管理等方面表现出了良好的管理效益和管理规范。而a p s 系 统作为计划系统能够很好的规划基于供应链的长、中、短期计划系统，但是a p s 系统不能够独立的运行，它需要大量的基础数据的支撑才能良好的运行。结果， a p s 不能取代e r p 系统，e r p 系统采用的计划模型确实又不能满足目前的需要，e r p 的计划模型的改变同时将影响到整个系统结构的变化。因此，用a p s 来优化e r p 生产计划系统，既可以强化e r p 的计划功能，同时又不必影响到e r p 其他成熟的 商业流程n 6 。 1 5 论文主要研究内容与各章安排 1 5 1 论文主要研究内容 9 t 本论文主要着重于以下两点： ( 1 ) 第一个是a p s 计划方法的研究。一个生产过程可能有无穷多种“可行” 的安排，但是你必须找出“最优”的安排出来。即如何用一个好的算法按照各种 规则及约束对生产订单及生产设备等因素进行详细的可视的计划排程。 ( 2 ) 就是a p s 女f l 何实现与现有e r p 集成的问题。本文采用支持e a i 的w e b n 务技 术来解决该问题。 1 5 。2 论文各章安排 本文共分五章：第1 章为绪论，主要介绍本论文的研究背景和问题的提出。第 2 章为a p s 计划理论和企业应用集成技术理论分析，主要是对本文的两个研究重 点，a p s 计划理论和企业应用集成技术的现有理论进行阐述。第3 章为 g a s c h e d u li n g 原型服务的设计与实现，本章在分析了排程问题的基础上，进行了 排程问题建模和g a 算法设计与m a t l a b 实现，然后再在此基础上设计和实现了 g a s c h e d u l i n g 原型服务。第4 章为g a s c h e d u l i n g 优化某木制品加工企业e r p 生产模块应用案例，旨在对基于遗传优化算法和w e b 服务技术的g a s c h e d u li n g 原型服务的有效性和可行性进行验证。第5 章为总结和展望，是对全文的总结， 也指出了下一步的研究方向。 1 0 第二章a p s 计划理论和企业应用集成技术 本章从理论角度对高级计划系统( a p s ) 和企业应用集成技术作一番探讨。a p s 部分介绍了a p s 的计划层次、计划方法，并着重介绍了遗传算法，阐明了遗传算 法的基本思想及其优势。企业应用集成技术( e a i ) 部分介绍了企业应用集成的层 次，重点研究了支持e a i 的w e b 服务技术，并阐明了基于w e b 服务技术的集成方 案相对传统企业应用集成方案的优势所在。 2 1a p s 计划理论 2 1 1a p $ 计划层次 1 a p $ 计划层次概览 理论上，a p s 系统层次日趋立体化和丰富化，目前大多数a p s 包括6 个主要的 模块如图2 1 所示n7 1 ：供应链战略模块、供应链计划模块、需求计划、制造计划 模块、排程计划模块，运输优化模块。 器 姒 骚 壤 “ 图2 1a p $ 系统层次图 ( 1 ) 供应链战略模块用来支持战略假设分析，确定生产地点、配送中心和其它 实体的最优组合及选址方案，并对不同的成本和物料约束条件进行建模分析。 ( 2 ) 供应链计划模块通过对物料、产能、运输以及服务水平等的诸多约束对供 应链进行建模和最优化分析，并制定出各流程的详细计划。 ( 3 ) 需求计划模块：用统计工具、因果要素和层次分析等手段实现市场与客户 需求预测及管理。其关联预测功能，甚至可以通过产品水平的预测推出各零部件 的需求量，从而优化采购决策。 ( 4 ) 制造计划模块：根据已有数据，与e r p 的m r p 通过制造订单反复交互论 证，得出将要生产排产的生产任务单。 ( 5 ) 排程计划模块：考虑了生产中的产能、工序、物料及时间等约束条件制订 出最优的生产计划。 ( 6 ) 运输优化模块可确定运输模型以进行假设分析，并在约束条件下自动建立 运载数量、发货时间、运输路线的安排。 2 车间作业计划 本文的研究重点是放在排程计划算法研究上，而这一问题实际发生在e r p 车 间作业计划层次上，所以有必要对车间作业计划进一步研究。 车间作业计划的目标是通过对制造过程中车间层及车间层以下各层次物流的 合理计划，排程与控制，缩短产品的制造周期，减少在制品，降低库存，提高生 产资源的利用率，最终达到提高生产率的目的。 从功能方面看，车间作业计划层比物料需求计划层有更具体的目标，那就是减 少工件在制造系统中的“空闲时间 。根据调查表明，在中小批量自动化制造系统 中，工件在系统中的“通过时间 主要由4 部分构成：加工准备时间，加工时间， 排队时间和运输时间。其中加工时间只占整个通过时间的5 左右，大部分时间消 耗在排队时间上，从而引起系统效益大为降低。 车间作业计划层主要由生产作业计划层、排程计划层和生产活动控制层有机 组成，其结构图如图2 2 所示。其中生产作业计划层是在战术层下达的月、旬或 周生产计划的基础上，根据各种生产资源的实时状态数据，制定具体的生产作业 计划，该计划将确定计划期间内各种制造设施的具体使用状况，每日班的工件种 类及数量等。排程计划层是在生产作业计划的基础上确定生产任务进行加工的顺 序，以及加工过程中各种制造资源的实时排程。上述的生产计划与排程都只是为 运行层内物料的流动做出计划，虽然在规划时期望系统能运行在最优( 或次优) 状态，但实际系统运行中总会出现各种随机韵扰动，从而使系统是实际状态与期 望状态之间产生偏差。所以，生产活动控制的目标就是应用反馈控制原理校正这 种系统的偏差，使物料流动和系统资源利用等尽可能与生产计划与排程计划所期 望状况吻合。值得注意的是，对于某一特定的车间作业计划，并不要求包含上述 体系结构中的所有功能，可以根据实际情况进行功能的构造n 引。 1 2 让我们重点关注排程计划层，它在车间作业计划的三个层次中起到一个承上 启下的作用，具体来说，排程计划就是针对一项可分解的工作如产品制造，探讨 在尽可能满足约束条件如交货期、工艺路线、资源情况的前提下，通过下达生产 指令，安排其组成部分操作使用哪些资源、其加工时间及加工的先后顺序，以获 得产品制造时间或成本的最优化。车间排程计划的重要性在于它保证生产计划的 有效实施，高效低耗地使用生产资源均衡主产，减少了零件的加工准备、等待与 传送时间，缩短产品生产周期、确保产品交货期，从而提高设备利用率与生产效 率，同时，减少了在制品的资金占用，降低了生产成本，使企业能更好地适应多 变的市场需求。 t 平衡能力与分解战术层 协调资源与 生产作业计戈1 1 屡 负荷 生产计划 任务 1 j 上， ，i 生产任务生产任务制造资源实 排程。划层 静态排序动态排序 时动态调度 1 j 厂封i 符谢皇、 掣。双亩1 - 不存e 偏差 系统状态实 时数据采集 生产活动控 生产活i0 控制层 数据分析制决策支持 f 蒌一蝴差 1r 方左皿舌佶* 一 反馈至战 忖。 l = r d 里i ，啊也 ，一 术层协调 图2 2 车间计划图 作为车间作业计划乃至是制造系统生产管理核心的排程计划具有以下特点 1 9 j ： ( 1 ) 随机性。排程计划受到很多随机和不确定因素的影响，如工件到达时间 的不确定性，实际工件的加工时间也有一定的随机性。而且系统中常有突发偶然 事件，如机器出故障、作业交货期的改变等。 ( 2 ) 复杂性。车间中工件、机器、缓存和搬运系统之间相互影响、相互作业。 每个工件又要考虑它的加工时间、安装时间和操作顺序等因素，因而相当复杂。 其次，体现在计算复杂性上。排程问题是在等式或不等式约束下求指标的优化， 在计算量上往往是具有n p h a r d 特性，随着问题规模的增大，其计算量急剧增加， 使得一些常规的方法无能为力，对于这一点已经证明。即使对于单台机床加工问 题，如果有n 个工件而每个工件只考虑加工时间以及与操作序列有关的安装时间， 则这个问题就和n 个城市t s p 的问题等价。对于一般加工系统，问题更复杂。 ( 3 ) 动态模糊性。车间环境是不断变化的，含有很多随机的和不确定性的因 素，包括工件的随机到达，交货期的变更及动态优先级和订单的变化，生产能力 的冲突和过载以及机器故障或紧急件插入，原材料的短缺，操作人员的技能、操 作熟练程度和因故缺勤等。这就造成了排程的动态性以及加工时间和交货期的模 糊性。 ( 4 ) 多约束性。车间排程计划包含有多种约束情况。如工艺约束、资源能力 约束、人力约束、零件交货期约束和产品齐套性约束等。排程问题中资源的数量、 缓存的容量、要求各机器上的负荷、工件到期时间以及工件的操作顺序等都是约 束。 ( 5 ) 多目标性。排程计划的目标很多，主要包括最小任务完成时间、最小延 迟时间、最小加工成本等。这些目标之间有的相互促进，有的相互冲突，必须根 据具体情况确定哪个目标优先，或者通过确定各个目标在总目标中的权重来兼顾 多个目标。 2 1 2a p s 计划方法 2 1 2 1a p s 的计划方法 a p s 有两种基本的计划方法：有限能力计划和基于模拟的顺序计划。 ( 1 ) 有限能力计划 有限能力计划主要采用五种排程规则计算乜刚： 优先j u 顷n ：根据订单属性、设备设置时间、处理时间和关键比例来确定排 程顺序。优先顺序排程规则是由数据驱动。用户可选定优先标准。例如，对比剩 余的处理时间与交付日期，动态更改作业的优先顺序，尽快完成最重要的任务， 从而最大限度地减少延迟交付。 在制品( w i p ) 最小化向前：这种规则属于顺序化规则，其目的是最大限度 地缩短每一工单的制造间隔并减少延迟订单的数量。每一工单按当前时问向前加 1 4 载，锁定后最快完成最后一次操作的排程，然后与此执行向后加载。 在制品( w i p ) 最小化向后：这种规则是跟据交付日期( 即结束时间) 将每 一工单向前加载，锁定最迟开始第一次操作，然后与此执行向前加载。这种计划 的结果可能会有不可行的开始时间。 动态瓶颈：动态瓶颈规则用于计算每一工单的瓶颈工序。然后，对瓶颈的 “上游 操作进行向后排序，对瓶颈的“下游”操作进行向前排序。这种方法在 瓶颈工序或利用率高的资源中比较有用。把一个工序分配给瓶颈资源，然后计算 此资源的上游和下游工序。瓶颈算法顺序计划的优势是可以最小化所有任务的周 期。 用户定制规则：很多a p s 系统允许用户采用“开放式计划板”和a c t i v e