（管理科学与工程专业论文）基于多目标规划的半导体行业生产计划管理系统的研究.pdf

摘要 摘要 半导体生产是一个获得高额利润的资本集中产业，因此企业应当制定出非 常有效的生产计划来利用有限的生产资源，极大程度地满足客户需求，最大化 利润。企业的生产计划应当不仅能适应生产资源的灵活性、半导体供应链的复 杂性，还应当能适应新产品的投产和生产设备的改进。然而制造企业现今绝大 多数的生产计划都是基于局部、地区性数据，通过电子表格和启发式的方法， 依赖于计划员自身的经验和智慧来安排。 本文紧扣半导体行业的特点，在借鉴原有a p s 理论、数学模型和求解方法 的基础上，根据半导体行业特有的需求、生产流程等特点，运用多目标线性规 划方法，以主生产计划( m a s t e rp l a n n i n g ) 过程为对象，构建相应的数学模型， 运用迭代算法对模型进行求解。最后对求解结果进行分析，并提出了应用与性 能的局限性以及对a p s 未来的展望。 本文的创新点主要在于巧妙地利用了数学建模的工具对生产计划流程进行 了建模，并根据数学模型设计了生产计划排程的信息系统，为解决实际的生产 计划问题提供了非常有价值的解决方案。本文还运用多目标线性规划的方法根 据半导体行业特有的生产流程和多工厂的特点建立了相应的生产计划的数学模 型，并运用迭代算法对模型进行求解。系统本身的计算结果随用户对不同约束 条件的优先等级的调整而变化，体现了系统的灵活性。 经实践证明，本文所提及的生产计划系统投入使用后，大大提高了生产计 划的效率，并将t p t 缩短了一至两天左右的时间。本文在最后指出了该系统存 在的一些局限性，并对未来的发展提出了一些展望。 关键词： p s ，多目标规划，线性规划，半导体行业，多工厂产能规划 a b s t r a c t a b s t r a c t s e m i c o n d u c t o rm a n u f a c t u r i n gi n d u s t r yi sah i g h l yp r o f i t a b l ei n d u s t r yo fc a p i t a l i n t e n s i v e ，s oc o m p a n yo w n e r ss h o u l dm a x i m i z i n gt h eu t i l i t yo fl i m i t e dc a p a c i t y t h r o u g hd r a w i n ge f f e c t i v ep r o d u c t i o np l a n ，s ot h a tc u s t o m e r s n e e d sc a nb es a t i s f i e d a n da l s op r o f i t sc a nb em a d e t h e r e f o r e ，h o w e v e r , p r o d u c t i o np l a ns h o u l dn o to n l y b ef l e x i b l ee n o u g ht of i tt h ef l e x i b l ec a p a c i t ya n dc o m p l i c a t e ds e m i c o n d u c t o rs u p p l y , i ts h o u l da l s ob ee a s i l ya d a p tt ot h ei m p r o v e m e n to fn e wp r o d u c t sa n dm a n u f a c t u r i n g i n s t r u m e n t h o w e v e r , t h ep r o d u c t i o np l a no ft o d a y sm a n u f a c t u r i n gc o m p a n i e s ， w h i c hi si nt h ef o r m a to fs p r e a d s h e e ta n du s i n gt h eh e u r i s t i ca l g o r i t h m ，i sf o c u s e do n p a r t i a la n dr e g i o n a ld a t aa n d b a s e do nt h ee x p e r i e n c ea n dw i s d o mo fp l a n n e r s t h et h e s i si sh i g h l yr e l a t e dw i t ht h es p e c i a l t yo fs e m i c o n d u c t o ri n d u s t r y o nt h e b a s i so fe x i s t e da p st h e o r y , m a t h e m a t i c a lm o d e lt h e o r ya n ds o l u t i o nm e t h o d s ， r e f e r r e dt ot h es p e c i a l t yi nm a n u f a c t u r i n gp r o c e s so fs e m i c o n d u c t o ri n d u s t r y , t h i s t h e s i sa p p l i e dt h em u l t i o b j e c t i v em e t h o d ，b u i l tac o r r e s p o n d i n gm a t h e m a t i c a lm o d e l w h i c hi ss o l v e db yi t e r a t i o nm e t h o d i nt h ee n d ，t h i st h e s i sa n a l y z e dt h er e s u l t ，a n d c a m eu pw i t ht h ep r o b l e mi na p p l i c a t i o na n dl i m i t e d n e s s ，a sw e l la st h ef u t u r eo f a p s t h ei n n o v a t i v ep o i n to ft h i sp a p e rl i e si nt h em u l t i - o b j e c t i v ea n dl i n e a r p r o g r a m m i n gm e t h o d w h i c hi s a p p l i e d f o c u s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c si n m a n u f a c t u r i n gp r o c e s sa n d m u l t i n a t i o n a ls i t u a t i o no fs e m i c o n d u c t o ri n d u s t r y , a sw e l l a st h ei n t e r a t i o nm e t h o d e s p e c i a l l y , s y s t e mm e n t i o n e di nt h i sp a p e rc a nb ef l e x i b l y b ec h a n g e db yd i f f e r e n tp r i o r i t ya m o n gt h ec o n s t r a i n t sw h i c hc o u l db er e a d j u s t e db y p l a n n e r s i ti sp r o v e dt h a tt h i sp r o d u c t i o np l a n n i n gs y s t e ms h o r t e r n e dt h e 唧b ya b o u t o n eo rt w od a y s f i n a l l y , t h i sp a p e ra l s op o i n t so u ts o m el i m i t n e s so ft h es y s t e m ，a s w e l la ss o m ed e v e l o p m e n tv i s i o n s k e y w o r d s ： a p s ，m u l t i - o b j e c t i v ep r o g r a m m i n g ，l i n e a rp r o g r a m m i n g , s e m i c o n d u c t o ri n d u s t r y , m u l t i p l a n tc a p a c i t ys p l i t 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本入在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 一躲乏毅千 年弓月小e l 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供露录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 年月 冒 第一章绪论 1 1 研究背景 1 1 1 问题的提出 第1 章绪论 半导体生产是一个获得高额利润的资本集中产业，因此企业应当制定出非 常有效的生产计划来利用有限的生产资源，极大程度地满足客户需求，最大化 利润。因此生产计划应当不仅能适应生产资源的灵活性、半导体供应链的复杂 性，还应当能适应新产品的投产和生产设备的改进。 现今绝大多数的生产计划都是基于局部、地区性数据，通过电子表格和启 发式的方法，依赖于计划员自身的经验和智慧来安排。然而，目前的计划环境 在这十年有了极大改变： ( 1 ) 前提发生了改变。传统计划流程所依赖的一系列前提条件发生了巨大 改变。计划问题已经从原先的局部地区问题转移到全球问题，特别是对于半导 体这种特殊产业，其产品的整个加工流程往往遍及全球。 ( 2 ) 计算能力的改变。在传统的计划流程被规范后的时间年中，计算机的 计算能力得到极大提高。与此同时，软件设计也得到长足的发展，先进的计划 调度技术和先进的优化算法的结合使得软件有能力作出企业迫切需要的决策。 并且先进的图形界面技术让互动软件更为有效，更容易让计划员接受和理解。 ( 3 ) 计划问题的改变。供应链新概念的产生，如t q m 、j i t 等等，改变了 生产商的运营方式。过去认为必要的多余库存现在成为一种负担，半导体产品， 如闪存的成品库存过多导致极大的浪费，生产系统中的冗余量在极大程度上被 减少，这就迫切的需要一种稳定性强或更精确、更动态的计划能力。 ( 4 ) 计划边界在移动。生产商与生产商和供应商与客户的关系发生了很大 改变，供应链管理的概念极大地延伸了计划的边界。生产商为了获得竞争力， 就必须时刻关注它的上、下游，敏捷生产的概念不再要求减少生产变动，而是 迅速、可靠地响应客户订单。没有整体考虑整条供应链的计划是局部优化解， 随时就可能变成不可行解，因此生产商不仅要迅速响应它的直接下游，而且要 第一章绪论 考虑整条供应链上的下游。 由于环境发生如此巨大的改变，相对于改进当前的计划流程和数据管理方 式，更应当考虑重新设计先进的计划工具，使得计划自动化、整合化以及最优 化。高级计划排程系统( 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 ) 正是一个计 划任务的有效新方案。 1 1 2 本论文的意义 a p s 系统充分利用了当前的计算能力、现代生产技术并对整条供应链进行 建模。它把主生产计划和车间计划相结合，在不同的a p s 计划模块中，数据可 以自动、无缝链接；把物料和产能相结合，使得计划的可行性得到极大提高； 把手工计划和自动计划相结合，让自动计划算法解决大多数简单的计划决策和 修改，而让宝贵的人力资源集中在困难的任务上。因此本文所论述的a p s 的实 施有利于半导体企业的成长，提升半导体企业的在国际市场上的综合竞争能力， 通过与工程实践相结合，不断完善订单管理在半导体制造供应链中的作用，对 于逐步完善我国同类型制造企业的应急反应能力，具有重要的意义。 当然，不同产业之间的运营模式截然不同，a p s 要能够成功实施，有两点 重要因素：首先，供应链上的各个环节要有很强的协作性；其次，应当是a p s 系统适应产业运营特点，而不是根据统一标准的a p s 结构，改变产业来适应它。 大多数a p s 失败的案例基本都是由于违反了上述两条中的某一条。半导体产业 同样具有它独特的生产模式，本文的主要目的就是根据半导体的特定环境，运 用多目标线性规划方法，建立相应的a p s 模型，并运用多次迭代的算法求出最 优解，为解决实际的生产计划问题提供了非常有价值的解决方案。 1 2 论文研究内容与体系结构 1 2 1 本文主要内容 本文紧扣半导体行业的特点，在借鉴原有a p s 理论、数学模型和求解方法 的基础上，根据半导体行业特有的需求、生产流程等特点，运用多目标线性规 划方法，以主生产计划( m a s t e rp l a n n i n g ) 过程为对象，构建相应的数学模型， 2 第一章绪论 运用迭代算法对模型进行求解。最后对求解结果进行分析，并提出了应用与性 能的局限性以及对a p s 未来的展望。 1 2 2 本文体系结构 第一章为绪论，主要介绍问题提出的背景及意义。 第二章主要回顾a p s 理论的发展历史和现状，并对a p s 和受到广泛采用的 e r p 系统进行了比较，强调了a p s 在供应链管理中的重要地位。最后介绍了业 内专家对a p s 未来发展趋势的预测。 第三章分为三部分，第一部分简要介绍半导体行业的生产特点，第二部分 简要介绍常用的生产计划建模方法，第三部分将上述两部分结合到一起，根据 半导体行业特有的生产流程提出了通用的p p m 模型。 第四章以半导体行业的主生产计划为例运用多目标线性规划的方法建立了 生产计划的数学模型。 第五章讨论了数学模型的求解方法。本模型是在i l o gc p l e x 和c o n c e r t 的 基础上运用雠编程，结合遗传算法和精英策略理论，对模型进行了成功的求解。 第六章对模型的性能进行了分析，并列举了模型应用的一些局限性，最后 进行了总结与展望。 第二章a p s 理论研究概述 第2 章a p s 理论研究概述 本文所讨论的生产计划管理系统从严格意义上讲是属于高级生产计划排程 系统( a p s ) 的一种，因此在讨论该计划系统的设计之前，本论文先就高级生产 计划排程系统( a p s ) 的发展历史及现状作简单回顾。 2 1a p s 简介 高级计划排程系统( a p s ) 将生产计划与车间调度整合到一起，并在满足生 产过程中的各种限制条件下将资源有效地分配给产品的不同生产阶段，保证了 生产目标的实现 3 】。a p s 不是单纯的计划方法或者系统，而是融合各种现进的现 代化技术与管理思想的产物。对a p s 的贡献来自计算机科学、人工智能、决策 支持系统、工业工程、物流管理、管理科学、运筹学和生产运作管理等领域 5 】。 因此近几年来，a p s 受到了越来越广泛的关注。但是到目前为止，国际上 对a p s 还没有一种明确的定义。本节将对a p s 的概念、起源、现状和发展趋势 作简要的介绍。 2 1 1a p s 概念简介 a p s 系统是利用现代的信息科技及规划技术，例如基因算法( g e n e t i c a l g o r i t h m ：g a ) 、限制理论( t h e o r yo fc o n s t r a i n t s ；t o c ) 、运筹学( o p e r a t i o n s r e s e a r c h ；o r ) 、系统仿真( s i m u l a t i o n ) 及限制条件满足技术( c o n s t r a i n t s a t i s f a c t i o nt e c h n i q u e ；c s t ) 等，再考虑企业资源( 主要为物料与产能) 限制条 件与生产现场的控制与派工法则下，规划可行的物料需求计划与生产计划，以 满足顾客需求及面对竞争激烈的市场。a p s 还提供w h a t i f 模拟分析，可让计划 者快速结合生产信息( 如订单、途程、存货、b o m 与产能限制等) ，做出平衡 企业利益与顾客权益的最佳规划与决策【2 】。 2 1 2a p s 起源与发展 2 0 世纪5 0 年代以前是a p s 思想的萌芽阶段 4 ，a p s 的一些主要思想早 4 第二章a p s 理论研究概述 在计算机存在前就已经出现。对a p s 贡献最大的是2 0 世纪出现的甘特图( g a n t t c h a r t ，1 9 1 7 ) 和运用数学规划模型解决计划问题。甘特图可以直观地看到事件 进程的时间表，并且可以进行交互式更新。最优化线性技术当时已由美国和前 苏联用于解决战争相关的物流管理问题。这些思想和方法对于a p s 的萌芽起到 了奠基性的作用。 5 0 年代初期和5 0 年代后期，大公司开始配置计算机，用来观察计划有问题 的部分，优化少数关键性的材料能否平衡对产品的需求，而且考虑能力约束， 或者为产品寻找最低的费用路径。线性规划得到了普遍的运用，小型的计划试 算表开始出现。这一时期对“最优化 的定义促进了a p s 的发展。 6 0 年代到7 0 年代，由于跨国公司的迅速发展和制造业问题变得越来越复杂， 需要计算的变量也从6 0 年代初期的数以百计发展到7 0 年代末的数以万计。线 性规划已无法满足企业的需要，一些公司则着手开发用于解决线性规划问题的 程序。6 0 年代中期i b m 开发了基于产品结构分解的物料需求计划( m a t e r i a l r e q u i r e m e n tp l a n n i n g ，m r p ) 系统，并在7 0 年代发展为闭环m r p 系统，除了 物料需求计划外，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。 8 0 年代初，美国管理学家o l i v e rw w i g h t 在m r p 的基础上把生产、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，提出了制造资 源计划( m a n u f a c t u r i n gr e s o u r c ep l a n n i n g ，m r p i i ) 。1 9 8 3 年由e l ig o l d r a t t 领导 的“创造力输出公司 又提出了在当时的离散制造业中受到极大欢迎的“最优 化生产技术 ( o p t i m a lp r o d u c t i o nt e c h n o l o g y ，o p t ) ，即“约束理论 【6 】。8 0 年代后期出现了人工智能( a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ，a i ) 和专家系统。i b m 把人工 智能和已存在的a p s 技术结合应用，开发了批处理的排程系统。人工智能对后 来基于约束的规划和遗传算法做出了重要的贡献。8 0 年代后期出现的交互式图 形用户界面大大提高了a p s 的市场销售冲击力。 9 0 年代以后，供应链管理思想和计算机技术的迅速发展大大促进了a p s 的 完善。供应链管理的软件系统开始出现并为大型企业所接受，如s a p 的r 3 系 统中增加了供应链管理模块。a p s 是供应链管理软件的核心，它能够统一和协 调企业间的长、中、近期的计划。与供应链相关的需求促进了9 0 年代a p s 的发 展。9 0 年代初期出现的顺序查询语言( s e q u e n c eq u e r yl a n g u a g e ，s q l ) 允许 a p s 工具能动态地和关系数据库交互。逐渐增加的计算机运算能力使得成本降 5 第二章a p s 理论研究概述 低，并导致新的解决方法，而且扩大了所解决问题的大小和复杂性。遗传基因 算法、模拟技术逐步成熟。9 0 年代初g a r t n e rg r o u p 提出了企业资源计划 ( 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 ) 的概念。到9 0 年代中期，e r p 厂商介入 了a p s ，因为a p s 交付规模越来越大，每个用户支付的成本远远高于e r p ，且 a p s 市场快速地增长。9 0 年代中期厂商把用户界面转向w i n d o w s 环境，提供了 更加直观的接口和报告功能。新的a p s 应用费用更低，计算能力正在以令人惊 异的比率增加。 2 1 3a p s 的发展现状 进入2 1 世纪，a p s 与以互联网为代表的信息技术和以供应链管理思想为代 表的先进管理思想相结合，具有跨越整个供应链进行计划协调的能力。由于大 多数企业都采用e r p 作为基本的管理系统，单纯应用a p s 的企业很少。因此 a p s 在很多企业作为e r p 的补充，用于协调物流、开发瓶颈资源和保证交货日 期。a p s 应用各种优化技术，并根据企业的商业目标来改进计划 7 。目前a p s 主要应用于传统的制造业、快速消费品等领域。 在国外，主要是软件公司对a p s 进行研究。著名的软件公司有i 2 t e c h n o l o g i e s 、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，另外一些大 规模的制造商也配有自己的软件开发系统，根据自身的生产流程开发属于自己 的a p s 。而在我国，a p s 的实施应用才刚刚起步。 2 1 4a p s 的发展趋势 二十一世纪是信息时代，经济全球化步伐日益加快。作为代表当今先进管 理思想的高级计划排程系统，a p s 的发展呈现出以下趋势： ( 1 ) 与供应链管理更加紧密结合。和生产计划系统不同，a p s 以企业整体 水平的资产收益率( r o i ) 等指标为目标，运用各种先进的模型进行跨企业优化， 范围不限于生产计划，能使供应链更加有效地运行。而基于电子商务的供应链 管理更加需要a p s 系统的协调。 ( 2 ) 应用范围越来越广。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 研究的深入，不久的将来，小巧灵活的a p s 系 6 第二章a p s 理论研究概述 统将为中小企业的计划优化服务。 ( 3 ) 集成化与分散化。计划系统的发展早期是处理分散、单一的问题，到 a p s 阶段则成为各种计划技术与方法的系统融合，体现了计划思想的高度集成。 然而，由于现实问题的复杂性，如不同的行业与产品特点、不同的企业规模等， 对一些企业来说，采用庞大完整的a p s 系统并不是最佳选择。而结合行业与产 品特点、各具特色的先进计划系统同样是a p s 的发展趋势。 ( 4 ) 与项目管理结合。由于消费者个性化需求的日益增长，产品大量生产 的时代即将过去，需要对以前根据批量生产形成的管理理论进行反思，大规模 定制( m a s sc u s t o m i z a t i o n ) 就是个性化产品生产的有益尝试。个性化产品就是 一个个项目，项目管理必将成为2 1 世纪管理学的重要组成部分。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。 2 2a p s 与e r p 系统的比较 从a p s 的发展历史可以看出，a p s 早于e r p 出现，两者在发展过程中相互 促进密不可分。如今a p s 并未被e r p 取代，它强化了e r p 中以传统m r p 规划 逻辑为主的生产计划与排程功能，以协助规划人员对物料与产能做同步且最有 效益的生产规划。 2 2 1 企业资源计划e r p 在上一节a p s 的发展历史中我们可以看到m r p 出现于2 0 世纪6 0 年代，6 0 年代后期发展为闭环m r p ，8 0 年代闭环m r p 进而发展为m r p i i ，9 0 年代初出 现了e r p 。e r p 是以市场和客户需求为导向，以实现企业内外资源优化配置， 提高客户满意度为目标，以计划与控制为主线，以网络和信息技术为平台，集 客户、市场、销售、采购、计划、生产、财务、质量、服务、信息集成和业务 流程重组等功能为一体，面向供应链管理的现代企业管理思想和方法。e r p 思 想的发展，实现了企业计划系统的规范化、程序化，为企业管理的发展做出了 重要的贡献。 7 第二章a p s 理论研究概述 2 2 2e r p 的优点和缺点 关于e r p 的优点，很多文章都已经提到，作者总结主要的几个方面： ( 1 ) e r p 把对于企业管理的规范化大大促进了一步。在m r p 出现以前， 企业管理模式千差万别，但m r p 以其统一的“物料需求计划”思想应用于各种 不同类型的企业，取得了很大成功。尽管今天企业之间管理还有很多差别，但 m r p 思想已经为企业界普遍接受。 ( 2 ) e r p 促进了企业管理自动化。把信息技术应用于企业管理，是企业家 们不懈的追求，这种应用需要软件载体，e r p 较好地充当了这一角色。大量企 业通过应用成熟的e r p 系统，实现了主要管理过程的自动化。 ( 3 ) e r p 计划与优化有利于企业实现经营目标。m r p 发展为m r p i i 以后， 形成了包罗万象的计划和控制系统，有助于实现：按计划的生产和给客户交货， 保证材料、元件和产品的有效供应；维持尽可能最低的库存水平，以及计划制 造活动、递送时间表和购买活动。 ( 4 ) e r p 成为企业在信息时代参与竞争的出发点。信息时代，企业竞争将 日益加剧，如果不应用以e r p 为代表、体现先进管理思想的信息系统软件，企 业将失去其有利的竞争地位。 在肯定e r p 优点的同时，很多学者对e r p 的功能缺陷进行了阐述，作者把 各方有关e r p 不足的观点总结如下： ( 1 ) 系统出发点。e r p 的出发点是最大化利用企业资源( 主要指内部资源) ， 满足用户需要，虽然可以是用户订单驱动的，但对用户需求的响应效率低、速 度慢。 ( 2 ) 系统管理范围。e r p 系统只管理内部资源，涉及企业从需求预测、计 划、采购、制造、分销到核算等过程。而对上下游企业缺乏管理能力。 ( 3 ) 计划模型落后。e r p 的计划管理的模型仍然是m r p i i ，其编制计划的 方法仍然采用m r p 和m p s 计算物料的需求分布、补充定单等手段，进行这种 于6 0 年代出现的、用最朴素的逻辑在计算机帮助下按产品b o m 和工艺流程逐 级推演得到了在一般平稳生产条件下可以应用的生产计划方法。流行了近4 0 年， 却存在以下弱点： a ) m r p 算法假定提前期是己知的固定值； b ) 系统要求固定的工艺路线； 8 第二章a p s 理论研究概述 c ) 仅根据交付周期或日期来安排生产的优先次序； d ) 所有工作都是在假定无限能力的前提下进行； e ) 重复计划过程要花费相当多的时间，而相关计划的更改十分困难。 ( 4 ) 缺乏过程管理。企业管理过程的优化是业务高效运作的前提，但e r p 缺乏过程管理功能，在处理过程优化上就有一定的局限性。 ( 5 ) 企业内部管理协调。物料需求计划是针对每一个部门的，他们之间是 割裂的，这些计划不可能很好的衔接；同时，编制这些计划时，前提假设是无 限资源，导致计划准确性较差，不是为企业提供的很好的工具。 ( 6 ) 企业间的协作。e r p 对在做前端市场需求预测时能力不够，它不能时 刻跟踪市场的动态变化，而且最重要的是它无法使上下游之间紧密结合。 ( 7 ) 从技术角度来说，e r p 软件处理数据的速度还不够快。 另外，e r p 缺乏决策支持能力令制造企业的上层管理人员甚为不满。3 0 多 年来e r p 的这些缺陷虽然不断有些技巧性的改进，e r p 系统在做生产计划时也 考虑了能力资源的约束，但仍旧是一种串行过程的校验处理，始终没有实质性 的改变。 2 2 3a p s 与e r p 的关系 a p s 作为对e r p 计划系统的补充和优化，其作用主要体现在与e r p 计划系 统的交互层次上，如下图所示。首先，a p s 的需求计划模块从e r p 的订单输入 并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应。 9 第二章a p s 理论研究概述 图2 1 a p s 与e l l p 集成图 资料泉源：商级汁划持产系统e r p 的集成敬计吩实现，第8 7 箢 a p s 与e r p 密不可分，但其两者之间有存在显著的区别。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。而a p s 的计划则是基于约束理论，通过事先定义的约 束规则，由计算机自动采取行动。除此之外，它们在计划上也有许多关键的不 同，如下表。 l o 第二章a p s 理论研究概述 表2 1a p s je r p 的爻键水点 规燃e r p a p s f | - 燧物 ：1 日i 晚力! l l f i ! t 弘刚毗 he1 1 蜘 叫段分段连续 组织体的浮鹾拔功隧i 鹾臻成浮鞠 汁鹾n ，j f 譬翔啦囱舣国 分热c 杉k j 、给弃j 、小隧i 叮以 i l l - 以厩诺；矗( a t p ) 静态 0 1 怒 i约暾n ，j 燹戳j l 打城约l 艇软约艇椰她约暾 制造挺i 玎觋定疋；l _ 拨拟能，j低 l 岛 汁鹾的i t j 。筏性本地点奉地点、多地点稿l 拿j 1 6 i实现c | - 划的述j 堡性 快 ! 详能参l 会成本 夸能i 以 资料来源：, t l p $ 供疵链优化0 警，2 ：1 6 酸 因此，虽然e r p 需要a p s 来完善，但是a p s 也不是e r p 系统的代替品引。 a p s 只是局限在计划决策领域，它需要一个闭环的e r p 系统。a p s 需要从e r p 数据库中提取基本的建模数据如物料清单、工艺路线、可用资源、存货水平、 供应商订单数据来执行计划优化活动。然后，将最优计划输入到e r p 系统去执 行。因此，a p s 是基于e r p 系统的计划决策系统。如下图所示f 9 l ： 图2 2g p s 与e r p 的关系 第二章a p s 理论研究概述 2 3a p s 与供应链管理 a p s 是供应链管理软件的核心，它能够统一和协调企业间的长、中、近期 的计划，因此a p s 在供应链管理软件中有着非常重要的作用。本节将主要讨论 a p s 与供应链管理的关系及其在供应链管理软件中的地位。 2 3 1 供应链管理 供应链( s u p p l yc h a i n ) ，也称为“供需链 及“供销链”等。美国生产与库 存控制协会( a m e r i c a np r o d u c t i o na n di n v e n t o r yc o n t r o ls o c i e t y ) 对供应链的定义 如下【1 0 l ：供应链是自原材料直至最终成品，联系跨越供应商与用户的整个流程； 供应链涵盖企业内部和外部的各项功能，这些功能形成了向消费者提供产品或 服务的价值链。一般来说，供应链包括两个或多个独立的法律实体，他们通过 实物流、信息流和资金的流动相连接。这些企业可能是生产零件、配件、最终 产品的工厂，也可能是物流服务提供商，甚至是最终用户自己。供应链一词也 可以用于某些大型企业，这些企业常常在多个国家设有分支。在这些跨国公司 里，高效率地协调实物流、信息流、资金流仍然是一项艰巨的任务。 虽然目前对供应链有了比较一致的定义，但是对供应链管理的定义尚未统 一。美国供应链协会认为：供应链涉及从供应商的供应商到顾客的顾客的最终 产品生产与交付的一切努力；而供应链管理则包括贯穿于整个渠道来管理供应 与需求、原材料与零部件采购、制造与装配、仓储与存货跟踪、订单录入与管 理、分销以及向顾客交货。h a r t m u ts t a d t l e r 将供应链管理定义为【1 1 j ：供应链管 理是指整合供应链上的所有组织个体，协调物流、信息流、财务流，要通过提 高供应链的整体竞争力来满足最终用户需求的一系列活动。 虽然h a r t m u ts t a d t l e r 对于供应链管理的定义不是最新的，但是他的定义体 现了供应链管理的本质。供应链管理的框架结构可以由下图表示： 1 2 第二章a p s 理论研究概述 气奏一一 ，黼， 厂之：二， 性 一一客户服务( c u s t 。皿e rs e r v ic e ) 、 1 集成性( i n t e g r a t i 。n )i| 协作性( c 。r d i n a t i 。n ) l 选择合作伙伴 ( p a r t n e r ) 信息和通信 识小嗣皿用 组织网络和 组织内合作 o r 流ie 程n t 导a t 向io n ( p ) r 。c e s s 领导力 高级计划 ( l e a d e r s h i p )(advancedplanning) l 基础( f 。u n d a t i 。n ) | i 檠蔼与襄嫠二蕈运研究，组织理论， 2 3 2 供应链计划 图2 3 供应链管理的框架结构 供应链计划( s u p p l y c h a i np l a n n i n g ，s c p ) 指：用于组织管理供应链行为的 整合计划方法。所谓整合，是指供应链主要行为( 采购、生产、库存和运输) 和支持行为( 用于形成价值链) 的多维度的整合。供应链计划同时还是个跨期 整合( i n t e r - t e m p o r a li n t e g r a t i o n ) 计划，也称之为层级计划( h i e r a r c h i c a lp l a n n i n g ) 。 层级计划将考虑包括战略层、策略层和操作层的不同供应链行为。战略层问题 依据整合数据，考虑产品家族管理和生产线采购等等长期规划问题。策略层利 用整体数据，考虑分析资源的分配和利用等中期规划问题，比如：物流、库存 量、产能利用率和维护计划等决策问题。操作层问题集中在生产任务的具体执 行上，比如：生产顺序和输入输出分析模型。最后，供应链计划还是供应链行 1 3 第二章a p s 理论研究概述 为的空间整合计划。 信息技术的高速发展使得这种整合计划成为可能。当仅仅考虑供应链的采 购行为和生产行为时，我们可以将这些计划问题整合成一个简单的整合管理系 统：生产计划控制系统( m a n u f a c t u r i n gp l a n n i n ga n dc o n t r o ls y s t e m ，m p c ) 1 1 2 1 ， 来处理复杂生产环境下的计划问题。下面我们来看一个m p c 系统的例子： m r p 1 i ( m a n u f a c t u r i n gr e s o u r c ep l a n n i n g ) ，见下图： 图2 4 m r p i i 系统 它将策略计划问题和操作计划问题整合成一个单一的系统。在这种m r p i i 系统中，整体计划( a g g r e g a t ep l a n n i n g ) 其主要功能是给出产能的分配和整体库 存水平，从而来满足规划周期内的需求，它是一个中期计划，规划周期一般为 一年，所以通常会考虑到季节性需求的变化。主生产计划( m a s t e rp r o d u c t i o n s c h e d u l i n g , m p s ) 将会基于整体计划给出的库存要求和产能约束，给出一个最 终成品的短甥生产计划，从而满足预测需求和客户订单。主生产计划的规划周 期一般以周做单位，相对应与产品的生产周期。接着，m r p 1 1 1 3 1 会根据m p s 给 出的最终成品生产计划和物料清单，给出个所有产品( 从原材料到中间产品) 的短期计划。最后，车间调度控制系统( s h o p f l o o rc o n t r o ls y s t e m ，用于生产组 件) 和供应商跟进系统( v e n d o rf o l l o w - u ps y s t e m ，用于采购组件) 将贯彻实施 m r p 。i 给出的短期生产计划，这两个系统所给出计划通常以几天作为时间单位。 其他一些比较为人们所熟悉的整合生产计划概念都适用于上述比较一般的 1 4 第二章a p s 理论研究概述 生产、计划、控制框架。比如这个m p r i i 系统就包含了最初的m r p i 系统，而 且也遵从了层级生产计划( h i e r a r c h i c a lp r o d u c t i o np l a n n i n g ，h p p ) 的原则 1 劓。 这种m p c 系统一般基于事务性数据库( t r a n s a c t i o n a ld a t a b a s e ) ，它的数据交 换速度比较快，价格也比较便宜，但是它不能自动地帮助决策的产生。相对于 事务性r r 系统，有一种被称之为分析r r 系统( a n a l y t i c a li ts y s t e m ) 1 5 】，非常 适用于供应链管理应用程序。而优化计划模块是这些分析系统的核心组成部分， 因为优化计划模块可以评价找出可行的计划，并且平衡财务和客户满意度双方 面的要求。其中财务目标通常是：采购或者送货的运输成本、生产机器的成本、 物料费、人力资本费、库存费用和保险等等。客户满意度通常用能否把客户要 求的产品在正确的时间交付正确的数量到客户这一能力来表示。 2 3 3a p s 软件构架 如前文所述，这种基于企业资源计划( 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 ) 系统的事务性数据的分析型r r 计划系统被称之为高级计划排程系统a p s 。下图 给出了供应链计划矩阵，描述了这种a p s 的计划任务结构1 1 们。 巾期 两品瓦 图2 5 供应链计划矩阵 一个a p s 系统主要有如下几个特点： ( 1 ) 整合、全局计划：协调整个供应链的计划； ( 2 ) 优化：所有的计划任务都定义有目标和约束； 信息菰 仃+ u 第二章a p s 理论研究概述 ( 3 ) 层次法：把整个大计划分割成计划模块，并且模块与模块之间有信息 流沟通； 这些特点都在上图中集中反映出来了。传统的m r p 和e r p 系统在绝大多数 的情况下不具备以上特点，他们大多局限于生产功能或是没有优化功能。此外， 当m r p 和e r p 考虑不同的计划周期时，他们对于不同的计划任务通常采用顺序 或是独立的计划方式，也就是说，在上图中，他们不具有从下至上( 不同规划 周期) 和从左至右( 不同规划任务) 的箭头。 a p s 软件的供应商会提供一系列的软件模块，尽可能地实现供应链计划矩 阵中的每个任务。最典型的系统结构图如下： 长期 中期 短期 曰臣习 图2 6 高级计划系统结构 圈 当然，这个供应链计划矩阵仅仅是给出了a p s 的一般结构，一个仅仅包含 固定模块组合的a p s ，不可能满足所有不同管理需求的供应链。有许多文献给 出了供应链的拓扑结构，将不同供应链进行分类，找出一些共有的特性，这样 就可以共享类似的计划任务需求。然而，本文的目的在于探讨基于优化算法的 数学模型的描述，从而实现供应链计划任务，换句话说，本文集中于a p s 其中 一个特性，即是：优化。 1 6 第二章a p s 理论研究概述 2 4 本章小结 本章第一节主要介绍了a p s 的概念、起源、发展及其未来趋势。a p s 系统 是利用现代的信息科技及规划技术，再考虑企业资源( 主要为物料与产能) 限 制条件与生产现场的控制与派工法则下，规划可行的物料需求计划与生产计划。 第二节将a p s 和e r p 作了比较，强调a p s 并未被e r p 取代，而是对e r p 计划 系统的补充和优化。第三节介绍了a p s 在整个供应链中的地位及其软件构架。 1 7 第三章半导体行业生产计划模型概要设计 第3 章半导体行业生产计划模型概要设计 3 _ i 半导体行业简介 半导体生产制造是利用尖端科技的制造技术之一。半导体企监的生产流程 基本包含三个生产阶段，见下图。第一阶段：晶片制造(