（控制理论与控制工程专业论文）钢铁冷轧行业aps系统研究.pdf

摘要 摘要 近些年来，高级计划与调度a p s ( a d v a n c e dp 1 a 1 1 1 1 i n ga i l ds c h e d i l l i n g ) 系统 的研究与应用得到了企业界的广泛关注。a p s 通过应用大量的数学模型、优化 算法及模拟仿真技术，能够快速制定各类计划，及时响应客户的要求，在提高 资源利用率、开发潜在的生产瓶颈、改善企业的管理水平等方面发挥了重要作 用。目前，国内对a p s 的研究刚刚兴起，其在实际生产中尤其是在中小型企业 的应用也是为数不多的。本文通过为钢铁冷轧行业开发并实施a p s 系统，从整 体上对a p s 进行了研究，无论从理论上还是在实践上都对a p s 有了更为详实 的认识。 本文首先从a p s 的发展历史、功能、特点、理论研究等多角度总结了a p s 概况，分析了国内外a p s 应用以及研究现状，并探讨了与e i 心、m e s 等其它 系统的集成问题。在此基础上，通过对实际情况的调研，准确把握钢铁冷轧行 业业务流程，并以此为依据对a p s 系统进行了从整体架构到细节模块的详细设 计。 此外，文章着重对生产计划调度进行了研究，以实际的排产过程为依据， 将其归纳为带有s e t u p 时间的非等同机混合f l o w s h o p s ( h f s ) 问题，建立了数 学模型。系统应用由实际排产人员经验构成的规则知识库为该实际问题提供可 行性解决方案。在此基础上，设计了遗传算法及禁忌搜索等智能优化计算方法， 并且使用实际的排产数据对该问题进行求解。最后文章对两种算法的实施结果 进行分析比较，并对计算结果进行可视化仿真，使之直观地呈现在调度人员面 前。 关键词：a p s 系统、系统集成、s e t u p 时间、非等同机h f s 问题、遗传算 法、禁忌搜索 a b s n t a b s t r a c t t h er e s e a r c ha 1 1 d 印p l i c a t i o no fa p ss y s t e mh a v er e c e i v e d c o n s i d e r a b l e a t t e n t i o no ft l l ee m e i p r i s e si 1 1r e c e n ty e a r s u s i n gal a r g en u i n b e ro fm 础e m a t i c a l m o d e l s ，o p t i i n i z a 廿o na l g o 珊1 1 1 1 sa n ds i i n u l a t i o nt e c h n o l o 鼢a p si sa b l et oc r e a t e v a r i o u sp l a i l sp m m p t l y ，r e 印o n d 廿l ec u s t o m e r s d e m a n di nt i i n e i tp l a y sk e yr o l e si n e i l l l a l l c m gr e s o u r c eu t i i i z a t i o n ，e x p l o i t i n gp o t e m i a lb o t 七l e n e c ki i lm a n l l f 如咖i 1 1 9a i l d i m p m v i n gm a l l a g e m e ml e v e lo fe n t e r p r i s e s n o w 廿1 er e s e a r c ho na p si sj u s t u n f 0 1 d i n gi nc h i m ，a i l dt h ea p p l i c a t i o ni sf e w ，e s p e c i a l l yi ns m a l la n dm e d i 啪一s i z e d b u s i l l e s s e s b a s e do nd e v e l o p i n ga i l di m p l e m e n t i n ga p ss y s t e mi 1 1c o l dr o l l e ds t r i p i n d u s 町，w ep e r f o ma i lo v e r a l ls t u d yo na p sa n dh a v ea ne x a c ta n dd e t a i l e d c 0 9 1 l i t i o ni 1 1b o m l e o r ya l l dp r a c t i c ei n “sp 印e r f i r s t l y ，w es 呦a r i z e 恤s k e l e t o no fa p si nm a l l ya s p e c t s ，s u c ha sd e v e l o p 吨 c o u r s e ，n m c t i o n ，c h a r a c t e r i s t i c s ，血e o r yr e s e a r c ha n ds oo n b e s i d e s ，a na n a l y s i s a b o u tt h ep r e s e n ts t a t u so fa p sa n di n t e 孕a t i o n 谢t ho 也e rs y s t e m si n c l u d i n g e r p & m e si sp r e s e n t e d b yi n v e s t i g a t i n g 廿l ei 1 1 d u s 仃yp r a c t i c e ，t 1 1 eo p e r a t i o nn o wi s p r e s e n t e da 1 1 dt h ea r c h i t e c t i l r ea n dt h ed e t a i l e dd e s i g no f m ea p ss y s t e ma r eg i v e n f u r c h e n n o r e ，w ef o c u so np l a i m i l l ga n ds c h e d l l l i n gi nm a n u f a c t u r i n gs y s t e m t h ep m b l e mi sf o m u l a t e da sah y b r i df l o w s h o p 诵t 1 1d e p e n d e n ts e m pt i m e sa n d n o l l i d e n t i c a lm a c h i n e s am a t h e m a t i c a lm o d e li s d e v e l o p e d 1 1 1t h i sp r o p o s e d 印p r o a c h ，w em a k el l s eo f m l e - b a s e ds y s t e mw l l i c hi sc o m p o s e do f 也ee x p 嘶e n c eo f p l 蛐e r st og i v eaf e a s i b l e s o l u t i o nf o rm ep m b l e m ，m e ns e v e r a l i n t e l l i g e n t o p t i i i l i z a t i o na l g o r i l m si 1 1 c l u d i n gg a ( g e n e t i ca l g o r i 山m ) a 1 1 dt 曲us e a r c ha r eu s e d t os e a r c hb e 他ra i l db e t t e rs 0 1 u t i o n s w i ma c t u a lp l a n n i n gd a t aa si 1 1 p u t ，s y s t e m w o f k so u t 血er e s u l t p t 1 1 ee n do f 血ep 印e r ，w ec o m p a r e 廿1 er e s l l l to ft h o s e 押o a l g o r i m m sa i l ds h o w 血er e s u h st op l 锄e rd i r e c t l yb yu s i n gav i s u a le m u j a t e k e yw o r d s ：a p ss y s t e m ，s y s t e mi n t e g r a t i o n ，s e t i l pt i m e s ， s 、i t l ln o n i d e n t i c a l m a c h i l l e s g a t s 南开大学学位论文电子版授权使用协议 ( 请将此协议书装订于论文首页) 论文 籼每毁冷礼行移a p s 手、 毛研。琶 系本人在 南开大学工作和学习期间创作完成的作品，并己通过论文答辩。 本人系本作品的唯一作者( 第一作者) ，即著作权人。现本人同意将本作品收 录于“南开大学博硕士学位论文全文数据库”。本人承诺：已提交的学位论文电子 版与印刷版论文的内容致，如因不同而引起学术声誉上的损失由本人自负。 本人完全了解直珏太堂图主鳇羞王堡在! 焦旦堂焦途塞趁筻堡壶鎏! 同意 南开大学图书馆在下述范围内免费使用本人作品的电子版： 本作品呈交当年，在校园网止提供论文目录检索、文摘浏览以及论文全文部分 浏览服务( 论文前1 6 页) 。公开级学位论文全文电子版于提交1 年后，在校园网上允 许读者浏览并下载全文。 注：本协议书对于“非公开学位论文”在保密期限过后同样适用。 院系所名称：1 劾蝴懒磊九 作者签名： 彳勺：= 沥j 冯 学号：b o 遽f 日期：如o6 年万月r 日 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解南开大学关于收集、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；学校有权提供目录检索以及提 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：稼漏涛 一。o z 年月r 日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 解密时间：年月日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下 南开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，是本人在导师指导下，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。 学位论文作者签名：孑簿、溉i 寿 d 。o 年6 月曰 第一章引言 第一章引言 第一节研究背景 a p s ( a d v a n c e dp l a n i l i n ga i l ds c h e d u l i n g ) 作为e r p 的补充，是供应链管理 软件中一种优化决策辅助系统，是供应链管理系统组件中的核心部分。具有协 调物流、开发瓶颈资源和保证交货日期等基本功能。它基于约束理论、采用多 种数学解析优化算法及常驻内存运行技术、融合了一些复杂的数据模型和运算 法则来编制计划，由于其中包含了优化的模型与优化技术，使它具有了优化计 划的能力，也使优化供应链成为现实j 。本文通过对天津里碑冷轧板材公司的 高级计划调度系统的设计与实施，研究并实践a p s 系统在钢铁冷轧行业的应用。 天津里碑冷轧板材有限公司利用原天津市冷轧薄板厂设备富余生产能力和 高素质技术骨干队伍及优良的管理水平，对天津市冷轧薄板厂的实施战略性改 制与重组，统一规划。目前，公司主要产品为o 2 2 0 6 0 1 2 5 0 m m 冷轧薄钢带 卷，品种有s p c c 、s p c d 、s p c e 等1 3 种，主要用于汽车、家电、化工、轻工 等行业。公司引进意大利米诺公司冷轧机组，新增年产2 5 万吨冷轧能力。最新 投入生产的四辊可逆冷轧机组、拉弯矫直重卷机组、脱脂清洗线全部采用国际 最先进的技术。 天津里碑冷轧板材有限公司1 9 9 7 年开始采用蓝海公司d o s 版本的m r p 管理软件，在此基础上又进行了自行开发。随着计算机技术的发展和企业管理 水平的提升，原有的软件已不能满足实际需要。为此该公司于2 0 0 4 年6 月开始 逐步实施e r p 系统【2 】。该系统的组成如图1 1 所示。 销售管理模块，其中包含有合同管理、发货管理、库存管理、结算管 理、统计查询等功能。 原料管理模块，具有采购计划管理、订单管理、库存管理、结算管理、 综合统计查询功能。 备件管理模块，包括计划管理、采购管理、结算管理、仓库管理、轧 辊跟踪管理、帐表管理。 辅料管理模块，由采购计划管理、结算管理、仓库管理、帐表管理、 第一章引言 辅料查询统计等子模块构成。 人力资源管理模块，主要用于人事管理、劳动组织管理、薪酬管理、 员工培训管理、绩效考核管理、员工调配管理、考勤管理与社会保险 管理等。 生产管理模块，具有作业计划管理、生产调度管理、按钢卷工序在线 进行成本核算和质量分析统计功能。 质量管理模块，包括产品标准管理、工艺规程管理、质量判定、质保 书管理。 财务管理模块。 图1 1 原有e r _ p 系统实施结构图 在系统的开发及实施过程中，企业认识到存在以下问题： 系统缺乏统领全局的核心模块支持，缺乏对整个流程的统筹控制。 由于信息的单向流动，使得系统对整个生产过程的控制力不从心。 计划的编排，尤其是主生产计划的编排是一项相当复杂的工作，需要 考虑的因素很多、工作量很大，如何编排出较为合理、优化的排产计 划也是管理者希望解决的问题。 2 第一章引言 工艺流程复杂，同时可能出现的应急事件也很多，现有系统的实时处 理能力以及处理应急事件的能力有待提高。 需要进一步分析和处理生产瓶颈，以期迸一步提高现有的生产效率， 节省成本。 根据以上这些现实问题，产生了开发和实施a p s 系统的需求。本文正是在 这种背景下提出并展开的。 第二节研究的意义 通过上一节对课题研究背景的阐述，可以看出在企业中计划排产工作在该 企业的整个业务流程中所起到的核心灵魂作用。它可以使企业的各个不同业务 环节有机地结合起来，支配着企业各部门的日常工作，保证销售、生产等工作 有条不紊地开展。 图1 2 a p s 系统与原有系统的整合 e r p 系统的实施极大地整合了企业业务，为企业高效地开展各项工作提供 3 第一章引言 了强有力的信息平台。而本文所研究和开发的面向钢铁冷轧行业的a p s 系统， 是根据客户订单及市场预测的需求，在满足合同交付期的前提下，通过平衡物 料、开发机组生产能力的瓶颈，依次制定出销售排产计划、主生产计划以及详 细的各工序生产计划。同时，系统注重对于信息的整合，通过与e r p 系统的数 据交互，为企业的决策提供必要的辅助支持。 综上所述，本次研究的现实意义在于： 系统通过数据的交互、即时的信息反馈以及合同跟踪，使企业决策者 对现实的生产情况有准确的把握，在制定相关政策和接受客户订单方 面做到有的放矢。 系统在整个业务流程中起到承上启下的枢纽作用，把客户订单和市场 预测根据实际生产能力转化为可行的生产任务，而后将该生产任务进 一步优化制定出可行的主生产计划，在生产的过程中又将该计划细化 为详细的工序计划，以此连接从客户到生产这条主线，起着统领全局 的作用。 系统通过设计、销售、生产等反馈信息，及时对生产过程中造成的生 产变更进行处理，并对每个作业、每个钢卷进行跟踪，充分反应每一 环节信息。 系统为提高企业的客户服务水平提供了高效、可行的处理方案，能够 根据客户的需求变化及时地修订和调整计划，尽量满足市场和客户的 要求。 为实际流程建立了数学模型，并通过高效的规则知识库及智能优化算 法，制定可行的计划调度，大大提高了企业的生产效率。 通过a p s 系统的研究与开发，积累了实践经验，为以后的研究工作奠 定了基础。 第三节研究的问题及现状 在钢铁冷轧行业a p s 系统应用及实施问题方面，国内开展了很多研究工作。 文献 3 研究了鞍钢冷轧钢股份有限公司冷轧厂制造执行系统( m e s ) ，主要覆盖 从合同签订到产品发货的整个生产经营活动。该系统能够在接收用户合同后， 在一定程序上生成优化的主生产计划、要料计划和机组作业计划。在生产过程 4 第一章引言 中，系统对生产状况进行全面跟踪，对出现的异常情况能够进行合理调度。文 献【4 分析了宝钢冷轧薄板厂的生产实际，基于e r p ，m p s 思想，采用组批计划 方法构建了宝钢冷轧薄板厂生产计划排产系统。主要涉及生产计划的制定和排 产，整个生产计划的驱动和库存量的控制，从而保证生产的流畅和优化。实现 了生产计划排产系统在宝钢冷轧薄板厂的应用。文献 5 研究了一种新的生产计 划与控制体系实时动态排产系统，并详细介绍了该系统的整体架构、订单 处理流程和排产算法。研究表明该系统较适合产品结构简单、生产工序较少的 企业。 在解决钢铁行业的排产问题的研究上，文献【6 为钢厂合同计划的编制建立 了整数规划模型，并提出用基于可重复自然数编码和三变异算予的遗传算法对 模型进行求解。文献 7 兼顾了原料种类繁多、工艺路线复杂以及设备和工艺限 制等约束条件，基于准时生产的思想，建立了从客户订单开始的拉式生产控制， 且保证低库存、少切换等目标的批量计划模型。该模型为构造具有良好计算性 能的算法提供了依据。文献 8 】针对生产计划排产这一环节给出算法及策略上的 研究和运用。文中采用基于约束的知识库系统及遗传算法对钢铁企业生产的合 同归并、轧钢计划、连铸计划、转炉计划进行数学建模、算法设计和实现。按 照该文献的思路和方法，开发的生产计划系统应用于钢铁企业，最终使企业在 按时交货、提高产品质量、降低成本方面获得了明显的经济效益。对于退火环 节的研究，文献 9 】给出了解决方案，该文献主要讨论钢铁公司冷轧厂热处理车 间冷卷热处理生产调度问题，将其归结为一类不允许等待的混合流水车间排序 问题进行研究，建立相应的数学模型，设计了求解其模型的启发式算法。 对于国外应用系统，由于具体的方法和技术是被严格保密的，因此内部的 详细设计方法无法得知。但从期刊上发表的理论研究方法上看，其主要的计划 和调度方法主要集中在智能优化算法上，如专家系统、神经网络和遗传算法等。 其中文献 1 0 对近五十年的f l o w s h o p 调度问题的研究进行了综述，简要地介绍 了在过去五十年f 1 0 w s h o p 问题的进展及解决方法，并对其未来研究领域进行了 分析和介绍。文献 1 l 】主要讨论了在生产过程中出现机器不可用的情况下的两阶 段混合f l o w s h o p 问题，文章给出了解决问题的分枝定界算法，并考虑在以后的 工作中，将机器出现不可用这一条件引入到一般f l o w s h o p 问题，用些启发式 算法进行求解。文献 1 2 提出了针对西班牙钢铁公司轧制车问的层级式模型， 该模型是基于模糊集合理论及专家知识库思想建立的。它同时又考虑了现实环 5 第一章引言 境包含诸多不确定信息的特征，主要用于解决钢卷轧制的优先权问题。而文献 1 3 提出了一种基于优化理论解决钢铁冷轧( 连轧) 调度问题的遗传算法。这 个优化过程以寻找一个合理的可行点开始( 依据经验的轧制调度) ，最终以找到 较适宜的成本开销结果结束。成本开销函数兼顾了分销、清洗、平整以及轧制 等约束，直接用于遗传算法的搜索。多次实验表明该方法比其它半经验规则算 法更具有可行性，说明该方法是解决轧制调度问题的有效方法，并指出了进 步的工作应当集中在在线适应能力的改进上。 ，第四节论文工作 论文主要完成以下几方面的工作： 首先，采用基于约束理论的高级计划调度思想，为天津里碑冷轧板材公司 解决对于a p s 系统的实际需求问题，为企业的排产工作提供可行的解决方案。 通过运用系统建模方法建立切合实际的数学模型，能够根据历史数据对业务流 程的实际情况进行把握，使该模型能根据实时信息对当前生产状态进行充分分 析与估计，以辅助决策。此外还在系统中应用智能规则知识库以及多种启发式 优化算法解决编制计划过程中出现的优化问题，使安排的计划能够很好地解决 生产瓶颈问题，尽可能达到优化生产、提高效率、节约成本的目的。 其次，完成面对钢铁冷轧行业的a p s 系统主要核心模块的结构设计与整体 开发，使系统与先进的优化管理思想相结合，与实际业务流程的需要相贴近， 积累对于a p s 系统研究和开发的经验。 再次，完成a p s 系统与正在实施的e r p 、m e s 系统的集成工作，使e r p 系统的数据可为计划编排工作所用以辅助决策，并且又使a p s 系统编制的计划 能够有效地指导实际生产工作。 最后，完成为管理者提供相关统计数据及流程信息的功能，通过计划与实 际的比较，使管理者能够准确把握整个生产流程。 第五节结构安排 论文的第二章对a p s 系统进行了总体介绍，首先归纳总结了a p s 的发展 6 第一章引言 历程以及a p s 系统的功能和特点；然后对a p s 系统所采用的层级式规划思想 进行了阐述；之后又简要介绍了应用于a p s 系统中的算法，并分析和总结了 a p s 系统与e r p 、m e s 系统之间的关系，研究a p s 与e r p 系统的整合问题； 最后，对a p s 系统的现状及应用前景进行了分析。 第三章主要对钢铁冷轧行业的基本情况做一下简单描述，介绍了冷轧企业 的业务流程、分析目前企业e r p 的实施状况、从而进一步阐述应用a p s 系统 的必要性。 第四章是面向钢铁冷轧行业的高级计划调度系统设计，包括系统的结构设 计、各模块之间的关系、系统内部数据的传输、基础数据库的设计以及a p s 系 统与当前实施系统的整合和交互问题。 第五章论文对优化排产问题进行了数学建模，并针对此模型使用规则知识 库及智能优化算法( 包括遗传算法和禁忌搜索算法) 进行求解，并对二者进行 比较，给出了实际的仿真结果。 最后论文对系统的研究进行了分析和总结，同时讨论了在系统的设计和实 施的过程中存在问题，为以后的研究工作给出的方向性建议。 7 第二章a p s 概述 第二章a p s 概述 随着竞争压力的加大以及信息技术的发展，供应链需要更快、更有效地响 应客户的需求。因此，几乎所有的企业都在寻求一个先进的系统工具以期进一 步提高供应链的效率、改进它的客户服务水平并降低运营成本，a p s 系统正是 他们所需要的。 第一节a p s 的发展历程 a p s 系统的发展脉络大体可分为以下几个阶斟1 4 】【1 5 】【1 6 】： l 、计算机出现之前的a p s 2 0 世纪5 0 年代以前，一些思想和方法为a p s 的萌芽提供了必要思想准备。 其中贡献最大的主要有两个方面：一是早在2 0 世纪初出现的甘特图( g a n t c c h a n ，1 9 1 7 ) ，让人们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。二是从2 0 世纪4 0 年代以来，运用数学规划模型解决计划问题。美国和 前苏联都应用线性规划模型解决与战争相关的物流管理问题。 2 、计算机技术与a p s 思想的初步结合 在5 0 年代后期和6 0 年代初期，随着计算机技术的出现与发展，一些大的 企业开始配置计算机，并初步应用于企业的计划安排及事务处理中。计算机在 检验计划、平衡产品需求等方面显示了自身优势，还通过应用线性规划、使用 小型的计划试算表、加入能力约束机制等实践，进一步促进了a p s 的发展。 到了6 0 年代中期，i b m 开发了基于产品结构分解的m r p 系统，并于7 0 年代发展成为闭环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。与此同 时，层级式协调的可求解模型( h a x 和m e a i ，1 9 7 5 ) 的提出为构建层级式生产 计划系统奠定了理论基础。 3 、a p s 与o p t ，m r p i i ，e r p 的结合 8 0 年代的以色列科学家高德拉特( e 1 ig o l d r a n ) 的“最优化生产技术” 8 第二章a p s 概述 ( 0 p t i m a l p m d u c t i o nt e c h n o l o g v ，0 p t ) 应用了一系列处理瓶颈约束的运算法则 于批处理模式中，按照解决资源瓶颈约束的思路进行计划排产，对a p s 的发展 做出了卓越的贡献。而在g 0 1 d r a t t 和i 2 之后，又相继出现了n u m e t r i x 和 c h e s a p e a k e ，这是两个提供交互式产品的早期a p s 供应商。 8 0 年代后期出现了人工智能( a n 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，开 始把它们应用到制造计划和调度。例如杜邦公司和i b m 公司积极把人工智能和 已存在的a p s 技术与应用结合起来。 4 、供应链管理与a p s 的结合 九十年代开始，供应链管理( s c m ) 思想逐渐为大型企业所接受。供应链 管理涉及跨企业组织的计划系统，而a p s 能够统一和协调企业间的长中近期的 计划，成为了s c m 的核心。在供应链管理环境下，每个公司节点执行着数千项 的活动，每一家公司在某些方面都会涉及与其他公司的供应链关系。供应链管 理特别强调企业之间的合作与协同，企业要想在市场竞争中取胜，必须加强供 应链合作。因此，与供应链管理相关的需求促进了9 0 年代a p s 的发展。与此 同时，计算机技术的不断进步从另一个角度也促进了a p s 的发展。逐渐增加的 计算机运算能力的使得开发和使用a p s 的成本大大降低，并导致新的解决方法 的出现，也增强了所解决大规模、复杂问题的能力。各种新型的算法如禁忌搜 索、模拟退火、遗传算法、蚁群算法、模拟技术由出现也逐步走入成熟。 到9 0 年代中期，a p s 引起了e r p 厂商的注意。从此时起e r p 厂商也开始 介入a p s 。同时，厂商把用户界面转入w i n d o w s 环境，使得系统可以提供和拥 有更加直观的接口和报告能力。此外，新的a p s 应用费用更低，计算机能力也 正在以令人惊异的速度迅速提升。 第二节a p s 的功能及特点 a p s 系统的主要功能及特点包括【i 】 1 5 】： 1 、提供切实可行的真正优化方案。 a p s 通过采用线性规划等数学模型，使用精确优化算法和启发式优化算法， 保证制定的计划做到最大程度的优化。供应链是一个十分复杂的系统，在供应 链管理中所遇到问题的计划量也是相当庞大的。如果想通过简单枚举方法来找 9 第二章a p s 概述 到最优解显然是十分困难甚至是不可能的。因此，采用运筹学中的数学方法来 解决问题，如线性规划、网络流算法以及近些年来影响很大的启发式算法等方 法。通过使用这些运筹学方法可以计算出最优解或者近似最优解。 2 、层级式规划系统 整个供应链的规划任务不可能在单一层级中同时进行，同时各个规划的实 施以及计划的执行存在着并发或重叠的特点。层级式规划折衷考虑了可操作性 和各项规划任务之间的联系两方面内容，以期达到更好的规划效果。层级式规 划的基本思想是与供应链管理中规划层次理念相对应的，它通过把总的规划任 务分解成不同规划子模块，并把这些子模块定义在三个不同的规划层面上，同 时又保证子模块之间的协调与整合，使之成为一个系统化的整体。 3 、实时制定计划 现实的规划问题往往都是十分复杂的，其中最为棘手的就是“不确定性”。 一般来说，现实和计划是很难一致的，之间会存在或多或少的偏差。a p s 系统 通过运用相关机制( 如定期或者是基于事件) 实时地针对所有约束和现有规则 对规划进行修订，来缩小现实与规划的偏离。实时制定计划使a p s 拥有了处理 突发事件的能力，使规划更为实际，与实际模型的逼近达到最佳效果。 4 、整体规划的功能。 a p s 是供应链管理的核心，是对整个供应链的总体规划，至少囊括了企业 的供应商及其客户。计划范围也不限于生产过程，还包括采购、分销、销售等 一系列计划。这些计划可以分成三个层次：长期规划( 战略层) 、中期规划( 策 略层) 和短期规划( 运作层) 】 17 1 。a p s 通过协调和整合其他系统，并且针对 不同的业务流程、不同的空间范围、不同的时间跨度，给出总体的最优方案。 此外，a p s 系统还拥有信息可视化、计划制定时间短、便于使用优化方法 等优点，使之在企业供应链管理中发挥着越来越重要的作用。 第三节a p s 系统层级式规划思想及体系结构 1 9 7 5 年，h a x 和m e a l 共同讨论了如何层级式协调可求解模型的思想。这 模型可以很好地支持层级式组织结构企业不同决策层的决策，也符合供应链 管理中层次规划的思想”。 层级式规划的主要思想就是将总体规划任务分解成若干规划子模块，这些 1 0 第二章a p s 概述 子模块分属不同的规划层级，这些层级包括战略规划层、策略( 战术) 规划层、 运作层。每一层级的功能和任务并不相同，但都覆盖了整个供应链。对于供应 链来说，其规划任务可由图2 1 所表示。 在各个层级中，每个子模块之间又是协调运作的。就上下层级而言，下层 对上层的数据进行分解，这样使规划的细致度更小；而上层对下层的数据进行 统计汇总，得出偏差。也就是说，下层的决策部门要将目标实施情况反馈给上 级管理者以便上级管理者可以修订规划从而更好地协调下层决策。 战 略 策 略 i 鬟釜誓蔓篓主三蓁萎 实物配送结构 主甚嚣掣规划i 供应商选择生产系统 戈俐舢伍知俐 战略销售规划 i 合作 j fj fj fj e 卜嚣裟计划h 妻纛篱划h 配送计划h 中期销售计划 箨憎飘计划h 差恭计划 i 原材料采购计划l j 砹备使用计划 li 车问管理 芝物资流 嚣翥l l 售计划 运输计划i 1 韫朋硐日丌划 图2 1 供应链管理中的规划层次 信息流 针对供应链管理的层级式规划思想，a p s 通过各个子模式与供应链管理中 的各层级规划相对应，形成了集成化的系统，如图2 2 所示。 第二章a p s 概述 战 略 策 略 廷 作 乏三 物资流u 信息流 一一一。一一一一一一一一一 图2 2a p s 的层级式规划模块 1 、战略网络规划位于规划层次的最高级，包括所有的长期规划，如工厂、 仓库和配送中心的数量、规模和位置，配送结构规划，战略销售规划等等。 2 、需求计划与预测的目的就是改善影响需求准确性的决策，改进缓冲或安 全库存的计算方法，最终达到预定的服务水平。整个供应链中全部决策都应建 立在已经固定的客户订单和计划销量( 或预测销量) 的基础上。 3 、主计划模块的主要目标是使物料在整个供应链中实现同步流动。主计划 模块为有效利用生产、运输、供给能力、季节性库存以及平衡供给与需求提供 了制定中期决策的方法。同时，它也支持主生产计划，实际上在某些行业主计 划可集中表现为主生产计划。 4 、大多数a p s 软件供应商都提供满足需求和a t p 组件，一般用它来制订 短期销售计划。实施的主要目的是通过制定可靠的配额提高按时送达率、通过 更有效地寻找可行的配额以减少损失商业机会的数量、通过提高平均销售价格 增加收入和提高利润率。 5 、生产计划与调度是a p s 的重要应用之一，能够高效地帮助制造企业制 定生产计划。生产计划与调度的目的是在相对短的时间间隔内为车间生成一个 详细的短期生产计划进度表。排产计划( p r o d u c t i o ns c h e d u l e ) 指明了计划范 1 2 第二章a p s 概述 围内的每一个订单在所需资源上的加工开始时间和结束时间，也即指出了在给 定资源上订单的加工工序。 6 、配送和运输计划就是帮助确定将产品送达客户的最好途径。a p s 采用优 化技术如运筹学、图论、组合优化算法等处理配送和运输计划。 第四节a p s 系统中的算法应用 a p s 系统求解的高效在于它采用了多种科学的优化方法和模拟技术，并且 包含了大量的数据模型，它的许多理论和模型大多是建立在基于约束条件的运 筹学及其它相关学科基础理论之上的。在求解方法上，最初是集中在整数规划、 仿真和简单的规则上，这些方法不是调度结果不理想就是难以解决复杂的问题。 随着各种新的相关学科与优化技术的建立与发展，在调度领域也出现了许多新 的优化方法，比如神经网络、模拟退火法、遗传算法、禁忌搜索法等，使得调 度问题的研究方法向多元化方向发展。【1 6 】 2 4 1 预测方法的应用 早在2 0 世纪5 0 年代，人们就研究出了一些用于商业预测的方法，并在经 济领域得到了广泛应用。随着计算机软件的发展，很多统计及预测方法都被纳 入了各种应用系统的软件模块。a p s 系统在进行需求计划制定的过程中，也需 要很多统计及预测方法支持，这些方法都设法将一个项目的历史信息纳入对未 来数据的预测过程中，比较基本的方法有时间序列法和因果分析模型。而较复 杂的方法也被a p s 系统所使用，如w i n t e r s 法适合于季节性和趋势性的预测， 是预测季节模型的有效工具，它利用移动平均分解比率法确定季节性系数，平 滑了其本身若干个参数的估计值，并使用线性回归方法确定发展趋势，使预测 达到良好的效果u j 。 2 4 2 数学规划方法 数学规划方法是将生产调度问题简化为数学规划模型，采用线性规划、分 枝定界法或动态规划等算法进行解决优化调度问题，属于精确方法。在a p s 系 统中应用最为广泛的主要有线性规划和混合整数规划两种算法。 1 3 第二章a p s 概述 线性规划是一种最著名的优化技术，分别由k 锄t a r o 、v i t s h 于1 9 3 9 年和 d a n t z i g 于1 9 4 9 年独立创建。在a p s 系统中，主要应用于主计划模块和配送、 运输规划模块。目前已经开发出一些强有力的求解算法和不同标准的软件，比 如c p l e x 和) 口r e s s m p 。混合整数规划在战略规划中应用较多，例如是否 在某地建厂的决策。对于求解混合规划模型，通常不能在合理的时间内求出最 优解，往往一个包含一百个整数变量的混合整数规划模型，其求解的计算量就 已经很可观了。所以，在使用过程中应当谨慎用之。 2 4 3 启发式算法 供应链系统的日益复杂化，使规划问题的运算量越来越庞大，经典的运筹 方法在处理这一问题面前表现得捉襟见肘。这时，一些新颖的优化算法诞生并 发展起来，这些方法从一些自然现象和过程中得到启发，将这些思想应用到解 决优化问题中去，为解决复杂问题提供了新的思路和手段。正是这些算法独特 的优点和机制，引起了国内外学者的广泛重视并掀起了研究热潮，使得它们在 很多领域得到成功的应用，同时这些算法自身也得到了长足的发展。这些算法 通常被称作启发式算法或智能优化算法。比较典型的有遗传算法、人工神经网 络、模拟退火、禁忌搜索、进化规划等。这些算法在a p s 系统中的研究与应用 也是相当深入和广泛的。i l 叫 第五节a p s 与e r p 、m e s 的关系 近几年来，我国钢铁行业的信息化建设进入了蓬勃发展的时期，各钢铁企 业都纷纷投入大量资金实施e r p 、m e s 等信息管理系统。随着信息化进程的加 快，e r p 、m e s 、a p s 系统在企业中发挥着越来越重要的作用。a p s 和e r p 、 m e s 之间的关系f 1 】 19 】f 2 。】并不是互相孤立、彼此替代的，而是相互促进、彼此融 合的，充分认识它们各自的优势和缺点，理解它们之间的联系，对于我们深入 研究和应用a p s 系统都具有现实意义。 2 5 1a p s 与e r p 的区另u 1 、e r p 是依赖于m r p i i 开发的，主要基于无限能力原理的，而a p s 是 1 4 第二章a p s 概述 建立在约束优化理论基础上的。 e r p 是在 心基础上进一步发展而成的面向供应链的管理思想，并且又 是以无限物料、无限能力理论为基础，通过缺料分析和能力分析，由人进行调 整和决策。而a p s 则是基于约束理论，通过事先定义的约束规则，并考虑所有 的约束因素，如物料、设备、人员、场所、时间和技术等资源，由计算机自动 优化而实现其功能，使制定的计划更为准确、可行。 2 、e r p 系统只是交易和执行系统，而a p s 系统则可以计划工作。 实际上，e r p 系统也同样拥有一套完备的计划体系，包括了主生产计划、 物流需求计划、能力计划、采购计划、销售执行计划、财务预算和人力资源计 划等，但e r p 与a p s 在编制计划的原理上有本质的不同，a p s 采用了一些复 杂数学模型、运算法则和优化技术来编制计划。因此，它具有优化计划的能力， 而e i 口的计划体系则不具备优化功能。 3 、e r p 系统是以一定次序履行计划，不允许对上级的决策进行修订；a p s 系统则可以实时处理应急事件，并对规划进行控制与修订。 首先，从信息传递方面来看，a p s 采取信息双向传递的方式，充分显现各 种实际变化信息的影响。能够在制定计划的过程中，同时影响上下游的活动。 而在e r p 的计划逻辑中，这种传送只是单方向的。正是由于信息交互方式的不 同，使得a p s 拥有实时重排的功能，而e i 冲系统的计划在一定意义上讲仅为 “事先计划”，在系统实施计划的过程中，也只是按照既定的计划顺序执行，缺 少应急处理的功能。 4 、a p s 系统通过解决生产过程中的瓶颈问题，可以为企业大幅度缩短计 划提前期。 a p s 的“提前期”标准为其提供了另一个优于e r p 的特性，e r p 逻辑使用 了固定的提前期去制定计划，这对整个供应链运行具有负面影响。而在a p s 系 统中，提前期是动态进行计算，它考虑了在运作过程中的各种约束及实际情况 造成的延迟。正是由于a p s 具有优化的功能，因此它能够帮助企业解决瓶颈问 题，增强对供应链上需求变化的预见性。 2 5 2a p s 与e r p 的联系 a p s 系统作为计划系统虽然能够很好地制定各个层次的规划内容，在安排 第二章a p s 概述 计划方面较e r p 系统而言有很大优势，但是a p s 系统不能独立运行，它需要 大量的基础数据支撑。因此，a p s 系统离不开e r p 系统的支持。 l 、a p s 的数据来源于e r p 系统，计划数据用于e r p 系统。 e r p 系统是将企业所有资源进行整合集成管理的信息系统，在系统中要维 持并保留庞大的互动数据。而a p s 系统在安排计划方面需要大量的数据进行支 持。正如图2 3 所示，a p s 系统在编制计划的过程中，与e r p 系统进行了很多 的信息交互，与e i 冲系统可谓是息息相关。现实的流程中实际情况变化往往是 在e r p 系统中体现出来的，a p s 系统需要从e r p 系统中得到所需的数据，用 以执行计划优化活动，也需要从e r p 中的数据变化情况来了解实际流程的运作 情况，并以此为依据对计划进行相应的调整。反过来，一旦a p s 产生计划，便 输入到e r p 系统去执行，其二者的相互依存关系可见一斑。 2 、a p s 不是e r _ p 的替代品，而是对现有e r p 技术的补充。 a p s 提供的高级计划逻辑是嵌入在e r p 系统中的，而不是取代e i 冲系统。 a p s 系统只局限于计划决策领域，因此它需要一个闭环的集成系统如e r p 系统 为它提供支持。所以在大多数情况下，a p s 可以被看作是现有的e r p 系统的“附 件”，它的工作重点是计划任务，而互动任务的功能则交由e r p 系统代之完成。 2 5 3 a p s 与e r p 的整合 综上所述，e r p 系统和a p s 系统各具有自己的优点和缺陷，二者之间又有 着互相依赖、互相促进的密切关系。a p s 系统可以通过复杂的优化算法有效、 快速地解决动态排产问题，从而及时反映业务流程中的实际情况和订单变化， 便于e r p 系统适应企业信息集成的需求；而e i 系统的基础数据又为a p s 提 供必要的支持，弥补了a p s 系统不能独立运行的缺憾。因此，有效地将二者整 合起来对于提高供应链的运作效率、降低成本、适应日益复杂化的业务流程的 需要等方面都具有极大的现实意义。 1 6 第二章a p s 概述 图2 3 摘自a p s e r pi n t e g r a t j o n ：t h ew o r l di sf l a t ( b yc h e r y lg e r b e r ) 1 、a p s 与e i 冲集成的数据集成模式 分离数据模式【1 】 这是一种比较典型的集成模式，模式的架构如图2 4 所示： 数据提取 图2 4 分离数据模式的数据交互 a p s 系统从e r p 数据库中实时地提取可用数据信息，导入到自己的数据库 中，并以此为依据进行快速优化计算，形成多个优化方案，再通过友好的交互 界面为管理者提供决策辅助支持。之后，经过优化的规划结果，再导入到e r p 系统中，辅助其进行业务处理。 1 7 第二章a p s 概述 共用数据模式1 】 图2 5 共用数据模式的数据交互 显而易见，这种模式需要e r p 厂商把a p s 技术嵌入e r p 系统中，二者使 用共同的数据库。同时，改变基于无限能力理论的m r p 技术，用基于约束理念 的a p s 技术来有效地规划企业资源。