高级排程系统的研究研究与应用硕士论文.pdf

上海交通大学工程硕士学位论文 第一章 绪论 2 给出了供应链规划矩阵结构图（ scp- matrix）2， 图 1 显示了多数供应链都包含的典型任务，表 1 给出了短期和长期计划在各 流程中的示例。 图1 供应链规划矩阵 fig.1 supply chain planning matrix 表1 部分 aps 业务实例 活动 短期 长期 采购 必须从哪个供应商那里，以什么价 格，采购什么类型和质量的原材料与 元？它们何时应该到达工厂？ 谁应该是企业的战略供应商？是否应该同少数 的供应商建立特殊的伙伴关系或应该开展几次 招标活动？ 生产 应该如何对订单进行排序以便能更 好的利用生产资源来进行制造？需 要设置几个班次来生产？ 在全球范围内应该在何处建立工厂才能快速响 应客户的需求？它们能生产所有的产品还只是 某些特殊的商品？ 配送 是否需要采用整车运输方式，应该走 哪条路径才能使总成本最小？ 应该在全球范围内建立自己的运输网络，还是 外包给第三方物流商？ 销售 应该以什么次序售出已经对客户做 出承诺的产品？现在应该销售哪些 产品以获得最大利润？ 在下一个计划前应预计多少需求？如果进行一 个特殊的促销，工厂和分销网络能够满足需求 吗？ 原材料计划 供应商选择 合作 工厂选址 生产系统 实物配送结构 产品规划 战略销售规划 人员计划 物料需求计划 合同 主生产计划 产能计划 产能计划 中期销售计划 人员计划 原材料采购计划 生产批量 设备使用计划 车间管理 仓库补货 运输计划 短期销售计划 长 期 中 期 短 期 采购 生产 配送 销售 产品流 信息流 上海交通大学工程硕士学位论文 第一章 绪论 3 1.2.1 aps 与与 mrp 的关系的关系 1、mrp 系统存在的先天性缺陷 mrp 是 erp 的核心，但是，mrp 在系统设计上存在着五个先天性缺陷： (1) mrp 算法假定提前期是已知的固定值； (2) 系统要求固定的工艺路线； (3) 仅仅根据交付周期或日期来安排生产的优先次序； (4) 所有工作都是在假定无限能力的前提下进行的； (5) 计划的难以修改。 由于 mrp 在系统设计上存在述缺陷，限制了企业制订准确而又切合实际的生 产计划， 这正是很多erp系统实施效果不理想导致erp实施失败的重要原因之一。 2、aps 是 mrp 的发展 高级计划排程(aps)的出现解决了 mrp 的计划缺乏弹性的问题3。aps 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)。利用 aps 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，并通过直观的甘特图形式给出。将 aps 和 mrp 集成起来就可以实现 mrp 做 出具体排产计划。所以，aps 在理论上是 mrp 的发展和补充。 1.2.2 aps 与与 erp 的关系的关系 aps 与 erp 的关系从两个方面来陈述， 一是 aps 与 erp 的联系， aps 是 erp 计划系统的补充和优化；二是 aps 与 erp 的区别主要在以下几个方面4：计划物 料和能力、计划的时间段、组织一体的计划、计划的传向、分配供应给客户、可 以承诺量（atp） 、约束的类型、制造提前期、模拟能力、计划的可视性、实现计 划的速度、评估机会成本。 1、aps 与 erp 的联系 aps 作为对 erp 计划系统的补充和优化， 集成主要集中在与 erp 计划系统的 交互层次上，如图 2 所示。 首先，aps 的需求计划模块从 erp 的定单输入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 aps 算法计算得出预测生产计划，同 时再通过 aps 中的供应链计划模块中的约束条件，得到指导 mrp 的约束主生产 计划，传回 erp 的主生产计划模块。aps 的制造计划模块与 erp 的 mrp 通过制 造订单，结合 bom、库存信息以及采购信息等数据综合考虑，反复交互论证，得 上海交通大学工程硕士学位论文 第一章 绪论 4 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。aps 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2 aps 与 erp 集成图5 fig.2 integrated diagram between asp and erp 2、aps 与 erp 的区别 erp 是依赖于 mrpii，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。aps 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，aps 与 erp 在计划上 也有许多关键的不同，如表 2 所示。 表2 aps 与 erp 的关键不同点6 规则 erp aps 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（atp） 静态 动态 约束的类型 只有软约束 软约束和硬约束 上海交通大学工程硕士学位论文 第一章 绪论 5 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 实现计划的速度 慢 快 评估机会成本 不能 可以 因此，aps 不是 erp 系统的代替品，而是以 erp 为基础的高级计划，是 erp 系统的应用发展延伸7。aps 只是局限在计划决策领域，它需要一个闭环的 erp 系统。aps 需要从 erp 数据库中提取基本的建模数据如物料清单（bom） 、工艺 路线、可用资源、存货水平、当前在制品（wip）状况、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 erp 系统去执行。因此，aps 是基于 erp 系统的决策系统。而 aps 则将按照规则处理完毕后的计算结果返回给 erp 系统， 由其负责执行。应当注意的是，由于 erp、aps 两种系统的设计理念完全不同， 在进行集成时，必须对两种系统的数据结构进行仔细的调整，以免产生“排异反 应” 。图 3 形象地反映了 erp 和 aps 之间的数据交换。 图3 aps 与 erp 之间的数据互换 fig.3 data exchange between aps and erp 1.3 aps 的研究状况综述的研究状况综述 第一代 aps 系统的重点在于寻求更好的计划算法，它们都是以批处理方式运 行的。批处理方式严重违背了工厂运作的动态性和实时性，从而，不能快速响应 用户的需求。对于新的 aps 产品来说，很好的改善了动态性和实时性，并且性能 还在不断提高。 目前， aps 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 aps 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。aps 帮助计划者来协调这些冲突来得到最优计划。 erp aps 基础数据(订单数据，库存数据, 工艺路线，bom，在制品数据.) 计划结果（采购计划，订单 履行计划，生产计划） 上海交通大学工程硕士学位论文 第一章 绪论 6 aps 的研究主要集中在车间的生产计划排程与生产调度方面，许多学者做了 大量的研究工作，出了不少的研究成果。主要是针对一项可分解的工作（如产品 工序） ，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（工序）使用哪些资源，其加工时间及加工 的先后顺序，达到产品制造时间或成本的最优化。 1.3.1 国内外国内外 aps 现行的方法研究现行的方法研究 一般的排程问题都是对于具体生产环境中复杂的、动态的、多目标的排程问 题的一种抽象和简化，因而一个排程算法可以通过其如何表达这些复杂性进行分 类。由于实际中生产环境是千差万别的，那么一个排程算法就应该根据其是否能 适合对应的生产环境的重要特征进行评估。在对排程问题进行研究的方法上，最 初是集中在整数规划、仿真和简单的规则上。随着各种新的相关学科与优化技术 的建立与发展，在排程领域也出现了许多新的优化方法，比如神经网络、线性规 划、遗传算法等，使得排程问题的研究方法向多元化方向发展 虽然研究 aps 已有十几年的历史，但至今尚未形成一套系统的方法和理论， 理论研究与实际应用之间还存在着很大的差距。系统的排程方法虽然能够响应实 际应用中的动态响应，但是不能保证得到好的排程。一些理论上的最优化方法能 提供最优的方法，但由于其计算的复杂性，并且忽略了很多实际因素，离实际运 用还较大的距离。基于最优化的方法，诸如动态规划算法与分支界定算法等等， 由于其大多数是建立在对可排程的部分枚举上，因此只能解决小规模的排程问题， 距离实用还有较大的距离。 作为目前最著名的 aps 产品供应商， i2 公司 aps 产品的功能模块与操作流程， 充分体现了 aps 现有的应用技术。它可取代 erp 系统原有的主生产计划，物料需 求计划，能力计划等功能模块，并为企业整体运营提供决策支持。这样，erp 系统 称为 aps 系统的数据源，为 aps 计算提供各种数据，如订单数据，库存数据，工 艺路线，bom 等；而 aps 则将按照规则处理完毕后的计算结果返回给 erp 系统，使 其负责执行。 1.3.2 aps 的研究趋势的研究趋势 aps 的目标是追求生产计划的优化和能力平衡，这本身是有难度的工作，但是 最难的还在于优化和平衡的追求都是在多种约束之下的追求。约束与优化成了一 对很大的矛盾，甚至在特别复杂的约束下到底有没有最优。aps 的研究趋势就成了 如何建立合适的模型以及算法在多种约束的情况下追求最大程度的排程优化和平 衡。 上海交通大学工程硕士学位论文 第一章 绪论 7 二十一世纪是信息时代，代表当今先进管理思想的高级排产计划系统 aps 的 发展呈现以下趋势： (1) 基于电子商务(electronic commerce)的供应链管理更加需要 aps 系统的 协调，所以 aps 将与供应链管理更加紧密结合。 (2) 虽然 aps 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 aps 系统,但随着 aps 研究的深入,不久的将来,小巧灵活的 aps 系统将为中小企业的计划优化服务。所 以，aps 的应用范围越来越广。 (3) aps 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，aps 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,aps 应该 与项目管理结合,形成企业整体的计划管理系统。 1.4 课题研究的目标、意义、内容与方法课题研究的目标、意义、内容与方法 1.4.1 课题研究目标和意义课题研究目标和意义 首先，从实际意义来说，aps 的应用有利于提高 erp 实施的成功率。目前，越 来越多的企业选用 erp 这一先进的管理信息系统以提升企业的核心竞争力。但是， erp 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。 本课题的研究目标为：运用数据模型并且通过基于约束理论的算法为制造企 业寻求最适合的在多种约束条件（交货期，工艺路线，工序时间及物料等）下满 足企业多目标（最短的制造周期，最大的资源利用率，最小的制造成本等）的高 级生产排程系统。 1.4.2 课题研究内容课题研究内容 一个对制造企业真正有实际用途的高级计划排程系统 aps(advanced planning and scheduling)主要需要解决的问题是缩短企业生产的消耗时间、减少生产的库存 上海交通大学工程硕士学位论文 第一章 绪论 8 量、确保与减短交货期、减少生产成本、提高生产效率等。通过生产计划整合企 业所有业务流程上的资源，根据生产计划产生生产所需物料的需求与采购计划， 物料库存计划，设备维护计划，生产排程计划，生产作业进度计划等。这样就要 求我们在设计系统时能够站在一个较高的企业生产的全局上来充分考虑 aps 系统 的计划排程实现，从而实现系统的应有的企业价值和社会价值，也是企业适应形 势快速发展，提高企业竞争力的极其重要的一环。 本文所研究的内容主要是离散型制造业的工作中心信息(离散型制造业是指物 料离散地按照一定工艺顺序运动，在运动中不断改变形态和性能，最后形成产品 的生产制造业，如汽车制造行业。离散型生产又被称为加工装配式生产。)，针对 其生产特点进行分析，根据约束理论找出生产过程中约束条件，运用相关的算法 和 aps 软件，将订单与设备的约束能力进行最佳配置，得到生产排产清单。 1.4.3 课题研究方法课题研究方法 针对制造型企业的生产特点，主要采用 “一个理论，两种模式”的指导思想 对企业的生产排程进行优化。 一个理论，即约束理论（toc，theory of constraint） ，是关于进行改进和如何 最好地实施这些改进的一套管理理念和管理原则，可以帮助生产企业识别出在实 现目标的过程中存在着哪些制约因素，并进一步指出如何实施必要的改进来一一 消除这些约束，从而更有效地实现企业生产目标。 两种模式： “拉”模式和“推”模式 1、 “拉”模式：在生产企业中，根据上游各种资源和资源相关约束条件，产 生下游产品生产计划的一种计划排产模式。这种模式，也叫“上游拉动下游”模 式，适用于上游各种资源比较短缺并且无产品订单驱动的情况。 2、 “推”模式：在生产企业中，根据下游产品的需求订单和相关约束条件， 产生产品生产计划和上游各种资源需求计划的一种计划排产模式。这种模式，也 叫“下游推动上游”模式，适用于上游各种资源不是短缺并且有产品需求订单驱 动的情况。这种“推”模式是目前市场经济条件下比较常用的一种“以销定产” 的计划模式。 在具体的实施中将抽象的生产计划排程的基础数据（工序，资源，日历，物 料等）运用合理的数据模型进行有效的管理，并为生产计划排程提供执行依据。 运用约束理论的基本思想，全面考虑计划中的资源、物料、订单、规则等的不同 约束，实现对工厂有限能力的建模，使其找到能让所有约束满意的排程方案。 本文首先分别分析 aps 与 mrp, erp 的关系， 指出目前制造企业利用 erp 对 生产计划与排程系统制定计划方面普遍存在的问题，接着从生产优化理论入手， 根据企业实际生产特点，结合多目标多约束理论，建立适合企业生产要求的生产 上海交通大学工程硕士学位论文 第一章 绪论 9 排程序计划，接着以本人在实际工作中的项目：上海浙东阀门集团有限公司实施 aps 项目中实际情况为案例分析实施精益生产计划与排程系统的关系。 最后利用仿 真软件对实施前后效果进行对比分析，评价采用多目标多约束排程系统在实际生 产中的作用(图 4 文章结构图)。 图4 文章结构 fig.4 paper structure 1.5 本章小结本章小结 本章节着重介绍了 aps 与 mrp、erp 的关系。aps 是 mrp 的发展，是 erp 计划系统的补充和优化。aps 需要从 erp 数据库中提取基本的建模数据如物料清 单（bom） 、工艺路线、可用资源、存货水平、当前在制品（wip）状况、供应商 解 决 对 策 理论分析 高级计划排程问题研究 生产优化理论 提出 问题 基本 工具 交货期 计划下达 可变因素 客户需求 价值流图析 jit 创建连续流 均衡生产 发 现 问 题 上海浙东阀门公司案例分析 结果评价 上海交通大学工程硕士学位论文 第一章 绪论 10 订单数据来执行计划优化活动。然后，将最优计划输入到 erp 系统去执行。介绍 了国内外 aps 现行的方法研究和研究趋势， 提出了目前 erp 在企业应用中遇到的 问题以及本文研究目的和主要内容和方法。 上海交通大学工程硕士学位论文 第二章 生产优化的理论研究 11 第二章 生产优化的理论研究第二章 生产优化的理论研究 2.1 生产类型划分及特点生产类型划分及特点 2.1.1 不同类型生产方式的特点不同类型生产方式的特点 随着市场竞争日益激烈，客户对产品交货期的要求越来越高，建立符合本企 业实际生产情况的生产管理系统是企业适应市场和自身发展的需要。不同的企业 有着不同的生产过程，其生产组织和管理也有较大差异。根据 gartner 集团 1997 年 erp 软件供应商指南中的分类，将制造业从极端的离散型(discrete)生产到完全 的连续型(process)生产细分为六种生产类型8: 1、 按定单设计(engineer to order，eto)或按项目设计(engineer to project) 在这种生产类型下，一种产品在很大程度上是按照某一特定客户的要求来设 计的，所以说支持客户化的设计是该生产流程的重要功能和组成部分。因为绝大 多数产品都是为特定客户度身定制，所以这些产品可能只生产一次，以后再也不 会重复生产了。在这种生产类型中，产品的生产批量很小，但是设计工作和最终 产品往往非常复杂。在生产过程中，每一项工作都要特殊处理，因为每项工作都 是不一样的，可能有不一样的操作，不一样的费用，需要不同的人员来完成。属 于此种生产类型的行业有:飞机制造业、国防产品制造业、出版业、机械设备和发 电设备制造业。按定单(项目)生产类型是六种生产类型中最复杂的一种，它包括从 接到客户产品要求进行设计到将最终产品交付客户使用的各个环节，要求必须有 高度复杂的产品配置功能，能够支持有效的并行生产，支持分包制造，有车间控 制与成本管理功能，高级的工艺管理与跟踪功能，多工厂的排程功能，有计算机 辅助设计与制造功能(cad/cam)，集成功能以及有限排程功能。 2、 按定单装配(assemble to order， 简称 ato)或按定单制造(make to order)， 简称 mto) 这种生产类型中，客户对零部件或产品的某些配置给出要求，生产商根据客 户的要求提供为客户定制的产品。所以，生产商必须保持一定数量的零部件的库 存，以便当客户定单到来时，可以迅速按定单装配出产品并发送给客户。为此， 需要运用某些类型的配置系统，以便迅速获取并处理定单数据信息，然后按照客 户需求组织产品的生产装配来满足客户需要。生产企业必须备有不同部件并准备 好多个柔性的组装车间，以便在最短的时间内组装出种类众多的产品。属于此种 生产类型生产的产品有:个人计算机和工作站、电话机、发动机、房屋门窗、办公 家具、汽车、某些类型的机械产品，以及越来越多的消费品。 3、 按库存生产(make to stock ，简称 mts) 在按库存生产类型中，客户基本上对最终产品规格的确定没有什么建议或要 上海交通大学工程硕士学位论文 第二章 生产优化的理论研究 12 求，生产商生产的产品并不是为任何特定客户定制的。但是，按库存生产时的产 品批量又不像典型的重复生产那么大。通常，这类生产系统的物料清单只有一层， 而且生产批量是标准化的，因而一个标准化的成本可以计算出来的。实际的成本 可以和标准成本相比较，比较结果可以用于生产管理。典型的属于按库存生产类 型的产品有:家具、文件柜、小批量的消费品、某些工业设备。 4、 重复生产(repetitive) 重复生产又被称作大批量生产，是那种生产大批量标准化产品的生产类型。 生产商可能需要负责整个产品系列的原料，并且在生产线上跟踪和记录原料的使 用情况。此外，生产商还要在长时期内关注质量问题，以避免某一类型产品的质 量逐步退化。虽然在连续的生产过程中，各种费用，如原料费用、机器费用，会 发生重叠而很难明确分清，但为了管理需要，仍然要求划分清楚。重复生产类型 往往用倒冲法(back flush)来计算原材料的使用。重复生产类型需要计划生产的批 次，留出适当的间隔，以便对某些设备进行修理。属于重复生产类型的产品有:笔、 用于固定物品的装置(如拉链)、轮胎、纸制品、绝大数消费品。 5、 批量生产(batch) 在批量生产类型中，处于生命周期的初始阶段的产品可能会有很大变化。在 纯粹离散型生产中产品是根据物料清单装配处理的，而在批量生产类型中，产品 却是根据一组配方(recipe of ingredients)或是原料清单(bill of resources)来制造的。 产品的配方可能由于设备、原材料、初始条件等发生改变。此外，原材料的构成 和化学特性可能会有很大的不同，所以得有制造一个产品的一组不同的配方。而 且，后续产品的制造方法往往依赖于以前的产品是如何造出来的。在经过多次批 量生产之后， 可能会转入重复生产类型。 批量生产的典型产品有: 医药、 食品饮料、 油漆。 6、 连续生产(continuous) 在连续生产类型中，单一产品的生产永不停止，机器设备一直运转。连续生 产的产品一般是企业内部其它工厂的原材料。产品基本没有客户化。此类产品主 要有:石化产品、钢铁、初始纸制品。 2.1.2 传统的金属加工型企业的生产方式特点传统的金属加工型企业的生产方式特点 本文中实施项目对象(上海浙东阀门集团)主要针对的是金属加工制造型企业, 生产工序从铸造件或者毛坯、粗加工(车、铣、刨、磨)、热处理、组装、检验、油 漆等各有其自身的生产规律和要求，不仅表现为连续化，更有多台机，多手工操 作的特点，对产品质量影响的因素较多。传统的金属加工型企业的生产方式特点： 1、多工序，连续化的大量生产。产品的加工必需按照工艺技术的要求，每一 工序必需在前一工序完成后方能进行。这一特点，决定了企业需要高度重视前后 上海交通大学工程硕士学位论文 第二章 生产优化的理论研究 13 工序生产作业的连续、均衡、协调；需要建立产品质量反馈系统，进行产品质量 的跟踪、检测，随时掌握半制品和成品质量。 2、多机台作业。同一设备可以加工不同产品型号的某一工序。一个产品的某 一工序可以在不同设备上同时加工。 3、劳动较密集型。该企业采用通用化生产设备如：通用车床，铣床，刨床， 磨床。所以每一台设备需要一名操作工人。这在大批量生产时尤其显得突出。但 是同一工序的操作工人可以在同一工序的不同设备上工作。这样对生产排程中人 的因素约束显得次重要。 通过对该企业生产加工的特点，发现很难将其归到前一部分所说的对制造业 分类中的某一类，本文通过实际调研情况，将其生产方式的特点归纳为以下两点: 1、从需求来看，随着客户需求的多样化及个性化，其逐渐开始转向多品种中 小批量，所以原先的完全按计划生产的模式已经跟不上需求，现在的模式实际上 是按定单生产(mto)与按库存生产(mts)并重的混合模式。企业既接受订单，按照 订单的产品数量和交货期生产，也通过各种销售渠道自行销售，按照市场统计预 测进行生产，属于混合订单驱动模式。 2、与流程式生产不同的是，它的工序连续，但工序之间又可以间断，没有要 求完全连续进行。与离散式生产方式相比，它的工序之间存在着明显的前后顺序， 这些顺序基本上是固定的，根据产品不同只有些微变化，主要流程是不变的。 2.2 总生产计划决策理论研究总生产计划决策理论研究 总生产计划决策要确定的是产品的品种和产量。对于多品种批量生产，确定 生产什么品种是十分重要的决策。如果产品的品种比较多，可以将生产过程相近、 使用原料相近的产品合并成一个产品组进行计算。 2.2.1 总生产计划编制原则总生产计划编制原则 市场经济下，企业面临的内外环境日趋复杂，市场竞争日益激烈，市场数据 激增且愈加分散。而且，由于市场不确定性的存在，生产计划编制过程中有以下 几条原则9： 1、 以销定产、以产促销 以销定产就是企业要按照市场需要来制定计划和组织生产，按期、按质、按 量、按品种向市场提供所需的产品和劳务。这才能保证企业的生产符合社会需要， 避免造成不必要的浪费。但是，以销定产对企业来说还只是一种消极的政策。随 着企业的技术和管理水平的提高，企业应该积极主动地去引导消费、刺激消费， 力图影响或控制市场的需求，从而采取以产促销的政策。所谓以产促销就是在依 上海交通大学工程硕士学位论文 第二章 生产优化的理论研究 14 据市场需求的前提下，充分发挥企业在生产技术上的优势，努力生产出价廉物美 的产品投放市场，或开拓新的市场，不断提高市场占有率，取得更大的经济效益。 2、 合理利用企业的生产能力 企业的生产计划同企业的生产能力要相适应，才能合理、充分地利用生产能 力。就企业内部来说，合理利用生产能力，首先要做好订货分析和市场预测，改 进企业的计划工作、物资供应与场外协作；其次，要提高设备利用率，合理规定 设备开动班次，减少工作时间内的设备停工，特别是要保证对瓶颈设备的利用， 因为瓶颈设备、瓶颈工序的利用率才是整个企业生产过程的关键制约因素；再次， 还可进行技术革新和技术改造，实现设备的现代化，改进工艺和工装，改善劳动 组织，提高工人技术水平，以及尽量减少非生产面积等等。所以，在生产计划编 制和执行的过程中，除了计划本身合理安排，还需要通过计划推动各方面的工作 改进，从而提高生产能力的利用水平。 3、 定性分析和定量分析相结合 确定生产计划指标是生产决策的一项重要内容，首先要进行定性的分析，比 如当前企业面临的经济形势、市场情况、社会需要、资源供应情况、还要分析国 家的税收政策、价格政策、财政信贷政策等。同时还要采用定量分析方法，主要 有量本利分析、线性规划、目标规划等，并利用计算机进行生产计划指标优化。 4、 综合平衡 综合平衡有两个方面：一是弄清企业内部生产的可能性，即以生产任务为中 心，与设备生产能力、技术准备、物资、资金、劳动力等方面进行综合比较，从 而发现矛盾，解决矛盾；二是弄清生产计划指标与其它指标之间的协调情况，即 通过对产品的品种、产量指标同消耗、成本、利润、资金等指标进行综合比较， 在合理安排的基础上，使生产指标达到最优的经济效益。 2.2.2 单目标总生产计划决策流程单目标总生产计划决策流程 对于多品种生产的企业，在生产决策时遇到这样的问题就是：根据销售量预 测资料和企业的现有条件出发，如何合理地利用人力，物力和财力来决定各种产 品的生产量，使企业取得最好的经济效益。这种决策问题，就可以利用线性规划 的方法来解决。运用线性规划，先要将实际问题抽象化，建立起线性规划的数学 模型，然后通过单纯形法或其它方法确定出各种产品的最优产量。 线性规划中研究的问题要求目标与约束条件函数均是线性的，而目标函数只 能是一个。在经济管理与实际生活的问题中，大量的问题是线性的，有的可以转 化为线性的，从而使线性规划有着极大的应用价值10。图 5 单目标总生产决策流 程是根据线性规划模型进行的 上海交通大学工程硕士学位论文 第二章 生产优化的理论研究 15 图5 单目标总生产计划流程 fig.5 single objective manufacture plan process 在选择最优化目标时应能反映出企业的总体目标，通常情况下的最优目标是 利润最大化、销售额最大化或者是成本最小化。但是这三个目标本身都存在着一 定的片面性，例如销售额高可能反而伴随着企业的亏损，而成本低也可能意味着 产量不足。三者之中利润相对比较能够反映企业的实际情况，但是它也存在缺陷。 2.2.3 多目标总生产计划决策流程多目标总生产计划决策流程 在实际的经营决策过程中，决策者往往面对着很多目标难以取舍，而这些目 标之间有时候还会存在冲突。例如:保持稳定利润、增加或维持市场占有率、产品 多元化、保持价格稳定、提高员工满意度、保持商业上的整体控制、提高公司声 誉等等。 目标规划对于多目标的基本解决方法是:针对每一个目标，建立一个目标函 否 否 否 否 否 是 是 是 开始 读取产品及边际 成本数据 生成目标函数 添加/减少约束条件 修改约束条件 生成约束条件 模型计算总生产计划 测算目标 约束条件检验 调整结果 生成产品组合和产量 结束 满意 接受 满 足 约束 上海交通大学工程硕士学位论文 第二章 生产优化的理论研究 16 数，然后寻找解，该解需使得各目标函数的偏差和(平均)为最小。目标划分为两 种情况，一种为并进目标规划，即所有的目标同等重要;另一种为优先目标规划， 即目标是有优先次序的，先要满足优先级高的目标，然后是优先级次高的目标， 以此类推。其实，并进目标规划也可以看成是优先目标规划的一种特例。在实际 问题中，一般均采用优先目标规划，当然也有可能有几个目标的优先级相同。 图6 多目标规划总生产计划决策流程 fig.6 multi- objective manufacture plan process 多目标规划有两个缺陷：一是优先级对整个结果的影响很大，稍微变动优先 级就会产生截然不同的解；二是由于目标值是事先确定的，所以目标规划的偏爱 解有时候会是劣解11。针对第一个问题，可以利用计算机多试验几个优先级方案， 适当调整得到比较满意的解；而由于第二个缺陷的存在，可以发现目标规划的有 效与否关键在于目标值的确定。目标值的确定主要根据企业的长期生产战略计划， 如果长期生产战略计划的目标值不够具体化，可以在此基础上并根据前几年的实 否 否 否 否 否 是 是 是 开始 读取目标并排列 优先级 目标函数转换 添加约束条件 修改约束条件 生成约束条件 模型计算总生产计划 测算目标 约束条件检验 调整结果 生成产品组合和产量 结束 满意 接受 满 足 约束 上海交通大学工程硕士学位论文 第二章 生产优化的理论研究 17 际生产情况，通过公司领导层的讨论决定。 2.3 主生产计划决策理论研究主生产计划决策理论研究 主生产计划(main production schedule, mps)是根据总体计划， 针对某一生产方 式，在某一计划时段内，进行特定产品组合、数量、生产日期以及生产设备的安 排。forgarty,blackstone 和 hofmann 提出主排产计划是需求的表达，包括预测、接 受客户订单、主生产计划、预计可用量以及可允许订购数量等。apics(american production and inventory control society)字典定义，主生产计划是需求、销售预测、 累计订单、预计可用量及可允许订购数量等的集合。 giesberts 提出主生产计划（mps）包含了下列的分类计划: 1、 预测与订单； 2、 生产与资源规划； 3、 详细生产计划： 主生产计划（mps）是 mpp 系统的重要输入数据和驱动来源，是原物料、零 件、子配件和配件、仓储和运输等计划的源头。主生产计划在制造规划和控制活 动中提供重要依据。 主生产计划根据总生产计划以及客户订单的输入来安排将来的各周期中提供 的产品种类和数量，它将生产计划转为产品计划，在平衡了物料和能力的需要后， 精确到时间、 数量的详细进度计划12。 即 erp 和 mrpii 软件中提到的主生产计划， 其实质就是产品的投产计划，即产品级的作业计划。 2.3.1 定单交货期描述定单交货期描述 定单交货期间的描述方法有三种：精确交货期、交货期窗口和模糊交货期。 其中采用精确交货期的计算最为简单，它是指交货时间为固定的时间点(例如某一 天)，既不可早交货，也不可晚交货；交货期窗口的交货时间为允许的一段时间(例 如一周)，在这段时间里交货都可以；模糊交货期的交货时间也为一段时间，其与 交货期窗口的区别在于对于不在交货允许时间内的交货，根据其时间偏离的长短 有一个主观满意度。在这三种交货期描述的方式中，精确交货期是基础，其它的 是在它的基础上改进得到的。因此本文中所定义的交货期是指精确交货期。 对于订单i，其完工时间为 i c ，精确的交货点为 i d ，对于提前完成的订单会有 单位时间提前惩罚因子 i a ，相应的对于没有按期完成的订单会有单位时间拖期惩 罚因子 i b 。设)( ii cf为提前/拖期惩罚函数。则)( ii cf可以描述为13: 对于销售预测，订单预测以及实际订单，只要相应的调整其提前/拖期惩罚因 子即可。例如对于销售预测和订单预测，可以缩小 i b ，增大 i a ; 对于实际订单就 上海交通大学工程硕士学位论文 第二章 生产优化的理论研究 18 要缩小 i a ，增大 i b 。 )( iii cda i c i d =)( ii cf 0 i c = i d (2.1) )( iii dcb i c i d 2.3.2 主生产计划制定原则主生产计划制定原则 生产计划是在总生产计划的基础上进行的，但是其又需要实际生产的情况进 行一定的调整。主生产计划的决策时间区间一般为一个季度或一个月，有时也要 精确到一周。 由于市场的需求存在着起伏和波动，而企业内部组织生产又要求均衡14。在 编制主生产计划时，需要根据约束资源的工作节拍来制定整个生产流程的工作节 拍。 通过上文中的分析， 目前制造企业面临的是一种按定单生产(mto)与按库存生 产(mts)并重的混合订单驱动模式， 所以在编制主生产计划时要考虑以下三部分内 容： 1、 确定的客户定单。这部分的定单有确定的交货期和定货量，只需将其分解 到单一产品即可。其优先级最高。 2、 预测的自行销售市场销售量。销售模块通过各种统计预测模型给出了某一 段时间内对某种产品的需求量。其优先级次之。 3、 预测的客户定单。预测时给出了可能会有的定单的交货期和定货量，优先 级最低。它会转化为确定的客户定单，这时优先级上升。 这三部分内容通过定单管理模块进行处理后得到相同的形式，即单一产品的 定单，包含产品号、交货期、优先级。排程是针对加工过程，将要发生的不同事 件的进行计划。排程有三个要素： 1、 对于确定的客户定单的产品，要按合同规定的数量与交货期安排，以减少 库存。 2、 对于产量大，季节性需求变动小的产品，可按“细水长流”方式安排生产。 3、 对于空闲的瓶颈设备生产能力，可以安排生产企业的传统优势产品，这类 产品往往比较容易销售，不易造成大量库存。这一方面保证生产过程的连续性， 另一方面也可以对临时订单起到一个缓冲作用。 2.3.3 主生产计划的计算主生产计划的计算 在实际的生产中，作为生产管理者主要面对和解决的三个问题：需要什么， 需要多少以及什么时候需要。即要解决“期”与“量”的问题。在计算时要用到 上海交通大学工程硕士学位论文 第二章 生产优化的理论研究 19 的主要是：提前期、可用库存量、安全库存量和批量。这些多数的设置是否恰当， 对计算的结果有很大影响。其典型的计算过程如下15: 1、 定义时段的长短。一般指的都是时段的结束日期。 2、 确定毛需求。主要是产品定单与预测的组合。一般设定需求时界以内各时 段的毛需求以合同为准；需求时界以外的时段以预测值或合同值中较大的数值为 准。 3、 计算计划接收量。 计划接收量是指已经下达正在执行中的生产定单将在某 个时段完成的数量；也可以理解为正在途中即将到达的物料。 4、 计算净需求。计算公式如下： 净需求计算值=本时段毛需求(前一时段末的可用库存量+本时段的计划接 收量)+安全库存量 若计算值0：净需求=计算值 5、 计算计划产出量。计划产出量是为了满足净需求，系统根据规定的批量计 算得出的。 6、 计算计划投入量。 计划投入量是系统根据规定的提前期和成品率计算得出 的。说明“什么时间下达计划” 。. 7、 计算预计可用库存。预计可用库存是每个时段的期末库存结余，可作为下 一个时段计算的根本依据。 计算公式为： 预计可用库存=前一时段未的可用库存量+本时段计划接收量本时段毛需 求+本时段计划产出量。. 8、 计算可供销售量。 可供销售量=某时段计划产出量+计划接收量安全库存下一次出现计划产 出量之前各时段合同量之和 通过重复上面的步骤直到计算整个计划周期内的主生产计划。 2.3.4 生产订单要素和处理生产订单要素和处理 在生产过程中我们主要关注一下几个要素： 1、 工序： 生产订单包括多个有顺序的工序， 是完成一项零件加工的任务描述。 工序要素有：开始时间：工序排程开始时间；完成时间：工序排程结束时间； 工序锁定：保持一个或者多个工序在一定时间内保持固定，不允许自动重排。 上海交通大学工程硕士学位论文 第二章 生产优化的理论研究 20 2、 物料：采购的物料或者半成品。 3、 优先级：在排程过程中，决定哪一个生产定单最先得到能力处理。 4、 最早开始时间：生产订单允许开始加工的最早时间，针对与顺向排程的工 作订单。 5、 最晚结束时间：生产订单必须完成的加工的最迟时间，针对与反相排程的 工作订单。 6、 排程开始时间：生产订单的各工序的排程开始时间，订单的第一道工序的 排程开始时间即订单排程开始时间 7、 排程结束时间：生产订单的各工序的排程结束时间，订单的最后一道工序 的排程结束时间即订单排程的结束时间。 8、 实际开始时间：生产订单各工序的实际开始时间。 9、 实际结束时间：生产订单各工序的实际结束时间。 对于由营销模块提供的定单、销售预测和定单预测数据，不能够马上使用， 需要对其进行一定的分解合并，才能够真正的进入主生产计划模块。对这三者的 处理方式各有不同，针对制造型企业的特点，将其进行如下的转换: 1、 定单分解。首先对已有的定单，需要将其按产品和交货期划分，使得每张 处理后的定单都为单一产品，单一交货期。 2、 将销售预测转换为生产定单。销售预测仅给出了某一段时期对某种产品的 需求，并没有给出具体的生产批量和交货期。首先要根据总生产计划确定的最优 产品组合计算出销售预测的产品的总生产量。然后根据主生产计划的时间划分， 参考营销模块的历史数据，将其安排到各个生产划分时段(可能是平均划分，也可 能是有季节性的划分)。随后根据最优生产批量，将每个时段分配到的生产任务按 最优生产批量划分成多个定单。 3、 将预测定单转化为生产定单。预测定单是在历年的定单记录上对当期的计 划时段做的预测，它会有一个发生概率，决策者可以根据此概率来判断是否采用 该预测订单(这一功能在销售模块完成)。被采用的预测订单的处理方式与已有的 销售订单相同。 2.4 排序方法排序方法 2.4.1 作业排序的基本假设作业排序的基本假设 作业排序的任务是要在有限的人力、设备资源上，安排多项工作任务，规定 其执行的顺序和时间，使预定的目标得到实现并优化。科学地进行作业排序，可 上海交通大学工程硕士学位论文 第二章 生产优化的理论研究 21 以帮助我们在现有资源条件下，即在不增加投资和人力的条件下，能提高工作效 率和经济效益16。表 3 给出了不同生产工序类型和计划方法。 排序问题主要遵守的基本假设: 1、 一个工件不能同时在几台设备上进行加工; 2、 工件的加工时间是确定的，且与投产的顺序无关; 3、 每台设备同时只能加工一个工件; 4、 工件的工艺过程是确定的，一种工件不能同时有多种加工工艺; 5、 每台设备只能胜任一道工序，不能适应多种工序的加工; 6、 一个工件开始加工后，不允许中途中断插入其它工件，必须把该工件加工 完成后，才可安排其它工件的加工; 表3 生产工序类型和计划方法17 类型 产品 特征 通常的计划方法 单 一 工序 化工，钢铁， 酒类 全自动， 劳动成本低， 设施专 用于一种产品 有限负荷，前项排序，机器有限 大 批 量 生 产 汽车 自动化设备， 半自动传动装置 移动装配线 生产线有限负荷，前向排序（生产 率是关键） ，机器有限，使用看板 中 等 批 量 生产 工业用品， 日用品 成组技术单元， 专业化小工厂 无限负荷前向排序，优先调度控 制，通常是劳动力有限但有时是机 器有限，常与顾客的准时化订单或 与 mrp 交货期对应 小 批 量 生 产 大型设备， 专用仪器， 客户定制产 品 按生产功能组织的机器中心， 劳动成本高， 通用设备换装时 间长，材料搬运自动化程度 底，产品品种多 无限负荷前向排序，通常是劳动力 有限，但某些工序可能是机器有 限，由 mrp 交货日期决定优先顺 序 2.4.2 作业排序分类方法作业排序分类方法 排序问题有很多分类的方法。 在制造业中，最常见的分类方法是按机器设备、工件和目标函数的特征进行 分类： 按机器数目不同，可以分为单台机器的排序问题和多台机器的排序问题。 按加工路线的不同，可以分为流水型排序问题和非流水型排序问题。 按工件到达的情况不同，可以分为静态的排序问题和动态的排序问题。 按目标