[摘要] 企業(yè)資源計劃（ERP）一直是鋼鐵業(yè)管理信息化的熱點，ERP雖然可以實現(xiàn)資源的整合，但其在生產(chǎn)計劃領(lǐng)域的不足卻難以提供高質(zhì)量的生產(chǎn)計劃方案。本文針對鋼鐵行業(yè)高級規(guī)劃與排程系統(tǒng)的特點進行研究，指出APS與ERP的整合是鋼鐵行業(yè)未來信息化的發(fā)展方向。

[關(guān)鍵詞] 企業(yè)資源計劃； 高級規(guī)劃與排程系統(tǒng)； 鋼鐵業(yè)

[中圖分類號] F273.1 [文獻標識碼] A [文章編號] 1673 - 0194（2013）06- 0079- 02

0 引 言

隨著經(jīng)濟全球化和信息網(wǎng)絡(luò)化的進程，信息化已成為現(xiàn)代企業(yè)的一個重要標志。進行信息化建設(shè)，采用信息技術(shù)促進、改造企業(yè)的生產(chǎn)、經(jīng)營、管理，有效采集和處理信息，改變整個管理模式及生產(chǎn)行為，增強企業(yè)決策的有效性是企業(yè)發(fā)展的必由之路。鋼鐵業(yè)是我國國民經(jīng)濟的重要基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，推進鋼鐵企業(yè)信息化，是鋼鐵行業(yè)提高競爭力、適應新經(jīng)濟、實現(xiàn)現(xiàn)代化的內(nèi)在需要，也是鋼鐵企業(yè)適應國際環(huán)境、融入全球經(jīng)濟的戰(zhàn)略選擇。

鋼鐵行業(yè)的信息系統(tǒng)架構(gòu)被分解成5個層次：設(shè)備控制系統(tǒng)，過程控制系統(tǒng)；車間或分廠級制造執(zhí)行系統(tǒng)（即MES），企業(yè)資源計劃系統(tǒng)（即ERP），企業(yè)間管理系統(tǒng)及決策系統(tǒng)。這五層系統(tǒng)之間相互集成、相互協(xié)調(diào)，構(gòu)成了一個完整的企業(yè)信息化管理系統(tǒng)。近年來，我國鋼鐵行業(yè)信息化建設(shè)取得了很大進展，其中，大部分鋼鐵廠已完成一、二級系統(tǒng)建設(shè)，三、四級系統(tǒng)的建設(shè)亦取得了一定的成果。

然而，對于鋼鐵行業(yè)中的生產(chǎn)管理，僅僅實現(xiàn)信息化并不足夠，因為生產(chǎn)中直軋部分所占比例有限，甚至會由此增加產(chǎn)品庫存。因此，需要以信息化為基礎(chǔ)，采用運籌學和人工智能技術(shù)等手段，對企業(yè)內(nèi)部的資源配置、物流組織和生產(chǎn)計劃進行整體規(guī)劃，實現(xiàn)生產(chǎn)、庫存、市場響應的整體優(yōu)化。對鋼鐵企業(yè)而言，生產(chǎn)計劃系統(tǒng)功能集成中遇到的最大難題便是如何面向多品種小批量的大量訂貨合同而組織生產(chǎn)。雖然國內(nèi)大型鋼鐵公司陸續(xù)引入ERP系統(tǒng)試圖提高企業(yè)的生產(chǎn)管理水平，但由于ERP在設(shè)計上的先天不足，僅采用ERP 系統(tǒng)已無法滿足鋼鐵企業(yè)對生產(chǎn)規(guī)劃與排程的種種需求。近年來，針對鋼鐵業(yè)高級規(guī)劃與排程（Advanced Planning and Scheduling）系統(tǒng)的研究開始出現(xiàn)，如施燦濤[1-3]設(shè)計了基于.NET的三層客戶端/服務器模式鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)計劃系統(tǒng)，設(shè)計了APS優(yōu)化引擎軟件，對訂單計劃進行建模。

本文對鋼鐵制造業(yè)的高級規(guī)劃與排程系統(tǒng)進行研究，在總結(jié)了鋼鐵業(yè)ERP系統(tǒng)缺陷的基礎(chǔ)上，論述鋼鐵企業(yè)導入APS系統(tǒng)的重要性以及它與現(xiàn)有ERP系統(tǒng)的集成，從而實現(xiàn)鋼鐵企業(yè)對生產(chǎn)資源的優(yōu)化配置，提高客戶服務水平及生產(chǎn)管理水平。

1 鋼鐵企業(yè)的ERP系統(tǒng)

ERP是指建立在信息技術(shù)基礎(chǔ)上，將客戶需求和企業(yè)內(nèi)部的經(jīng)營活動以及供應商的資源融合在一起，以系統(tǒng)化的管理思想，為企業(yè)決策層及員工提供決策運行手段的管理平臺。ERP的功能模塊一般包括生產(chǎn)控制（計劃、制造）、物流管理（分銷、庫存、采購管理）和財務管理（會計核算、財務管理）4大部分。其中，生產(chǎn)控制管理模塊是ERP系統(tǒng)的核心所在。

鋼鐵企業(yè)一般涉及多段生產(chǎn)，工序多、設(shè)備復雜、企業(yè)投資大、資金流動頻繁。信息化建設(shè)過程中，生產(chǎn)經(jīng)營活動涉及的內(nèi)容從財務、人事等傳統(tǒng)信息管理領(lǐng)域延伸到生產(chǎn)管理領(lǐng)域。也正是這個原因，國內(nèi)大型鋼鐵公司陸續(xù)引入了ERP項目，僅在2002年，鋼鐵行業(yè)完工的大型信息化工程就有上海益昌薄板公司營銷系統(tǒng)、江陰興澄特鋼信息系統(tǒng)、衡陽鋼管公司ERP、湘潭鋼鐵公司ERP。從軟件的角度分析，鋼鐵公司使用的ERP系統(tǒng)（以上海寶鋼公司的ERP系統(tǒng)為例）包括了以下幾點：PP（生產(chǎn)計劃和管理）、MM（物流的管理）、SD（分銷與銷售）、FI（財務方面的管理）、QM（質(zhì)量管理）等基礎(chǔ)模塊。

然而，鋼鐵生產(chǎn)是一個多階段、離散和連續(xù)加工方式并存的復雜過程，大部分鋼鐵生產(chǎn)計劃與調(diào)度問題都是NP難問題。這種問題具有描述容易、求解困難的特點。再加上ERP生產(chǎn)控制模塊在設(shè)計上的先天不足，使得ERP系統(tǒng)在鋼鐵企業(yè)的應用效果大打折扣，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1） ERP中的生產(chǎn)計劃管理模塊，假設(shè)資源（機器、人員、物料）是無限的，因此所制訂的生產(chǎn)計劃并不考慮資源短缺的情況。在匹配鋼鐵業(yè)多品種、小批量的大量訂貨合同時，只能通過CRP能力需求計劃分析手工調(diào)整，計劃的可執(zhí)行性差，不能匹配生產(chǎn)車間現(xiàn)場的資源產(chǎn)能。

（2） 在計劃執(zhí)行過程中，如果生產(chǎn)訂單的開工或完工日期沒有按照計劃完成，則無法根據(jù)實際開工或完工日期自動進行滾動計劃排程。ERP的生產(chǎn)任務一旦下達，日期只能手工修改。

（3） ERP以計劃管理為導向，生產(chǎn)過程中不可避免的插單、設(shè)備故障、缺料等意外情況發(fā)生時，不能提供類似what-if的情景分析與模擬等事前計劃、模擬及比較分析等功能，無法及時對原有計劃做出相應的調(diào)整。

（4） 在車間執(zhí)行層面，ERP缺乏行之有效的派工規(guī)則安排訂單的加工順序。如，沒有生產(chǎn)訂單下達規(guī)則，哪個訂單先下達，按交貨期、優(yōu)先級、生產(chǎn)訂單合并與分割等。沒有加工順序規(guī)則，當資源不夠時， 生產(chǎn)訂單和負荷在排隊，如何解決排隊的順序。沒有優(yōu)化選擇規(guī)則，當資源需要動態(tài)選擇加工時，如何對順序規(guī)則重新選擇。沒有現(xiàn)場調(diào)度資源組成員分配規(guī)則，當須選擇多個資源、替代資源時，如何最大化資源利用率等等。

（5） ERP生產(chǎn)計劃的制訂過程，主要是依據(jù)市場預測及訂單狀況，采用定期性的批量式規(guī)劃并涵蓋一定的時程范圍（例如一星期、一個月、半年甚至更長），然后再對生產(chǎn)計劃進行層層細化，因此不能支持優(yōu)化算法的多目標計劃，如在滿足交貨期的前提下，資源負荷利用最大化、庫存最小化、成本最小化的優(yōu)化計劃排程。

2 高級規(guī)劃與排程系統(tǒng)思想

高級規(guī)劃與排程（Advanced Planning and Scheduling，APS）系統(tǒng)是利用許多先進的規(guī)劃管理技術(shù)，包括限制理論（Theory Constraints， TOC）、運籌學（Operations Research， OR）、遺傳算法（Genetic Algorithms， GA）、限制條件滿足技術(shù)（Constraint Satisfaction Technique， CST）等，在有限資源下，尋求供給與需求之間的平衡規(guī)劃；同時，利用信息的儲存與分析能力，以最短的期限，達到最有效的規(guī)劃。

APS是為解決ERP能夠整合企業(yè)的資源，但欠缺排程功能的問題，而且更注重決策支持的能力。可以根據(jù)異常狀況如缺料、停機、插單、數(shù)量調(diào)整、工期調(diào)整、加班設(shè)定等進行生產(chǎn)計劃的調(diào)整。APS可以讓規(guī)劃制訂者快速結(jié)合生產(chǎn)相關(guān)信息，如訂單、派工單、生產(chǎn)工藝、半成品、存貨、物料清單等進行生產(chǎn)規(guī)劃。

目前APS常見的功能如下[4]：

（1） 有限資源約束條件下的效益最大化規(guī)劃。傳統(tǒng)規(guī)劃方法因未能考慮資源限制及企業(yè)的目標而無法達到規(guī)劃的最大化，APS應用了數(shù)學規(guī)劃、網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、仿真方法等先進技術(shù)，能夠在各種不同的限制條件下，找出一個可行及最大化的規(guī)劃。

（2） 即時規(guī)劃能力。APS能夠搜集生產(chǎn)過程中的相關(guān)數(shù)據(jù)，并立即進行分析與規(guī)劃，使得規(guī)劃人員能夠應對許多突發(fā)狀況，如緊急插單、物料供給延遲等。

（3） 考慮供需平衡的規(guī)劃。由于APS能同時兼顧需求與供應，使得供需規(guī)劃能夠達到均衡，符合企業(yè)運營上的需要。

（4） 提供決策支持功能。企業(yè)處于復雜多變的外部環(huán)境中，常常需要更多決策支持功能的工具，APS因具備仿真等預測分析工具，有利于規(guī)劃人員在分析上的應用，從而得到正確的決策。

3 鋼鐵企業(yè)的APS系統(tǒng)

鋼鐵生產(chǎn)過程包括煉鋼-連鑄、熱軋、冷軋及精整等工序，工序多、流程長。其生產(chǎn)計劃的復雜性主要體現(xiàn)在： ① 生產(chǎn)對象眾多：包括爐次、澆次、中間包、板坯、軋次等，有些半成品又可以作為產(chǎn)成品出售； ② 工藝路徑多樣：如相同規(guī)格的彩鋼生產(chǎn)過程就可以有十幾條生產(chǎn)路徑可供選擇； ③ 生產(chǎn)約束條件多：如熱軋批量計劃既要滿足下游生產(chǎn)路徑的需求量，又要滿足自身軋制單元的約束條件； ④ 求解困難：求解對象屬于大規(guī)模組合優(yōu)化問題，在有限時間內(nèi)難以獲得優(yōu)化解。

目前國內(nèi)外領(lǐng)先的鋼鐵企業(yè)越來越將信息化的注意力集中到塑造企業(yè)的核心競爭力上來。它們紛紛投資APS系統(tǒng)，以彌補傳統(tǒng)產(chǎn)銷一體化系統(tǒng)和ERP的不足，對交付業(yè)績、庫存水平、交付周期和產(chǎn)出量進行優(yōu)化和均衡，從而大大提高客戶服務水平，降低整體成本，提高企業(yè)的盈利能力。

鋼鐵企業(yè)的高級規(guī)劃與排程系統(tǒng)應該是集成了大量的數(shù)學模型、優(yōu)化算法及仿真技術(shù)，考慮企業(yè)內(nèi)外部的資源、能力、工藝等約束，用數(shù)學規(guī)劃與人工智能相結(jié)合的智能優(yōu)化算法來指導企業(yè)的計劃與排產(chǎn)，重點解決鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)管理中的生產(chǎn)計劃和生產(chǎn)調(diào)度問題。具體應包括以下幾部分功能：

（1） 高級計劃功能。主要用于企業(yè)計劃人員了解整體訂單的計劃情況，尤其是中長期的趨勢和預測，當企業(yè)接受新訂單時，產(chǎn)能如何，準確的交貨日期在什么時候，對其他訂單的影響怎樣，這些問題都可以通過這個模塊的運行得到可靠準確的信息，以便幫助企業(yè)做出合理的決策。

對于批量比較大的訂單，如果企業(yè)主要是按照計劃（庫存）生產(chǎn)的情況下，投入到生產(chǎn)線最經(jīng)濟的生產(chǎn)批量就由這個功能完成。如果是按照訂單生產(chǎn)，則需要進行庫存匹配、能力匹配和板坯設(shè)計。即對給定的客戶訂單集合如何與現(xiàn)有庫存進行合理匹配；對沒有庫存與之匹配的訂單，是否有足夠的能力進行生產(chǎn)以及如何將需要生產(chǎn)的訂單集合轉(zhuǎn)換為板坯集合。

（2） 優(yōu)化排程功能。優(yōu)化排程主要是按照企業(yè)的訂單情況，按照企業(yè)的優(yōu)化目標來安排生產(chǎn)計劃。該部分優(yōu)化的核心是基于智能優(yōu)化的算法，這也是APS的難點所在。在不同的情況下，企業(yè)的優(yōu)化目標可能不同，如訂單延遲最少、設(shè)備使用率最高、生產(chǎn)周期最短、庫存最小等都可以成為企業(yè)優(yōu)化調(diào)度的目標。這個模塊按照基于企業(yè)目標的全局優(yōu)化配置企業(yè)的資源，達到目標最優(yōu)化。

（3） 輸出報表功能。鋼鐵業(yè)APS系統(tǒng)的運行結(jié)果應能以報表的形式輸出。報表包括：

生產(chǎn)指令：提供詳細的每個班次、每臺設(shè)備的生產(chǎn)調(diào)度指令；

設(shè)備負荷圖：可發(fā)現(xiàn)瓶頸資源，均衡設(shè)備負荷、挖掘產(chǎn)能潛力；

生產(chǎn)異常預警：當發(fā)生生產(chǎn)異常時，能夠自動輸出生產(chǎn)異常報告。

（4） 決策支持功能。APS的決策支持功能是借助于仿真技術(shù)，通過what-if模擬分析幫助企業(yè)實施生產(chǎn)異常的快速應對、生產(chǎn)流程分析、梳理和優(yōu)化。APS仿真模型的建立必須能夠完整、真實地再現(xiàn)生產(chǎn)流程，包括所有的生產(chǎn)現(xiàn)場的實際情況。比如，各種復雜的特殊的工序連接；冶煉、澆注、拉坯、軋制各工序特點；場地資源的占用；所有物料（包括原料、在制品、輔料）的存儲、運輸；所有工裝、工具；所有關(guān)鍵人力資源等等。必須能夠快速簡潔地實現(xiàn)重要參數(shù)的調(diào)整，從而得出不同方案下的運行結(jié)果。能夠快速應對生產(chǎn)異常：對市場訂單突發(fā)變化、生產(chǎn)設(shè)備異常、人員變化等能夠快速響應并做出最佳決策。要能夠梳理出關(guān)鍵流程，通過模擬仿真技術(shù)為流程優(yōu)化提供評估工具。

4 結(jié) 語

鋼鐵企業(yè)的信息化管理系統(tǒng)應該不斷地進化，以適應信息技術(shù)的不斷進步以及生產(chǎn)環(huán)境及外部環(huán)境的變化，其驅(qū)動的因素便是對企業(yè)獲利能力的不斷追求。制造業(yè)管理水平的日趨成熟和商業(yè)化軟件的不斷完善，為信息化管理系統(tǒng)的發(fā)展創(chuàng)造了有利的條件。ERP系統(tǒng)需要融入按訂單生產(chǎn)、準時制生產(chǎn)、柔性生產(chǎn)等各種先進管理理念，才能給制造業(yè)以持續(xù)和卓越的競爭力。 因此，從信息化角度來看，由APS取代ERP中的核心計劃體系，從而獲得快速、高效、靈活應變的生產(chǎn)計劃，是鋼鐵企業(yè)管理信息化進一步發(fā)展的必然需求。從精益生產(chǎn)的角度來看，我們也需要有更先進的計劃方法在客戶訂單輸入時， 能及時計劃，同時考慮人力、產(chǎn)能、生產(chǎn)設(shè)備與工具產(chǎn)能等進行排程，能夠靈活地產(chǎn)生準確的交貨計劃回應顧客的交期詢問、訂單查詢，從而滿足客戶需求。

主要參考文獻

[1] 施燦濤，李鐵克，王昌保，等. 基于APS 的鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)計劃系統(tǒng)設(shè)計及實現(xiàn)[J]. 中國管理信息化，2011，14（16）：84-86.

[2] 施燦濤，楊國俊，李鐵克. 鋼鐵企業(yè)APS 優(yōu)化引擎的軟件模型研究及應用[J]. 計算機應用研究，2011，28（2）：606-608.

[3] 施燦濤，李鐵克，王曉潔. 基于UML 的鋼鐵企業(yè)APS 訂單計劃系統(tǒng)建模[J]. 中國管理信息化，2010，13（21）：29-32.

[4] 邵志芳， 錢省三 ， 劉仲英. 在半導體制造業(yè)導入高級規(guī)劃與排程系統(tǒng)[J]. 半導體技術(shù)，2007（8）：661-664.