王加鋒，蔣慶磊，何宇昊

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十四研究所，江蘇 南京 210039）

1 引言

隨著信息化技術(shù)與傳統(tǒng)工業(yè)的不斷融合，市場(chǎng)對(duì)產(chǎn)品交付提出了更高要求。這需要企業(yè)對(duì)訂單、物料、資源進(jìn)行更高效的優(yōu)化調(diào)度，以適應(yīng)受多種因素影響的交付計(jì)劃變更[1]。傳統(tǒng)的以人工經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)的手動(dòng)計(jì)劃排程方案，無(wú)法在頻繁的隨機(jī)擾動(dòng)下提供最優(yōu)排程結(jié)果，已成為制約生產(chǎn)的瓶頸[2]。

作為新興的軟件技術(shù)，APS（Advanced Planning and Scheduling, 高級(jí)生產(chǎn)計(jì)劃與調(diào)度系統(tǒng)）能夠串聯(lián)計(jì)劃與執(zhí)行鏈路，對(duì)多種生產(chǎn)要素進(jìn)行整合，通過(guò)快速響應(yīng)，適應(yīng)頻繁的計(jì)劃變更與插單，輸出優(yōu)化的排程結(jié)果，為企業(yè)綜合決策提供支持。

APS技術(shù)于20世紀(jì)全球化浪潮中得到了較快發(fā)展，基礎(chǔ)理論層出不窮，多個(gè)跨國(guó)公司進(jìn)行了應(yīng)用實(shí)踐并取得了一定成果。目前，國(guó)內(nèi)APS研究仍處于起步階段，研究?jī)?nèi)容主要集中在生產(chǎn)系統(tǒng)建模分析與引擎算法研究，大規(guī)模應(yīng)用研究仍屬空白[3]。實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，生產(chǎn)線大多為復(fù)雜的離散系統(tǒng)，因此，在不確定環(huán)境中使用確定性模型的具體實(shí)施方法與實(shí)際使用效果仍有待驗(yàn)證[4]。

本文以某國(guó)家戰(zhàn)略裝備智能制造生產(chǎn)線為平臺(tái)進(jìn)行APS大規(guī)模應(yīng)用驗(yàn)證，該生產(chǎn)線年生產(chǎn)訂單量約為20萬(wàn)項(xiàng)，涉及圖號(hào)量約為5萬(wàn)項(xiàng)，產(chǎn)能巨大。目前，該生產(chǎn)線基于多品種、變批量、高質(zhì)高效的微波組件柔性生產(chǎn)需求，正在打造具備數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)感知、大數(shù)據(jù)分析、人工智能決策以及精準(zhǔn)控制執(zhí)行的制造閉環(huán)體系，進(jìn)行產(chǎn)品全壽期管理與制造體系的集成。因此，APS在該生產(chǎn)線的應(yīng)用具有技術(shù)引領(lǐng)性，對(duì)數(shù)字化工廠實(shí)現(xiàn)智能制造具有指導(dǎo)意義。

2 APS基本原理

APS涉及學(xué)科面較廣，如運(yùn)籌學(xué)、算法學(xué)、物流學(xué)、圖論、軟件架構(gòu)、建模理論及人工智能等，每個(gè)方向都可以作為獨(dú)立課題進(jìn)行深入研究。以最受關(guān)注的算法引擎為例，經(jīng)過(guò)近30年發(fā)展，已衍生出數(shù)學(xué)規(guī)劃、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、深度學(xué)習(xí)等多種算法分支，相關(guān)研究仍在蓬勃發(fā)展中。

與此同時(shí)，算法在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用卻有所滯后，因此，在學(xué)術(shù)、工程領(lǐng)域均存在一些常見(jiàn)誤區(qū)，如“算法越復(fù)雜越優(yōu)異”“升級(jí)算法比經(jīng)典算法優(yōu)異”等。事實(shí)上，各類(lèi)算法在不同場(chǎng)景的優(yōu)越性與局限性仍有待進(jìn)一步應(yīng)用驗(yàn)證[5]。

本文應(yīng)用的APS系統(tǒng)使用的是動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法引擎，在確定生產(chǎn)線與其他職能部門(mén)的工作邏輯后，將APS與現(xiàn)有信息系統(tǒng)如ERP、MOM、MES等系統(tǒng)進(jìn)行集成，確保關(guān)鍵數(shù)據(jù)在各系統(tǒng)間的共享與交互。

對(duì)于生產(chǎn)線，在完成典型生產(chǎn)模型建模的基礎(chǔ)上，明確瓶頸資源，確定組件、組件套裝件及獨(dú)立需求訂單的排程邏輯，優(yōu)化資源標(biāo)準(zhǔn)化描述方案，逐步完善生產(chǎn)相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，迭代排程結(jié)果，不斷提升計(jì)劃排程的精確度。

3 應(yīng)用場(chǎng)景分析建模

3.1 系統(tǒng)集成建模

本次APS應(yīng)用所在A部門(mén)承擔(dān)某戰(zhàn)略裝備核心微波組件生產(chǎn)，上級(jí)B部門(mén)負(fù)責(zé)裝備總計(jì)劃，對(duì)A部門(mén)及其他部門(mén)進(jìn)行整體計(jì)劃協(xié)同。原生產(chǎn)模式中，B部門(mén)在每年度會(huì)下發(fā)顆粒度較大的全年計(jì)劃，A部門(mén)根據(jù)此文件進(jìn)行年度產(chǎn)能、資源評(píng)估。后續(xù)根據(jù)訂單動(dòng)態(tài)變化情況，B部門(mén)每季度、月度均會(huì)與A部門(mén)進(jìn)行多輪溝通以不斷修正年度計(jì)劃并下發(fā)，此模式耗時(shí)耗力，需數(shù)十名專(zhuān)職計(jì)劃員進(jìn)行實(shí)時(shí)的跟蹤反饋，且準(zhǔn)確度較低。

為充分發(fā)揮APS在計(jì)劃排程方面的優(yōu)勢(shì)，在原生產(chǎn)計(jì)劃上下層級(jí)交互的基礎(chǔ)上，將APS與ERP、MOM等其他信息系統(tǒng)進(jìn)行集成，形成執(zhí)行邏輯如圖1所示。圖中，系統(tǒng)集成采用“二下一上”原則，B部門(mén)按原生產(chǎn)模式通過(guò)ERP下發(fā)粗計(jì)劃，A部門(mén)通過(guò)APS進(jìn)行長(zhǎng)線預(yù)排，以整體評(píng)估資源與產(chǎn)能，并將訂單宏觀調(diào)整、物料齊套需求、生產(chǎn)資料總負(fù)荷等信息反饋給上級(jí)部門(mén)，B部門(mén)根據(jù)反饋再次調(diào)整后作為最終計(jì)劃基線進(jìn)行正式下發(fā)。A部門(mén)以此基線為依據(jù)，通過(guò)APS系統(tǒng)進(jìn)行短線正式排程，形成可執(zhí)行的計(jì)劃報(bào)表并發(fā)布至MOM系統(tǒng)中，以供班組生產(chǎn)執(zhí)行，MOM、ERP中的實(shí)績(jī)反饋則可以持續(xù)迭代基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，從而不斷優(yōu)化排程結(jié)果。

3.2 生產(chǎn)線建模

為提升APS的生產(chǎn)適用性與結(jié)果準(zhǔn)確性，除系統(tǒng)集成外，需對(duì)實(shí)際生產(chǎn)線進(jìn)行調(diào)研建模。A部門(mén)下轄兩科室，定義為C室、D室?，F(xiàn)將A部門(mén)主要交付產(chǎn)品命名為“微波組件”，C室主要生產(chǎn)微波組件，包含套裝件訂單，與微波組件及其套裝件不相關(guān)的其他訂單定義為“C室獨(dú)立訂單”。D室產(chǎn)品按特征可分為兩類(lèi)，一類(lèi)作為微波組件套裝件供給C室裝配，定義為“D室套裝件”，另一類(lèi)與C室訂單無(wú)關(guān)，定義為“D室獨(dú)立訂單”。

雖然兩科室在訂單方面存在一定關(guān)聯(lián)，但由于技術(shù)領(lǐng)域差異較大，兩科室生產(chǎn)資源相對(duì)獨(dú)立，因此，在保留兩科室聯(lián)排需求的基礎(chǔ)上，新增各科室獨(dú)立排程需求。考慮兩科室訂單量巨大，多個(gè)計(jì)劃員終端改動(dòng)、插單場(chǎng)景較頻繁，將兩科室排程需求進(jìn)一步細(xì)分為預(yù)排程與正式排程，計(jì)劃員可在預(yù)排程后對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行修改重排，但不涉及計(jì)劃下發(fā)，正式排程后統(tǒng)一下發(fā)計(jì)劃，從而提升了APS系統(tǒng)的整體訂單調(diào)整能力，系統(tǒng)集成與執(zhí)行邏輯如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)集成與執(zhí)行邏輯

4 幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題

4.1 排程邏輯

訂單生產(chǎn)周期取決于瓶頸資源，非瓶頸資源的效能提升對(duì)訂單整體的優(yōu)化意義較小，因此，下文優(yōu)先對(duì)約束資源進(jìn)行整合[6]。

兩科室獨(dú)立需求中預(yù)排程與正式排程的邏輯基本相同，詳見(jiàn)表1。表中以C室微波組件為父級(jí)訂單進(jìn)行正排，根據(jù)以往生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，確定瓶頸資源并將其固定后，將套裝件訂單、獨(dú)立訂單、不制約資源涉及工序進(jìn)行倒排，將資源向C室重點(diǎn)產(chǎn)品微波組件傾斜，保證其優(yōu)先交付的情況下，整體資源分配、生產(chǎn)周期最合理。

表1 獨(dú)立排程/級(jí)聯(lián)排程邏輯

D室圖號(hào)量較少，單圖號(hào)交付數(shù)量較高，因此采取先倒排后正排的策略，使資源利用率保持在較高水平，以滿足大批量的流水交付。

級(jí)聯(lián)排程時(shí)，必須先進(jìn)行C室排程，D室獲取微波組件正排關(guān)鍵參數(shù)后，方可進(jìn)行D室套裝件倒排及獨(dú)立訂單排程。

4.2 資源標(biāo)準(zhǔn)化描述

生產(chǎn)線的資源品類(lèi)較多，需要將其轉(zhuǎn)換為APS系統(tǒng)可識(shí)別的數(shù)據(jù)格式，數(shù)據(jù)組織的優(yōu)劣決定著使用過(guò)程中的可靠性與高效性[7]。因此，需要對(duì)海量資源進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的描述，以保證當(dāng)資源發(fā)生大規(guī)模變動(dòng)時(shí)，對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的改動(dòng)工作量最小，同時(shí)能夠大幅提升生產(chǎn)線的綜合管理水準(zhǔn)。

本文將生產(chǎn)資源分為設(shè)備資源與人力資源兩類(lèi)，設(shè)備資源產(chǎn)能相對(duì)固定，描述較容易，常見(jiàn)描述格式見(jiàn)表2。當(dāng)設(shè)備資源發(fā)生變更，保持代碼不變，僅需增刪相應(yīng)內(nèi)容，改動(dòng)量較小，且不影響APS正常使用。

表2 設(shè)備資源標(biāo)準(zhǔn)化描述

人力資源描述相對(duì)復(fù)雜，本文進(jìn)一步將人力資源分類(lèi)為流水工種與專(zhuān)業(yè)工種，流水工種描述方式與設(shè)備資源類(lèi)似。此工種對(duì)人員技能要求單一，產(chǎn)能與人數(shù)基本成正比，資源量即為人數(shù)，計(jì)劃員、班組長(zhǎng)可對(duì)各小組成員進(jìn)行多次調(diào)整實(shí)現(xiàn)產(chǎn)能模擬，以找到相對(duì)最優(yōu)的人員布置方案。

專(zhuān)業(yè)工種對(duì)人員技能要求較高，能夠獨(dú)立完成某專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域工作，描述方式詳見(jiàn)表3。表中直接定義至個(gè)人，資源名稱(chēng)即為個(gè)人姓名，且均為制約資源。同一資源組可設(shè)置多名技術(shù)人才，UBOM資源設(shè)置時(shí)直接引用資源組。針對(duì)擁有專(zhuān)業(yè)工種的班組，在技術(shù)層面規(guī)范班組的專(zhuān)業(yè)發(fā)展方向，使班組長(zhǎng)能夠在人員職級(jí)發(fā)生升降變動(dòng)時(shí)做出快速調(diào)整。

表3 專(zhuān)業(yè)工種標(biāo)準(zhǔn)化描述

4.3 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

明確資源標(biāo)準(zhǔn)化描述方案后，需要大批量準(zhǔn)備基礎(chǔ)數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)在專(zhuān)用服務(wù)器中，準(zhǔn)確、透明的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)能夠提升工作同一性，有利于跨部門(mén)協(xié)同，對(duì)離散制生產(chǎn)線成功實(shí)施APS具有決定性的作用[7]。本文中覆蓋全圖號(hào)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)字符總量約為1GB，由于數(shù)據(jù)量較大，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備并非一蹴而就，而是在小規(guī)模數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)實(shí)績(jī)反饋不斷迭代、優(yōu)化、擴(kuò)容。

以資源數(shù)據(jù)準(zhǔn)備為例，“圖號(hào)-資源”查詢表的建立則能有效提升基礎(chǔ)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備的效率。設(shè)計(jì)師、工藝師需要對(duì)海量圖號(hào)進(jìn)行技術(shù)分類(lèi)，針對(duì)產(chǎn)品調(diào)試特點(diǎn)進(jìn)行品類(lèi)劃分，進(jìn)而為產(chǎn)品分配涉及場(chǎng)地、儀表、工裝等要素的調(diào)試資源，以上資源均以編碼形式命名。另外，針對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、工藝特性進(jìn)行分類(lèi)，并為其分派相應(yīng)的專(zhuān)業(yè)工種?！皥D號(hào)-資源”查詢表明確了所有產(chǎn)品的資源分配邏輯，是后續(xù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)智能維護(hù)的基礎(chǔ)。

5 應(yīng)用結(jié)果分析

APS排程后結(jié)果符合預(yù)期。APS除了完成計(jì)劃、排程等基本功能外，它與數(shù)字化也是相輔相成的，APS提升了傳統(tǒng)生產(chǎn)模式的數(shù)字化程度，而邏輯、過(guò)程、資源的數(shù)字化同樣是APS實(shí)施的基礎(chǔ)。生產(chǎn)各階段的真實(shí)數(shù)據(jù)是企業(yè)的核心價(jià)值，因此，APS對(duì)于工時(shí)管理、生產(chǎn)管理、人力資源管理/考核等方面均有所裨益。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)APS系統(tǒng)集成進(jìn)行了分析建模，討論了應(yīng)用生產(chǎn)線實(shí)際模型，對(duì)排程邏輯、資源標(biāo)準(zhǔn)化描述、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備等關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了深入探討，并在某離散型國(guó)家重點(diǎn)智能制造示范平臺(tái)進(jìn)行了APS大規(guī)模應(yīng)用，結(jié)果表明，APS能夠?qū)崿F(xiàn)精確、高效的智能計(jì)劃排程，推進(jìn)數(shù)字化工廠實(shí)現(xiàn)智能制造。