关于APS系统的生产计划与排程运用研究（三）

一、计划排程的层次

生产计划和排程的软件既允许在单个计划层次上也可以通过两层次计划等级来制定生产排程。因此，我们将要讨论这两种方法的正面影响和反面影响。

生产计划和排程的分解问题应依赖于由生产过程和操作重复性决定的生产类型。在一个工厂内可能会存在几个生产单位，每一单位都对应着一种特定的生产方式来满足供应链的需求。加工群组生产和流水线生产是其中两种著名的生产方式。

在加工群组生产中，大量具有相同功能的设备放在同一车间，一份订单的完成通常存在许多可选择的路径。在多阶段生产流程中最终产品通常需要许多项运作。为了减少调整准备期成本和时间，特定运作的需求可以组合成批量。

为了减轻计算上的负担，提供有效的决策支持，我们将总决策问题分为两个（等级）计划层次。其中较高的计划等级是以日或周时间能力单位为基础的，同时将具有相同功能的资源组成资源组。这些大的时间能力单位可以避免排队。因此，批量决策和能力负担的减轻就很容易了。根据高计划等级所提供解决方案的结构，低计划等级将把订单分配到属于资源组的各个资源。（如机器设备）上，并进行排序。将计划任务分为两个计划层次还需要为订单的完成路径增加一些额外能力和灵活性。

对于具有依赖于顺序的调整准备期的（自动）流水线生产来说，将计划层次分成两级是不行的。

一方面使用大计划时间能力单位的计划等级不适合依赖于顺序的调整准备成本和时间的建模；

另一方面，排序决策和批量决策在这里是不能分割的，因为通常流水线的利用率是非常高的，并且各种产品（批量）会互相争夺那些不充足的生产资源。幸运的是，我们通常只考虑一个到三个生产阶段和为数不多的产品（或产品系列），所以生产计划和排程能够在单计划层次上运行。

如果始于一个时间容量的操作必须在这个时间容量末期完成，那么这一个时间容量被称为是大的，相应的模型被称为大容量模型。因此，计划逻辑假设生产资源的调整准备状态无法从一个时期一直保持到下一个时期，通常，在生产资源的一个大时间容量里会不只一次地进行生产调整准备。一般大容量模型对应的是资源组模型。

在具有小时间容量的模型中，生产资源的调整准备状态会一直保持下来。因此，与大时间容量模型的方案相比，小时间容量模型的解决方案会产生较少的调整准备期和准备成本。通常来说，在生产资源小的时间容量中最多会产生一次生产调整。一般小时间容量模型对应的是具体资源模型。

将资源汇总成资源组会自动生成大容量模型，这是因为我们不知道单个资源的调整准备状态和它的运作分配情况。

然而，尽管大时间容量的生产计划是可行的，但我们也可能无法将这一生产计划分解成各个具体生产资源的生产排程。这种情况会在下列情况下出现

-依赖于顺序调整准备时间；

-资源组的载荷；

-两项连续操作之间零时间单位的提前期偏置。

我们在大容量模型中无法恰当地表示依赖于顺序调整准备时间，因为时间容量内的载荷不用排序。通常我们都会为调整准备期储备一定比例的生产能力，但这一比例既可能太大也可能太小。太大会导致不必要的较长订单计划通过时间，而太小又会导致不可行的排程。所以在把生产计划分解成排程之前，我们无法知道所选择的调整准备期比例是否正确。

另一种不可行的分解状况通常与资源组有关。假定两个生产资源汇总成一个生产资源组，一个资源的时间容量为三个时间单位，因此生产资源组的能力是六个时间单位。每一项操作都需要一时间单位的调整准备期和一时间单位的处理期。因此，我们就有可能在大时间容量中装载整个三项操作了。然而这种分解方法是不可行的，因为分割一项要在两台机器设备上实施的操作需要增加一时间单位的调整准备期，第三项操作就超出了一台机器设备的时间能力。

为了克服这一难题，我们可以将生产资源的能力减少至五个时间单位（为低计划层次产生一时间单位的闲散时间）。结果我们只能在一个时间容量中装载三项操作中的两项。然而，我们需要牢记，这样会延长订单的计划通过时间。

对于一个在各个生产阶段上都存在多个潜在瓶颈的多阶段生产系统来说，如果一个订单需要同一大时间容量中装载的两项连续操作，就可以产生不可行的排程。尽管对每项单独的操作来说一个时间容量是足够的，但是那种允许在同一时间容量内实施两项操作的排程仍然是不可行的（假设禁止交叉操作）。

因此，必须仔细考虑在给定的情况下上述哪种汇总方式更有意义。通常来说，这一问题的答案取决于生产方式。当然，具有中间时间容量的计划层次会减少需要同时处理的细节和数据的量，但为了保证系统的正常运行也会需要一些计划的闲散能力，这样又会带来不必要的计划通过时间。为了综合大容量模型和小容量模型的优点，我们提出了第三种方法，具有连接批量的大时间容量。

这里，我们在一个时间容量内可以处理几个批量，而不考虑各批量的顺序（因此是大容量模型）。然而，我们在这一时间容量中选择出的“最后”批量，能够与下一个时间容量的“第一个”批量连接在一起。如果这两个批量都与同一种产品有关，那么就可以节省出一个调整准备期。这种效应的影响看起来只是边缘的，然而它却允许在仅产生一次初始调整准备的两个或更多的时间容量内建立生产批量的模型，就像在小容量模型中一样。

在这里我们需要提到第四种方法，这种方法完全不使用时间容量，相反，它需要考虑连续的时间轴。尽管这是最精确的模型，但通常需要最大的计算量。

二、计算量的限制

为了得出最优的生产排程，我们必须牢记，通常存在很多种可替换的方法用来对一种生产资源处理的订单进行排序（但其中只有少数是可行的）。

理论上讲，对n个需要在一种生产资源上处理的订单来说，我们应当评价n!种不同的顺序。对于五个订单来说，我们可以很快地完成所有的组合的检查（5！=120），然而要检查十个订单的所有组合（10！）就需要花费大量的时间，并且根本不可能在合理的时间限制内完成20个订单的所有组合的检查（20！）。

此外，如果我们能够平行的多个资源中，有其它的选择，可行的排序方法数目会迅速增加。尽管已经开发了强大的求解算法来减少寻找好的解所需评价的解的数量，随着排程中订单数量的增加，计算量也会迅速增加。

幸运的是，通常我们不需要从头制定一个全新的生产排程，因为先前的排程的一部分通常是固定的（如落入封冻期内的订单）。同样，将生产计划和排程分解成两个计划层次也会减少在低计划层次上需要制定的可行顺序的数量。因为在大时间容量内分配订单的行为需要在高计划层次上执行。同样，决策者所做的增量计划或部分顺序的重新优化也会限制计算量。

三、制造行业特性

APS系统可以考虑不同行业的解决方案。APS的主要着眼点是工序逻辑约束和资源能力约束，物料和工序流程紧密联结，各种优化规则，计算最早可能开始时间和最迟可能开始时间，物料可重分配和可替代,资源可重分配和可替代。计划排程考虑柔性缓冲抗扰度,考虑成本优化约束,考虑非确定流程和统计概率论，考虑多种优化方案的模拟比较分析等。

当设定营运目标及规划生产资源时会基于所处的竞争环境及核心竞争力来决定其资源分配的模式，因此，对于APS系统的需求及适用性也因此有了不同的计划方式。 大致而言，APS系统可区分为以物料计划为导向及产能计划为导向两种:

1、物料计划导向

当产业属于原物料取得不易、原物料成本价格起伏剧烈且产品生命周期极短的模式，对于详细的作业排程较不注重而著重于投入产出的计划时，其排程计划系统则适用以高级物料规划(Advance MRP)为主，以高级产能计划(Advance CRP)为辅的排程系统，如: 电子装配业、系统组装业、服饰业等。

2、产能计划与详细作业排程导向

当产业属于制程复杂且设备成本高昂，企业营运目标追求的是高设备移动率、低存货水准及高产出的绩效，如何详细且完全考虑产业制程特性、排程限制与派工法则以规划出各设备日排程成为生管人员主要的工作任务时，其排程规划系统则适用以产能计划与详细作业排程导向之排程规划系统，如:半导体产业、光电产业、PCB产业及光碟产业等。

四、常用计划排程算法逻辑

制造现场充满变动，排程就像是下一盘棋：计划导向排程好比是事先决定每一步走法而不动态考虑对手下一步；现在实时派工虽能动态回应对手，但因区域性而不能综观全局。

APS系统内建模拟探索演算法逻辑，将排程经由模拟推演现场未来每一决策点的状况，在考虑该点当时的约束及未来的状况，计算出每一决策点最佳可能的决策，排程使用探索演算法模拟现场产生，而不是经由数学模式解得。其与“计划性排程”比较，较直觉可行，不易受到与现场不一致的约束影响，而与“实时派工”比较，无区域性，能对资源作较有效计划，而达到企业追求高设备效率、高产出率及低存货库存的营运目标。

以往，碍于传统信息科技能力（包括处理速度与储存能力）的限制，企业应用数学规划（例如线性规划Linear Programming）及系统模拟（Simulation）等技术来解决生产计划与排程问题时，无论在计划时间或计划效益上均不易达成预定目标。然而由于信息科技的长足进步，大幅提升企业运用高级计划技术于生产计划与排程的可行性，APS系统的倡导与日趋普及即是一最佳范例。

一般而言，APS系统所应用到的规划技术可概略分为三类，分别为数学模式（mathematical model）、网络模式（network-based model）与模拟方法（simulation-based approach）。兹说明如下：

1、数学模式：首先建立数学模式，进而求解。

优点：目标明确且可求得最佳解。

缺点：可能得到不可行的解。重复性作业较多且较为稳定的连续型程序式生产环境。

2、网络模式 ：由上而下的计划方式。

优点：避免冲突、预知瓶颈资源，生产与物料供给同步化。

缺点：较不重视机器设备使用效率的提升。以顾客订单为主要考虑因素的生产环境。

3、模拟方法：由下而上的规划方式。

优点：较佳的机器设备使用效率。

缺点：较难达到整体最佳化的目的。重视机器设备使用效率之资产密集产业。

五、APS系统的经典特色

1、同步计划(synchronized planning)

根据企业所设定的目标(例如：最佳的顾客服务)，同时考虑企业的整体供给与需求状况，以进行企业的供给计划与需求计划。

2、考虑企业资源限制下之最佳化计划

在进行生产计划时能够同时考虑到企业约束与目标，以拟定出一可行且最佳化的生产规划。

3、实时性计划

信息科技的发展使得生产相关资料能即时的取得，而APS系统能够利用这些即时性资料，进行即实时的计划(real time planning)，使得计划人员能够即时且快速的处理类似物料供给延误、生产设备当机、紧急插单等例外事件。

4、辅助智能优化决策能力

可提供计划人员进行事前模拟分析或是事后规划结果的分析比较，以帮助计划人员作出正确的决策。

整体而言，APS系统扮演生产计划与排程功能，以支持生产计划人员智能的制订相关决策。目前，各APS软件供应商所提供的APS系统在功能与适用行业类等方面均各有特色，企业应审慎的检视与了解企业本身的特性与需求后，再选择最能够符合需求的APS系统，必须与企业的其他相关系统(例如：ERP与MES等)有效整合，才能发挥企业资源整合的效益，达到快速回应顾客需求的目的。