陳晨 王源濤 王儒鵬 劉鑫

摘要：目前，許多企業(yè)開始在其信息系統(tǒng)上引入計(jì)劃和排程功能，甚至引入高級(jí)計(jì)劃和排程（APS）系統(tǒng)，特別是疫情期間，供應(yīng)鏈的不完善，讓企業(yè)意識(shí)到計(jì)劃和排程功能的價(jià)值。計(jì)劃和排程軟件解決方案可以根據(jù)當(dāng)前和可預(yù)測(cè)性的一定范圍內(nèi)供應(yīng)鏈的情況有效地制定實(shí)際的生產(chǎn)計(jì)劃，以保證交期。本文的目的是從供應(yīng)鏈管理（SCM）的角度分析高級(jí)計(jì)劃和排程（APS）系統(tǒng)的功能及其系統(tǒng)架構(gòu)，并提出APS系統(tǒng)軟件分類框架，以方便各種解決方案之間的比較。

關(guān)鍵詞：疫情；供應(yīng)鏈管理；計(jì)劃和排程；APS

1 引言

全球經(jīng)濟(jì)形勢(shì)的劇烈變動(dòng)以及疫情等特殊時(shí)期引發(fā)的經(jīng)濟(jì)內(nèi)循環(huán)的常態(tài)化，都對(duì)企業(yè)的供應(yīng)鏈體系產(chǎn)生了巨大的變革。因此，大多數(shù)企業(yè)都在努力將其現(xiàn)有供應(yīng)鏈體系更改為敏捷的、以產(chǎn)品和客戶為導(dǎo)向的結(jié)構(gòu)，以在競爭激烈的全球業(yè)務(wù)環(huán)境中生存[1]。

在當(dāng)今瞬息萬變的制造環(huán)境中，生產(chǎn)計(jì)劃和排產(chǎn)在及時(shí)按時(shí)交貨并優(yōu)化分配資源方面起著至關(guān)重要的作用。在典型的制造組織中，生產(chǎn)計(jì)劃和排產(chǎn)是一系列基于企業(yè)自身包括供應(yīng)鏈和生產(chǎn)制造等的復(fù)雜的決策，取決于許多因素，例如產(chǎn)品數(shù)量、產(chǎn)品復(fù)雜性、生產(chǎn)地點(diǎn)數(shù)量以及每個(gè)生產(chǎn)地點(diǎn)的工作中心數(shù)量[2]。

生產(chǎn)和計(jì)劃處理整個(gè)供應(yīng)鏈生產(chǎn)過程中的短期決策，其本質(zhì)是在客戶訂單和有限資源之間尋求平衡。生產(chǎn)計(jì)劃通常通過確定要執(zhí)行的訂單并確定數(shù)量和時(shí)間上這些訂單所需的能力和物料來履行其功能。

另一方面，生產(chǎn)計(jì)劃的功能是在一定情況下根據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃的條件提供訂單的下達(dá)和執(zhí)行，即，生產(chǎn)調(diào)度是在計(jì)劃中選擇特定時(shí)間段的制造資源并將其分配給計(jì)劃中的制造過程的過程[3]，供應(yīng)鏈將提供計(jì)劃和排產(chǎn)功能中的物料資源。

疫情期間，供應(yīng)鏈的不完善，使很多企業(yè)遲遲不能開工，承受了巨大的經(jīng)濟(jì)損失，也使很多企業(yè)認(rèn)識(shí)到基于供應(yīng)鏈管理的角度去看待生產(chǎn)計(jì)劃和排產(chǎn)功能的重要性。因此，很多企業(yè)在原有的信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)上引入了APS系統(tǒng)來生成貼合實(shí)際生產(chǎn)的可執(zhí)行的生產(chǎn)計(jì)劃，并根據(jù)供應(yīng)鏈的變動(dòng)，實(shí)時(shí)調(diào)整，滿足市場(chǎng)需求。

本文從供應(yīng)鏈管理（SCM）的角度分析APS的功能及其系統(tǒng)架構(gòu)，并提供APS解決方案分類框架，以方便各種解決方案之間的比較。

2 基于供應(yīng)鏈視角的現(xiàn)有APS軟件架構(gòu)分析

全球競爭加劇和疫情等突發(fā)情況，導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)發(fā)展的不確定性增大。當(dāng)經(jīng)濟(jì)不確定性占主導(dǎo)地位時(shí)，生產(chǎn)成本上升且消費(fèi)者的偏好發(fā)生變化，因此制造商必須不斷提高企業(yè)績效，發(fā)現(xiàn)并抓住機(jī)遇。為了在瞬息萬變的環(huán)境中生存，組織需要改進(jìn)和創(chuàng)新其業(yè)務(wù)流程。業(yè)務(wù)流程是一組有序的相關(guān)，結(jié)構(gòu)化的活動(dòng)，這些活動(dòng)表示一段時(shí)間內(nèi)組織內(nèi)工作的完成方式[4-5]。最近，對(duì)于成功的業(yè)務(wù)流程創(chuàng)新而言，供應(yīng)鏈管理（SCM）的概念已變得越來越重要。供應(yīng)鏈（SC）是一個(gè)組織網(wǎng)絡(luò)，通過不同過程和活動(dòng)中的上游和下游聯(lián)系參與，以最終消費(fèi)者手中的產(chǎn)品和服務(wù)形式產(chǎn)生價(jià)值[6]。

供應(yīng)鏈管理的任務(wù)是將供應(yīng)鏈中的組織單位整合在一起，并協(xié)調(diào)物料，信息和財(cái)務(wù)流，以滿足客戶的需求，以提高SC的整體競爭力。如圖1所示，定義了SCM的基本架構(gòu)。SCM架構(gòu)頂層描繪了SCM的最終目的，即提高SC整體的競爭力。供應(yīng)鏈管理機(jī)構(gòu)的屋頂基于兩個(gè)支柱：“組織單位的整合和流程的協(xié)調(diào)”。左支柱（集成）包括合作伙伴的選擇，網(wǎng)絡(luò)組織/組織間的協(xié)作和領(lǐng)導(dǎo)力。正確的支柱（協(xié)調(diào)）包括信息/通信技術(shù)的使用，流程導(dǎo)向和高級(jí)計(jì)劃。

從圖1不難看出，APS（高級(jí)計(jì)劃和計(jì)劃）是SCM架構(gòu)的主要組成部分。APS是一種制造管理過程，通過該過程可以最佳地分配原材料和生產(chǎn)能力以滿足需求。APS特別適合于較簡單的計(jì)劃方法，無法充分解決相互競爭的優(yōu)先級(jí)之間復(fù)雜多變的環(huán)境進(jìn)行計(jì)劃。

實(shí)際上，自20世紀(jì)70年代APS系統(tǒng)就代表了制造業(yè)領(lǐng)域規(guī)劃方法的自然演變。第一種系統(tǒng)方法是物料需求計(jì)劃（MRP），后來演變?yōu)橹圃熨Y源計(jì)劃（MRP II）、分銷資源計(jì)劃（DRP），然后在20世紀(jì)90年代發(fā)展為企業(yè)資源計(jì)劃（ERP）系統(tǒng)。

APS系統(tǒng)的出現(xiàn)填補(bǔ)了ERP系統(tǒng)的空白，ERP系統(tǒng)基本上是事務(wù)系統(tǒng)，而不是計(jì)劃系統(tǒng)。ERP的規(guī)劃能力雖然是規(guī)劃過程的基礎(chǔ)，但如果不被APS系統(tǒng)利用，則會(huì)受到限制。

很多知名的軟件自動(dòng)化公司，如SAP、西門子、Oracle、GE和Asprove等都開發(fā)了適應(yīng)于不同行業(yè)不同業(yè)務(wù)場(chǎng)景的APS系統(tǒng)，但是他們都有一些通用的軟件模塊組成，每個(gè)軟件模塊涵蓋一定范圍的計(jì)劃任務(wù)。

APS系統(tǒng)已由不同的軟件公司在不同的時(shí)間點(diǎn)獨(dú)立啟動(dòng)。然而，可以識(shí)別出大多數(shù)APS系統(tǒng)的通用結(jié)構(gòu)。APS系統(tǒng)通常由幾個(gè)軟件模塊組成，每個(gè)軟件模塊涵蓋一定范圍的計(jì)劃任務(wù)。

供應(yīng)鏈體系的計(jì)劃管理，它是一個(gè)二維矩陣，具有計(jì)劃層次結(jié)構(gòu)的軸（長期、中期和短期）和主要的SCM流程（采購、生產(chǎn)、分配和銷售），因此通用APS系統(tǒng)架構(gòu)是通過使用獨(dú)立于廠商的名稱來建立這些名稱，這些名稱試圖表征各個(gè)軟件模塊的基礎(chǔ)計(jì)劃任務(wù)，如圖2所示。APS系統(tǒng)架構(gòu)由9個(gè)模塊組成，其中最為核心的兩個(gè)模塊分別為生產(chǎn)計(jì)劃（Planning）和生產(chǎn)排產(chǎn)（Scheduling）。

如圖3所示，展示了SAP的基于APO的APS系統(tǒng)架構(gòu)[9]，如圖4所示，顯示了基于Oracle的SCM解決方案的高級(jí)計(jì)劃和排產(chǎn)（APS）系統(tǒng)架構(gòu)[10-11]。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，SAP在其APS系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)中未提供戰(zhàn)略性網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃功能。其計(jì)劃和排產(chǎn)功能稱為“生產(chǎn)計(jì)劃和詳細(xì)計(jì)劃”。而Oracle SCM解決方案不提供采購和物料需求計(jì)劃功能。它的計(jì)劃和排產(chǎn)功能在其體系結(jié)構(gòu)中稱為“生產(chǎn)計(jì)劃”。

通過研究Oracle和SAP的APS架構(gòu)，提出更為廣泛應(yīng)用的基于SCM的APS系統(tǒng)架構(gòu)。

3 APS系統(tǒng)功能及其架構(gòu)

基于供應(yīng)鏈的APS系統(tǒng)處理SCM生產(chǎn)過程中的短期決策。APS的本質(zhì)是在客戶訂單和有限的資源之間尋求平衡。

高級(jí)計(jì)劃和排產(chǎn)系統(tǒng)（APS）的解決方案，其核心依靠計(jì)劃調(diào)度算法，一般計(jì)劃調(diào)度算法分為兩類，如圖5所示：①精確解法，包括數(shù)學(xué)規(guī)劃、分支界定方法，LP（線性編程）和混合整數(shù)編程等，但因?yàn)閷?shí)際企業(yè)的生產(chǎn)制造過程都是極其復(fù)雜的，很難在有限的時(shí)間內(nèi)求解出精確解，所以很少采用精確解法；②近似解法，這是APS系統(tǒng)求解的最為常見的方法，包括構(gòu)造方法、人工智能方法、系統(tǒng)仿真法和計(jì)算智能算法（元啟發(fā)式）等。

其中，APS算法最為廣泛使用是元啟發(fā)式算法（計(jì)算智能算法）如[13]：遺傳算法、蟻群算法、蜜蜂算法、電磁樣算法、模擬退火、禁忌搜索和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。例如，文獻(xiàn)[14]采用了基于禁忌搜索改進(jìn)的人工蜂群算法解決了PCB生產(chǎn)的調(diào)度優(yōu)化問題，即最大化生產(chǎn)量并最小化總裝配時(shí)間和磁頭移動(dòng)距離。在這項(xiàng)研究中，使用改進(jìn)的人工蜂群算法研究了三個(gè)問題，自動(dòng)換嘴器分配問題、噴嘴分配問題和組件取放順序問題，以提高貼片機(jī)的生產(chǎn)效率。 Zhang和Wong開發(fā)了一種改進(jìn)的蟻群優(yōu)化（E-ACO）算法，以解決作業(yè)車間環(huán)境中的集成過程計(jì)劃和調(diào)度問題，結(jié)果表明，通過對(duì)ACO算法進(jìn)行特定的修改，它能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)生令人鼓舞的性能，勝過許多其他元啟發(fā)式方法。

另一種分類框架將APS解決方案方法分為兩種類型：優(yōu)化和模擬。在給定的時(shí)間段內(nèi)，優(yōu)化方法找到了一種最佳解決方案，該解決方案是資源和產(chǎn)品的組合。它稱為靜態(tài)組合優(yōu)化方法，通常應(yīng)用LP算法或混合整數(shù)編程算法，如西門子的APS系統(tǒng)Preactor。另一方面，仿真方法定義了稱為“句柄”的決策變量，例如步驟目標(biāo)、設(shè)備布置和調(diào)度規(guī)則。它根據(jù)處理狀態(tài)連續(xù)尋找最優(yōu)解來改變決策變量，被稱為動(dòng)態(tài)最優(yōu)反饋控制方法[16]。

在APS系統(tǒng)中，必須適當(dāng)且及時(shí)地做出兩種主要的決策類型：①何時(shí)將大量產(chǎn)品投入生產(chǎn)（計(jì)劃決策）；②下一臺(tái)設(shè)備應(yīng)該做什么工作的決策（調(diào)度）決定。

為了給這些決策提供良好（或最佳）的解決方案，APS系統(tǒng)所需的功能總結(jié)為3個(gè)主要功能：①通過生成訂單的輸入/輸出順序來確定資源上的最佳任務(wù)順序；②最佳分配有限資源來完成一組訂單；③消除工廠瓶頸和產(chǎn)能調(diào)整。

此外，作為軟件系統(tǒng)，PP&S系統(tǒng)的軟件體系結(jié)構(gòu)由 5個(gè)模塊組成，如圖6所示：①對(duì)諸如機(jī)器、工藝路線、零件和布局等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)管理；②計(jì)劃生成器；③計(jì)劃調(diào)度進(jìn)度編輯器；④計(jì)劃調(diào)度性能評(píng)價(jià)器；⑤用戶界面。

4 APS系統(tǒng)解決方案分類框架

全球APS系統(tǒng)的供應(yīng)商不少。為了評(píng)估和相互比較他們的功能，便于企業(yè)選擇適合的APS系統(tǒng)，需要建立APS系統(tǒng)解決方案分類框架。對(duì)此，本文基于以下3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)APS系統(tǒng)框架進(jìn)行分類，如圖7所示。

（1）根據(jù)SC計(jì)劃矩陣的計(jì)劃范圍分為3種類型

1）企業(yè)及企業(yè)集群級(jí)：支持整個(gè)企業(yè)的SCM體系的長期、中期和短期計(jì)劃決策。

2）工廠級(jí)：在工廠范圍內(nèi)支持中、短期計(jì)劃決策。

3）車間級(jí)：支持車間級(jí)的短期計(jì)劃決策。

（2）解決方法分為兩種

1）基于優(yōu)化。

2）基于仿真。

（3）軟件類型分為2種類型

1）應(yīng)用軟件：特定領(lǐng)域的類型。

2）基礎(chǔ)設(shè)施軟件：一種通用類型，可為廣泛使用的算法提供解決方案，例如ILOGCPLEX優(yōu)化包[20]。

在本文中，選擇了全球10種主流的APS系統(tǒng)解決方案，并根據(jù)表1中所述的分類框架對(duì)其進(jìn)行了評(píng)估。10款A(yù)PS系統(tǒng)解決方案對(duì)比見下表。

全球競爭化的加劇以及新冠肺炎疫情等突發(fā)情況對(duì)企業(yè)供應(yīng)鏈體系帶來了巨大的沖擊。此外，能源、材料、勞動(dòng)力和資本成本的不斷上漲，客戶需求逐漸趨向于個(gè)性化，變更頻繁。這些都要求企業(yè)擁有更為敏捷更為智能的供應(yīng)鏈體系和計(jì)劃排產(chǎn)方法。而數(shù)字化和智能化技術(shù)的成熟和完善恰好補(bǔ)足這一需求。企業(yè)的發(fā)展不得不去擁抱數(shù)字化和信息化的技術(shù)，以滿足市場(chǎng)需求。

在這些情況下，APS解決方案在滿足到期日以留住客戶方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用，而這項(xiàng)任務(wù)之所以如此困難，是因?yàn)樵谧屑?xì)考慮許多相互作用的約束條件后，它應(yīng)該有效地利用資源容量。因此，許多企業(yè)正在尋找適合APS的軟件解決方案。

5 結(jié)束語

本文從供應(yīng)鏈管理的角度對(duì)APS的功能及其系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行了回顧和闡明。同時(shí)，基于這些結(jié)果，提出了一種APS解決方案分類框架，以比較分析各種APS系統(tǒng)解決方案的優(yōu)劣，遴選出適合企業(yè)自身的APS系統(tǒng)解決方案。在該框架內(nèi)，根據(jù)特性對(duì)幾種APS解決方案進(jìn)行分類和定位。通過使用此框架，考慮在制造公司中引入計(jì)算機(jī)化APS解決方案的人員可以準(zhǔn)備評(píng)估和基準(zhǔn)表，以輕松便捷地選擇最合適的解決方案。

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