大規(guī)模定制下基于改進(jìn)GBOM的物料需求計劃模型

單汨源，姜容，宋澤宇

（湖南大學(xué)工商管理學(xué)院，長沙410082）

大規(guī)模定制下基于改進(jìn)GBOM的物料需求計劃模型

單汨源，姜容，宋澤宇

（湖南大學(xué)工商管理學(xué)院，長沙410082）

文章以產(chǎn)品族為對象，以改進(jìn)后GBOM為基礎(chǔ)，對比傳統(tǒng)MRP，基于預(yù)測需求、客戶訂單、可存等變量的邏輯運(yùn)算，構(gòu)建了GMRP模型。通過GMRP生產(chǎn)活動流程分析，推導(dǎo)出GMRP兩階段運(yùn)算過程，即面向類BOM結(jié)構(gòu)節(jié)點的BOM中心算法階段和選擇樹的選擇子集前序遍歷階段。

大規(guī)模定制；按訂單裝配；類物料清單；物料需求計劃

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，需求多樣、反映敏捷、競爭激勵等市場特征使得傳統(tǒng)生產(chǎn)模式下的大批量生產(chǎn)已難以滿足現(xiàn)代用戶對產(chǎn)品多樣化的需求，而傳統(tǒng)定制化企業(yè)存在著生產(chǎn)周期過長、產(chǎn)品品種有限、制造成本較高等問題。大規(guī)模定制生產(chǎn)模式的提出，解決了許多傳統(tǒng)生產(chǎn)模式中的問題，以大規(guī)模生產(chǎn)的成本和速度，為單個顧客或小批量多品種市場定制任意數(shù)量的產(chǎn)品及服務(wù)。然而，伴隨大規(guī)模定制模式對傳統(tǒng)產(chǎn)品BOM結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)計劃生成機(jī)制影響程度的加深，傳統(tǒng)MRP顯露出不適應(yīng)性[1]。

物料需求計劃（MRP）是制造業(yè)ERP的核心思想，其基本原理是根據(jù)需求和預(yù)測來測定未來物料供應(yīng)和生產(chǎn)計劃，提供物料需求的準(zhǔn)確時間和數(shù)量。針對傳統(tǒng)MRP中基于單個產(chǎn)品的物料計劃模型的局限性，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了深入探討，相繼提出增/刪BOM、模塊化BOM、變體BOM和類（generic）BOM等技術(shù)。其中，類（generic）BOM表達(dá)了與產(chǎn)品族描述、配置相關(guān)的所有信息，主要由BOM結(jié)構(gòu)樹與選擇樹構(gòu)成，在處理多樣性產(chǎn)品和快速生產(chǎn)該BOM時具有里程碑式的進(jìn)步。與集中于生產(chǎn)技術(shù)的研究相比，針對生產(chǎn)管理方面的研究并不多見。雖然一些動態(tài)BOM和模塊BOM的研究在一定程度上降低了計算復(fù)雜度，產(chǎn)品配置器的設(shè)計也在一定程度上減少了數(shù)據(jù)冗余、縮短了計算反應(yīng)時間，但仍是以傳統(tǒng)MRP方式組織采購與生產(chǎn)，未能從源頭解決以產(chǎn)品族為對象的生產(chǎn)計劃協(xié)調(diào)問題[2]。

Hegge認(rèn)為大規(guī)模定制中的物料協(xié)調(diào)問題，可以借助GBOM的設(shè)計思想，從面向類產(chǎn)品的角度，利用產(chǎn)品族類零部件多變量與單變量的關(guān)系求解分析[3]。馬士華建議基于類的BOM等方法，提出新的計劃生成處理邏輯和功能模型，建立新的生產(chǎn)計劃生成機(jī)制[1]。學(xué)者們相繼提出了分層動態(tài)物料清單[4]、基于雙節(jié)分離式BOM的遞歸算法[5]等物料需求計劃模型。針對GBOM產(chǎn)品族模型存在產(chǎn)品族最底層選擇子集預(yù)測性欠佳、約束（配置規(guī)則）維護(hù)不靈活的不足，單汨源、宋澤宇等提出引入計劃百分比對現(xiàn)行GBOM模型予以改進(jìn)，使其更好地應(yīng)用于大規(guī)模定制的生產(chǎn)計劃之中[6]。本文主要探討基于改進(jìn)GBOM的物料需求計劃模型構(gòu)建，將研究范圍界定為按訂單裝配（ATO）的生產(chǎn)環(huán)境范圍內(nèi)，即在裝配階段實現(xiàn)產(chǎn)品定制，并綜合考慮訂單和計劃預(yù)測。

1 GM RP定義及流程

1.1 定義

本文以物料需求計劃核心——GBOM為源點，對大規(guī)模定制環(huán)境中類物料需求計劃（GMRP）概念進(jìn)行了完善，重新定義如下：GMRP，即類物料需求計劃，是一種以產(chǎn)品族（Product Family）為生產(chǎn)計劃對象，以GBOM（Generic Bill Of Material）為計劃基礎(chǔ)，通過預(yù)測需求、客戶訂單、庫存等變量的邏輯運(yùn)算，輸出采購計劃與制造計劃。

1.2 GMRP工作流設(shè)計

大規(guī)模定制生產(chǎn)活動因其自身定制模式的不同有很大區(qū)別。本節(jié)將主要通過大規(guī)模定制的生產(chǎn)計劃流程梳理，分析按訂單裝配模式下的GMRP運(yùn)算邏輯，見圖1。

具體步驟包括：首先，將對市場的分析作為需求預(yù)測的主要來源，與客戶訂單作為輸入信息將分別通過MPS系統(tǒng)向GMRP傳遞；其次，因系統(tǒng)需求變量的不同，預(yù)測需求與客戶訂單不宜簡單運(yùn)算，因此將物料需求計劃分為兩階段，一個是基于GBOM結(jié)構(gòu)的運(yùn)算，針對預(yù)測需求進(jìn)行類節(jié)點物料需求分解，一個是基于GBOM類節(jié)點選擇樹的運(yùn)算，對類節(jié)點預(yù)測需求分解，以及客戶訂單與類節(jié)點選擇子集的物料需求分解合并運(yùn)算；再次，根據(jù)ATP庫存求解凈需求，輸出采購作業(yè)計劃和車間作業(yè)計劃，將在制品或零部件存儲至倉庫中；最后，通過產(chǎn)品配置器輸出OBOM，組織成品裝配，滿足客戶個性化需求。

2 GM RP模型構(gòu)建

2.1 前提假設(shè)

根據(jù)大規(guī)模定制生產(chǎn)管理中GBOM的特點，考慮生產(chǎn)過程中客戶訂單需求不確定性因素的影響，對于以下幾個方面給出假設(shè)便于運(yùn)算。

假設(shè)1：企業(yè)生產(chǎn)能力不受限制，即生產(chǎn)能力可滿足所有的預(yù)測與訂單。

假設(shè)2：產(chǎn)品族類零部件各選擇子集保證固定的提前期與批量，且一致。

假設(shè)3：下達(dá)的客戶訂單均賦值最短交貨期，以便實現(xiàn)下單即組織裝配生產(chǎn)。

2.2 GMRP邏輯運(yùn)算

GMRP輸入信息包括：第一，主生產(chǎn)計劃，包含預(yù)測與客戶訂單兩部分；第二，類物料清單，含類零部件、產(chǎn)品族BOM結(jié)構(gòu)、變量集、間接確定方式、產(chǎn)品族選擇樹、配置規(guī)則（約束）及計劃百分比等信息，如圖2；第三，庫存可允諾量，尤其是關(guān)鍵物料。

GRMP的邏輯運(yùn)算分為GBOM結(jié)構(gòu)樹運(yùn)算和選擇樹分解運(yùn)算兩個部分。

（1）GBOM結(jié)構(gòu)樹運(yùn)算

針對主生產(chǎn)計劃的市場需求進(jìn)行預(yù)測，不考慮客戶訂單、庫存儲備量和預(yù)計接收庫存量（在途）信息的影響，借用BOM中心算法的思想對類物料清單的BOM結(jié)構(gòu)節(jié)點需求與時間進(jìn)行運(yùn)算。產(chǎn)品族虛擬時間與虛擬空間結(jié)構(gòu)，如圖3所示。圖中，各零部件位置移動表示的是時間進(jìn)程，此處采用平移的方法進(jìn)行表示。

第一階段的具體推算步驟如下：

首先，根據(jù)GBOM模型中BOM結(jié)構(gòu)樹，測算類零部件的虛擬時段需求（假設(shè)最頂層產(chǎn)品族的需求數(shù)量為1，投產(chǎn)時段為0）。

然后，訪問主生產(chǎn)計劃，計算市場預(yù)測需求。將GBOM表虛擬時段平移到預(yù)計生產(chǎn)階段（實際需求時段-產(chǎn)品生產(chǎn)周期，以周為單位），將GBOM表的虛擬數(shù)量乘以實際需求計劃的數(shù)量。

假設(shè)f、e庫存預(yù)測需求時間為第5周，則相應(yīng)實際開工周次為第2周，同理，可求其它零部件實際開工周次與實際完工周次，產(chǎn)品族B的預(yù)測需求為m，具體數(shù)據(jù)見表1。

表1 虛擬時段與實際時段預(yù)測需求表

從表1中的開工、完工時間可見，虛擬開工時間大于等于虛擬開工時間最早的類零部件不需要提前儲備，避免造成浪費，如類零件g、b、h與類部件（類產(chǎn)品）E、D、A、B；反之，則必須事前生產(chǎn)，如類零件c。

（2）GBOM選擇樹分解

對求解得出的類零部件進(jìn)行再分解運(yùn)算，求出最底層選擇子集裝配件的需求數(shù)量與時間，分為以下兩個部分。

首先，類零部件選擇樹預(yù)測分解。以產(chǎn)品族為對象，而非規(guī)格品種繁多的最終產(chǎn)品，根據(jù)市場預(yù)測及歷史數(shù)據(jù)分析，合理預(yù)測類零部件與選擇子集之間的計劃百分比，輔助GMRP實現(xiàn)類零部件的預(yù)測分解。

總需求量G（t）是指在t計劃期內(nèi)所有最終裝配項目的總耗用量，包含客戶訂單需求與市場預(yù)測需求兩個部分。其中，

t為時間段，t=1,2,3,…,n（周）；Ri(t)為該項目第i個父項在t計劃期的計劃下達(dá)訂貨量；qi為單位第i個父項所需該子項目的數(shù)量；n為該項目所有父項目的總數(shù)，i=1,2,3,…,n。

ai為最終裝配件類節(jié)點最終結(jié)構(gòu)數(shù)量比；ppi為最終裝配件累計計劃百分比；m為產(chǎn)品族預(yù)測數(shù)量；k為該項目其他類節(jié)點的總數(shù)。

如圖2，類部件A不僅僅繼承了父類產(chǎn)品族B的外部變量par1、變量值val11、val12以及選擇關(guān)系的計劃百分比pp0011、pp0012，還帶有著內(nèi)部變量par2、變量值val21、val22以及外部變量值與內(nèi)部變量值在選擇關(guān)系上的計劃百分比pp1121、pp1122、pp1221、pp1222；同樣，在類零部件c、b中也有相應(yīng)的變量、變量值以及選擇關(guān)系上的計劃百分比。其中，計劃百分比的取值范圍為[0,1]，且每一節(jié)點or選擇關(guān)系的計劃百分比和為100%，如pp1121+pp1122=100%，pp1221+pp1222=100%。由圖2可知，各變量值之間的映射關(guān)系及計劃百分比如表2所示。

通過分析，采用前序遍歷的方法，如圖4，可以很快求出類節(jié)點選擇樹下所關(guān)聯(lián)的全部選擇子集需求數(shù)量。

類零件C，選擇子集預(yù)測結(jié)果如表3所示。其它類零部件依照類零件C選擇子集分解的方法進(jìn)行測算，便可很容易計算出該產(chǎn)品族所有最底層選擇子集的預(yù)測數(shù)量。

表3 選擇子集預(yù)測需求分解

其次，選擇子集與訂單關(guān)系邏輯運(yùn)算。工作訂單中需要對每一個訂單在需求數(shù)量下達(dá)、產(chǎn)品零部件生產(chǎn)之前，判斷其與預(yù)測需求之間的關(guān)系，確定其是否包含于預(yù)測需求之中，再對產(chǎn)品族最底層類零部件實例進(jìn)行需求的合并或分解運(yùn)算，并對每一份訂單逐一重復(fù)上述過程。主要存在三種情況。

情況1：客戶訂單包含于預(yù)測之中，當(dāng)零部件客戶訂單需求數(shù)量小于等于相應(yīng)預(yù)測需求時，需要把預(yù)測需求中包含客戶訂單部分去除，毛需求等于剩余預(yù)測需求與客戶訂單的總和。

情況2：客戶訂單包含于預(yù)測之中，當(dāng)客戶訂單大于相應(yīng)客戶預(yù)測需求時，則在前一時段剩余預(yù)測需求中扣除；如果前一時段預(yù)測需求已經(jīng)全部消耗，則扣除前任一時段剩余預(yù)測需求；如果前所有階段預(yù)測需求全部消耗，則當(dāng)前期毛需求等于客戶訂單總需求。假設(shè)選擇子集S（c|par2=val21,par3=val31）為客戶訂單某產(chǎn)品分解零部件中實例，客戶訂單產(chǎn)品需求數(shù)量為n，則訂單對零件c的需求為12n，當(dāng)預(yù)測需求12m*（pp0011*pp1121+pp0012*pp1221）*pp2131包含12n時，剩余的預(yù)測需求為12m*（pp0011*pp1121+pp0012*pp1221）*pp2131-12n，選擇子集毛需求為12m*(pp0011*pp1121+pp0012*pp1221)*pp2131-12n+12n。

情況3：當(dāng)客戶訂單不包含在預(yù)測之中時，僅需要將客戶訂單各零部件的數(shù)量與對應(yīng)產(chǎn)品族的最終裝配件預(yù)測數(shù)量相加即可。

對訂單與預(yù)測需求關(guān)系進(jìn)行判斷后，檢查ATP庫存，判斷下單數(shù)量，與當(dāng)期生產(chǎn)計劃合并排產(chǎn)。其中：

凈需求量：

H（t-1）為t計劃期初（或上計劃期末）預(yù)計ATP庫存量，H（0）則表示最終裝配件整個計劃期初庫存量。

計劃下達(dá)訂貨量：R(t)=P(t+LT)(5)t=1,2,…,n-LT。LT是提前期，其余R(t)不確定。

ATP庫存量：

3 結(jié)論

大規(guī)模定制下的GMRP與傳統(tǒng)MRP在很多部分具有著相似性，它們在計劃中具有時間階段性，且每個時期均須保持需求和供給的相互平衡。但是，兩者相似卻不完全相同，其中最大的區(qū)別則在于對客戶訂單的處理。GMRP的需求與供給較傳統(tǒng)MRP略有區(qū)別，其中需求主要包含預(yù)測消耗后剩余獨立總需求、預(yù)測消耗后剩余相關(guān)總需求、客戶訂單數(shù)量，供給包括庫存量（ATP）、計劃接收釋放的采購與制造訂單、計劃但沒有釋放的制造與計劃訂單。GMRP與傳統(tǒng)MRP之間存在的差異，如表4所示，可見傳統(tǒng)的MRP算法已經(jīng)不能完全應(yīng)用于GMRP。

表4 GMRP與MRP差異分析表

本文研究的類物料需求計劃，是GBOM在離散型裝配企業(yè)中的新應(yīng)用與新發(fā)展。但是還有多處不完善，未來將在GBOM變量映射自動化、客戶訂單的分類合并方面進(jìn)一步加強(qiáng)研究。

[1]馬士華.顧客化大量生產(chǎn)環(huán)境下生產(chǎn)管理的新問題及共對策研究.管理工程學(xué)報,2000,14（3）.

[2]Mailharro D.A Classification and Constraint-based Framework for Configuration[J].AIEDAM,1998,12（4）.

[3]Hegge H.M.H.,Wortmann J C.Generic bill-of-material.A New Product Model[J].International Journal of Production Economics,1991,23（1）.

[4]周曉,馬士華.面向顧客化大量生產(chǎn)的MRPII改進(jìn)方案[J].工業(yè)工程,2002，（4）.

[5]葉紅朝,孫毅.基于雙階分離式BOM的物料需求計劃算法的研究與實現(xiàn)[J].現(xiàn)代生產(chǎn)與管理技術(shù),2006，23（4）.

F274

A

1002－6487（2011）07－0055-03

國家自然科學(xué)基金資助項目（70971036）

單汨源（1962-），男，湖南岳陽人，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向：運(yùn)營管理。

（責(zé)任編輯/浩天）