鋼鐵企業運營決策優化與支持系統

施燦濤 吳秀婷

(冶金工業規劃研究院綜合規劃處 北京100711)

·智能管理·

鋼鐵企業運營決策優化與支持系統

施燦濤①吳秀婷

(冶金工業規劃研究院綜合規劃處 北京100711)

介紹了鋼鐵行業產能過剩、需求低迷、利潤微薄的現狀，分析了鋼鐵企業生產經營的特點，總結了鋼鐵企業面臨的關鍵問題是“協調產銷矛盾，實現產銷平衡”，探討了鋼鐵企業決策優化與支持系統的特點、系統架構、系統功能和實施要點。系統能夠根據市場需求和企業生產能力約束，在綜合考慮經濟效益、綜合成材率以及設備利用率的前提下，對生產資源進行優化配置，為企業創造可觀價值。

鋼鐵生產 決策支持系統 資源配置 經營策略

1 引言

目前，全球制造業發展模式正在發生深刻變革，德國工業4.0、美國工業互聯網革命和我國當前推進的“兩化融合”，都表明信息網絡技術與制造業各領域的交叉融合正日益深入。新一輪的制造業變革，是結合互聯網信息通訊技術實現制造體系邏輯的全新顛覆。

智能制造是面向產品全生命周期，而不僅僅是生產流程的自動化。智能化和自動化的本質區別在于知識的含量，智能制造是基于科學而非僅憑經驗的制造，科學知識是智能化的基礎。智能制造以客戶產品數據、優化的制造工藝流程、協調的生產制造設備為核心，旨在高效、優質、清潔、安全、敏捷地制造產品和服務用戶的一種新的制造模式。

近年來，中國鋼鐵行業存在產能嚴重過剩、能源環保制約趨緊以及經營極為困難等問題，由粗放型增長轉向創新驅動增長已成為普遍共識[1-2]，鋼鐵工業亟需借助智能制造技術，構建功能完善、快速響應的物料供應鏈[3-4]。這就要求鋼鐵企業轉變生產管理模式，將自動化、智能化和信息化進行高度集成，從而實現敏捷制造和精細化管理[5]。目前來看，如何針對市場需求變化以及根據企業效益最大化原則動態優化產品組合和資源配置，是中國鋼鐵企業面臨的新課題[6]。鋼鐵企業運營決策優化與支持系統能夠根據市場需求和企業生產能力約束，在綜合考慮經濟效益、綜合成材率以及設備利用率的前提下，對生產資源進行優化配置[7]。

2 鋼鐵企業生產經營特點

鋼鐵生產制造過程非常復雜，包含采礦、選礦、冶煉、精煉、連鑄、熱軋和冷軋多個工序，每個工序均有相應的工藝約束和優化目標。

鋼鐵企業面臨的市場競爭日益激烈，企業生產經營呈現如下特點：

1)“個性化、定制化，多品種、小批量”，是鋼鐵企業生產組織的必然趨勢。

科技快速發展，工序持續改進，使得鋼鐵產品需求呈現多品種、小批量的趨勢。此外，客戶對最終產品需求的個性化、多樣化，使得傳統的“面向預測的大批量生產”方式，已經不能滿足市場的需求。為了減少庫存，節約成本和提高冶金設備利用率，企業生產必須轉變生產模式——由大批量生產方式轉變成多品種、小批量的生產方式。

2)“加強質量管理、降本增效、節能減排”，是鋼鐵企業發展生存的必然要求。

降低生產成本、實現節能減排，需求企業加強對原材料、能源、設備等資源的全面監控與調度，使現有資源發揮最大效益。同時，優化物流管理，減少產品庫存，減少對資金的不合理占用，并建立生產計劃與調度體系，優化運營決策與生產調度，提高產能利用率，提高合同兌現率。此外，產品質量是企業生存之本，強化生產質量的過程管理，實現質量PDCA循環，多快好省的生產出客戶滿意的產品。

3)“協調產銷矛盾、實現產銷平衡”，是鋼鐵企業一直面臨的關鍵問題。

鋼鐵行業產銷是一對矛盾的統一體。從市場銷售來看，需要進行多品種、小批量、按訂單生產的生產模式，并充分考慮客戶個性化需求，爭取最廣泛的細分市場。從生產角度來看，需要釋放企業的全部產能，達到產量的最大化。在鋼鐵行業，不能很好的協調產銷矛盾，會增加企業的生產成本，降低其經濟效益。因而，如何協調產銷矛盾，實現產銷平衡，既能很好的實現產能最大，又能很好的實現按單生產，成為每一個鋼鐵企業面臨的一個關鍵問題。

4)“產銷一體、管控銜接、三流同步”，是鋼鐵企業信息化的必然選擇。

如何實現產銷一體化、解決管控銜接問題，達到物流、資金流、信息流三流同步，是困擾鋼鐵企業生存和發展的重要問題。目前，一個較好的解決方案是不斷提升企業的生產管理水平，建立銜接產銷的信息系統。運用信息化的管理手段，通過優化技術合理組織和安排生產，建設“產銷一體、管控銜接、三流同步”的信息化系統，是鋼鐵企業擺脫困境、應對挑戰的必然選擇。此外，鋼鐵企業最為關注的也最難解決的是生產計劃與生產調度問題，采用運營決策優化與支持系統，可以為鋼鐵企業提供科學、合理、高效的決策結果，而這正是鋼鐵企業亟需的。

3 鋼鐵企業運營決策優化與支持系統

鋼鐵企業生產計劃體系劃分為能力與需求、訂單計劃、批量計劃和生產調度四個層次：能力與需求計劃是根據公司戰略規劃、市場需求分析預測和生產能力計劃等確定的公司中長期計劃；訂單計劃是對客戶訂單進行訂單評審、質量設計、要料設計和有限能力排產；批量計劃是針對冶鑄軋等這樣的生產工序進行組爐、組澆、組軋，編制爐次作業計劃、澆次作業計劃和軋次作業計劃等批量計劃；生產調度是根據現實工況對批量計劃進行生產調度并下達執行。

3.1 系統優勢

鋼鐵企業運營決策優化與支持系統以全局資源優化為目標，能夠為鋼鐵企業提供科學、高效、可行的解決方案。其主要優勢表現在：

3.1.1 降低生產成本，提高生產效率和設備的利用率

目前，絕大多數鋼鐵企業憑借人工經驗制定生產計劃，難以應對日益復雜的產品盈利能力、合同需求、工序產能等因素，在產品結構優化、工藝路線選擇、資源優化配置等方面，還存在很大的優化空間。鋼鐵企業運營決策優化與支持系統，綜合考慮企業生產、質量、銷售、成本、價格、庫存等因素條件，通過約束模型和優化決策算法，能夠有效的降低生產成本，實現運營決策的優化。系統在滿足生產工藝、工序產能、市場需求等約束條件下，結合產品盈利能力，優化產品結構和產能分配方案，實現企業效益最大化的目標。

3.1.2 決策優化高效，快速響應客戶需求

鋼鐵企業車間調度復雜多變，現場受生產計劃影響較大。工序的生產安排不合理，會造成工序之間的物流不平衡，部分設備處于空閑狀態，而另外一部分設備超過了負荷能力，降低生產收益。此外，由于車間生產的不確定性和客戶訂單的動態到達性，生產計劃不是一成不變的，需要及時調整。人工的調整策略不僅所需時間長，且調整缺乏科學性，造成生產車間準備工作和人員調度混亂，生產作業現場無序，造成生產阻滯。

鋼鐵企業運營決策優化與支持系統所建立的約束模型和優化決策智能算法，在滿足各種動態約束的基礎上，快速高效的對鋼鐵企業的運營過程進行決策。決策結果不僅滿足新的生產需求、客戶需求和市場需求，還兼具一定的穩定性。鋼鐵企業運營決策優化與支持系統，具有3秒快速計算、多方案對比、多種決策偏好、豐富的數據可視化效果、可與ERP(企業資源規劃)等實現系統集成等優勢，面對車間生產的動態特征，能夠快速響應客戶需求。

3.2 系統架構

鋼鐵企業的信息化系統自下而上可以分為三個層次，即自動化控制系統(PCS)、制造執行系統(MES)以及企業資源規劃系統(ERP)。MES銜接ERP和PCS系統，起著承上啟下、貫通協調的作用，是生產活動與管理活動信息溝通的橋梁。MES接收來自ERP系統的訂單信息，根據工藝規則等生成確定的指令信息，并將這些指令下發到PCS系統，由PCS系統控制生產過程；PCS系統將生產實績反饋給MES，MES一方面利用生產實績修正生產指令，同時將生產實績反饋給ERP系統。

圖1 鋼鐵企業運營決策優化與支持系統DFD圖

鋼鐵企業運營決策優化與支持系統，定位于ERP和MES之間，以提升鋼鐵企業經營管理水平、創造更大經濟效益為前提，將企業運營決策的管理過程，規范化、精細化、智能化和系統化，針對復雜的決策過程建立數學模型，采用智能優化算法進行求解，提供實用的數據管理、數據挖掘及決策分析手段，是一個覆蓋公司領導層和生產、銷售、采購、財務、質量、技術中心等業務部門的運營決策優化與支持系統。

在鋼鐵企業運營決策優化與支持系統中，生產部提供生產需求的相關數據，并確定產銷策略；銷售處提供銷售需求和客戶信息的相關數據；財務部提供產品價格、產品成本以及產品盈利情況的相關數據；設備部提供設備產能和設備檢修的相關數據；質量部提供不同產品的質量設計和工藝路線等相關數據。系統結合以上各部門提供的數據，通過建立相應的產品盈利模型、銷售需求模型、生產需求模型，計算得出產品的盈利、銷售需求和生產需求等信息，進而建立資源平衡模型，并采用約束滿足算法和智能算法對模型進行求解，輸出資源平衡計劃、生產運營計劃、銷售運營計劃以及KPI指標分析，為鋼鐵企業領導層、生產部、設備部、銷售部等提供運營決策支持。

3.3 系統功能

鋼鐵企業運營決策優化與支持系統的功能模塊主要有：盈利能力管理、銷售需求管理、生產需求管理和資源平衡管理等。

盈利能力管理模塊主要是對鋼鐵產品的盈利能力進行管理，由于市場環境的變動，鋼鐵產品的盈利能力定期更新，以滿足市場要求；銷售需求管理模塊包括銷售需求計劃和銷售約束文件，主要是按區域對各種鋼鐵產品的市場需求進行管理，并采用定期和不定期相結合的方式，更新市場需求情況；生產需求管理主要是對鋼鐵企業內部的設備生產能力、能源供應情況進行管理；資源平衡管理是運營決策優化與支持系統的核心功能，在綜合考慮產品盈利能力、市場需求和企業生產約束的基礎上，采用不同的產銷策略，給出科學、合理、最優的生產運營計劃和銷售運營計劃，以實現企業經濟效益的最大化。

圖2 系統功能結構圖

3.4 實施要點

生產計劃系統的流程為：訂單錄入→訂單分析(訂單拆分、產能檢驗、工藝路線選擇、優化)→訂單下達→訂單執行(異常信息處理)→訂單交付→訂單結算。其中，訂單分析中的優化和異常情況的處理是難點也是關鍵點。

鋼鐵企業在實施運營決策優化與支持系統時，需要關注以下幾點：①建立和完善運營決策的相關制度。通過流程分析，針對工作中的各個環節，全面梳理和完善運營決策業務方面的相關制度，包括交貨期、生產計劃的制定步驟、生產執行的責任制定等；②強化產供銷聯動和異常信息溝通。運營決策優化與支持系統離不開產供銷之間的信息互動，各部門就生產、質量、客戶要求等問題進行信息溝通和協調，有利于最大化的發揮運營決策優化與支持系統的作用；③標準化產品數據，數字化工藝流程、規范化業務流程。鋼鐵企業產品品種眾多，工藝流程復雜，在實施系統時，需要將鋼鐵產品的相關數據標準化，工藝流程和質量設計數字化，車間生產業務流程規范化，以夯實運營決策優化與支持系統的基礎支撐；④突出鋼鐵生產工業的特點，明確職能分工，加強生產過程的管控，實現從訂單接收、計劃排產、生產制造和執行發運的全流程管控。

3.5 預期效果

1)運營決策更加科學，生產調度更加高效有序。應用鋼鐵企業運營決策與優化系統，有助于鋼鐵企業制定科學、合理的運營決策，促使車間生產調度高效有序，降低企業生產成本，提高車間生產效率，增強企業競爭力。

2)優化產品結構，提升經濟效益。鋼鐵企業運營決策與優化系統，根據產品的盈利能力和市場需求，制定相應的生產計劃，可以進一步優化鋼鐵企業的產品結構，提升企業的經濟效益。

3)通過采用市場潛力預測和按單生產相結合的方式，優化生產組織管理，建立面向客戶、快速反應的精益生產系統，能夠初步實現生產制度完善、生產計劃嚴密、產銷聯動、異常信息受控、信息跟蹤實時的管理目標。

4)應用鋼鐵企業運營決策優化與支持系統，可以極大的提高訂單的履行率，同時科學、合理、最優的生產調度，不僅可以有效縮短產品交貨期，還可以給出準確的交貨日期，提高客戶滿意度。

4 結束語

現代管理科學的發展和計算機技術的應用促進了管理的變革，以信息分析和輔助決策為主要特征的決策支持系統正在取代傳統的以處理事務操作對象為主要內容的管理信息系統，為智能化分析、決策提供更加先進的管理手段。

鋼鐵企業運營決策優化與支持系統以提升鋼鐵企業經營管理水平、創造更大經濟效益為目標，將企業運營決策的管理過程規范化、精細化、智能化和系統化，是一個覆蓋公司領導層和生產、銷售、采購、財務、質量、技術中心等業務部門的運營決策優化與支持系統。

[1]郭朝暉.鋼鐵行業與工業4.0[J].冶金自動化,2015(7):1-6.

[2]姜曉東.關于中國鋼鐵產能過剩的若干思考與建議[J].鋼鐵,2013(10):1-5.

[3]李新創.推進鋼鐵產業升級支撐制造強國夢想[J].中國冶金報,2015(5).

[4]胡恒法.鋼鐵智能制造技術在鋼鐵行業的發展和展望[J].梅山科技,2014(6).

[5]薄紅光.支持過程協同的敏捷化制造執行管理案例研究——以東北特鋼集團為例J].管理案例研究與評論,2013(3).

[6]伍景瓊.多期決策下鋼鐵企業采購與生產庫存優化研究[D].四川：西南交通大學,2012.

[7]周秉利,張群.鋼鐵企業生產資源優化配置決策支持系統研究[J].冶金自動化,2012(1).

Decision Optimization and Support System for Production and Operation in Iron and Steel Enterprises

Shi Cantao Wu Xiuting

(China Metallurgical Industry Planning and Research Institute, Beijing 100711)

The current situation of iron and steel industry is overcapacity, sluggish demand and meager profits. The production and management features of iron and steel enterprise are discussed. Based on the key issue that coordinating production and marketing contradiction and achieving sales balance, the basic requirement, system structure, and system functions of the Decision optimization and support systemare presented. The system can allocate productive resources in an optimal way with constraints of demand and production capacity by considering profits, averaged yield, and machine utilization, Create considerabl value for the enterprises.

Steel production Decision support system Resources allocation Strategy for production operation

施燦濤，男，1979年出生，畢業于北京科技大學管理科學與工程專業，博士，工程師，主要研究方向：先進制造管理、生產計劃與調度及人工智能算法等

TF087

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10.3969/j.issn.1001-1269.2015.05.012

2015-07-25)