復(fù)雜定制化裝備生產(chǎn)計劃模式在信息系統(tǒng)中的實現(xiàn)

許昌加

（中國鐵建重工集團有限公司 湖南省長沙市 410100）

1 背景和意義

裝備制造業(yè)在國民經(jīng)濟發(fā)展中具有舉足輕重的地位。《中國制造2025》的出臺要求著力發(fā)展裝備制造業(yè)，提升裝備、制造智能化水平[1]。生產(chǎn)計劃模式是實現(xiàn)智能制造按需定制業(yè)務(wù)目標的重要組成部分，只有采用數(shù)字化、在線、適配的計劃模式才能真正實現(xiàn)智能制造；同時生產(chǎn)計劃是生產(chǎn)制造的核心職能，也只有通過制定科學(xué)、合理的生產(chǎn)計劃發(fā)現(xiàn)、消除生產(chǎn)瓶頸，減少中間浪費環(huán)節(jié)，提升生產(chǎn)順暢度、均衡性，縮短生產(chǎn)周期，才能更好滿足復(fù)雜定制化裝備的需求，實現(xiàn)對市場的快速反應(yīng)。傳統(tǒng)大規(guī)模制造、流水線生產(chǎn)、基于計算機的純MRPII 等都無法滿足復(fù)雜定制化裝備需求或者不具備實施條件。大部分地下工程、海洋裝備等大型裝備制造企業(yè)在做好產(chǎn)品設(shè)計的同時，也在積極探索智能制造新模式，通過數(shù)字化提升生產(chǎn)管理水平，但是由于產(chǎn)品的高度復(fù)雜性、個性化特征顯著，無論是生產(chǎn)計劃管理還是數(shù)字化轉(zhuǎn)型，成功、成熟的案例不多。本文基于多年生產(chǎn)計劃管理和數(shù)字化建設(shè)實踐，提出了基于項目網(wǎng)絡(luò)計劃和MRPII 的混合生產(chǎn)計劃模式，并通過信息化系統(tǒng)落地，已實現(xiàn)較好的應(yīng)用效果，對復(fù)雜定制化裝備行業(yè)的生產(chǎn)計劃管理和信息化建設(shè)具備一定參考和推廣意義。

復(fù)雜定制化裝備屬于大型單件或小批量離散式生產(chǎn)，具備以下一些典型特征[2]：

（1）復(fù)雜化。產(chǎn)品體積龐大、結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，物料清單（BOM）層級和數(shù)量龐大。

（2）技術(shù)含量高。兼具機械、電氣、液壓、聲、光、電等多種學(xué)科。

（3）個性化。由于裝備作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，對每臺設(shè)備要求可能都不一樣，產(chǎn)品個性化程度高。

（4）定制化。裝備高度個性化決定了幾乎每臺產(chǎn)品都必須重新設(shè)計，然后組織生產(chǎn)。

（5）修改頻繁。裝備作業(yè)環(huán)境無法精確界定，客戶參與產(chǎn)品全生命周期，在研發(fā)、生產(chǎn)、服役等業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)隨時會根據(jù)客戶需求修改。

（6）“三邊工程”。定制化設(shè)計加上修改頻繁，特別是為縮短交期提升市場競爭力，產(chǎn)品需要邊設(shè)計、邊生產(chǎn)、邊修改。

（7）生產(chǎn)周期長。一般需要幾個月甚至跨年。

（8）項目式生產(chǎn)。單臺產(chǎn)品生產(chǎn)多采用項目制方式，且多項目并行。

（9）工藝流程復(fù)雜。生產(chǎn)過程工序多、工藝流程復(fù)雜，主要包括下料、機加、焊接、部裝、總裝等典型環(huán)節(jié)，且為離散工位式生產(chǎn)，很難形成單臺流，下料、機加、焊接等制造環(huán)節(jié)主要依靠設(shè)備與人員，部裝、總裝等裝配環(huán)節(jié)主要依靠工位（大型場地）和人員。

（10）采購計劃類型多樣。零件品種和規(guī)格型號變化大且采購周期不一致，長周期物資為滿足交期需在簽約前或圖紙下發(fā)前即開始采購，基于主生產(chǎn)計劃的MRP 無法滿足需求。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

MRPII（制造資源計劃）是在MRP 的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，MRPII進一步擴展了計劃管理體系，含括了從宏觀到微觀，戰(zhàn)略到戰(zhàn)術(shù)的各層級計劃模塊，即：經(jīng)營規(guī)劃、生產(chǎn)規(guī)劃、主生產(chǎn)計劃、物料需求計劃、生產(chǎn)作業(yè)控制，五個計劃層次，其核心仍然是將企業(yè)的制造資源和經(jīng)營任務(wù)的需求進行平衡，以產(chǎn)品BOM 結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，統(tǒng)籌各類生產(chǎn)資源要素，如生產(chǎn)設(shè)備、人力資源、加工能力，以及外部物料供應(yīng)等，通過MRP 供需關(guān)系和能力平衡運算形成主生產(chǎn)計劃，進而逐層分解出下階作業(yè)計劃。MRPII 既是一種管理模式，也是一種信息系統(tǒng)，目前應(yīng)用比較成熟，是各類ERP 產(chǎn)品的核心功能。

傳統(tǒng)MRP/MRPII 解決方案，在應(yīng)用于復(fù)雜定制化裝備的生產(chǎn)實踐中時，面臨幾個應(yīng)用難題[3]：

（1）MRP/MRPII 需要完整的BOM 和工藝路線作為輸入，而如上1 分析，復(fù)雜定制化裝備邊設(shè)計、邊制造情況普遍，即使可以對部分發(fā)布BOM 運行MRP，但是無法生成未發(fā)布BOM 的生產(chǎn)節(jié)點，而多項目并行的生產(chǎn)模式，需要管理項目計劃的所有節(jié)點，即使某節(jié)點的BOM 沒有發(fā)布，依然需要基于產(chǎn)品生產(chǎn)節(jié)點、設(shè)計進度和產(chǎn)能進行整體項目計劃評估。

另外MRP 主要的運行模式是自頂向下逐層運算，在BOM 設(shè)計未完成情況下，BOM 不能發(fā)布，只能對發(fā)布的下層BOM 單獨運行MRP，這也提升了MRP 運行和計劃管理的復(fù)雜性。

（2）復(fù)雜定制化裝備往往采用項目制管理方式，涵蓋項目立項、設(shè)計研發(fā)、生產(chǎn)制造、成品發(fā)運、現(xiàn)場組裝調(diào)試等各環(huán)節(jié)，其中尤其是生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)高度離散，生產(chǎn)節(jié)點交錯情況多，且修改頻繁，傳統(tǒng)MRPII 很難對此業(yè)務(wù)進行逼真建模，更難滿足頻繁修改計劃節(jié)點需求。

（3）MRP/MRPII 基于無限產(chǎn)能的計劃排程，未考慮生產(chǎn)企業(yè)的實際人工、設(shè)備、工位等資源對計劃執(zhí)行的約束；復(fù)雜定制化設(shè)備在實際生產(chǎn)中，往往多個項目訂單同時進行生產(chǎn)，不同項目訂單的交期，生產(chǎn)周期不一致，在生產(chǎn)組織過程中，計劃管理部門既要考慮所有項目訂單的工期，物料供應(yīng)保障，場地占用、設(shè)備、人員等生產(chǎn)要素制約，還要考慮不同制造單元、分廠、供應(yīng)商之間的生產(chǎn)協(xié)同。因此必須引入排產(chǎn)算法和系統(tǒng)，實現(xiàn)多項目的產(chǎn)能平衡和計劃排程。

3 研究內(nèi)容與技術(shù)架構(gòu)

3.1 復(fù)雜定制化裝備混合生產(chǎn)計劃模型

主生產(chǎn)計劃：利用項目管理的思路，每臺主機為一個項目，構(gòu)建單臺主機采購‐制造‐部裝‐總裝‐調(diào)試‐驗收‐發(fā)運的整體節(jié)點計劃，每階段一個節(jié)點，每個節(jié)點可以根據(jù)管控粒度需要向下層分解。

項目網(wǎng)絡(luò)計劃：單項目主機生產(chǎn)計劃。

月度滾動計劃：多個項目網(wǎng)絡(luò)計劃經(jīng)過產(chǎn)能平衡后形成的多項目計劃。

物資計劃：主機或部件掛載在項目上，產(chǎn)生項目需求，經(jīng)過運行MRP 自動生成的計劃，包括自制計劃和采購計劃。

自制計劃：包括裝配（部裝、總裝）計劃、制造（下料、機加、焊接）計劃，兩者經(jīng)過產(chǎn)能平衡排產(chǎn)后形成生產(chǎn)作業(yè)計劃。

采購計劃：采購件采購計劃。

總體思路如下：

（1）將復(fù)雜定制化裝備生產(chǎn)計劃分為主生產(chǎn)計劃和物資計劃兩級。

（2）主生產(chǎn)計劃借鑒項目管理的思想，通過項目和WBS 構(gòu)建主機主要生產(chǎn)節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)計劃。每類產(chǎn)品設(shè)置一套項目模板，模板包括WBS 節(jié)點、節(jié)點節(jié)拍、節(jié)點之間關(guān)系、節(jié)點所需產(chǎn)能資源等要素。當(dāng)創(chuàng)建一個主生產(chǎn)計劃時，根據(jù)模板復(fù)制，并通過節(jié)點關(guān)系實現(xiàn)不限產(chǎn)能的預(yù)排。由于計劃編制和排程完全不需要BOM 和工藝路線，因此解決了BOM 分批次下發(fā)的問題。

（3）基于產(chǎn)能模型，將多個項目網(wǎng)絡(luò)計劃進行產(chǎn)能平衡，形成多項目滾動計劃。

（4）主生產(chǎn)計劃主要是大節(jié)點計劃，具體的生產(chǎn)、采購計劃指令依然通過物料管理方式。通過將主要部件物料掛載在項目節(jié)點下面，產(chǎn)生物料需求，通過MRP 運行產(chǎn)生物資計劃。物資計劃執(zhí)行的結(jié)果反寫項目節(jié)點的進度，從而為多項目計劃排程提供項目產(chǎn)能釋放的輸入。項目掛載哪些部件、掛在哪個節(jié)點根據(jù)具體的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、項目結(jié)構(gòu)、BOM 分批發(fā)放規(guī)律來定，一般來說掛載部裝件即可。

（5）通過MRP 運行出裝配計劃、制造計劃和采購計劃。通過對裝配計劃和制造計劃進行產(chǎn)能平衡排程形成生產(chǎn)作業(yè)計劃。

（6）復(fù)雜定制化產(chǎn)品物資種類多，為及時滿足制造和裝配需求，需要根據(jù)采購提前期對采購物資進行分類，對不同類的物資采取不同的計劃策略。具體方案在3.3.2 章節(jié)體現(xiàn)。

圖1：復(fù)雜定制化裝備混合生產(chǎn)計劃模型

3.2 主生產(chǎn)計劃

主生產(chǎn)計劃簡稱MPS，主要是為了提高銷售和經(jīng)營規(guī)劃與生產(chǎn)規(guī)劃的一致性，實現(xiàn)銷售與生產(chǎn)的平衡匹配[4]。在復(fù)雜定制化裝備制造企業(yè)中，按照典型的項目制進行生產(chǎn)，同時多個項目會并行生產(chǎn)，為了提高交貨的及時率和項目的整體把控能力，需要借助主生產(chǎn)計劃實現(xiàn)對項目節(jié)點計劃編制、執(zhí)行跟蹤等工作。按項目的實際建設(shè)過程，主生產(chǎn)計劃包括了項目立項、采購、制造、部裝、總裝、調(diào)試、發(fā)運等項目網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。圖2 是某復(fù)雜定制化裝備制造企業(yè)的主生產(chǎn)計劃結(jié)構(gòu)圖。

圖2：主生產(chǎn)計劃結(jié)構(gòu)圖

主生產(chǎn)計劃主要是為了核算生產(chǎn)制造對市場需求的滿足能力，能夠提前與客戶協(xié)商交期不能滿足的項目。根據(jù)客戶要求的交貨日期、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)模板、各節(jié)點標準節(jié)拍等要素編制主生產(chǎn)計劃，在制定主生產(chǎn)計劃后，在每個項目網(wǎng)絡(luò)節(jié)點分配生產(chǎn)資源信息。根據(jù)班組、工位等生產(chǎn)資源，實現(xiàn)基于有限產(chǎn)能的主生產(chǎn)計劃編排。在產(chǎn)品BOM、工藝數(shù)據(jù)下發(fā)后，生成工單與主生產(chǎn)計劃中的作業(yè)點關(guān)聯(lián)，獲取產(chǎn)能占用情況，通過報工及時釋放產(chǎn)能占用，為網(wǎng)絡(luò)計劃排程提供基礎(chǔ)。

3.3 物資計劃

在離散制造行業(yè)，主生產(chǎn)計劃和物資計劃是相輔相成，物資計劃由主生產(chǎn)計劃驅(qū)動產(chǎn)生，如圖3所示。

圖3：生產(chǎn)計劃與物資計劃

在項目網(wǎng)絡(luò)計劃中，將分批次發(fā)放的產(chǎn)品大部件掛載在相應(yīng)項目節(jié)點上，產(chǎn)生大部件需求，根據(jù)BOM 結(jié)構(gòu)，通過MRP 運算后產(chǎn)生大部件所有層級的物資計劃。根據(jù)自制件和外購件屬性劃分，又可分為自制件計劃和采購計劃。

圖9：項目節(jié)點掛裝物資

3.3.1 生產(chǎn)作業(yè)計劃

生產(chǎn)作業(yè)計劃顧名思義就是企業(yè)生產(chǎn)的具體執(zhí)行計劃，通過規(guī)劃各車間、工位、設(shè)備、班組、時間等資源組織企業(yè)的日常生產(chǎn)活動，充分協(xié)調(diào)相關(guān)資源，組織企業(yè)均衡生產(chǎn)，提高資源的利用率[5]。

在復(fù)雜定制化裝備企業(yè)中，生產(chǎn)作業(yè)計劃包括裝配計劃和零部件制造計劃，根據(jù)制造車間的生產(chǎn)能力，準確的排出生產(chǎn)車間的執(zhí)行計劃[6]。依據(jù)上層自制件物料需求計劃決定零部件的完成日期，從工藝路線中獲取設(shè)備機臺、工序節(jié)拍等資源，按照保證交付節(jié)點同時滿足設(shè)備最大利用率的原則，首先倒排出工序的作業(yè)計劃，第二步將超出預(yù)計時間的訂單轉(zhuǎn)正排并給出預(yù)計完成時間，第三步給出外協(xié)建議清單，第四步人為挑選外協(xié)訂單后重新進行工序作業(yè)排程計算，如圖4所示。最終將每個訂單分配到具體的設(shè)備、班組上，通過MES 系統(tǒng)的派工單，實現(xiàn)生產(chǎn)任務(wù)下發(fā)和完工匯報。

圖4：生產(chǎn)作業(yè)計劃流程圖

3.3.2 采購計劃

采購計劃按照物資類型和計劃模式，分為戰(zhàn)略物資計劃、長周期項目物資計劃、常規(guī)項目物資計劃、儲備物資計劃。

3.3.2.1 戰(zhàn)略預(yù)投物資

復(fù)雜定制化產(chǎn)品中某些關(guān)重件（一般為進口件）采購周期很長，如果在設(shè)計完成后再組織采購，則很可能影響產(chǎn)品按時交付，因此在有比較可靠的銷售預(yù)測信息后，即安排預(yù)先采購。

戰(zhàn)略物資預(yù)投計劃實現(xiàn)方案：

（1）根據(jù)銷售預(yù)測信息創(chuàng)建計劃獨立需求(PIR)，觸發(fā)生產(chǎn)或采購[7]；

（2）在項目立項和設(shè)計完成后，通過上層物料物資計劃產(chǎn)生的相關(guān)需求（DepReq）消耗PIR。如圖5所示。

圖5：戰(zhàn)略物資預(yù)投計劃邏輯圖

在產(chǎn)品設(shè)計前，通過獨立需求實現(xiàn)戰(zhàn)略物資的采購，在產(chǎn)品設(shè)計完成后，通過上層物料計劃產(chǎn)生的相關(guān)需求實現(xiàn)獨立需求的扣減，防止過多采購。

3.3.2.2 長周期項目物資

在產(chǎn)品合同簽訂后，為了及時交付產(chǎn)品，同樣要對一些采購周期相對較長物資提前采購，我們稱之為長周期項目物資。

長周期項目物資計劃實現(xiàn)方案：

（1）對此類物資進行結(jié)構(gòu)化“封裝”，封裝后的包物料稱為AP 物料，并添加到產(chǎn)成品BOM（未最終發(fā)布）中；

（2）通過項目與產(chǎn)成品的關(guān)聯(lián)關(guān)系，將AP 物料BOM 中的長周期項目物資自動掛載到項目特定節(jié)點下；

（3）項目自動產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)預(yù)留需求，運行MRP 后得到平衡庫存后的長周期項目物資計劃；

（4）在產(chǎn)品或其大部件完成設(shè)計并掛載在項目節(jié)點上后，通過其展開的BOM 需求自動扣減之前的網(wǎng)絡(luò)預(yù)留需求。如圖6所示。

圖6：長周期項目物資計劃邏輯圖

在產(chǎn)品設(shè)計前，通過物資自動掛載項目，運行MRP 產(chǎn)生物資計劃；在設(shè)計完成后，根據(jù)BOM 需求自動扣減之前的項目網(wǎng)絡(luò)預(yù)留需求，防止過多采購。

3.3.2.3 常規(guī)項目物資

常規(guī)項目物資即在產(chǎn)品或部件完成設(shè)計后，根據(jù)BOM 驅(qū)動采購或生產(chǎn)的物資，一般為采購周期不太長物資，根據(jù)常規(guī)MRP 邏輯運算即可。

3.3.2.4 儲備物資

儲備物資為使用頻繁且價值低的通用物資，采用重訂貨點法。

4 應(yīng)用實踐

通過PLM（產(chǎn)品生命周期管理）、ERP（企業(yè)資源計劃）、MES（生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)）系統(tǒng)支持該生產(chǎn)計劃模式的運行，在某地下工程裝備龍頭企業(yè)進行應(yīng)用實踐。結(jié)合該公司的實際生產(chǎn)計劃，建立了基于項目的網(wǎng)絡(luò)計劃和基于MRP的物資計劃雙輪驅(qū)動的生產(chǎn)計劃體系，如圖7所示。

圖7：復(fù)雜定制化裝備生產(chǎn)計劃支撐信息系統(tǒng)流程

以ZTE6250 土壓平衡盾構(gòu)機產(chǎn)品為例，其產(chǎn)品結(jié)構(gòu)如圖8所示：

圖8：土壓平衡盾構(gòu)機產(chǎn)品結(jié)構(gòu)圖

主軸承為戰(zhàn)略物資，根據(jù)銷售預(yù)測，結(jié)合目前和在途物料庫存情況，維護戰(zhàn)略預(yù)設(shè)表（表1），通過MRP 生成戰(zhàn)略預(yù)投計劃。

表1：戰(zhàn)略物資主軸承采購計劃（示例）

根據(jù)項目交期和模板，維護項目，通過接口同步至MES 系統(tǒng)，基于有限產(chǎn)能進行排產(chǎn)，得到項目計劃（表2）。

表2：項目網(wǎng)絡(luò)計劃（示例）

根據(jù)掛載在項目上的大部件需求，運行MRP 后，產(chǎn)生自制件計劃，轉(zhuǎn)換為生產(chǎn)訂單并同步至MES。在MES 中基于有限產(chǎn)能排程后，產(chǎn)生裝配計劃（表3）和制造計劃（表4）。

表3：裝配計劃（示例）

表4：生產(chǎn)作業(yè)計劃（示例）

項目立項時，長周期物資需提前安排采購。通過項目節(jié)點掛載長周期物資，如圖9所示，運行MRP 得到長周期物資采購計劃（表5）。

表5：長周期物資采購計劃（示例）

常規(guī)項目物資計劃（表6）。

表6：常規(guī)項目物資計劃（示例）

儲備物資計劃（表7）。

表7：儲備物資計劃（示例）

目前，通過PLM、ERP、MES 三個系統(tǒng)協(xié)同應(yīng)用，本文提出的計劃體系取得了良好效果，很好彌補了傳統(tǒng)MRP 的缺陷，尤其對“三邊工程”的生產(chǎn)模式具有較好的適應(yīng)性。系統(tǒng)上線后，經(jīng)過數(shù)據(jù)清理，MRP 準確率在90%以上，且很好匹配了各類物資的計劃模式。經(jīng)統(tǒng)計，盾構(gòu)機整體生產(chǎn)周期縮減23%，庫存周轉(zhuǎn)率提升15%，以前手工下計劃模式基本切換為系統(tǒng)自動運行，大大提升了生產(chǎn)計劃人員的工作效率。

5 結(jié)論與展望

復(fù)雜定制化裝備制造企業(yè)與傳統(tǒng)大批量制造企業(yè)相比，生產(chǎn)計劃管理更加復(fù)雜和困難，傳統(tǒng)MRP/MRPII 的計劃方法無法適應(yīng)。本文將基于項目的網(wǎng)絡(luò)計劃和基于MRP 的物資計劃融合，建立了復(fù)雜定制化裝備生產(chǎn)計劃管理模型，并通過系統(tǒng)實現(xiàn)，獲得了很好的應(yīng)用效率，可以為同行業(yè)企業(yè)的生產(chǎn)計劃管理和信息化建設(shè)提供有價值參考。