APS在某離散型生產(chǎn)線的應(yīng)用

王加鋒，蔣慶磊，何宇昊

（中國電子科技集團公司第十四研究所，江蘇 南京 210039）

1 引言

隨著信息化技術(shù)與傳統(tǒng)工業(yè)的不斷融合，市場對產(chǎn)品交付提出了更高要求。這需要企業(yè)對訂單、物料、資源進行更高效的優(yōu)化調(diào)度，以適應(yīng)受多種因素影響的交付計劃變更[1]。傳統(tǒng)的以人工經(jīng)驗為基礎(chǔ)的手動計劃排程方案，無法在頻繁的隨機擾動下提供最優(yōu)排程結(jié)果，已成為制約生產(chǎn)的瓶頸[2]。

作為新興的軟件技術(shù)，APS（Advanced Planning and Scheduling, 高級生產(chǎn)計劃與調(diào)度系統(tǒng)）能夠串聯(lián)計劃與執(zhí)行鏈路，對多種生產(chǎn)要素進行整合，通過快速響應(yīng)，適應(yīng)頻繁的計劃變更與插單，輸出優(yōu)化的排程結(jié)果，為企業(yè)綜合決策提供支持。

APS技術(shù)于20世紀全球化浪潮中得到了較快發(fā)展，基礎(chǔ)理論層出不窮，多個跨國公司進行了應(yīng)用實踐并取得了一定成果。目前，國內(nèi)APS研究仍處于起步階段，研究內(nèi)容主要集中在生產(chǎn)系統(tǒng)建模分析與引擎算法研究，大規(guī)模應(yīng)用研究仍屬空白[3]。實際生產(chǎn)過程中，生產(chǎn)線大多為復(fù)雜的離散系統(tǒng)，因此，在不確定環(huán)境中使用確定性模型的具體實施方法與實際使用效果仍有待驗證[4]。

本文以某國家戰(zhàn)略裝備智能制造生產(chǎn)線為平臺進行APS大規(guī)模應(yīng)用驗證，該生產(chǎn)線年生產(chǎn)訂單量約為20萬項，涉及圖號量約為5萬項，產(chǎn)能巨大。目前，該生產(chǎn)線基于多品種、變批量、高質(zhì)高效的微波組件柔性生產(chǎn)需求，正在打造具備數(shù)據(jù)實時感知、大數(shù)據(jù)分析、人工智能決策以及精準控制執(zhí)行的制造閉環(huán)體系，進行產(chǎn)品全壽期管理與制造體系的集成。因此，APS在該生產(chǎn)線的應(yīng)用具有技術(shù)引領(lǐng)性，對數(shù)字化工廠實現(xiàn)智能制造具有指導(dǎo)意義。

2 APS基本原理

APS涉及學科面較廣，如運籌學、算法學、物流學、圖論、軟件架構(gòu)、建模理論及人工智能等，每個方向都可以作為獨立課題進行深入研究。以最受關(guān)注的算法引擎為例，經(jīng)過近30年發(fā)展，已衍生出數(shù)學規(guī)劃、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、深度學習等多種算法分支，相關(guān)研究仍在蓬勃發(fā)展中。

與此同時，算法在實際生產(chǎn)中的應(yīng)用卻有所滯后，因此，在學術(shù)、工程領(lǐng)域均存在一些常見誤區(qū)，如“算法越復(fù)雜越優(yōu)異”“升級算法比經(jīng)典算法優(yōu)異”等。事實上，各類算法在不同場景的優(yōu)越性與局限性仍有待進一步應(yīng)用驗證[5]。

本文應(yīng)用的APS系統(tǒng)使用的是動態(tài)規(guī)劃算法引擎，在確定生產(chǎn)線與其他職能部門的工作邏輯后，將APS與現(xiàn)有信息系統(tǒng)如ERP、MOM、MES等系統(tǒng)進行集成，確保關(guān)鍵數(shù)據(jù)在各系統(tǒng)間的共享與交互。

對于生產(chǎn)線，在完成典型生產(chǎn)模型建模的基礎(chǔ)上，明確瓶頸資源，確定組件、組件套裝件及獨立需求訂單的排程邏輯，優(yōu)化資源標準化描述方案，逐步完善生產(chǎn)相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，迭代排程結(jié)果，不斷提升計劃排程的精確度。

3 應(yīng)用場景分析建模

3.1 系統(tǒng)集成建模

本次APS應(yīng)用所在A部門承擔某戰(zhàn)略裝備核心微波組件生產(chǎn)，上級B部門負責裝備總計劃，對A部門及其他部門進行整體計劃協(xié)同。原生產(chǎn)模式中，B部門在每年度會下發(fā)顆粒度較大的全年計劃，A部門根據(jù)此文件進行年度產(chǎn)能、資源評估。后續(xù)根據(jù)訂單動態(tài)變化情況，B部門每季度、月度均會與A部門進行多輪溝通以不斷修正年度計劃并下發(fā)，此模式耗時耗力，需數(shù)十名專職計劃員進行實時的跟蹤反饋，且準確度較低。

為充分發(fā)揮APS在計劃排程方面的優(yōu)勢，在原生產(chǎn)計劃上下層級交互的基礎(chǔ)上，將APS與ERP、MOM等其他信息系統(tǒng)進行集成，形成執(zhí)行邏輯如圖1所示。圖中，系統(tǒng)集成采用“二下一上”原則，B部門按原生產(chǎn)模式通過ERP下發(fā)粗計劃，A部門通過APS進行長線預(yù)排，以整體評估資源與產(chǎn)能，并將訂單宏觀調(diào)整、物料齊套需求、生產(chǎn)資料總負荷等信息反饋給上級部門，B部門根據(jù)反饋再次調(diào)整后作為最終計劃基線進行正式下發(fā)。A部門以此基線為依據(jù)，通過APS系統(tǒng)進行短線正式排程，形成可執(zhí)行的計劃報表并發(fā)布至MOM系統(tǒng)中，以供班組生產(chǎn)執(zhí)行，MOM、ERP中的實績反饋則可以持續(xù)迭代基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，從而不斷優(yōu)化排程結(jié)果。

3.2 生產(chǎn)線建模

為提升APS的生產(chǎn)適用性與結(jié)果準確性，除系統(tǒng)集成外，需對實際生產(chǎn)線進行調(diào)研建模。A部門下轄兩科室，定義為C室、D室。現(xiàn)將A部門主要交付產(chǎn)品命名為“微波組件”，C室主要生產(chǎn)微波組件，包含套裝件訂單，與微波組件及其套裝件不相關(guān)的其他訂單定義為“C室獨立訂單”。D室產(chǎn)品按特征可分為兩類，一類作為微波組件套裝件供給C室裝配，定義為“D室套裝件”，另一類與C室訂單無關(guān)，定義為“D室獨立訂單”。

雖然兩科室在訂單方面存在一定關(guān)聯(lián)，但由于技術(shù)領(lǐng)域差異較大，兩科室生產(chǎn)資源相對獨立，因此，在保留兩科室聯(lián)排需求的基礎(chǔ)上，新增各科室獨立排程需求。考慮兩科室訂單量巨大，多個計劃員終端改動、插單場景較頻繁，將兩科室排程需求進一步細分為預(yù)排程與正式排程，計劃員可在預(yù)排程后對相關(guān)參數(shù)進行修改重排，但不涉及計劃下發(fā)，正式排程后統(tǒng)一下發(fā)計劃，從而提升了APS系統(tǒng)的整體訂單調(diào)整能力，系統(tǒng)集成與執(zhí)行邏輯如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)集成與執(zhí)行邏輯

4 幾個關(guān)鍵問題

4.1 排程邏輯

訂單生產(chǎn)周期取決于瓶頸資源，非瓶頸資源的效能提升對訂單整體的優(yōu)化意義較小，因此，下文優(yōu)先對約束資源進行整合[6]。

兩科室獨立需求中預(yù)排程與正式排程的邏輯基本相同，詳見表1。表中以C室微波組件為父級訂單進行正排，根據(jù)以往生產(chǎn)經(jīng)驗，確定瓶頸資源并將其固定后，將套裝件訂單、獨立訂單、不制約資源涉及工序進行倒排，將資源向C室重點產(chǎn)品微波組件傾斜，保證其優(yōu)先交付的情況下，整體資源分配、生產(chǎn)周期最合理。

表1 獨立排程/級聯(lián)排程邏輯

D室圖號量較少，單圖號交付數(shù)量較高，因此采取先倒排后正排的策略，使資源利用率保持在較高水平，以滿足大批量的流水交付。

級聯(lián)排程時，必須先進行C室排程，D室獲取微波組件正排關(guān)鍵參數(shù)后，方可進行D室套裝件倒排及獨立訂單排程。

4.2 資源標準化描述

生產(chǎn)線的資源品類較多，需要將其轉(zhuǎn)換為APS系統(tǒng)可識別的數(shù)據(jù)格式，數(shù)據(jù)組織的優(yōu)劣決定著使用過程中的可靠性與高效性[7]。因此，需要對海量資源進行標準化的描述，以保證當資源發(fā)生大規(guī)模變動時，對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的改動工作量最小，同時能夠大幅提升生產(chǎn)線的綜合管理水準。

本文將生產(chǎn)資源分為設(shè)備資源與人力資源兩類，設(shè)備資源產(chǎn)能相對固定，描述較容易，常見描述格式見表2。當設(shè)備資源發(fā)生變更，保持代碼不變，僅需增刪相應(yīng)內(nèi)容，改動量較小，且不影響APS正常使用。

表2 設(shè)備資源標準化描述

人力資源描述相對復(fù)雜，本文進一步將人力資源分類為流水工種與專業(yè)工種，流水工種描述方式與設(shè)備資源類似。此工種對人員技能要求單一，產(chǎn)能與人數(shù)基本成正比，資源量即為人數(shù)，計劃員、班組長可對各小組成員進行多次調(diào)整實現(xiàn)產(chǎn)能模擬，以找到相對最優(yōu)的人員布置方案。

專業(yè)工種對人員技能要求較高，能夠獨立完成某專業(yè)領(lǐng)域工作，描述方式詳見表3。表中直接定義至個人，資源名稱即為個人姓名，且均為制約資源。同一資源組可設(shè)置多名技術(shù)人才，UBOM資源設(shè)置時直接引用資源組。針對擁有專業(yè)工種的班組，在技術(shù)層面規(guī)范班組的專業(yè)發(fā)展方向，使班組長能夠在人員職級發(fā)生升降變動時做出快速調(diào)整。

表3 專業(yè)工種標準化描述

4.3 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)準備

明確資源標準化描述方案后，需要大批量準備基礎(chǔ)數(shù)據(jù)并存儲在專用服務(wù)器中，準確、透明的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)能夠提升工作同一性，有利于跨部門協(xié)同，對離散制生產(chǎn)線成功實施APS具有決定性的作用[7]。本文中覆蓋全圖號的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)字符總量約為1GB，由于數(shù)據(jù)量較大，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的準備并非一蹴而就，而是在小規(guī)模數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過實績反饋不斷迭代、優(yōu)化、擴容。

以資源數(shù)據(jù)準備為例，“圖號-資源”查詢表的建立則能有效提升基礎(chǔ)數(shù)據(jù)準備的效率。設(shè)計師、工藝師需要對海量圖號進行技術(shù)分類，針對產(chǎn)品調(diào)試特點進行品類劃分，進而為產(chǎn)品分配涉及場地、儀表、工裝等要素的調(diào)試資源，以上資源均以編碼形式命名。另外，針對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、工藝特性進行分類，并為其分派相應(yīng)的專業(yè)工種。“圖號-資源”查詢表明確了所有產(chǎn)品的資源分配邏輯，是后續(xù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)智能維護的基礎(chǔ)。

5 應(yīng)用結(jié)果分析

APS排程后結(jié)果符合預(yù)期。APS除了完成計劃、排程等基本功能外，它與數(shù)字化也是相輔相成的，APS提升了傳統(tǒng)生產(chǎn)模式的數(shù)字化程度，而邏輯、過程、資源的數(shù)字化同樣是APS實施的基礎(chǔ)。生產(chǎn)各階段的真實數(shù)據(jù)是企業(yè)的核心價值，因此，APS對于工時管理、生產(chǎn)管理、人力資源管理/考核等方面均有所裨益。

6 結(jié)束語

本文對APS系統(tǒng)集成進行了分析建模，討論了應(yīng)用生產(chǎn)線實際模型，對排程邏輯、資源標準化描述、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)準備等關(guān)鍵問題進行了深入探討，并在某離散型國家重點智能制造示范平臺進行了APS大規(guī)模應(yīng)用，結(jié)果表明，APS能夠?qū)崿F(xiàn)精確、高效的智能計劃排程，推進數(shù)字化工廠實現(xiàn)智能制造。