鋼鐵行業高級規劃與排程系統研究

[摘要] 企業資源計劃（ERP）一直是鋼鐵業管理信息化的熱點，ERP雖然可以實現資源的整合，但其在生產計劃領域的不足卻難以提供高質量的生產計劃方案。本文針對鋼鐵行業高級規劃與排程系統的特點進行研究，指出APS與ERP的整合是鋼鐵行業未來信息化的發展方向。

[關鍵詞] 企業資源計劃； 高級規劃與排程系統； 鋼鐵業

[中圖分類號] F273.1 [文獻標識碼] A [文章編號] 1673 - 0194（2013）06- 0079- 02

0 引 言

隨著經濟全球化和信息網絡化的進程，信息化已成為現代企業的一個重要標志。進行信息化建設，采用信息技術促進、改造企業的生產、經營、管理，有效采集和處理信息，改變整個管理模式及生產行為，增強企業決策的有效性是企業發展的必由之路。鋼鐵業是我國國民經濟的重要基礎產業，推進鋼鐵企業信息化，是鋼鐵行業提高競爭力、適應新經濟、實現現代化的內在需要，也是鋼鐵企業適應國際環境、融入全球經濟的戰略選擇。

鋼鐵行業的信息系統架構被分解成5個層次：設備控制系統，過程控制系統；車間或分廠級制造執行系統（即MES），企業資源計劃系統（即ERP），企業間管理系統及決策系統。這五層系統之間相互集成、相互協調，構成了一個完整的企業信息化管理系統。近年來，我國鋼鐵行業信息化建設取得了很大進展，其中，大部分鋼鐵廠已完成一、二級系統建設，三、四級系統的建設亦取得了一定的成果。

然而，對于鋼鐵行業中的生產管理，僅僅實現信息化并不足夠，因為生產中直軋部分所占比例有限，甚至會由此增加產品庫存。因此，需要以信息化為基礎，采用運籌學和人工智能技術等手段，對企業內部的資源配置、物流組織和生產計劃進行整體規劃，實現生產、庫存、市場響應的整體優化。對鋼鐵企業而言，生產計劃系統功能集成中遇到的最大難題便是如何面向多品種小批量的大量訂貨合同而組織生產。雖然國內大型鋼鐵公司陸續引入ERP系統試圖提高企業的生產管理水平，但由于ERP在設計上的先天不足，僅采用ERP 系統已無法滿足鋼鐵企業對生產規劃與排程的種種需求。近年來，針對鋼鐵業高級規劃與排程（Advanced Planning and Scheduling）系統的研究開始出現，如施燦濤[1-3]設計了基于.NET的三層客戶端/服務器模式鋼鐵企業生產計劃系統，設計了APS優化引擎軟件，對訂單計劃進行建模。

本文對鋼鐵制造業的高級規劃與排程系統進行研究，在總結了鋼鐵業ERP系統缺陷的基礎上，論述鋼鐵企業導入APS系統的重要性以及它與現有ERP系統的集成，從而實現鋼鐵企業對生產資源的優化配置，提高客戶服務水平及生產管理水平。

1 鋼鐵企業的ERP系統

ERP是指建立在信息技術基礎上，將客戶需求和企業內部的經營活動以及供應商的資源融合在一起，以系統化的管理思想，為企業決策層及員工提供決策運行手段的管理平臺。ERP的功能模塊一般包括生產控制（計劃、制造）、物流管理（分銷、庫存、采購管理）和財務管理（會計核算、財務管理）4大部分。其中，生產控制管理模塊是ERP系統的核心所在。

鋼鐵企業一般涉及多段生產，工序多、設備復雜、企業投資大、資金流動頻繁。信息化建設過程中，生產經營活動涉及的內容從財務、人事等傳統信息管理領域延伸到生產管理領域。也正是這個原因，國內大型鋼鐵公司陸續引入了ERP項目，僅在2002年，鋼鐵行業完工的大型信息化工程就有上海益昌薄板公司營銷系統、江陰興澄特鋼信息系統、衡陽鋼管公司ERP、湘潭鋼鐵公司ERP。從軟件的角度分析，鋼鐵公司使用的ERP系統（以上海寶鋼公司的ERP系統為例）包括了以下幾點：PP（生產計劃和管理）、MM（物流的管理）、SD（分銷與銷售）、FI（財務方面的管理）、QM（質量管理）等基礎模塊。

然而，鋼鐵生產是一個多階段、離散和連續加工方式并存的復雜過程，大部分鋼鐵生產計劃與調度問題都是NP難問題。這種問題具有描述容易、求解困難的特點。再加上ERP生產控制模塊在設計上的先天不足，使得ERP系統在鋼鐵企業的應用效果大打折扣，主要體現在以下幾個方面：

（1） ERP中的生產計劃管理模塊，假設資源（機器、人員、物料）是無限的，因此所制訂的生產計劃并不考慮資源短缺的情況。在匹配鋼鐵業多品種、小批量的大量訂貨合同時，只能通過CRP能力需求計劃分析手工調整，計劃的可執行性差，不能匹配生產車間現場的資源產能。

（2） 在計劃執行過程中，如果生產訂單的開工或完工日期沒有按照計劃完成，則無法根據實際開工或完工日期自動進行滾動計劃排程。ERP的生產任務一旦下達，日期只能手工修改。

（3） ERP以計劃管理為導向，生產過程中不可避免的插單、設備故障、缺料等意外情況發生時，不能提供類似what-if的情景分析與模擬等事前計劃、模擬及比較分析等功能，無法及時對原有計劃做出相應的調整。

（4） 在車間執行層面，ERP缺乏行之有效的派工規則安排訂單的加工順序。如，沒有生產訂單下達規則，哪個訂單先下達，按交貨期、優先級、生產訂單合并與分割等。沒有加工順序規則，當資源不夠時， 生產訂單和負荷在排隊，如何解決排隊的順序。沒有優化選擇規則，當資源需要動態選擇加工時，如何對順序規則重新選擇。沒有現場調度資源組成員分配規則，當須選擇多個資源、替代資源時，如何最大化資源利用率等等。

（5） ERP生產計劃的制訂過程，主要是依據市場預測及訂單狀況，采用定期性的批量式規劃并涵蓋一定的時程范圍（例如一星期、一個月、半年甚至更長），然后再對生產計劃進行層層細化，因此不能支持優化算法的多目標計劃，如在滿足交貨期的前提下，資源負荷利用最大化、庫存最小化、成本最小化的優化計劃排程。

2 高級規劃與排程系統思想

高級規劃與排程（Advanced Planning and Scheduling，APS）系統是利用許多先進的規劃管理技術，包括限制理論（Theory Constraints， TOC）、運籌學（Operations Research， OR）、遺傳算法（Genetic Algorithms， GA）、限制條件滿足技術（Constraint Satisfaction Technique， CST）等，在有限資源下，尋求供給與需求之間的平衡規劃；同時，利用信息的儲存與分析能力，以最短的期限，達到最有效的規劃。

APS是為解決ERP能夠整合企業的資源，但欠缺排程功能的問題，而且更注重決策支持的能力。可以根據異常狀況如缺料、停機、插單、數量調整、工期調整、加班設定等進行生產計劃的調整。APS可以讓規劃制訂者快速結合生產相關信息，如訂單、派工單、生產工藝、半成品、存貨、物料清單等進行生產規劃。

目前APS常見的功能如下[4]：

（1） 有限資源約束條件下的效益最大化規劃。傳統規劃方法因未能考慮資源限制及企業的目標而無法達到規劃的最大化，APS應用了數學規劃、網絡規劃、仿真方法等先進技術，能夠在各種不同的限制條件下，找出一個可行及最大化的規劃。

（2） 即時規劃能力。APS能夠搜集生產過程中的相關數據，并立即進行分析與規劃，使得規劃人員能夠應對許多突發狀況，如緊急插單、物料供給延遲等。

（3） 考慮供需平衡的規劃。由于APS能同時兼顧需求與供應，使得供需規劃能夠達到均衡，符合企業運營上的需要。

（4） 提供決策支持功能。企業處于復雜多變的外部環境中，常常需要更多決策支持功能的工具，APS因具備仿真等預測分析工具，有利于規劃人員在分析上的應用，從而得到正確的決策。

3 鋼鐵企業的APS系統

鋼鐵生產過程包括煉鋼-連鑄、熱軋、冷軋及精整等工序，工序多、流程長。其生產計劃的復雜性主要體現在： ① 生產對象眾多：包括爐次、澆次、中間包、板坯、軋次等，有些半成品又可以作為產成品出售； ② 工藝路徑多樣：如相同規格的彩鋼生產過程就可以有十幾條生產路徑可供選擇； ③ 生產約束條件多：如熱軋批量計劃既要滿足下游生產路徑的需求量，又要滿足自身軋制單元的約束條件； ④ 求解困難：求解對象屬于大規模組合優化問題，在有限時間內難以獲得優化解。

目前國內外領先的鋼鐵企業越來越將信息化的注意力集中到塑造企業的核心競爭力上來。它們紛紛投資APS系統，以彌補傳統產銷一體化系統和ERP的不足，對交付業績、庫存水平、交付周期和產出量進行優化和均衡，從而大大提高客戶服務水平，降低整體成本，提高企業的盈利能力。

鋼鐵企業的高級規劃與排程系統應該是集成了大量的數學模型、優化算法及仿真技術，考慮企業內外部的資源、能力、工藝等約束，用數學規劃與人工智能相結合的智能優化算法來指導企業的計劃與排產，重點解決鋼鐵企業生產管理中的生產計劃和生產調度問題。具體應包括以下幾部分功能：

（1） 高級計劃功能。主要用于企業計劃人員了解整體訂單的計劃情況，尤其是中長期的趨勢和預測，當企業接受新訂單時，產能如何，準確的交貨日期在什么時候，對其他訂單的影響怎樣，這些問題都可以通過這個模塊的運行得到可靠準確的信息，以便幫助企業做出合理的決策。

對于批量比較大的訂單，如果企業主要是按照計劃（庫存）生產的情況下，投入到生產線最經濟的生產批量就由這個功能完成。如果是按照訂單生產，則需要進行庫存匹配、能力匹配和板坯設計。即對給定的客戶訂單集合如何與現有庫存進行合理匹配；對沒有庫存與之匹配的訂單，是否有足夠的能力進行生產以及如何將需要生產的訂單集合轉換為板坯集合。

（2） 優化排程功能。優化排程主要是按照企業的訂單情況，按照企業的優化目標來安排生產計劃。該部分優化的核心是基于智能優化的算法，這也是APS的難點所在。在不同的情況下，企業的優化目標可能不同，如訂單延遲最少、設備使用率最高、生產周期最短、庫存最小等都可以成為企業優化調度的目標。這個模塊按照基于企業目標的全局優化配置企業的資源，達到目標最優化。

（3） 輸出報表功能。鋼鐵業APS系統的運行結果應能以報表的形式輸出。報表包括：

生產指令：提供詳細的每個班次、每臺設備的生產調度指令；

設備負荷圖：可發現瓶頸資源，均衡設備負荷、挖掘產能潛力；

生產異常預警：當發生生產異常時，能夠自動輸出生產異常報告。

（4） 決策支持功能。APS的決策支持功能是借助于仿真技術，通過what-if模擬分析幫助企業實施生產異常的快速應對、生產流程分析、梳理和優化。APS仿真模型的建立必須能夠完整、真實地再現生產流程，包括所有的生產現場的實際情況。比如，各種復雜的特殊的工序連接；冶煉、澆注、拉坯、軋制各工序特點；場地資源的占用；所有物料（包括原料、在制品、輔料）的存儲、運輸；所有工裝、工具；所有關鍵人力資源等等。必須能夠快速簡潔地實現重要參數的調整，從而得出不同方案下的運行結果。能夠快速應對生產異常：對市場訂單突發變化、生產設備異常、人員變化等能夠快速響應并做出最佳決策。要能夠梳理出關鍵流程，通過模擬仿真技術為流程優化提供評估工具。

4 結 語

鋼鐵企業的信息化管理系統應該不斷地進化，以適應信息技術的不斷進步以及生產環境及外部環境的變化，其驅動的因素便是對企業獲利能力的不斷追求。制造業管理水平的日趨成熟和商業化軟件的不斷完善，為信息化管理系統的發展創造了有利的條件。ERP系統需要融入按訂單生產、準時制生產、柔性生產等各種先進管理理念，才能給制造業以持續和卓越的競爭力。 因此，從信息化角度來看，由APS取代ERP中的核心計劃體系，從而獲得快速、高效、靈活應變的生產計劃，是鋼鐵企業管理信息化進一步發展的必然需求。從精益生產的角度來看，我們也需要有更先進的計劃方法在客戶訂單輸入時， 能及時計劃，同時考慮人力、產能、生產設備與工具產能等進行排程，能夠靈活地產生準確的交貨計劃回應顧客的交期詢問、訂單查詢，從而滿足客戶需求。

主要參考文獻

[1] 施燦濤，李鐵克，王昌保，等. 基于APS 的鋼鐵企業生產計劃系統設計及實現[J]. 中國管理信息化，2011，14（16）：84-86.

[2] 施燦濤，楊國俊，李鐵克. 鋼鐵企業APS 優化引擎的軟件模型研究及應用[J]. 計算機應用研究，2011，28（2）：606-608.

[3] 施燦濤，李鐵克，王曉潔. 基于UML 的鋼鐵企業APS 訂單計劃系統建模[J]. 中國管理信息化，2010，13（21）：29-32.

[4] 邵志芳， 錢省三 ， 劉仲英. 在半導體制造業導入高級規劃與排程系統[J]. 半導體技術，2007（8）：661-664.