智能制造背景下APS發展新重點

◎北京理工大學機械與車輛學院數字化制造研究所 王愛民

APS（Advanced Planning Scheduling， 高 級 計劃排產）是智能制造核心工業軟件。隨著MES應用越來越廣泛以及越來越深入，以及隨著企業對智能生產管理決策的需求愈發強烈，APS將成為企業進行MES應用擴展和提升的重點，也是貫徹落實智能制造的重要抓手。APS是當前我國提出的“智能+”戰略的重要落地方向之一，其以決策為特征的特點，將為制造企業車間或產線的有序、協調、可控和高效運行提供有力的支持，必須引起足夠的重視。目前制造企業對于APS的需求已經呈現出愈加迫切的態勢，從而也為APS的發展提供了良好的契機。本文從APS發展需求分析及其典型業務應用場景入手，重點結合智能制造背景特點提出APS發展新重點，尤其是針對我國目前普遍建設實施的自動化生產線的現狀，提出基于APS的智能管控思路，力求能夠為我國制造業智能制造核心工業軟件APS技術、架構和應用進行更加明確的梳理，為推動智能制造和APS的良好發展提供支持。

一、APS發展需求分析

APS的內涵在具體應用上體現為兩個方面：計劃排產和動態調度。計劃排產偏重于靜態和總體的計劃制定，動態調度偏重于執行過程的及時調整。不能響應生產擾動的APS無法適應動態的生產環境，只能說解決了企業部分需求而已，一般情況下，企業也不會用只能進行靜態排產的APS。隨著智能制造相關需求和技術發展的雙向驅動，APS的發展需求也日益強烈。

（一）精益生產業務需求驅動

計劃是工廠和車間運行的協調中樞，是實現各種業務協調運行的牽引中樞，尤其是作業計劃是其中重點。如果沒有作業計劃，哪個訂單哪道工序什么時間在什么資源上需要什么樣的物料的邏輯聯調就難以建立，物料準備和配送也就具有一定的盲目性，更遑論對物料采購延伸的牽引了，協調的精益性將大打折扣，當作業計劃發生變化后，波浪式傳播下相關計劃和業務的及時有效的動態調整，也將無從談起。

（二）工業物聯/互聯技術驅動

隨著物聯網技術的逐步興起，高頻快速的數據采集也日益得到實施應用，傳統的“以人托底”的MES運行方式，也日益走向直接將指令下發到執行資源之上的模式，數據狀態的反饋及時性和準確性也有了很大提高，一方面是為APS提供了可行的基礎，另一方面也增加了APS的優化空間，其重要性也越發增強，開始從“奢侈品”走向“必需品”。

二、APS典型業務應用場景

APS的典型應用場景體現在交貨期答復、確保交貨期以及快速響應調整三個方面，是貫穿整個生產過程的綜合決策，如圖1所示。

（一）交貨期答復

客戶訂單必然帶有交貨期要求，快速有效的回答就是企業必須面對和解決的問題。利用APS進行交貨期答復時，必須綜合考慮如下因素：

基于產線當前快照狀態的排產，不能假定產線是空的；

如果客戶訂單優先級較高，則屬于插入式而非追加式排產，會對當前在制的交貨期產生影響的，如何保證影響最小或特定追求，是需要解決的問題；

如果為了滿足新訂單的交貨期，原先的任務是否要拿出去外協，外協決策如何做也是需要解決的問題；

一旦涉及到產能評估，就應該想辦法提高資源利用率，分批優化、單元化運行等就是需要考慮的重點；

識別瓶頸設備并讓瓶頸設備加班，或者所有設備都加班，加班到什么程度，也是需要考慮的問題；

現有在制訂單可能相比新訂單優先級更高，如何保證這個訂單的交貨期，也是需要解決的問題；

排產或能力評估應滿足物料供應的約束。

（二）確保交貨期

確保交貨期需綜合運用多種手段，以滿足當前大規模定制生產所要求的訂單碎片化、短交貨周期等要求，有如下措施可以采?。?/p>

圖1 APS典型應用的三個層次

圖2 典型的生產擾動因素及其調整要求示意圖

通過對訂單、工序的合理分割，以及工序間接續方式的優化設置縮短訂單的生產周期，提高訂單交貨期的遵守率；

通多對小批量訂單的組批生產，減少不必要的生產切換，實現交貨期與生產經濟批量的權衡優化；

面向工序級配作、層次化關聯訂單、批處理環節組批等實際需求，支持齊套協同生產；

綜合考慮動態的物料供應情況，實現作業計劃與物料計劃的聯動計劃制定。

（三）快速響應調整

動態調度目標是在實時掌握生產現場資源使用情況、已有作業計劃的執行情況等基礎上，通過對作業計劃的動態調整使作業計劃與生產現場的實際制造執行狀態保持一致，始終保證對現場的指導性。在這個過程中，需要響應來自計劃任務、生產工藝、物料資源、生產執行等層次的生產擾動，以實現快速的響應調整。典型的生產擾動因素及其調整要求示意如圖2所示。

三、智能制造驅動的APS發展新重點

結合當前智能制造需求和技術的發展，APS呈現出一些新的特點，有如下6個方面的發展重點值得思考。

1、智能制造大規模定制生產模式需求，決定了訂單碎片化的特點，提出了大規模復雜調度問題處理需求，進而對優化算法及智能性提出了更高的要求。

主要體現在兩個方面：

一是：大規模定制生產模式下，訂單呈現碎片化的特點。其原因主要是在大規模柔性定制生產需求下，訂單的種類日益增多，單個訂單的數量日益減少，大規?；炝髯鳂I控制將是制造企業運行的常態。

二是：大規模定制生產模式下，排產調度約束豐富化特性日益凸顯。不僅是傳統的作業、機床的調度，需考慮物流、刀具、程序、夾具等多方面的約束的協調，這些資源的協同隨著車間生產分解活動的增加，將呈現更加驟密、頻繁的特點，也為作業排產提出了更高的要求。

2、智能制造對精益協同化的需求，提出了多計劃關聯協調處理——管控流程的有機聯動調整的需求，進而也對優化及其智能型提出了更高的要求。

主要體現在兩個方面：

一是：多計劃關聯的有機性。主要包括作業執行計劃、物料準備計劃、物料配送計劃、作業輔具計劃等，這些計劃都具有復雜的協同要求，從而對計劃的有序、協調控制提出了更高的要求。

二是：計劃協調的精細性。同樣由碎片化訂單牽引下，車間的生產協作活動越發頻繁，作業相關各項計劃的協調頻率，也將愈發精細，從粗放的天、小時逐步過渡到分鐘，從手工協調向自動化協調轉變，從信息協調向自動執行協調轉變。

3、智能制造軟硬一體的控制實時化特點，提出了高頻快速實時響應調整要求，從而對APS中的動態調度及服務化處理機制提出了更高的要求。

主要體現在兩個方面：

一是：設備狀態實時反饋不管從技術還是實際應用上都可以實現并得到普遍運用。在這種情況下，隨著設備聯網，資源狀態反饋將呈現實時性的特點，對APS提出了及時作出響應的要求；

二是：執行狀態實時反饋也日益成為常態。隨著MES向軟硬件一體化方向發展，跨越人而直接到設備的趨勢越來越明顯，執行狀態將逐步由機器自動反饋，這種快速的反饋將更為精確和實時，對APS提出了實時動態響應的要求。

4、智能制造對制造系統的柔性化快速重構的需求，提出了高頻快速實時重構調整需求，對APS提出了狀態驅動及反應式調度的要求。

主要體現在兩個方面：

一是：產線/單元狀態驅動將成為常態，實現技術途徑也將不再成為問題。在這種情境下，將為APS提供巨大的狀態優化調度空間，但同時也導致了APS技術復雜性的大幅提升，從而形成了狀態驅動的有序協調調度控制需求。

二是：重構執行一體化控制也將成為未來柔性自動線運行的常態?；谌嵝宰詣泳€的離散化處理，在產線/單元構成部件CPS的支持下，產線/單元動態運行形態呈現重構執行一體化控制特點，為“軟件定義制造”提供了可能性，對反應式APS（軟件）技術發展提出新要求。

5、高性能計算技術的發展，推動APS發展呈現跨層次與跨車間特點。

企業或車間業務本身具有有機耦合集成的特點，傳統分層/分車間計劃模式的技術限制正在消失，推動APS向精細化作業級全局聯動調度方向發展。

分層計劃具有明顯的缺陷。目前主生產計劃、物料需求計劃、作業排產計劃的跨計劃協同調整性能差；裝配-加工的級聯協調、外購物料齊套的協調性差。這些都嚴重影響一體化集成計劃的執行能力，很大程度而言，割裂了各級計劃之間的協調關系。

圖3 德國工業4.0關于自動化柔性線的管控思路

計算技術的發展奠定了良好的基礎：傳統的分層計劃控制、分車間計劃控制的計算技術限制逐步消失，大企業應建高性能計算中心，充分利用云計算、邊緣計算等技術，具備實現集成計劃的技術基礎。

全局精細聯動調度的需求日益迫切：從全局角度、從作業級精細角度、從跨車間角度、從綜合外購物料（最終或過程）-自制-裝配的多級/網狀關聯的物料精益匹配與協調的角度，實現全局精細聯動調度，將是未來的一種發展趨勢。

6、工業物聯網技術推動APS發展呈現“協同社會化”特點。

工業物聯網以及基于物聯網的工業互聯網的發展，也得到了國家各級部門的重視和支持。物聯網技術的發展，車間或產線內裝置以及產品（任務）均具有一定智能性，對APS的推動發展也是非常明確的。主要體現在兩個方面：

一是：對于具有智能特點的車間構成，與之相適應的APS必須充分利用智能產品（任務）/裝置的智能性優勢，否則將同傳統的APS無異。傳統的APS屬于中央集控型的APS，而物聯網具有提升的分布智能性，這是兩種完全不同的形式。這方面的APS發展將呈現多智能體的特點，即MultiAgent，其運行形式也將呈現出社會化協作的特點，可以參考人類歷史上的不同社會構成形態及其運行機制，并貫徹到APS中，也可以按照一種更加合理的方式構建多智能體下APS的運行模式。多智能體技術是自動化領域的一個重要技術方向，比如多智能體協同控制等，MA-APS的發展應該進行借鑒。

二是：基于物聯網的工業互聯網，乃至產業互聯網的發展，將為APS提供一種新型的應用場景，即非面向某個具體的產線、車間或工廠，而是面向廣域的多企業協同生產，或者產業鏈條的整體排產調度，在資源表達、能力表達、任務工藝表達等方面具有自身的特點，排產過程中物流因素將是一個重要考慮因素。

四、自動化柔性線智能APS發展思路

毫無疑問，自動化技術是智能制造發展的重要支撐技術之一。無可質疑，很多企業將自動化線建設視為智能制造的重要抓手，并且涌現出了一些“黑燈生產”、“無人工廠”的示范案例。本質上，或者大多數情況下，我們所說的自動線，更多的體現為物流周轉基礎上的聯動動作時序的協調，可以視之為一系列離散硬件裝置在特定動作序列約束下運行的生產線。傳統的自動線是通過PLC梯形程序進行控制，或者通過專門的工控軟件進行控制，不僅控制正常的流程，也應該具有一定程度的異常處理控制能力。

因此，本文結合目前很多企業在上馬自動化線或已經建成自動化線的局面下，如何進行智能化提升，也是必須面對的問題。本部分從兩個方面論述：一是德國工業4.0關于自動化柔性線的智能管控思路；二是融合APS的自動化柔性線智能提升步驟。

（一）德國工業4.0關于自動化柔性線的管控思路

圖3是德國工業4.0的典型資料圖片，其所表達的含義是生產線中所有的硬件單元都有對應的軟件形式的服務，比如傳感器服務、控制服務、通訊服務、校驗服務、信息服務等，整個CPS網絡系統就是一個服務連接網絡，具有“服務聯網”的概念，這些服務有層次并且能夠動態組合配置。所謂的智能管控，體現為硬件資源的離散化，通過服務化封裝，實現業務資源鏈條的重構與控制，并可以進一步的支持“軟件定義制造”理念的落地。

（二）融合APS的自動化柔性線智能提升步驟

德國工業4.0所宣傳自動化柔性線智能管控的核心是實現資源的柔性配置，而這種配置的手段就是面向智能制造的APS的重要發展方向。融合APS的自動化柔性線智能提升步驟如下所述。

提升自動線構成要素裝置的CPS獨立控制能力：對于自動化產線而言，一般都是連續的沒有間斷的按照時序執行動作。但這些動作時序的執行，也是需要依靠一些構成要素裝置的，比如閥、泵等，或者是各種集成的獨立裝置等。對這些要素按照能夠狀態反饋、指令執行的方式，進行改造和提升，為后續的智能化柔性控制提供支持。

支持任何構成要素裝置的必要性聯動控制能力：這種聯動控制并不是限定自動化產線中某兩個裝置的固定時序，其核心目的是增加柔性，目標是自動線上任何需要建立關聯的構成要素裝置能夠實現聯動控制。這方面的分析可以從產品的工藝流程角度入手，按照生產過程中各個構成要素裝置時序關系進行分析。

以產品性能保證為核心的工藝知識沉淀及物化能力：產線對產品性能保證的技術提升是無止境的，根據需要可以分析產品的性能指標的保證機制，比如引入機器視覺、引入自適應加工等，豐富自動線運行的知識基礎上的智能化內涵。

多產品混線生產的關聯控制與協調能力：只有當自動線能夠支持多產品混線生產，自動線能夠提供柔性的關聯控制與協調能力，才能說這條線具有智能性。比如自動數控加工線，可以自動地獲取狀態并進行分析，可以下發指令進行硬件裝置的工作參數調整；比如自動數控加工線，根據需要為不同的硬件裝置傳遞不同的數控程序；比如不同產品的工藝流程不同，可以通過柔性的聯動控制，實現生產路徑的快速轉換，以及不同品種產品在自動線上的混流交叉生產。

基于APS的軟硬一體化控制的柔性控制：如果自動線只是生產一種產品，則所有的硬件要素裝置鎖定了某種動作指令序列而已。但如果自動線是多品種混線的，則動作指令序列將具有復雜的組合聯調配置要求。如果這種組合判斷比較簡單，可以通過PLC或工控軟件來實現。但如果這種組合判斷比較復雜，尤其是加入了智能化的分析、推理、決策等內容，單純的狀態0-1式或閾值式判斷將無法滿足需求，需要引入復雜軟件系統的形式進行控制，才能滿足需求。并且，這種復雜軟件控制系統，面對多產品混流生產的復雜過程，將是目前傳統的APS向軟硬一體化緊密關聯協調控制的重要轉變和發展方向。

結論

APS雖然作為智能制造的核心工業軟件具有重要的地位和作用，但目前不管是APS的產品選型還是APS的應用都存在較大的局限和問題，已經成為制約智能制造后續發展的重要瓶頸。本文對智能制造背景下APS內涵與發展需求、典型業務應用場景、發展新重點，以及自動化柔性線的發展思路等進行了初步的分析和探索，以期能夠對我國APS技術的發展提供借鑒參考。