復雜定制化裝備生產計劃模式在信息系統中的實現

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

裝備制造業在國民經濟發展中具有舉足輕重的地位?！吨袊圃?025》的出臺要求著力發展裝備制造業，提升裝備、制造智能化水平[1]。生產計劃模式是實現智能制造按需定制業務目標的重要組成部分，只有采用數字化、在線、適配的計劃模式才能真正實現智能制造；同時生產計劃是生產制造的核心職能，也只有通過制定科學、合理的生產計劃發現、消除生產瓶頸，減少中間浪費環節，提升生產順暢度、均衡性，縮短生產周期，才能更好滿足復雜定制化裝備的需求，實現對市場的快速反應。傳統大規模制造、流水線生產、基于計算機的純MRPII 等都無法滿足復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在做好產品設計的同時，也在積極探索智能制造新模式，通過數字化提升生產管理水平，但是由于產品的高度復雜性、個性化特征顯著，無論是生產計劃管理還是數字化轉型，成功、成熟的案例不多。本文基于多年生產計劃管理和數字化建設實踐，提出了基于項目網絡計劃和MRPII 的混合生產計劃模式，并通過信息化系統落地，已實現較好的應用效果，對復雜定制化裝備行業的生產計劃管理和信息化建設具備一定參考和推廣意義。

復雜定制化裝備屬于大型單件或小批量離散式生產，具備以下一些典型特征[2]：

（1）復雜化。產品體積龐大、結構非常復雜，物料清單（BOM）層級和數量龐大。

（2）技術含量高。兼具機械、電氣、液壓、聲、光、電等多種學科。

（3）個性化。由于裝備作業環境復雜，對每臺設備要求可能都不一樣，產品個性化程度高。

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

（5）修改頻繁。裝備作業環境無法精確界定，客戶參與產品全生命周期，在研發、生產、服役等業務環節隨時會根據客戶需求修改。

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

（7）生產周期長。一般需要幾個月甚至跨年。

（8）項目式生產。單臺產品生產多采用項目制方式，且多項目并行。

（9）工藝流程復雜。生產過程工序多、工藝流程復雜，主要包括下料、機加、焊接、部裝、總裝等典型環節，且為離散工位式生產，很難形成單臺流，下料、機加、焊接等制造環節主要依靠設備與人員，部裝、總裝等裝配環節主要依靠工位（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前即開始采購，基于主生產計劃的MRP 無法滿足需求。

2 國內外研究現狀

MRPII（制造資源計劃）是在MRP 的基礎上發展而來，MRPII進一步擴展了計劃管理體系，含括了從宏觀到微觀，戰略到戰術的各層級計劃模塊，即：經營規劃、生產規劃、主生產計劃、物料需求計劃、生產作業控制，五個計劃層次，其核心仍然是將企業的制造資源和經營任務的需求進行平衡，以產品BOM 結構為基礎，統籌各類生產資源要素，如生產設備、人力資源、加工能力，以及外部物料供應等，通過MRP 供需關系和能力平衡運算形成主生產計劃，進而逐層分解出下階作業計劃。MRPII 既是一種管理模式，也是一種信息系統，目前應用比較成熟，是各類ERP 產品的核心功能。

傳統MRP/MRPII 解決方案，在應用于復雜定制化裝備的生產實踐中時，面臨幾個應用難題[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，復雜定制化裝備邊設計、邊制造情況普遍，即使可以對部分發布BOM 運行MRP，但是無法生成未發布BOM 的生產節點，而多項目并行的生產模式，需要管理項目計劃的所有節點，即使某節點的BOM 沒有發布，依然需要基于產品生產節點、設計進度和產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 設計未完成情況下，BOM 不能發布，只能對發布的下層BOM 單獨運行MRP，這也提升了MRP 運行和計劃管理的復雜性。

（2）復雜定制化裝備往往采用項目制管理方式，涵蓋項目立項、設計研發、生產制造、成品發運、現場組裝調試等各環節，其中尤其是生產制造環節高度離散，生產節點交錯情況多，且修改頻繁，傳統MRPII 很難對此業務進行逼真建模，更難滿足頻繁修改計劃節點需求。

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

3 研究內容與技術架構

3.1 復雜定制化裝備混合生產計劃模型

主生產計劃：利用項目管理的思路，每臺主機為一個項目，構建單臺主機采購‐制造‐部裝‐總裝‐調試‐驗收‐發運的整體節點計劃，每階段一個節點，每個節點可以根據管控粒度需要向下層分解。

項目網絡計劃：單項目主機生產計劃。

月度滾動計劃：多個項目網絡計劃經過產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，產生項目需求，經過運行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，兩者經過產能平衡排產后形成生產作業計劃。

采購計劃：采購件采購計劃。

總體思路如下：

（1）將復雜定制化裝備生產計劃分為主生產計劃和物資計劃兩級。

（2）主生產計劃借鑒項目管理的思想，通過項目和WBS 構建主機主要生產節點的網絡計劃。每類產品設置一套項目模板，模板包括WBS 節點、節點節拍、節點之間關系、節點所需產能資源等要素。當創建一個主生產計劃時，根據模板復制，并通過節點關系實現不限產能的預排。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 分批次下發的問題。

（3）基于產能模型，將多個項目網絡計劃進行產能平衡，形成多項目滾動計劃。

（4）主生產計劃主要是大節點計劃，具體的生產、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點下面，產生物料需求，通過MRP 運行產生物資計劃。物資計劃執行的結果反寫項目節點的進度，從而為多項目計劃排程提供項目產能釋放的輸入。項目掛載哪些部件、掛在哪個節點根據具體的產品結構、項目結構、BOM 分批發放規律來定，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能平衡排程形成生產作業計劃。

（6）復雜定制化產品物資種類多，為及時滿足制造和裝配需求，需要根據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 章節體現。

圖1：復雜定制化裝備混合生產計劃模型

3.2 主生產計劃

主生產計劃簡稱MPS，主要是為了提高銷售和經營規劃與生產規劃的一致性，實現銷售與生產的平衡匹配[4]。在復雜定制化裝備制造企業中，按照典型的項目制進行生產，同時多個項目會并行生產，為了提高交貨的及時率和項目的整體把控能力，需要借助主生產計劃實現對項目節點計劃編制、執行跟蹤等工作。按項目的實際建設過程，主生產計劃包括了項目立項、采購、制造、部裝、總裝、調試、發運等項目網絡節點。圖2 是某復雜定制化裝備制造企業的主生產計劃結構圖。

圖2：主生產計劃結構圖

主生產計劃主要是為了核算生產制造對市場需求的滿足能力，能夠提前與客戶協商交期不能滿足的項目。根據客戶要求的交貨日期、產品結構模板、各節點標準節拍等要素編制主生產計劃，在制定主生產計劃后，在每個項目網絡節點分配生產資源信息。根據班組、工位等生產資源，實現基于有限產能的主生產計劃編排。在產品BOM、工藝數據下發后，生成工單與主生產計劃中的作業點關聯，獲取產能占用情況，通過報工及時釋放產能占用，為網絡計劃排程提供基礎。

3.3 物資計劃

在離散制造行業，主生產計劃和物資計劃是相輔相成，物資計劃由主生產計劃驅動產生，如圖3所示。

圖3：生產計劃與物資計劃

在項目網絡計劃中，將分批次發放的產品大部件掛載在相應項目節點上，產生大部件需求，根據BOM 結構，通過MRP 運算后產生大部件所有層級的物資計劃。根據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：項目節點掛裝物資

3.3.1 生產作業計劃

生產作業計劃顧名思義就是企業生產的具體執行計劃，通過規劃各車間、工位、設備、班組、時間等資源組織企業的日常生產活動，充分協調相關資源，組織企業均衡生產，提高資源的利用率[5]。

在復雜定制化裝備企業中，生產作業計劃包括裝配計劃和零部件制造計劃，根據制造車間的生產能力，準確的排出生產車間的執行計劃[6]。依據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備機臺、工序節拍等資源，按照保證交付節點同時滿足設備最大利用率的原則，首先倒排出工序的作業計劃，第二步將超出預計時間的訂單轉正排并給出預計完成時間，第三步給出外協建議清單，第四步人為挑選外協訂單后重新進行工序作業排程計算，如圖4所示。最終將每個訂單分配到具體的設備、班組上，通過MES 系統的派工單，實現生產任務下發和完工匯報。

圖4：生產作業計劃流程圖

3.3.2 采購計劃

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

3.3.2.1 戰略預投物資

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

戰略物資預投計劃實現方案：

（1）根據銷售預測信息創建計劃獨立需求(PIR)，觸發生產或采購[7]；

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

圖5：戰略物資預投計劃邏輯圖

在產品設計前，通過獨立需求實現戰略物資的采購，在產品設計完成后，通過上層物料計劃產生的相關需求實現獨立需求的扣減，防止過多采購。

3.3.2.2 長周期項目物資

在產品合同簽訂后，為了及時交付產品，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方案：

（1）對此類物資進行結構化“封裝”，封裝后的包物料稱為AP 物料，并添加到產成品BOM（未最終發布）中；

（2）通過項目與產成品的關聯關系，將AP 物料BOM 中的長周期項目物資自動掛載到項目特定節點下；

（3）項目自動產生網絡預留需求，運行MRP 后得到平衡庫存后的長周期項目物資計劃；

（4）在產品或其大部件完成設計并掛載在項目節點上后，通過其展開的BOM 需求自動扣減之前的網絡預留需求。如圖6所示。

圖6：長周期項目物資計劃邏輯圖

在產品設計前，通過物資自動掛載項目，運行MRP 產生物資計劃；在設計完成后，根據BOM 需求自動扣減之前的項目網絡預留需求，防止過多采購。

3.3.2.3 常規項目物資

常規項目物資即在產品或部件完成設計后，根據BOM 驅動采購或生產的物資，一般為采購周期不太長物資，根據常規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 應用實踐

通過PLM（產品生命周期管理）、ERP（企業資源計劃）、MES（生產執行系統）系統支持該生產計劃模式的運行，在某地下工程裝備龍頭企業進行應用實踐。結合該公司的實際生產計劃，建立了基于項目的網絡計劃和基于MRP的物資計劃雙輪驅動的生產計劃體系，如圖7所示。

圖7：復雜定制化裝備生產計劃支撐信息系統流程

以ZTE6250 土壓平衡盾構機產品為例，其產品結構如圖8所示：

圖8：土壓平衡盾構機產品結構圖

主軸承為戰略物資，根據銷售預測，結合目前和在途物料庫存情況，維護戰略預設表（表1），通過MRP 生成戰略預投計劃。

表1：戰略物資主軸承采購計劃（示例）

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

表2：項目網絡計劃（示例）

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

表3：裝配計劃（示例）

表4：生產作業計劃（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）

常規項目物資計劃（表6）。

表6：常規項目物資計劃（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 三個系統協同應用，本文提出的計劃體系取得了良好效果，很好彌補了傳統MRP 的缺陷，尤其對“三邊工程”的生產模式具有較好的適應性。系統上線后，經過數據清理，MRP 準確率在90%以上，且很好匹配了各類物資的計劃模式。經統計，盾構機整體生產周期縮減23%，庫存周轉率提升15%，以前手工下計劃模式基本切換為系統自動運行，大大提升了生產計劃人員的工作效率。

5 結論與展望

復雜定制化裝備制造企業與傳統大批量制造企業相比，生產計劃管理更加復雜和困難，傳統MRP/MRPII 的計劃方法無法適應。本文將基于項目的網絡計劃和基于MRP 的物資計劃融合，建立了復雜定制化裝備生產計劃管理模型，并通過系統實現，獲得了很好的應用效率，可以為同行業企業的生產計劃管理和信息化建設提供有價值參考。