APS高級計劃與排程系統在生產管理中的應用

華北電力大學機械工程系 林乾濤

在生產制造業中，高級計劃與排程（APS）作為生產調配的一種創新工具。在生產型的企業（建筑、機械、電子、服裝、食品、醫藥等行業）中得到廣泛的應用。它能夠實現“人機交互”，可對所有的資源實現實時監控，可以輸出綜合設備、人、物料及客戶訂單信息的一份準確的生產計劃。通過簡潔的方式搭建產銷一體化平臺。但由于目前許多單位僅停留于應用層面，以至于學術界和產業界對APS的認識和理解還存在著一些差異。為了構建對APS的全面認識，基于國內外各大數據庫及相關的專業書籍，簡要的對APS的起源、理論研究和制造業應用的現狀，做出5個主要研究的內容。并結合APS在國內的應用實踐，從戰略、系統和集成3個角度展望APS的發展前景，希望對高級計劃與排程的學術研究和產業應用提供參考與指導。

為了應對日前日益增長的訂單需求、市場競爭及眾多不確定因素給生產型企業的事業環境因素帶來的變化。生產型企業在排產的工作上需要采用一定的策略與工具，來實現準確、快速的調度與調配，從而不斷優化和改進現有的業務流程，以維持企業自身在行業中的競爭優勢。高級計劃與排程（Advanced Planning and Scheduling，APS）作為一套產銷一體化的計劃平臺，在生產型企業中已被廣泛地使用。然而，在經過多年的推廣與實踐，受到了一些理論層面的不同解讀，一線的使用者也僅停留在自己職責范圍內的使用，而導致還有更多可以使用的功能和可以改善升級的地方沒有被挖掘出來。因此，回顧APS的起源于發展，對APS將來的發展前景是十分必要的。

1 生產管理和APS的起源與發展

1.1 生產管理的歷史起源與發展

現代生產管理的理念起源于18世紀末期，從第一次工業革命開始一直持續發展至今，由于越來越多的學生，乃至管理者投入到生產管理的學習中來，以至于其大大提升了制造業的生產效率。關于早期對生產管理的描述是由英國的經濟學家亞當·史密斯于1776年出版的《探究國富論的本質和原因》一書中給出的[1]。其對生產管理給出的解釋是勞動分工是如何使生產更有效率。根據他的意思，如果每個人都只負責某產品某一塊零件的生產，而不是從頭到尾負責生產這整個產品的生產，那么整條產線就會變得更有效率。

直到現代的20世紀初，亨利·福特推動了生產分工和可替換零件的使用，由此使得裝配線的生產方法誕生。這幫助福特能夠以當時較低的價格生產大量的汽車。這種方法也已被許多其他生產制造商采用，從而能夠批量生產成本廉價的產品，實現了生產的精益。

經過了這些年的發展，如今生產管理的方法早已超越汽車制造業，擴展至建筑、物流、服裝、食品、醫藥等多個行業領域。并且發展了多樣化的生產管理體系與操作方法。這些體系的重點是在生產活動中創造更大的效率。一些比較知名的體系包括摩托羅拉開發的六西格瑪，由豐田開發的精益制造，以及由國際標準化組織制定的ISO9000等。

1.2 APS的歷史起源與發展

隨著生產管理方法的發展，最早在20世紀90年代中期的時候高級計劃與排程首次被美國先進制造研究機構提出[2]。然而，截至目前為止，APS系統還沒有一個能夠被普遍接受的定義。這個術語至今仍有歧義。有些機構在概念層面定義了這個術語，認為它是生產計劃的一種新方法。例如，日本PSLX（Planning and Schedule Language on XML Specification）協會對APS的定義為“一種系統和方法，如工業的計劃和調度，在企業內部或企業之間不同部門的配合和同步，以實現全面和自主的優化”。根據這個定義，APS系統不是ERP的一部分，而是企業內部的一個完整的計劃和調度系統。因此，計劃與調度被認為是制造企業決策的一個主要方面。

目前的APS系統已覆蓋了許多制造型企業，目前它還具備企業間的計劃與調度功能。APS現已能夠計劃并安排相應的勞動力、采購、分銷、銷售和其他制造相關流程。APS系統的開發主要是為了改善生產計劃和車間的調度，從而實現整體生產成本精益化，交貨達成率高。

2 生產管理和 APS的結合

生產計劃排程是在有限產能的基礎上，綜合來自市場、物料、產能、工序流程、資金、管理體制、員工行為等多方的對生產的影響，經過APS的優化得出合理有效的生產計劃[3]。

通過將生產管理的理念與方法與APS系統結合，可以有效地提升生產管理人員及流程中的各相關方的合作與調度工作。可解決生產排程和生產調度問題，常被稱為排序問題或資源分配問題[4]。

生產制造企業可以分為兩種：一種是流程制造業，另一種是離散制造業。在離散行業，APS是為解決多工序、多資源的優化調度問題；而流程行業，APS則是為解決順序優化問題。它通過為流程和離散的混合模型同時解決順序和調度的優化問題，從而對項目管理與項目制造解決關鍵鏈和成本時間最小化，具有重要意義[5]。

3 APS的應用

3.1 APS的應用現狀

APS高級計劃與生產排程以局限的資源能力管理方法為基礎，能夠運用到制造生產型企業的多個需要計劃、協調的工作環節中，使用的比較成功的方向主要是生產排產、物流資源平衡優化，也就是具備的供應鏈板塊的功能。國內軟件開發行業中能成功通過應用其方法來研發管理軟件的目前還是屈指可數的，不過現在一些企業已經發現了APS用于計劃排程管理工作的重要性，并已開展了相關調研。

與ERP（Enterprise Resource Planning，企業資源計劃）不同的是，一個是以局限資源能力的動態工作為基礎，另一個則以事務處理的靜態工作為基礎進行相關的計劃與排程工作。舉個例子，比如排產，APS是將人力、時間、物料按特定的邏輯順序進行生產計劃與排產的工作，只要有了訂單信息，那么需要排產的物料與設備其生產數量與時間也就會自動生成。相比之下，僅通過BOM（Bill of Material，物料清單）計算的訂單就顯得沒有那么智能了。

3.2 APS的應用案例

通常在APS系統開始排程工作前，會由前端SAP輸出有關的資源、物品、BOM及訂單信息，如圖1所示。這些基礎數據對于APS來說，都是非常重要的基礎數據。在經過后端排程規則的約束后，就會輸出生成的采購和制造訂單、資源情報可視化甘特圖，以及排產相關的工藝工序報表。通過生成的這些BI（Business Intelligence，商業智能）數據，可以進一步的下達生產計劃。與此同時，也會實時反饋生產實績，以此修正過程中產生的物料使用誤差。

圖1 C公司的APS應用流程Fig.1 APS application process of company C

但是，APS對從SAP階段輸入的有關資源、物品、BOM及訂單信息準確度要求很高。如有諸如前后端物料編碼不一致或者排產日期等重要數據與系統中的不一致，則會卡在SAP階段無法輸入APS中。發生這樣的狀況通常會發生繁瑣的變更流程去解決這些問題，這樣一來無法避免的就會增加生產交付時間的延誤風險。

3.3 APS工藝路線的自動生成

有些還未使用APS的公司，在引入該系統的前期階段還是很艱難的。這是因為很難清晰的看出有關方法和工藝路線不可用的報警，可能僅僅是一種基礎的形式，沒有發揮出其完整的功能。例如，公司的ERP系統可能將工藝路線存儲為資源序列，然而，并沒有關于替代資源或替代路線的信息；還有一些公司為每一個訂單都創造一條路線，這意味著當訂單還沒輸入時，僅基于需求排程是不容易進行的。可能有的時候由于公司原先的生產計劃方式無需像APS自動生成的那樣詳細。為了改進工藝數據，可以配合采用豐富工藝路線、生成工藝路線、定義工藝路線模板等策略來改進。

4 APS的發展前景

目前，企業的計劃和控制活動正變得越來越復雜，這一領域的管理者不斷受到壓力，以降低經營成本，保持足夠的庫存水平，充分滿足客戶的需求，并有效地應對發生的變化。計劃和調度任務對大多數公司來說都是重要的，在生產計劃和控制系統開發的背景下，APS系統的一般理論是有可能發展的。由于APS必須先從MES（Manufacturing Execution System，制造執行系統）系統獲取相關生產基礎數據和生產管理需求。所以APS系統的廣泛應用的同時，MES也已在各行各業中被廣泛使用，它們是相輔相成的關系。目前越來越多的生產型企業都開始有了與APS相兼容的引擎。相信在不久的將來隨著各行各業的發展需求，客制化、本土化的APS系統也將全面覆蓋我國的各類生產型企業中。

5 總結

APS系統的歷史相對較長，但其理論仍處于相當初級的階段。雖然關于面向APS的優化模型、方法和步驟已經有了大量的文獻，但是對于特定的APS系統，仍然缺乏一個能夠設計出協作算法的理論框架。APS系統的具體建模和實現問題也只得到了少量的研究。例如，當前APS系統的一個重要限制是處理不確定性。另一個問題是，他們在供應鏈上優化貿易伙伴計劃的能力仍然是一個巨大的挑戰。所有這些問題都應進行更詳細的研究，設計并納入信息系統工程的主要理論中，從理論上解決這些問題。