论模拟技术APS在生产计划中的运用

作者：畅享网

2005/1/9 19:11:42

本文关键字：应用技术

生产计划已经从简单的“MRP物料需求计划”系统演变为今天复杂的“APS高级计划和排程”系统。所谓计划就是确定长期的生产任务，通常涉及到相当长的时间期，而生产排程是指在决定如何完成制造任务，通常涉及较短的时间期。模拟特别适合任务排程，因为它能够尽可能详细地进行处理来采集制造过程中的细节。把基于模拟的生产排程集成到“ERP企业资源计划”系统是非常有必要的，就是说我们可以从ERP系统维护驱动当前系统负荷模拟的系统数据，来产生切实可行的计划排程。

生产计划系统的模拟就是在计算机里建立反映分析现实世界的模型。在此模型里,需要考虑各种影响因素,如工艺顺序,工序运行时间,物料及各种资源的可用性,轮班形式, 工模具,人力,维修等所有影响真实世界的因素.任何的变化情况,在计算机模型里都需及时的反映与匹配现实世界.

利用模拟技术可以全面地反映生产计划和排程的运行特点,由于不存在数学规划求解的复杂性,它可以考虑各种复杂因素,包括结构上和参数的上的随机性.因此,可以基于更现实的假设进行优化。由于生产计划中的事件发生是不连续的,时间间隔也不相同,而且具有一定的随机性。

模拟仿真一般有两种模拟仿真方式：(1)基于对象的模拟仿真.(2),基于方程的模拟仿真。因为基于方程的模拟仿真是利用微分方程来表示系统的动态特性.由于生产计划排程系统比较复杂和变化快,很难用方程组来表示系统的行为.基于对象的模拟仿真却可以将实际系统中的实体以对象来描述,并将对象作为组成模拟仿真系统的基本单元, 在模拟仿真过程中,更加方便利用对象的仿真数据调整其自身的参数,适应复杂变化事件的发生.

利用模拟技术可以把现实世界建立于实验性的概念上。当要决定一个决策或计划时，我们没有办法承受失败所带来的风险。因此模拟技术可以帮助我们减轻失败的风险。通过电脑虚拟现实的情况，决策者事先知道决策，比较计划排程的可行性。从而帮助计划员们作出及时的明智决定。

Arena, Promodel , Witness 和 Automod， Flexsim都是市场上常常看到的模拟软件。他们的模拟技术都是从80年开发至现在，为确定由 MRP 等系统生成的无限能力计划是否具有实际的可行性，必须用模拟的方法确定由该计划生成的开始时间能够保证生产订单在其到期日期之前完成。二十世纪八十年代到现在，随着计算机技术的发展，制造控制系统的形成、车间数据采集系统和数据库管理系统的水平的提高，模拟和制造计划系统的结合成为可能，许多APS软件均采用不同的模拟排程器软件如Arena，FACTOR 等。早在20世纪80年代它们就提供一套完整的用于支持任何制造系统结合的数据转换功能。在20世纪90年代，美国通用汽车公司就将模拟功能与工厂控制系统和人工智能技术结合在一起。

一方面模拟技术已经具备了可以产生高度可用性的制造计划的能力，另一方面，纠正MRP计划的不可行性的订单，使之符合在能力受约束的环境中执行，让人十分困难。但是，为了保持现实模型与计划相一致而提出的数据要求，以及有效执行计划所需的业务流程专业知识让人们在获得这些成功的同时，付出了高昂的成本，并且这种成功也难以持续。我们需要的是一个能够借助它进行模拟排程，与现实更贴切的制造计划，这就是基于模拟的APS高级计划排程系统。

APS系统通过集成的方法使计划和排程融为一体，对具有能力和物料的约束的计划器模块产生一个“可排程”的计划。该计划将数据内容提供给排程器模块，排程器模块生成一个详细的工序清单表，显示将如何使用能力，且将该信息返回给计划器模块用于下一个计划期间。对新客户订单的请求，可以同时考虑当前的和计划的工序和物料的可用能力，提供现实的承诺估计。

高级计划

APS中的计划功能用于确定在特定计划时间的范围内来满足制造系统的需求。对计划过程的输入内容包括与需求数据和制造能力相关的信息。需求可以多种需求，如客户订单，销售预测，转移单（从其它工厂转过来的订单），以下达的生产订单，安全库存产生的需求。制造系统数据包括物料清单，工作中心能力的可用性，及零件工艺和存货同时考虑在库量，已计划交货量。计划过程的输出是一个可行性的计划，它为每一个需求提供下达和完成时间。和MRP相似，APS也将物料可用性列入考虑范围。但是，与MRP不同的是，它考虑工作中心能够处理物料和满足需求的能力。

这计划过程是以订单为中心的，主要关注对最终物料的需求并确定能够在特定时期内满足多少需求。确切的说，如何满足该需求，也就是如何向工作中心分配特定作业及其如何设定作业顺序，都由排程功能来完成。实际上，计划通常最好保持暂定性，因为它所包括的计划时间范围有可能出现中断。预测可能不准确。交货可能延迟，设备可能发生故障。可能会收到无法预期的紧急订单。因此不要期望将计划做的过于详细。可以将各台设备合计到工作中心内，而不确定具体那一个订单使用哪台设备。因为现在进行顺序设定还为时过早，所以可以使用准备时间的平均值，可以定义缓冲时间，尤其是在瓶颈设备上进行处理之前，从而能够允许可能发生的中断，最终的结果是一个“可排程”的计划。

计划的逻辑

每一个要进行计划的最终物料订单都具有一个承诺日期，该日期是通过订单承诺功能确定的。计划器算法的逻辑按照如下方式对每一个订单进行操作：

1,从承诺日期反向开始，并且保留每道工序需要的工作中心的能力和物料。如果所需要的物料是已经生产的组件，则同样从其需求点开始对其进行反向计划。如果在此途径结束时，开始日期在计划时间范围的开始或之后，则继续执行下一个订单。

2,如果反向途径失败，则意味着生成的开始日期可能已经过去，则从计划开始日期保留能力和物料。如果生成的截止日期在计划时间范围内（虽然有可能在承诺日期之后，）则完成对此订单的计划。

如果反向和正向途径都失败，则不将该订单包括在计划期间内。

高级排程

APS中的排程器的作用是生成工序的详细清单，以指定何时在哪个工作中心上处理哪个订单。该模块的输入包括需要满足的所有需求，其中包括在最终物料要求制造一项组件时由计划器添加的内部订单。它包括当前物料存货以及已采购物料的计划交货。其中还包括与提供给计划器的数据相同的制造系统数据，但是，它使用对数据的更详细的表示。排程器使用的但与计划器不相关的详细信息包括：

1，基于设备和操作员的实际分配的变动加工时间

2，根据技能集和质量要求选择设备和操作员的规则

3，基于上一个零件和下一个零件的特性（包括零件类型，系列，颜色和宽度等）确定的变动准备时间。

4，根据最小化准备和其它因子用于设定工作中心作业顺序的规则

5，允许的加班

6，根据到期日期，闲置，成本和其它因子从优先级作业列表中进行选择的规则。

结果是对近期车间预期制造任务的准确表示。计划器通常考虑数周或数月时间内系统的需求，而排程器通常负责较短的时间框架，可以是一个班次，一天或者是一周。详细排程的实用性随着时间的推移迅速下降，因为车间的生产中断或订单的更改要求对排程作出大幅度的调整。因此，用于生产排程的模拟通常具有确定性。如果发生随机事件（如设备故障，紧急订单到达或供应商的交货时间延迟）。则可以快速地重新生产新的排程并评估因此造成的影响。

排程逻辑

APS计划功能是以订单为中心的，而APS的排程功能是由事件驱动的。在一组订单及其相关开始日期已经确定的情况下，排程器算法从生成日历开始，这个日历就是一个包含每个订单首道工序的时间顺序列表。因为该工序能够获得它所需要的工作中心能力和物料，因此将更新该日历反映工序结束的时间。

随着时间的推移每个订单都会完成其路径，其截止日期取决于系统的动态设置情况。将其指定到哪台特定的设备完成给定的工序？它需要等待同一台设备上的其它订单多长时间？准备时间需要多长时间？不能事先计划这些问题的答案，但是随着时间的过去，订单在系统中经过这些问题会具有动态的答案。最终的结果是一个详细的时间表。

ERP系统和排程器之间的输入和输出，排程器安排的排程作业和由ERP系统下达的采购单被返回到计划器排程器以进行下一次的计划运行。这一倒退功能让APS计划器在执行APS计划的同时能够持续生成现实的计划。

整个计划和排程过程是紧密集成的，但不是自动的。正如前面所说的，APS计划器生成计划的生产订单和计划的采购订单。它们是根据实际客户订单建立的，也可以选择建立在预测和其它预估基础上。生产计划员现在能够使用这些建议将作业下达到车间并创建采购单。然后，运行APS排程器，并使用这些计划的和下达的作业指定工作中心的能力和存货。在APS计划器中仅固定已下达的作业分配以创建新的建议计划。

替代计划的比较

可行的计划不一定是所期望的计划，假如有过多订单无法排程，则需要尝试多种手段来临时提高系统的能力。可能需要向某一关键的工作中心添加额外班次。如果人工是瓶颈，则可能需要临时帮助。可以将一或两道工序外包。模拟的一项主要优势是它总是能够在不干扰运行的情况下调查系统的变化。这一优势是通过以下方式引入APS系统的：提供拷贝ERP数据的能力，以及更改一个或多个参数进行试验然后将结果与原来的值进行对比的能力。

比如我们可以对比自行车的组装、喷漆和检验生产排程的两个替代版本。对资源的安排进行图形版本的显示。计划器可以确定销售订单应在某月某日下午几点开始。排程器可以预计到完成日期将比承诺日期提前几个小时。

遗憾的是，某月某日的部件的零件没有到货，所有需要该部件的订单都在待料，从而造成了延迟。所以销售订单的新预计日期几乎延迟了。能够减小该订单和其它订单的延迟程度的一个替代方法是临时添加第二个工作中心喷漆。从喷漆资源组添加“喷漆”的替代资源，允许同时为两辆自行车而不是一辆自行车喷漆。这时，就产生了新的计划排程，在该计划排程中的原销售订单可能比承诺日期又早了几个小时。这就是模拟多个可以尝试的选项之一。

应记住，不要盲从于车间细节的排程，也可能没有必要为满足车间的需要而运行高级排程功能。高级计划和高级排程之间的主要区别不一定是有没有详细的计划，而是加工的顺序是否对生产的影响。如果销售订单在工作中心中的加工顺序没有对产出造成很大影响，则不需要详细的计划排程。但是对于在不同产品之间需要较长的准备时间或计划频繁变化的制造环境下，高级排程功能则至关重要。

订单承诺

使用计划模拟能够让供应商现实地回答客户的问题：“我们在什么时间能够获得多少件产品？”或者是相关的问题：“截至到某日期，我们可以获得多少件产品？”。通过对制造地点当前状态的现实反映，能够直接的将销售订单添加到生产计划排程中并能够作出实际的承诺，该过程我们称为 CTP承诺能力。因为 CTP 同时使用可用存货和生产能力来确定订单的承诺日期，因此它与较简单的可承诺量 (ATP) 功能之间存在很大的差别，ATP 只将未确定用途的存货考虑为能够满足需求的可用数量。

如果只有一个工厂能够满足客户的需求，则只需要查询一个承诺系统来获得一个实际的承诺日期。如果需要考虑供应链中的其它参与者，这就需要通过使用互联网来实现了。假设供应链的参与者都能够响应，就可以从各种地点或其它来源中获得全局的“最佳”承诺日期。

客户需要查询供应商履行订单的能力，如果供应链中有多个地点能够提供所需的物料，每个地点提供的承诺日期都是根据可获得的信息作出的。那么“关键承诺人”地点根据可用存货和计划供应提供了一个日期，同时“能力承诺人” 地点根据生产率以及可用存货和计划供应预估了该日期。那么，在模拟的APS系统就可以获得最准确的信息，因为这个地点能够根据可用存货和工作中心能力准确地了解到履行订单的时间和程度。当然，要获得这一信息资源需要建立一个良好的供应链信息系统，这就是为什么APS系统必需基于供应链系统和ERP系统来实现准确的CTP。

模拟建模的主要问题：

1，目的是什么：

模拟建模的首要和最重要的是决定目标。如：你想要模拟来回答什么问题？（如一小时能生产多少产品？）。有特别的问题你需要解决吗？（如决定优化顺序和批量）。可能你只需要给客户显示说明?

2，描述：

精确的描述你的流程将帮助我们决定在模型里需要包括什么,我们要用你必需的细节建立一个精确模型来执行完成你的目标。太多的细节对建模来说是个负担，会使模型运行时间减慢，复杂化你的结果。

描述你的流程。一步一步的流程图是非常有帮助的。实物的流程的定义是不需要的，只是流程的描述。记住任何批量需求，优先级规则，排序的逻辑和返工决定。最好有一个车间布局图来帮助我们正确的布置资源空间，即使空间的关系不重要，为了可视化目的。

定义模型的开始和结束点。例如，我们在接货点开始，或是从装配线开始。正如我们结束在装配线或集中在包装单元的瓶颈。

在模型里如何解释零件到达，我们可以假设无限物料供应吗？我们需要一个建模管理一个内部物料进系统的时间吗？或是我们应该使用实际到达计划？我们要不要将来建一个“看板” 或“ 拉”式系统？如果是的，相关的规则又是什么

虽然加工时间在建模时是重要的，但是，以后是容易改变的。我们可以开始建模用估计时间，以后，使用实际可以得到的时间。对瓶颈工序具有良好的加工时间信息是非常重要的。

在模型里，当你模拟“如果－怎么样”时，你要操纵哪一个变量？（如工序数，故障时间，批量，节拍周期，传送速度，布局的改变等）

3，结果：

你想要采集的信息类型将大大的决定设计模型的深度。在模型里，什么信息对你来说是重要的? 模型的评估性能条件是什么? (如排队时间, 设备/人力的利用率, 系统成本生产率，零件周期等)

4，相关的投入

实时采集什么数据? 验证模型? 运行 “如果－怎么样” 情景? 分析结果? 提供高级培训? 提交给管理层?

许多工业领域需要实际的模拟支持：

如手机生产厂的多品种手机模拟系统需要考虑了品种的改变的影响需求最小和物料可用性最小，通过多品种模拟组合，决定机种的改变。

电子工厂需要对十几条生产线的模拟排程和每个线上的物料需求。

化工厂剪切的切边余料的优化，烤箱和测试容积限制的模拟。

装配型的物料驱动型的工厂，需要如何按多销售定单来计算交货期来模拟考虑物料的可用性。

加工型的能力驱动型的工厂，需要对有限的产能和瓶颈进行模拟排程。

精益型工厂需要模拟顺序的排程和对多个子装配线的模拟优化看板计划。

对出口加工型工厂需要考虑在主计划排程中模拟优化集装箱货柜计划。

对于分销配送的行业需要模拟供应链的选址和货物的调配及模拟运输发运优化计划。

结论

当今的制造商要面临快速准时交货的巨大压力。能够提供优质的客户服务通常意味着能够提供多种产品选项、能够接受最后一分钟的修改，并且能够对“按单生产”和“按需定制”产品的订单提供快速响应。同时，现在各个企业试图按照“精益制造”的原则避免因大量存货而引起的成本费用。在如此压力之下，高效的生产计划不仅成为必须，它甚至成了企业能否继续生存的关键。现代的“企业资源计划”(ERP) 系统包含了制定详细的生产计划所需所有的数据，其中有整个制造过程的物料清单和零件工艺等产品信息，还有设备、人力和班次计划等系统信息，还有当前订单、在制品、存货水平和已下达采购单等状态信息。“高级计划和排程”(APS) 功能需要用这些数据确定如何有效地为工厂的工序制定计划排程，并且根据不断变化的需求快速准确地进行重新计划排程。

现在，对优秀的企业来说，都正在寻找APS系统，只不过市场上APS软件太少。 APS软件相对ERP系统的计划方面是高级了点，但对一个计划系统，它只不过是解决基本问题和常识问题。所以， APS理论知识必须普及。ERP系统的计划功能产生的计划，手工干预过多，导致ERP运用不理想。对于现有流行的ERP系统，我们的计划员们确实有点像“皇帝的新装 ”。但是，我们在运用APS的系统时，也不能大而全。每一个企业的类型和计划难度不一样。如物料驱动型企业（组装），其计划的重点是物料约束。对产能驱动型企业（加工），其计划重点是能力约束。对优化的追求，也不能太理想化，满意取代最优。现场动态变化复杂业务可以用可视模拟技术来取代优化算法求解。

APS是在运用ERP基础上的计划改善，是对MRP/CRP计划的改善，使企业的ERP系统运用的更好。就像当初MRP/MRPII/ERP理论在中国推广一样，APS也需要培训和普及。也需要软件公司，理论界，数学界，企业界，资询公司，媒体和政府共同努力。

在当今竞争日趋激烈的制造行业，APS 系统现实地预测订单完成时间以及能力和物料利用率的功能是至关重要的。将 APS 的计划技术与企业的管理流程相结合能够提高客户服务质量和按时交货的能力，并减少费用、加班和存货，最终提高产出和利润。模拟技术在这种系统中的排程作用很大程度上得益于它能够忠实地重现真实世界。模拟技术在和高级计划排程和订单承诺功能完全结合时，它的价值可以获得进一步的增强。

参考资料：

蔡颖: “基于模拟仿真的APS系统”摘自书“ ERP 高级计划－APS供应链优化引擎 ” 2004年，9月. p80-p113 广东经济出版社。