计算机时代的计划控制技术（by 蔡颖）（下）

摘要：本文主要是从计算机辅助计划的历史，现在与未来，来论述计划管理的理论丛林的各种主要计划理论的代表，也就是想从中探讨出计划的规律。也相应介绍国际上计划研究领域的发展方向。

计算机时代的计划控制技术（下）
-CAP (Computer Aid Planning)计算机辅助计划

蔡 颖

5.有限能力计划-FCS

FCS有限能力计划已发展十多年， 在动态复杂的车间管理中，建立一计算机模拟原型，设定工作中心的能力是有限的，计划的安排按照优先级的规则进行排产。当工作中心负荷已满，就根据你定义的规则如基于订单任务(Job-based) ， 基于事件(Event-based) ， 基于资源(Resource-based) 来自动，优化的安排可行的生产计划。

它的基本算法是：

1. 基于订单任务(Job-based)
是基于订单的优先级决定下一个订单的加工，可以自动识别订单的优先级和手工定义优先级，在计算机自动的根据规则的优选级排出生产计划后，还可以手工介入，修改优先级进行重排。以满足复杂的现实的需要。
如:
工作中心WC A 有两个资源 工作中心WC B 有一个资源
订单MO-1 最高优先级。
订单MO-2 次优先级

2. 基于事件(Event-based)
是基于高利用率的方法。如：

3. 基于资源(Resource-based)
基于资源的约束，来优化计划。

对你定义的约束资源建模进行大量的模拟，来实现实际的详细计划。对所有资源可以模拟不同的批量(策略约束)来分析库存或完成日期的影响。

6. 同步制造计划-TOC

基于TOC的计划均可以考虑资源，物料，订单和管理策略的约束。TOC的建模可以有限，也可无限能力。可以通过有限能力建模基于所有约束，同步化物流。任何资源均可以定义为瓶颈资源或关键资源及次瓶颈资源。对瓶颈资源采取双向计划，对非关键资源采用倒排计划。缓冲时间可以设置任何在复杂资源之间。DBR(Drum-Buffer-rope)逻辑是对关键工序同步化所有资源和物料。如BN(Bottleneck)/CCR(critical constraining resources) 资源正在控制资源，它们就控制所有物流。对关键资源建模进行大量的模拟，对非关键资源的额外能力的计划是不重要的。瓶颈和次瓶颈资源CCR是用鼓来控制所有物流，所有，这些需要物料的资源建模来实现实际的详细计划。可以模拟不同的批量(策略约束)来分析库存或完成日期的影响。非瓶颈，非CCR非资源可以不同的选择如有限资源或无限资源能力。在TOC系统还有许多不同的方法对资源和物料进行模拟。

鼓、缓冲器与绳子(DBR)的逻辑:
每个生产系统都需要一些控制点来控制系统中的产品流动。如果系统中存在瓶颈，那么瓶颈就是最好的控制点。控制点被称为鼓，这是因为它决定了系统的其余部分（或者是它所能影响的部分）发挥作用的节奏。瓶颈是实际生产能力不能满足需求的资源，用瓶颈作为控制点的一个原因是确保其上游作业不过量生产，可以预防瓶颈不能处理的过量的在制品而出现的库存。

如果系统没有瓶颈，那么设置鼓的最佳位置莫过于次瓶颈资源（CCR）。次瓶颈资源是那些运行时间接近其生产能力，如果作业计划安排得当的话，还有适当剩余能力的资源。

如果一个系统既没有瓶颈，也不存在CCR，那么控制点的位置可以任意选择。当然，一般来讲，最好的位置是物流分叉点，即该处资源的产出流向好几个下游作业。

处理好瓶颈问题具有决定性的作用，如主要集中于确保瓶颈总有工作可做。图示为一个从A到E的线性流程。假设工作中心C是一个瓶颈，这意味着C的上下游的生产能力都比C的生产能力大。如果我们不对这个线性流程加以控制， 那么加工中心C的前面必然出现大量的库存，而其他地方基本上没有库存。当然，也没有多少成品库存，因为（由瓶颈的定义可知）生产的所有产品都能被市场所接纳。

有两件与瓶颈有关的事情要做：

1）在瓶颈前面设置缓冲库存确保瓶颈连续工作，这是因为瓶颈的产出决定了系统的产出。

2）将C的已加工信息传递给上游作业A，以便A按需生产，这样才能避免库存的增加。这种信息的传递被称为绳子。它可以是正式的（如作业计划），也可以是非正式的（如日常讨论）。

瓶颈作业前的缓冲库存是一种时间缓冲。我们希望的是加工中心C总有工作要做，至于何种产品正被加工并不重要。

也许有人会问，时间缓冲要多大呢？答案是时间缓冲能够确保瓶颈连续工作就行。至于具体的确定办法，我们可以测出每种作业的变化，也可以估计。从理论上讲，缓冲的大小可以利用过去的作业数据进行统计计算来获得，也可以通过模拟来获得。不论采用何种办法，不要过于计较精度。 缓冲大小最终还要靠经验来决定。如果鼓不是瓶颈，而是CCR（这样它有少量的空闲时间），我们可以设置两个缓冲库存－一个设置在CCR的前面，另一个则是成品缓冲库存如图。成品库保证能够满足市场需求，而CCR前面的时间缓冲则保护了系统的产销率。在这种情况下，市场不能买走我们所能生产的所有产品，因此，我们希望只要市场决定购买我们的产品，我们就能确保有产品可以供应。

在这种情况下，我们需要两根绳子：一根绳子把信息从成品缓冲库存传到鼓点，以便鼓点增加或减少其产出；另一根绳子则把信息从鼓点传到原材料发放点，指明需要多少原材料。

不仅在可以瓶颈的前面设置了库存，而且还可以在非瓶颈资源的后面也设置了库存。这样做是为了确保产品离开瓶颈之后的流动速度不会减下来。

7. 什么是看板计划JIT?

传统的确定看板卡的数量是建立看板控制系统需要确定所需的看板卡（或容器）的数量。对于两看板系统，我们要确定搬运看板的生产看板的套数。看板卡代表了装载用户与供应商间来回流动的物料的容器数，每个容器代表供应商最小生产批量。因此容器数量直接控制着系统中在制品的库存数。

精确地估计生产一个容器的零件所需的生产提前期是确定容器数量的关键因素。提前期是零件加工时间、生产过程中的准备时间及将原料运送到用户手中所需的运输时间的函数。所需看板的数量应该能覆盖提前期内的期望需求数加上作为安全库存的额外数量。看板卡套数的计算公式如下：

k＝(提前期内的期望需求量＋安全库存量)/(容器容量)=DL（1+S）/C
式中 k－看板卡套数；
D－段时期所需产品的平均数量（单位时间）；
L－补充订货的提前期（用与需求匹配的单位表示）；
S－安全库存量，用提前期内需求量的一个百分比表示
C－容器容量。

由此可见，看板系统并不能实现零库存；只是它能控制一次投入工序中的物料数－－通过控制每种零件的容器数的方法来实现。看板系统可以方便地进行调整以适应系统当前的运行方式，因为卡片的套数可以十分容易地增加或从系统中移走。如果工人发现他们不能准时完成零件的加工，则可以增加一个新的物料容器，也就是加入一个新的看板卡。如果发现存在多余的收集物料的容器，则可民很容易地拿走卡片，因此就减少了占用的库存数。

8. 需求流制造计划-Demand Flow Management

DFM是结合JIT和TOC的原理， DFM是物料补充动态看板计划，可视看板、自动看板和看板回路。复杂的，高级的需求管理，需求按预测、生产速度或用量分类，实际需求在动态看板流程中得出实际需求。多工厂管理，为多工厂环境提供物料补充能力。车间作业看板公告牌，车间作业采用看板公告牌进行管理、执行和传达工作单元排产计划。可以用TOC的原理(能力利用率)，显示工作单元能力和负荷信息，并自动识别瓶颈资源进行同步排产。管理物料短缺，突出显示物料短缺情况及其影响，显示对某一工作单元有影响的所有工作单元排产计划。可以根据用户自定义规则为工作单元排列优先次序。

在供应链管理上，DFM可以生产排产、现有物料和生产能力为基础确定可承诺量。基于因特网的看板公告牌，直接向供应商传达物料补充信息。自动生成采购订单根据动态看板信号生成订单。与供应商联盟，用以增强供应商绩效的多种交流方式

需求拉动始终面临着一个挑战——用于管理库存量的看板数量绝大多数是静态的。定期更改和优化看板数量，以适应忽高忽低的库存量，是一件棘手的事。在多品种、低产量环境中，仅SKU 数量这一项就会使许多零件的看板数量优化变得不可行。动态看板计划，确保在多品种或定制生产环境中维持最佳库存量。也就是说，即使已在人工环境中实施了需求拉动运作，采用动态看板计划后仍可实现库存效率的几何级提高。可以在多品种产品环境中可实施最佳运作，从而可脱离传统的MRP 推式计划。

动态看板计划(Dynamic Kanban Plans):是指看板的数量和每一个看板的大小。以满足需求变化的需要。 它可以达到生产与Takt 时间（客户需求速率）同步，物料的连续流动与平衡的运作，作单元式厂房布局，补充信号或看板，其重点是消除非增值活动。

动态看板计划可以下列几种方式运行：
1. 看板大小(Kanban Size): 是每一个看板的物料的数量，如容器的大小。批量。
2. 看板卡(Kanban Cards): 是补充信号，每一个看板容器都有一看板卡。
3. 可视看板:在可视看板环境下，看板补充基于实际的视觉信号。这种信号可通过数据收集系统以人工或电子形式发送。例如，在一个双料箱可视系统中，员工若看到其中一个料箱变空，则把这个空料箱视为补充信号。当补充活动被记录后，DKP动态看板计划 将立即给出正确补充量信号。
4. 自动看板:自动看板环境不采用视觉信号。看板量和补充触发器。当SKU 的数量不稳定或需求变化频率过高导致难以应用可视看板时，自动
看板则为首选。当供应链上任何一个环节发生库存事件，需要作生产或补充响应时，将根据既定的生产和补充规则采取相应措施。
5. 看板回路:是一种根据某种物料的容器数量来决定生产进度和库存量的方法。通过管理回路中的容器数量改善运作环境。当需求上升时，发出增加容器的要求；反之， 则要求减少回路中的容器。

动态看板计划的公式:

触发数(动态订货点)=使用率x 第一次提前期)+订单周期+(安全库存/安全提前期)
看板数(动态订货点)= 使用率x 第二次提前期)+订单周期+(安全库存/安全提前期)

9. 高级计划与排程-APS

有些称高级计划系统(Advanced Planning System)，而有些叫高级计划与排程(Advanced Planning and Scheduling)。定义不是最重要的。最重要的是对所有资源具有同步的，实时的，具有约束能力的，模拟能力，不论是物料，机器设备，人员，供应，客户需求，运输等影响计划因素。不论是长期的或短期的计划具有优化，对比，可执行性。其将要采用基于内存的计算结构，。这种计算处理可以持续的进行计算。这就彻底改变了批处理的计算模式。可以并发考虑所有供应链约束。 当每一次改变出现时，APS就会同时检查能力约束， 原料约束，需求约束。运输约束，资金约束，这就保证了供应链计划在任何时候都有效。也将采用基因算法技术，它是一种搜索技术，它的目标是寻找最好的解决方案。这种搜索技术是一种优化组合，它以模仿生物进化过程为基础。基因算法的基本思想是进化就是选择了最优种类。基因算法将应用在APS上，以获得“最优”的解决方案。现在APS系统以将网络结构的APS主要是基于多层代理技术与制造内部的APS主要是基于模拟仿真结合起来，使得网络导向结构的APS解决制造同步化问题，模拟仿真APS的优化顺序器解决工厂的顺序冲突问题。这样，APS计划的编制与顺序的安排就可以提供给制造商解决全球的优先权和工厂本地的优化顺序问题。来满足制造业对客户响应越来越强烈的需求。

APS应包括如下内容:
1. 基于订单任务(Job-based)订单优先级计划
2. 基于事件(Event-based)资源利用率最大化计划
3. 基于资源(Resource-based，TOC)瓶颈约束计划
4. 基于物料约束的可行的计划
5. 基于历史，现在，未来的需求计划
6. 基于供应资源优化的分销配置计划
7. 基于运输资源优化运输计划

一般APS软件都由5个主要的模块组成：需求计划、生产计划和排序、分销计划、运输计划，和企业或供应链分析等。

1需求计划模块：用统计工具、因果要素和层次分析等手段进行更为精确的预测。用包括Internet和协同引擎（collaboration engines）在内的通讯技术帮助生成企业间的最新和实时的协作预测。
2生产计划和排序模块：分析企业内部和供应商生产设施的物料和能力的约束，编制满足物料和能力约束的生产进度计划，并且还可以按照给定条件进行优化。各软件供应商根据不同的生产环境应用不同的算法和技术，提供各有特色的软件。
3分销计划模块：帮助管理分销中心并保证产品可订货、可盈利、能力可用。分销计划帮助企业分析原始信息。然后企业能够确定如何优化分销成本或者根据生产能力和成本提高客户服务水平。
4运输计划模块：帮助确定将产品送达客户的最好途径。运输计划模型的时标是短期的和战术的。运输计划模块对交付进行成组并充分利用运输能力。
5企业或供应链分析：一般是一个整个企业或供应链的图图示模型，帮助企业从战略功能上对工厂和销售中心进行调整。有可能对贯穿整个供应链的一个或多个产品进行分析，注意和发掘到问题的症结。

基本流程: 1.现实情况分析进行抽象
2. 建立模型:参数模型 (1) 常量。(2) 变量。计算法则 (1) 数学模型。(2) 统计模型。(3) 作业研究。(4) 约束规则。
3. 计算机处理:运算能力；储存能力；连接能力。
4. 决策，行动

基本原理: APS综合四个方面:
1. 供应链的实际状况:实体的运筹配置(工厂，分销中心)；物料结构BOM；生产工艺路径；分销路径和提前期；成本(生产，分销，库存等)
2. 市场需求信息:销售预测；客户订单；补货订单
3. 原料供应信息:现有库存；在途量，在制量，调拨量；
4. 流动资金可用量信息:预计收款量；预计付款量。

APS就是利用约束条件与商业规则:1.产能约束2.原料供应约束3.运输的约束4.客户或区域的优先顺序5.安全库存，批量等。
通过APS引擎:(1).在市场需求，约束条件，原料供应，生产能力无法同步平衡时及时 警告问题的原因(2).计划人员交互调控(3).手动或自动的，实时重新计算保持供应链的同步平衡。来达到可行的计划与排程(1).生产计划(2).采购计划(3).配销计划

10. 基于多层代理技术的高级计划

人工智能的技术AI已经用于智能制造二十多年了。 然而，在新的领域分布式人工智能(DAI)的多层代理的近来发展已经带来新的趋势。于是，在过去的十年，研究者已经把代理技术集成到制造企业和供应链管理，制造计划，排程和执行控制，物料的处理，和库存管理以及开发新的生产类型系统如整子制造系统。(Holonic manufacturing systems)。

(1)企业集成和供应链管理
企业集成是组织每一个单位将可以存取相关的信息。将理解怎样行动影响组织的其它部分因此，有能力选择可替换的，优化的组织的目标。制造企业的供应链是一个世界网络包括供应商，工厂，仓库，分销中心和零售。通过网络购买原材料，加工，交给客户。提高供应链管理是增强企业竞争地位和赢利的关键战略。结果是企业正在转向更开放的结构，即在供应链网络里集成供应商，客户和伙伴。基于代理的技术提供这一自然的方法来设计实施这些环境。

(2) 制造计划，排程和控制
计划是选择和排序的活动的过程。如他们达到一或多个目标和满足一套约束。排程是在可替换的计划之间选择，分配资源和时间的一组活动。这些分配必需遵守一套规则或约束。来反映现实的关系即在共享资源的在活动和能力限制之间。这分配还影响最佳的排程，用各种条件如成本，延迟或产销量。总之，排程是一优化过程。在平行和顺序活动之间分配有限资源。 制造排程是一困难的问题。特别的在开放的，动态的环境下发生。排程问题已经用很多方法研究:启发算法，约束繁殖技术，约束满意，模拟磨练，禁止搜寻，基因算法，神经网络等。代理技术近来已经被用来解决这类问题。

(3)整子制造系统(Holonic Manufacturing Systems ，HMS)
整子系统的基本构件是整子(Holon)。Holon是从希腊语借过来的，人们用Holon表示系统的最小组成个体，整子系统就是由很多不同种类的整子构成。它的最本质特征是:
1.自治性，每个整子可以对其自身的操作行为作出规划，可以对意外事件(如制造资源变化，制造订单的产品需要变化等)作出反应，并且其行为可控。
2.合作性，每个整子可以请求其它整子执行某种操作行为，也可以对其它整子提出的操作申请提供服务。
3.智能性，整子具有推理，判断等智力，这也是它具有自治性和合作性的内在原因。整子的上述特点表明，它与智能代理的概念相似。由于整子的全能性，也有翻译为全能系统。
4.敏捷性，具有自组织能力，可快速，可靠的组建新系统。
5.柔性，对于快速变化的市场，变化的制造要求有很强的适应性工程

总之， 计划控制的最终目的达到敏捷制造。以充分利用计算机技术，实现快速响应客户的复杂的需求，并且达到客户利益最大化，供应链的成本最小化， 价值链管理思想就是要企业协同供应商，从产品设计开始一直到把产品交付到最终客户的完整流程。它包括协同产品开发，寻找货源，采购，生产制造，分销，运输，销售，售后服务等各个环节的作业，这些流程通常也代表不同的专门的产业，必须依靠不同的企业形成联盟来共同完成。而企业价值链管理VCM的核心思想就是要将供应链的运作模式，由专注与企业内部的静态系统，传统供应链的协同(未优化)系统，改造成以客户为中心的动态的优化系统。

计算机时代的计划控制技术（上）

本文由作者向AMT提供
作者联系方式：ycai@fs.com.cn

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