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APS(高級計劃和排產(chǎn)系統(tǒng) ) 是一種用于生產(chǎn)和制造業(yè)的復雜計劃和調(diào)度工具。APS 系統(tǒng)旨在優(yōu)化生產(chǎn)過程、提高效率、減少浪費，并確保按時交付。它通過考慮各種約束和資源的可用性，為生產(chǎn)訂單提供最優(yōu)的排產(chǎn)計劃。本文提到的基于人工智能的新一代高級計劃排產(chǎn) (APS) 系統(tǒng) ( 圖 1)，采用人工智能的算法策略設(shè)計對生產(chǎn)制造過程中的緊急插單、設(shè)備故障等問題提起預測，并及時調(diào)整排產(chǎn)計劃，保障生產(chǎn)。同時，本文針對裝備制造中最關(guān)鍵的沖壓和鈑金工藝進行試驗驗證，結(jié)果表明，采用基于人工智能的新一代高級計劃排產(chǎn)系統(tǒng)能取得良好的效果。

圖 1 基于人工智能的 APS 系統(tǒng)

系統(tǒng)設(shè)計

APS 是一種用于生產(chǎn)和制造業(yè)的復雜計劃和調(diào)度工具。APS 分為兩個層次，planning( 計劃層 / 工單級 )和 scheduling( 調(diào)度層 / 工序級 )：計劃層，從整個工廠的生產(chǎn)訂單或整個企業(yè)的銷售訂單 (sales order) 開始，根據(jù)工廠或企業(yè)有限的資源進行排產(chǎn) ( 工單級 );調(diào)度層，計劃層已排好的計劃下發(fā)到單個車間，甚至單個產(chǎn)線，短周期細化排產(chǎn)，形成一個可操作的生產(chǎn)計劃 ( 工序級 )。

圖 2 高級計劃排產(chǎn) (APS) 系統(tǒng)的操作流程圖

圖 2 為 APS 軟件操作流程圖，下面為計劃層/工單級與調(diào)度層/工序級排產(chǎn)的區(qū)別：

⑴工單級針對于長周期 (15 天～ 30 天 )，其主要目的是預測交期，確保供應及時;工序級針對于短周期，細化在相應工序，指導生產(chǎn)執(zhí)行;

⑵工單級針對于多個車間和多個工作站的資源;工序級針對于單個工序?qū)目捎觅Y源。

排程前需要輸入的數(shù)據(jù)

⑴相關(guān)概念。

Projects( 項目 )：項目是由為了完成某一特定功能的一系列任務 (Tasks) 組成。一個典型的項目可以是生產(chǎn)訂單/銷售訂單。項目通常具有到期日期或時間 ( 交期 )，項目還可以指要生產(chǎn)一定數(shù)量的物品，根據(jù)優(yōu)化的 KPI /目標來確定。

Worksflow( 工作流 )：工作流是為完成項目而需要執(zhí)行的一組任務。任務可能與其他任務具有任何類型的時間相關(guān)性，稱為鏈接 (Links)。在大多數(shù)情況下，項目中的模型任務按單個的前任和后繼任務排列。在APS 軟件中可以將相同的工作流程分配給多個相同的項目，但是每個項目也可以具有一個工作流程。

Task( 任務 )：任務定義單個流程步驟，有時稱為操作。每個任務定義如何執(zhí)行每個項目步驟，花費多少時間以及使用哪些資源。可以有幾種方法來執(zhí)行對資源有要求的任務 ( 模式 )。標志 (Flags) 描述調(diào)度程序如何選擇模式。

Links( 鏈接 )：鏈接將任務連接到后續(xù)任務，APS 軟件將自動派生以前的鏈接 ( 默認選項 )。每個鏈接都有其所需的時間同步類型，以及時間、班次或天數(shù)，預測的可能延遲。

Modes( 模式 )：任務模式是執(zhí)行任務資源的替代選擇，如發(fā)生設(shè)備故障導致部分設(shè)備停工后的備選計劃 (Plan B)。每種模式均由以 0 開頭的序列號標識，非必選項。

⑵資源。

資源可分為可重復利用資源 ( 如設(shè)備、模具、刀具、空間、工人、技術(shù)員等 ) 和不可重復利用資源 ( 如原材料、零部件、半成品、成品、外制品等 )，也可根據(jù)實際生產(chǎn)情況進行自定義，相同需求的資源也可分批定義?？芍貜屠觅Y源具有一一對應的可用性日歷，并位于特定位置 (如A操作人員 -早班 -A機床 )。 一些資源也可設(shè)置為“父級”，其下可包括多個可替換的“子級”，如切割設(shè)備 ( 父級 )-亞威機床/薩瓦尼尼機床/村田機床 ( 子級 )，子級設(shè)備都可實現(xiàn)父級切割工序。

⑶日歷 / 時間。

工作日歷是資源在某些模式下可用時的時間間隔集 ( 例如星期幾、早晚班、節(jié)假日等 )。除了標準日歷外，仍需要定義特殊日歷，特殊日歷是指定義特定資源的時間間隔。如補貨時間、換模時間、停機時間、加班時間、維護時間等，也可以對資源預留時間 ( 例如訂單調(diào)整后進行重新排程計算的時間 ) 進行定義。位置和過渡時間：非必選項。在計劃排產(chǎn)時，如果需要考慮到資源運輸問題則需要填寫。

當求解 KPI/ 目標函數(shù)為成本時，上述優(yōu)化時間需要更換為成本，如員工加班時間更換為加班每小時多少錢。

⑷ KPI/ 目標。

KPI/ 目標：APS 其本質(zhì)為在上述有限的資源下，對生產(chǎn)制造過程中的各種 KPI/ 目標函數(shù)進行優(yōu)化。本軟件支持的目標/ KPI 有 28 種，其中與生產(chǎn)制造最相關(guān)的如下。

最小化完工時間。完工時間 (Makespan) 是從第一個任務的開始到最后一個任務的結(jié)束之間的時間;

最小化遲到時間：遲到時間指將每個項目的所有遲到時間都添加到適當?shù)臅r間之后，減去每個項目提前發(fā)生的分鐘數(shù);

最小化最大延遲：最大延遲是指所有項目中最差 ( 瓶頸 ) 項目的延遲;

最小交貨時間;

最短循環(huán)時間：應用于滾動排程中;

最長交貨時間：最小化最壞項目的交貨時間;

吞吐量：最大程度地生產(chǎn)最終產(chǎn)品/某特定半產(chǎn)品;

吞吐率：按單位時間最大化最終產(chǎn)品 ( 或某特定半成品 ) 的產(chǎn)量;

Rsc 使用率：最小化資源使用率;

消耗的 Rsc：最小化資源消耗;

Min Rsc Idle：最小化資源的空閑/空轉(zhuǎn)時間;

成本：最小化生產(chǎn)成本;

成本率：最小化每分鐘的生產(chǎn)成本;

收入：最大化收入;

收益率：最大化每分鐘收益。

排程的時候可以選擇上述單一目標，也可以選擇多個目標。多個目標實現(xiàn)排程時的方法采用加權(quán)平均數(shù)法 (combined) 和 Pareto 解法。高級計劃排產(chǎn) (APS)系統(tǒng)可以根據(jù)實際場景選好相應資源和所優(yōu)化的目標后，再進行排程，排程基本操作如下：

1) 自動排程。

分為正向排程、逆向排程、滾動排程，這里重點介紹一下什么是滾動排程。

滾動排程：通常工廠會每隔一個周期排一次計劃，但要求每個排程周期的計劃需具有一定的穩(wěn)定性和連續(xù)性。當系統(tǒng)重新排程時，需要考慮上個周期實際完成情況、上個周期未完成的計劃以及本周期新的計劃。通過對每個任務的狀態(tài)控制實現(xiàn)計劃鎖定，計劃調(diào)整以及新計劃制定，而在每個排程周期內(nèi)，當發(fā)生各種突發(fā)狀況，如緊急插單、訂單變更、設(shè)備故障等，可對計劃作細微調(diào)整。

2) 固定自動調(diào)整。

優(yōu)先級：根據(jù)實際的生產(chǎn)情況，優(yōu)先對某些資源或工單進行排程生產(chǎn)，可設(shè)置提高其優(yōu)先級。 固定自動調(diào)整：指的是根據(jù)實際生產(chǎn)情況，將某些訂單計劃固定在某一時間段的某些資源上 ( 如 A工單 -A 設(shè)備 -A 操作員 - 早班 )，其余的沒有特殊要求的進行自動排程。

面對緊急插單的情況，可調(diào)整其優(yōu)先級進行重新排程。面對訂單調(diào)整等情況，經(jīng)常采用該排程方法解決。

3) 手工優(yōu)化調(diào)整。

對自動排程的結(jié)果不是很滿意的，可在排程好的結(jié)果上進行手動調(diào)整。手動調(diào)整后，原來自動排程的資源部署需要重新優(yōu)化，可采用軟件自動優(yōu)化。

應用探索

下面將以高端裝備制造的沖壓下料成形生產(chǎn)為例，進行相關(guān)性描述。

沖壓生產(chǎn)是利用壓力機和模具實現(xiàn)對板材、帶材、管材和型材等施加外力，促成塑性變形或分離，從而獲得所需形狀、尺寸和性能的加工技術(shù)。板材、模具和壓力設(shè)備是沖壓加工的基本生產(chǎn)要素，而生產(chǎn)計劃過程中，在人員、生產(chǎn)日歷等情況下需要綜合圍繞沖壓的基本三要素進行算法優(yōu)化設(shè)計。以沖壓生產(chǎn)環(huán)節(jié)為例，以生產(chǎn)成本為主要排產(chǎn)優(yōu)化目標，構(gòu)建高級計劃排產(chǎn) (APS) 系統(tǒng)的多目標控制因子，具體控制因子從材料、庫存、產(chǎn)品、設(shè)備、人力等 5 個維度進行描述，如圖 3 所示。排產(chǎn)算法的流程見圖 4。

圖 3 影響沖壓排產(chǎn)的因子

圖 4 排產(chǎn)算法的流程圖

綜合對比采用基于人工智能的新一代高級計劃排產(chǎn)系統(tǒng)在沖壓行業(yè)效果：

1) 解決實際生產(chǎn)過程中多規(guī)則多約束計劃排程的問題，綜合提高沖壓企業(yè)有限資源，包括可再生資源 ( 設(shè)備，人員等 )，不可再生資源 ( 原材料等 ) 的利用率;

2) 使得產(chǎn)能在有限資源的情況下提高 10%;

3) 使得板材利用率提升 30%，同條件下 ( 保證訂單及時交付的情況 ) 節(jié)約板材成本 23%。

在該數(shù)字化解決方案中，從上層ERP系統(tǒng)中接受銷售訂單后，通過ERP系統(tǒng)的 MRP 功能進行粗略地計劃分解，進入iMES系統(tǒng)中。在考慮按期交貨的情況下，以保證材料利用率為最高原則，將原本分解的生產(chǎn)計劃選擇某一時間段按生產(chǎn)物料的材料、厚度等信息進行合批處理，合批處理后的計劃信息進入套料管理模塊，篩選相對應的板材信息 ( 篩選條件如板材材質(zhì)、厚度等 ) 和設(shè)備信息 ( 篩選條件如設(shè)備可用性、加工工藝等 ) 進行排樣、排班。對不同套料排樣結(jié)果進行對比，選擇生產(chǎn)成本最低的排樣方式 ( 生產(chǎn)成本最低不單單對應材料利用率最佳，同時要考慮到如刀具的損失 )。此時，形成新的生產(chǎn)準備計劃，該生產(chǎn)準備計劃是在初始生產(chǎn)計劃的基礎(chǔ)上完成了虛擬加工，為了保證后期分揀的高效有序進行，原生產(chǎn)訂單號關(guān)聯(lián)為新的生產(chǎn)準備計劃的分批號。一旦設(shè)備準備進行加工，新的生產(chǎn)準備計劃就可直接下發(fā)給相應設(shè)備和庫存管理人員，完成一次真正的加工生產(chǎn)。

結(jié)束語

本文提到的一種基于人工智能的新一代 APS 系統(tǒng)，是一種基于工智能和機器學習的求解器和元啟發(fā)式算法綜合的滿足多目標和多標準的高級計劃排產(chǎn)系統(tǒng)。它不僅可以一次優(yōu)化單個關(guān)鍵績效指標 (KPI)，例如最小化完工時間，雖然設(shè)置很多或資源利用率不高，但可以將多個 KPI 組合在一起，生成 Pareto 最優(yōu)計劃并分析客觀權(quán)衡。也可以一起選擇許多目標，例如完工時間、截止日期滿足、資源利用、消耗品使用、活動開關(guān)、周期時間。同時，可以并行處理多個項目排產(chǎn)，擁有數(shù)十種資源，以及數(shù)百甚至數(shù)千項活動因子，為生產(chǎn)排產(chǎn)提供最優(yōu)的解決方案。