◎文丨工廠管理專家 章月洲

　　APS高級計劃與排程(Advanced Planning and Scheduling)，是解決生產排程和生產調度問題，常被稱爲排序問題或資源分配問題。

　　本文作者：章月洲，教授級高級工程師、信息化專家、工廠管理專家！

　　在離散行業，APS是爲解決多工序、多資源的優化調度問題；而流程行業，APS則是爲解決順序優化問題。它通過爲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製造解決關鍵鏈和成本時間最小化，具有重要意義。

　　下面我們將追根溯源，從基礎說起詳解APS，希望今天的文章對大家有助：

　　1 工廠運作本質

　　一個工廠運作過程，可以標識爲：供應商----工廠【原材料----在製品----產成品】----客戶，其本質是物料的流動，並具有以下特徵：

　　1、物料流動的守恆性，一段時間內，其流入、流出的物料守恆

　　2、物流的信息流驅動型，所有的物料流動都來自於客戶的需求，僅僅是需求方式不同而已：MTS、ATO、MTO、ETO

　　3、物流的相依性，工廠的物料流動都是基於產出的BOM、工藝路線的規定路徑流動，可以優化（IE的核心任務之一），但是不能違背。

　　4、物流的流動性，物料的流動需要有序組織、有序流動纔有效率，TPS、TOC均是解決流動性問題。物流的產出取決於瓶頸的速度和產出，瓶頸的產出纔是系統（工廠）的產出。

　　5、物流的變動性，物料流動受到外部（供應商、客戶）、內部（政策、產能（人、機、料、法、環等異常））的影響。9001、16949等標準體系、六西格瑪及衆多的質量分析和控制手段，均是爲了確保變動性，以促進流動。

　　所以，工廠管理的核心問題是建立、組織和促進物料流動的過程，所有的管理動作、管理資源均需要按照此原則執行！

　　2 信息化的價值

　　本人認爲，工廠信息系統作爲服務於製造系統工具，其巨大的價值體現在四個方面：

　　1、記錄，根據管理和顆粒度的要求，信息系統可以記錄人、機、料、法、環等各類數據，並可以加上時間戳，進行各種顆粒度的全過程的記錄。

　　2、關聯，根據相依性的原理，人、機、料、法、環並加上時間戳的數據，可以根據BOM、工藝路線、訂單號、時間戳等各類標識進行互相關聯，確保數據的相依性並與實物、實物的流動一一對應。

　　3、能見度，有了所記錄的數據、而且是經過標識、關聯的數據，自然可以依據訂單的進度、成本的維度、質量的要求進行可視化呈現，並按照基層（作業層）、中層（管理層）、高層（經營層）的需求呈現，以更加準備、方便和實時地處理異常。

　　4、輔助決策，能見度（可視化）是輔助決策的一種，最最簡單的一種。真正的輔助決策，是依據確定（預測、預設）的客戶需求（銷售訂單、預測訂單、庫存需求），確定生產工單的投放並實現客戶需求滿足前置條件下的有效產出最大、作業效率最高和成本費用最低。

　　3 生產運作過程

　　工廠的物流流動過程是：供應商----工廠【原材料----在製品----產成品】----客戶。根據這個物料流動過程，我們可以定義生產運作過程是三個環節：

　　1、【賣】，市場和銷售，是獲取客戶訂單的過程

　　MTO場景下，銷售訂單是確定的，是由客戶下達的。

　　MTS場景下，或基於庫存消耗的TOCR模式，或是基於預測的S&OP（銷售和運作計劃）模式，是有工廠內部發起的需求。

　　2、【做】，加工、組裝、總裝和包裝過程，是在現有庫存狀態下的生產和製造。

　　生產過程是一個工廠的主體，是價值創造過程。生產過程中，生產計劃和排程是核心：

　　1）生產計劃

　　2）生產排程

　　3、【買】，採購和供應商管理，是基於銷售訂單的外購原材料、零部件的採購，也就是備料過程。

　　對外採購什麼、採購多少、什麼時候到貨，這個也是計劃一部分：物料計劃的一部分，屬於供應鏈的一個基本環節，也是供應鏈的關鍵環節。

　　4、【賣】--【做】--【買】，稱之爲【做買賣】的標準順序應該是：【買】--【買】--【做】，其中【賣】是獨立需求，【買】是相關需求（外購件），是【做】既是自制件的相關需求，也是生產製造過程需要關鍵過程。

　　【做】的過程的核心環節是“投料”的控制：何時投料，纔可以做到客戶的交期保障（準交期、端交期、不缺貨），同時實現工廠自身的效率最大化。

　　4 生產過程的衡量和衝突

　　既然生產過程是“做買賣”的過程，即首先是實現銷售【賣】，然後依據銷售【賣】的需求，確定【買】和【做】。

　　一般在信息系統中【買】和【做】由ERP（企業資源計劃）中的MRP（物料需求計劃）中實現。當然，ERP的MRP運算，僅僅可以產生車間級的工單，而不是工序級的工單。同時也產生了採購訂單和委外訂單。

　　ERP的MRP產生的採購訂單、委外訂單實現了內部車間級的工單與供應商之間的需求關係，並直接與銷售訂單關聯（通過BOM分解），構建起了完整的獨立需求（銷售）與相關需求（車間級工單、採購訂單、委外訂單）的系統，同時還構建了廠內的車間級工單、採購訂單、委外訂單之間的關聯關係，實現了內外部需求的統一（所以說，ERP是信息系統的基礎平臺）。

　　【賣】必須要通過【買】和【做】來實現，最終必須體現在【做】，而【做】需要實現兩個目標：

　　第一，客戶角度：客戶服務的最優化

　　服務最優化，可以通過兩個不同的業務模式描述：

　　A、MTO（訂單式）業務場景，可以通過準交率和交貨週期的達成率來描述。準交率越高、交貨週期越多，表示客戶服務水平越高。

　　B、MTS（備庫式）業務場景，可以通過缺貨率和補貨週期的達成率來描述。缺貨率月底、補貨舟曲越短，表示客戶服務水平越高。

　　第二，工廠角度：資源效率最優化

　　資源效率的最優化，可以通過流動資產效率和固定資產效率兩個維度來描述：

　　A、固定資產效率，可以通過固定資產有效產出率來描述。固定資產有效產出率=有效產出/固定資產（可以是淨資產，也可以是總資產）。有效產出=銷售額-BOM成本。

　　B、流動資產效率，最簡單的表達方式就是庫存週轉率。庫存週轉率可以用一個簡易的公司獲得：庫存週轉率=當月出運額/當月總庫存（採購單價計算，原材料+在製品+產成品）。

　　對比第一、第二兩個指標，我們會馬上發現，這是一個非常典型的衝突：

　　衝突1：高生產效率與高庫存週轉率之間的矛盾。高的生產效率需要大批量、連續不斷低生產，需要高的庫存保障。而高庫存週轉率需要小的加工批量和轉移批量，需要快速切換品種，自然效率會受到影響。

　　衝突2：高準交率和短交期之間的衝突。高的準交率自然需要有足夠的緩衝時間來保障，但是短的交貨週期意味着響應客戶時間變短，管理的難度加大。

　　衝突3：高準交率與高效率的矛盾。高的準交率意味着，一切以客戶的需求（交期）爲考量點，必須犧牲作業效率來及時響應客戶的需求。但是，高效率又不能及時響應客戶的需求，需要對客戶需求進行集批來提高效率。

　　衝突4：短交期與高庫存週轉率的衝突。短的交期，自然需要用高的庫存來做緩衝，而低的庫存狀態下，實現短交期則緩衝變小，難度極大。

　　5 衝突解決的利器-APS

　　衝突解決的利器 -- APS高級計劃和排程

　　以MTO（訂單式）業務場景爲例，要做到以下生產的運行狀態：

　　1）準交率高

　　2）交貨週期

　　3）有效產出最高

　　4）庫存週轉率高

　　以傳統的模式：ERP或MRP的車間級工單（顆粒度）、Excel進行車間級工單非優化方式來控制生產過程（投放）很難滿足的，所有必須要用APS高級計劃和排程軟件進行工序級工單、全工廠統一、基於DBR的實時、優化投放纔可以解決。

　　6 評估和選型

　　（一）評估依據

　　根據以上論述，只有按照工序級工單、全廠統一、DBR（鼓-緩衝-繩）進行計劃和排程，纔可以做到：準交率高、交貨期端、作業效率高、庫存週轉率低。

　　1、工序級工單

　　衆所周知，車間級的工單（ERP稱之爲“生產任務單”、“生產訂單”、“工單”）是一個成品分解的結果，是一個比較粗的概念。也是ERP可以管轄到的顆粒度。

　　2、全廠統一

　　一般一個工廠至少可以分爲以下顆粒度：工廠--車間--班組--機臺（產線、個人），一個獨立的作業單元，往往是一個機臺、個人或產線，只有到了作業的最小單元，系統的優化程度纔可以高。

　　3、DBR

　　DBR是約束理論（TOC）的獨有概念，是瓶頸管理的方法：D-鼓（指瓶頸），B-緩衝（瓶頸需要一定的緩衝來保護生產過程），R-繩（根據緩衝的消耗狀態拉動投料，確保緩衝可以保持瓶頸的連續生產）。

　　同時，TOC認爲，工廠是一個完整的系統，是基於物料流動的系統，遵循裏特定律【WIP（在製品）=TH（產出率）*CT（生產週期）】，且產出率取決於瓶頸產出率。

　　（二）評審關鍵項

　　【1】基礎理論和發展歷史

　　APS起源於TOC理論發明者高德拉特博士的OPT，則意味着如果開發者或APS的創始人沒有TOC理論功底，自然其APS不稱之爲APS了。

　　精益生產深入到生產的各個環節，JIT的概念自然需要植入到APS中，工序工單的JIT投放自然是必須有的。

　　排程理論的是基礎。TOC和JIT一樣，比較少的考慮了排程的問題，都是屬於粗的車間級的工單控制方式，而因爲工藝屬性的不同（可以把工序分爲批次加工、單件加工兩個大類。批次加工（印染、熱處理等）是批量越大越好，而且往往換模或換型時間很長，單件加工），所以需要專門的理論和建模來解決。美國的學者在1967年就出版發行了排程理論，是世界上最早提出、也是最成熟的排程理論。

　　APS的建模，需要足夠多的實例磨鍊，意味着時間是一個非常重要的維度，只有長時間的積累、深厚的理論做支撐，APS纔可以成熟。

　　結論1：應用什麼樣的理論，並是否有足夠長的時間積累，是判斷是否是一個好APS的依據之一

　　【2】建模

　　工廠是物料流動的系統，受到相依性的限制、流動性的制約和變動性的影響。而相依性是需要採用數學建模的方式來描述工廠的實際過程。

　　用數學方式描述工廠的運行過程，有兩種方式：

　　其一，定製建模方式

　　針對一個工廠的實例，進行一對一的建模。或者，建立一個初步的模型，然後依據具體的、單個的工廠實例進行修正，並經過多次迭代，以逼近工廠的實際模型。該種方式有點看不見，但是缺點非常明顯：週期長、建模精度低。需要耗費大量的實施人天來實現，而且必須經過多次迭代來逼近工廠的實際運行狀態。

　　其二，產品過程模型來建模

　　工廠的物料流動既然是受限於相依性，則產品必然遵循BOM結構和工藝路線，那麼只要將每個產品（成品）的工藝流線描述清晰，並在每個工序上標識資源（主資源、輔助資源等），並把資源的產能（產量）、工作日曆、工作時間標識清晰、並確定好每一個工序（每一個）的物料輸入和輸出關係，這樣就可以構建了一個包含物料（起始物料、中間產出、最終成品）、資源（主資源和輔助資源）、工序及工序產能（產出率、工作日曆和工作時間）並與訂單（動態數據）相關聯的數據羣，並按照客戶滿意程度、工廠效率要求進行工序工單投放時間的計算，以確定達到最優解。

　　自然，建立這個模型的難度在於：

　　數據量多，物料、庫存、工序、工序與資源對應關係、資源對應關係、工序與物料關係等等，五花八門、亂七八糟，沒有科學的建模背景知識，根本就不要想搞定。

　　數據關聯關係複雜：不僅量多，而且互相之間的關聯關係非常複雜，就是一個轉移批量、重疊生產兩個參數的關聯關係，就足夠的麻煩。

　　結論2：產品過程模型的APS建模方式的，纔是成熟的建模方式，可以保障實施週期短、實施風險小

　　【3】約束條件

　　工廠的生產運行一定受到約束的。一個好的APS至少要受到三個方面的約束：

　　其一，產能資源的約束

　　ERP的MRP是基於提前期的無限產能計算，所以在實際的運行中只能參考而不能精確。而工廠實際的運行過程，必然會受到有限產能的限制，尤其是瓶頸資源的產能限制。所以，只有基於瓶頸資源的產能的生產計劃和排程，纔是科學的。基於瓶頸資源的排程，在瓶頸前爲倒排（JIT），而瓶頸後爲順排（推動，先進先出），確保自制件的順利流動。

　　其二，物料的約束

　　工廠的生產運行必然受到物料的約束。在物料約束中，首先需要考慮的是外購或委外件的約束，意味着，APS排程時，需要考慮在庫量、在途量（在途量需要考慮數量、時間兩個維度）。在考慮外購和委外的同時，還需要考慮在製品量（數量、時間、轉移批量、重疊加工、產能約束等）的開工和完成等不同因素，確保最終產品的產出滿足客戶服務需求和工廠運行的效率要求。

　　其三，工藝路線和加工路徑的約束

　　在具體的生產環境中，不僅僅是一個工藝路線，可能會有一條或多條工藝路線，其加工路線更是無數。尤其是，在印染、熱處理、鍛壓、衝壓、線材加工等工藝環節中，需要將加工批量與設備的加工量進行匹配、不同的訂單負荷與設備產能匹配，以確保工序成本總和的最優化，

　　結論3：只有同步考慮“產能”、“物料”、“工藝路線”三者約束條件的APS，纔是完整的APS

　　【4】優化規則

　　按照以上討論，生產運作過程的目標是：準交率高、交貨週期短、資源效率高、庫存週轉率高。要達成上述的目標，需要進行工序工單投放的優化，如何優化是關鍵問題了。

　　其一，優化的基礎條件

　　根據以上討論，工廠中有物料、工序、資源三種最基本的因素，要資源效率高，自然是要依據物料和工序與資源的對應關係來做優化。

　　結論4：如果可以根據“物料分組”、“工序屬性”與資源的產出關係來做優化的，肯定是一個好的APS產品

　　其二，優化項目的科學性

　　工廠的優化總目標是4項：準交率高、交貨期端、作業效率高、庫存週轉率低。細分這些項目，其大類有三個：

　　第一，是交貨期

　　第二，產出和產量

　　第三，是成本和費用

　　細分優化欄目是一個高級的專業技術，不是一個非專業人員可以搞定的，或許很多人員連這些專業名詞都不清楚。

　　結論5：優化目標項明確的APS是好APS

　　其三，配置型Vs定製型優化

　　大家知曉，一個工具只有長時間的使用，纔可以圍繞這個工具的特徵，進行持續的改善和提高，而且工廠的持續改善沒有止境（根據工廠物理學的描述，絕大部分的工廠都在非常差的狀態下運行，遠遠沒有達成最優狀態運行），所以持續改善是關鍵。配置型優化，是工廠可以基於本身的業務特徵、產品組合、資源的狀態進行即時的調整，並進行KPI對比，以逐步達到最優的狀態。

　　定製型的優化正好相反，確定初始的優化狀態後，不能依據工廠運行狀態的變化而持續優化，需要APS供應商上門服務，即時性和持續改善均比較差。

　　結論6：配置型優化可以實現即時優化和KPI比較，實現持續優化

　　【5】計劃和排程功能

　　其一，工序工單釋放規則

　　離散型製造業的計劃策略，基本是“追逐式”策略，是或基於銷售訂單的交貨日期（MTO場景）、或基於庫存的目標水平（MTS場景）。其工單的投放方式有三種：

　　基於物料可得性的順排，即有物料就開始投料生產。

　　基於交貨日期需求的倒排，即需要投料的時候才生產。

　　基於瓶頸的前推後拉模式（DBR），在瓶頸前倒排，確保瓶頸產出率，瓶頸後順排，確保物料順暢流動。

　　三種方式中，DBR的排產（計劃和排程）是最優的，不浪費瓶頸的產能，也不積壓庫存，確保了生產效率和庫存週轉率的平衡。

　　但是，在很多場景下，瓶頸的浮動的而非固定，這樣就造成了實際生產的困難。所以一個優秀的APS軟件，在固定瓶頸場景採用DBR方式，在浮動瓶頸場景用JIT（倒排、有限產能、自動平衡產出）方式實現效率和庫存的優化。

　　結論7：只有具備順排、倒排、瓶頸排程的APS軟件，纔是成熟軟件

　　其二，便捷的排程處理

　　標準的一個排產過程如下：

　　→①建立工廠實例模型

　　→②導入動態數據

　　→③生產一組假定（設置排產條件）

　　→④生成初步排程

　　→⑤手工調和優化

　　→⑥生產現狀確定和排程確定

　　→⑦發佈和執行，直到下一次排產觸發。

　　一般而言：

　　①、②是系統完成的③、④、⑤是需要動態調整的，⑥是在系統輔助下人工判定、⑦是系統完成（APS與MES對接，發佈至MES即可）。

　　所以，③、④、⑤、⑥項的處理，成爲判斷一個APS的重要依據。

　　便捷的排程處理，可以考慮三點：

　　第一，緩衝設置

　　可以便捷地設置緩衝位置、緩衝大小的是好的APS，需要考慮因素如下：

　　庫存緩衝：是否可以根據工序位置、工序的投入和產出設置庫存緩衝（安全庫存和最高庫存）？

　　資源緩衝：是否可以根據資源位置、資源的狀態設置緩衝（工廠整體和單個資源設置緩衝及緩衝大小）？

　　結論8：可以方便設置庫存緩衝、時間緩衝的APS，是好的APS

　　第二，工序工單處理

　　是否可以工序工單資源的錨定和時間的鎖定？，是否可以並批和拆批（尤其是依據資源的加工量自動拆分匹配）？是否可以資源甘特圖的拖拽？

　　結論9：只有實現工單錨定/鎖定、並實現拖拽的APS，是真的APS

　　第三，資源處理

　　配置型的APS必然適應多種工廠的實際場景：流程性、離散型和半流程/離散型場景，而在流程性、半流程/離散性場景中的“罐”的處理是一個十分典型的。

　　APS的資源處理中，還需要處理“有限產能”、“無限產能”。工廠內部的資源往往是有限產能的，而且有限產能的資源，還往往有“主資源”、“輔助資源”組成，而且輔助資源往往不僅僅是一種，而是多種。比如注塑場景，有的場景主資源是注塑機，更多的時候是注塑模具和注塑工。在大型機械設備製造場景，可能總裝的工位、總裝鉗工是主資源，是重要的約束資源。

　　工廠中往往會有委外的場景，尤其是涉及到電鍍、電泳等表面處理的，更是需要委外來解決的。而委外的場景，一般是通過設置無限產能+委外前置週期的方式來模擬。

　　結論10：可以實現多產能資源的優化的APS是好APS

　　本文由“13

　　更多APS相關知識

　　▼▼

　　80頁PPT全面解讀 | 如何從MES走向MOM與APS？

　　APS系統7大問題分析！

　　90張專業PPT學習高級計劃與排程（APS）

　　看完此文，聽說外行都懂了ERP、APS和MES！

　　本文由“135編輯器”提供技術支持

　　e-works第四屆日本智能工廠考察團

　　正在火熱報名中（2018.12.9-15）

　　中國工程院李培根院士將同行

　　查看詳細行程安排和在線報名

　　珍惜本次難得的學習機會

　　▼▼