钢铁行业高级规划与排程系统研究

[摘要] 企业资源计划（ERP）一直是钢铁业管理信息化的热点，ERP虽然可以实现资源的整合，但其在生产计划领域的不足却难以提供高质量的生产计划方案。本文针对钢铁行业高级规划与排程系统的特点进行研究，指出APS与ERP的整合是钢铁行业未来信息化的发展方向。

[关键词] 企业资源计划； 高级规划与排程系统； 钢铁业

[中图分类号] F273.1 [文献标识码] A [文章编号] 1673 - 0194（2013）06- 0079- 02

0 引 言

随着经济全球化和信息网络化的进程，信息化已成为现代企业的一个重要标志。进行信息化建设，采用信息技术促进、改造企业的生产、经营、管理，有效采集和处理信息，改变整个管理模式及生产行为，增强企业决策的有效性是企业发展的必由之路。钢铁业是我国国民经济的重要基础产业，推进钢铁企业信息化，是钢铁行业提高竞争力、适应新经济、实现现代化的内在需要，也是钢铁企业适应国际环境、融入全球经济的战略选择。

钢铁行业的信息系统架构被分解成5个层次：设备控制系统，过程控制系统；车间或分厂级制造执行系统（即MES），企业资源计划系统（即ERP），企业间管理系统及决策系统。这五层系统之间相互集成、相互协调，构成了一个完整的企业信息化管理系统。近年来，我国钢铁行业信息化建设取得了很大进展，其中，大部分钢铁厂已完成一、二级系统建设，三、四级系统的建设亦取得了一定的成果。

然而，对于钢铁行业中的生产管理，仅仅实现信息化并不足够，因为生产中直轧部分所占比例有限，甚至会由此增加产品库存。因此，需要以信息化为基础，采用运筹学和人工智能技术等手段，对企业内部的资源配置、物流组织和生产计划进行整体规划，实现生产、库存、市场响应的整体优化。对钢铁企业而言，生产计划系统功能集成中遇到的最大难题便是如何面向多品种小批量的大量订货合同而组织生产。虽然国内大型钢铁公司陆续引入ERP系统试图提高企业的生产管理水平，但由于ERP在设计上的先天不足，仅采用ERP 系统已无法满足钢铁企业对生产规划与排程的种种需求。近年来，针对钢铁业高级规划与排程（Advanced Planning and Scheduling）系统的研究开始出现，如施灿涛[1-3]设计了基于.NET的三层客户端/服务器模式钢铁企业生产计划系统，设计了APS优化引擎软件，对订单计划进行建模。

本文对钢铁制造业的高级规划与排程系统进行研究，在总结了钢铁业ERP系统缺陷的基础上，论述钢铁企业导入APS系统的重要性以及它与现有ERP系统的集成，从而实现钢铁企业对生产资源的优化配置，提高客户服务水平及生产管理水平。

1 钢铁企业的ERP系统

ERP是指建立在信息技术基础上，将客户需求和企业内部的经营活动以及供应商的资源融合在一起，以系统化的管理思想，为企业决策层及员工提供决策运行手段的管理平台。ERP的功能模块一般包括生产控制（计划、制造）、物流管理（分销、库存、采购管理）和财务管理（会计核算、财务管理）4大部分。其中，生产控制管理模块是ERP系统的核心所在。

钢铁企业一般涉及多段生产，工序多、设备复杂、企业投资大、资金流动频繁。信息化建设过程中，生产经营活动涉及的内容从财务、人事等传统信息管理领域延伸到生产管理领域。也正是这个原因，国内大型钢铁公司陆续引入了ERP项目，仅在2002年，钢铁行业完工的大型信息化工程就有上海益昌薄板公司营销系统、江阴兴澄特钢信息系统、衡阳钢管公司ERP、湘潭钢铁公司ERP。从软件的角度分析，钢铁公司使用的ERP系统（以上海宝钢公司的ERP系统为例）包括了以下几点：PP（生产计划和管理）、MM（物流的管理）、SD（分销与销售）、FI（财务方面的管理）、QM（质量管理）等基础模块。

然而，钢铁生产是一个多阶段、离散和连续加工方式并存的复杂过程，大部分钢铁生产计划与调度问题都是NP难问题。这种问题具有描述容易、求解困难的特点。再加上ERP生产控制模块在设计上的先天不足，使得ERP系统在钢铁企业的应用效果大打折扣，主要体现在以下几个方面：

（1） ERP中的生产计划管理模块，假设资源（机器、人员、物料）是无限的，因此所制订的生产计划并不考虑资源短缺的情况。在匹配钢铁业多品种、小批量的大量订货合同时，只能通过CRP能力需求计划分析手工调整，计划的可执行性差，不能匹配生产车间现场的资源产能。

（2） 在计划执行过程中，如果生产订单的开工或完工日期没有按照计划完成，则无法根据实际开工或完工日期自动进行滚动计划排程。ERP的生产任务一旦下达，日期只能手工修改。

（3） ERP以计划管理为导向，生产过程中不可避免的插单、设备故障、缺料等意外情况发生时，不能提供类似what-if的情景分析与模拟等事前计划、模拟及比较分析等功能，无法及时对原有计划做出相应的调整。

（4） 在车间执行层面，ERP缺乏行之有效的派工规则安排订单的加工顺序。如，没有生产订单下达规则，哪个订单先下达，按交货期、优先级、生产订单合并与分割等。没有加工顺序规则，当资源不够时， 生产订单和负荷在排队，如何解决排队的顺序。没有优化选择规则，当资源需要动态选择加工时，如何对顺序规则重新选择。没有现场调度资源组成员分配规则，当须选择多个资源、替代资源时，如何最大化资源利用率等等。

（5） ERP生产计划的制订过程，主要是依据市场预测及订单状况，采用定期性的批量式规划并涵盖一定的时程范围（例如一星期、一个月、半年甚至更长），然后再对生产计划进行层层细化，因此不能支持优化算法的多目标计划，如在满足交货期的前提下，资源负荷利用最大化、库存最小化、成本最小化的优化计划排程。

2 高级规划与排程系统思想

高级规划与排程（Advanced Planning and Scheduling，APS）系统是利用许多先进的规划管理技术，包括限制理论（Theory Constraints， TOC）、运筹学（Operations Research， OR）、遗传算法（Genetic Algorithms， GA）、限制条件满足技术（Constraint Satisfaction Technique， CST）等，在有限资源下，寻求供给与需求之间的平衡规划；同时，利用信息的储存与分析能力，以最短的期限，达到最有效的规划。

APS是为解决ERP能够整合企业的资源，但欠缺排程功能的问题，而且更注重决策支持的能力。可以根据异常状况如缺料、停机、插单、数量调整、工期调整、加班设定等进行生产计划的调整。APS可以让规划制订者快速结合生产相关信息，如订单、派工单、生产工艺、半成品、存货、物料清单等进行生产规划。

目前APS常见的功能如下[4]：

（1） 有限资源约束条件下的效益最大化规划。传统规划方法因未能考虑资源限制及企业的目标而无法达到规划的最大化，APS应用了数学规划、网络规划、仿真方法等先进技术，能够在各种不同的限制条件下，找出一个可行及最大化的规划。

（2） 即时规划能力。APS能够搜集生产过程中的相关数据，并立即进行分析与规划，使得规划人员能够应对许多突发状况，如紧急插单、物料供给延迟等。

（3） 考虑供需平衡的规划。由于APS能同时兼顾需求与供应，使得供需规划能够达到均衡，符合企业运营上的需要。

（4） 提供决策支持功能。企业处于复杂多变的外部环境中，常常需要更多决策支持功能的工具，APS因具备仿真等预测分析工具，有利于规划人员在分析上的应用，从而得到正确的决策。

3 钢铁企业的APS系统

钢铁生产过程包括炼钢-连铸、热轧、冷轧及精整等工序，工序多、流程长。其生产计划的复杂性主要体现在： ① 生产对象众多：包括炉次、浇次、中间包、板坯、轧次等，有些半成品又可以作为产成品出售； ② 工艺路径多样：如相同规格的彩钢生产过程就可以有十几条生产路径可供选择； ③ 生产约束条件多：如热轧批量计划既要满足下游生产路径的需求量，又要满足自身轧制单元的约束条件； ④ 求解困难：求解对象属于大规模组合优化问题，在有限时间内难以获得优化解。

目前国内外领先的钢铁企业越来越将信息化的注意力集中到塑造企业的核心竞争力上来。它们纷纷投资APS系统，以弥补传统产销一体化系统和ERP的不足，对交付业绩、库存水平、交付周期和产出量进行优化和均衡，从而大大提高客户服务水平，降低整体成本，提高企业的盈利能力。

钢铁企业的高级规划与排程系统应该是集成了大量的数学模型、优化算法及仿真技术，考虑企业内外部的资源、能力、工艺等约束，用数学规划与人工智能相结合的智能优化算法来指导企业的计划与排产，重点解决钢铁企业生产管理中的生产计划和生产调度问题。具体应包括以下几部分功能：

（1） 高级计划功能。主要用于企业计划人员了解整体订单的计划情况，尤其是中长期的趋势和预测，当企业接受新订单时，产能如何，准确的交货日期在什么时候，对其他订单的影响怎样，这些问题都可以通过这个模块的运行得到可靠准确的信息，以便帮助企业做出合理的决策。

对于批量比较大的订单，如果企业主要是按照计划（库存）生产的情况下，投入到生产线最经济的生产批量就由这个功能完成。如果是按照订单生产，则需要进行库存匹配、能力匹配和板坯设计。即对给定的客户订单集合如何与现有库存进行合理匹配；对没有库存与之匹配的订单，是否有足够的能力进行生产以及如何将需要生产的订单集合转换为板坯集合。

（2） 优化排程功能。优化排程主要是按照企业的订单情况，按照企业的优化目标来安排生产计划。该部分优化的核心是基于智能优化的算法，这也是APS的难点所在。在不同的情况下，企业的优化目标可能不同，如订单延迟最少、设备使用率最高、生产周期最短、库存最小等都可以成为企业优化调度的目标。这个模块按照基于企业目标的全局优化配置企业的资源，达到目标最优化。

（3） 输出报表功能。钢铁业APS系统的运行结果应能以报表的形式输出。报表包括：

生产指令：提供详细的每个班次、每台设备的生产调度指令；

设备负荷图：可发现瓶颈资源，均衡设备负荷、挖掘产能潜力；

生产异常预警：当发生生产异常时，能够自动输出生产异常报告。

（4） 决策支持功能。APS的决策支持功能是借助于仿真技术，通过what-if模拟分析帮助企业实施生产异常的快速应对、生产流程分析、梳理和优化。APS仿真模型的建立必须能够完整、真实地再现生产流程，包括所有的生产现场的实际情况。比如，各种复杂的特殊的工序连接；冶炼、浇注、拉坯、轧制各工序特点；场地资源的占用；所有物料（包括原料、在制品、辅料）的存储、运输；所有工装、工具；所有关键人力资源等等。必须能够快速简洁地实现重要参数的调整，从而得出不同方案下的运行结果。能够快速应对生产异常：对市场订单突发变化、生产设备异常、人员变化等能够快速响应并做出最佳决策。要能够梳理出关键流程，通过模拟仿真技术为流程优化提供评估工具。

4 结 语

钢铁企业的信息化管理系统应该不断地进化，以适应信息技术的不断进步以及生产环境及外部环境的变化，其驱动的因素便是对企业获利能力的不断追求。制造业管理水平的日趋成熟和商业化软件的不断完善，为信息化管理系统的发展创造了有利的条件。ERP系统需要融入按订单生产、准时制生产、柔性生产等各种先进管理理念，才能给制造业以持续和卓越的竞争力。 因此，从信息化角度来看，由APS取代ERP中的核心计划体系，从而获得快速、高效、灵活应变的生产计划，是钢铁企业管理信息化进一步发展的必然需求。从精益生产的角度来看，我们也需要有更先进的计划方法在客户订单输入时， 能及时计划，同时考虑人力、产能、生产设备与工具产能等进行排程，能够灵活地产生准确的交货计划回应顾客的交期询问、订单查询，从而满足客户需求。

主要参考文献

[1] 施灿涛，李铁克，王昌保，等. 基于APS 的钢铁企业生产计划系统设计及实现[J]. 中国管理信息化，2011，14（16）：84-86.

[2] 施灿涛，杨国俊，李铁克. 钢铁企业APS 优化引擎的软件模型研究及应用[J]. 计算机应用研究，2011，28（2）：606-608.

[3] 施灿涛，李铁克，王晓洁. 基于UML 的钢铁企业APS 订单计划系统建模[J]. 中国管理信息化，2010，13（21）：29-32.

[4] 邵志芳， 钱省三 ， 刘仲英. 在半导体制造业导入高级规划与排程系统[J]. 半导体技术，2007（8）：661-664.