APS——制造业瓶颈的终极解决方案

以下为武汉理工学院卢少华博士刊载于「机械制造」的期刊文章,介绍了 APS 系统产生的背景、能对企业改善做出的贡献,以及实际部署过程中需要注意的问题。


全文摘要:高级计划与排程(APS)系统实现了车间调度层次的实时计划与优化,使企业对订单的变化做出迅速反应成为可能。但是,APS的有效实施必须解决系统输入、系统过程控制以及输出结果的执行等方面的一系列基础性问题建立健全的管理机制是实施APS的有效保证。


激烈的竞争使制造企业的订单呈现多品种少批量、交货期紧迫的特征。同时,企业因缺乏科学管理而导致物料短缺或大量积压,甚至变呆变废;停工待料、加班加点、交货期延误等生产乱象难以改观如何科学地安排生产计划与进料日程,确保既不影响生产,又不造成呆滞料的产生,已成为生产企业一项非常重要的课题。


MRP/ERP为制造业效率的提升做出了重要贡献。然而,ERP虽然可以实现企业级资源的计划与调度,但具体到车间生产调度排程这个亟待解决的瓶颈问题却无能为力。高级计划排程(APS)是20世纪信息技术与现代管理思想相结合的产物。企业、咨询专家以及研究学者一致认为,一旦建立高效的APS系统,该问题将迎刃而解。但是,APS真的是制造企业生产计划的终极解决方案吗?





在敏捷生产背景下,客户需求随时发生或变更。客户需求的变化将实时体现为提前期、产品设计、工艺、需求量甚至产品类型的变更,在车间生产过程中则体现为各种急单、插单、改单、撤单、严重影响正常生产秩序。高效的APS的确可以实现实时的生产排程,对订单的变化迅速反应,但是这只是一种理想境界:APS实现的仅仅是车间调度层次的计划与优化,但是,对生产系统中出现的各种复杂的随机变化却能力有限。基于产能限制和信息技术的APS可以作为生产控制的有力工具,但要从实质上改善企业生产状况,提高组织绩效,管理理念和管理方法上的变革才是根本措施。也就是说,APS的有效性也是建立在健全的管理机制基础上的。


20210128

APS简介


如果把传统ERP的运作比作计划经济,那么以APS为核心的物料流管理,就可比作“市场经济”APS作为制造业物料流管理的“心脏”,能够在有限的物料、生产能力的约束条件下,灵活应对订单的变化,反复权衡,以求得到最优化的排产计划。对于离散制造业,APS主要是解决多工序、多资源的优化调度问题;对于流程制造业,APS主要是顺序优化问题;对于流程与离散混合型企业,APS能同时解决顺序和调度的优化问题。而对于项目管理型企业,APS则主要解决关键链(资源约束)和成本时间最小化问题。APS的基础输入包括3个方面:(产品)主生产计划、(设备)主能力计划以及生产状态信息输入/反馈。当APS系统与ERP系统集成之后,主生产计划和主能力计划将为APS提供基本的输入数据信息,而生产反馈信息则是APS稳定运行的基本保证APS的输出则为优化的计划调度方案,具体表现为订单/工件(在各工作中心)的加工顺序、工作中心资源对各种工件的分配以及各生产资源的运行状态信息等。图1所示为APS结构模块示意图。



实施APS至少应该MRP或 MRPII实施得比较完善而且累积有2~3年的时间,ITEM/BOM等基础数据完备而且具备较高的数据准确性。如果这些基本条件都无法达到,APS是很难实施成功的。


主生产计划的重要性


首先需要强调产品计划的重要性。APS是车间作业层级的计划系统,正常运作的基本前提是企业级的产品计划。作为车间生产的源头,必须对主生产计划的制定进行规范。现实中,对市场进行快速反应的需求导致生产订单的到达(以及变更)具有极大的随机性。为了保持市场,维持客户关系,营销部门往往会对客户要求,尤其是交货期和设计变更的要求,给予不切实际的许诺。还是由于市场的这种不确定性,下游装配部门往往没有一个具体的产品计划,甚至是根据订单的到达随时向加工部门派产。在多品种小批量离散制造企业,各产品事业部都根据自身产品订单情况向加工车间下达生产订单,而且往往不约而同地都强调任务的紧急性。加工车间由于产能的限制,根本无法保证所有订单的准时交付,于是各下游产品事业部往往会现场“督导”自己订单的生产,最终结果是所有的订单都处于加工状态,但是准时交付率很低,造成“双输”的结果。APS虽然可以最大限度地提高排产效率,一定程度上缓解这个问题,但也不可能从根本上解决。


在这里,企业相关部门构成了一个内部供应链,部门间的信息交流与沟通协调成为解决问题的关键。一方面,通过共享信息,营销部门可以实时了解生产部门的生产现状,通过与客户协商与深入沟通,更准确地了解客户的需求,提高订单交付期的合理性,降低需求变更的可能性,可极大程度地减少对车间生产的冲击;另一方面,需要营销部门、相关产品事业部以及上游生产加工部门共同进行有效沟通与相互协调,合理安排订单的优先级和生产进度,制定有效的主生产计划,使车间得以有序生产。


然而,由于客户需求的随机性,即使与之交流沟通再深入彻底,插单、改单、甚至撤单的现象也不可能完全消除。一旦出现这种情况,必然对正常作业造成冲击,因此必须对此进行有效控制。最直接的预防手段就是“堵”,即拒绝非正常提前期的订单,或者对非正常订单给予相应的惩罚,从而降低其发生频率,同时对造成的损失进行一定的补偿。但是,这并不能从根本上解决问题,而且也不符合以市场为主导的基本原则。更有效的手段其实还是“疏”,基本手段就是利用“缓冲”,一方面可通过生产挖潜的途径,得到计划外的产能,使插单可以“见缝插针”地得以安排,但这是不宜推荐的方法;另一方面是在主生产计划中考虑到随机性的影响,对每个产品订单按照BOM表和产品提前期倒排生产计划时,根据产品的复杂度和重要性给予一定的附加提前期(如果随机性的影响得以很好控制,附加提前期并不会表现出来)相当于对随机冲击给予了一定的“预应力”。这样做似乎不符合敏捷相应的原则,但却是保证计划得以有效执行的有力手段。实际上,在一个排队系统中,这个方法在除了使队列比理想情况稍长(即计划完成期偏长)以外,并不会产生其他不利,但却可以实现有序生产。


APS处理过程的控制与维护


当APS系统的基本输入得到有效管理,下一个问题就是如何有效控制APS的处理过程了。首先,合理的主生产计划涉及到主能力计划等基础数据的维护问题。如果ERP系统中设备能力、产品结构与技术参数、工艺路线等基础数据缺乏必要的持续的维护,信息与实际情况出现较大偏差,那么由此得出的生产计划显然是无效的。APS之所以可实现车间级计划调度,就是因为其考虑了设备、工艺等现实能力约束,因此,基础数据的维护具有重要意义。很多企业在花巨资上了ERP、PDM、CAPP甚至APS之后,仍然不能得到期望的绩效改善,很重要的原因之一就是系统中的基础数据没有得到及时可靠的维护。信息系统的可靠性很大程度上取决于基础数据的准确性。现实生产中,由于客户定制、产品创新及其他各种原因,企业实际产品种类会不断发生变化,相关的基础数据必须及时在系统中进行更新并有效地管理,而这一工作往往涉及多个部门和多方面的系统数据,工作量很大。


另外,APS的运行必须得到车间生产状态信息的实时支持。高效的调度排产方案只是一个中间结果,不能只得到一个排产方案就不管其实施了。事实上,APS的作用集中体现在其“动态”上:滚动排程和实时监控/反馈,并不仅仅是人工调度的“电脑化”。生产现场与外部市场一样充满了随机性,设备状态也处于实时变化之中,理想的APS系统应该包括实时且可视化的设备监控系统、高效实时计划调度系统,甚至包括刀/夹具管理系统以及自动加工程序编制系统等一系列功能模块。另外,从决策支持的角度要求,还应该向数据挖掘工具提供接口。实现这些功能,一方面是要求有相应的设备支持(例如具备双向通信功能的数字化加工中心)以实现调度指令的发送接收和设备技术参数和生产状态信息的采集与传递;另一方面,当APS系统对车间生产流程进行合理优化之后,必然要在生产组织结构中得以体现。因此,基于作业流的生产组织形式及具有多种技能的生产与管理人员则成为APS实施的更重要的软件要求。毕竟实施结果才是我们真正需要的。


虽然APS可显著改善车间生产状况,但显然也不是说用了它一切排程问题都已解决事实上,作为APS算法基础的现有计划排程算法是很难与现实生产完全对应的:离散制造企业在制工件品种少则几百,多则几万,而且是典型的Job-shop问题,再强大的算法也很难实现对实际生产的实时理想计算。因此从本质上看,APS系统只是一种辅助决策工具,向车间计划调度人员提供可行的或者比较满意的排程方案,其有效运行需要经验丰富的生产管理人员进行控制、维护,以及对输出结果的正确判断与执行。


APS输出结果的执行保障


APS系统的有效运行,主生产计划的执行非常关键。一旦主生产计划和车间排产计划都已做出,接下来就是严格执行了。APS在生产过程中的核心作用是资源调度与计划安排,但一旦安排确定、任务下达,其执行结果如何则不是APS所能控制的了。车间生产混乱的主要原因之一就是计划执行不力。由于通过APS得到的调度计划是一个优化后的“相对合理的生产计划,如果在生产中不能有效执行,其最终结果与优化前的效果就没有区别了。即使进度的异常可以迅速地反馈到APS系统中,并动态地重新得出新的排程,但如果每次得出的优化结果不能保证有效执行,即使能做到实时排产也是没有意义的。而且排产方案变化过于频繁,本身就是影响生产的另一个重要原因。


企业内部供应链同样要做到信息流与物料流的同步。APS系统中,指令、信息可实现实时传递,但物料流要做到同步控制则需要更多的制度保障。为了保证计划的有效执行,物料供应/外协管理就显得尤其重要。前面提到的由于市场变化引起的插单改单是一个客观现实,另外,在生产现场,由于各种中各样的原因,加工中心也可能对下达的任务不能按进度完成,如物料短缺,工艺路线的不合理,工时核算中的矛盾,工序间衔接的不及时,公用设施(如稀缺刀具夹具,叉车等转运设备,图纸等)的等待等。一方面,工件需要经过多工序多设备加工,各工序间能否实现流畅衔接将极大影响到生产计划的执行效率;另一方面,对供应商/外协商的管理与评估则是物流平稳度的重要保障。在制造企业中,由于物料供应或者外协加工造成的物流停滞在很多时候成为企业流程不畅的关键原因前者解决的是物料流的流速问题,而后者则是确保为内部物料流提供稳定“水源”的问题。要从根本上解决这些问题,一方面是通过高效APS系统实现合理调度,另一方面,需要强有力的管理措施/制度来保障APS的正常有效运行,如以物料流为中心规范化制造加工流程,加强生产过程控制,建立以目标管理为基础的绩效管理体系和物质激励与精神激励相结合的员工激励机制等。


结束语


基于约束理论与优化理论的APS极大程度地弥补了传统ERP系统对车间级作业计划的不足,让离散制造企业摆脱了车间生产混乱的局面。但是,APS的有效运作必须得到其他各方面的有力支持。只有当系统的基础数据输入得到良好的管理与维护、系统处理过程得到合理控制、系统输出结果指令能够有效执行,APS才能真正发挥期望的作用,成为继ERP之后制造企业的又一个效率之源。


参考文献


1.丁斌,陈晓剑高级排程计划APS发展综述[J].运筹与管理,2004,13(3):155-159.

2.蔡颖.ERP高级计划:APS供应链优化引擎[M].广州:广东经济出版社,2004

3.翟东升,黄焱.基于敏捷制造思想和本体的TBT预警计划排程模型[J].计算机工程与应用,2006,42(28):187-190.

4.齐二石,刘亮.面向订单生产APS的关键流程分析及其应用方法研究[J].制造业自动化,2006,28(12):33-36.

5.梁新刚.高级计划与排程(APS)是制造业SCM系统的“心脏”[eb/ol]. www. analysys. com. cn, 2006-06-06.


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