制造业生产计划系统中高级计划排程的研究
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I
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论 .................................................................................................................1
§1.1 论文研究背景及意义 .......................................................................................1
§1.1.1 论文研究的背景 .....................................................................................1
§1.1.2 论文研究的意义 .....................................................................................2
§1.2 国内外相关的研究现状 ...................................................................................3
§1.2.1 现有的一些理论研究 .............................................................................3
§1.2.2 当前 APS 产品研发现状 ....................................................................... 4
§1.3 论文的主要内容及框架 ...................................................................................5
第二章 生产计划与排程理论研究 .................................................................................7
§2.1 引言 ...................................................................................................................7
§2.2 生产计划理论研究 ...........................................................................................8
§2.2.1 生产计划的形态 .....................................................................................8
§2.2.2 生产计划的关键要素 .............................................................................9
§2.3 生产排程理论研究 .........................................................................................16
§2.3.1 生产排程的概念 ...................................................................................16
§2.3.2 生产排程的基本过程 ...........................................................................17
§2.3.3 生产排程问题的解决方法 ...................................................................17
第三章 高级计划排程（APS）研究 ........................................................................... 19
§3.1 引言 .................................................................................................................19
§3.2 APS 的概念描述 ............................................................................................. 19
§3.2.1 APS 的定义 ........................................................................................... 19
§3.2.2 APS 的现状及发展趋势 ....................................................................... 20
§3.2.3 APS 的特点及理论 ............................................................................... 22
§3.2.4 APS 的缺点 ........................................................................................... 23
§3.3 APS 与ERP 的区别 ........................................................................................24
§3.4 APS 与ERP 的集成研究 ................................................................................26
§3.4.1 APS 与ERP 集成架构与功能分析 ...................................................... 27
§3.4.2 APS 与ERP 集成数据流分析 .............................................................. 28
§3.4.3 APS 与ERP 集成业务流程分析 .......................................................... 29
§3.5 APS 系统结构 ................................................................................................. 31
II
§3.6 APS 算法分析 ................................................................................................. 33
§3.7 我国 APS 应用中需要解决的问题 ............................................................... 36
第四章 APS 模型构建 .................................................................................................. 38
§4.1 引言 .................................................................................................................38
§4.2 APS 生产计划与排程研究 ............................................................................. 38
§4.2.1 一般情况生产计划与排程 ...................................................................38
§4.2.2 插入订单的生产计划与排程 ...............................................................42
§4.3 APS 模型构建 ................................................................................................. 44
§4.3.1 前提假设 ...............................................................................................44
§4.3.2 参数定义 ...............................................................................................44
§4.3.3 目标函数 ...............................................................................................45
§4.3.4 约束条件 ...............................................................................................45
§4.4 基于工序约束的拓扑序列的提出 .................................................................46
第五章 存在外包情况 APS 模型构建 ......................................................................... 49
§5.1 引言 .................................................................................................................49
§5.2 存在外包情况 APS 模型构建 ....................................................................... 49
§5.2.1 参数定义 ...............................................................................................50
§5.2.2 目标函数 ...............................................................................................51
§5.2.3 约束条件 ...............................................................................................51
§5.3 订单重要度的提出 .........................................................................................52
第六章 APS 模型实现 .................................................................................................. 54
§6.1 粒子群算法概述 .............................................................................................54
§6.2 粒子群算法基本原理 .....................................................................................55
§6.2.1 粒子群算法的数学描述 .......................................................................55
§6.2.2 粒子群算法的编码和参数分析 ...........................................................57
§6.2.3 粒子群算法流程 ...................................................................................58
§6.3 粒子群算法求解计算结果及分析 .................................................................61
§6.3.1 粒子群算法计算步骤 ...........................................................................62
§6.3.2 计算结果 ...............................................................................................63
§6.3.3 结果分析 ...............................................................................................65
第七章 总结与展望 .......................................................................................................66
§7.1 全文工作总结 .................................................................................................66
§7.2 进一步研究展望 .............................................................................................66
第一章 绪 论
1
第一章 绪 论
§1.1 论文研究背景及意义
§1.1.1 论文研究的背景
20世纪80年代末期到90年代期间，信息技术给现代生产制造组织带来了巨大
的变革。ERP(Enterprise Resource Planning，企业资源计划)系统作为在发达工业国
家普遍采用的管理手段，有助于规范企业的管理运作体制，提高企业的生产效率
和管理水平。ERP系统成为几乎所有交易的主干技术。客户订单、购买订单、数据、
发票等通过众多软件开发商提供的ERP系统维护和执行。ERP系统整合了许多流
程，甚至包括那些跨越组织内多个部门的综合领域，并为企业提供了统一的数据
库资源。借助ERP系统，可以将一个组织内部的流程整合起来。
在ERP 系统中，生产计划管理是系统的核心部分，它协调企业内外的可用资
源，合理编制和优化生产计划，从而实现高效生产，为企业创造价值。得益于信
息技术的迅猛发展，ERP 系统更是体现出准确、快速、信息集成和便于决策等优
点。近年来，市场经济趋于全球化，企业适应市场的能力成为企业生存的关键。
灵活多变的生产模式在提高企业竞争力的同时，也为 ERP 系统规范化管理尤其是
生产计划管理提出了更高的要求。
在制造型企业中，企业主要的职能就是生产。但是每天面对众多的客户所下
的不可计数的订单中大量的产品，如何制定一个合理的生产计划就成为企业必须
解决的一个问题。然而企业的生产方式具有各自不同的特点，像流水线作业、单
机作业、现场作业等；针对每个企业的约束因素不同，包括资源约束、工序约束、
机器约束等；企业的生产范围也有不同，有自行生产，也有外包生产等。在这些
复杂的情况下，单纯的ERP系统就很难满足企业的需要了，影响企业绩效的最大因
素是意外时间和变化性。例如，客户订购超过预测、供应商晚于承诺时间送货、
生产能力由于不可预见的设备故障下降等。如果对这些意外事件做出正确的反应
能够为企业节省大笔资金，提高服务水平，还有助于提高收入和利润。此外，事
先对销售、内部运作、供应商供货进行良好的规划，可以减少意外事件的发生次
数。
高级计划排程（APS）就具备这种功能：有力地规划流程和方式、方法并对意
外事件和变化性进行快速反应。APS 开发出统一的数据库资源并将 ERP 系统输出
的标准作业流程整合起来。APS 利用线性规划等计算方法，在新一代计算机的支
制造业生产计划系统中高级计划排程的研究
2
持下，能够在最短时间内生成生产计划。因此，APS 作为企业 ERP 的优化引擎对
制造型企业的生产排程发挥了非常重要的作用。
APS，有人翻译成 Advanced Planning and System(高级计划系统)，有人翻译成
Advanced Planning and Scheduling(高级计划排程)。本文将 APS 理解为高级计划排
程。高级计划排程是按照各种规则及约束对生产订单、生产设备以及人工进行详
细的、可视的计划。
§1.1.2 论文研究的意义
随着市场竞争的日益激励，企业都希望能够利用有限资源合理安排生产，最
大限度的满足客户需求，实现企业效益最大化。目前大部分企业的ERP系统能让客
户了解到工厂的运行情况，但是对于生产资源（如设备、工具和人力资源等）方
面的实际能力没有细致考虑。无论资源是够超负荷使用，或是人力安排不够，或
是库存积压很多，都采用相同的备货时间来计算投产时间，因此造成了很多不良
的后果。所以，企业必须具备计划、优化和调度的能力，应用最合适的技术解决
自身的计划和调度问题。APS就是解决这个问题的有效方法。
本文从实践意义来说，APS的应用有利于提高企业的效率。
目前，越来越多的企业选用ERP这一先进的管理信息系统以提升企业的核心竞
争力。但是，ERP实施后，是否能达到期望值却不能确定。现代的企业中，计划部
门都处于一个核心的地位。计划部门直接负责协调企业的各种业务活动，如制造、
库存、采购、销售以及供应链上的其它资源。计划部门的运营情况直接决定着企
业是否能够以最低的成本、最短的时间、最优的质量向客户提供满意的服务。但
是，相关研究表明，中国制造企业应用最多的仍然是ERP系统中与财务与物流相关
的模块，其次为生产与成本相关的模块管理，使用较少的是车间管理与决策支持
等系统。而在制造企业中应用生产与成本系统的主要是管理基础较好的大、中型
企业。在ERP的深化应用方面，如车间作业管理、及时生产、决策支持系统等，在
本世纪才刚刚得以推广，所以在我国制造企业中应用程度不高。
所以，企业在应用ERP的基础上引进APS，能够使企业的效率进一步提高，充
分满足客户的需求，增强企业的核心竞争力。通过现代的技术手段将这些过程自
动化并对其进行有效地管理以提高企业运作效率，降低成本，增强规范和标准化，
提供更加充分、准确、及时地信息用于准确的决策，便是高级计划排产学要解决
的问题。
第二，从理论意义上来说，APS解决了MRP在系统设计方面的先天缺陷【1】【2】
。
ERP的核心MRP的系统设计上的不合理性也导致了ERP实施没有取得预期效
第一章 绪 论
3
果的原因。MRP在系统设计上存在着五个先天缺陷: (1)MRP算法假定提前期是己知
的固定值;(2)系统要求固定的工艺路线;(3)仅仅根据交付周期或日期来安排生产的
优先次序:(4)所有工作都是在假定无限能力的前提下进行的:(5)计划的难以修改。这
就限制了企业制订准确而又切合实际的生产计划，这也正是很多ERP系统实施失败
的重要原因之一。APS的出现解决了MRP的计划缺乏弹性的问题。APS能够针对所
给定的生产状况(主生产计划、能力数据、工艺路线等)，采用诸如线性规划、整数
混合规划、推理、约束理论、模拟等方法，在有限的生产能力下得出最合理的排
产计划，并允许人机的交互，包括选择各种排序规则(如最小成本或最大顾客满意
度)和对生产车间的能力的安排可以做出多种选择(如柔性的倒班安排等)。利用APS
得出的排产计划可以指明计划周期内的每批物料在特定加工设备的加工次序，并
通过直观的甘特图形式给出。
所以，APS 在理论上是 MRP 的发展和补充。
§1.2 国内外相关的研究现状
§1.2.1 现有的一些理论研究
许多专家学者对 APS 的理论发展和应用做出了贡献。如 Errignton(1997)、
Bermndez(1998) 、Layden (1999)、Fleischmann(2000) 等及软件厂商 i2(2003)、
Manugistics (2003)、PMSIM (2003)等，均对 APS 有相当深入的研究。
Alvord (1999)在当今制造业排程的需求基础上，总结了 APS 重要的发展趋势。
Shin.K，Kuroda.M ，Natsuyama.K(2003) 在APS 环境下使用拉格朗日松弛法对实
时计划进行系统性研究。
Hankins, Wysk 和Fox(1984)分析了使用生产排程中替换机器工具和工艺路线
变更，结果显示使用替换机器减少了生产提前期，改善了设备的利用率。同时，
研究也说明当存在大量的加工进行排程，也存在若干可替换设备的时候，应用数
学规划方法解决负荷平衡的问题极为困难。Nasr 和Elsayed (1990)针对每个加工都
存在替换机器的 n加工/m 机器提出了两种启发式算法的排程问题，优化目标是每
个加工的平均流程时间最小。
Kolisch 和Hess(2000)研究了在资源、装配面积和物料供应等约束下的结构复
杂、面向订单装配的生产排程问题。引入了三种有效的启发式算法：有偏的随机
抽样方法，两种基于禁忌搜索的多步骤优化方法。
Dellaert ，
Jeunet 和Jonard(2000)讨论了在物料需求计划(MRP)系统中的多层批
量(multi-level lot- sizing, MLLS) 问题。他们设计了一个二进制编码遗传算法以及
制造业生产计划系统中高级计划排程的研究
4
五个特定的遗传算子确保在可行解集中搜索到优化方案。Gupta，Neppalli 和Wemer
(2001)讨论了在最小生产周期下寻找最小总流程时间的两机台的 flow shop 排程问
题。
Caraffa，lanes，Bagchi 和Sriskandarajah( 2001)讨论了 m台机器没有缓冲的最
小生产周期的 flow shop 问题，分析了多于两台设备的车间的阻塞 flow shop NP 一
困难问题。他们提出了解决批量限制的遗传算法。
台湾学者如王立志等在 APS 理论研究与应用方面有较深的造诣。其他研究者
如洪一仁(1999)研究探讨其它学者所提出研究方法的缺点后，尝试提出一套符合产
品多样化及交货周期短的生产计划模式。在该模式的研究上，着重于生产计划与
排程系统架构，以及内部计划与排程机制的设计。阂仲豪(2000) 探 讨 以 AT
(allowance time)概念发展一套 APS 算法，在特定生产环境下其绩效较其它 APS 软
件更佳。
近几年，排程系统由早期的固定排程演变为弹性的实时计划系统(real time
scheduling)，实时排程系统主要是车间现场排程，因此对于生产现场变动相当敏感。
在这样的概念下，应用先进的数学模型，如神经网络、代理人系统、遗传算法等
方式进行实时排程的计划。
为了适应越来越复杂的供应链系统，很多数学方法被开发出来。Teti(1997)列
出了高级算法的详细清单，分别总结了它们各自的应用领域，包括设计、计划、
生产排程与执行等。
§1.2.2 当前 APS 产品研发现状
目前市场上 APS 软件产品研发的很多，主要有以下几个：
（1）ILOG 公司的高级引擎计划
ILOG 是1987 年在法国成立，开发市场优化和可视化软件的公司，它的高级
引擎计划是强有力的资源优化，排程，后勤和计划的应用程序，包括从 CPLEX 到
线性规划。该引擎计划在业界一直处于领先的地位，SAP 的APS 产品 APO 采用了
这个引擎计划，Oracle 的APS 系统也采用了这个引擎计划。
（2）SAP 公司的 APO 产品
SAP 是最大的 ERP 软件供应商，它的 APO 产品的核心也是 ILOG 公司的高级
计划引擎。这个产品是独立于 SAP 的ERP 产品 R/3,它可以与 R/3 整合，也可以单
独运行或与其他 ERP 产品通过 EAI 整合。
（3）Oracle 公司的 APS 产品
Oracle 公司的 APS 产品也采用了 ILOG 的高级计划引擎，它主要包括以下模
摘要：
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I目录中文摘要ABSTRACT第一章绪论.................................................................................................................1§1.1论文研究背景及意义.......................................................................................1§1.1.1论文研究的背景.......................................................
作者：陈辉
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