APS(高級計(jì)劃和排產(chǎn)系統(tǒng) ) 是一種用于生產(chǎn)和制造業(yè)的復(fù)雜計(jì)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(fèi)，并確保按時(shí)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(jì)劃。本文提到的基于人工智能的新一代高級計(jì)劃排產(chǎn) (APS) 系統(tǒng) ( 圖 1)，采用人工智能的算法策略設(shè)計(jì)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(yù)測，并及時(shí)調(diào)整排產(chǎn)計(jì)劃，保障生產(chǎn)。同時(shí)，本文針對裝備制造中最關(guān)鍵的沖壓和鈑金工藝進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明，采用基于人工智能的新一代高級計(jì)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(jì)
APS 是一種用于生產(chǎn)和制造業(yè)的復(fù)雜計(jì)劃和調(diào)度工具。APS 分為兩個層次，planning( 計(jì)劃層 / 工單級 )和 scheduling( 調(diào)度層 / 工序級 )：計(jì)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(jìn)行排產(chǎn) ( 工單級 );調(diào)度層，計(jì)劃層已排好的計(jì)劃下發(fā)到單個車間，甚至單個產(chǎn)線，短周期細(xì)化排產(chǎn)，形成一個可操作的生產(chǎn)計(jì)劃 ( 工序級 )。
圖 2 高級計(jì)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(jì)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(yù)測交期，確保供應(yīng)及時(shí);工序級針對于短周期，細(xì)化在相應(yīng)工序，指導(dǎo)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)?yīng)的可用資源。
排程前需要輸入的數(shù)據(jù)
⑴相關(guān)概念。
Projects( 項(xiàng)目 )：項(xiàng)目是由為了完成某一特定功能的一系列任務(wù) (Tasks) 組成。一個典型的項(xiàng)目可以是生產(chǎn)訂單/銷售訂單。項(xiàng)目通常具有到期日期或時(shí)間 ( 交期 )，項(xiàng)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(biāo)來確定。
Worksflow( 工作流 )：工作流是為完成項(xiàng)目而需要執(zhí)行的一組任務(wù)。任務(wù)可能與其他任務(wù)具有任何類型的時(shí)間相關(guān)性，稱為鏈接 (Links)。在大多數(shù)情況下，項(xiàng)目中的模型任務(wù)按單個的前任和后繼任務(wù)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(xiàng)目，但是每個項(xiàng)目也可以具有一個工作流程。
Task( 任務(wù) )：任務(wù)定義單個流程步驟，有時(shí)稱為操作。每個任務(wù)定義如何執(zhí)行每個項(xiàng)目步驟，花費(fèi)多少時(shí)間以及使用哪些資源?？梢杂袔追N方法來執(zhí)行對資源有要求的任務(wù) ( 模式 )。標(biāo)志 (Flags) 描述調(diào)度程序如何選擇模式。
Links( 鏈接 )：鏈接將任務(wù)連接到后續(xù)任務(wù)，APS 軟件將自動派生以前的鏈接 ( 默認(rèn)選項(xiàng) )。每個鏈接都有其所需的時(shí)間同步類型，以及時(shí)間、班次或天數(shù)，預(yù)測的可能延遲。
Modes( 模式 )：任務(wù)模式是執(zhí)行任務(wù)資源的替代選擇，如發(fā)生設(shè)備故障導(dǎo)致部分設(shè)備停工后的備選計(jì)劃 (Plan B)。每種模式均由以 0 開頭的序列號標(biāo)識，非必選項(xiàng)。
⑵資源。
資源可分為可重復(fù)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(fù)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(shí)際生產(chǎn)情況進(jìn)行自定義，相同需求的資源也可分批定義?？芍貜?fù)利用資源具有一一對應(yīng)的可用性日歷，并位于特定位置 (如A操作人員 -早班 -A機(jī)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(jī)床/薩瓦尼尼機(jī)床/村田機(jī)床 ( 子級 )，子級設(shè)備都可實(shí)現(xiàn)父級切割工序。
⑶日歷 / 時(shí)間。
工作日歷是資源在某些模式下可用時(shí)的時(shí)間間隔集 ( 例如星期幾、早晚班、節(jié)假日等 )。除了標(biāo)準(zhǔn)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(shí)間間隔。如補(bǔ)貨時(shí)間、換模時(shí)間、停機(jī)時(shí)間、加班時(shí)間、維護(hù)時(shí)間等，也可以對資源預(yù)留時(shí)間 ( 例如訂單調(diào)整后進(jìn)行重新排程計(jì)算的時(shí)間 ) 進(jìn)行定義。位置和過渡時(shí)間：非必選項(xiàng)。在計(jì)劃排產(chǎn)時(shí)，如果需要考慮到資源運(yùn)輸問題則需要填寫。
當(dāng)求解 KPI/ 目標(biāo)函數(shù)為成本時(shí)，上述優(yōu)化時(shí)間需要更換為成本，如員工加班時(shí)間更換為加班每小時(shí)多少錢。
⑷ KPI/ 目標(biāo)。
KPI/ 目標(biāo)：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(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。本軟件支持的目標(biāo)/ 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(shí)間。完工時(shí)間 (Makespan) 是從第一個任務(wù)的開始到最后一個任務(wù)的結(jié)束之間的時(shí)間;
最小化遲到時(shí)間：遲到時(shí)間指將每個項(xiàng)目的所有遲到時(shí)間都添加到適當(dāng)?shù)臅r(shí)間之后，減去每個項(xiàng)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(xiàng)目中最差 ( 瓶頸 ) 項(xiàng)目的延遲;
最小交貨時(shí)間;
最短循環(huán)時(shí)間：應(yīng)用于滾動排程中;
最長交貨時(shí)間：最小化最壞項(xiàng)目的交貨時(shí)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(shí)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(shí)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(shí)候可以選擇上述單一目標(biāo)，也可以選擇多個目標(biāo)。多個目標(biāo)實(shí)現(xiàn)排程時(shí)的方法采用加權(quán)平均數(shù)法 (combined) 和 Pareto 解法。高級計(jì)劃排產(chǎn) (APS)系統(tǒng)可以根據(jù)實(shí)際場景選好相應(yīng)資源和所優(yōu)化的目標(biāo)后，再進(jìn)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(diǎn)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(jì)劃，但要求每個排程周期的計(jì)劃需具有一定的穩(wěn)定性和連續(xù)性。當(dāng)系統(tǒng)重新排程時(shí)，需要考慮上個周期實(shí)際完成情況、上個周期未完成的計(jì)劃以及本周期新的計(jì)劃。通過對每個任務(wù)的狀態(tài)控制實(shí)現(xiàn)計(jì)劃鎖定，計(jì)劃調(diào)整以及新計(jì)劃制定，而在每個排程周期內(nèi)，當(dāng)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(jì)劃作細(xì)微調(diào)整。
2) 固定自動調(diào)整。
優(yōu)先級：根據(jù)實(shí)際的生產(chǎn)情況，優(yōu)先對某些資源或工單進(jìn)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(shí)際生產(chǎn)情況，將某些訂單計(jì)劃固定在某一時(shí)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(jìn)行自動排程。
面對緊急插單的情況，可調(diào)整其優(yōu)先級進(jìn)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(jìn)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(yīng)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(jìn)行相關(guān)性描述。
沖壓生產(chǎn)是利用壓力機(jī)和模具實(shí)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(jì)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(jìn)行算法優(yōu)化設(shè)計(jì)。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(biāo)，構(gòu)建高級計(jì)劃排產(chǎn) (APS) 系統(tǒng)的多目標(biāo)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(jìn)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(jì)劃排產(chǎn)系統(tǒng)在沖壓行業(yè)效果：
1) 解決實(shí)際生產(chǎn)過程中多規(guī)則多約束計(jì)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(shí)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(jìn)行粗略地計(jì)劃分解，進(jìn)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(jì)劃選擇某一時(shí)間段按生產(chǎn)物料的材料、厚度等信息進(jìn)行合批處理，合批處理后的計(jì)劃信息進(jìn)入套料管理模塊，篩選相對應(yīng)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(jìn)行排樣、排班。對不同套料排樣結(jié)果進(jìn)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(yīng)材料利用率最佳，同時(shí)要考慮到如刀具的損失 )。此時(shí)，形成新的生產(chǎn)準(zhǔn)備計(jì)劃，該生產(chǎn)準(zhǔn)備計(jì)劃是在初始生產(chǎn)計(jì)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(jìn)行，原生產(chǎn)訂單號關(guān)聯(lián)為新的生產(chǎn)準(zhǔn)備計(jì)劃的分批號。一旦設(shè)備準(zhǔn)備進(jìn)行加工，新的生產(chǎn)準(zhǔn)備計(jì)劃就可直接下發(fā)給相應(yīng)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(jī)器學(xué)習(xí)的求解器和元啟發(fā)式算法綜合的滿足多目標(biāo)和多標(biāo)準(zhǔn)的高級計(jì)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(biāo) (KPI)，例如最小化完工時(shí)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(jì)劃并分析客觀權(quán)衡。也可以一起選擇許多目標(biāo)，例如完工時(shí)間、截止日期滿足、資源利用、消耗品使用、活動開關(guān)、周期時(shí)間。同時(shí)，可以并行處理多個項(xiàng)目排產(chǎn)，擁有數(shù)十種資源，以及數(shù)百甚至數(shù)千項(xiàng)活動因子，為生產(chǎn)排產(chǎn)提供最優(yōu)的解決方案。
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為什么大多數(shù)數(shù)據(jù)質(zhì)量計(jì)劃在開始之前...
