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  APS排程（Advanced Scheduling）科普

發(fā)布日期：2022/1/28 6:56:35      瀏覽量：

       APS的原理都是一樣的。流程行業(yè)與離散行業(yè)的APS會有差異，但核心理念是一樣的?？傮w說來流程行業(yè)以穩(wěn)定、均衡、高負(fù)荷、安全、低能耗和少污染為目標(biāo)，調(diào)節(jié)手段主要是保證工藝過程參數(shù)保持在最優(yōu)狀態(tài)。離散制造業(yè)往往以縮短交貨期、提高設(shè)備利用率為主要目標(biāo)，調(diào)節(jié)手段主要是優(yōu)化排序和優(yōu)化分配負(fù)荷等。

　　一、流程工業(yè)生產(chǎn)計劃和控制活動的特性
　　流程行業(yè)（process industries）是指通過混合、分離、成型或化學(xué)反應(yīng)使材料增值的企業(yè)。生產(chǎn)過程可以是連續(xù)的、成批的，通常需要嚴(yán)格的剛性過程控制和大量的資本投入。批量型生產(chǎn)是將材料積累起來，每次同時加工一批材料的一種制造技術(shù)；連續(xù)型生產(chǎn)是產(chǎn)品流是連續(xù)、不間斷、不可分的。
（1）流程行業(yè)生產(chǎn)屬于大批量連續(xù)生產(chǎn)，因而強(qiáng)調(diào)生產(chǎn)過程的整體性，工藝流程相對穩(wěn)定。生產(chǎn)柔性和靈活性差。
（2）流程行業(yè)的生產(chǎn)過程包括了信息流、物質(zhì)流、能量流,而且伴隨著復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng),以及突變性和不確定性等因素,如不確定的投入產(chǎn)出及聯(lián)產(chǎn)品和副產(chǎn)品等，是一個十分復(fù)雜的大系統(tǒng)。
（3）流程行業(yè)的BOM是一個公式、配方或成分表，每一批產(chǎn)品的質(zhì)量都有可能不同。對于輔料，可以利用典型的基于BOM的管理方法。但主料的管理就有所不同，通常需要交叉職能委員會或是運(yùn)作經(jīng)理分配主料，確定配方。
（4）流程行業(yè)的生產(chǎn)準(zhǔn)備時間長，設(shè)備輕易不能停工，設(shè)備、操作之間的耦合度極高，往往某個參數(shù)的調(diào)整就會影響到其他參數(shù)及以后各個工序的產(chǎn)品質(zhì)量，因此流程行業(yè)控制的精確程度一般要高于離散制造業(yè)。
（5）流程行業(yè)生產(chǎn)計劃和控制要求面向整體優(yōu)化。各個設(shè)備的優(yōu)化不等于全廠處于最優(yōu),因而在求取全局最優(yōu)的過程中有時會得到相互沖突的結(jié)論。
（6）流程行業(yè)更關(guān)注設(shè)備的有效利用。生產(chǎn)計劃對設(shè)備能力極其重視。其生產(chǎn)裝置間的連接有管道約束,物流連續(xù),或者只有復(fù)雜而有限的中間存貯策略（如存儲池的能力、溫度、存儲時間等要求）。
（7）流程行業(yè)中，離散決策變量與連續(xù)決策變量共存,系統(tǒng)內(nèi)既包括連續(xù)過程變量,如生產(chǎn)過程;也包括離散過程變量,如生產(chǎn)方案的切換、調(diào)度指令的下達(dá)、隨機(jī)事件的引入、生產(chǎn)裝置的切換等,所以連續(xù)過程的生產(chǎn)計劃/調(diào)度系統(tǒng)是混雜系統(tǒng)。這種混雜既包括同層混雜,也包括遞階層次之間的混雜。
（8）流程行業(yè)常常處于十分惡劣的生產(chǎn)環(huán)境,因而生產(chǎn)的安全性和環(huán)保要求被放在最重要的位置。
（9）流程行業(yè)的原材料和產(chǎn)品通常是易腐的（如食品），因此，在生產(chǎn)計劃和庫存管理中，要考慮到這個約束條件。

（10）由于生產(chǎn)批量大、生產(chǎn)過程一般較為穩(wěn)定，流程行業(yè)的生產(chǎn)計劃（planning）和作業(yè)計劃（scheduling）通常是緊密聯(lián)系，一般很難區(qū)分。在長期或中期生產(chǎn)計劃中通常同時要考慮到詳細(xì)的工藝問題，如投產(chǎn)批量（lot sizing）和作業(yè)安排（job assignment）同時在生產(chǎn)設(shè)計中出現(xiàn)。而在小批量多品種生產(chǎn)的離散制造業(yè)中，排程問題通常是在作業(yè)計劃層考慮。

　　二、流程工業(yè)中APS的算法
（1）數(shù)學(xué)規(guī)劃算法
　　廣泛使用混合整數(shù)線性規(guī)劃（MILP）或混合整數(shù)非線性規(guī)劃（MINLP）。對化工企業(yè)建立數(shù)學(xué)規(guī)劃模型，求解總成本最低條件下的生產(chǎn)任務(wù)的分配問題以及產(chǎn)品的分配問題。也可以建立了一個通用的MINLP模型，目標(biāo)是最小化最大完工時間（make span），確定投產(chǎn)批量。采用貪婪啟發(fā)算法，并與其他啟發(fā)式算法進(jìn)行比較。
　　需要考慮計劃期長度、原料可用性、有限負(fù)荷（finite loading），清潔操作（cleaning operation）,通過Cplex計算的混合整數(shù)規(guī)劃。 但是數(shù)學(xué)模型幾乎不可重用，即使微小的變化也可能使得所選算法效果變得極差。數(shù)學(xué)規(guī)劃中對實(shí)際問題求解的計算量太大，如分枝定界法（B&B）。為了提高效率采用各種改進(jìn)形式的B&B算法或者簡化計算技術(shù). 采用啟發(fā)式算法為了考慮更簡單的模型。
（2） 約束規(guī)劃
　　能夠成功的用來解決制造業(yè)生產(chǎn)計劃問題的約束傳播代表是ILOG Optimization Suite。當(dāng)必須在計劃中考慮大量約束時，約束規(guī)劃非常適用。一種適合于流程行業(yè)需求的方法。這種方法采用約束定向搜索（constraint directed search CDS）解決問題的組合部分，并且確定剩余的（N）LP問題是否解決。組合部分的解中包括了，通過對變量賦值和規(guī)定變量值和順序的啟發(fā)規(guī)則進(jìn)行的用戶干預(yù)。
（3）仿真方法
　　一般仿真方法是和數(shù)學(xué)模型、規(guī)則調(diào)度等相結(jié)合來解決問題。與數(shù)學(xué)規(guī)劃采用全局的、簡化的觀點(diǎn)相比，仿真提供了一個局部的所有任務(wù)、排序和時間決策結(jié)果的可視化觀察，并能夠以較低的計算成本對一個特定的計劃問題進(jìn)行詳細(xì)的、快速的分析。仿真一般是對可供選擇的方案進(jìn)行對比分析，可以用來評估用戶所提出的候選計劃。
（4）人工智能
　　近年來，人工智能技術(shù)被引入生產(chǎn)計劃領(lǐng)域，是解決計劃問題的有效途徑。結(jié)合數(shù)學(xué)規(guī)劃方法和人工智能技術(shù)、專家系統(tǒng)是一個較好的方法。人工智能在大量科學(xué)領(lǐng)域復(fù)雜問題求解中得到顯著成功。

　　如模擬退火算法在求解生產(chǎn)調(diào)度問題的混合優(yōu)化方法優(yōu)于啟發(fā)式方法?；谏窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)提出了面向批量流程行業(yè)生產(chǎn)計劃控制工具對最大完工時間（make span）的模型。模型的預(yù)測效果很好。但是，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型不能直觀反應(yīng)作業(yè)性質(zhì)和作業(yè)交互。遺傳算法是一種模仿生物自然進(jìn)化的隨機(jī)搜索技術(shù)。自從Goldberg和Davis發(fā)表遺傳算法以來，它就被用來解決調(diào)度問題。

　　三、流程工業(yè)的生產(chǎn)計劃模式的發(fā)展APS
　　MRP系統(tǒng)并不適應(yīng)流程行業(yè)，針對化工行業(yè)的特性：原料需求的特殊性；生產(chǎn)管理的特殊性；計劃與排程的特殊性，出現(xiàn)了專門針對流程工業(yè)的APS系統(tǒng)。
　　利用APS可以達(dá)到靈活可變的生產(chǎn)計劃，可視化的生產(chǎn)排序，自動的生產(chǎn)作業(yè)指示，動態(tài)的供應(yīng)鏈計劃調(diào)整，最大限度地利用設(shè)備的生產(chǎn)能力。
　　流程工業(yè)計劃排程建模所需考慮的因素：
（1）配方管理： 流程工業(yè)的BOM是一個公式、配方或成分表，每一批產(chǎn)品的質(zhì)量都有可能不同。對于輔料，可以利用典型的基于BOM的管理方法。但主料的管理就有所不同，通常需要運(yùn)作經(jīng)理分配主料，確定配方。配方中需要處理聯(lián)產(chǎn)品和副產(chǎn)品（co-Product和by-Product）
（2）生產(chǎn)線產(chǎn)能：生產(chǎn)線產(chǎn)能：每種產(chǎn)品在各生產(chǎn)線上的單位時間的產(chǎn)能、投料批量、產(chǎn)出批量等資料。
（3）生產(chǎn)線日歷：生產(chǎn)車間各生產(chǎn)線的工作日歷，可以根據(jù)需要定義、調(diào)整到具體的每一分秒
（4）批次管理：可以自定義產(chǎn)品批號規(guī)則，并對批號進(jìn)行加密。
（5）清掃時間：清掃資料：通常一個產(chǎn)品生產(chǎn)完畢后，不能直接生產(chǎn)下一產(chǎn)品，而是需要清掃殘留在生產(chǎn)線上的殘留物質(zhì)，才能開始生產(chǎn)下一個產(chǎn)品。每個產(chǎn)品到下一產(chǎn)品的清掃時間有可能是不相同的。
（6）多計量單位：在物料的儲運(yùn)和加工過程中，計量單位會多種轉(zhuǎn)換，效能關(guān)系，多包裝單位。

（7）生產(chǎn)線和物料對應(yīng)關(guān)系的優(yōu)化生產(chǎn)模式：理想生產(chǎn)模式：在一定的周期范圍內(nèi)，生產(chǎn)多個產(chǎn)品時，會遵循一定的優(yōu)先次序來安排生產(chǎn)。通常在生產(chǎn)排產(chǎn)過程中，在同一生產(chǎn)線，不同性質(zhì)的產(chǎn)品的生產(chǎn)優(yōu)先級、默認(rèn)生產(chǎn)線和物料的關(guān)系就構(gòu)成了理想生產(chǎn)模式。

　　四、高級計劃
　　根據(jù)APS的需求計劃預(yù)測來制定中長期銷售計劃；根據(jù)銷售訂單和銷售預(yù)測來制定和修正滾動銷售計劃；根據(jù)滾動銷售計劃并參考動態(tài)庫存約束、產(chǎn)能約束制定和修正滾動生產(chǎn)計劃。

　　基于需求預(yù)測和分銷計劃，制定企業(yè)中長期計劃的處理和匯總，并可以自動按照日歷周期均化；可以根據(jù)基于周/月的銷售狀況動態(tài)調(diào)整、優(yōu)化的滾動銷售計劃；滾動生產(chǎn)計劃的制定和修正可以實(shí)時參考庫存上下限的設(shè)定、出庫、在庫的動態(tài)情況和有限產(chǎn)能來模擬計算；滿足動態(tài)變化的計劃管理的需求，不論是長期的或短期的計劃都具有優(yōu)化，對比，可執(zhí)行性；生產(chǎn)與采購的統(tǒng)一協(xié)調(diào)、統(tǒng)一的計劃管理平臺；

　　五、高級動態(tài)排序
　　通過生產(chǎn)排程系統(tǒng)自動根據(jù)生產(chǎn)線各產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)能、優(yōu)先級、機(jī)臺清潔時間等，精確安排每天的順序計劃?？梢愿鶕?jù)訂單緊迫度、生產(chǎn)變更及物料準(zhǔn)備情況等因素影響實(shí)時進(jìn)行插單、減單生產(chǎn)。

　　生產(chǎn)排序可對開工時間、產(chǎn)量進(jìn)行修正，可以重新調(diào)整生產(chǎn)線，系統(tǒng)自動根據(jù)修正值重排生產(chǎn)計劃。支持超工廠日歷時間范圍排產(chǎn)，允許動態(tài)加班?？梢匀藱C(jī)交互可視化排產(chǎn)，支持多生產(chǎn)線同一界面排產(chǎn)。生產(chǎn)排產(chǎn)數(shù)據(jù)可反查需求來源?？紤].交付、生產(chǎn)、需求方面的不確定性因素。APS模型是在確定性模型中分別考慮交付中延期的隨機(jī)性、產(chǎn)出的隨機(jī)性和需求的隨機(jī)性。

　　六、面向產(chǎn)品恢復(fù)的流程工業(yè)
　　對逆向物流中的定量模型是可以分為三個領(lǐng)域：分銷計劃、庫存控制、生產(chǎn)計劃。
　　生產(chǎn)計劃主要是材料的再利用。再生與可再用的材料的價值之間的權(quán)衡。APS模型主要需要對所有可能的再生和回用的成本和加工時間進(jìn)行計算。

　　考慮逆向物流在隨機(jī)需求、回收、產(chǎn)出的情況下，利用仿真確保給定的服務(wù)水平所需的安全庫存水平。

　　七、流程工業(yè)的精益生產(chǎn)

　　由于生產(chǎn)過程資本敏感性或資源約束，流程工業(yè)的能力是固定的。盡管流程工業(yè)生產(chǎn)活動缺乏柔性，但是可以采用精益哲學(xué)，關(guān)注于非生產(chǎn)活動，如原材料移動和存儲，而很少是柔性生產(chǎn)活動，一般重點(diǎn)放在原材料和分銷管理上。由于機(jī)器不能停，就想辦法在其他方面應(yīng)用精益原則。比如限制問題點(diǎn)的數(shù)量，避免變異。找出瓶頸，根據(jù)庫存情況隨時調(diào)動勞動力避免僵化等等。改善物流活動，消除浪費(fèi)，如超額庫存、提前期過長、等待時間、額外運(yùn)輸?shù)然顒印?/span>

　　八、流程工業(yè)的數(shù)字化工廠
　　在石化、鋼鐵、冶金、建材、紡織、造紙、醫(yī)藥、食品等流程制造領(lǐng)域，企業(yè)發(fā)展智能制造的內(nèi)在動力在于產(chǎn)品品質(zhì)可控，側(cè)重從生產(chǎn)數(shù)字化建設(shè)起步，基于品控需求從產(chǎn)品末端控制向全流程控制轉(zhuǎn)變。
　　生產(chǎn)過程數(shù)字化，在生產(chǎn)制造、過程管理等單個環(huán)節(jié)信息化系統(tǒng)建設(shè)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建覆蓋全流程的動態(tài)透明可追溯體系，基于統(tǒng)一的可視化平臺實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品生產(chǎn)全過程跨部門協(xié)同控制。
　　生產(chǎn)管理一體化，搭建企業(yè)數(shù)字化一體系統(tǒng)，深化生產(chǎn)制造與運(yùn)營管理、采購銷售等核心業(yè)務(wù)系統(tǒng)集成，促進(jìn)企業(yè)內(nèi)部資源和信息的整合和共享。

　　供應(yīng)鏈協(xié)同化，基于原材料采購和配送需求，將數(shù)字化工廠拓展至供應(yīng)商和物流企業(yè)，橫向集成供應(yīng)商和物料配送協(xié)同資源和網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)外部原材料供應(yīng)和內(nèi)部生產(chǎn)配送的系統(tǒng)化、流程化，提高工廠內(nèi)外供應(yīng)鏈運(yùn)行效率。

　　九、智造制造時代的流程工業(yè)的轉(zhuǎn)型升級
　　流程工業(yè)企業(yè)的特點(diǎn)是管道式物料輸送，生產(chǎn)連續(xù)性強(qiáng)，流程比較規(guī)范，工藝柔性比較小，產(chǎn)品比較單一，原料比較穩(wěn)定。對于流程工業(yè)而言，由于原材料在整個物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程中進(jìn)行的是物理化學(xué)過程，難以實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，而工序的連續(xù)性使得上一個工序?qū)ο乱粋€工序的影響具有傳導(dǎo)作用，即如果第一道工序的原料不可用，就會影響第二道工序。
　　因此，流程工業(yè)智能工廠建設(shè)的重點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)工藝的智能優(yōu)化和生產(chǎn)全流程的智能優(yōu)化，即智能感知生產(chǎn)條件變化，自主決策系統(tǒng)控制指令，自動控制設(shè)備，在出現(xiàn)異常工況時，即時預(yù)測和進(jìn)行自愈控制，排除異常、實(shí)現(xiàn)安全優(yōu)化運(yùn)行；在此基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)APS高級優(yōu)化決策系統(tǒng)，再逐漸進(jìn)化到CPS高級智能系統(tǒng)，智能感知物流、能源流和信息流的狀況，自主學(xué)習(xí)和主動響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)自動決策。