0 引言
特殊鋼鐵的生產工藝比普通鋼鐵更加復雜，具有批量小、種類繁多、工序多、工藝路徑長、產品間可替代性小和交貨期嚴格等特點，增加了生產計劃與作業控制的難度。鋼鐵企業為了實現生產控制與經營管理的統一，將處于不同管理層級的ERP系統與MES系統進行集成，以解決滿足生產組織效率和滿足市場需求之間的矛盾。ERP面向企業整個運營資源，基于無限的產能，制定穩定生產環境下的宏觀生產計劃。MES面向車間的生產資源，通過生產計劃、生產調度、庫存管理、質量管理、設備管理和物料跟蹤等系統功能，實現微觀的生產過程管理，并向ERP系統及時地提供生產實際狀況信息。ERP與MES能夠基本實現普通鋼鐵生產計劃與控制的功能，但在處理特鋼多規格、多工序、多路徑的生產環境下合理均衡設備產能、控制生產節奏，以高效、快捷的生產組織方式來滿足客戶多樣的個性需求和多變的市場環境的問題，其缺乏必需的優化功能。
APS(Advanced Planning and Scheduling)技術以約束優化理論為核心，利用層次計劃思想把計劃任務分解成許多局部計劃模塊，逐層解決問題，具有處理復雜約束的優勢，為解決特鋼生產計劃與排程問題提供了途徑。APS彌補了ERP、MES在鋼鐵生產計劃與控制的優化功能。本文基于APS技術探討特鋼企業信息化的架構，通過各個系統的集成和協作全面實現企業按照客戶訂單組織生產，以及產銷一體化的生產經營策略。
1 信息化框架
1.1 信息化總體框架
在鋼鐵企業信息化建設過程中，ERP與過程控制系統擁有各自的功能范疇，之間獨立運行，缺乏信息的交互以及有機的聯系。MES作為信息交互的樞紐將上層計劃系統與底層過程控制系統集成為一體，同時彌補了中間生產執行的功能，于是出現了鋼鐵企業信息化三層結構模型：業務計劃系統層(BPS)、制造執行系統層(MES)和過程控制系統層(PCS)。
1)業務計劃系統通過對客戶、企業自身以及供應商的所有資源進行整合、統一規劃，實現物流、信息流和資金流在采購、生產、庫存、銷售、運輸和財務等生產經營環節的一致，并在此基礎上綜合考慮顧客需求、生產能力平衡以及利潤最大化等因素，制定長期和中期生產計劃。
2)制造執行系統實現生產活動執行過程的動態管理，其功能包括：生產作業計劃、生產調度、物料跟蹤、設備管理、質量管理、熱工具管理、工藝管理和庫存管理等。其中作業計劃考慮訂單交貨期、生產工藝、產能和庫存等因素，以負荷均衡、生產節奏協調一致為管理目標制定合理的生產計劃。生產調度利用跟蹤信息對生產過程中隨機出現的動態擾動進行處理，維持作業計劃的連續性和穩定性。
3)過程控制系統通過控制生產參數的穩定，實現對具體設備及生產過程的控制。來自不同供應商的過程控制系統之間缺乏完整的功能規劃和統一的數據結構，不具備面向整個生產過程的計劃與調度的功能。
以上三層體系結構將頂層的資源規劃、中層的制造執行管理與底層的過程控制進行集成，通過三層系統的協作完成企業生產活動的計劃與控制。但特殊鋼的生產工藝與普鋼大有不同，呈多工序、多路徑的特點，工藝路線長且復雜，如煉鋼部分有連鑄、模鑄和電渣重熔等多條路徑，之后有軋、鍛、拔等多種加工方式，最后還包括酸洗、退火、矯直、拋丸和磨光等處理工序。特鋼復雜的生產工藝，使得工序間物流緊密、節奏一致，產線間負荷及資源配置均衡十分困難，尤其是后部的加工精整與煉鋼部分的銜接難以顧暢。加上生產對象為多品種、多規格和小批量的訂單，生產組織與計劃時難以實現產能、物流的平衡以及對在制品庫存和交貨期的控制。因此生產計劃與調度成為特鋼提升企業生產經營管理水平的關鍵。在處理這種約束眾多、優化目標復雜的生產計劃時，依靠信息處理技術的ERP與MES的計劃系統暴露出了不足，需要將BPS層與MES層中的計劃功能獨立出來，由其他系統完成。高級計劃與調度系統APS的核心技術是約束優化技術，適用于解決特鋼企業復雜的生產計劃與調度問題。于是本文提出了特鋼企業信息系統4層體系結構，如圖1所示。
圖1 企業信息化層次架構
APS承擔了MES生產計劃與生產調度的功能，將問題進行層次分解，對不同層次的問題進行數學建模，選擇合適的求解方法進行優化計算，依次解決能力計劃、訂單計劃、生產計劃及生產調度的問題。MES通過對物料、設備、跟蹤、質量和工具等生產執行要素的跟蹤管理為APS計劃的制定與執行提供了基礎和保障。
1.2 APS與MES的集成框架
基于以上討論，特鋼企業生產計劃與控制的實現需要將APS與MES進行集成，集成框架如圖2所示。APS承擔特鋼生產管理中處關鍵地位且工作量較大的計劃與調度任務；MES則承擔著制造執行管理的其他功能，包括設備工具管理、質量的檢化驗、成品物流與發運等，輔助執行APS制定的生產計劃。
圖2 APS與MES集成架構
APS的功能模塊包括冶金規范子系統(FM)、能力計劃子系統(CR)、訂單計劃子系統(OP)、生產計劃子系統(BP)及生產調度子系統(PS)，其層次結構如圖3所示。上層計劃對下層計劃具有指導和支持作用，上層計劃的將執行實績進行反饋，對上層計劃進行調整。
圖3 APS層次結構
1.2.1 能力計劃子系統(CR)
能力計劃子系統以公司戰略規劃、市場需求分析預測為依據實現企業生產能力的規劃，為有限能力排產提供依據，并提供能力計劃實績跟蹤與分析功能。能力計劃屬于中長期計劃，按年，季/月編制，逐步細化精確，按月滾動，用于指導企業交貨期應答和有限能力計劃的編制。企業生產能力計劃通過以下四個模塊實現。
1)產品需求計劃模塊：在盈利能力預測方面，建立能夠綜合評價產品盈利能力的指標體系和評估模型，從而得出產品盈利能力排序方案；在市場需求預測方面，綜合考慮各產品系列在各區域市場的有效合同量、市場預期量、運費補貼、運力限制和新產品開發量等，制定各類產品針對不同區域市場的優化方案。
2)設備檢修計劃模塊：對定檢修計劃的管理以及合理性評估。對制定的設備檢修計劃，根據生產工序及工序產能，對于計劃的合理性進行評估。評估通過后，對檢修計劃進行記錄、管理和跟蹤。
3)工序產能計劃模塊：針對主要工序建立基于效益最大化的工序產能計劃，以最大化經濟效益和最大化產能利用率為目標，考慮產品盈利能力、產品工藝條件、設備檢修情況、設備產能和產出率等約束條件，以獲得每道工序的最優化品種規格產能分配方案，進而得到總的生產能力計劃方案。
4)能力平衡計劃編制模塊：根據產品需求計劃和工序產能計劃等共同制定的，用于指導企業生產和銷售的經營性計劃，是能力計劃的核心所在。能力平衡計劃基于產銷一體化的思想，綜合考慮企業效益、生產能力和市場需求，得到優化的能力平衡計劃方案。提供能力平衡圖、多角度what-if(如果...則...)的智能化分析等決策支持功能。
1.2.2 訂單計劃子系統(OP)
訂單計劃子系統對客戶訂單進行訂單評審、質量設計、坯料設計和有限能力排產，即將接收訂單分配到具體產線或車間，并根據有限產能排產結果實現制造交貨期應答。通過合理的訂單排程，達到均衡資源和產能、以及交貨期的控制，是特鋼企業生產計劃的核心。訂單計劃是生產作業計劃的前提和基礎，主要是對客戶訂單進行預處理，給出交貨期承諾，并為作業計劃的編制提供準確的生產訂單需求。企業訂單計劃由以下五個模塊實現。
1)訂單設計模塊：包括“生產訂單設計”和“工序訂單生成”兩類功能，即根據西鋼的冶金規范數據庫，對于錄入的生產訂單設計生產工藝路線、成品交貨要求、產品在各個階段的工藝控制和質量控制要點等；進一步對生產訂單進行生產設計，生成面向各個工序的工序訂單。
2)坯料替代/庫存匹配模塊(可選)：包括“中間產品工單的坯料替代”(可選)和“最終產品訂單的成品匹配”(可選)兩類。運用可用量承諾(ATP)模型，最大限度的利用在制品庫存對工單需求做出及時準確的反應，能夠有效縮短交貨提前期、降低在制品庫存/產成品庫存水平。
3)訂單排程模塊：運用可用能力承諾(CTP)模型，以工序產能計劃為約束，對工序訂單進行排程，編制有限能力計劃。訂單計劃屬于中短期計劃，按月編制，按周滾動。訂單計劃能夠很好地平衡工序間產能和物流，對于交貨期均勻分布、設備能力平衡、在制品庫存降低均具有重要意義。
4)交貨期應答模塊：綜合坯料替代/庫存匹配和訂單排程的結果，為接受的訂單提供更為現實、可行的交貨日期承諾，并通過坯料替代降低在制品庫存，通過訂單排程保證產品完工時間(計劃交貨期)在計劃周期內的均勻分布、均衡生產能力、且進一步降低生產庫存，從而提高西鋼的交貨水平和客戶滿意度。
5)訂單評審模塊：包括三階段的評審功能，同時提供智能化的人機交互界面，是與企業的決策者和生產科負責人就訂單計劃進行交互的主要模塊。在訂單計劃制定初期，對于設計后的生產訂單以及生成的工序訂單依據冶金規范進行審核和確認；在訂單計劃制定后期，即通過交貨期應答模塊確定可承諾交貨期后，對于訂單屬性及承諾的交貨期進行評審；在訂單計劃下發后，依據訂單跟蹤數據，對訂單的執行情況進行評價和預測。
1.2.3 生產計劃子系統(BP)
生產計劃子系統的功能是編制和管理批量計劃，即把待生產的多品種、小批量工序訂單按照生產的工藝路線、技術條件、設備的作業要求組織成生產批量，并對批量計劃進行評估、管理、以及跟蹤反饋，以平衡各工序生產節奏，均衡生產能力，從而降低在制品庫存。批量計劃為周計劃，是協調上游訂單計劃(月計劃)與下游作業調度計劃(日計劃)的緩沖區域。生產計劃由以下五個模塊實現。
1)坯料設計模塊：對由訂單計劃子系統下發的生產訂單以及各工序對應的工單進行坯料設計，在滿足工藝限制的前提下，將滿足能力匹配要求和準備安排生產的訂單集合轉化為生產成本最低的待生產坯料集合，為編制批量計劃提供優化的坯料集合，以簡化批量計劃的制定。
2)批量計劃編制模塊：把待生產的多品種、小批量工序訂單按照生產的工藝路線、技術條件、設備的作業要求組織成生產批量。煉鋼、連鑄、熱軋及其他后部工序每個階段分別有自己的加工單位和工藝約束。按照每個階段的工藝約束和優化目標分別制定煉鋼批量計劃、連鑄批量計劃、熱軋批量計劃以及其他后部工序的批量計劃，從而保證工序之間的物流平衡和前后工序的生產連續性，達到生產過程的全局優化。
3)批量調度模塊：將已經編制好的批量計劃排入到相應工序的可用時間段內，進行工序能力平衡，最終形成各工序未來一段時間的待生產批量計劃序列，并給出生產計劃甘特圖。批量計劃屬于短期計劃，按周編制，按日滾動。
4)批量計劃評價模塊：對編制及調整的批量計劃進行評價，同時提供智能化的人機交互界面，是與企業的決策者和生產科負責人就生產計劃進行交互的主要模塊。該模塊主要從產能利用率、庫存水平、連續澆鑄比率等方面對一段時間內的工序批量計劃進行預測和評估。
5)批量計劃調整模塊：對已編制的批量計劃進行調整，使其滿足企業生產的需要。批量計劃調整的情況主要有兩種：由于企業決策者對已編制的批量計劃存在不同需求時引發的調整；當生產實績與批量計劃出現偏差時引發的調整。批量計劃調整模塊根據上述兩種情況的不同特點對變化后的計劃迅速做出調整，并傳輸至批量計劃評價模塊重新評估，為決策者提供智能的決策支持。
1.2.4 生產調度子系統(PS)
生產調度主要包括煉鋼連鑄調度、加熱爐調度、軋制調度、后處理調度以及庫存作業優化等。鋼鐵生產調度問題是一個多階段、多機器、有多種工藝約束限制的多目標組合優化問題。生產調度的精度為天、實時，主要解決工件在生產單元內部的各個設備上的加工時間和加工順序問題，同時考慮生產單元之間的銜接問題。鋼鐵生產過程存在諸多不穩定因素，需要快速捕獲識別擾動并實時給出動態調度方案。生產調度包括以下幾個功能模塊。
1)煉鋼作業計劃模塊：編制煉鋼生產的作業計劃。煉鋼生產是鋼鐵生產的重要工序，包括煉鋼、精煉和連鑄三個階段，可以抽象為多階段、多作業和多并行機的混合流水車間調度問題(Hybrid Flow Shop Scheduling)。此外，煉鋼連鑄生產調度又具有特殊性，要求一定爐次范圍內必須連續澆鑄，且鋼水只允許在各工序問等待較短時間，這使得煉鋼調度更具復雜性。
2)加熱爐作業計劃模塊：編制加熱爐生產的作業計劃。加熱爐生產是銜接澆鑄和熱軋的關鍵工序，加熱爐作業計劃是根據軋制計劃確定的板坯軋制順序，在滿足生產工藝要求的情況下，為每塊板坯指派加熱爐、確定板坯在加熱爐上的加工順序、實際加工時間以及入爐時間，以提高直裝率，降低生產能耗。
(3)軋制作業計劃模塊：編制軋制生產的作業計劃。要求嚴格按照軋翩計劃指定的板坯順序對板坯進行加工，并根據加熱爐作業計劃的結果，確定板坯軋制的開始時間和結束時間。
(4)后處理作業計劃模塊：編制后處理生產的作業計劃。在滿足生產工藝約束和調度約束的前提下指定合理優化的后處理作業計劃，使得生產節奏平衡、降低中間庫存、減少生產流程時間。
1.2.5 冶金規范子系統(FM)
冶金規范也即工廠模型。鋼鐵產品具有工序過程復雜、品種規格繁多的特點，產品的工藝控制更是紛繁復雜，需建立特定工廠模型，來描述和管理這一復雜過程。工廠模型由產品規范、工藝規范、制造規范和排程規范等構成，表達了產品結構、工藝過程、產品制造規則及其排程約束規則等。工廠模型被應用于包括工藝設計、計劃排程和生產執行等在內的整個計劃管理過程之中。冶金規范子系統由以下四個模塊實現。
1)冶金規范管理：對企業的組織機構和產品的質量規范、生產工藝規范等基礎編碼進行維護管理。
2)質量規范管理：維護產品生產過程中的物理性能、化學成分、公差標準等規范數據。
3)工藝規范管理：根據產品所要求的工藝流程確定產品在生產過程中應經過的實際工序；即將邏輯工藝與實際工序之間建立對應關系。
4)主數據管理：對企業的各分廠、各車間、設備以及產品相關信息進行編碼，建立基礎數據。
2 APS數據流圖分析
以上對特鋼企業APS的功能結構及功能實現進行了描述，現用數據流圖為其建立業務過程模型，探討各功能模塊之間的信息交互關系。特鋼企業APS數據流程如圖4所示。
圖4 特鋼企業APS數據流程圖
1)冶金規范FM為其他四個模塊提供各種規范信息，包括：為需求與能力計劃模塊提供的能力規范，為合同計劃模塊提供的質量設計規范，為生產計劃模塊提供的材料設計規范；為生產調度與執行提供的冶金規范。同時該模塊維持生產銷售部合同科的合同管理系統與冶金規范的數據一致。
2)需求與能力RC的作用是對于整個系統的計劃期間的維護和某期間內各分廠的需求和能力信息的錄入與維護。能力計劃包括工廠產能計劃、機組產能計劃、機組檢修計劃等。需求與能力為合同計劃提供需求計劃、能力計劃，為生產訂單模塊和生產調度與執行模塊提供能力計劃，同時接收來自這些模塊的能力計劃的實績信息。
3)合同計劃OP是對于合同管理系統下發的合同信息進行管理的模塊，接收能力計劃和需求計劃，將合同進行排產，將完成排產的合同下發給生產計劃模塊同時將排產占用的產能實績返回給需求與能力計劃模塊。接收來自生產計劃模塊退回的生產訂單和生產訂單的生產實績。
4)生產計劃BP是對于經過OP排程后的生產訂單進行管理的模塊，從OP接收生產訂單，從RC接收能力計劃，根據FM提供的材料設計規范，對于生產訂單進行材料設計，之后根據PS模塊提供的庫存數據進行庫存替代，將替代后的坯料需求進行組批排序。將排序后的組批進行一體化的生產計劃排程，將排程結果下發給生產調度與執行模塊，同時接收來自PS的生產實績的反饋。
5)生產調度與執行PS是對于生產進行調度的模塊，采集產線和庫存的各個相關生產信息，對于生產計劃進行更加細分的調度，接收生產計劃，將生產實績返回給生產計劃模塊，為生產計劃提供庫存信息，接收生產計劃返回的庫存替代信息。向質量管理系統提交檢化驗的工單，接收檢化驗結果，以及同生產發運系統交換信息。
數據流程圖能夠體現APS如何通過各功能模塊之間的協作和數據交換實現在整個信息化體系中的生產計劃與調度的工程功能，為進一步的系統分析與設計提供了基礎。
3 結束語
特殊鋼鐵的生產不同于普通鋼鐵，呈現多品種、小批量、生產工藝復雜的特點，產品需要經過多道工序且路徑不唯一，這為特鋼的生產組織帶來了極大的困難，面對多變的市場環境，更加突顯出了產銷的矛盾。為了在生產中實現物流、產能的均衡以及訂單交貨的準時，需要更高級的生產計劃手段，而依賴于信息技術的ERP、MES無法勝任高級計劃排程的任務，現有的鋼鐵信息化體系結構出現了不足。APS基于約束優化技術，本文提出基于APS的特鋼企業信息系統4層體系結構，將原體系中的生產計劃與調度的功能提取出來由具有高級計劃排程能力的APS完成。在此基礎上，給出了APS與MES集成框架以及APS的功能機構，包括冶金規范子系統、能力計劃子系統、訂單計劃子系統、生產計劃子系統及生產調度子系統。在對APS各功能模塊進行詳細分析的基礎上，以數據流程圖對APS進行過程建模。
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