APS(Advanced Planning and Scheduling，高级计划和排产系统 ) 是一种用于生产和制造业的复杂计划和调度工具。APS 系统旨在优化生产过程、提高效率、减少浪费，并确保按时交付。它通过考虑各种约束和资源的可用性，为生产订单提供最优的排产计划。本文提到的基于人工智能的新一代高级计划排产 (APS) 系统 ( 图 1)，采用人工智能的算法策略设计对生产制造过程中的紧急插单、设备故障等问题提起预测，并及时调整排产计划，保障生产。同时，本文针对装备制造中最关键的冲压和钣金工艺进行试验验证，结果表明，采用基于人工智能的新一代高级计划排产系统能取得良好的效果。

图 1 基于人工智能的 APS 系统

系统设计

APS 是一种用于生产和制造业的复杂计划和调度工具。APS 分为两个层次，planning( 计划层 / 工单级 )和 scheduling( 调度层 / 工序级 )：计划层，从整个工厂的生产订单或整个企业的销售订单 (sales order) 开始，根据工厂或企业有限的资源进行排产 ( 工单级 )；调度层，计划层已排好的计划下发到单个车间，甚至单个产线，短周期细化排产，形成一个可操作的生产计划 ( 工序级 )。

图 2 高级计划排产 (APS) 系统的操作流程图

图 2 为 APS 软件操作流程图，下面为计划层／工单级与调度层／工序级排产的区别：

⑴工单级针对于长周期 (15 天～ 30 天 )，其主要目的是预测交期，确保供应及时；工序级针对于短周期，细化在相应工序，指导生产执行；

⑵工单级针对于多个车间和多个工作站的资源；工序级针对于单个工序对应的可用资源。

排程前需要输入的数据

⑴相关概念。

Projects( 项目 )：项目是由为了完成某一特定功能的一系列任务 (Tasks) 组成。一个典型的项目可以是生产订单／销售订单。项目通常具有到期日期或时间 ( 交期 )，项目还可以指要生产一定数量的物品，根据优化的 KPI ／目标来确定。

Worksflow( 工作流 )：工作流是为完成项目而需要执行的一组任务。任务可能与其他任务具有任何类型的时间相关性，称为链接 (Links)。在大多数情况下，项目中的模型任务按单个的前任和后继任务排列。在APS 软件中可以将相同的工作流程分配给多个相同的项目，但是每个项目也可以具有一个工作流程。

Task( 任务 )：任务定义单个流程步骤，有时称为操作。每个任务定义如何执行每个项目步骤，花费多少时间以及使用哪些资源。可以有几种方法来执行对资源有要求的任务 ( 模式 )。标志 (Flags) 描述调度程序如何选择模式。

Links( 链接 )：链接将任务连接到后续任务，APS 软件将自动派生以前的链接 ( 默认选项 )。每个链接都有其所需的时间同步类型，以及时间、班次或天数，预测的可能延迟。

Modes( 模式 )：任务模式是执行任务资源的替代选择，如发生设备故障导致部分设备停工后的备选计划 (Plan B)。每种模式均由以 0 开头的序列号标识，非必选项。

⑵资源。

资源可分为可重复利用资源 ( 如设备、模具、刀具、空间、工人、技术员等 ) 和不可重复利用资源 ( 如原材料、零部件、半成品、成品、外制品等 )，也可根据实际生产情况进行自定义，相同需求的资源也可分批定义。可重复利用资源具有一一对应的可用性日历，并位于特定位置 (如A操作人员 -早班 -A机床 )。 一些资源也可设置为“父级”，其下可包括多个可替换的“子级”，如切割设备 ( 父级 )- 亚威机床／萨瓦尼尼机床／村田机床 ( 子级 )，子级设备都可实现父级切割工序。

⑶日历 / 时间。

工作日历是资源在某些模式下可用时的时间间隔集 ( 例如星期几、早晚班、节假日等 )。除了标准日历外，仍需要定义特殊日历，特殊日历是指定义特定资源的时间间隔。如补货时间、换模时间、停机时间、加班时间、维护时间等，也可以对资源预留时间 ( 例如订单调整后进行重新排程计算的时间 ) 进行定义。位置和过渡时间：非必选项。在计划排产时，如果需要考虑到资源运输问题则需要填写。

当求解 KPI/ 目标函数为成本时，上述优化时间需要更换为成本，如员工加班时间更换为加班每小时多少钱。

⑷ KPI/ 目标。

KPI/ 目标：APS 其本质为在上述有限的资源下，对生产制造过程中的各种 KPI/ 目标函数进行优化。本软件支持的目标／ KPI 有 28 种，其中与生产制造最相关的如下。

最小化完工时间。完工时间 (Makespan) 是从第一个任务的开始到最后一个任务的结束之间的时间；

最小化迟到时间：迟到时间指将每个项目的所有迟到时间都添加到适当的时间之后，减去每个项目提前发生的分钟数；

最小化最大延迟：最大延迟是指所有项目中最差 ( 瓶颈 ) 项目的延迟；

最小交货时间；

最短循环时间：应用于滚动排程中；

最长交货时间：最小化最坏项目的交货时间；

吞吐量：最大程度地生产最终产品／某特定半产品；

吞吐率：按单位时间最大化最终产品 ( 或某特定半成品 ) 的产量；

Rsc 使用率：最小化资源使用率；

消耗的 Rsc：最小化资源消耗；

Min Rsc Idle：最小化资源的空闲／空转时间；

成本：最小化生产成本；

成本率：最小化每分钟的生产成本；

收入：最大化收入；

收益率：最大化每分钟收益。

排程的时候可以选择上述单一目标，也可以选择多个目标。多个目标实现排程时的方法采用加权平均数法 (combined) 和 Pareto 解法。高级计划排产 (APS)系统可以根据实际场景选好相应资源和所优化的目标后，再进行排程，排程基本操作如下：

1) 自动排程。

分为正向排程、逆向排程、滚动排程，这里重点介绍一下什么是滚动排程。

滚动排程：通常工厂会每隔一个周期排一次计划，但要求每个排程周期的计划需具有一定的稳定性和连续性。当系统重新排程时，需要考虑上个周期实际完成情况、上个周期未完成的计划以及本周期新的计划。通过对每个任务的状态控制实现计划锁定，计划调整以及新计划制定，而在每个排程周期内，当发生各种突发状况，如紧急插单、订单变更、设备故障等，可对计划作细微调整。

2) 固定自动调整。

优先级：根据实际的生产情况，优先对某些资源或工单进行排程生产，可设置提高其优先级。 固定自动调整：指的是根据实际生产情况，将某些订单计划固定在某一时间段的某些资源上 ( 如 A工单 -A 设备 -A 操作员 - 早班 )，其余的没有特殊要求的进行自动排程。

面对紧急插单的情况，可调整其优先级进行重新排程。面对订单调整等情况，经常采用该排程方法解决。

3) 手工优化调整。

对自动排程的结果不是很满意的，可在排程好的结果上进行手动调整。手动调整后，原来自动排程的资源部署需要重新优化，可采用软件自动优化。

应用探索

下面将以高端装备制造的冲压下料成形生产为例，进行相关性描述。

冲压生产是利用压力机和模具实现对板材、带材、管材和型材等施加外力，促成塑性变形或分离，从而获得所需形状、尺寸和性能的加工技术。板材、模具和压力设备是冲压加工的基本生产要素，而生产计划过程中，在人员、生产日历等情况下需要综合围绕冲压的基本三要素进行算法优化设计。以冲压生产环节为例，以生产成本为主要排产优化目标，构建高级计划排产 (APS) 系统的多目标控制因子，具体控制因子从材料、库存、产品、设备、人力等 5 个维度进行描述，如图 3 所示。排产算法的流程见图 4。

图 3 影响冲压排产的因子

图 4 排产算法的流程图

综合对比采用基于人工智能的新一代高级计划排产系统在冲压行业效果：

1) 解决实际生产过程中多规则多约束计划排程的问题，综合提高冲压企业有限资源，包括可再生资源 ( 设备，人员等 )，不可再生资源 ( 原材料等 ) 的利用率；

2) 使得产能在有限资源的情况下提高 10%；

3) 使得板材利用率提升 30%，同条件下 ( 保证订单及时交付的情况 ) 节约板材成本 23%。

在该数字化解决方案中，从上层 ERP 系统中接受销售订单后，通过 ERP 系统的 MRP 功能进行粗略地计划分解，进入 iMES 系统中。在考虑按期交货的情况下，以保证材料利用率为最高原则，将原本分解的生产计划选择某一时间段按生产物料的材料、厚度等信息进行合批处理，合批处理后的计划信息进入套料管理模块，筛选相对应的板材信息 ( 筛选条件如板材材质、厚度等 ) 和设备信息 ( 筛选条件如设备可用性、加工工艺等 ) 进行排样、排班。对不同套料排样结果进行对比，选择生产成本最低的排样方式 ( 生产成本最低不单单对应材料利用率最佳，同时要考虑到如刀具的损失 )。此时，形成新的生产准备计划，该生产准备计划是在初始生产计划的基础上完成了虚拟加工，为了保证后期分拣的高效有序进行，原生产订单号关联为新的生产准备计划的分批号。一旦设备准备进行加工，新的生产准备计划就可直接下发给相应设备和库存管理人员，完成一次真正的加工生产。

结束语

本文提到的一种基于人工智能的新一代 APS 系统，是一种基于工智能和机器学习的求解器和元启发式算法综合的满足多目标和多标准的高级计划排产系统。它不仅可以一次优化单个关键绩效指标 (KPI)，例如最小化完工时间，虽然设置很多或资源利用率不高，但可以将多个 KPI 组合在一起，生成 Pareto 最优计划并分析客观权衡。也可以一起选择许多目标，例如完工时间、截止日期满足、资源利用、消耗品使用、活动开关、周期时间。同时，可以并行处理多个项目排产，拥有数十种资源，以及数百甚至数千项活动因子，为生产排产提供最优的解决方案。

原文刊载于《锻造与冲压》2024年第10期 作者：赵旭东 张英杰 王源涛 杨兴城 龚亮华