進(jìn)入21世紀(jì)，技術(shù)迅猛發(fā)展，市場瞬息萬變，企業(yè)要想在激烈的市場競爭中立于不敗之地，就必須對客戶和市場的要求做出快速響應(yīng)。而企業(yè)要想通過先進(jìn)的生產(chǎn)運作和管理模式，按照市場的要求用低成本、高質(zhì)量、短交貨期的方法把產(chǎn)品交付到客戶手中，提高企業(yè)信息化程度是一個行之有效的方法。APS（Advanced Planning & Scheduling）和MES（Manufacturing Execution System）作為先進(jìn)的企業(yè)生產(chǎn)計劃管理模式和先進(jìn)執(zhí)行系統(tǒng)，正為越來越多的企業(yè)所接受。企業(yè)的主要活動是生產(chǎn)，生產(chǎn)管理是企業(yè)管理中最重要的部分，而生產(chǎn)管理的大部分工作最終要落實到。車間生產(chǎn)計劃和調(diào)度在企業(yè)生產(chǎn)管理中起著承上啟下的作用，合理的生產(chǎn)計劃和調(diào)度方法能夠加深企業(yè)對生產(chǎn)過程機(jī)制及關(guān)鍵數(shù)據(jù)的理解，提高企業(yè)的生產(chǎn)能力，進(jìn)而降低生產(chǎn)占用的庫存費用。因此，有必要通過對APS和MES的集成研究，加強(qiáng)對車間生產(chǎn)的管理和控制，使車間生產(chǎn)計劃和調(diào)度活動更加快速準(zhǔn)確。 1 APS和MES簡介 1.1 高級計劃與排程（APS） 高級計劃與排程系統(tǒng)是20世紀(jì)后50年發(fā)展起來的革命性管理技術(shù)。它是一種基于供應(yīng)鏈管理和約束理論的先進(jìn)計劃與排程工具，包含了大量的數(shù)學(xué)模型、優(yōu)化及模擬技術(shù)，其功能優(yōu)勢在于實時基于約束的重計劃與報警功能。在計劃與排程的過程中，APS將企業(yè)內(nèi)外的資源與能力約束都囊括在考慮范圍之內(nèi)，用復(fù)雜的智能化運算法則，做常駐內(nèi)存的計算。APS在提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益方面的潛能是巨大的，它能及時響應(yīng)客戶要求，快速同步計劃，提供精確的交貨日期，減少在制品與成品庫存，并發(fā)考慮供應(yīng)鏈的所有約束，自動識別潛在瓶頸，提高資源利用率，從而改善企業(yè)的整體生產(chǎn)管理水平。 如圖1的APS計劃層次模型所示，APS覆蓋了供應(yīng)鏈管理戰(zhàn)略層、戰(zhàn)術(shù)層、操作層3個計劃層次。其中戰(zhàn)略層包括供應(yīng)鏈戰(zhàn)略、供應(yīng)鏈計劃；戰(zhàn)術(shù)層包括需求計劃與預(yù)測、制造計劃、操作計劃、分銷計劃；操作層包括可承諾能力CTP（Capable to Promise）、車間作業(yè)排產(chǎn)、運輸計劃、承諾可供貨量ATP（Available to Promise）。 對于車間內(nèi)短期的生產(chǎn)計劃制訂，如安排一臺機(jī)器上的多種產(chǎn)品的生產(chǎn)次序等，APS常用約束規(guī)劃CP（Constraint Programming）來解決。CP將存在的每一個資源約束表示為一個變量，然后用約束變量之間的邏輯關(guān)系找到滿足所有約束的解決方案。APS根據(jù)大量精確數(shù)據(jù)的輸入，對工作流程進(jìn)行模擬，并提供實時監(jiān)控功能。APS可將模擬的排程結(jié)果以甘特圖的形式輸出到可視化的計劃板上，根據(jù)既定規(guī)則進(jìn)行拖放式調(diào)整，以求達(dá)到最優(yōu)化。 1.2 制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES） 制造執(zhí)行系統(tǒng)是美國管理界20世紀(jì)90年代提出的新概念。MES是處于計劃層和車間層操作控制系統(tǒng)之間的執(zhí)行層，在整個企業(yè)信息系統(tǒng)中起著承上啟下的重要作用。MES對生產(chǎn)過程進(jìn)行實時監(jiān)視、診斷和控制，完成生產(chǎn)單元整合和系統(tǒng)優(yōu)化，在生產(chǎn)過程層進(jìn)行物料平衡、制訂生產(chǎn)計劃、實時排程、優(yōu)化調(diào)度，進(jìn)而對生產(chǎn)過程物料、能量、質(zhì)量、設(shè)備、資金，甚至人力資源統(tǒng)一進(jìn)行監(jiān)測、分析、控制和優(yōu)化，實現(xiàn)了從訂單下達(dá)到產(chǎn)品完成整個生產(chǎn)過程的優(yōu)化管理。當(dāng)工廠里面有實時事件發(fā)生時，MES能對此及時做出反應(yīng)、報告，并用當(dāng)前的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)對它們進(jìn)行指導(dǎo)和處理。這種對狀態(tài)變化的迅速響應(yīng)使得MES能夠減少企業(yè)內(nèi)部沒有附加值的活動，有效地指導(dǎo)工廠的生產(chǎn)運作過程，從而使其既能提高工廠及時交貨能力、改善物料的流通性能，又能提高生產(chǎn)回報率。 MESA給出了MES的11個主要的功能模塊，其一般功能模型如圖2所示，而在實際MES系統(tǒng)產(chǎn)品可能只包含其中一個或幾個功能模塊。 同時，MESA也定義了當(dāng)前MES系統(tǒng)的技術(shù)模型，如圖3所示。 與APS相比，MES是一個提供很多功能模塊的整個解決方案，但是從優(yōu)化的角度看，MES達(dá)不到APS提供的優(yōu)化功能的水平。因此，將APS與MES集成更適合于復(fù)雜的實時性要求較強(qiáng)的車間生產(chǎn)計劃和調(diào)度活動。 2 現(xiàn)行車間生產(chǎn)計劃和調(diào)度方法分析 作為產(chǎn)品加工的具體執(zhí)行部門，車間生產(chǎn)管理涉及到產(chǎn)品生產(chǎn)過程的方方面面，如：生產(chǎn)過程監(jiān)控、生產(chǎn)調(diào)度、現(xiàn)場設(shè)備管理、人員安排、消耗統(tǒng)計、工時統(tǒng)計、動態(tài)成本核算、物料管理、在制品管理以及產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理，等等。一個典型的制造車間生產(chǎn)活動模型如圖4所示。其主要工作流程是：首先將接收到的主生產(chǎn)計劃進(jìn)行任務(wù)分解，然后根據(jù)一定的規(guī)則，確定各子任務(wù)的加工設(shè)備，而任務(wù)單的開工時間則根據(jù)定單下達(dá)日期、任務(wù)單計劃入庫日期、相關(guān)的工藝信息以及各加工單元的當(dāng)前加工計劃來統(tǒng)一決定。在編制出理論計劃以后，就形成了對各加工單元的負(fù)荷。接著，要在各加工設(shè)備上進(jìn)行加工能力與工作負(fù)荷的平衡，制訂派工計劃和相關(guān)物料準(zhǔn)備計劃等。同時，根據(jù)物料、工裝等條件及各加工單元的反饋信息，制訂出正式作業(yè)計劃，并開始派工。計劃下達(dá)后，在實際生產(chǎn)過程中，還要不斷根據(jù)各個參數(shù)的變化，進(jìn)行實時的調(diào)度，確保主生產(chǎn)計劃的順利實現(xiàn)。 現(xiàn)行的傳統(tǒng)生產(chǎn)管理系統(tǒng)中，生產(chǎn)決策層與車間執(zhí)行層，計劃層、調(diào)度層與控制層是獨立分開的，信息采集大多只能通過人工錄入的方式進(jìn)行，車間生產(chǎn)信息的反饋周期較長。造成在生產(chǎn)調(diào)度與控制過程中缺乏必要的現(xiàn)場信息，不能及時根據(jù)實際生產(chǎn)情況的變化進(jìn)行重新調(diào)度，更談不上實時修訂生產(chǎn)計劃了。并且當(dāng)實際生產(chǎn)情況無法實現(xiàn)原有生產(chǎn)計劃時，傳統(tǒng)的生產(chǎn)管理系統(tǒng)也往往不能及時發(fā)現(xiàn)這些問題并加以解決，最終導(dǎo)致企業(yè)產(chǎn)品的交貨期延誤。 3 基于APS和MES集成的車間生產(chǎn)計劃和調(diào)度 通過前面兩部分的闡述可以發(fā)現(xiàn)，在比較復(fù)雜的車間生產(chǎn)活動中，MES系統(tǒng)中的詳細(xì)生產(chǎn)計劃和生產(chǎn)調(diào)度模塊的功能有限，而且不能根據(jù)實際生產(chǎn)情況的變化進(jìn)行重新調(diào)度。我們以企業(yè)的ERP系統(tǒng)作為信息基礎(chǔ)，采用APS和MES集成的方法，由MES提供實時的車間生產(chǎn)進(jìn)度、在制品信息和現(xiàn)場設(shè)備運行狀況等，然后利用APS的先進(jìn)優(yōu)化算法，可以初步解決現(xiàn)行車間生產(chǎn)計劃和調(diào)度的優(yōu)化問題。 3.1 APS和MES集成的體系結(jié)構(gòu)分析 現(xiàn)代制造企業(yè)中，ERP已經(jīng)成為必備的業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)平臺，無論是APS，還是MES，都需要與ERP系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互和信息共享，獲得系統(tǒng)自身運行必需的相關(guān)數(shù)據(jù)。當(dāng)將APS和MES集成時，也必須將ERP系統(tǒng)考慮在內(nèi)，也就是將ERP、APS、MES三個系統(tǒng)進(jìn)行集成，這其中不可避免地出現(xiàn)交叉和重疊的現(xiàn)象。因此基于ERP的APS與MES集成系統(tǒng)的框架確定，主要考慮企業(yè)的產(chǎn)品、生產(chǎn)模式、計劃模式、已有系統(tǒng)與新構(gòu)建系統(tǒng)的差異等情況。 目前，國內(nèi)外已經(jīng)有學(xué)者提出了APS、MES與ERP集成的框架，但是現(xiàn)有的集成框架結(jié)構(gòu)仍以供應(yīng)鏈管理平臺為界面，其中APS的應(yīng)用偏重于供應(yīng)鏈計劃的管理，主要面向物料復(fù)雜、外協(xié)外購較多的企業(yè)生產(chǎn)環(huán)境。本文在前人研究的基礎(chǔ)之上，提出了如圖5所示的針對車間生產(chǎn)計劃與調(diào)度的系統(tǒng)集成框架。該框架以APS、MES和ERP的閉環(huán)系統(tǒng)集成為核心，解決了企業(yè)內(nèi)部車間生產(chǎn)計劃和調(diào)度的優(yōu)化問題。 3.2 APS和MES集成的車間生產(chǎn)計劃和調(diào)度的功能模型分析 上節(jié)中提出的系統(tǒng)集成框架主要解決的是各個系統(tǒng)的定位和接口問題，但是各個系統(tǒng)的計劃模塊如何交互，范圍和功能如何重新劃分，需要進(jìn)一步的分析。 本文給出的集成系統(tǒng)，其功能模塊首先包括了APS系統(tǒng)中的需求計劃、全球ATP；ERP系統(tǒng)中的BOM、主生產(chǎn)計劃、MRP；MES系統(tǒng)中的生產(chǎn)排程、分派等。而那些各個系統(tǒng)交叉或重疊的功能模塊，優(yōu)化工具選取APS的原有功能模塊，實體功能選取ERP和MES的原有功能模塊。其中主生產(chǎn)計劃、MRP和生產(chǎn)排程構(gòu)成了企業(yè)生產(chǎn)計劃系統(tǒng)的主體，其中又以MRP和生產(chǎn)排程模塊對車間生產(chǎn)計劃和調(diào)度方法起決定作用。在集成后的系統(tǒng)中，對于這兩部分的算法根據(jù)車間生產(chǎn)活動的特點做了修正。如圖6所示。 3.3 APS和MES系統(tǒng)集成的實現(xiàn)方法 APS和MES系統(tǒng)集成的實現(xiàn)過程中，我們采用了對象管理組織（Object Management Group,OMG）提出的“公共對象請求代理結(jié)構(gòu)”（Common Object Request Broker Architecture,CORBA）。CORBA提供了一種讓對象與本地或網(wǎng)上的其他對象透明請求服務(wù)與接收信息的機(jī)制。ORB作為它的核心，在分布異構(gòu)環(huán)境中的不同應(yīng)用之間提供互操作性并實現(xiàn)多個對象系統(tǒng)之間的無縫連接。此外，CORBA還提供獨立于編程語言的接口定義語言（Interface Definition Langurage,IDL）來描述對象和操作，從而使遠(yuǎn)程分布應(yīng)用可以通過ORB請求這些對象上的操作服務(wù)。 應(yīng)用CORBA架構(gòu)實現(xiàn)APS和MES系統(tǒng)的集成，整個體系結(jié)構(gòu)由信息資源層、訪問接口層、請求服務(wù)代理層、對象通信服務(wù)層和網(wǎng)絡(luò)傳輸層5部分組成。其集成的層次體系結(jié)構(gòu)如圖7所示。 編碼實現(xiàn)系統(tǒng)集成時，首先確定應(yīng)用對象及相關(guān)功能代理的主要內(nèi)容；然后根據(jù)具體的應(yīng)用系統(tǒng)（APS、MES或者ERP）實現(xiàn)其封裝，從中抽取需要的服務(wù)；最后形成了一系列功能代理，實現(xiàn)了基于APS與MES 集成的車間生產(chǎn)計劃與調(diào)度的所有功能。 4 結(jié)語 隨著國內(nèi)外市場競爭日漸激烈，制造企業(yè)受到了前所未有的挑戰(zhàn)。為快速適應(yīng)內(nèi)、外部環(huán)境的快速變化，利用APS和MES等先進(jìn)的企業(yè)生產(chǎn)管理模式和先進(jìn)信息系統(tǒng)，充分利用企業(yè)的制造資源，優(yōu)化企業(yè)車間生產(chǎn)的計劃和調(diào)度算法，通過改變企業(yè)傳統(tǒng)的生產(chǎn)模式來提高生產(chǎn)率，進(jìn)而快速響應(yīng)市場需求，是提高企業(yè)競爭力的重要手段之一。 實踐證明，在企業(yè)異構(gòu)分布環(huán)境下，對于APS、MES、ERP這樣復(fù)雜的企業(yè)系統(tǒng)，采用CORBA對已有系統(tǒng)進(jìn)行重構(gòu)和集成是有效的，也是可行的。