智能制造背景下APS發(fā)展新重點(diǎn)

◎北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院數(shù)字化制造研究所 王愛民

APS（Advanced Planning Scheduling， 高 級 計(jì)劃排產(chǎn)）是智能制造核心工業(yè)軟件。隨著MES應(yīng)用越來越廣泛以及越來越深入，以及隨著企業(yè)對智能生產(chǎn)管理決策的需求愈發(fā)強(qiáng)烈，APS將成為企業(yè)進(jìn)行MES應(yīng)用擴(kuò)展和提升的重點(diǎn)，也是貫徹落實(shí)智能制造的重要抓手。APS是當(dāng)前我國提出的“智能+”戰(zhàn)略的重要落地方向之一，其以決策為特征的特點(diǎn)，將為制造企業(yè)車間或產(chǎn)線的有序、協(xié)調(diào)、可控和高效運(yùn)行提供有力的支持，必須引起足夠的重視。目前制造企業(yè)對于APS的需求已經(jīng)呈現(xiàn)出愈加迫切的態(tài)勢，從而也為APS的發(fā)展提供了良好的契機(jī)。本文從APS發(fā)展需求分析及其典型業(yè)務(wù)應(yīng)用場景入手，重點(diǎn)結(jié)合智能制造背景特點(diǎn)提出APS發(fā)展新重點(diǎn)，尤其是針對我國目前普遍建設(shè)實(shí)施的自動化生產(chǎn)線的現(xiàn)狀，提出基于APS的智能管控思路，力求能夠?yàn)槲覈圃鞓I(yè)智能制造核心工業(yè)軟件APS技術(shù)、架構(gòu)和應(yīng)用進(jìn)行更加明確的梳理，為推動智能制造和APS的良好發(fā)展提供支持。

一、APS發(fā)展需求分析

APS的內(nèi)涵在具體應(yīng)用上體現(xiàn)為兩個方面：計(jì)劃排產(chǎn)和動態(tài)調(diào)度。計(jì)劃排產(chǎn)偏重于靜態(tài)和總體的計(jì)劃制定，動態(tài)調(diào)度偏重于執(zhí)行過程的及時調(diào)整。不能響應(yīng)生產(chǎn)擾動的APS無法適應(yīng)動態(tài)的生產(chǎn)環(huán)境，只能說解決了企業(yè)部分需求而已，一般情況下，企業(yè)也不會用只能進(jìn)行靜態(tài)排產(chǎn)的APS。隨著智能制造相關(guān)需求和技術(shù)發(fā)展的雙向驅(qū)動，APS的發(fā)展需求也日益強(qiáng)烈。

（一）精益生產(chǎn)業(yè)務(wù)需求驅(qū)動

計(jì)劃是工廠和車間運(yùn)行的協(xié)調(diào)中樞，是實(shí)現(xiàn)各種業(yè)務(wù)協(xié)調(diào)運(yùn)行的牽引中樞，尤其是作業(yè)計(jì)劃是其中重點(diǎn)。如果沒有作業(yè)計(jì)劃，哪個訂單哪道工序什么時間在什么資源上需要什么樣的物料的邏輯聯(lián)調(diào)就難以建立，物料準(zhǔn)備和配送也就具有一定的盲目性，更遑論對物料采購延伸的牽引了，協(xié)調(diào)的精益性將大打折扣，當(dāng)作業(yè)計(jì)劃發(fā)生變化后，波浪式傳播下相關(guān)計(jì)劃和業(yè)務(wù)的及時有效的動態(tài)調(diào)整，也將無從談起。

（二）工業(yè)物聯(lián)/互聯(lián)技術(shù)驅(qū)動

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的逐步興起，高頻快速的數(shù)據(jù)采集也日益得到實(shí)施應(yīng)用，傳統(tǒng)的“以人托底”的MES運(yùn)行方式，也日益走向直接將指令下發(fā)到執(zhí)行資源之上的模式，數(shù)據(jù)狀態(tài)的反饋及時性和準(zhǔn)確性也有了很大提高，一方面是為APS提供了可行的基礎(chǔ)，另一方面也增加了APS的優(yōu)化空間，其重要性也越發(fā)增強(qiáng)，開始從“奢侈品”走向“必需品”。

二、APS典型業(yè)務(wù)應(yīng)用場景

APS的典型應(yīng)用場景體現(xiàn)在交貨期答復(fù)、確保交貨期以及快速響應(yīng)調(diào)整三個方面，是貫穿整個生產(chǎn)過程的綜合決策，如圖1所示。

（一）交貨期答復(fù)

客戶訂單必然帶有交貨期要求，快速有效的回答就是企業(yè)必須面對和解決的問題。利用APS進(jìn)行交貨期答復(fù)時，必須綜合考慮如下因素：

基于產(chǎn)線當(dāng)前快照狀態(tài)的排產(chǎn)，不能假定產(chǎn)線是空的；

如果客戶訂單優(yōu)先級較高，則屬于插入式而非追加式排產(chǎn)，會對當(dāng)前在制的交貨期產(chǎn)生影響的，如何保證影響最小或特定追求，是需要解決的問題；

如果為了滿足新訂單的交貨期，原先的任務(wù)是否要拿出去外協(xié)，外協(xié)決策如何做也是需要解決的問題；

一旦涉及到產(chǎn)能評估，就應(yīng)該想辦法提高資源利用率，分批優(yōu)化、單元化運(yùn)行等就是需要考慮的重點(diǎn)；

識別瓶頸設(shè)備并讓瓶頸設(shè)備加班，或者所有設(shè)備都加班，加班到什么程度，也是需要考慮的問題；

現(xiàn)有在制訂單可能相比新訂單優(yōu)先級更高，如何保證這個訂單的交貨期，也是需要解決的問題；

排產(chǎn)或能力評估應(yīng)滿足物料供應(yīng)的約束。

（二）確保交貨期

確保交貨期需綜合運(yùn)用多種手段，以滿足當(dāng)前大規(guī)模定制生產(chǎn)所要求的訂單碎片化、短交貨周期等要求，有如下措施可以采?。?/p>

圖1 APS典型應(yīng)用的三個層次

圖2 典型的生產(chǎn)擾動因素及其調(diào)整要求示意圖

通過對訂單、工序的合理分割，以及工序間接續(xù)方式的優(yōu)化設(shè)置縮短訂單的生產(chǎn)周期，提高訂單交貨期的遵守率；

通多對小批量訂單的組批生產(chǎn)，減少不必要的生產(chǎn)切換，實(shí)現(xiàn)交貨期與生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)批量的權(quán)衡優(yōu)化；

面向工序級配作、層次化關(guān)聯(lián)訂單、批處理環(huán)節(jié)組批等實(shí)際需求，支持齊套協(xié)同生產(chǎn)；

綜合考慮動態(tài)的物料供應(yīng)情況，實(shí)現(xiàn)作業(yè)計(jì)劃與物料計(jì)劃的聯(lián)動計(jì)劃制定。

（三）快速響應(yīng)調(diào)整

動態(tài)調(diào)度目標(biāo)是在實(shí)時掌握生產(chǎn)現(xiàn)場資源使用情況、已有作業(yè)計(jì)劃的執(zhí)行情況等基礎(chǔ)上，通過對作業(yè)計(jì)劃的動態(tài)調(diào)整使作業(yè)計(jì)劃與生產(chǎn)現(xiàn)場的實(shí)際制造執(zhí)行狀態(tài)保持一致，始終保證對現(xiàn)場的指導(dǎo)性。在這個過程中，需要響應(yīng)來自計(jì)劃任務(wù)、生產(chǎn)工藝、物料資源、生產(chǎn)執(zhí)行等層次的生產(chǎn)擾動，以實(shí)現(xiàn)快速的響應(yīng)調(diào)整。典型的生產(chǎn)擾動因素及其調(diào)整要求示意如圖2所示。

三、智能制造驅(qū)動的APS發(fā)展新重點(diǎn)

結(jié)合當(dāng)前智能制造需求和技術(shù)的發(fā)展，APS呈現(xiàn)出一些新的特點(diǎn)，有如下6個方面的發(fā)展重點(diǎn)值得思考。

1、智能制造大規(guī)模定制生產(chǎn)模式需求，決定了訂單碎片化的特點(diǎn)，提出了大規(guī)模復(fù)雜調(diào)度問題處理需求，進(jìn)而對優(yōu)化算法及智能性提出了更高的要求。

主要體現(xiàn)在兩個方面：

一是：大規(guī)模定制生產(chǎn)模式下，訂單呈現(xiàn)碎片化的特點(diǎn)。其原因主要是在大規(guī)模柔性定制生產(chǎn)需求下，訂單的種類日益增多，單個訂單的數(shù)量日益減少，大規(guī)?；炝髯鳂I(yè)控制將是制造企業(yè)運(yùn)行的常態(tài)。

二是：大規(guī)模定制生產(chǎn)模式下，排產(chǎn)調(diào)度約束豐富化特性日益凸顯。不僅是傳統(tǒng)的作業(yè)、機(jī)床的調(diào)度，需考慮物流、刀具、程序、夾具等多方面的約束的協(xié)調(diào)，這些資源的協(xié)同隨著車間生產(chǎn)分解活動的增加，將呈現(xiàn)更加驟密、頻繁的特點(diǎn)，也為作業(yè)排產(chǎn)提出了更高的要求。

2、智能制造對精益協(xié)同化的需求，提出了多計(jì)劃關(guān)聯(lián)協(xié)調(diào)處理——管控流程的有機(jī)聯(lián)動調(diào)整的需求，進(jìn)而也對優(yōu)化及其智能型提出了更高的要求。

主要體現(xiàn)在兩個方面：

一是：多計(jì)劃關(guān)聯(lián)的有機(jī)性。主要包括作業(yè)執(zhí)行計(jì)劃、物料準(zhǔn)備計(jì)劃、物料配送計(jì)劃、作業(yè)輔具計(jì)劃等，這些計(jì)劃都具有復(fù)雜的協(xié)同要求，從而對計(jì)劃的有序、協(xié)調(diào)控制提出了更高的要求。

二是：計(jì)劃協(xié)調(diào)的精細(xì)性。同樣由碎片化訂單牽引下，車間的生產(chǎn)協(xié)作活動越發(fā)頻繁，作業(yè)相關(guān)各項(xiàng)計(jì)劃的協(xié)調(diào)頻率，也將愈發(fā)精細(xì)，從粗放的天、小時逐步過渡到分鐘，從手工協(xié)調(diào)向自動化協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)變，從信息協(xié)調(diào)向自動執(zhí)行協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)變。

3、智能制造軟硬一體的控制實(shí)時化特點(diǎn)，提出了高頻快速實(shí)時響應(yīng)調(diào)整要求，從而對APS中的動態(tài)調(diào)度及服務(wù)化處理機(jī)制提出了更高的要求。

主要體現(xiàn)在兩個方面：

一是：設(shè)備狀態(tài)實(shí)時反饋不管從技術(shù)還是實(shí)際應(yīng)用上都可以實(shí)現(xiàn)并得到普遍運(yùn)用。在這種情況下，隨著設(shè)備聯(lián)網(wǎng)，資源狀態(tài)反饋將呈現(xiàn)實(shí)時性的特點(diǎn)，對APS提出了及時作出響應(yīng)的要求；

二是：執(zhí)行狀態(tài)實(shí)時反饋也日益成為常態(tài)。隨著MES向軟硬件一體化方向發(fā)展，跨越人而直接到設(shè)備的趨勢越來越明顯，執(zhí)行狀態(tài)將逐步由機(jī)器自動反饋，這種快速的反饋將更為精確和實(shí)時，對APS提出了實(shí)時動態(tài)響應(yīng)的要求。

4、智能制造對制造系統(tǒng)的柔性化快速重構(gòu)的需求，提出了高頻快速實(shí)時重構(gòu)調(diào)整需求，對APS提出了狀態(tài)驅(qū)動及反應(yīng)式調(diào)度的要求。

主要體現(xiàn)在兩個方面：

一是：產(chǎn)線/單元狀態(tài)驅(qū)動將成為常態(tài)，實(shí)現(xiàn)技術(shù)途徑也將不再成為問題。在這種情境下，將為APS提供巨大的狀態(tài)優(yōu)化調(diào)度空間，但同時也導(dǎo)致了APS技術(shù)復(fù)雜性的大幅提升，從而形成了狀態(tài)驅(qū)動的有序協(xié)調(diào)調(diào)度控制需求。

二是：重構(gòu)執(zhí)行一體化控制也將成為未來柔性自動線運(yùn)行的常態(tài)?；谌嵝宰詣泳€的離散化處理，在產(chǎn)線/單元構(gòu)成部件CPS的支持下，產(chǎn)線/單元動態(tài)運(yùn)行形態(tài)呈現(xiàn)重構(gòu)執(zhí)行一體化控制特點(diǎn)，為“軟件定義制造”提供了可能性，對反應(yīng)式APS（軟件）技術(shù)發(fā)展提出新要求。

5、高性能計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，推動APS發(fā)展呈現(xiàn)跨層次與跨車間特點(diǎn)。

企業(yè)或車間業(yè)務(wù)本身具有有機(jī)耦合集成的特點(diǎn)，傳統(tǒng)分層/分車間計(jì)劃模式的技術(shù)限制正在消失，推動APS向精細(xì)化作業(yè)級全局聯(lián)動調(diào)度方向發(fā)展。

分層計(jì)劃具有明顯的缺陷。目前主生產(chǎn)計(jì)劃、物料需求計(jì)劃、作業(yè)排產(chǎn)計(jì)劃的跨計(jì)劃協(xié)同調(diào)整性能差；裝配-加工的級聯(lián)協(xié)調(diào)、外購物料齊套的協(xié)調(diào)性差。這些都嚴(yán)重影響一體化集成計(jì)劃的執(zhí)行能力，很大程度而言，割裂了各級計(jì)劃之間的協(xié)調(diào)關(guān)系。

圖3 德國工業(yè)4.0關(guān)于自動化柔性線的管控思路

計(jì)算技術(shù)的發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)：傳統(tǒng)的分層計(jì)劃控制、分車間計(jì)劃控制的計(jì)算技術(shù)限制逐步消失，大企業(yè)應(yīng)建高性能計(jì)算中心，充分利用云計(jì)算、邊緣計(jì)算等技術(shù)，具備實(shí)現(xiàn)集成計(jì)劃的技術(shù)基礎(chǔ)。

全局精細(xì)聯(lián)動調(diào)度的需求日益迫切：從全局角度、從作業(yè)級精細(xì)角度、從跨車間角度、從綜合外購物料（最終或過程）-自制-裝配的多級/網(wǎng)狀關(guān)聯(lián)的物料精益匹配與協(xié)調(diào)的角度，實(shí)現(xiàn)全局精細(xì)聯(lián)動調(diào)度，將是未來的一種發(fā)展趨勢。

6、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)推動APS發(fā)展呈現(xiàn)“協(xié)同社會化”特點(diǎn)。

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)以及基于物聯(lián)網(wǎng)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，也得到了國家各級部門的重視和支持。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，車間或產(chǎn)線內(nèi)裝置以及產(chǎn)品（任務(wù)）均具有一定智能性，對APS的推動發(fā)展也是非常明確的。主要體現(xiàn)在兩個方面：

一是：對于具有智能特點(diǎn)的車間構(gòu)成，與之相適應(yīng)的APS必須充分利用智能產(chǎn)品（任務(wù)）/裝置的智能性優(yōu)勢，否則將同傳統(tǒng)的APS無異。傳統(tǒng)的APS屬于中央集控型的APS，而物聯(lián)網(wǎng)具有提升的分布智能性，這是兩種完全不同的形式。這方面的APS發(fā)展將呈現(xiàn)多智能體的特點(diǎn)，即MultiAgent，其運(yùn)行形式也將呈現(xiàn)出社會化協(xié)作的特點(diǎn)，可以參考人類歷史上的不同社會構(gòu)成形態(tài)及其運(yùn)行機(jī)制，并貫徹到APS中，也可以按照一種更加合理的方式構(gòu)建多智能體下APS的運(yùn)行模式。多智能體技術(shù)是自動化領(lǐng)域的一個重要技術(shù)方向，比如多智能體協(xié)同控制等，MA-APS的發(fā)展應(yīng)該進(jìn)行借鑒。

二是：基于物聯(lián)網(wǎng)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，乃至產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，將為APS提供一種新型的應(yīng)用場景，即非面向某個具體的產(chǎn)線、車間或工廠，而是面向廣域的多企業(yè)協(xié)同生產(chǎn)，或者產(chǎn)業(yè)鏈條的整體排產(chǎn)調(diào)度，在資源表達(dá)、能力表達(dá)、任務(wù)工藝表達(dá)等方面具有自身的特點(diǎn)，排產(chǎn)過程中物流因素將是一個重要考慮因素。

四、自動化柔性線智能APS發(fā)展思路

毫無疑問，自動化技術(shù)是智能制造發(fā)展的重要支撐技術(shù)之一。無可質(zhì)疑，很多企業(yè)將自動化線建設(shè)視為智能制造的重要抓手，并且涌現(xiàn)出了一些“黑燈生產(chǎn)”、“無人工廠”的示范案例。本質(zhì)上，或者大多數(shù)情況下，我們所說的自動線，更多的體現(xiàn)為物流周轉(zhuǎn)基礎(chǔ)上的聯(lián)動動作時序的協(xié)調(diào)，可以視之為一系列離散硬件裝置在特定動作序列約束下運(yùn)行的生產(chǎn)線。傳統(tǒng)的自動線是通過PLC梯形程序進(jìn)行控制，或者通過專門的工控軟件進(jìn)行控制，不僅控制正常的流程，也應(yīng)該具有一定程度的異常處理控制能力。

因此，本文結(jié)合目前很多企業(yè)在上馬自動化線或已經(jīng)建成自動化線的局面下，如何進(jìn)行智能化提升，也是必須面對的問題。本部分從兩個方面論述：一是德國工業(yè)4.0關(guān)于自動化柔性線的智能管控思路；二是融合APS的自動化柔性線智能提升步驟。

（一）德國工業(yè)4.0關(guān)于自動化柔性線的管控思路

圖3是德國工業(yè)4.0的典型資料圖片，其所表達(dá)的含義是生產(chǎn)線中所有的硬件單元都有對應(yīng)的軟件形式的服務(wù)，比如傳感器服務(wù)、控制服務(wù)、通訊服務(wù)、校驗(yàn)服務(wù)、信息服務(wù)等，整個CPS網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)就是一個服務(wù)連接網(wǎng)絡(luò)，具有“服務(wù)聯(lián)網(wǎng)”的概念，這些服務(wù)有層次并且能夠動態(tài)組合配置。所謂的智能管控，體現(xiàn)為硬件資源的離散化，通過服務(wù)化封裝，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)資源鏈條的重構(gòu)與控制，并可以進(jìn)一步的支持“軟件定義制造”理念的落地。

（二）融合APS的自動化柔性線智能提升步驟

德國工業(yè)4.0所宣傳自動化柔性線智能管控的核心是實(shí)現(xiàn)資源的柔性配置，而這種配置的手段就是面向智能制造的APS的重要發(fā)展方向。融合APS的自動化柔性線智能提升步驟如下所述。

提升自動線構(gòu)成要素裝置的CPS獨(dú)立控制能力：對于自動化產(chǎn)線而言，一般都是連續(xù)的沒有間斷的按照時序執(zhí)行動作。但這些動作時序的執(zhí)行，也是需要依靠一些構(gòu)成要素裝置的，比如閥、泵等，或者是各種集成的獨(dú)立裝置等。對這些要素按照能夠狀態(tài)反饋、指令執(zhí)行的方式，進(jìn)行改造和提升，為后續(xù)的智能化柔性控制提供支持。

支持任何構(gòu)成要素裝置的必要性聯(lián)動控制能力：這種聯(lián)動控制并不是限定自動化產(chǎn)線中某兩個裝置的固定時序，其核心目的是增加柔性，目標(biāo)是自動線上任何需要建立關(guān)聯(lián)的構(gòu)成要素裝置能夠?qū)崿F(xiàn)聯(lián)動控制。這方面的分析可以從產(chǎn)品的工藝流程角度入手，按照生產(chǎn)過程中各個構(gòu)成要素裝置時序關(guān)系進(jìn)行分析。

以產(chǎn)品性能保證為核心的工藝知識沉淀及物化能力：產(chǎn)線對產(chǎn)品性能保證的技術(shù)提升是無止境的，根據(jù)需要可以分析產(chǎn)品的性能指標(biāo)的保證機(jī)制，比如引入機(jī)器視覺、引入自適應(yīng)加工等，豐富自動線運(yùn)行的知識基礎(chǔ)上的智能化內(nèi)涵。

多產(chǎn)品混線生產(chǎn)的關(guān)聯(lián)控制與協(xié)調(diào)能力：只有當(dāng)自動線能夠支持多產(chǎn)品混線生產(chǎn)，自動線能夠提供柔性的關(guān)聯(lián)控制與協(xié)調(diào)能力，才能說這條線具有智能性。比如自動數(shù)控加工線，可以自動地獲取狀態(tài)并進(jìn)行分析，可以下發(fā)指令進(jìn)行硬件裝置的工作參數(shù)調(diào)整；比如自動數(shù)控加工線，根據(jù)需要為不同的硬件裝置傳遞不同的數(shù)控程序；比如不同產(chǎn)品的工藝流程不同，可以通過柔性的聯(lián)動控制，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)路徑的快速轉(zhuǎn)換，以及不同品種產(chǎn)品在自動線上的混流交叉生產(chǎn)。

基于APS的軟硬一體化控制的柔性控制：如果自動線只是生產(chǎn)一種產(chǎn)品，則所有的硬件要素裝置鎖定了某種動作指令序列而已。但如果自動線是多品種混線的，則動作指令序列將具有復(fù)雜的組合聯(lián)調(diào)配置要求。如果這種組合判斷比較簡單，可以通過PLC或工控軟件來實(shí)現(xiàn)。但如果這種組合判斷比較復(fù)雜，尤其是加入了智能化的分析、推理、決策等內(nèi)容，單純的狀態(tài)0-1式或閾值式判斷將無法滿足需求，需要引入復(fù)雜軟件系統(tǒng)的形式進(jìn)行控制，才能滿足需求。并且，這種復(fù)雜軟件控制系統(tǒng)，面對多產(chǎn)品混流生產(chǎn)的復(fù)雜過程，將是目前傳統(tǒng)的APS向軟硬一體化緊密關(guān)聯(lián)協(xié)調(diào)控制的重要轉(zhuǎn)變和發(fā)展方向。

結(jié)論

APS雖然作為智能制造的核心工業(yè)軟件具有重要的地位和作用，但目前不管是APS的產(chǎn)品選型還是APS的應(yīng)用都存在較大的局限和問題，已經(jīng)成為制約智能制造后續(xù)發(fā)展的重要瓶頸。本文對智能制造背景下APS內(nèi)涵與發(fā)展需求、典型業(yè)務(wù)應(yīng)用場景、發(fā)展新重點(diǎn)，以及自動化柔性線的發(fā)展思路等進(jìn)行了初步的分析和探索，以期能夠?qū)ξ覈鳤PS技術(shù)的發(fā)展提供借鑒參考。