基于UML的鋼鐵企業(yè)APS生產(chǎn)能力計劃系統(tǒng)建模

張春生 彭加霖 柏亮

［摘要］ 鋼鐵企業(yè)ＡＰＳ生產(chǎn)能力計劃系統(tǒng)是實現(xiàn)產(chǎn)銷一體化需求的重要途徑。本文對生產(chǎn)能力計劃系統(tǒng)的需求進行分析，同時考慮產(chǎn)能、庫存、市場等約束條件建立數(shù)學(xué)模型。在此基礎(chǔ)上，分析了系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)和功能需求，并利用統(tǒng)一建模語言（ＵＭＬ）對系統(tǒng)的用例模型、靜態(tài)模型和動態(tài)模型進行了詳細的分析和設(shè)計。

［關(guān)鍵詞］ 鋼鐵企業(yè)；APS；生產(chǎn)能力計劃；UML；產(chǎn)銷一體化

doi : 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2012 . 20. 028

［中圖分類號］F273；TP315［文獻標(biāo)識碼］A［文章編號］1673 - 0194（2012）20- 0046- 05

０引言

鋼鐵生產(chǎn)具有在生產(chǎn)組織上成批加工、物流上離散與連續(xù)相混合、產(chǎn)品構(gòu)成上呈分解形式等特點，難于適應(yīng)快速的市場變化，尤其隨著客戶對產(chǎn)品多樣化、準(zhǔn)時化要求的提高，越來越凸顯出了生產(chǎn)組織與客戶需求之間的矛盾。這些矛盾主要體現(xiàn)為：銷售部門從銷售額和市場占有角度出發(fā)制訂銷售計劃，為配合銷售計劃生產(chǎn)中往往產(chǎn)能分配不均，不能充分利用產(chǎn)能優(yōu)勢，輔助設(shè)備更換頻繁造成生產(chǎn)成本增加；客戶交貨期無法準(zhǔn)確應(yīng)答，產(chǎn)品交貨常出現(xiàn)拖期和提前的情況，企業(yè)靠增加中間產(chǎn)品庫存來緩解這一問題。

為了解決產(chǎn)銷銜接的問題，鋼鐵企業(yè)試圖利用信息技術(shù)在數(shù)據(jù)處理及優(yōu)化計算上的優(yōu)勢，建立了不同層級的信息系統(tǒng)以制訂合理的鋼鐵生產(chǎn)經(jīng)營計劃。ＥＲＰ系統(tǒng)應(yīng)用ＭＲＰ（Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ Ｐｌａｎｎｉｎｇ）和ＭＰＳ（Ｍａｓｔｅｒ Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ Ｓｃｈｅｄｕｌｉｎｇ）計算物料需求，生成生產(chǎn)計劃，但存在無法獲取并跟蹤生產(chǎn)實績信息等缺點；ＭＥＳ系統(tǒng)通過生產(chǎn)計劃、生產(chǎn)調(diào)度、庫存管理、質(zhì)量管理、設(shè)備管理、物料跟蹤等系統(tǒng)功能，對產(chǎn)品訂單、質(zhì)量、設(shè)備、資源等進行全面的動態(tài)管理。文獻［１］在對ＥＲＰ與ＭＥＳ銜接問題進行分析的基礎(chǔ)上，提出了鋼鐵企業(yè)產(chǎn)銷一體化的系統(tǒng)框架。

隨著ＡＰＳ（Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｐｌａｎｎｉｎｇ ａｎｄ Ｓｃｈｅｄｕｌｉｎｇ）技術(shù)的日漸成熟，其受到鋼鐵企業(yè)越來越多的關(guān)注［２-３］。鋼鐵企業(yè)ＡＰＳ基于約束優(yōu)化理論，同時考慮市場、產(chǎn)能、庫存、資源、工藝等諸多因素，構(gòu)建層次性計劃體系，逐層解決產(chǎn)銷一體化要求下的計劃問題。ＡＰＳ彌補了ＥＲＰ編制動態(tài)環(huán)境下生產(chǎn)計劃的缺陷，且實現(xiàn)了ＭＥＳ在計劃與排程的優(yōu)化功能［４-５］。鋼鐵企業(yè)ＡＰＳ包括４個層次的計劃，分別為：能力計劃、訂單計劃、批量計劃、生產(chǎn)調(diào)度［６-７］。其中能力計劃在綜合考慮市場需求、產(chǎn)品的盈利系數(shù)、企業(yè)生產(chǎn)能力、市場飽和度、運力限制等因素的基礎(chǔ)上，根據(jù)合理的優(yōu)化模型制訂出能夠統(tǒng)籌配置生產(chǎn)資源和生產(chǎn)時間、實現(xiàn)產(chǎn)銷平衡的計劃，用于指導(dǎo)生產(chǎn)計劃和銷售計劃，從而在保證合同滿足率和設(shè)備利用率較高的情況下使企業(yè)效益最大。由此可知生產(chǎn)能力計劃是實現(xiàn)鋼鐵企業(yè)產(chǎn)銷一體化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

本文以實際工程項目為背景，針對鋼鐵企業(yè)基于“產(chǎn)銷一體化”策略的生產(chǎn)能力計劃管理的實際需求，建立數(shù)學(xué)模型以及ＵＭＬ系統(tǒng)模型，從而輔助決策人員合理地指導(dǎo)生產(chǎn)和銷售過程，提升企業(yè)的經(jīng)營管理水平。

１需求分析

鋼鐵企業(yè)的生產(chǎn)能力計劃屬于中長期計劃，通過合理配置生產(chǎn)過程中的共享資源，確定計劃期內(nèi)擬生產(chǎn)的產(chǎn)品以及工藝路徑和產(chǎn)量，同時明確最終產(chǎn)品的銷售市場和銷量，在此基礎(chǔ)上指導(dǎo)生產(chǎn)計劃和銷售計劃的制訂。在產(chǎn)銷一體化的經(jīng)營策略指導(dǎo)下，生產(chǎn)能力計劃不單純地依據(jù)企業(yè)的銷售合同或生產(chǎn)能力，而是綜合考慮產(chǎn)銷關(guān)系，實現(xiàn)企業(yè)效益最大化，因此，系統(tǒng)必須擁有優(yōu)秀的智能優(yōu)化算法來確保計算結(jié)果的精確性和計算速度的快速性，且良好的人機交互界面是決策人員進行決策和評價的重要保證。基于這種設(shè)計思路，產(chǎn)銷一體化策略下的生產(chǎn)能力計劃系統(tǒng)需要以下６個功能模塊。

1.1 盈利能力預(yù)測

根據(jù)產(chǎn)品的生產(chǎn)和銷售歷史數(shù)據(jù)，建立能夠綜合評價產(chǎn)品盈利能力的指標(biāo)體系，給出細分到各區(qū)域市場的產(chǎn)品盈利系數(shù)，得出產(chǎn)品盈利能力方案。為追求長期效益，需同時考慮特殊產(chǎn)品和特殊客戶等因素，以便制訂出更能符合長期戰(zhàn)略規(guī)劃的盈利能力方案。

1.2 生產(chǎn)能力計劃生成

根據(jù)決策人員的策略需要，自動編制生產(chǎn)能力計劃的核心子系統(tǒng)。鋼鐵企業(yè)實行產(chǎn)銷一體化管理模式的核心是在生產(chǎn)和銷售過程中合理有效地分配資源，追求效益的最大化。在鋼鐵生產(chǎn)中，設(shè)備產(chǎn)能和資源總量是限定的，且存在資源流向多對多的關(guān)系。因此，如何根據(jù)銷售需求和產(chǎn)能工藝限制合理組織生產(chǎn)，選擇產(chǎn)品的最佳工藝路線和銷售市場，這是生產(chǎn)能力計劃生成子系統(tǒng)所要解決的關(guān)鍵問題。

1.3 生產(chǎn)能力計劃評價與跟蹤

實現(xiàn)與決策人員直接交互并輔助決策的核心子系統(tǒng)，主要包括以下功能：①對于制訂的生產(chǎn)能力計劃，自動生成生產(chǎn)資源分配平衡圖，直觀展示資源在各個生產(chǎn)線的分配流向關(guān)系；②提供生產(chǎn)能力計劃的對比分析模型，從宏觀和微觀角度對生產(chǎn)能力計劃進行分析評價；③為進一步滿足具體需求，決策人員可通過該子系統(tǒng)的人機交互界面直接對計劃進行調(diào)整；④實時跟蹤下發(fā)計劃的執(zhí)行情況，識別擾動的非效益因素和人為干擾因素，并采取相應(yīng)措施。

1.4 生產(chǎn)計劃管理

當(dāng)生產(chǎn)能力計劃確認(rèn)下發(fā)之后，系統(tǒng)自動生成生產(chǎn)計劃，以指導(dǎo)生產(chǎn)部門有序地組織生產(chǎn)。同時，在生產(chǎn)計劃的執(zhí)行過程中，通過將實際生產(chǎn)情況實時反饋并加以分析，識別出瓶頸工序，進而對生產(chǎn)情況做出實時調(diào)整。

1.5 銷售計劃管理

根據(jù)市場需求，基于生產(chǎn)能力計劃編制當(dāng)期銷售計劃，并指導(dǎo)銷售人員挖掘潛在的客戶群體。在計劃執(zhí)行過程中，及時反饋銷售情況，并根據(jù)運輸成本、客戶群體、人為干預(yù)等影響因素的波動，對銷售計劃進行調(diào)整，以響應(yīng)市場的實時變化。

1.6 業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)接口

用于維護數(shù)據(jù)編碼與企業(yè)其他業(yè)務(wù)系統(tǒng)之間的一致性，并從生產(chǎn)系統(tǒng)、銷售系統(tǒng)、采購系統(tǒng)、財務(wù)系統(tǒng)等ＥＲＰ級系統(tǒng)獲取生產(chǎn)和銷售實績數(shù)據(jù)，實現(xiàn)企業(yè)內(nèi)部信息的共享。

２數(shù)學(xué)模型

３系統(tǒng)建模

３．１ 用例模型

在了解了系統(tǒng)的功能之后，需要獲取用例來建立系統(tǒng)的需求模型，并以此來驅(qū)動系統(tǒng)的整個開發(fā)過程。ＵＭＬ用例圖從用戶的角度出發(fā)描述系統(tǒng)的功能和需求，展示系統(tǒng)外部的各類角色與系統(tǒng)內(nèi)部的各用例之間的關(guān)系，可以很好地描述系統(tǒng)的需求模型［８］。由于生產(chǎn)能力計劃系統(tǒng)是處于企業(yè)級ＥＲＰ系統(tǒng)與ＭＥＳ之間的是在以往的生產(chǎn)和銷售歷史數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過合理的預(yù)測得到生產(chǎn)能力計劃來輔助決策人員指導(dǎo)生產(chǎn)和銷售。因此，系統(tǒng)的邊界、輸入和輸出以及主要參與者就明確了。通過進一步識別，可得系統(tǒng)的用例角色主要有４種：ＥＲＰ財務(wù)子系統(tǒng)、ＥＲＰ銷售子系統(tǒng)、冶金規(guī)范系統(tǒng)和決策人員。系統(tǒng)用例圖如圖１所示，其中：

（1）ＥＲＰ財務(wù)子系統(tǒng)的主要責(zé)任是依據(jù)盈利系數(shù)評估模型，并結(jié)合生產(chǎn)和銷售歷史數(shù)據(jù)，得到各個銷售產(chǎn)品的盈利能力預(yù)測方案；

（2）ＥＲＰ銷售子系統(tǒng)主要負責(zé)將各個產(chǎn)品的有效需求量、市場容量及運輸能力錄入系統(tǒng)，有條不紊地執(zhí)行銷售計劃，并將銷售歷史數(shù)據(jù)實時反饋；

（3）冶金規(guī)范系統(tǒng)主要責(zé)任是根據(jù)設(shè)備的產(chǎn)能約束及故障狀況制訂出詳細的生產(chǎn)能力約束方案，并按計劃有效地分配資源和組織生產(chǎn)；

（4）決策人員是系統(tǒng)的主要用戶，在其他用戶的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備工作完成之后，決策人員根據(jù)相應(yīng)的策略算法得出關(guān)于生產(chǎn)和銷售的生產(chǎn)能力計劃，然后導(dǎo)出生產(chǎn)計劃和銷售計劃下達給生產(chǎn)部和銷售部，并實時跟蹤計劃的執(zhí)行過程，反饋實際結(jié)果并進行綜合評價。

３．２ 靜態(tài)模型

在靜態(tài)建模階段，將從系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和靜態(tài)角度分析和描述系統(tǒng)中各類實體以及它們內(nèi)部和彼此間的關(guān)系，確定實體功能范圍的約束和限定，建立系統(tǒng)的靜態(tài)模型。其中，類圖（Ｃｌａｓｓ Ｄｉａｇｒａｍ）是靜態(tài)模型的核心，揭示系統(tǒng)的靜態(tài)邏輯結(jié)構(gòu)，反映出系統(tǒng)的基本框架。

當(dāng)準(zhǔn)備制訂生產(chǎn)能力計劃時，需要先從ＥＲＰ財務(wù)子系統(tǒng)、ＥＲＰ銷售子系統(tǒng)、冶金規(guī)范系統(tǒng)等業(yè)務(wù)系統(tǒng)獲取產(chǎn)品的盈利能力和生產(chǎn)狀況，然后選擇相應(yīng)的策略和算法計算得出生產(chǎn)能力計劃，在決策人員對比分析和適當(dāng)調(diào)整之后，最后下發(fā)為生產(chǎn)計劃和銷售計劃。因此，系統(tǒng)可抽象出盈利能力預(yù)測、策略模型、生產(chǎn)能力計劃生成、執(zhí)行與評價、動態(tài)調(diào)整、實時跟蹤管理等多個類，這些類是實現(xiàn)系統(tǒng)功能的核心部分，如圖２所示。其中：

（1）在產(chǎn)銷一體化策略的指導(dǎo)下，企業(yè)追求效益最大化的同時會注重其他目標(biāo)的實現(xiàn)，如產(chǎn)能利用率最大化和產(chǎn)品在區(qū)域市場的優(yōu)化分配。另外，由于鋼鐵行業(yè)的現(xiàn)狀是產(chǎn)銷結(jié)合、以銷定產(chǎn)和以產(chǎn)定銷3種策略共存，因此，決策人員既可以選擇適合企業(yè)自身發(fā)展需要的策略，又可按不同策略制訂出長期計劃來對比各種經(jīng)營策略的優(yōu)點和不足。

（2）不同的經(jīng)營策略和優(yōu)化算法得出的生產(chǎn)能力計劃是有差異的，通過柱狀圖、餅圖、透視圖等形式來展現(xiàn)各個計劃的總產(chǎn)量、總銷量、總利潤、連鑄比等綜合指標(biāo)，以及不同計劃下各個產(chǎn)品的細節(jié)指標(biāo)差異情況，更有利于做出合理的決策。

（3）在對生產(chǎn)能力計劃進行對比和評價之后，決策人員可以有目的地對盈利能力方案、追求策略和算法以及生產(chǎn)和銷售約束方案進行修改，快速得到滿意的生產(chǎn)能力計劃。另外，通過對生產(chǎn)計劃和銷售計劃進行跟蹤，可以識別生產(chǎn)和銷售過程中的瓶頸環(huán)節(jié)，便于事后進行控制。

３．３ 動態(tài)模型

任何系統(tǒng)都具有靜態(tài)結(jié)構(gòu)并表現(xiàn)出動態(tài)行為，為實現(xiàn)需求中的功能，類之間需要協(xié)作，這可用動態(tài)結(jié)構(gòu)模型來描述。動態(tài)建模的主要任務(wù)是在用例建模和靜態(tài)建模的基礎(chǔ)上，分析系統(tǒng)中各種行為發(fā)生的時序狀態(tài)和交互關(guān)系，以及各類實體的狀態(tài)變化過程，從而動態(tài)地描述系統(tǒng)行為，反映系統(tǒng)內(nèi)部對象之間的動態(tài)關(guān)系。在ＵＭＬ中，用時序圖和合作圖為交互模型建模，用狀態(tài)圖和活動圖為狀態(tài)模型建模［９］。

由于生產(chǎn)能力計劃系統(tǒng)的人機交互性強，且系統(tǒng)從輸入到輸出有著很明顯的時序性和狀態(tài)轉(zhuǎn)移特征，而ＵＭＬ的時序圖能更好地描述對象之間消息傳遞的順序性和交互性，狀態(tài)圖則能描述對象在其生存期間所經(jīng)歷的狀態(tài)序列，引起狀態(tài)轉(zhuǎn)移的事件，以及因狀態(tài)轉(zhuǎn)移而伴隨的動作。因此，時序圖和狀態(tài)圖可以更好地描述生產(chǎn)能力計劃系統(tǒng)的動態(tài)特性。

３．3．１ 時序圖

圖３描述了在產(chǎn)銷一體化策略指導(dǎo)下，生產(chǎn)能力計劃生成時各對象之間的交互情景，主要包括生產(chǎn)能力計劃、策略算法、盈利能力方案、銷售需求計劃、生產(chǎn)能力約束和市場份額約束６個對象，其交互關(guān)系如下：

（1）決策人員在制訂生產(chǎn)能力計劃時，先選擇所需的策略算法，根據(jù)所選的策略算法，系統(tǒng)會自動進行參數(shù)的初始化。

（2）在計算策略和算法確定之后，相應(yīng)的數(shù)據(jù)錄入接口也就確定了，決策人員必須根據(jù)相應(yīng)要求選擇盈利能力預(yù)測方案、銷售需求計劃、生產(chǎn)能力約束和市場份額約束，預(yù)覽確認(rèn)之后提交系統(tǒng)計算。

（3）最終計算結(jié)果有2種情況：當(dāng)計算結(jié)果正常時，系統(tǒng)提示計劃編制成功，保存結(jié)果之后會自動生成生產(chǎn)資源分配平衡圖；當(dāng)結(jié)果出現(xiàn)異常時，表明所選擇的約束條件之間存在矛盾，系統(tǒng)提示決策人員重新選擇約束條件并再次計算，直至計算結(jié)果正常。

（4）至此，生產(chǎn)能力計劃編制完成，決策人員可以進一步評價分析結(jié)果或者分解為生產(chǎn)計劃和銷售計劃。

在每個計劃期內(nèi)，決策人員可以根據(jù)不同策略和盈利能力預(yù)測方案制訂多個生產(chǎn)能力計劃，通過評價指標(biāo)來對比分析各個計劃的優(yōu)劣性，得出最滿意的計劃來指導(dǎo)生產(chǎn)和銷售。同時，在生產(chǎn)能力計劃制訂完成之后，若決策人員對擬定的生產(chǎn)能力計劃中部分規(guī)格產(chǎn)品的計劃產(chǎn)量或各個市場的計劃銷量發(fā)生質(zhì)疑并要求調(diào)整時，根據(jù)決策人員要求，重新生成有效可行的生產(chǎn)能力計劃，供決策人員下一步?jīng)Q策。在生產(chǎn)計劃和銷售計劃執(zhí)行過程中，將實際情況及時反饋能合理地評價計劃的優(yōu)劣，為下一次計劃的制訂做充分的準(zhǔn)備，如圖４所示。

３．3．２ 狀態(tài)圖

在生產(chǎn)能力計劃系統(tǒng)中，從數(shù)據(jù)準(zhǔn)備開始，到選擇盈利能力預(yù)測方案、生產(chǎn)能力約束、銷售需求計劃和市場份額約束來生成生產(chǎn)能力計劃的每個環(huán)節(jié)都伴隨著狀態(tài)的轉(zhuǎn)移和事件的調(diào)用。生產(chǎn)能力計劃的狀態(tài)圖如圖５所示。

４結(jié)束語

鋼鐵企業(yè)ＡＰＳ計劃體系中的生產(chǎn)能力計劃兼顧生產(chǎn)和銷售各類因素，是解決客戶需求與生產(chǎn)組織矛盾的重要途徑。本文首先對鋼鐵企業(yè)ＡＰＳ生產(chǎn)能力計劃系統(tǒng)的需求進行分析，提出了６個相關(guān)聯(lián)的功能模塊，并以數(shù)學(xué)模型描述關(guān)鍵問題中來自產(chǎn)能、市場、庫存的約束。在此基礎(chǔ)上，以用例模型分析系統(tǒng)外部的各類角色與系統(tǒng)內(nèi)部的各用例之間的關(guān)系；以類圖描述系統(tǒng)的靜態(tài)邏輯結(jié)構(gòu)，反映系統(tǒng)的基本框架；以時序圖和狀態(tài)圖描述系統(tǒng)內(nèi)部對象之間的動態(tài)交互關(guān)系。系統(tǒng)的建立符合鋼鐵企業(yè)產(chǎn)銷一體化策略的實際需求，既能滿足訂單需求，提高市場服務(wù)水平，又能使企業(yè)充分發(fā)揮自身優(yōu)勢，將資源集中在利潤較高產(chǎn)品的生產(chǎn)上，減少生產(chǎn)盲目性，避免不必要的資源浪費，極大地提高了企業(yè)的經(jīng)濟效益。

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