0 引言
特殊钢铁的生产工艺比普通钢铁更加复杂，具有批量小、种类繁多、工序多、工艺路径长、产品间可替代性小和交货期严格等特点，增加了生产计划与作业控制的难度。钢铁企业为了实现生产控制与经营管理的统一，将处于不同管理层级的ERP系统与MES系统进行集成，以解决满足生产组织效率和满足市场需求之间的矛盾。ERP面向企业整个运营资源，基于无限的产能，制定稳定生产环境下的宏观生产计划。MES面向车间的生产资源，通过生产计划、生产调度、库存管理、质量管理、设备管理和物料跟踪等系统功能，实现微观的生产过程管理，并向ERP系统及时地提供生产实际状况信息。ERP与MES能够基本实现普通钢铁生产计划与控制的功能，但在处理特钢多规格、多工序、多路径的生产环境下合理均衡设备产能、控制生产节奏，以高效、快捷的生产组织方式来满足客户多样的个性需求和多变的市场环境的问题，其缺乏必需的优化功能。
APS(Advanced Planning and Scheduling)技术以约束优化理论为核心，利用层次计划思想把计划任务分解成许多局部计划模块，逐层解决问题，具有处理复杂约束的优势，为解决特钢生产计划与排程问题提供了途径。APS弥补了ERP、MES在钢铁生产计划与控制的优化功能。本文基于APS技术探讨特钢企业信息化的架构，通过各个系统的集成和协作全面实现企业按照客户订单组织生产，以及产销一体化的生产经营策略。
1 信息化框架
1.1 信息化总体框架
在钢铁企业信息化建设过程中，ERP与过程控制系统拥有各自的功能范畴，之间独立运行，缺乏信息的交互以及有机的联系。MES作为信息交互的枢纽将上层计划系统与底层过程控制系统集成为一体，同时弥补了中间生产执行的功能，于是出现了钢铁企业信息化三层结构模型：业务计划系统层(BPS)、制造执行系统层(MES)和过程控制系统层(PCS)。
1)业务计划系统通过对客户、企业自身以及供应商的所有资源进行整合、统一规划，实现物流、信息流和资金流在采购、生产、库存、销售、运输和财务等生产经营环节的一致，并在此基础上综合考虑顾客需求、生产能力平衡以及利润最大化等因素，制定长期和中期生产计划。
2)制造执行系统实现生产活动执行过程的动态管理，其功能包括：生产作业计划、生产调度、物料跟踪、设备管理、质量管理、热工具管理、工艺管理和库存管理等。其中作业计划考虑订单交货期、生产工艺、产能和库存等因素，以负荷均衡、生产节奏协调一致为管理目标制定合理的生产计划。生产调度利用跟踪信息对生产过程中随机出现的动态扰动进行处理，维持作业计划的连续性和稳定性。
3)过程控制系统通过控制生产参数的稳定，实现对具体设备及生产过程的控制。来自不同供应商的过程控制系统之间缺乏完整的功能规划和统一的数据结构，不具备面向整个生产过程的计划与调度的功能。
以上三层体系结构将顶层的资源规划、中层的制造执行管理与底层的过程控制进行集成，通过三层系统的协作完成企业生产活动的计划与控制。但特殊钢的生产工艺与普钢大有不同，呈多工序、多路径的特点，工艺路线长且复杂，如炼钢部分有连铸、模铸和电渣重熔等多条路径，之后有轧、锻、拔等多种加工方式，最后还包括酸洗、退火、矫直、抛丸和磨光等处理工序。特钢复杂的生产工艺，使得工序间物流紧密、节奏一致，产线间负荷及资源配置均衡十分困难，尤其是后部的加工精整与炼钢部分的衔接难以顾畅。加上生产对象为多品种、多规格和小批量的订单，生产组织与计划时难以实现产能、物流的平衡以及对在制品库存和交货期的控制。因此生产计划与调度成为特钢提升企业生产经营管理水平的关键。在处理这种约束众多、优化目标复杂的生产计划时，依靠信息处理技术的ERP与MES的计划系统暴露出了不足，需要将BPS层与MES层中的计划功能独立出来，由其他系统完成。高级计划与调度系统APS的核心技术是约束优化技术，适用于解决特钢企业复杂的生产计划与调度问题。于是本文提出了特钢企业信息系统4层体系结构，如图1所示。
图1 企业信息化层次架构
APS承担了MES生产计划与生产调度的功能，将问题进行层次分解，对不同层次的问题进行数学建模，选择合适的求解方法进行优化计算，依次解决能力计划、订单计划、生产计划及生产调度的问题。MES通过对物料、设备、跟踪、质量和工具等生产执行要素的跟踪管理为APS计划的制定与执行提供了基础和保障。
1.2 APS与MES的集成框架
基于以上讨论，特钢企业生产计划与控制的实现需要将APS与MES进行集成，集成框架如图2所示。APS承担特钢生产管理中处关键地位且工作量较大的计划与调度任务；MES则承担着制造执行管理的其他功能，包括设备工具管理、质量的检化验、成品物流与发运等，辅助执行APS制定的生产计划。
图2 APS与MES集成架构
APS的功能模块包括冶金规范子系统(FM)、能力计划子系统(CR)、订单计划子系统(OP)、生产计划子系统(BP)及生产调度子系统(PS)，其层次结构如图3所示。上层计划对下层计划具有指导和支持作用，上层计划的将执行实绩进行反馈，对上层计划进行调整。
图3 APS层次结构
1.2.1 能力计划子系统(CR)
能力计划子系统以公司战略规划、市场需求分析预测为依据实现企业生产能力的规划，为有限能力排产提供依据，并提供能力计划实绩跟踪与分析功能。能力计划属于中长期计划，按年，季/月编制，逐步细化精确，按月滚动，用于指导企业交货期应答和有限能力计划的编制。企业生产能力计划通过以下四个模块实现。
1)产品需求计划模块：在盈利能力预测方面，建立能够综合评价产品盈利能力的指标体系和评估模型，从而得出产品盈利能力排序方案；在市场需求预测方面，综合考虑各产品系列在各区域市场的有效合同量、市场预期量、运费补贴、运力限制和新产品开发量等，制定各类产品针对不同区域市场的优化方案。
2)设备检修计划模块：对定检修计划的管理以及合理性评估。对制定的设备检修计划，根据生产工序及工序产能，对于计划的合理性进行评估。评估通过后，对检修计划进行记录、管理和跟踪。
3)工序产能计划模块：针对主要工序建立基于效益最大化的工序产能计划，以最大化经济效益和最大化产能利用率为目标，考虑产品盈利能力、产品工艺条件、设备检修情况、设备产能和产出率等约束条件，以获得每道工序的最优化品种规格产能分配方案，进而得到总的生产能力计划方案。
4)能力平衡计划编制模块：根据产品需求计划和工序产能计划等共同制定的，用于指导企业生产和销售的经营性计划，是能力计划的核心所在。能力平衡计划基于产销一体化的思想，综合考虑企业效益、生产能力和市场需求，得到优化的能力平衡计划方案。提供能力平衡图、多角度what-if(如果...则...)的智能化分析等决策支持功能。
1.2.2 订单计划子系统(OP)
订单计划子系统对客户订单进行订单评审、质量设计、坯料设计和有限能力排产，即将接收订单分配到具体产线或车间，并根据有限产能排产结果实现制造交货期应答。通过合理的订单排程，达到均衡资源和产能、以及交货期的控制，是特钢企业生产计划的核心。订单计划是生产作业计划的前提和基础，主要是对客户订单进行预处理，给出交货期承诺，并为作业计划的编制提供准确的生产订单需求。企业订单计划由以下五个模块实现。
1)订单设计模块：包括“生产订单设计”和“工序订单生成”两类功能，即根据西钢的冶金规范数据库，对于录入的生产订单设计生产工艺路线、成品交货要求、产品在各个阶段的工艺控制和质量控制要点等；进一步对生产订单进行生产设计，生成面向各个工序的工序订单。
2)坯料替代/库存匹配模块(可选)：包括“中间产品工单的坯料替代”(可选)和“最终产品订单的成品匹配”(可选)两类。运用可用量承诺(ATP)模型，最大限度的利用在制品库存对工单需求做出及时准确的反应，能够有效缩短交货提前期、降低在制品库存/产成品库存水平。
3)订单排程模块：运用可用能力承诺(CTP)模型，以工序产能计划为约束，对工序订单进行排程，编制有限能力计划。订单计划属于中短期计划，按月编制，按周滚动。订单计划能够很好地平衡工序间产能和物流，对于交货期均匀分布、设备能力平衡、在制品库存降低均具有重要意义。
4)交货期应答模块：综合坯料替代/库存匹配和订单排程的结果，为接受的订单提供更为现实、可行的交货日期承诺，并通过坯料替代降低在制品库存，通过订单排程保证产品完工时间(计划交货期)在计划周期内的均匀分布、均衡生产能力、且进一步降低生产库存，从而提高西钢的交货水平和客户满意度。
5)订单评审模块：包括三阶段的评审功能，同时提供智能化的人机交互界面，是与企业的决策者和生产科负责人就订单计划进行交互的主要模块。在订单计划制定初期，对于设计后的生产订单以及生成的工序订单依据冶金规范进行审核和确认；在订单计划制定后期，即通过交货期应答模块确定可承诺交货期后，对于订单属性及承诺的交货期进行评审；在订单计划下发后，依据订单跟踪数据，对订单的执行情况进行评价和预测。
1.2.3 生产计划子系统(BP)
生产计划子系统的功能是编制和管理批量计划，即把待生产的多品种、小批量工序订单按照生产的工艺路线、技术条件、设备的作业要求组织成生产批量，并对批量计划进行评估、管理、以及跟踪反馈，以平衡各工序生产节奏，均衡生产能力，从而降低在制品库存。批量计划为周计划，是协调上游订单计划(月计划)与下游作业调度计划(日计划)的缓冲区域。生产计划由以下五个模块实现。
1)坯料设计模块：对由订单计划子系统下发的生产订单以及各工序对应的工单进行坯料设计，在满足工艺限制的前提下，将满足能力匹配要求和准备安排生产的订单集合转化为生产成本最低的待生产坯料集合，为编制批量计划提供优化的坯料集合，以简化批量计划的制定。
2)批量计划编制模块：把待生产的多品种、小批量工序订单按照生产的工艺路线、技术条件、设备的作业要求组织成生产批量。炼钢、连铸、热轧及其他后部工序每个阶段分别有自己的加工单位和工艺约束。按照每个阶段的工艺约束和优化目标分别制定炼钢批量计划、连铸批量计划、热轧批量计划以及其他后部工序的批量计划，从而保证工序之间的物流平衡和前后工序的生产连续性，达到生产过程的全局优化。
3)批量调度模块：将已经编制好的批量计划排入到相应工序的可用时间段内，进行工序能力平衡，最终形成各工序未来一段时间的待生产批量计划序列，并给出生产计划甘特图。批量计划属于短期计划，按周编制，按日滚动。
4)批量计划评价模块：对编制及调整的批量计划进行评价，同时提供智能化的人机交互界面，是与企业的决策者和生产科负责人就生产计划进行交互的主要模块。该模块主要从产能利用率、库存水平、连续浇铸比率等方面对一段时间内的工序批量计划进行预测和评估。
5)批量计划调整模块：对已编制的批量计划进行调整，使其满足企业生产的需要。批量计划调整的情况主要有两种：由于企业决策者对已编制的批量计划存在不同需求时引发的调整；当生产实绩与批量计划出现偏差时引发的调整。批量计划调整模块根据上述两种情况的不同特点对变化后的计划迅速做出调整，并传输至批量计划评价模块重新评估，为决策者提供智能的决策支持。
1.2.4 生产调度子系统(PS)
生产调度主要包括炼钢连铸调度、加热炉调度、轧制调度、后处理调度以及库存作业优化等。钢铁生产调度问题是一个多阶段、多机器、有多种工艺约束限制的多目标组合优化问题。生产调度的精度为天、实时，主要解决工件在生产单元内部的各个设备上的加工时间和加工顺序问题，同时考虑生产单元之间的衔接问题。钢铁生产过程存在诸多不稳定因素，需要快速捕获识别扰动并实时给出动态调度方案。生产调度包括以下几个功能模块。
1)炼钢作业计划模块：编制炼钢生产的作业计划。炼钢生产是钢铁生产的重要工序，包括炼钢、精炼和连铸三个阶段，可以抽象为多阶段、多作业和多并行机的混合流水车间调度问题(Hybrid Flow Shop Scheduling)。此外，炼钢连铸生产调度又具有特殊性，要求一定炉次范围内必须连续浇铸，且钢水只允许在各工序问等待较短时间，这使得炼钢调度更具复杂性。
2)加热炉作业计划模块：编制加热炉生产的作业计划。加热炉生产是衔接浇铸和热轧的关键工序，加热炉作业计划是根据轧制计划确定的板坯轧制顺序，在满足生产工艺要求的情况下，为每块板坯指派加热炉、确定板坯在加热炉上的加工顺序、实际加工时间以及入炉时间，以提高直装率，降低生产能耗。
(3)轧制作业计划模块：编制轧制生产的作业计划。要求严格按照轧翩计划指定的板坯顺序对板坯进行加工，并根据加热炉作业计划的结果，确定板坯轧制的开始时间和结束时间。
(4)后处理作业计划模块：编制后处理生产的作业计划。在满足生产工艺约束和调度约束的前提下指定合理优化的后处理作业计划，使得生产节奏平衡、降低中间库存、减少生产流程时间。
1.2.5 冶金规范子系统(FM)
冶金规范也即工厂模型。钢铁产品具有工序过程复杂、品种规格繁多的特点，产品的工艺控制更是纷繁复杂，需建立特定工厂模型，来描述和管理这一复杂过程。工厂模型由产品规范、工艺规范、制造规范和排程规范等构成，表达了产品结构、工艺过程、产品制造规则及其排程约束规则等。工厂模型被应用于包括工艺设计、计划排程和生产执行等在内的整个计划管理过程之中。冶金规范子系统由以下四个模块实现。
1)冶金规范管理：对企业的组织机构和产品的质量规范、生产工艺规范等基础编码进行维护管理。
2)质量规范管理：维护产品生产过程中的物理性能、化学成分、公差标准等规范数据。
3)工艺规范管理：根据产品所要求的工艺流程确定产品在生产过程中应经过的实际工序；即将逻辑工艺与实际工序之间建立对应关系。
4)主数据管理：对企业的各分厂、各车间、设备以及产品相关信息进行编码，建立基础数据。
2 APS数据流图分析
以上对特钢企业APS的功能结构及功能实现进行了描述，现用数据流图为其建立业务过程模型，探讨各功能模块之间的信息交互关系。特钢企业APS数据流程如图4所示。
图4 特钢企业APS数据流程图
1)冶金规范FM为其他四个模块提供各种规范信息，包括：为需求与能力计划模块提供的能力规范，为合同计划模块提供的质量设计规范，为生产计划模块提供的材料设计规范；为生产调度与执行提供的冶金规范。同时该模块维持生产销售部合同科的合同管理系统与冶金规范的数据一致。
2)需求与能力RC的作用是对于整个系统的计划期间的维护和某期间内各分厂的需求和能力信息的录入与维护。能力计划包括工厂产能计划、机组产能计划、机组检修计划等。需求与能力为合同计划提供需求计划、能力计划，为生产订单模块和生产调度与执行模块提供能力计划，同时接收来自这些模块的能力计划的实绩信息。
3)合同计划OP是对于合同管理系统下发的合同信息进行管理的模块，接收能力计划和需求计划，将合同进行排产，将完成排产的合同下发给生产计划模块同时将排产占用的产能实绩返回给需求与能力计划模块。接收来自生产计划模块退回的生产订单和生产订单的生产实绩。
4)生产计划BP是对于经过OP排程后的生产订单进行管理的模块，从OP接收生产订单，从RC接收能力计划，根据FM提供的材料设计规范，对于生产订单进行材料设计，之后根据PS模块提供的库存数据进行库存替代，将替代后的坯料需求进行组批排序。将排序后的组批进行一体化的生产计划排程，将排程结果下发给生产调度与执行模块，同时接收来自PS的生产实绩的反馈。
5)生产调度与执行PS是对于生产进行调度的模块，采集产线和库存的各个相关生产信息，对于生产计划进行更加细分的调度，接收生产计划，将生产实绩返回给生产计划模块，为生产计划提供库存信息，接收生产计划返回的库存替代信息。向质量管理系统提交检化验的工单，接收检化验结果，以及同生产发运系统交换信息。
数据流程图能够体现APS如何通过各功能模块之间的协作和数据交换实现在整个信息化体系中的生产计划与调度的工程功能，为进一步的系统分析与设计提供了基础。
3 结束语
特殊钢铁的生产不同于普通钢铁，呈现多品种、小批量、生产工艺复杂的特点，产品需要经过多道工序且路径不唯一，这为特钢的生产组织带来了极大的困难，面对多变的市场环境，更加突显出了产销的矛盾。为了在生产中实现物流、产能的均衡以及订单交货的准时，需要更高级的生产计划手段，而依赖于信息技术的ERP、MES无法胜任高级计划排程的任务，现有的钢铁信息化体系结构出现了不足。APS基于约束优化技术，本文提出基于APS的特钢企业信息系统4层体系结构，将原体系中的生产计划与调度的功能提取出来由具有高级计划排程能力的APS完成。在此基础上，给出了APS与MES集成框架以及APS的功能机构，包括冶金规范子系统、能力计划子系统、订单计划子系统、生产计划子系统及生产调度子系统。在对APS各功能模块进行详细分析的基础上，以数据流程图对APS进行过程建模。
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