進入21世紀，技術迅猛發展，市場瞬息萬變，企業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。而企業要想通過先進的生產運作和管理模式，按照市場的要求用低成本、高質量、短交貨期的方法把產品交付到客戶手中，提高企業信息化程度是一個行之有效的方法。APS（Advanced Planning & Scheduling）和MES（Manufacturing Execution System）作為先進的企業生產計劃管理模式和先進執行系統，正為越來越多的企業所接受。企業的主要活動是生產，生產管理是企業管理中最重要的部分，而生產管理的大部分工作最終要落實到。車間生產計劃和調度在企業生產管理中起著承上啟下的作用，合理的生產計劃和調度方法能夠加深企業對生產過程機制及關鍵數據的理解，提高企業的生產能力，進而降低生產占用的庫存費用。因此，有必要通過對APS和MES的集成研究，加強對車間生產的管理和控制，使車間生產計劃和調度活動更加快速準確。 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是20世紀后50年發展起來的革命性管理技術。它是一種基于供應鏈管理和約束理論的先進計劃與排程工具，包含了大量的數學模型、優化及模擬技術，其功能優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將企業內外的資源與能力約束都囊括在考慮范圍之內，用復雜的智能化運算法則，做常駐內存的計算。APS在提高企業經濟效益方面的潛能是巨大的，它能及時響應客戶要求，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，并發考慮供應鏈的所有約束，自動識別潛在瓶頸，提高資源利用率，從而改善企業的整體生產管理水平。 如圖1的APS計劃層次模型所示，APS覆蓋了供應鏈管理戰略層、戰術層、操作層3個計劃層次。其中戰略層包括供應鏈戰略、供應鏈計劃；戰術層包括需求計劃與預測、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）、車間作業排產、運輸計劃、承諾可供貨量ATP（Available to Promise）。 對于車間內短期的生產計劃制訂，如安排一臺機器上的多種產品的生產次序等，APS常用約束規劃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系找到滿足所有約束的解決方案。APS根據大量精確數據的輸入，對工作流程進行模擬，并提供實時監控功能。APS可將模擬的排程結果以甘特圖的形式輸出到可視化的計劃板上，根據既定規則進行拖放式調整，以求達到最優化。 1.2 制造執行系統（MES） 制造執行系統是美國管理界20世紀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之間的執行層，在整個企業信息系統中起著承上啟下的重要作用。MES對生產過程進行實時監視、診斷和控制，完成生產單元整合和系統優化，在生產過程層進行物料平衡、制訂生產計劃、實時排程、優化調度，進而對生產過程物料、能量、質量、設備、資金，甚至人力資源統一進行監測、分析、控制和優化，實現了從訂單下達到產品完成整個生產過程的優化管理。當工廠里面有實時事件發生時，MES能對此及時做出反應、報告，并用當前的準確數據對它們進行指導和處理。這種對狀態變化的迅速響應使得MES能夠減少企業內部沒有附加值的活動，有效地指導工廠的生產運作過程，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系統產品可能只包含其中一個或幾個功能模塊。 同時，MESA也定義了當前MES系統的技術模型，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，但是從優化的角度看，MES達不到APS提供的優化功能的水平。因此，將APS與MES集成更適合于復雜的實時性要求較強的車間生產計劃和調度活動。 2 現行車間生產計劃和調度方法分析 作為產品加工的具體執行部門，車間生產管理涉及到產品生產過程的方方面面，如：生產過程監控、生產調度、現場設備管理、人員安排、消耗統計、工時統計、動態成本核算、物料管理、在制品管理以及產品數據管理，等等。一個典型的制造車間生產活動模型如圖4所示。其主要工作流程是：首先將接收到的主生產計劃進行任務分解，然后根據一定的規則，確定各子任務的加工設備，而任務單的開工時間則根據定單下達日期、任務單計劃入庫日期、相關的工藝信息以及各加工單元的當前加工計劃來統一決定。在編制出理論計劃以后，就形成了對各加工單元的負荷。接著，要在各加工設備上進行加工能力與工作負荷的平衡，制訂派工計劃和相關物料準備計劃等。同時，根據物料、工裝等條件及各加工單元的反饋信息，制訂出正式作業計劃，并開始派工。計劃下達后，在實際生產過程中，還要不斷根據各個參數的變化，進行實時的調度，確保主生產計劃的順利實現。 現行的傳統生產管理系統中，生產決策層與車間執行層，計劃層、調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行，車間生產信息的反饋周期較長。造成在生產調度與控制過程中缺乏必要的現場信息，不能及時根據實際生產情況的變化進行重新調度，更談不上實時修訂生產計劃了。并且當實際生產情況無法實現原有生產計劃時，傳統的生產管理系統也往往不能及時發現這些問題并加以解決，最終導致企業產品的交貨期延誤。 3 基于APS和MES集成的車間生產計劃和調度 通過前面兩部分的闡述可以發現，在比較復雜的車間生產活動中，MES系統中的詳細生產計劃和生產調度模塊的功能有限，而且不能根據實際生產情況的變化進行重新調度。我們以企業的ERP系統作為信息基礎，采用APS和MES集成的方法，由MES提供實時的車間生產進度、在制品信息和現場設備運行狀況等，然后利用APS的先進優化算法，可以初步解決現行車間生產計劃和調度的優化問題。 3.1 APS和MES集成的體系結構分析 現代制造企業中，ERP已經成為必備的業務和數據平臺，無論是APS，還是MES，都需要與ERP系統進行數據交互和信息共享，獲得系統自身運行必需的相關數據。當將APS和MES集成時，也必須將ERP系統考慮在內，也就是將ERP、APS、MES三個系統進行集成，這其中不可避免地出現交叉和重疊的現象。因此基于ERP的APS與MES集成系統的框架確定，主要考慮企業的產品、生產模式、計劃模式、已有系統與新構建系統的差異等情況。 目前，國內外已經有學者提出了APS、MES與ERP集成的框架，但是現有的集成框架結構仍以供應鏈管理平臺為界面，其中APS的應用偏重于供應鏈計劃的管理，主要面向物料復雜、外協外購較多的企業生產環境。本文在前人研究的基礎之上，提出了如圖5所示的針對車間生產計劃與調度的系統集成框架。該框架以APS、MES和ERP的閉環系統集成為核心，解決了企業內部車間生產計劃和調度的優化問題。 3.2 APS和MES集成的車間生產計劃和調度的功能模型分析 上節中提出的系統集成框架主要解決的是各個系統的定位和接口問題，但是各個系統的計劃模塊如何交互，范圍和功能如何重新劃分，需要進一步的分析。 本文給出的集成系統，其功能模塊首先包括了APS系統中的需求計劃、全球ATP；ERP系統中的BOM、主生產計劃、MRP；MES系統中的生產排程、分派等。而那些各個系統交叉或重疊的功能模塊，優化工具選取APS的原有功能模塊，實體功能選取ERP和MES的原有功能模塊。其中主生產計劃、MRP和生產排程構成了企業生產計劃系統的主體，其中又以MRP和生產排程模塊對車間生產計劃和調度方法起決定作用。在集成后的系統中，對于這兩部分的算法根據車間生產活動的特點做了修正。如圖6所示。 3.3 APS和MES系統集成的實現方法 APS和MES系統集成的實現過程中，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構”（Common Object Request Broker Architecture,CORBA）。CORBA提供了一種讓對象與本地或網上的其他對象透明請求服務與接收信息的機制。ORB作為它的核心，在分布異構環境中的不同應用之間提供互操作性并實現多個對象系統之間的無縫連接。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，從而使遠程分布應用可以通過ORB請求這些對象上的操作服務。 應用CORBA架構實現APS和MES系統的集成，整個體系結構由信息資源層、訪問接口層、請求服務代理層、對象通信服務層和網絡傳輸層5部分組成。其集成的層次體系結構如圖7所示。 編碼實現系統集成時，首先確定應用對象及相關功能代理的主要內容；然后根據具體的應用系統（APS、MES或者ERP）實現其封裝，從中抽取需要的服務；最后形成了一系列功能代理，實現了基于APS與MES 集成的車間生產計劃與調度的所有功能。 4 結語 隨著國內外市場競爭日漸激烈，制造企業受到了前所未有的挑戰。為快速適應內、外部環境的快速變化，利用APS和MES等先進的企業生產管理模式和先進信息系統，充分利用企業的制造資源，優化企業車間生產的計劃和調度算法，通過改變企業傳統的生產模式來提高生產率，進而快速響應市場需求，是提高企業競爭力的重要手段之一。 實踐證明，在企業異構分布環境下，對于APS、MES、ERP這樣復雜的企業系統，采用CORBA對已有系統進行重構和集成是有效的，也是可行的。