APS系统生产流转方式和批量算法研究

01、前言

在经济领域，生产型企业是经济的根基，有了生产型企业生产出的各种产品，才有物流、网上购物和金融融资等活动。对于生产型企业，其制造能力是其核心竞争力。如何提升制造能力一直是生产型企业面临的课题。制造能力提升包括很多方面，例如提高设备精度，改进产品品质，降低不良率，生产合理安排调度。企业要改进生产管理，使得生产安排更合理，就需要改进生产计划排程。

制造业多数企业为中小企业，中小企业的生产特点一般是多品种、小批量。因企业生产规模小，一般难以接到生产批量大的订单。对于多品种、小批量生产类型，企业生产计划排程一直是个难题。因为品种多，导致数据计算量大，而批量小又会导致换线频繁。

APS是针对生产计划排程的解决方案。APS将生产计划排程的规则固化到计算机软件上，利用计算机高速计算能力提高排产效率，提高生产资源利用率，从而增加企业竞争力。

笔者就职于一家典型的机械加工企业，零件超过2000种，其生产类型属于典型的多品种、小批量。针对本企业生产计划排程的难题，笔者开发了用于本企业的生产计划排程APS系统。本文将结合笔者开发经验，介绍生产计划排程APS中的生产流转方式和批量问题，供相关职业者开发APS系统时参照。

02、三种生产流转方式

对生产型企业，一般说零件每次生产批量都会达到一定数量，例如每批几百或者几千个。一些特殊行业生产批量较少，例如模具行业，针对某个模具，虽然工序很多，但只生产一个或者数个。

大批量生产零件在不同工序前后流转时，就会有一个不同于小批量生产的流转问题。生产小批量零件特别是单个数量，肯定是前工序完工后再开始后工序。但是大批量生产就会出现多种选择，可以这一批零件前工序都完工后再开始后工序的生产，也可以这批零件的前工序完成一部分后，后工序就开始生产。

一般来说，我们可以将成批零件前后工序流转分成三种情况。第一种方式被称为顺序移动，它的特点是成批零件的前工序都完工后，再开始下一道工序；第二种方式是平行移动，它的特点是一整批零件前工序分成几个小批量间断性生产，完成一个小批量后就开始下一道工序的生产；第三种方式是平行顺序移动，它的特点是零件生产不做批量分割，等零件前工序完成部分时，后工序开始生产，但后工序不会有等待加工情况，需要计算好前工序加工完多少数量后再开始后工序，避免如果后工序加工速度比前工序快，后工序出现等待前工序零件加工情况。下面将详细介绍这三种方式。

03、顺序移动

顺序移动是指一批零件有多个生产工序，一道工序的整批零件都加工完后，再开始下一道工序。如果用图示表示，图示如下：

采用顺序移动方式的优点是：

1、排生产计划简单，不用花时间计算是否需要批量分隔，也不需要计算，是否前工序未完工时，后工序就要开始加工。

2、设备利用率高。因为加工后工序时，前工序所有零件都已经加工完毕，即使后工序加工速度更快，也不会出现等待料加工的情况。

3、减少车间内搬运量。因为前工序整批零件都加工完后，才开始下工序。可以整批零件都加工后，再转移到下工序所在设备处，搬运效率更高。

顺序移动的缺点是：

生产周期长；因为后工序需要等待前工序全都加工完毕后才能开始，当工序数量超过两个时，后面工序等待时间长，整体生产周期长。

顺序移动适用的场合：

因顺序移动减少了设备出现等待物料加工的情况，也减少了切换次数，降低了设备切换成本，但其加工周期长。它适用于产品交货期比较富余的情况。

顺序移动的生产周期计算方式：

它的零件加工周期计算非常简单，就是零件各工序加工周期做简单加和就可。

例：一批制品，批量为4件，须经四道工序加工，各工序时间分别为：

t1 = 9,t2 = 5,t3 = 15,t4 = 10。

加工周期采用顺序移动方式计算

T=4*（9+5+15+10）

04、平行移动

平行移动是指一批零件中的部分零件一道工序完工后，就转移到下一道工序生产的移动方式。例如一批零件400个，第一工序加工完200个后，这200个就转入二工序加工。当然也可以加工一个零件后，就这一个加工好的零件就转入下一道工序。

当前多数资料介绍平行移动为加工完一个零件，就转移到下一道工序，笔者认为这么定义平行移动过于狭义，因为实际生产中不同类型设备可能位于不同地点，如果完成一个零件某工序就转移到下一道工序搬运太频繁，搬运成本太高，并且如果下工序加工速度快，其等待物料加工情况会很频繁，浪费设备产能。将平行移动定义为完成一批中部分零件后，再转移到下一道工序更符合实际情况，更合理。

因为平行移动生产方式，下一道工序开始时间早，类推最后一道工序开始时间也早，零件的生产周期短。它的生产周期也比下面要介绍的平行顺序生产方式短，是三种生产方式中生产周期最短的移动方式。

平行移动图示如下：

平行移动的优点是：

1、加工周期短，因为不用等待整批零件都加工完，前面工序加工完一部分后，就可以开始后面工序，类推整个加工周期也短了。

2、滞留车间的在制品少了，在制品减少有利于减少空间占用，加快资金周转。

平行移动的缺点:

降低了设备利用率。有的工序因为加工速度快，会有设备空闲等待前工序的情况。如果在等待期间不安排其它零件加工，设备会有一段时间闲置。如果在空闲时间安排其它零件加工，设备加工不同零件会有来回切换的时间成本。

平行移动的适用场合：

相对于顺序移动，平行移动加工周期短，但设备利用率低些。它适用于产品交货期短的紧急情况，为了满足客户交货期，采用平行移动缩短生产周期。

平行移动生产周期的计算方式较顺序移动要复杂，它的计算公式如下：

• 整批数量Q0

• 整批的分段数n

• 分段后批量数量Qn

• 加工工序数量m

• 最长工序加工一件的时间tL

例：一批制品，批量为4件，须经四道工序加工，各工序时间分别为：

t1 = 11,t2 = 5,t3 = 15,t4 = 10。

采用平行移动方式计算，其加工周期

T=（11+5＋15＋10）＋（4-1）×15＝86

05、平行顺序

三种生产方式将平行顺序放在最后介绍，因为它是既综合前两种生产方式的优点，也综合了它们的缺点。

不同于顺序移动，它并不是一定要前道工序整批零件都加工完了，才开始后到工序，而是在一定程度上，前后工序并行生产。如果前工序生产速度快，后工序慢，这两道工序同时开始生产，后面工序也不会出现等待物料加工情况。如果前工序慢，后工序快，则需要计算，前工序加工到什么程度，后工序再开始加工，避免后工序出现等待物料加工情况。

不同于平行移动，它不对零件生产进行批量分隔，不论每个工序加工速度快或慢，都是整批零件一次加工完。

平行顺序移动图示如下：

平行顺序的优点：

1、 加工周期相对短。因为工序之间在时间上有并行加工的情况，所以它的加工周期比顺序移动短，和平行移动相比，其生产周期长。

2、 设备利用率高。因为平行顺序生产方式，零件批量不分隔，整批一次性加工完，所以设备切换成本低。

缺点：

1、生产排程麻烦。当前工序生产的慢，而后工序生产的快，需要计算前工序完成多少数量后，后工序才能开始加工，有一定计算量。

平行顺序的适用场合： 当客户交货期足够，生产企业又希望降低设备切换成本，可以采用此种生产方式。

平行顺序生产周期计算方式：

注：

T：平行顺序移动方式加工周期；

n：零件批量数量；

ti ：第i道工序的生产时间；

tl ：单件生产工时，比前后两相邻工序加工时间长的单件工时；可以在第一工序前和最后一道工序后设置时间为0的虚拟工序。

ts ：与前后两相邻工序中单件工时比，比前后工序都短的工序的单件工时；

例：一批制品，批量为4件，须经四道工序加工，各工序时间分别为：

t1=11,t2=5,te=15,t4=10

采用平行顺序移动方式计算：

=（11+5+15+10）+（4-1）×（11+15-5）=104

06、平行移动最优批量分隔方式

这3种流转方式中，最复杂的是平行移动，因为平行移动中有个批量分隔的问题。平行移动在生产过程中需要进行批量分隔，最简单的批量分隔方式是各个工序批量分隔数量相同，本文上面介绍的例子就是这种方式。

平行移动的例子，一次生产1000个零件，如果分成4个批次，每批生产250个，开始下一个工序；如果分成5个批次，每批生产200个，就开始下一个工序。分隔成不同的批次数量，影响着两个生产评价因素：

• 切换成本；

• 生产周期。

从生产计划安排的角度，我们希望生产成本低、生产周期短，可实际中，这两个目标又存在矛盾。往往生产周期短，就意味着需要频繁切换，生产成本高；反之，如果希望生产成本低，就需要减少切换次数，生产周期就长。

各工序分隔批量一样是可行方法，但不是最优批量分隔方法，因为不同工序切换成本不一致，更合理的是切换成本高的工序批量分割次数少，或者不分隔，切换成本低的工序可以多分隔工序。第一工序和加工时间最长的工序不需要批量分隔。

平行移动需要求解最优分隔次数，前面介绍用的例子是各个工序分隔次数相同，是为了说明平行移动的生产特点。事实上不同工序切换成本是不一样的甚至差别相当大，以笔者所在机械加工厂为例，加工中心因为其自动化程度高，一次加工尺寸多，切换繁琐，一般需要几个小时。企业经营时间就是金钱，切换时间长，就意味着成本高。而很多主要依靠手工操作的工序切换就很快，例如钻床，耗时才几分钟；如果是完全依靠手工的工序，就几乎没有什么切换成本。所以说，不考虑零件不同工序切换成本的不同，零件各个工序按照同样的数量分隔工序不是最优的平行移动方式，对于切换成本高的工序减少批量分隔数量，对于切换成本低的工序可以有更多的批量分隔数量，这种方式可以在同样的生产周期情况下，切换成本更少，进而生产成本更低。

设法求解零件在平行移动生产过程中，不同工序设置不同的批量分隔数量，进而达到生产周期满足客户订单要求的情况下，生产成本最小的目标。笔者认为有三种求解方式可以采用：

1、穷举法。该方法是通过计算机程序列出零件不同工序各种可能批量分隔方案，然后比较这些方案的生产周期和生产成本，选择在生产周期满足客户交货期要求情况下，生产成本低的方案；

2、提前人工设置好各个工序流转的批量。例如，不论一个工序总加工数量是多少，加工好500个之后，就开始下一工序；

3、先人工设置若干模式，然后程序在模式中选择批量分隔方式。例如设置一种模式，当生产批量大于200并小于500个时，一工序不分隔，二工序分隔三次，三工序分隔二次。

07、后记

在本文，笔者结合自己开发生产计划排程APS系统的开发经验，介绍了生产排产中三种移动方式，并且探讨了有些资料中介绍平行移动过于狭隘的定义，提出了更符合实际情况的定义，也探讨了平行移动中的复杂情况，不同工序分隔次数不一样，这点目前尚未见到其它资料探讨该问题。文中笔者观点供同业者参考。