先进计划与调度（APS）的研究现状和发展趋势

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1 MES综述

1.1 MES定义及构成

MES是基于计划、执行、控制三层结构的先进制造企业的计算机在线制造（生产）过程治理系统。90年代，MESA（制造执行系统国际同盟组织）对MES的定义是：MES能通过信息传递对从订单下达到产品完成的整个生产过程进行优化治理。MESA于1997年还提出了MES功能组件和集成模型，其关系如图1。AMR组织则又把接着11个功能实现的整体解决方案称为MES Ⅱ（Manufacturing Execution Solution）。

图1 MES功能模型

1.2 国内外研究动态

国外有多家从事流程产业管控一体化软件开发的工程公司，Honeywell的MES方案和美国ASPEN Tech公司的MES方案较为突出。前者的核心是Business．FLEXPKS，由价值链治理、先进计划与调度、运行治理、油品调和及储运自动化和生产治理5个应用套件共30多个模块组成。另外还将其MES解决方案与多种应用套件和信息集成平台整合为协同生产治理解决方案（Unified Manufacturing Solutions）。后者是化学产业领域著名的流程模拟、先进控制和供给链治理优化软件公司，MES解决方案主要包括流程模拟、虚拟工厂模拟器、生产计划与优化等11个功能模块以及ASPENEnterpise Platform（AEP）集成平台。实现生产经营治理与生产过程控制的一体化。中国最早的MES是20世纪80年代宝钢建设初期从SIEMENS公司引进的。近年来，出现了一些相对成型、成熟和有规模、有影响的国产MES产品。例如北京和利时公司的流程行业生产治理系统HOLLIAS-MES（Manufacturing Execution System），浙大中控的ESP-suite-企业综合自动化整体解决方案。此外国内多家研究机构如东北大学自动化研究中心，浙江大学产业控制技术实验室以及华东理工大学对于MES的研究与开发取得了一定成果。在。十五”期间，国家863高技术计划先进制造与自动化技术领域在流程产业MES方面设立了技术攻关和示范应用项目，相继开发了钢铁企业MES、石化企业MES和选矿企业MES，并且成功应用于生产实际，取得明显效益。

2 先进计划与调度技术（APS）

先进计划与调度是MES中特有的应用软件和集成技术之一。它是利用最优化方法对流程企业生产单元的每个生产方案进行具体分析计算，以指导原材料购买、生产操纵等，并提供企业的年度、季度、月度乃至每周、天天生产计划，使之成为企业利润最大的生产方案。APS包含三大类任务：任务分配；任务和资源的协调；工作调度和控制。APS在进步企业经济效益方面的潜能是巨大的，它能及时响应客户要求，快速同步计划，提供精确的交货日期，减少在制品与成品库存，并发考虑供给链的所有约束，自动识别潜伏瓶颈。进步资源利用率，从而改善企业的整体生产治理水平。

2.1 计划调度系统的基本特征

流程产业的生产计划调度系统是一个层次化的分布式系统，其上层是计划层，根据对企业生产发展、市场对产品需求和原料供给情况及猜测，制定比较宏观的生产计划和生产调整方案。其下层是调度层，根据工艺切换、生产设备的运转、原料的供给及储运、公共资源的波动等情况，把计划阶段所确定的生产需求计划分解为具体调度计划，制定产品在处理设备上的加工顺序及相应的资源的短期分配方案，以优化某些经济的或系统的性能指标。流程产业的生产过程具有非线性、随机性、不确定性等多种特性，所以流程产业计划调度是一个混合型的决策题目。这种混合既包括同层混合，也包括递阶层次之间的混合。

2.2 国内外研究

由于流程产业生产计划与调度题目具有大规模、多目标、复杂约束和动态不确定等特征，常规的建模和优化方法难以直接运用，而采用人工调度方法又难以实现资源公道调配和作业优化排序，因此，探讨适合流程产业生产计划与调度的建模优化和有效的求解方法成为急待解决的关键理论题目。目前国内研究主要集中在这两个方面。一些大学和科研单位作为学术研究，开发了一些专用的计划调度软件系统，但未形成贸易化产品。

2.2.1 计划与调度的建模优化

根据国内外的文献，流程产业计划调度建模题目有不同分类。对于流程产业的中长期计划既要考虑规划周期内不同时间原料、产品市场的波动。又要考虑在不同的时问投资额的限制，常采用规划周期内净现值（Net Present Value）最大为中长期计划模型的目标函数；对于短期计划，常采用基于经济的目标函数如生产利润最大或总体生产用度最小。而根据数学建模方法不同可将调度模型分为分解模型、混合整数规划模型（MILP）、混合整数非线性规划模型（MINLP）、混合模型（MILP／CP）等。国内外的研究者提出了各种模型，南京航空航天大学的周万坤等提出了基于工作流治理系统的集成化生产计划与调度系统模型，西南交通大学的姚建明等针对大规模定制模式下供给链计划调度题目提出了完整的随机多目标动态优化数学模型，在某铁路机车制造团体进行了仿真计算研究，取得良好效果。西安交大的徐和同等给出一种多阶段生产制造系统的生产计划与调度综合模型，采取分解与交互逼近的方法求解，得到生产计划与调度的局部最优解，并且是实际可操纵的。清华大学的何霆构造了先进制造车间（Advanced Manufacturing Shopfloor（AMS））计划调度题目的集成功能模型。结合此模型，建立了AMS的作业分批与计划调度的数学模型，并给出了求解此类题目的常用算法。宝山钢铁股份有限公司汤洪博重点分析了钢铁企业制造执行系统MES中常见的两种计划治理模式。中南大学的朱灏等提出待料型生产系统的概念，并建立待料型生产计划与调度优化的三个层次的数学模型：综合计划模型，生产调度模型和工艺优化模型。新加坡的William Liu．T J Chua基于半导体装配线提出了计划调度集成模型，主要侧重于APS和EfuP以及APS和MES的连接部分的研究。

2.2.2 计划与调度模型的算法求解

对于解析类计划调度模型，随着装置数、任务数、感爱好时间段的增加，解析模型规模急剧增大，现已证实流程产业调度题目多是NP困难。随着题目规模的增加，混合整数规划（MILP）的计算时间呈指数增加，常不能求出最优解。现在文献报道的各种调度求解算法主要分为启发性方法和基于优化的方法两种，启发性方法通常包括搜索方法（如遗传算法、模拟退火算法、禁忌搜索、基于规则的调度、约束满足调度、基于仿真的调度等）。适用于较大规模的流程产业调度题目。基于优化的方法仅适用于中小规模调度题目。评价一种计划调度算法可根据解的特性，适用性，可扩展性，鲁棒性。复杂性等指标来衡量。国内研究者提出了多种模型的求解算法。例如，大连理工大学信息与控制研究中心覃一宁提出了一种流程产业生产计划与调度系统开发的组态平台技术方法。该方法以图形化组态的方式对系统进行设计和开发，并可以链接各种定制的算法，达到快速天生系统软件的目的。上海宝信软件股份有限公司魏震，何浩然针对MES中的炼钢动态调度系统题目，提出分而治之后进行领域搜索的启发式算法，描述了针对不同扰动的动态调度方案，在不锈钢厂的应用有好的效果。此外针对不同行业特点很多专家学者都提出了不同的方案，例如南京航空航天大学张万礼针对以多品种、小批量生产为特点的车间采用排队论的优化方法，降低诸多随机因素的干扰，提出将静态计划和动态调度相结合的模型方法。东南大学自动化研究所的严洪森等中提出多种新方法来解决汽车装配车间生产计划与调度的同时优化题目，大连理工大学CIMS中心的刘晓冰等针对钢铁行业特点提出了基于产业流程及其优化的MRPⅢ生产计划治理的解决方案。东北大学物流优化与控制研究所的唐立新更是发表多篇文章大部分针对钢铁行业的特点。综述了我国在钢铁生产计划与调度的理论与方法方面的研究成果，提出了多种算法。包括炼钢一连铸生产调度题目，炼钢车间的生产调度题目，热轧生产调度题目，以及板坯最优倒垛题目。

3 存在的主要问置及发展趋势

3.1 现存题目

（1）集成能力差：各模型均为独立开发，但尚不具备多装置流程模拟、先进控制和过程优化的条件，在总体上不具有竞争力。
（2）模型通用性差：所开发的模型往往是针对单独的企业的特定装置而开发，推广应用的适应性不强。
（3）产品化能力差

3.2 未来趋势及方向

随着市场全球化和21世纪流程企业运作模式发生深刻变化，作为企业中生产活动的组织和治理中心的计划调度系统出现了新特征，下面从三个方面提出了流程企业计划调度技术的发展趋势：

系统结构：面向供给链的智能计划调度系统结构和协同计划建模技术会逐渐成为研究热门。在供给链战略设计时充分考虑流程产业中生产网络布局与调度题目密切联系，将与调度有关的约束融进最优供给链系统的设计可大大减轻过程的投资用度。

建模优化：进一步改进混合模型的结构，进步求解算法性能，扩大混合模型的应用范围，将来混合模型有希看成为高效解决流程产业调度题目通用方法。

智能求解：研究高效并行或分布式优化算法以进步面向供给链的协同计划同题的求解能力。

综上所述，计划和调度的今后的研究方向应集中考虑通用性，计划编制的最优性，生产过程的正确模拟以及动态调度的实时性几个方面


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