基于UML的钢铁企业APS生产能力计划系统建模

张春生 彭加霖 柏亮

［摘要］ 钢铁企业ＡＰＳ生产能力计划系统是实现产销一体化需求的重要途径。本文对生产能力计划系统的需求进行分析，同时考虑产能、库存、市场等约束条件建立数学模型。在此基础上，分析了系统的体系结构和功能需求，并利用统一建模语言（ＵＭＬ）对系统的用例模型、静态模型和动态模型进行了详细的分析和设计。

［关键词］ 钢铁企业；APS；生产能力计划；UML；产销一体化

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

［中图分类号］F273；TP315［文献标识码］A［文章编号］1673 - 0194（2012）20- 0046- 05

０引言

钢铁生产具有在生产组织上成批加工、物流上离散与连续相混合、产品构成上呈分解形式等特点，难于适应快速的市场变化，尤其随着客户对产品多样化、准时化要求的提高，越来越凸显出了生产组织与客户需求之间的矛盾。这些矛盾主要体现为：销售部门从销售额和市场占有角度出发制订销售计划，为配合销售计划生产中往往产能分配不均，不能充分利用产能优势，辅助设备更换频繁造成生产成本增加；客户交货期无法准确应答，产品交货常出现拖期和提前的情况，企业靠增加中间产品库存来缓解这一问题。

为了解决产销衔接的问题，钢铁企业试图利用信息技术在数据处理及优化计算上的优势，建立了不同层级的信息系统以制订合理的钢铁生产经营计划。ＥＲＰ系统应用ＭＲＰ（Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ Ｐｌａｎｎｉｎｇ）和ＭＰＳ（Ｍａｓｔｅｒ Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ Ｓｃｈｅｄｕｌｉｎｇ）计算物料需求，生成生产计划，但存在无法获取并跟踪生产实绩信息等缺点；ＭＥＳ系统通过生产计划、生产调度、库存管理、质量管理、设备管理、物料跟踪等系统功能，对产品订单、质量、设备、资源等进行全面的动态管理。文献［１］在对ＥＲＰ与ＭＥＳ衔接问题进行分析的基础上，提出了钢铁企业产销一体化的系统框架。

随着ＡＰＳ（Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｐｌａｎｎｉｎｇ ａｎｄ Ｓｃｈｅｄｕｌｉｎｇ）技术的日渐成熟，其受到钢铁企业越来越多的关注［２-３］。钢铁企业ＡＰＳ基于约束优化理论，同时考虑市场、产能、库存、资源、工艺等诸多因素，构建层次性计划体系，逐层解决产销一体化要求下的计划问题。ＡＰＳ弥补了ＥＲＰ编制动态环境下生产计划的缺陷，且实现了ＭＥＳ在计划与排程的优化功能［４-５］。钢铁企业ＡＰＳ包括４个层次的计划，分别为：能力计划、订单计划、批量计划、生产调度［６-７］。其中能力计划在综合考虑市场需求、产品的盈利系数、企业生产能力、市场饱和度、运力限制等因素的基础上，根据合理的优化模型制订出能够统筹配置生产资源和生产时间、实现产销平衡的计划，用于指导生产计划和销售计划，从而在保证合同满足率和设备利用率较高的情况下使企业效益最大。由此可知生产能力计划是实现钢铁企业产销一体化的关键环节。

本文以实际工程项目为背景，针对钢铁企业基于“产销一体化”策略的生产能力计划管理的实际需求，建立数学模型以及ＵＭＬ系统模型，从而辅助决策人员合理地指导生产和销售过程，提升企业的经营管理水平。

１需求分析

钢铁企业的生产能力计划属于中长期计划，通过合理配置生产过程中的共享资源，确定计划期内拟生产的产品以及工艺路径和产量，同时明确最终产品的销售市场和销量，在此基础上指导生产计划和销售计划的制订。在产销一体化的经营策略指导下，生产能力计划不单纯地依据企业的销售合同或生产能力，而是综合考虑产销关系，实现企业效益最大化，因此，系统必须拥有优秀的智能优化算法来确保计算结果的精确性和计算速度的快速性，且良好的人机交互界面是决策人员进行决策和评价的重要保证。基于这种设计思路，产销一体化策略下的生产能力计划系统需要以下６个功能模块。

1.1 盈利能力预测

根据产品的生产和销售历史数据，建立能够综合评价产品盈利能力的指标体系，给出细分到各区域市场的产品盈利系数，得出产品盈利能力方案。为追求长期效益，需同时考虑特殊产品和特殊客户等因素，以便制订出更能符合长期战略规划的盈利能力方案。

1.2 生产能力计划生成

根据决策人员的策略需要，自动编制生产能力计划的核心子系统。钢铁企业实行产销一体化管理模式的核心是在生产和销售过程中合理有效地分配资源，追求效益的最大化。在钢铁生产中，设备产能和资源总量是限定的，且存在资源流向多对多的关系。因此，如何根据销售需求和产能工艺限制合理组织生产，选择产品的最佳工艺路线和销售市场，这是生产能力计划生成子系统所要解决的关键问题。

1.3 生产能力计划评价与跟踪

实现与决策人员直接交互并辅助决策的核心子系统，主要包括以下功能：①对于制订的生产能力计划，自动生成生产资源分配平衡图，直观展示资源在各个生产线的分配流向关系；②提供生产能力计划的对比分析模型，从宏观和微观角度对生产能力计划进行分析评价；③为进一步满足具体需求，决策人员可通过该子系统的人机交互界面直接对计划进行调整；④实时跟踪下发计划的执行情况，识别扰动的非效益因素和人为干扰因素，并采取相应措施。

1.4 生产计划管理

当生产能力计划确认下发之后，系统自动生成生产计划，以指导生产部门有序地组织生产。同时，在生产计划的执行过程中，通过将实际生产情况实时反馈并加以分析，识别出瓶颈工序，进而对生产情况做出实时调整。

1.5 销售计划管理

根据市场需求，基于生产能力计划编制当期销售计划，并指导销售人员挖掘潜在的客户群体。在计划执行过程中，及时反馈销售情况，并根据运输成本、客户群体、人为干预等影响因素的波动，对销售计划进行调整，以响应市场的实时变化。

1.6 业务数据接口

用于维护数据编码与企业其他业务系统之间的一致性，并从生产系统、销售系统、采购系统、财务系统等ＥＲＰ级系统获取生产和销售实绩数据，实现企业内部信息的共享。

２数学模型

３系统建模

３．１ 用例模型

在了解了系统的功能之后，需要获取用例来建立系统的需求模型，并以此来驱动系统的整个开发过程。ＵＭＬ用例图从用户的角度出发描述系统的功能和需求，展示系统外部的各类角色与系统内部的各用例之间的关系，可以很好地描述系统的需求模型［８］。由于生产能力计划系统是处于企业级ＥＲＰ系统与ＭＥＳ之间的是在以往的生产和销售历史数据的基础上，通过合理的预测得到生产能力计划来辅助决策人员指导生产和销售。因此，系统的边界、输入和输出以及主要参与者就明确了。通过进一步识别，可得系统的用例角色主要有４种：ＥＲＰ财务子系统、ＥＲＰ销售子系统、冶金规范系统和决策人员。系统用例图如图１所示，其中：

（1）ＥＲＰ财务子系统的主要责任是依据盈利系数评估模型，并结合生产和销售历史数据，得到各个销售产品的盈利能力预测方案；

（2）ＥＲＰ销售子系统主要负责将各个产品的有效需求量、市场容量及运输能力录入系统，有条不紊地执行销售计划，并将销售历史数据实时反馈；

（3）冶金规范系统主要责任是根据设备的产能约束及故障状况制订出详细的生产能力约束方案，并按计划有效地分配资源和组织生产；

（4）决策人员是系统的主要用户，在其他用户的数据准备工作完成之后，决策人员根据相应的策略算法得出关于生产和销售的生产能力计划，然后导出生产计划和销售计划下达给生产部和销售部，并实时跟踪计划的执行过程，反馈实际结果并进行综合评价。

３．２ 静态模型

在静态建模阶段，将从系统的内部结构和静态角度分析和描述系统中各类实体以及它们内部和彼此间的关系，确定实体功能范围的约束和限定，建立系统的静态模型。其中，类图（Ｃｌａｓｓ Ｄｉａｇｒａｍ）是静态模型的核心，揭示系统的静态逻辑结构，反映出系统的基本框架。

当准备制订生产能力计划时，需要先从ＥＲＰ财务子系统、ＥＲＰ销售子系统、冶金规范系统等业务系统获取产品的盈利能力和生产状况，然后选择相应的策略和算法计算得出生产能力计划，在决策人员对比分析和适当调整之后，最后下发为生产计划和销售计划。因此，系统可抽象出盈利能力预测、策略模型、生产能力计划生成、执行与评价、动态调整、实时跟踪管理等多个类，这些类是实现系统功能的核心部分，如图２所示。其中：

（1）在产销一体化策略的指导下，企业追求效益最大化的同时会注重其他目标的实现，如产能利用率最大化和产品在区域市场的优化分配。另外，由于钢铁行业的现状是产销结合、以销定产和以产定销3种策略共存，因此，决策人员既可以选择适合企业自身发展需要的策略，又可按不同策略制订出长期计划来对比各种经营策略的优点和不足。

（2）不同的经营策略和优化算法得出的生产能力计划是有差异的，通过柱状图、饼图、透视图等形式来展现各个计划的总产量、总销量、总利润、连铸比等综合指标，以及不同计划下各个产品的细节指标差异情况，更有利于做出合理的决策。

（3）在对生产能力计划进行对比和评价之后，决策人员可以有目的地对盈利能力方案、追求策略和算法以及生产和销售约束方案进行修改，快速得到满意的生产能力计划。另外，通过对生产计划和销售计划进行跟踪，可以识别生产和销售过程中的瓶颈环节，便于事后进行控制。

３．３ 动态模型

任何系统都具有静态结构并表现出动态行为，为实现需求中的功能，类之间需要协作，这可用动态结构模型来描述。动态建模的主要任务是在用例建模和静态建模的基础上，分析系统中各种行为发生的时序状态和交互关系，以及各类实体的状态变化过程，从而动态地描述系统行为，反映系统内部对象之间的动态关系。在ＵＭＬ中，用时序图和合作图为交互模型建模，用状态图和活动图为状态模型建模［９］。

由于生产能力计划系统的人机交互性强，且系统从输入到输出有着很明显的时序性和状态转移特征，而ＵＭＬ的时序图能更好地描述对象之间消息传递的顺序性和交互性，状态图则能描述对象在其生存期间所经历的状态序列，引起状态转移的事件，以及因状态转移而伴随的动作。因此，时序图和状态图可以更好地描述生产能力计划系统的动态特性。

３．3．１ 时序图

图３描述了在产销一体化策略指导下，生产能力计划生成时各对象之间的交互情景，主要包括生产能力计划、策略算法、盈利能力方案、销售需求计划、生产能力约束和市场份额约束６个对象，其交互关系如下：

（1）决策人员在制订生产能力计划时，先选择所需的策略算法，根据所选的策略算法，系统会自动进行参数的初始化。

（2）在计算策略和算法确定之后，相应的数据录入接口也就确定了，决策人员必须根据相应要求选择盈利能力预测方案、销售需求计划、生产能力约束和市场份额约束，预览确认之后提交系统计算。

（3）最终计算结果有2种情况：当计算结果正常时，系统提示计划编制成功，保存结果之后会自动生成生产资源分配平衡图；当结果出现异常时，表明所选择的约束条件之间存在矛盾，系统提示决策人员重新选择约束条件并再次计算，直至计算结果正常。

（4）至此，生产能力计划编制完成，决策人员可以进一步评价分析结果或者分解为生产计划和销售计划。

在每个计划期内，决策人员可以根据不同策略和盈利能力预测方案制订多个生产能力计划，通过评价指标来对比分析各个计划的优劣性，得出最满意的计划来指导生产和销售。同时，在生产能力计划制订完成之后，若决策人员对拟定的生产能力计划中部分规格产品的计划产量或各个市场的计划销量发生质疑并要求调整时，根据决策人员要求，重新生成有效可行的生产能力计划，供决策人员下一步决策。在生产计划和销售计划执行过程中，将实际情况及时反馈能合理地评价计划的优劣，为下一次计划的制订做充分的准备，如图４所示。

３．3．２ 状态图

在生产能力计划系统中，从数据准备开始，到选择盈利能力预测方案、生产能力约束、销售需求计划和市场份额约束来生成生产能力计划的每个环节都伴随着状态的转移和事件的调用。生产能力计划的状态图如图５所示。

４结束语

钢铁企业ＡＰＳ计划体系中的生产能力计划兼顾生产和销售各类因素，是解决客户需求与生产组织矛盾的重要途径。本文首先对钢铁企业ＡＰＳ生产能力计划系统的需求进行分析，提出了６个相关联的功能模块，并以数学模型描述关键问题中来自产能、市场、库存的约束。在此基础上，以用例模型分析系统外部的各类角色与系统内部的各用例之间的关系；以类图描述系统的静态逻辑结构，反映系统的基本框架；以时序图和状态图描述系统内部对象之间的动态交互关系。系统的建立符合钢铁企业产销一体化策略的实际需求，既能满足订单需求，提高市场服务水平，又能使企业充分发挥自身优势，将资源集中在利润较高产品的生产上，减少生产盲目性，避免不必要的资源浪费，极大地提高了企业的经济效益。

主要参考文献

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［９］Ｓｏｎｇ Ｅｕｎｊｅｅ， Ｙｉｎ Ｓｈｕｘｉｎ， Ｒａｙ Ｉｎｄｒａｋｓｈｉ． Ｕｓｉｎｇ ＵＭＬ ｔｏ Mｏｄｅｌ Rｅｌａｔｉｏｎａｌ Dａｔａｂａｓｅ Oｐｅｒａｔｉｏｎｓ［Ｊ］． Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｓｔａｎｄａｒｄｓ ａｎｄ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅｓ， ２００７， ２９（３）： ３４３－３５４．