项目型制造企业多级生产计划与产品数据建模研究*

刘晓冰 董家伟 张晓雨

(大连理工大学管理与经济学部，辽宁 大连 116024)

0 引言

项目型制造是大中型制造企业选用的重要生产类型，是一种典型的以客户订单为驱动的复杂而独特的生产模式[1]。典型的项目型制造企业包括汽车模具企业、大型机械设备制造企业、大型发电设备制造企业等[2]。在项目型制造企业中，每个订单可以看成一个项目，按照产品项目组织生产管理，从而最大限度地满足市场和客户的需求。项目型制造企业的产品定制化特点决定了其产品结构、加工工艺、生产组织结构等具有较高的复杂性，企业难以建立清晰的产品数据库，从而导致生产计划管理粗放、计划与企业实践脱节等问题。因此，如何构建适用于项目型制造企业的生产计划管理方法，并建立面向生产计划管理过程的完备产品数据库，是这类企业目前面临的难题。

企业在早期多采用MRP/MRPII[3-4]、TOC[5]、JIT[6-7]等理论的混合管理模式和计划方法，但传统的ERP等生产计划模式不能很好地解决大型复杂产品的单件小批生产计划与管理问题，因此项目管理的理论和方法后来逐渐在项目型制造企业中得到应用。该模式将项目计划作为主线，把生产计划管理的重点从以MRPII/ERP体系为核心的零部件级生产计划向面向客户交付的产品项目转移[8]，同时该模式下的生产计划方法以网络计划为主，并融合了MRP、TOC、JIT等方法的应用[9]。康宏达[5]集成了ERP理论、TOC计划与控制理论等，提出了项目型制造企业的计划与控制方法。周雪[10]利用网络技术理论、约束理论、关键链理论等构造了项目型制造企业的计划管理体系与方法。上述文献中的混合计划方法更加贴近项目型制造企业的生产计划管理需求，但尚未很好地解决不同计划方法、不同层级计划之间的衔接问题。

产品数据模型是指覆盖产品整个生命周期、能被计算机理解和处理的、能唯一描述产品的数字化表达[11]。建立完备的产品数据模型是项目型制造企业实现有效生产计划管理的前提。现有关产品数据模型的研究多围绕物料清单(Bill of Materials, BOM)展开。程好秋等[12]提出了一种面向动态订单的产品BOM模型构建方法，该模型能快速配置出订单型BOM，从而快速响应客户订单定制要求。鲁玉军等[13]在分析产品特点的基础上，给出了实现其大批量定制的产品开发设计系统框架。现有文献侧重于项目型制造企业的产品配置和数据管理，很少有文献聚焦在生产计划视图下，研究面向多级生产计划过程的产品数据模型。

在现有文献的基础上，本文从产品维度和生产组织维度出发，建立了面向项目型制造企业的四级计划管理模型；然后采用面向对象的建模方法，构建了面向多级生产计划的产品数据模型。

1 项目型制造企业的生产特点与计划管理问题分析

项目型制造企业的特点主要有：

(1)产品结构复杂，产品一般由成千上万个部件和零件组成。

(2)多品种、单件小批量生产，个性化程度较高。

(3)强调以订单驱动进行生产，每个订单会对应唯一的一组物料清单和工艺路线。

(4)每一笔订单需要重新设计，设计周期长，企业往往会先依据标准产品期量制订生产计划，待设计完毕再按照设计后的产品数据进行排产。

为了更加贴合项目型制造企业的生产管理特点，本文在产品实体结构的基础上引入加工装配单元(Processing and Assembling Unit，PAU)的概念。下面给出PAU、PAU工艺节点、主件等概念的界定。

(1)加工装配单元。具有空间关系、装配关系等逻辑关系的零部件加工装配过程集合，一般以一个实体主件为核心。PAU是虚拟关系，是包含底层零部件在内的所有工件加工装配过程的聚合，是企业级部门制订计划的依据。

(2)PAU工艺节点。PAU一般需要经过多个分厂流转，因此将PAU在每个分厂的标准加工装配过程的集合称为一个PAU工艺节点。

(3)主件。PAU所包含的最顶层的部件，是PAU下所有工件加工装配过程聚合后的交付物，可以理解为虚拟PAU所对应的最终实体。由于每个PAU都需要经过多个PAU工艺节点，因此每个分厂所交付的最终实体叫作分厂主件。

产品结构、加工工艺和生产组织结构的复杂性决定了企业生产计划管理的难度，导致这类企业无法在一个级别维度上制订出全部的生产计划。MRPⅡ计划(Manufacturing Resource Planning)是一个典型的自上而下的“推式”生产计划系统，包含主生产计划(Master Production Schedule, MPS)、粗能力计划(Rough Cut Capacity Planning, RCCP)、能力需求计划(Capacity Requirement Planning, CRP)、物料需求计划(Material Requirement Planning, MRP)和车间级生产作业计划[14]。可以说，在批量制造企业中，MRPⅡ计划可以发挥较为积极的作用。然而，项目型制造企业面向订单设计、由订单拉动生产，传统的MRPⅡ计划体系由于具有需求预测、推式排程、固定物料清单和提前期以及考虑库存等特点，使其不完全适用于项目型制造企业的生产计划管理。如何将MRPⅡ计划与项目管理方法联系起来，并实现不同计划层次之间的合理衔接，使其适用于这类项目制造型企业的生产计划特点，是目前管理上的一个难题。

2 基于网络计划与MRPⅡ体系的项目型制造企业四级计划管理模型

本文根据项目型制造企业的生产特点，从产品结构与生产组织结构两个维度出发，融合项目管理中的网络计划方法与生产管理中的MRPⅡ体系，建立了适用于项目型制造企业的四级计划管理模型，见图1。各级计划的编制粒度由粗到细，编制和执行组织自上向下，并实现了各级计划的耦合连接。

2.1 项目网络计划

项目型制造企业每一个产品的生产过程都可以视为一个项目。企业生产部针对并行的多个项目，采用网络计划技术，以PAU工艺节点为网络图的节点，在PAU工艺节点对应的关键设备平衡的基础上，依据PAU工艺节点间的依赖关系，生成项目网络计划，即PAU工艺节点计划。

PAU可以表达为一个六元组，即PAU={Project_ID,PAU_ID, Process, Dependency, X_time,X_equip}；Project_ID为产品项目的唯一标识，PAU_ID为该PAU的标识，Process为PAU工艺节点集合，Dependency为两项PAU工艺节点之间的紧前紧后依赖关系，X_time为该PAU工艺节点的总体工期，X_equip为其所需要的关键设备资源。在生产部制订PAU工艺节点计划的过程中，通过甘特图显示出分厂节点所对应的关键设备的占用。除此之外，项目网络计划图还包含生产技术准备计划与工装准备计划，为设计部和工艺部进行产品和工艺设计提供时间依据，进而为底层分厂、车间的计划编制提供设计数据的支撑。

将PAU工艺节点计划以年度为时间单位进行归结，生成企业年度生产计划，是企业级生产指挥部门协调下级各个分厂生产计划、控制各个分厂生产进度的总依据。按照PAU工艺节点对应的分厂，将企业年度生产计划下发到各个分厂，即为分厂PAU交货计划。分厂PAU交货计划相当于企业级的MRP计划，同时又是分厂级的生产任务来源，为各个分厂指定了PAU任务的交货期。

第一层计划的生产组织结构维度定位在企业级，产品结构维度定位在PAU级，采用了项目管理中的网络计划技术，使用的产品数据为标准产品期量，包括标准产品PAU结构与PAU标准工艺表。

2.2 分厂月度主生产计划

以分厂为计划编制的独立主体，参照MRPⅡ计划方法，接收到的分厂PAU交货计划可以视为MRPⅡ计划体系中的最终产品订单，以PAU交货期为最终目标，进行分厂内部的关键设备能力平衡后，生成该分厂的月度主生产计划。由于PAU是虚拟概念，因此用PAU下的分厂主件替代PAU编制MPS，生成该分厂主件的投入产出计划。与传统MRPⅡ计划中MPS面向最终产品所不同的是，该MPS面向的对象仅是分厂所要向企业交付的最终产品，是企业最终向客户交付产品的一部分主件，因此可称之为分厂主件MPS，见图2。

分厂主件MPS的编制结果要实时共享给企业生产部，当分厂PAU完工后需要向生产部报工，使得生产部可以实时查看分厂主件MPS的编制和执行情况，避免PAU拖期。如此，企业年度生产计划与分厂月度主生产计划便可以实现协同一致、融会贯通。

第二层计划的生产组织结构维度定位在分厂级，产品结构维度定位在分厂主件级。以分厂为独立主体编制MPS，借鉴了MRPⅡ计划方法，并结合项目型制造企业的实际业务进行改进。由于分厂主件MPS面向PAU下的分厂主件，粗能力平衡涉及主件的工艺路线，因此该层计划使用的产品数据为设计后的制造BOM数据，包括制造BOM零部件结构表与制造BOM零部件工艺表。需要注意的是，该层计划所用到的制造BOM数据与第一层计划所用到的标准产品期量数据要建立关联关系，保证两级计划之间数据维度的统一。

2.3 分厂物料需求计划

以分厂主件MPS为输入依据，按照主件的工艺路线所需物料情况进行BOM拆解，在对分厂内部所有设备进行细能力平衡之后，生成分厂MRP计划，即该PAU下的所有零部件的投入产出日期。根据自制件和采购件的划分，又可以将分厂MRP计划分为零部件生产作业计划与采购、外协计划。在传统的MRPⅡ计划体系中，从产品的MPS完工日期出发，按照产品的装配提前期倒排，确定产品装配的开始日期，即下一层级物料的完工日期，依次往下展开计算，根据提前期确定每一层级物料的投入产出日期。由于产品的主件装配时间很长，要在装配开始之前备齐所需要的所有零部件，不仅会造成在制品库存积压，而且会大大延长生产周期。因此在该层计划中，舍弃了MRPⅡ计划体系的固定提前期概念，按照上一层级工件加工工序对下一层级工件领料的时间，确定下一层级零部件的产出日期，采用倒排的方式，确定每一层级零部件的投产日期，绘制网络图(图3)。

第三层计划的生产组织结构维度仍然定位在分厂级，产品结构维度定位在零部件级。在原有MRP计算方式的基础上进行改进，融合准时制思想，消除库存因素在MRP计算中的作用，得到的MRP编制方式更加贴近项目型制造企业的生产实际情况。该层计划使用的产品数据为设计后的制造BOM数据，包括制造BOM零部件结构表与制造BOM零部件工艺表。

图3 分厂主件MRP计划编制逻辑注:加工流由前往后进行,计划流由后往前倒排。

2.4 车间工序调度

车间根据上一层级零部件生产作业计划给定的零部件投入产出日期，以制造BOM和制造资源为基础数据，进行工序调度。工序调度需要考虑每一个资源组的能力平衡，依据一定的排产规则，生成零部件每一道工序的资源分配与开始、完工时间。由于项目型制造企业存在制造柔性，因此在车间工序调度的过程中要考虑工艺等柔性问题。

第四层计划的生产组织结构维度定位在车间级，产品结构维度定位在工序级。该层计划使用的产品数据同样为设计后的制造BOM数据。

以上构建的项目型制造企业四级计划管理模型以MRPⅡ计划体系为基础，但又与MRPⅡ计划存在显著的差别，区别如下：

(1)MRPⅡ计划体系属于“推式”计划，计划来源为市场需求预测和客户订单。由于中长期需求预测误差较大，为了减少库存短缺造成的损失，因此在计划编制过程中会考虑较大的安全库存和较长的生产提前期。而项目型制造企业完全由订单拉动生产，在计划编制过程中不必考虑库存。

(2)整个多级计划模型以产品项目为驱动，在企业级引入PAU的概念，构建以PAU工艺节点为基本单位的网络计划，在不具备产品设计数据的项目计划层采用标准产品期量排产，排产结果相当于企业层的MRP计划，同时也相当于分厂层级的产品订单任务。

(3)MRPⅡ计划体系采用固定的BOM、工艺路线和提前期，导致排程方案很难在现实中直接应用。在本文建立的四级计划管理模型中，生成分厂主件MPS、MRP所用到的都是面向订单产品设计的BOM和工艺路线，并与企业级生产计划使用的标准产品期量数据建立关联，符合这类企业面向订单设计的生产模式。此外，融合了准时制思想、由上层部件的工序所需物料时间确定下层零部件的产出日期，而非采用MRPⅡ的固定提前期向前推算，更加符合项目型制造企业的生产特点。

项目型制造企业四级计划管理模型离不开产品等基础数据的支撑，完备的产品数据是实现多级计划合理运行的前提。因此，下文将对面向多级计划过程的产品数据建模展开研究。

3 面向多级生产计划的产品数据建模

由企业多级计划管理模型可知，项目型制造企业在计划编制过程中涉及大量不同类型、结构复杂的产品数据，面向过程等建模方法容易出现不同层次计划之间的数据结构不一致问题，无法满足项目型制造企业的多级生产计划需求，因此本文采用面向对象的建模技术构建产品数据模型。

制造BOM反映了由产品、部件、组件、零件相互依赖关系组成的产品结构树，分别从不同角度描述了产品的零部件结构和加工过程中的工艺信息，在编制生产作业和调度计划以及物料管理等ERP和MES领域中起着核心数据的作用[15]。在项目型生产环境下，每个产品的结构都存在差异，如果针对每一个产品建立制造BOM，虽然可以满足客户的个性化需求，但是归属于同一类别的大量结构高度相似的产品制造BOM会存在大量的数据冗余，制造BOM数据的一致性也难以保证[16]。为提高面向订单设计的产品数据的信息组织和管理效率，采用面向对象建模中“类”与“对象”的概念，分别对企业级生产计划所需要的产品PAU级标准期量与分厂、车间级生产作业计划所需要的零部件级制造BOM构建模型。

3.1 加工装配单元级标准期量数据构建

最先需要确定产品类和对象。以大型发电设备产品为例，确定项目型制造企业产品的基类(汽轮发电机产品类、水轮发电机产品类和风力发电机产品类等)，由基类派生出若干子类(30MW汽轮发电机产品类、60MW汽轮发电机产品类等)，最终的对象是面向不同客户订单的具体产品，用Product_ID表示其产品代码。类具有特定的属性，类下的对象会继承类的全部属性。在产品制造过程中，可以针对从属于同一个子类的产品建立同一套标准产品期量模板(用Standard_product表示)，因此当企业接到新产品订单，做企业级生产计划时，可以直接继承其所属子类的标准期量属性，包括标准产品PAU结构与PAU标准工艺。构建产品对象的属性数据表(表1)，该数据表描述了产品所属的子类和基类，以及该产品对应的标准期量。

表1 产品对象属性数据表

产品对象的标准产品期量属性可以分为标准产品PAU结构与PAU标准工艺，因此表2的“Standard_product”字段又可以关联两个子表。

用集合PAU表示产品下的加工装配单元。即

PAU={{(x1,1)},{(x1i,1),i=1,2,…,m},{(x1ij,1),j=1,2,…nm},{(x1ijk,1),k=1,2,…nml}}

PAU集合由四个子集构成，表示产品的四层PAU构成关系。第一层虚拟PAU为总装配，用x1表示；第二层PAU用符号x1i表示；第三层PAU用符号x1ij表示；第四层PAU用符号x1ijk表示。各个虚拟PAU的数量均为1。

任意两个虚拟PAU的父子装配关系可以用三元组表示。即

由PAU集合可知：z1,1i=1(∀i∈m),z1i,1ij=1(∀j∈nm),z1ij,1ijk=1(∀k∈nml)。

依据上述标准产品PAU结构数学模型，采用复合型BOM构造方法，构建产品与虚拟PAU之间装配关系的数据结构，见表2。复合型BOM构造方法结合了单层与多层两种构造方法的特点，采用“产品代码Product_ID”“父件代码Parent_ID”“父件版本Parent_version”“子件类别Child_type”“子件代码Child_ID”“子件版本Child_version”“装配数量Quantity”“层次码Level”8个字段来表示，该数据表通过“Product_ID”字段与产品属性数据表建立关联。其中，版本“001”表示标准期量版本，产品PAU结构关系均为标准期量版本。

表2 标准产品PAU结构数据表

标准产品PAU结构中的每一个PAU都具有工艺信息，即PAU在各个分厂的标准加工装配过程——PAU工艺节点，是企业级项目网络计划排产的基础输入数据。PAU的工艺属性包括工艺版本、工序编码、PAU工艺节点名称、工时定额、关键设备制造资源等。PAU的xi的节点名称代号为Oir,r=1,2,…,ri,ri≤nfactory，表示PAU的xi的加工装配过程共经过ri个分厂节点，节点的数量小于等于分厂总数nfactory。节点Oir的总工期为Tir，节点用到的企业关键设备资源组为Mu,u=1,2,…,g，表示企业所有的分厂共包含g个关键设备资源组。

PAU的工艺属性用7个字段“PAU代码Child_ID”“工艺版本X_version”“工序编码X_number”“PAU工艺节点代码Process_ID”“节点分厂X_factory”“节点总工期X_time”“关键设备X_equip”表示，部分PAU节点不占用企业级关键设备，因此该字段取值可能为空。对任一xi∈PAU，其工艺属性在PAU标准工艺表中都会有确定的取值。构建PAU标准工艺数据表(表3)，说明PAU的x11依次经过分厂1，2，4，6四个分厂节点，完成整个加工装配过程，其中在分厂1，4分别要用到企业级关键设备M1，M3，因此在做企业级生产计划的时候需要考虑这三个关键设备的能力平衡问题。该数据表通过“Child_ID”字段与标准产品PAU结构数据表建立关联。

表3 PAU标准工艺数据表

3.2 零部件级制造BOM数据构建

当企业项目网络计划图生成的生产技术准备计划与工装准备计划下达给设计部和工艺部时，触发设计和工艺部门对PAU下的零部件制造BOM的设计工作，从而生成分厂级与车间级生产作业计划编制所需要的制造BOM零部件结构表和制造BOM零部件工艺表。即产品对象除了继承类的产品PAU级标准期量属性外，还具有自身所独有的零部件制造BOM属性。

用集合LB表示产品的零部件，零部件集合仍由四个子集构成，分别表示各层PAU所包含的零部件。即

LB={{(y1,a,q1,a),(y1,ab,q1,ab),(y1,abc,q1,abc)},{(y1i,a,q1i,a),(y1i,ab,q1i,ab),(y1i,abc,q1i,abc)},{…},{…}}

式中，y1,a表示第一级PAU的x1下属的第一级部件，其数量为q1,a；y1,ab表示部件y1,a下属的第二级部件，数量为q1,ab；y1,abc表示部件y1,ab下属的第三级零件，数量为q1,abc。

第二、三、四级虚拟PAU的下属零部件同理。

与产品PAU装配关系类似，可以得到任意PAU与其第一级部件之间、部件与下级部件或零件之间的装配关系三元组。即

Z=(y1,y2,z1,2);y1,y2∈LB

根据上述数学模型，通过SQL查询语句的递归方法，构建零部件结构复合型BOM数据结构，见表4。与标准产品PAU结构表类似，零部件结构复合型BOM数据表包含零部件代码、零部件数量、零部件层次码、零部件版本、父件代码、父件版本等信息，其中版本“002”表示设计版本，零部件结构均为设计版本。另外增加了“是否主件Key”“所属PAU的PAU_ID”信息。该数据表通过“PAU_ID”字段将零部件与标准产品PAU结构数据表中的PAU建立关联。

与PAU标准大工序表类似，每一个零部件节点也都具有工艺信息。工艺信息包含工艺版本、工序名称、工时定额、制造资源及所需的物料代码等。由于制造柔性的存在，工序与制造资源是一对多的关系，在企业计划调度的过程中需要再次进行选择；所需的物料代码可能是部件的下级子件，也可能是原材料。

零部件节点yi的工序名称代号为oir,r=1,2,…,ri，表示yi共有ri道工序；每道工序oir的工时定额为tir；工序oir用到的制造资源组为mu,u=1,2,…,e，表示该零部件所在的分厂共有e个资源组，每个资源组可能包含一个或多个相同的设备或工种；工序oir所需物料可能是原材料，也可能是下层零部件yij。

节点的工艺属性用8个字段表示。对任一零部件yi∈LB，其工艺属性在制造BOM中都会有确定的取值。构建制造BOM零部件工艺数据表(表5)，该数据表通过“Child_ID”字段与制造BOM零部件结构表中的零部件建立关联。

上面构建的产品PAU级标准期量数据是产品继承类的共有属性，零部件制造BOM数据是产品独有的属性，二者与产品对象属性数据表共同组成了项目型制造企业的产品数据模型。

3.3 面向多级生产计划的标准产品期量与制造BOM关联

根据企业四级计划管理模型可知，企业会先采用标准产品期量数据编制生产计划，待设计部与工艺部完成产品和工艺设计时，建立设计完毕的制造BOM与标准期量数据之间的关联，再采用更新后的制造BOM数据进行后续的排产工作。

以4个产品数据表为基础，建立PAU标准工艺与制造BOM零部件工艺的对应关系，使得计划体系的标准期量与产品制造BOM数据之间建立关联，见图4。

图4 标准产品期量与制造BOM关系模型

依据上述关系模型，构建制造BOM与标准产品期量关联的数据结构，见图5。

制造BOM零部件结构表中的每一个零部件都要与标准产品PAU结构表中的所属PAU建立关联，使得分厂级的零部件计划可以从企业级的PAU计划中拆解。制造BOM零部件工艺表的每一道工序都可通过所属分厂字段关联唯一的PAU标准工艺节点，确保分厂、车间级的生产作业计划与PAU节点计划的衔接，并且使分厂真实的生产计划进度数据实时反馈到企业的PAU节点计划中。如此，通过标准产品期量数据与制造BOM数据之间的关联，最终实现项目型制造企业不同层级计划之间的合理衔接贯通。

表4 制造BOM零部件结构表

表5 制造BOM零部件工艺表

图5 制造BOM与标准产品期量关联数据结构

4 结语

项目型制造企业与传统的批量制造型企业相比，生产计划管理更加复杂和困难，单一的计划方法不再适用于这类企业的生产计划管理。本文将项目管理领域的网络计划方法融入传统的MRPⅡ系统中，从产品维度和生产组织维度出发，建立了面向项目型制造企业的四级计划管理模型。四级计划过程涉及的产品层级多、结构复杂，为保证多级生产计划的良好运行，需要建立产品与多级计划之间的匹配关系。本文采用面向对象的建模方法，构建了面向多级生产计划的产品数据模型，包含面向企业级生产计划的加工装配单元级标准期量和面向分厂、车间级计划的零部件级制造BOM模型，并建立了标准产品期量与制造BOM数据之间的关联，从而能够较好地实现项目型制造企业不同层级计划之间的衔接贯通。

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