复杂定制化装备生产计划模式在信息系统中的实现

许昌加

（中国铁建重工集团有限公司 湖南省长沙市 410100）

1 背景和意义

装备制造业在国民经济发展中具有举足轻重的地位。《中国制造2025》的出台要求着力发展装备制造业，提升装备、制造智能化水平[1]。生产计划模式是实现智能制造按需定制业务目标的重要组成部分，只有采用数字化、在线、适配的计划模式才能真正实现智能制造；同时生产计划是生产制造的核心职能，也只有通过制定科学、合理的生产计划发现、消除生产瓶颈，减少中间浪费环节，提升生产顺畅度、均衡性，缩短生产周期，才能更好满足复杂定制化装备的需求，实现对市场的快速反应。传统大规模制造、流水线生产、基于计算机的纯MRPII 等都无法满足复杂定制化装备需求或者不具备实施条件。大部分地下工程、海洋装备等大型装备制造企业在做好产品设计的同时，也在积极探索智能制造新模式，通过数字化提升生产管理水平，但是由于产品的高度复杂性、个性化特征显著，无论是生产计划管理还是数字化转型，成功、成熟的案例不多。本文基于多年生产计划管理和数字化建设实践，提出了基于项目网络计划和MRPII 的混合生产计划模式，并通过信息化系统落地，已实现较好的应用效果，对复杂定制化装备行业的生产计划管理和信息化建设具备一定参考和推广意义。

复杂定制化装备属于大型单件或小批量离散式生产，具备以下一些典型特征[2]：

（1）复杂化。产品体积庞大、结构非常复杂，物料清单（BOM）层级和数量庞大。

（2）技术含量高。兼具机械、电气、液压、声、光、电等多种学科。

（3）个性化。由于装备作业环境复杂，对每台设备要求可能都不一样，产品个性化程度高。

（4）定制化。装备高度个性化决定了几乎每台产品都必须重新设计，然后组织生产。

（5）修改频繁。装备作业环境无法精确界定，客户参与产品全生命周期，在研发、生产、服役等业务环节随时会根据客户需求修改。

（6）“三边工程”。定制化设计加上修改频繁，特别是为缩短交期提升市场竞争力，产品需要边设计、边生产、边修改。

（7）生产周期长。一般需要几个月甚至跨年。

（8）项目式生产。单台产品生产多采用项目制方式，且多项目并行。

（9）工艺流程复杂。生产过程工序多、工艺流程复杂，主要包括下料、机加、焊接、部装、总装等典型环节，且为离散工位式生产，很难形成单台流，下料、机加、焊接等制造环节主要依靠设备与人员，部装、总装等装配环节主要依靠工位（大型场地）和人员。

（10）采购计划类型多样。零件品种和规格型号变化大且采购周期不一致，长周期物资为满足交期需在签约前或图纸下发前即开始采购，基于主生产计划的MRP 无法满足需求。

2 国内外研究现状

MRPII（制造资源计划）是在MRP 的基础上发展而来，MRPII进一步扩展了计划管理体系，含括了从宏观到微观，战略到战术的各层级计划模块，即：经营规划、生产规划、主生产计划、物料需求计划、生产作业控制，五个计划层次，其核心仍然是将企业的制造资源和经营任务的需求进行平衡，以产品BOM 结构为基础，统筹各类生产资源要素，如生产设备、人力资源、加工能力，以及外部物料供应等，通过MRP 供需关系和能力平衡运算形成主生产计划，进而逐层分解出下阶作业计划。MRPII 既是一种管理模式，也是一种信息系统，目前应用比较成熟，是各类ERP 产品的核心功能。

传统MRP/MRPII 解决方案，在应用于复杂定制化装备的生产实践中时，面临几个应用难题[3]：

（1）MRP/MRPII 需要完整的BOM 和工艺路线作为输入，而如上1 分析，复杂定制化装备边设计、边制造情况普遍，即使可以对部分发布BOM 运行MRP，但是无法生成未发布BOM 的生产节点，而多项目并行的生产模式，需要管理项目计划的所有节点，即使某节点的BOM 没有发布，依然需要基于产品生产节点、设计进度和产能进行整体项目计划评估。

另外MRP 主要的运行模式是自顶向下逐层运算，在BOM 设计未完成情况下，BOM 不能发布，只能对发布的下层BOM 单独运行MRP，这也提升了MRP 运行和计划管理的复杂性。

（2）复杂定制化装备往往采用项目制管理方式，涵盖项目立项、设计研发、生产制造、成品发运、现场组装调试等各环节，其中尤其是生产制造环节高度离散，生产节点交错情况多，且修改频繁，传统MRPII 很难对此业务进行逼真建模，更难满足频繁修改计划节点需求。

（3）MRP/MRPII 基于无限产能的计划排程，未考虑生产企业的实际人工、设备、工位等资源对计划执行的约束；复杂定制化设备在实际生产中，往往多个项目订单同时进行生产，不同项目订单的交期，生产周期不一致，在生产组织过程中，计划管理部门既要考虑所有项目订单的工期，物料供应保障，场地占用、设备、人员等生产要素制约，还要考虑不同制造单元、分厂、供应商之间的生产协同。因此必须引入排产算法和系统，实现多项目的产能平衡和计划排程。

3 研究内容与技术架构

3.1 复杂定制化装备混合生产计划模型

主生产计划：利用项目管理的思路，每台主机为一个项目，构建单台主机采购‐制造‐部装‐总装‐调试‐验收‐发运的整体节点计划，每阶段一个节点，每个节点可以根据管控粒度需要向下层分解。

项目网络计划：单项目主机生产计划。

月度滚动计划：多个项目网络计划经过产能平衡后形成的多项目计划。

物资计划：主机或部件挂载在项目上，产生项目需求，经过运行MRP 自动生成的计划，包括自制计划和采购计划。

自制计划：包括装配（部装、总装）计划、制造（下料、机加、焊接）计划，两者经过产能平衡排产后形成生产作业计划。

采购计划：采购件采购计划。

总体思路如下：

（1）将复杂定制化装备生产计划分为主生产计划和物资计划两级。

（2）主生产计划借鉴项目管理的思想，通过项目和WBS 构建主机主要生产节点的网络计划。每类产品设置一套项目模板，模板包括WBS 节点、节点节拍、节点之间关系、节点所需产能资源等要素。当创建一个主生产计划时，根据模板复制，并通过节点关系实现不限产能的预排。由于计划编制和排程完全不需要BOM 和工艺路线，因此解决了BOM 分批次下发的问题。

（3）基于产能模型，将多个项目网络计划进行产能平衡，形成多项目滚动计划。

（4）主生产计划主要是大节点计划，具体的生产、采购计划指令依然通过物料管理方式。通过将主要部件物料挂载在项目节点下面，产生物料需求，通过MRP 运行产生物资计划。物资计划执行的结果反写项目节点的进度，从而为多项目计划排程提供项目产能释放的输入。项目挂载哪些部件、挂在哪个节点根据具体的产品结构、项目结构、BOM 分批发放规律来定，一般来说挂载部装件即可。

（5）通过MRP 运行出装配计划、制造计划和采购计划。通过对装配计划和制造计划进行产能平衡排程形成生产作业计划。

（6）复杂定制化产品物资种类多，为及时满足制造和装配需求，需要根据采购提前期对采购物资进行分类，对不同类的物资采取不同的计划策略。具体方案在3.3.2 章节体现。

图1：复杂定制化装备混合生产计划模型

3.2 主生产计划

主生产计划简称MPS，主要是为了提高销售和经营规划与生产规划的一致性，实现销售与生产的平衡匹配[4]。在复杂定制化装备制造企业中，按照典型的项目制进行生产，同时多个项目会并行生产，为了提高交货的及时率和项目的整体把控能力，需要借助主生产计划实现对项目节点计划编制、执行跟踪等工作。按项目的实际建设过程，主生产计划包括了项目立项、采购、制造、部装、总装、调试、发运等项目网络节点。图2 是某复杂定制化装备制造企业的主生产计划结构图。

图2：主生产计划结构图

主生产计划主要是为了核算生产制造对市场需求的满足能力，能够提前与客户协商交期不能满足的项目。根据客户要求的交货日期、产品结构模板、各节点标准节拍等要素编制主生产计划，在制定主生产计划后，在每个项目网络节点分配生产资源信息。根据班组、工位等生产资源，实现基于有限产能的主生产计划编排。在产品BOM、工艺数据下发后，生成工单与主生产计划中的作业点关联，获取产能占用情况，通过报工及时释放产能占用，为网络计划排程提供基础。

3.3 物资计划

在离散制造行业，主生产计划和物资计划是相辅相成，物资计划由主生产计划驱动产生，如图3所示。

图3：生产计划与物资计划

在项目网络计划中，将分批次发放的产品大部件挂载在相应项目节点上，产生大部件需求，根据BOM 结构，通过MRP 运算后产生大部件所有层级的物资计划。根据自制件和外购件属性划分，又可分为自制件计划和采购计划。

图9：项目节点挂装物资

3.3.1 生产作业计划

生产作业计划顾名思义就是企业生产的具体执行计划，通过规划各车间、工位、设备、班组、时间等资源组织企业的日常生产活动，充分协调相关资源，组织企业均衡生产，提高资源的利用率[5]。

在复杂定制化装备企业中，生产作业计划包括装配计划和零部件制造计划，根据制造车间的生产能力，准确的排出生产车间的执行计划[6]。依据上层自制件物料需求计划决定零部件的完成日期，从工艺路线中获取设备机台、工序节拍等资源，按照保证交付节点同时满足设备最大利用率的原则，首先倒排出工序的作业计划，第二步将超出预计时间的订单转正排并给出预计完成时间，第三步给出外协建议清单，第四步人为挑选外协订单后重新进行工序作业排程计算，如图4所示。最终将每个订单分配到具体的设备、班组上，通过MES 系统的派工单，实现生产任务下发和完工汇报。

图4：生产作业计划流程图

3.3.2 采购计划

采购计划按照物资类型和计划模式，分为战略物资计划、长周期项目物资计划、常规项目物资计划、储备物资计划。

3.3.2.1 战略预投物资

复杂定制化产品中某些关重件（一般为进口件）采购周期很长，如果在设计完成后再组织采购，则很可能影响产品按时交付，因此在有比较可靠的销售预测信息后，即安排预先采购。

战略物资预投计划实现方案：

（1）根据销售预测信息创建计划独立需求(PIR)，触发生产或采购[7]；

（2）在项目立项和设计完成后，通过上层物料物资计划产生的相关需求（DepReq）消耗PIR。如图5所示。

图5：战略物资预投计划逻辑图

在产品设计前，通过独立需求实现战略物资的采购，在产品设计完成后，通过上层物料计划产生的相关需求实现独立需求的扣减，防止过多采购。

3.3.2.2 长周期项目物资

在产品合同签订后，为了及时交付产品，同样要对一些采购周期相对较长物资提前采购，我们称之为长周期项目物资。

长周期项目物资计划实现方案：

（1）对此类物资进行结构化“封装”，封装后的包物料称为AP 物料，并添加到产成品BOM（未最终发布）中；

（2）通过项目与产成品的关联关系，将AP 物料BOM 中的长周期项目物资自动挂载到项目特定节点下；

（3）项目自动产生网络预留需求，运行MRP 后得到平衡库存后的长周期项目物资计划；

（4）在产品或其大部件完成设计并挂载在项目节点上后，通过其展开的BOM 需求自动扣减之前的网络预留需求。如图6所示。

图6：长周期项目物资计划逻辑图

在产品设计前，通过物资自动挂载项目，运行MRP 产生物资计划；在设计完成后，根据BOM 需求自动扣减之前的项目网络预留需求，防止过多采购。

3.3.2.3 常规项目物资

常规项目物资即在产品或部件完成设计后，根据BOM 驱动采购或生产的物资，一般为采购周期不太长物资，根据常规MRP 逻辑运算即可。

3.3.2.4 储备物资

储备物资为使用频繁且价值低的通用物资，采用重订货点法。

4 应用实践

通过PLM（产品生命周期管理）、ERP（企业资源计划）、MES（生产执行系统）系统支持该生产计划模式的运行，在某地下工程装备龙头企业进行应用实践。结合该公司的实际生产计划，建立了基于项目的网络计划和基于MRP的物资计划双轮驱动的生产计划体系，如图7所示。

图7：复杂定制化装备生产计划支撑信息系统流程

以ZTE6250 土压平衡盾构机产品为例，其产品结构如图8所示：

图8：土压平衡盾构机产品结构图

主轴承为战略物资，根据销售预测，结合目前和在途物料库存情况，维护战略预设表（表1），通过MRP 生成战略预投计划。

表1：战略物资主轴承采购计划（示例）

根据项目交期和模板，维护项目，通过接口同步至MES 系统，基于有限产能进行排产，得到项目计划（表2）。

表2：项目网络计划（示例）

根据挂载在项目上的大部件需求，运行MRP 后，产生自制件计划，转换为生产订单并同步至MES。在MES 中基于有限产能排程后，产生装配计划（表3）和制造计划（表4）。

表3：装配计划（示例）

表4：生产作业计划（示例）

项目立项时，长周期物资需提前安排采购。通过项目节点挂载长周期物资，如图9所示，运行MRP 得到长周期物资采购计划（表5）。

表5：长周期物资采购计划（示例）

常规项目物资计划（表6）。

表6：常规项目物资计划（示例）

储备物资计划（表7）。

表7：储备物资计划（示例）

目前，通过PLM、ERP、MES 三个系统协同应用，本文提出的计划体系取得了良好效果，很好弥补了传统MRP 的缺陷，尤其对“三边工程”的生产模式具有较好的适应性。系统上线后，经过数据清理，MRP 准确率在90%以上，且很好匹配了各类物资的计划模式。经统计，盾构机整体生产周期缩减23%，库存周转率提升15%，以前手工下计划模式基本切换为系统自动运行，大大提升了生产计划人员的工作效率。

5 结论与展望

复杂定制化装备制造企业与传统大批量制造企业相比，生产计划管理更加复杂和困难，传统MRP/MRPII 的计划方法无法适应。本文将基于项目的网络计划和基于MRP 的物资计划融合，建立了复杂定制化装备生产计划管理模型，并通过系统实现，获得了很好的应用效率，可以为同行业企业的生产计划管理和信息化建设提供有价值参考。