企业资源优化与优化模型

第10卷第3期计算机集成制造系统一-CIMSVol. 10 No. 32004年3月Computer Integrated Manufacturing SystemsMar.2004文章编号:1006 -5911( 2004 )03 -0241 -11企业资源优化与优化模型蓝伯雄(清华大学经济管理学院北京100084 )摘要讨论了企业资源优化问题的基本概念和特性综述了学术界为实现企业资源优化所做的努力提出了-个基于供应链结构、能够实现制造类企业资源优化的企业资源优化模型。该模型能描述制造企业复杂的物料清单关系进行详细的物流与能力平衡，可对产品组合、库存控制、外协加工等进行优化。模型可以取代传统企业资源计划系统中的主生产计划、物料需求计划和能力需求计划模块成为企业资源优化系统的核心模块。关键词企业资源规划企业资源优化供应链管理;优化模型企业集成模型中图分类号:P270. 7文献标识码:A业资源计划ERP)精良生产(LP)敏捷制造(AM)1企业资源优化问题简介和虚拟制造(VM)等。上述先进生产管理模式的引如何有效地利用稀缺资源实现资源的最优配置入极大地改变了企业经营管理的面貌。是经济学和管理学永恒的话题。一个企业所拥有的实现企业资源优化的关键是建立包括企业产、资源主要是人、财、物等有形资产以及技术、专利、品供、销等整个企业的内部供应链具有优化功能的企牌、市场等无形资产。本文所述的企业资源优化问业管理系统。该系统除能完成传统的管理信息系统题主要是指企业有形资产资源的优化问题。(MIS)和ERP系统的企业资源管理功能外还能在由于企业是一个复杂的社会大系统影响企业信息系统的支持下完成企业资源的优化配置，实现经营的因素成千上万,利用传统的管理模式与管理更高级的决策支持功能。由于企业系统的复杂性和方法很难使企业供应链协调运转。以功能划分部门方法、工具的局限性人们对企业资源优化的认识是的管理模式只在本部门内考虑资源配置问题而无-个逐步深化的过程实现企业资源优化的途径也法兼顾其他部门]和企业的整体利益。在-个部门看因此而呈多样性。学术界的研究主要集中在以IT似最优的决策从企业整体看则可能是不优的甚技术为基础的CIM和以运筹学/管理科学(OR/MS)至是低劣的。因此,在企业管理中必须引入系统概方法为核心的优化模型两个领域。念和集成化管理的新模式。管理人员在考虑任何一实现企业资源优化的前提之-是建立集成化的个部门]的管理决策问题时都要站在整个企业的角管理体系CIM是实现集成化管理的重要基础只有度，全面、系统地考虑该决策对企业整体的影响。在信息集成的环境下才有可能把产品开发、生产制信息、通讯等现代科学技术的发展为企业创造造、物料供应、市场营销等各项管理职能紧密地衔接新的集成化管理模式提供了新的手段。近十几年来起来形成相互协调一致的统一体。20 世纪80年相继问世的先进生产管理模式有计算机集成制造代中中国煤化工系统CIMS )逐渐成为( CIM )准时生产( JIT )制造资源计划MRPII )企制造YHCNMHGis结伴而生的ERP系收稿日期2003 -06-27修订日期:2003 -12 -19。基金项目国家自然科学基金重点资助项目( 70071013 )。作者简介蓝伯雄男黑龙江齐齐哈尔人清华大学经济管理学院管理科学与工程系教授博士生导师加拿大滑铁卢大学博士主要从事大系统优化理论与算法、供应链优化模型、复杂制造系统优化模型等方面的研究。E - mail :lanbx@ em. tsinghua. edu. cn。242计算机集成制造系统一-CIMS第10卷统可以说是实现企业资源优化目标的产物。但无论1.2计算机集成 制造是CIMS还是ERP都只是为实现企业资源优化打计算机集成制造虽然完成了企业资源的集成,-个良好的基础其自身还缺乏优化的工具。但由于它缺少描述企业整体目标的模型和优化手企业资源优化可借助OR/MS提供的各种方法段因此还不是-个完善的企业资源优化系统。为和手段如数理统计、预测技术、数学规划、计算机仿克服这一缺点人们提出了计算机集成企业(Com-真和人工智能等来构造企业资源优化模型。在puter Integrated Enterprise ,CIE )的概念。CIE 是对CIMS和ERP的支持下,最终完成有限的企业资源CIM概念的进一步扩展,将集成从制造扩展到企业优化目标。人们最初只能研究企业的局部优化问各个方面。实现CIE的关键技术是构造企业集成模题,如库存( inventory )问题、产品组合( production型( Enterprise Integrated Model ,EIM 34。mix )问题、能力扩建( capacity expansion )问题、设施EIM的最初概念是将企业的各种信息和制造自布点( facility location )问题、生产计划( production动化技术用一种集成的模型描述出来。EIM 是从传planning )问题以及车间排序( shop floor scheduling)统的商务流程模型(BPM)CIM、基于知识的系统问题等。上述每一类问题都可以找到大量的研究文(KBS)和OR/MS中发展起来的。对EIM发展有重献。我们的目标并不是解决企业单项功能或企业局要影响的学科是商务流程建模、面向对象技术、数据部资源的优化问题,而是解决跨越企业功能边界实库、软件工程、优化技术和基于知识的系统。目前对现在企业多个环节上的资源优化配置问题。这类研EIM的研究距实用还存在一定距离。面临的困难主究的文献主要集中在生产-分销( production and要是建模方法、表达方式和软件实现等从现有文献distribution )问题,以及扩展后的供应链优化( supply中还没有看到企业集成模型的成功例子。1.3生产-分销优化问题chain optimization )问题。1.1企业资源计划系统生产-分销模型是运筹学者们最早尝试建立的目前最流行的企业资源管理系统是由制造业发跨企业功能范围的优化模型。早在1974年文献展起来的、以MRP为核心的ERP系统。ERP擅长[5 ]就建立了一个多产品生产和销售问题的数学规处理管理性的事务,如成本核算、订单处理、统计分划模型,该模型优化的要素有产品、生产设施、分销析等并能为管理者提供综合信息方面的决策支持。中心和客户需求。生产-分销优化问题的文献相当它存在的主要问题是核心逻辑缺乏优化功能。-些丰富。文献6 ]研究了如何在一个简化的制造环境先进的ERP厂商在其产品中加入先进计划系统中协调生产与分销使生产、库存、运输成本最小文( Advanced Planning System ,APS或主生产计划献7 ]讨论了设施选址模型文献8 ]提出了生产一优化( optimal master production planning system )模分配动态模型;文献[ 9 ]对生产-分销问题进行了块[2]试图弥补ERP系统优化功能不足的缺陷。例分类，文献10 ]开发了一个实用化的、适用于多工如,Oracle 在其ERP软件中加入了CAO( Constrains厂、多产品、多分销中心的生产-分销决策模型。Anchored Optimization )的优化模型,SAP公司的1.4供应链优化生产-分销模型功能的进一步扩展就演变为供ERP软件也使用APO( Advanced Planner and Optimi-应链优化模型。很多文献报道的供应链优化模型描zer )模块支持实时决策的优化。由于企业资源优化问题的复杂性,目前尚无成述跨国公司的跨国供应链优化问题。文献[ 11 ~熟的模型和算法不同厂家提供的系统也是基于不14 ]致力于跨国供应链模型的研究,建立了全球公同的方法,例如基于约束理论和启发式算法的APS司运作的标准模型框架模型包括选址、生产能力、系统。这些先进计划系统存在的共同问题是:①只产品组合、物流和资金流等变量,还考虑了汇率波能做到局部优化②与系统集成度不高③使用不方动、些随H中国煤化工成本、进出口关税和一CNMHG~ 17 ]综述了过去20便。因此大部分已经应用的ERP系统很少使用目年来生产-分销和供应链模型的发展，分析了企业前还不成熟的APS系统。目前无论从理论，上还是物流功能、计算机通信技术、算法、数据处理、模型和实践上都没有看到能够综合解决制造型企业资源软件能力的发展。优化的模型和应用系统。由此可见解决企业资源优化问题主要集中在第3期蓝伯雄企业资源优化与优化模型243开发和完善ERP系统,以及供应链优化模型体系的修改主生产计划。这一计划逻辑已成为ERP应用建立两个方向上。目前上述两方面的努力也有整合中受批评最多的地方,也是制约企业成功实施ERP的趋势明显的例子是一些ERP厂商在自己产品中的重要因素。ERP 核心逻辑主要存在以下问题:加入供应链管理和优化模块,-些独立的供应链管(1)无限能力假设问题假设MRP在进行理软件商也为企业提供供应链优化的解决方案。但BOM展开时的无限能力使生成的生产计划有缺陷，由于传统ERP系统的历史发展原因很难和后续的尽管ERP软件有进行能力平衡计算的CRP模块,新技术做理想的无缝整合。但它只能被动地校核能力,在发生能力冲突时无法自动平衡能力冲突,只 能由计划人员凭经验进行手2企业资源系统工平衡。显然当系统比较复杂能力冲突严重时2.1传统企业资源计划逻辑存在的问题手工调整只能部分解决而不能全面解决能力冲突。目前世界，上最流行的企业资源管理模型是即便有些企业可以使用APS来协调能力冲突,但由ERP,它经历了库存管理、MRP、MRPII和ERP多个于APS并不是一个企业资源全面优化的工具,它也发展阶段。ERP目前已成为企业信息化的首选应只能解决局部的( 1 ~2个瓶颈环节)的能力冲突而用软件。不能实现整个企业范围内的资源优化。由于ERP最初从制造业发展起来，因此它的核(2)固定提前期问题MRP的BOM展开是按心是以MRP为中心的物料需求计划系统。MRP 成固定生产提前期进行的。生产提前期一般由生产准功运行需要有准确的需求信息、平稳或有规律的需备时间、加工时间、转移时间和等待时间构成。在实求特性、完整的生产和作业计划、准确的期量标准等际生产中等待时间是不确定参数,目 前的MRP系条件。这些条件在MRP发展初期可以得到满足,因统无法处理等待时间的不确定性,只能按统计平均此MRP逻辑比较适合60~70年代的企业经营环值将等待时间设为固定时间。实际上等待时间应境尤其适合大批量的工业化流水线生产方式。90该是系统负荷的函数应随系统负荷的变化而改变。年代以后企业运作的内外部环境已经发生了巨大当系统生产负荷轻时等待时间可能会很短甚至可的变化经济全球化进程加快技术进步速度加快，以忽略不计当系统生产负荷重时等待时间可能会企业对未来的预测能力下降客户需求变化迅速，市很长。因此按固定提前期进行BOM展开会偏离系场竞争日益激烈竞争要求企业能够为客户提供更统的实际情况,使产生的生产计划无法执行。好、更快、更灵活的个性化服务,企业生产方式也从( 3 )优化机制问题显而易 见,MRP逻辑没有推"(企业生产什么客户消费什么)向拉"(客户优化机制,它的MPS ,MRP和CRP是顺序执行的缺需要什么企业生产什么)的方式演变。乏相互的协调和优化,因此制定出的生产计划往往面对企业环境的剧烈变化,ERP的核心理念并缺乏可执行的基础。对于生产能力相对紧张的复杂没有发生实质性改变,传统ERP系统的核心是60生产系统,该逻辑甚至无法产生一个可执行的生产年代确立的MRP逻辑(如图1 )。MRP 流程从主生计划。尽管MRP有一个闭环的反馈机制在发生能产计划MPS )开始通过物料清单( BOM )展开得力冲突时可以通过人工调整主生产计划来平衡能力到MRPMRP中的自制件还需要根据工艺路线数据负荷但对于复杂的系统,这种调整是相当困难的生成能力需求计划( CRP )来校核生产能力是否平计划人员缺乏细致考虑各个部门、各种设施能力综衡。能力校核如果通不过还可通过-个闭环反馈合平衡的计算手段,无法真正实现对企业内部资源客户订单1厂需求预测厂 计划大纲的整体协调和优化。主生产计划]42.2.基于优化模型的企业资源系统BOM中国煤化工化模型取代ERP的核库存- +[物料需求计划]工艺数据|心模YHCNMHGp的功能集成到一个模型中通过计算机的优化计算产生能实现资源优采购计划[有限能力计划↓↑化配置的主生产计划、物料需求计划和能力需求计作业计划1划克服传统MRP系统因顺序执行各模块造成的资图1传统MRP计划流程源配置冲突。新系统的简单结构如图2所示。244计算机集成制造系统一-CIMS第10卷信息在帮助企业完成订单获利性分析、生产能力瓶客户订单「 需求预测计划大纲 ]二颈分析、生产外包成本分析、企业价值链分析方面要优化模型大大优于传统会计核算中得到的成本分析信息。BOM工艺数据主生产计划3企业资源优化模型物料需求计划能力需求计划库存3.1通用的企业资源优化模型本文拟建立一个能取代传统MRP系统的通用↓采购计划[作业计划的企业资源优化模型,以完成企业内部资源的优化配置。其中涉及的企业资源类别与传统MRP系统，图2基于优化模型的计划流程相同主要包括与生产相关的原材料、零部件、最终与传统企业资源规划系统相比新的企业资源产品及使用的设备(工艺)等物质资源。优化系统有以下优点:通用的企业资源优化模型要能反映-般制造企( 1 )BOM展开考虑能力约束由于模型中有 能业的本质特征并能适用于任何制造类企业,而不是力平衡约束因此模型在制定生产计划和物料需求只按一个特殊企业来建造没有通用性的特殊模型。计划的同时进行了详细的能力平衡完全可以杜绝事实上这类通用模型的建立不但是可能的而且也传统MRP系统存在的能力冲突问题制定出均衡的是可行的。学术界已经建立了很多这样的模型框生产计划。借助模型提供的影子价格，模型还可以架。例如在CIMS研究领域,很多研究机构都建立帮助企业管理者对生产瓶颈环节的紧缺程度进行定了CIMS参考模型体系。传统的MRP模型也是-量分析制定出更合理的解决瓶颈环节能力冲突的个通用的模型框架,任何-个机械制造企业都离不方案提高瓶颈环节的利用效率。开产品BOM结构、按BOM展开物料需求计划、按工(2)变动提前期基于优化模型的新系统可以艺进行能力校核的逻辑等。实现灵活的变动提前期。在模型中,每种物料(产由于使用了先进的模型构造与实现技术,如结品、零部件和原材料)在每个时段的生产数量都处构化建模技术、模型的数据驱动技术等模型使用者理为-一个独立变量,优化模型在考虑各种物料在生面对的只是-些有明显工程技术含义的数据表格,产中的平衡关系时既要满足上下游物料的BOM关只需按规定填写与准备这些表格而不必了解模型系也要满足生产提前期关系。模型使用的提前期的数学表达式模型完全在后台运行。由于采用了只包括相对准确的生产准备时间、生产时间和转移数据驱动技术不同企业只要输入不同的数据就可时间而不包括等待时间。模型在确定物料需求计以构造出具有本企业特征的资源优化模型。因此,划时并不是机械地按提前期进行BOM展开而是根通用模型系统具有更高的灵活性和可行性。本通用据系统负荷情况以及最优化原则,灵活安排各种物企业资源优化模型有以下特点:料的生产时间。如果系统负荷轻(工艺能力充足),( 1 )可灵活描述企业复杂的物流关系，支持各物料在加工过程中不必等待，此时的等待时间会很种形式的BOM结构，,并可按不同层级展开和压缩,短甚至可以忽略不计;而在系统负荷重时(工艺能适用于各类制造型企业。力紧张)模型为平衡生产负荷会自动安排--些物(2)可详尽地考虑各个供应链单元在各个时间料提前或推迟生产利用库存来调节生产负荷此时段上的能力平衡支持不同层级供应链单元能力的的等待时间可能就会很长。因此每道工序之间的等整合允许供应链单元有多种工艺能力。待时间是由优化模型根据优化准则自动确定的,使( 3 )支持多种层次上的资源规划优化问题,如生产提前期真正成为系统负荷的函数。战略YH中国煤化工源优化支持时间周期.( 3 )优化机制问题优化模型 可以真正实现企长度CNMHGy可灵活处理企业长、业资源的优化配置能同时完成主生产计划、物料需中、短期资源优化问题。求计划和能力需求计划的制定并能优化产品组合,(4)使用先进的数据和图形驱动技术，有良好提高瓶颈环节的资源利用率。模型还能提供企业所的用户图形界面,用户输入数据的形式与传统ERP有资源的影子价格(机会成本)信息这些边际分析系统类似用户不必具备数学模型的专业知识模型第3期蓝伯雄企业资源优化与优化模型245的数据处理、模型生成、模型求解都可在后台自动完衡是建立生产系统内的物流平衡的关键性约束,也成。是产生更符合实际的MRP的保证性约束。每种物(5 )支持离散决策,如设备投资决策、产品、订料在每个时段都有一个物料平衡约束。物料平衡约单的选择等但离散变量的数量不宜太多。束的基本逻辑关系是:( 6 )可支持各种形式的敏感性分析,且计算速本期采购量-本期销售量+本期产出量-本期度快,修改参数后重新得到新结果的速度要比传统使用量+期初库存-期末库存=0ERP系统快得多。模型提供的影子价格信息是决本类约束既综合考虑了物料各种可能的来源和策支持的重要参考依据。用途,也考虑了父物料与子物料(产品-零部件-(7)可适用于各类装配制造型企业(机械加工、原材料)之间的构成关系(BOM关系)以及各种物各种装配为主的计算机、家电生产企业等)。只需料的生产提前期。模型通过物料平衡约束建立不同对模型稍加修改就可适用于流程型制造型企业(如生产单元与生产过程之间的联系。根据物料的分石油化工、钢铁、冶金业等)。类,该类约束还可以细分为原材料平衡约束、中间产3.2 模型基本结构品(零部件)平衡约束和最终产品平衡约束。本模型是一个大规模的数学规划模型,该模型为描述制造企业内复杂的产品-零部件-原材以企业整体经营目标为龙头统筹考虑产品组合、物料之间的关系,引入了构造企业资源优化模型的基流关系、生产能力和库存能力约束寻求最优的生产本单元一供应链单元(或称生产单元)。这是因为经营计划。由于本模型的数学描述比较繁琐,因此我们将企业内部的生产关系也视为企业内部供应将完整的数学模型放在后面的附录中,在论文的正链。企业内部供应链由供应链单元构成,供应链单文中只讨论构造模型的基本要素。元可以完成某种基本生产活动任务如机械加工、化(1)模型变量模型变量是模型中需要进行选学反应、装配、移动和存储等。供应链单元的定义与择的重要未知量企业资源优化模型最重要的决策传统ERP系统的工作中心有些类似,但又不尽相变量是系统中各种资源实际使用的数量和使用的时同。供应链单元可根据企业资源管理的具体需要进间。因此本模型主要的决策变量包括各时间段产行定义并可具有分层的结构。供应链单元可以小品和零部件的生产数量、各时间段原材料的采购数到一台设备、一个工作中心、一个班组,也可以大到量、各时间段产品的销售数量、各时间段各种物料的-个车间或- -个分厂甚至-个企业。库存数量以及各时间段使用的工艺能力数量等。当供应链单元与供应链单元之间具有确定的从属资源利用的数量和利用的时间都成为变量之后模关系和投入产出物流关系,它们之间原材料、半成型就可以在无数的利用模式的组合中挑选最优的组品、产成品的流动关系构成企业生产物流管理的核合使企业运行效率最大化。心内容。基于供应链结构的生产系统能够灵活地搭(2)模型目标模型的目标函数应该符合企业建各单元之间的物料传递关系跟踪物流移动并传的经营目标。-般来讲,企业追求的首要目标是利递与物流移动相关的各种管理信息。有关供应链单润最大化,当然模型还可以灵活地设置市场份额、元建模的详细描述可参见文献18 ]。环保和资金等其他目标。模型可以很容易地转变为每个供应链单元都是-一个投入-产出系统,它一个多目标的优化模型。本文附录中的模型还是以投入一定的资源完成特定的功能产出产品(或中生产利润最大化为目标,目标函数的数学表达式与间产品)或提供服务。不同供应链单元之间通过投销售收入、采购成本、生产成本和库存成本有关。入-产出物料的合理衔接完成企业物流系统的描( 3 )模型约束模型约束 是构造模型的主体部述。这种投入-产出物流关系可以通过系统流程分分模型约束要体现模型内、外部的资源限制。为了析图中国煤化工连单元的简单示意图。能够实现传统MRP流程制定物料需求计划和能力YHCNMH G际上只定义一种物料需求计划的功能构成本模型的主要约束为物料平(零部件)的生产过程它唯一的产出物就是该物料衡约束和能力平衡约束两大类。(零部件)并允许有多种投入。不同的单元连接起.3.2.1物料 平衡类约束来可以形成不同的企业加工模型。通过这些单元积物料平衡约束考虑物料在生产系统内的综合平木式的搭接完全可以描述企业复杂的物流关系。246计算机集成制造系统一-CIMS第10卷生产能力平衡约束,计算各时期对生产能力的需求。产出当生产能力不平衡时,模型可通过调整生产计划(模型中的生产计划与能力平衡是联动的)利用加MI2MOL班、库存来平衡能力需求寻找最佳的平衡点。MI3本模型的能力平衡约束只计算能力的总量平图3 供应链单元的投入一产出示意图衡没有详细考虑操作层面上的能力平衡(如车间3.2.2能力平衡约束排序考虑的详细程度)。考虑到工艺能力的利用率模型考虑了企业生产中的各类能力约束主要不可能达到100%,因此模型通过能力利用系数来包括各种工艺能力平衡约束和界约束、加班能力约修正实际可用能力。该能力利用系数可通过统计得束、库存能力约束。其中工艺能力平衡约束是最复到。由于本模型全面考虑了能力约束,形成的生产杂最重要的约束，也是模型构造的难点所在。计划已通过全面能力校核因此可实现MRP系统中能力平衡约束(请见附录中约束方程6中的能的CRP模块的功能。力平衡约束(6))详细描述了生产过程中实际使用以上分析讨论了模型最主要的物料平衡与能力的工艺能力与系统具有的工艺能力的平衡关系。模平衡约束。其他一些约束,如原材料供应、产品需型考虑了工艺路线、生产提前期和工时需求分布对求、库存限制等约束比较简单就不- - -解释了。在能力平衡的影响。能力平衡约束需要用户提供与实际应用中还可以根据实际需要增加一些其他约MRP基本相同的工艺路线参数,包括详细的生产提束例如为实现滚动计算在-定的时间内要对已经:前期数据、每种制成品在制造过程中所需工艺的种开始生产的物料加锁定约束,即已经付诸实施的生类和占用能力。如果提前期跨越多个时间周期还产计划必须固定下来;在求解企业长期资源配置问需知道占用工艺能力在各周期内的分布情况。有了题时资金约束也必不可少。这些约束在本模型框这些参数模型就能在制定主生产计划的同时计算架上很容易实现。由于篇幅关系不再赘述。各种工艺在不同时期的能力需求。系统内的每一种综上所述本模型在优化企业资源配置时不仅工艺在每个时间周期内都有-个能力平衡约束，该能产生一个经过优化的生产计划相当于ERP软件能力平衡约束的简单逻辑如下:中的MPS)还能满足所有的物流平衡关系，得到物本期实际使用的工艺能力-能力利用系数x本料需求计划(相当于ERP中的MRP ) ,同时还全面期可用的工艺能力=0考虑了系统的能力平衡关系(相当于ERP中的此平衡约束看似简单但由于要考虑生产提前CRP )。因此，以该模型为核心形成的系统可以取代期、能力在提前期内分布等因素，因此要写出正确的传统ERP系统中的MPS ,MRP CRP三个模块成为能力平衡约束也是十分困难的。例如企业中的一类销售数据采购数据工艺设备在一个时间段内可能会加工不同的物料,已确认订单供应 商供货能力市场预测价格采购价格因此在这一时间段内能力平衡约束要汇总计算所定购批量采购批量有使用本工艺加工的物料占用的能力。同时,一些交货期采购提前期物料可能会跨越不同的生产周期才能完成模型约库存数据企业资源优化模型工艺数据束还要考虑相邻周期生产这些物料占用本工艺能力可用库存目标: 企业生产利润BOM数据的相关关系。此外,由于模型允许优化机制自动选最大库存能力最大化工艺路线数据安全库存限制上 →约束:物流平衡约束工作中心数据择每种物料的开始加工时间,因此在整个交货期允库存成本能力平衡约束能力与成本数据库存损耗市场需求约束许的范围内,都要设置反映物料加工数量的变量。在制品数据.原料供应约束这些因素都使该约束的正确描述变得十分复杂。中国煤化工约束工艺能力与设备密切关联模型允许灵活地设HCNMH G= =定工艺与设备之间的关系,既允许设备与工艺- -一生产计划物料需求计划[能力需求计划对应，也允许多个相同设备归集为一种工艺能力。产品生产计划原材料采购计划「 关键能力计划滚动生产计划|外协件采购计划综合能力计划由于供应链单元中可能存在多种工艺与设备模型库存计划自制件 需求计划还允许一个供应链单元有多种工艺能力。模型通过图4企业资源优化模型示意图第3期蓝伯雄企业资源优化与优化模型247新一代ERP系统的核心模块。图4表示了企业资表2工艺表源优化模型所需要的各种数据,以及产生的主生产物料类型使用工艺周期1周期2计划、物料需求计划和能力需求计划。产品1工艺1产品2工艺34企业资源优化问题举例产品3工艺54.1基础数据21部件1考虑一个企业在10个生产周期上的资源优化工艺2问题,该企业利用4种原材料生产3种零部件装配部件2制造3种最终产品。表1为产品的BOM表,它描述了物料的父子关系以及需要数量。3表1 BOM 表部件3工艺4父物料子物料数量表3其他经济参 数表采购价格提前期| 最大库存| 库存成本 销售价格)1502200原材料1部件I原材料2520原材料3原材料2.4520 .原材料4表4工艺能力与成本数据表2中的数字是生产单位产品或部件时需要的加工能力限制正常 成本加班能力加班成本工艺能力及其在各周期内的分布。例如部件1的生250(51500产提前期为两个周期,在生产的第一个周期需要225001500 .20个单位时间的工艺1和1个单位时间的工艺2在工艺3.3002506生产的第二个周期需要1个单位时间的工艺1和2工艺4.个单位时间的工艺2。工艺表中的数据由产品或部工艺5.00100件的工艺路线和生产周期的时段划分来决定。产品需求量如表5中的主生产计划表所示。传产品、部件和原材料的其他经济参数如表3所统MRP计划是根据产品需求通过BOM展开得到示。表中的提前期是各个阶段的装配或生产提前的,因此产品需求表和传统方法的MPS是一致的。期总提前期可根据BOM表计算得出。例如产品1由于生产提前期的限制三种产品的总生产提前期的装配提前期是1表示它由部件1和部件2装配都为3个周期)故不考虑前3个周期的需求量。为产品需要1个时间周期。加上部件1和部件2的4.2中国煤化工生产提前期,该产品的总生产提前期为3。MHCN M H Gp流程可以用EXCEL表4给出各种工艺的加工能力限制与加工成本表格模拟在EXCEL表格中建立符合BOM关系的数据。模型允许通过加班来扩大加工能力,但加班产品-零部件-原材料的计划流程。通过输入主生需要支付双倍的生产成本。从后面的计算结果可以产计划就可得到物料需求计划和能力需求计划并看出工艺1和工艺2是本问题的瓶颈工艺。.计算得到相应的销售收入和生产成本。EXCEL 表248计算机集成制造系统一-CIMS第10卷格模拟的传统方法的计算结果如表5所示。由于没较大时其能力需求也会随之波动,图5a是传统有考虑能力限制，采购、生产和销售均按JT方式,MRP方法和优化方法得到的工艺1的能力负荷曲因此没有库存也不发生库存费用。线图5b是工艺2的能力负荷曲线。可以看出,按传统的MRP逻辑没有优化机制需求数据波动表5传统MRP 展开得到的计算结果主生产计划1|2|3|45||7|8|91(销售收入小计产品150|30|1003(| 150| 5(100229500产品240| 20| 130| 3(140 6(8(325000977900产品330| 20| 250| 4| 100| 40250423400物料需求计划29采购成本部件11300 | 450| 100400| 140| 4500部件2200| 110| 740| 160| 670| 270| 590部件3110| 60| 510| 100| 380| 160| 410原材料1| 390| 240| 1350| 300 1200 420| 135042000244290原材料2| 350| 200| 1470 300| 1160 460| 127072940原材料3| 510| 280| 1990 420| 1720 700| 159093730原材料4| 200| 110| 740| 160| 670| 270| 59035620能力需求计划134:10加工成本|小计工艺1| 860| 1020| 3470| 2640| 3330 2860 3500 1680| 100341400工艺2| 660 1250| 3220| 3960 2930| 3790 3410 2900273300工艺3110| 140| 550| 260| 4140 440| 530| 16028400695650工艺4| 110| 60| 510| 100| 380| 160 410| 0| 31950工艺530| 20| 250| 40| 100| 40250 2(20600总利润37960传统MRP展开的负荷曲线波动较大,而优化模型的负荷曲线较平坦。传统方法的能力波动大加班工4000350030002500专2500式20002000粗150015001000中国煤化工123456789fYHCNMHG78周期a工艺1的负荷曲线b工艺2的负荷曲线-每传统方法-◆优化方法图5能力负荷 曲线图第3期蓝伯雄企业资源优化与优化模型249时也会增加总计为9729个单位时间。而优化模型械地按生产提前期安排生产的前后顺序。由于产能综合考虑资源配置问题并合理利用前期的富余品、零部件和原材料采购活动都是独立的变量，因此生产能力利用库存来调节生产使得能力需求曲线它们进入系统的时间在满足生产提前期要求的前提比较平坦。总加班工时只有3313个单位时间，仅为下可以提前生产和采购，利用库存进行调节,以平传统方法的34%。衡系统在整个时间段内的生产负荷。因此优化模型优化模型用GAMS软件实现得到的优化模型中出现了一些最终产品和零部件库存发生了共计共有252个变量和121个约束求解时间不到1秒4070的库存费用。然而由于生产负荷得到平衡加.钟。优化模型产生的生产计划与库存计划如表6所工成本下降了82709.示。与表5相比可以看出，优化模型为了平衡生产优化模型能提高系统的财务结果也是显而易见能力并不是按需求发生的时间组织生产也不是机的对比结果表明按传统MRP展开得到的生产总表6优化模型得到的最优生产计划主生产计划2|7|891(销售收入产品150| 130 ||1805(100229500产品2128||118150.324.01 8(325000977900产品3100| 100 100 46.67| 100| 100 183.3423400物料需求计划13|4|:10采购成本小计部件1230| 330| 100| 407| 100| 200 383. 3 |部件2680| 83.3| 584| 95.9 567.2 205.8523.3部件3530| 44.4| 300 64.2| 300| 148 343. 3原材料1| 690| 990| 300 1220| 300| 600| 115042000244290原材料2 1290| 419| 700| 535| 700| 496| 107072940原材料3 1890| 211| 1469| 256| 1434| 560| 139093730原材料4| 680 |83.3584.495.9 567| 206 523. 335620库存库存成本00 ||15075087.8| 67.8| 55.7| 25.7| 3(819|70 150|| 6.7| 6.7| 66.7900407030 |60147 ||13116.2587174| 119| 83.1 100. 6954能力需求计划|9加工成本小计工艺1| 2500 2500 2500 2500 2500 2432| 2948| 1480| 100298624工艺2| 2500| 3427| 2500 2664| 2701| 2784| 3044中国煤化工工艺30| 530| 300| 300| 300 300 448. 6612941工艺4| 530| 44.4 300 64.2| 300| 148 343. 3|TYHCNM H G-5UUSU工艺500| 100 | 100| 100|46.7| 100 100183.3 216267总利润116599利润为37960 ,而优化模型得到的总利润为116599提高了207. 16%。利润提高的主要原因是生产费250计算机集成制造系统一-CIMS第10卷用大幅下降,因此具有明显的成本优势。所作的敏[1 ] LKER J Advanced planning system as an enabler of lean manu-facturing[ J ]. Automotive Manufacturing & Production , 1999 ,感性分析表明如果加班成本是正常成本的1.5倍111(2) 29 -31.而不是2倍优化模型的财务结果也比传统方法高[2 ] SEYED J. Optimal production planning[ J ]. OR/MS Today ,199638%左右。在现实生产中生产波动越大生产成本.[3 ] PETRIE C J. Introduction in enterprise integration modeling[ A ]就越高生产不均衡造成的支付加班费、员工疲劳、Proceedings of the First Intemnational Conference[ C ] Cambridge ,质量下降以及延误交货带来的财务与信誉损失都会MA : MIT Press ,1992.大大增加企业生产成本。[4] PATANKAR A K ,ADIGA S. Enterprise inlegration modeling :areview of theory and practiceC J ] Computer Integrated Manufactur-需要说明的是,由于本例很小我们只演示了优ing System,1995 8( 1)21 -34.化模型在平衡生产能力、降低生产成本方面的优势，[5] GEOFFRION A M GRAVES C w. Multi - commodity dstrbution还没有涉及优化模型在优化产品组合、订单获利性system design by benders decomposition[ J ] Management Science ,1974 20( 5 ) 822 - 844.分析、APT分析、外包成本分析方面的潜力。而这些[6] BURNSLD ,HALLR W ,BLUMENFILD D E ,et al. Distribu-优势综合起来就能更加显示出基于优化模型的企tion strategies that minimize transportation and inventory cost[ J ]Operations Research ,1985 33( 3 ) 469 - 490.业资源规划系统给企业带来的好处。[7] AIKENS C H. Facility location models for ditribution planning[ J ] European Jourmal of Operational Research , 1985 ,22 263 -5进一步的研究方向.279.本文介绍了一个通用的企业资源优化模型及其[8] COHEN M A ,LEE H L. Strategic analysis of integrated produc-tion/ distribution systems models and method{[ J ] Operations Re-特性并通过-个例子对优化模型与传统MRP系统search , 1988 36( 2) 216 -228.进行了比较结果表明该模型具有较大的优势能够[9] THOMAS D , GRIFFIN P M. Coordinated supply chain manage-ment a revien[ R ]. Atlanta GA ,USA :Georgia Institute of Tech-满足企业资源优化的需要。模型进一步完善后 ,可nology ,1995.以开发为独立的软件模块然而要将理论模型付诸[ 10] MALLYA s ,BANERJEES ,BISTLINE W G. A decision supportsystem for production/ distribution planning in continuous manu-实施开发出具有实用价值的应用系统和软件还有facturing[ J ] Decision Sciences ,2001 32(3 ).很多需要继续研究的问题。例如:[ 11 ] HODDERJ E , DINCER M C. A muli - factor model for intema-(1)研究基于供应链单元的企业信息系统构建tional plant location and financing under uncertaintyC J] Comput-ers & Operations Research , 1986 13(5) 601 - 609.技术如供应链 单元的定义、内部逻辑与数据结构、[ 12] COHEN M A LEE H L. Resource deployment analysis of global外部数据接口、单元之间如何组装与搭接、相互之间manufacturing and distribution networks[ J ] Journal of Manufac-如何联系与通讯以及生产工艺数据( BOM数据、工turing Operations Managenent , 1989 2 81- 104.艺路线参数)在分布式系统中的集成与分解方法[13] PYKE D ,COHEN M. Performance charateristics of stochastieintegrated production - distribution systen[ J ] European Journal等。of Operational Research ,1993 68 23 -48.(2)研究更具通用性的企业资源优化模型企[ 14] PYKE D COHEN M. Multiproduct integrated production - distri-bution systems[ J ]. European Jourmal of Operational Research,业资源优化模型还需要进-步细化,提供更为丰富1994 ,74( 1 ):18 -49.的、可由用户定制的通用约束集能更全面地反映制[ 15] GEOFFRION A M POWERS R F. Twenty years of strategie dis-tribution system design :an evolutionary perspective( Implementa-造企业的各种需求能适用于不同类型的制造企业。tion in OR/MS : An Evolutionary Review I J ] Interfaces ,1995(3)研究企业资源优化模型的实现技术应用25 :105 - 128.结构化建模方法使用先进的软件工具提供符合工[ 16] BHATNAGAR R ,CHANDRA P ,GOYAL S K. Models for muli- plant coordination[ J ] European Journal of Operational Re-程技术规范的用户界面。模型应是模块化的、图形search ,1993 67 :141 - 160.与数据驱动的并具有很高的通用性容易在类似企[17] VIDAL C J ,et al. Strategic production - dstribution models :a业中移植。critical review with emphasis on global supply chain models[ J ]中国煤化工T search ,1997 981)1- 18.( 4 )研究大规模数学模型的求解技术复 杂制[18]CNM Hintegrated enterprise producion造业(如汽车、飞机制造)的模型规模可能会有上百MHGgineering :Theory and Practice ,2001 21(9)33 -41( in Chinese ).[蓝伯雄陈晖娜.一个集成万的变量和约束在企业级的计算机环境下求解如化企业计划模型J]系统工程理论与实践2001 ,21(9)33此巨大规模的数学模型也具有-定挑战性因此开-41. ]发模型的快速求解技术也是今后的重点研究方向。参考文献:附录企业资源优化通用模型的数学模型第3期蓝伯雄企业资源优化与优化模型2511.模型下标集合xn一l期在企业内部s供应链单元生产的i物料的数量;In-原材料集合;ya- -t期从企业外部购入的i物料的数量;1u- _中间物料集合;石一1期销售到企业外部的i物料的数量;Ic-最终产品集合;inw;- -t期i物料的库存量;1-全部物料集合,包括产品、零部件和原料子集J=1p∪1w∪wma一l期s供应链单元使用h工艺的正常生产工时数量;Ic ;vxn一t期s供应链单元使用k工艺的加班生产工时数量;K- -所有工艺集合;9n一l期接受第1个订单的决策变量。s-所有供应链单元集合;5.目标函数T一所有计划期集合。nax Z{ZPozo - EaYo - 2 E(on"la + CIow"u) -2.模型下标i,j- -物料iel或jel;Shvine,})k-I艺h∈K;6.约束方程s-供应链单元层s∈S;( 1 )原材料平衡约束1-时间周期1∈T。yu +inv,mn,- 2 2(1 +rwB.wx,Hy=0 Vi∈Ip,3.模型参数t∈T1.- -s供应链单元生产i物料的生产周期生产提前期);aiun-s供应链单元生产i物料在t期占用k加工工艺的加工能( 2 )最终产品平衡约束力以时间计);Exiw +inw,, -inv;1+1-au =0 Vi∈lcI∈Tcapu-t期s供应链单元第k种工艺的正常生产能力;( 3 )中间物料平衡约束β-s供应链单元生产j物料需要投入i物料的数量;Zxi +in,in;1+- 2 2(1 +rvwB.wj1n+y=0 Viedi-t期对i物料的最小需求量(已确认订单的需求量);d*- -t期对i物料的最大预测需求量;Iw1∈T( 4 )物料供应约束mxn-i物料在1期可能的最大产量;Yu≤S。Vi∈lμI∈Tpa-t期i物料的销售价格;(5 )产品需求约束e;-1期i物料的采购成本;ha-t期i物料的单位库存费用;d;≤za- 2duqn≤d咕↔ Vi∈lct∈Tcvx-l期s供应链单元h工艺正常生产时单位加工工时费用;( 6 )能力平衡约束C.u-1期s供应链单元k工艺加班生产时单位加工工时费用;eser -t期h:工艺可用于加班生产的比例系数;2 oinio.1m+ -ur+ou)=0 Vs∈Sh∈K1∈s。一1期i物料的最大供应量;saw,-i物料在t期的安全库存量; .(7 )正常能力上界约束max,- -i物料在I期的最大库存量;wu≤capxu Vs∈S k∈KI∈Texu-t期k工艺可用于加班生产的超过正常能力的比例系数;( 8 )加班能力上界约束y,-在s 供应链单元投入i物料生产j物料出废品的比率系数;u≤exeCapu Vs∈S k∈K 1∈Tδε→k工艺的能力利用系数;(9 )库存能力约束du-t期第I个新订单对i物料产品)的需求量。sav。≤inw。≤max, Viel 1eT4.模型变量Enterprise Resource Optimization and Optimization ModelLAN Bo - xiong( Sch. of Economics & Management ,Tsinghua Univ. , Bejjing 100084 , China )Abstract .The basic concepts and characteristics of Enterprise Resource Optimization( ERO ) are discussed. Afterreviewing the academias contributions to the realization of ERO , an enterprise resource optimization modeling sys-tem is proposed , which is based on the supply chain structure and is able to fulfill the optimal resource allocation ofa manufacture system. The optimization model is able to deal with the complicated BOM structure , balance the ma-terial flows , perform the optimization with respect to production mix , process load balancing , inventory controlcontract out etc. The model system can be used to fulfill the functions of MPS , MRP and CRP module in a tradi-tional ERP system and may become the core module of a new中国煤化工Key words ERP ; enterprise resource optimization ; supply chainmodel ienterprise inte-YHCNM H G'grated modelReceived 27 Jun. 2003 ; accepted 19 Dec. 2003.Foundation item Project supported by the National Natural Science Foundation , China( Grant No. 70071013 ).