從CIMS到供應(yīng)鏈的動態(tài)優(yōu)化

1、從CIMS到供應(yīng)鏈的動態(tài)優(yōu)化         1973年美國人J.Harrington提出了計算機集成制造系統(tǒng)(CIMS)的概念。20多年來，CIMS已經(jīng)取得了令人矚目的發(fā)展。但也正是在這段時間里，從科學(xué)技術(shù)到社會>' target='_blank' class='infotextkey'>經(jīng)濟均發(fā)生了翻天覆地的變革。這些變革一方面對過程制造業(yè)提出了一系列挑戰(zhàn)，另一方面也涌現(xiàn)出了許多新的科技成果，使以前難以想像的事情成為可能。在我們進入21世紀知識>' tar

2、get='_blank' class='infotextkey'>經(jīng)濟時代之際，不能不審視一下CIMS的框架是否能適應(yīng)新時代的要求?是否應(yīng)該順應(yīng)新時代的發(fā)展構(gòu)筑新的框架?     21世紀知識社會對過程制造業(yè)提出了什么樣的挑戰(zhàn)呢?簡要地說可歸結(jié)為以下幾方面:     生產(chǎn)力要素結(jié)構(gòu)發(fā)生了根本變化；     產(chǎn)品制造模式發(fā)生根本變化；     組織>' target='_blank' class='in

3、fotextkey'>管理發(fā)生巨大變革;     生產(chǎn)經(jīng)營由封閉性、地區(qū)性向開放性全球化轉(zhuǎn)變;     可持續(xù)發(fā)展要求自從1992年在聯(lián)合國"環(huán)境與發(fā)展大會"上獲得一百多個國家認同后，逐步變成21世紀共同遵守的憲章。這就要求過程工業(yè)這個產(chǎn)生最大污染源的部門變成環(huán)境友好的清潔生產(chǎn)工業(yè)。    從另一方面看，信息技術(shù)的長足進展又為過程工業(yè)迎接挑戰(zhàn)提供了有力手段及廣泛可能性。計算機性能基本上遵循摩爾定律(18個月翻一番)，Internet上的信息流量每6個月就翻一番。 

4、0;   在上述發(fā)展形勢下，那種以計算機(C)為核心，以制造系統(tǒng)(M)為對象的CIMS顯然已不能適應(yīng)發(fā)展需要，將讓位給以網(wǎng)絡(luò)為核心，以整個供應(yīng)鏈為對象的優(yōu)化集成系統(tǒng)。麻省理工學(xué)院查爾斯·法恩在其新著時鐘速度中強調(diào)"在今天拼比競爭力的戰(zhàn)場上，一家企業(yè)最根本、最核心的競爭力在于對供應(yīng)鏈的設(shè)計。"     供應(yīng)鏈>' target='_blank' class='infotextkey'>管理的概念    供應(yīng)鏈涉及范圍從新產(chǎn)品的研發(fā)、工程

5、設(shè)計放大、工廠投運、原料采購、生產(chǎn)制造、儲存>' target='_blank' class='infotextkey'>管理、發(fā)配運輸和履行訂單直到客戶服務(wù)及市場需求預(yù)測這樣一個全過程，既可以指所有組成部分均在同一地區(qū)的單一獨立企業(yè)，也可以指由分散在不同地區(qū)的許多企業(yè)組成的大型公司。這樣一個大系統(tǒng)的子系統(tǒng)可以是一個裝置、一個車間、一個分廠乃至一個公司。     在傳統(tǒng)的供方驅(qū)動生產(chǎn)模式中，生產(chǎn)指標是定死的，生產(chǎn)工廠集中注意在高度自治的工藝過程操作上，并假定廠內(nèi)的工藝過程操作與工廠環(huán)境及外部供應(yīng)鏈子系統(tǒng)脫鉤，只把

6、它當成外部干擾來考慮，并由工廠控制系統(tǒng)進行補償處理。     但在買方市場條件下，必須按需方驅(qū)動生產(chǎn)模式運營，即考慮高度動態(tài)的市場對生產(chǎn)產(chǎn)量及產(chǎn)品質(zhì)量的需求，必須在設(shè)計未來運營策略時考慮工廠和供應(yīng)鏈其余部分之間的動態(tài)交互作用。     構(gòu)成供應(yīng)鏈的子系統(tǒng)可以分成三種類型：     加工子系統(tǒng)使物料發(fā)生物理、化學(xué)或生物性質(zhì)變化的制造系統(tǒng)。     操作運行子系統(tǒng)指觀測和控制加工子系統(tǒng)，也包括所有運行支持系統(tǒng)。     >' targe

7、t='_blank' class='infotextkey'>管理子系統(tǒng)指在供應(yīng)鏈中所有的人工決策者，包括操作工、>' target='_blank' class='infotextkey'>管理人員、供銷人員及工程技術(shù)人員。     供應(yīng)鏈動態(tài)集成系統(tǒng)DSCIS    供應(yīng)鏈動態(tài)集成系統(tǒng)DSCIS(DynamicSupplyChainIntegration System)是以整個供應(yīng)鏈優(yōu)化為對象的集成系統(tǒng)，這與傳統(tǒng)的CIMS是不相同的。

8、60;   第一，>' target='_blank' class='infotextkey'>管理的本質(zhì)從過去的"控制"轉(zhuǎn)變?yōu)?quot;協(xié)調(diào)"。競爭形勢要求在全球范圍內(nèi)作出快速決策，那種傳統(tǒng)的遞階式等級制顯然無法適應(yīng)這種形勢。于是>' target='_blank' class='infotextkey'>管理決策由集中轉(zhuǎn)向分散，>' target='_blank' class='infotextke

9、y'>管理的本質(zhì)也由控制轉(zhuǎn)變成協(xié)調(diào)。分散化決策并不是局部"各自為戰(zhàn)"，它要以全球化的信息和知識共享為基礎(chǔ)。     第二，集成的范圍不僅是生產(chǎn)制造系統(tǒng)，甚至主要不是企業(yè)內(nèi)部了，而是要把供應(yīng)商-生產(chǎn)制造商-用戶全面集成到一起，從而建立起一個市場需求(用戶)反應(yīng)靈敏、對原料供應(yīng)變化適應(yīng)迅速的系統(tǒng)。     第三，系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)手段已不是以計算機為核心，而是以網(wǎng)絡(luò)為核心，特別是Internet/Intranet技術(shù)。上述跨國家地區(qū)跨企業(yè)的協(xié)調(diào)>' target='_blank' c

10、lass='infotextkey'>管理作用離開網(wǎng)絡(luò)技術(shù)顯然是無法實現(xiàn)的。     第四，優(yōu)化的目標從傳統(tǒng)的成本最低或利潤最大轉(zhuǎn)變?yōu)槭箍蛻糇顫M意和服務(wù)創(chuàng)新，這是因為知識>' target='_blank' class='infotextkey'>經(jīng)濟本質(zhì)上是服務(wù)型>' target='_blank' class='infotextkey'>經(jīng)濟，如果沒有客戶滿意和服務(wù)創(chuàng)新就占不到市場份額，也就無從談起>' target=&#

11、39;_blank' class='infotextkey'>經(jīng)濟效益。     供應(yīng)鏈動態(tài)集成的構(gòu)成技術(shù)     供應(yīng)鏈集成的技術(shù)是多種多樣的，有的發(fā)展成熟些，有的還正在開發(fā)之中，這里無法全面論述，只簡略地介紹幾種主要的成熟一些的技術(shù)。     1.計劃優(yōu)化技術(shù)計劃/調(diào)度在整個系統(tǒng)中處于中心位置，是連接企業(yè)內(nèi)部制造系統(tǒng)與外部市場供銷的樞紐。整體供應(yīng)鏈計劃優(yōu)化涉及由原料資源直到交貨發(fā)運的全過程，要同時考慮生產(chǎn)和發(fā)運的成本及約束，涉及的決策變量分布在全世界，數(shù)量可達上百萬個。要

12、在這么復(fù)雜的系統(tǒng)中求優(yōu)化解，完全用基于約束條件的數(shù)學(xué)規(guī)劃算法顯然是不行的，必須把用戶的業(yè)務(wù)規(guī)劃經(jīng)驗和目標做成專家系統(tǒng)，嵌入到優(yōu)化的求解系統(tǒng)中去才能得到比較實際的優(yōu)化解。應(yīng)當說，這是一項尚不太成熟的技術(shù)，目前尚不能保證每次都能夠求得解答。     2.預(yù)測及需求>' target='_blank' class='infotextkey'>管理技術(shù)以過去的訂單及發(fā)貨單為基礎(chǔ)，有十幾種統(tǒng)計預(yù)測方法可供應(yīng)用。但這些>' target='_blank' class='infotextk

13、ey'>歷史數(shù)據(jù)往往詳細程度差別很大且散落在企業(yè)各處，需要用戶來定義應(yīng)納入何種詳細程度的數(shù)據(jù)，并由專家系統(tǒng)把用戶的業(yè)務(wù)知識和經(jīng)驗總結(jié)進去，以補償純粹統(tǒng)計計算的不足。鑒于這種需求預(yù)測需要廣泛的信息，因此這類軟件應(yīng)允許將其功能擴展到任何有助于輸入有價值信息的人(包括客戶)，這就要利用Internet參與這項工作。此外，還應(yīng)當允許用實際訂單數(shù)據(jù)來校正預(yù)測。     3.承諾能力(ATP，Able-To-Promise)占領(lǐng)市場最重要的能力之一就是快速承諾顧客對訂貨數(shù)量、質(zhì)量及交貨時間的要求。為此，一方面要把訂單承諾過程中各種業(yè)務(wù)規(guī)劃和實踐經(jīng)驗歸納到軟件中去

14、；另一方面則要根據(jù)庫存>' target='_blank' class='infotextkey'>管理、生產(chǎn)計劃及現(xiàn)成的生產(chǎn)能力重新調(diào)度排產(chǎn)等各方面，快速制定出多種可供顧客選擇的方案。     4.調(diào)度排產(chǎn)技術(shù)調(diào)度排產(chǎn)優(yōu)化的目標常常是生產(chǎn)成本最低。這對用一套設(shè)備實現(xiàn)多種產(chǎn)品生產(chǎn)的特種化學(xué)品及生命科學(xué)相關(guān)產(chǎn)品特別重要。因為調(diào)度優(yōu)化不但可提高產(chǎn)量及設(shè)備利用率，而且可以減少切換次數(shù)、降低中間產(chǎn)品庫存量，因而>' target='_blank' class='infotextkey

15、'>經(jīng)濟效益十分明顯。     5.企業(yè)資源規(guī)劃這是企業(yè)上層計劃>' target='_blank' class='infotextkey'>管理系統(tǒng)。企業(yè)資源包括資金財務(wù)、固定資產(chǎn)、員工人事、分工、倉儲、銷售運輸系統(tǒng)的配置等。這項技術(shù)是從離散制造業(yè)的物料需求計劃MRP發(fā)展起來的，雖然每年增長率高達35，但主要還是用于離散制造業(yè)，而對流程工業(yè)尚缺乏成熟可靠的技術(shù)。     6.儲運>' target='_blank' class='

16、infotextkey'>管理系統(tǒng)這里實際上是倉儲>' target='_blank' class='infotextkey'>管理及運輸>' target='_blank' class='infotextkey'>管理兩部分。將倉儲>' target='_blank' class='infotextkey'>管理、銷售預(yù)測及后勤計劃集成起來,要求考慮整個供銷網(wǎng)絡(luò)的生產(chǎn)能力、約束條件、合同和非常規(guī)客戶，利用線性規(guī)劃、模擬退火算

17、法和/或傳統(tǒng)的發(fā)送請求計劃(DistributionRequirementPlanning，DRP)技術(shù)來優(yōu)化倉儲部署。運輸調(diào)度>' target='_blank' class='infotextkey'>管理是一個相對比較成熟的技術(shù)，運籌學(xué)中的經(jīng)典的"銷售員旅行路線"問題就是這種技術(shù)。     7.過程模擬技術(shù)流程工業(yè)制造加工是將原料經(jīng)過各種物理和化學(xué)過程使之發(fā)生成分及性能變化，最終成為符合要求的產(chǎn)品。因此，建立能反映這些物理和化學(xué)過程的數(shù)學(xué)模型就成為最核心、最本質(zhì)的技術(shù)。  &#

18、160;  8.運行信息系統(tǒng)OIS(Operationlnformation System)這是直接與生產(chǎn)裝置的集散控制系統(tǒng)DCS連接的信息>' target='_blank' class='infotextkey'>管理系統(tǒng)，其中包括實時數(shù)據(jù)庫、實驗室信息>' target='_blank' class='infotextkey'>管理系統(tǒng)、收率計算系統(tǒng)等功能模塊。     9.先進過程控制這是在常規(guī)PID控制之上的控制，方法很多，如自適應(yīng)控制、模糊

19、控制及多變量模型預(yù)估控制等。但當前應(yīng)用最廣、效益最明顯的是一種稱為動態(tài)矩陣控制(DynamicMatrixControl,DMC)的多變量預(yù)估控制，把用現(xiàn)場測試響應(yīng)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的數(shù)學(xué)模型與線性規(guī)劃優(yōu)化算法相結(jié)合，解決單個裝置的局部優(yōu)化控制問題，其決策變量最多可達幾十個。     10.實時優(yōu)化技術(shù)當前的實時優(yōu)化是在穩(wěn)態(tài)流程模擬基礎(chǔ)上的優(yōu)化，也就是根據(jù)現(xiàn)場實時輸入數(shù)據(jù)進行模擬計算，然后用優(yōu)化算法在計算機上搜索最優(yōu)化解答。找到最優(yōu)化工況后，以此作為控制系統(tǒng)新的設(shè)定值。所以這項技術(shù)本質(zhì)上是穩(wěn)態(tài)模擬加上優(yōu)化算法。但因為實時優(yōu)化要求在12小時內(nèi)解算完畢，所以必須用聯(lián)立方程法去

20、取代傳統(tǒng)流程模擬用的序貫?zāi)K法。至于優(yōu)化搜索算法，當前主要用逐次二次規(guī)劃SQP算法。     應(yīng)當指出，整個供應(yīng)鏈的集成決不僅僅是傳統(tǒng)集成范圍的擴大，它必然涉及到許多工作流的再造工程。這種軟件集成必然是跨組織的(制造、銷售、供應(yīng)公司、客戶公司等)、跨制造模式的(連續(xù)流程的、批處理的、按訂單生產(chǎn)的等)，甚至是跨工業(yè)行業(yè)的(化工、煉油、制藥、日用化學(xué)品等)。     實際進展及今后方向     供應(yīng)鏈動態(tài)集成是一個復(fù)雜的集成系統(tǒng)，目前是按工業(yè)行業(yè)進行垂直縱向集成，例如在煉油、化工、冶煉、制藥和電力等行業(yè)中先做

21、出拼板，然后加以推廣。據(jù)報道，這種把生產(chǎn)制造系統(tǒng)與供銷后勤乃至供應(yīng)商公司和用戶全部集成起來，已成為先進企業(yè)的一種時尚。美國著名的咨詢公司AMRResearch Inc.估計，在今后5年中，垂直集成的市場銷售額將以每年35的速率增長。     這種高速增長，從技術(shù)上看是沿著兩個方向來實現(xiàn)的：一是由一個公司主要用自已的技術(shù)來給過程企業(yè)承包，實現(xiàn)所謂"無縫集成"；二是提倡標準化，以便于采用不同供應(yīng)商的軟件集成為統(tǒng)一系統(tǒng)。從目前來看進展較快的成果多來自前一種方式，占領(lǐng)了市場的絕大部分額。     1.垂直集成公司的發(fā)展     由于這是一個高速發(fā)展的市場，所以國際上各著名的軟件公司及自動化公司紛紛行動起來搶占市場。各種公司根據(jù)自已的條件，從以下三種不同的角度切入市場：以ERP軟件著稱的德國SAP公司從上層向下延伸；以DCS硬件起家的廠家（如Honeywell、Foxboro及ABB等)則從OCS控制系統(tǒng)向上延伸；而從模擬技術(shù)起家的AspenTech則將自已定位在中間一段-聰明制造系統(tǒng)(SmartManufactung System)，然后由中段向上下兩邊延伸，架構(gòu)ERP和OCS之間的橋梁。     2.接口的標準化 &#