MES智能排產(chǎn)是長期以來大家關(guān)注的焦點，是智能制造重點應(yīng)用方向之一，應(yīng)該說是生產(chǎn)管理領(lǐng)域龍頭應(yīng)用。合理生產(chǎn)排程計劃，可以對企業(yè)帶來很多效益，除了生產(chǎn)過程可控，還可以做到交貨期準確預(yù)估，更深層次的，對有些行業(yè)帶來原料成本的直接節(jié)約，對于某些行業(yè)可以帶來生產(chǎn)尾料的浪費減少，對某些行業(yè)也可以是生產(chǎn)效率的提高，這些都是直接的可量化的價值，可以說合理的排產(chǎn)是生產(chǎn)管理智能領(lǐng)域最有價值的應(yīng)用。

但是，MES智能排產(chǎn)的發(fā)展還不是一帆風(fēng)順的，過去遇到了很多的問題，發(fā)生了很多“雷聲大、雨點小”的故事。經(jīng)過多年的曲折發(fā)展，最近兩年，逐漸有些MES智能排產(chǎn)項目在走向真正落地、產(chǎn)生價值。筆者在這個排產(chǎn)領(lǐng)域也做了20年的研究和嘗試，現(xiàn)在把這些教訓(xùn)和經(jīng)驗的總結(jié)寫出來，供大家參考和共同思考，為未來的MES智能排產(chǎn)發(fā)展提過更好的助力。

MES智能排產(chǎn)的定義

要理清排產(chǎn)的概念，就要理解工業(yè)的排產(chǎn)的場景，我們首先要認識到工業(yè)的復(fù)雜性和多樣性。工業(yè)分成離散、流程等幾十個大類、數(shù)百個小類，宏觀來看廠內(nèi)廠外供應(yīng)鏈相關(guān)有很多業(yè)務(wù)是排產(chǎn)的延伸，每個工業(yè)里又可以分成多個工序，都有可能做排產(chǎn)。有人在做APS類應(yīng)用系統(tǒng)，我們這里主要只實現(xiàn)自動排產(chǎn)計算。

不失一般性，我們把排產(chǎn)分成這樣幾個角度，這是分層級的：

生產(chǎn)計劃—客戶的訂單計劃轉(zhuǎn)成生產(chǎn)計劃，有時也叫主生產(chǎn)計劃。

生產(chǎn)排程—把生產(chǎn)計劃，排到各個具體的加工設(shè)備上，排定加工隊列和加工時刻表。

物料計劃配送計劃—根據(jù)生產(chǎn)過程需要，把一些需要配套的零部件配送到產(chǎn)線的計劃，對組裝型離散加工業(yè)比較重要。

圖1 排產(chǎn)業(yè)務(wù)的三個層次

現(xiàn)實中，排產(chǎn)會有更多復(fù)雜的方面，有人還把集團內(nèi)部定訂單分配S&OP作為排產(chǎn)的一個方面，有時也把工廠內(nèi)部的物流需求計劃作為排產(chǎn)的一個方面，有時廠內(nèi)和廠外的物流計劃和排產(chǎn)也是緊密聯(lián)系在一起的。總之現(xiàn)實中還有很多具體的特例和復(fù)雜的情況，和上邊的歸類有些許特例差異，我們不做展開。

通常來說，最常見、最復(fù)雜、最難、做好了意義最大的是工序級的生產(chǎn)調(diào)度排程，后邊我們說排產(chǎn)，通常就是說生產(chǎn)排程。

智能，就是用算法代替人的工作的過程。工業(yè)領(lǐng)域的智能應(yīng)用，通常分成感知層、分析層、決策層。排產(chǎn)是決策智能的一個重要的應(yīng)用領(lǐng)域，也是本文分析的方向。

圖2 工業(yè)AI應(yīng)用的三個層次

為什么MES智能排產(chǎn)是難點

在過去很長的時間里，許多人進行了許多的MES智能排產(chǎn)的嘗試，包括學(xué)術(shù)研究界對于算法的研究，也包括軟件開發(fā)商的產(chǎn)品開發(fā)，也包括最終工廠用戶的應(yīng)用嘗試?？梢哉f，從排產(chǎn)系統(tǒng)真正能代替人的角度去判斷，很長時間里大多數(shù)的MES智能排產(chǎn)項目是不成功的。我們從如下幾個方面去總結(jié)排產(chǎn)之難：

1 反應(yīng)了2B領(lǐng)域應(yīng)用的局限性

目前有些自動排產(chǎn)類的項目也在落地應(yīng)用，我們總結(jié)失敗項目和成功項目里的原理和不同，去分析背后的規(guī)律。我們想說，MES智能排產(chǎn)對于“邊界條件清晰”是有要求的，這也是人工智能應(yīng)用的局限性的體現(xiàn)。現(xiàn)實中排產(chǎn)能分成很多類型、分支，也很難用業(yè)務(wù)上統(tǒng)一的有直接業(yè)務(wù)意義的語言來定義能做好排產(chǎn)的條件，用“邊界條件清晰”來定義排產(chǎn)做的前提，是目前看到的最合適表達的詞匯。

怎么解釋“邊界條件清晰”？先舉個貌似外行的例子，棋類游戲是“邊界條件清晰”的，棋類游戲有嚴格和明確的的規(guī)則要求，在棋牌領(lǐng)域人工智能的能力已經(jīng)明顯超過了能力。但是，對于一些創(chuàng)造性的藝術(shù)創(chuàng)作、感性的判斷，AI還不能完全達到人的水平，這背后還是說，目前的AI是適合做“邊界條件清晰的事”，或者說現(xiàn)在的人工智能是弱人工智能，而不是具有核心創(chuàng)作能力的強人工智能，這樣的道理其實也適用于排產(chǎn)領(lǐng)域的，排產(chǎn)的細分場景特別多，也很復(fù)雜，我們不舉具體例子。

在排產(chǎn)應(yīng)用發(fā)展過程中，有企業(yè)推出了一些APS產(chǎn)品，包括日本、美國、中國、歐洲的，這些產(chǎn)品普遍都有對外宣傳的MES智能排產(chǎn)功能，從實際使用的角度，這些自動排產(chǎn)功能基本上是沒用實際意義的，因為現(xiàn)實中的排產(chǎn)問題的業(yè)務(wù)規(guī)則是非常復(fù)雜的，而且是所有的規(guī)則中只要有一條不滿足，排產(chǎn)結(jié)果就是沒用的，哪怕其它規(guī)則都滿足了。所以，任何提前做好的排產(chǎn)產(chǎn)品，基本都很難很準確完整的去預(yù)測所有業(yè)務(wù)規(guī)則，所以大多數(shù)情況下自動排產(chǎn)是需要需定制的，不會存在那么通用理想的排產(chǎn)產(chǎn)品。所以，強調(diào)APS的產(chǎn)品化、通用化基本上是不現(xiàn)實的，如果能那么容易做到完美，MES智能排產(chǎn)就不會是留到現(xiàn)在的一個難題。這么多年的實際印證了這樣的結(jié)論。

相對來說，過去一段時間，我們看到以美國為代表的發(fā)達國家，排產(chǎn)的應(yīng)用比中國更好。我想這背后一方面是，美國的技術(shù)發(fā)展水平更好，還有一部分原因可能是中國人“更靈活”，美國人更愿意講規(guī)則，或者更有規(guī)范，也就是美國在“邊界條件清晰”的準備程度上要好些。

2 難在技術(shù)發(fā)展的局限性

排產(chǎn)在學(xué)術(shù)上也是研究的重點方向之一，在這方面也有一些基于數(shù)學(xué)理論證明的。典型的車間調(diào)度問題，是混合流水車間調(diào)度問題，是多訂單、多工序、多機臺的生產(chǎn)過程。這類問題在理論上證明NP-Hard問題，也就是無法證明算法得到的解的最優(yōu)解。這也是排產(chǎn)問題的本身很難的根因之一。一些排產(chǎn)問題的的學(xué)術(shù)型討論，這里不展開。

3 難在對行業(yè)和場景的挑剔

工業(yè)生產(chǎn)的場景非常多，從生產(chǎn)的特點的角度，不同的生產(chǎn)特性會影響排產(chǎn)實現(xiàn)的情況。

大件小批量，是很難去做真正的人工替代的。大體上是要人排，因為很難去總結(jié)行業(yè)的規(guī)律，所以不具備實現(xiàn)智能自動排程的邏輯基礎(chǔ)。比如制造火箭，一年也生產(chǎn)不了幾件，甚至嚴格說每一件都不一定是完全的一樣的型號。

小件大批量的生產(chǎn)，相對會更有條件去總結(jié)行業(yè)的邊界條件性的規(guī)律，也就是形成一個邏輯閉環(huán)的場景去用算法去求解，通常能解的排產(chǎn)問題普遍都是組合優(yōu)化性質(zhì)的問題。

總之，排產(chǎn)是挑場景、挑行業(yè)的，不是每個排產(chǎn)場景都具備落實到實處的條件。

MES智能排產(chǎn)的應(yīng)用發(fā)展

1 MES智能排產(chǎn)的方法

MES智能排產(chǎn)的核心是排產(chǎn)算法的使用，整體上這些角度還是比較新的，相對的也有傳統(tǒng)的方法和新興的嘗試的方法。

傳統(tǒng)方法：

啟發(fā)式專家規(guī)則，基于具體問題設(shè)定一些專家規(guī)則。往往有比較好的初始效果，但是很難產(chǎn)品化和標準化。

運籌優(yōu)化，需要用運籌學(xué)求解器去求解具體數(shù)學(xué)模型。 

優(yōu)化算法，用自研的優(yōu)化方法去求解排產(chǎn)問題，也稱為元啟發(fā)式算法。

整體上MES智能排產(chǎn)的落地應(yīng)用還是很新鮮的應(yīng)用，即使是這幾種方法，只是人們探索的時間較長，真正落地的應(yīng)用仍然應(yīng)該算是新興的、先進的方法。

創(chuàng)新方法：

人工智能是發(fā)展很快的領(lǐng)域，新的發(fā)展思路提出很多，人們也在新的智能的思想去做排產(chǎn)方面的應(yīng)用創(chuàng)新。

強化學(xué)習(xí)，強化學(xué)習(xí)是決策智能的發(fā)展方向之一，在棋類引動、游戲?qū)诡I(lǐng)域取得了很好的效果。目前在排產(chǎn)這種決策智能領(lǐng)域應(yīng)用還不多，也有人在做些嘗試。

l大模型，典型的大模型是做語言理解與回答的，但是大模型角度發(fā)展很快，斯坦福小鎮(zhèn)等應(yīng)用也體現(xiàn)了一定和決策智能的關(guān)系。隨著技術(shù)的快速發(fā)展，未來在排產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用也是可以期待的。

2 典型的MES智能排產(chǎn)類應(yīng)用場景

行業(yè)很多，排產(chǎn)的角度很多，我們大致按照排產(chǎn)問題的特性進行一個分類總結(jié)，去區(qū)分下排產(chǎn)的具體場景。這些場景問題，是可以用運籌學(xué)的方法去抽象稱標準的數(shù)學(xué)模型的，這里不做具體展開，可以在更深入的技術(shù)討論中去落實。這些運籌學(xué)標準問題的總結(jié)，其實是APS計算引擎產(chǎn)品化的基礎(chǔ)。

流水車間問題，多產(chǎn)品、多訂單、多工序、多設(shè)備，但是產(chǎn)品經(jīng)過的加工過程的順序是從前到后的，很多離散加工業(yè)都是這個特性。

任務(wù)車間問題，多產(chǎn)品、多訂單、多工序、多設(shè)備，但是產(chǎn)品經(jīng)過的加工過程的順序是有前后循環(huán)的，比如半導(dǎo)體的一部分生產(chǎn)過程是這個特性。

切割排產(chǎn)問題，排產(chǎn)和原材料的切割使用緊密相關(guān)，比如船廠的排產(chǎn)要考慮切割鋼板、紙板廠的雙刀排程要考慮瓦楞紙的切割計算。

配料排產(chǎn)問題，很多的原材料使用型行業(yè)都有配料，水泥廠石灰石礦山、焦化配煤都是典型例子。

混合排產(chǎn)問題，現(xiàn)實中的工廠通常流程很多，排產(chǎn)設(shè)計到多種類型的組合，比如鋼鐵企業(yè)煉鐵段排產(chǎn)是配料問題、煉鋼和軋鋼排產(chǎn)流水車間的特性。

關(guān)鍵MES智能排產(chǎn)行業(yè)發(fā)展

生產(chǎn)排產(chǎn)所設(shè)計的行業(yè)很多，我們討論一些應(yīng)用的重點行業(yè)發(fā)展的情況。

鋼鐵行業(yè)

鋼鐵行業(yè)是傳統(tǒng)重工業(yè)的典型代表，是重要的國民經(jīng)濟基礎(chǔ)性行業(yè)之一，是包括建筑、交通、汽車、機械等很多行業(yè)的材料來源。目前中國有數(shù)百家鋼鐵企業(yè)，產(chǎn)能超過10億噸，占據(jù)了全球一半以上的產(chǎn)量，產(chǎn)量大、產(chǎn)值高、產(chǎn)業(yè)規(guī)模復(fù)雜，同時鋼鐵行業(yè)也是發(fā)展周期長、技術(shù)發(fā)展水平較高、智能化嘗試較多的一個行業(yè)。

鋼鐵行業(yè)包括包括鐵、鋼、軋等四個主要的生產(chǎn)過程，細化出很多不同的MES智能排產(chǎn)場景，也培育出不少的MES智能排產(chǎn)應(yīng)用，取得了相當?shù)倪M展和效益。比如在鐵前環(huán)節(jié)，占據(jù)了鋼鐵生產(chǎn)成本的70%，配料是其中的核心，對于焦化配煤、燒結(jié)配料、高爐配料都有智能決策保障產(chǎn)品質(zhì)量、降低用料成本的空間，是排產(chǎn)的一類典型場景，對于煉鋼-連鑄生產(chǎn)的生產(chǎn)組織，對于軋鋼環(huán)節(jié)鋼坯的加工順序，都是組織合理降低企業(yè)生產(chǎn)成本、增加效益的空間。在一些輔助的生產(chǎn)組織中也有智能決策的應(yīng)用空間，比如鐵前上料順序的排序，對于天車運輸?shù)恼{(diào)度，對于板坯的切割計算都是某種意義的和MES智能排產(chǎn)有關(guān)系的鋼鐵行業(yè)的應(yīng)用場景。

半導(dǎo)體行業(yè)

泛半導(dǎo)體行業(yè)包括晶圓生產(chǎn)、封測，也可以包括面板、光伏、PCB等行業(yè)，都是類似于某種形式的印刷線路的生產(chǎn)過程。半導(dǎo)體行業(yè)是目前最高端的制造業(yè)，半導(dǎo)體的芯片類型眾多，有時有數(shù)百道加工工序、數(shù)千臺加工設(shè)備，所以半導(dǎo)體行業(yè)是最符合小件大批量的行業(yè)，也比較適合用技術(shù)的方法代替人工去排產(chǎn)。過去這個領(lǐng)域MES智能排產(chǎn)應(yīng)用遇到瓶頸是因為求解規(guī)模過大，造成一些傳統(tǒng)的運籌學(xué)工具失靈，最近一些先進的行業(yè)求解器類型的算法發(fā)展出來后，半導(dǎo)體領(lǐng)域的光刻、蝕刻、擴散、檢測等環(huán)節(jié)都在逐步發(fā)展MES智能排產(chǎn)應(yīng)用，對于提高企業(yè)生產(chǎn)效率起到了明顯的作用。

除了鋼鐵、半導(dǎo)體兩個行業(yè)，汽車的沖壓、噴涂、總裝的領(lǐng)域，造紙的排刀、紙板、紙箱等領(lǐng)域，石化、水泥、玻璃等行業(yè)也有不同程度的MES智能排產(chǎn)發(fā)展，也都是相當適合繼續(xù)進行復(fù)制推廣的角度。

展望

中國是世界第一制造業(yè)大國，生產(chǎn)規(guī)模的變大，會使“邊界條件清晰”的規(guī)律總結(jié)成為可能 ，也就是MES智能排產(chǎn)成為可能。隨著，現(xiàn)在人工成本越來越高，客觀上也需要代替人的生產(chǎn)決策，這是社會發(fā)展的必然。同時，生產(chǎn)規(guī)模越來越大，生產(chǎn)組織過程中的組合爆炸問題越來約明顯，人實現(xiàn)合理排產(chǎn)越來越難，也需要人去做替代，去提高生產(chǎn)組織的業(yè)務(wù)價值。隨著運籌決策、各類如果智能的技術(shù)發(fā)展，在復(fù)雜生產(chǎn)過程的自動排產(chǎn)落地的技術(shù)手段也越來也多。總之，未來的10~15年會是MES智能排產(chǎn)快速落地、發(fā)揮很大價值的一個發(fā)展高潮期