運籌管理 Chapter 13 先進規劃與排程系統 祝天雄 博士 99年12月 日

大綱 前言 13.1 產業趨勢與供應鏈管理現況 13.2 APS系統的重要性與功能特色 13.3 APS系統功能模組參考模式 13.9 結論

前言 企業的生產規劃與排程系統的演進，由傳統的存貨規劃與控制系統，發展為物料需求規劃 (MRP) 系統，再發展為製造資源規劃 (MRPⅡ) 系統，爾後演進到企業資源規劃 (ERP) 系統。 在邁向供應鏈全球化的今天，供應鏈管理 (SCM) 越來越受企業所重視，企業所需要規劃的對象不再只是企業個別的資源，還包括了供應商與顧客的整體資源；規劃範圍也不再只局限於企業本身，而是涵蓋了整個供應鏈。面對如此的改變，傳統上基於某些假設且利用較為簡單的規劃技術與方法，來解決企業生產規劃與排程問題的生產規劃與排程系統 (例如：MRPⅡ)，已不再能夠滿足企業的需求。取而代之的則為本章所要探討的先進規劃與排程 (Advanced Planning and Scheduling; APS)系統。

13.1 產業趨勢與供應鏈管理現況 13.1.1 供應鏈管理現況 13.1.2 傳統生產規劃與排程系統的缺點

13.1.1 供應鏈管理困境 現行資訊應用系統所提供的資訊不足 無法動態且即時的因應外在環境改變 變動性高的採購計畫 過多的存貨 / 預測錯誤 繁瑣且效益不足的人工例行性規劃與排程作業

13.1.2 傳統生產規劃與排程系統的缺點 循序式規劃方式 排程邏輯上的問題

13.1.2 傳統生產規劃與排程系統的缺點 獨立進行需求規劃與供給規劃 系統無法有效整合 批次式規劃 單點規劃範圍 無法作為良好的決策支援工具

13.2 APS系統的重要性與功能特色 13.2.1 為何需要先進規劃與排程系統？ 13.2.2 APS系統的功能特色

13.2.1 為何需要先進規劃與排程系統？ ERP系統中以傳統物料需求規劃(MRP)系統為核心的規劃邏輯已無法滿足日益複雜的採購、生產與配銷整體運籌規劃。 全球化運籌與電子化時代的來臨，競爭的壓力驅使企業必須提供更彈性的顧客服務及不斷的縮短接單到出貨 (Order-To-Delivery; OTD) 的前置時間，以確保更高的準時達交率。 由於物料規劃無法考慮產能的限制，又可能造成原料 / 零組件的採購計畫無法配合生產計畫，以致影響既定生產進度，而造成無法滿足顧客交期或成本過高的惡性循環。也因此，無法達到快速回應顧客 (Quick Response; QR) 的需求與有效益的可允訂貨數量 / 時間 (Available-to-Promise; ATP或Capable To Promise; CTP) 的目標

APS系統介紹 先進規劃與排程 (Advanced Planning and Scheduling; APS) 系統便是利用先進的資訊科技及規劃技術，在考量企業資源限制下提供可行的需求規劃、物料規劃、產能規劃與生產作業排程，以滿足顧客需求及面對競爭激烈的市場。先進規劃與排程亦提供了what-if的分析，可以讓規劃者快速結合生產資訊 (例如：訂單、途程、存貨、BOM與產能限制等)，作出平衡企業利益與顧客權益的最佳規劃與決策。

先進規劃排程之功能

13.2.2 APS系統的功能特色 同步規劃 考慮企業資源限制下的最佳化規劃 即時性規劃 支援決策能力

ERP系統與APS系統比較

13.3 APS系統功能模組參考模式

APS系統功能模組四大階層 1 2 策略規劃層 長期規劃層 APS系統 功能模組 3 4 中期規劃層 短期規劃層

根據企業所制定的供應鏈策略，在考量運籌管理 1. 策略規劃層 供應鏈策略規劃 (Supply Chain Strategic Planning) 模組 在考量企業目標、資源限制與競爭優勢下， 制定與供應鏈相關的經營策略。 供應鏈網絡規劃 (Supply Chain Network Planning) 模組 根據企業所制定的供應鏈策略，在考量運籌管理 成本、市場需求與顧客服務、時間與技術等 重要因素下，設計供應鏈網絡結構。

2. 長期規劃層 需求規劃與預測 (Demand Planning and Forecasting) 模組 顧客需求管理 銷售與作業規劃 (Sales and Operations Planning) 模組 根據產品需求資料及企業供給能力，在平衡「供給」(生產) 與 「需求」(銷售) 的原則下，規劃企業在不同時期的生產與銷售計畫 存貨規劃 (Inventory Planning) 模組 根據企業的供給與需求計畫，決定最佳的存貨配置方式 供應鏈規劃 (Supply Chain Planning) 模組 根據企業的生產與銷售計畫，調配企業的總體 (aggregate) 生產 、配銷與運輸等資源以滿足顧客需求

3. 中期規劃層 供給規劃 (Supply Planning) 模組 配送規劃 (Distribution Planning) 模組 承接供應鏈規劃模組所規劃的生產計畫，根據各生產單位的 物料與產能供給情形，規劃各生產單位的物料採購與產品製造計畫 配送規劃 (Distribution Planning) 模組 彙整企業的需求計畫、存貨計畫及生產計畫， 以決定各配銷中心的最佳存貨補貨時間及補貨數量 運輸規劃 (Transportation Planning) 模組 根據企業的物料採購計畫、產品生產排程與存貨配送計畫，在考量 時間、成本及運輸資源等限制下，決定供應鏈上物料、半成品、 成品及存貨在供應商、企業本身、配送中心及顧客之間的流動方式

4. 短期規劃層 現場作業排程 (Shop Floor Operations Scheduling) 模組 承接由供給規劃模組所規劃的生產排程計畫，依產品特性， 考量生產單位的現場工作中心與產能、負荷及可用物料等 資源限制及既定已發放生產工單進度，根據顧客訂單要求， 決定最佳的現場作業排程。 出貨排程 (Shipment Scheduling) 模組 根據企業銷售計畫中的產品交期日，考量配送計畫中各配銷中心 的存貨配置情形及企業的運輸計畫，決定產品的出貨方式。 可允訂貨量 (Available To Promise; ATP) 模組 快速回應顧客需求 (Quick Response; QR) 是供應鏈管理所 強調的重點之一，其中除了要快速回應顧客訂單所需產品外， 也包括了快速回應顧客的資訊需求。

13.4 APS系統常用的規劃技術 數學模式 APS系統 規劃技術 網路模式 模擬方法 主要目的在於尋求最佳解 (optimized solution) 數學模式 規劃方式為：首先建立能夠代表企業實際運作狀況的數學模式，再根據此模式進行規劃的工作。 APS系統 規劃技術 強調個別加工中 心的詳細作業排程 規劃重點強調各訂單在工廠內的流動方式 網路模式 模擬方法 模擬技術通常利用由下至上 (bottom up) 的規劃方式

不同APS規劃技術比較

13.5 APS系統供給規劃特性與架構 13.5.1 供給、需求與存貨配置原則 13.5.2 供給與需求規劃整合 13.5.1 供給、需求與存貨配置原則 13.5.2 供給與需求規劃整合 13.5.3 APS系統的供給規劃架構

13.5.1 供給、需求與存貨配置原則 供給規劃 (supply planning) 與需求規劃 (demand planning) 是企業運作的核心，亦是企業達成預定顧客服務水準、存貨水準與企業目標的必要條件。而所有作業必須是以顧客為中心與以供給為考量的，整體而言，整合性供給與需求規劃主要包含三部分 1.需求規劃 2.供給規劃 3.存貨配置

APS系統整合性供給與需求規劃示意圖

13.5.2 供給與需求規劃整合 供給規劃與需求規劃是企業運作的核心，以下為兩項規劃的基本原則： 1.消弭對產品預測準確性的依賴 與其強調發展高精確性的預測方法，倒不如將焦點放在設計有效率的「訂單滿足 (Order Fulfillment; OF) 流程」和縮短「接單到出貨 (Order-To-Delivery; OTD) 的前置時間」來面對需求的不確定性。 2.結合供給和需求規劃

13.5.3 APS系統供給規劃的方式 物料規劃導向 適用於著重在原物料與零組件間進料時程及投入產出規劃的產業，例如：電子裝配業、系統組裝業及服飾業等。 產能規劃與作業排程導向 適用於製程複雜且設備成本高，企業營運目標追求的常是高設備稼動率、低存貨水準及高產出的績效，如何詳細且完整的考量產業製程特性、排程限制與派工法則。例如：半導體產業及LCD光電產業。

1. 物料規劃為導向的APS系統架構

2. 產能規劃與作業排程為導向的APS系統架構

13.6 APS系統物料規劃 13.6.1　APS系統物料規劃的邏輯 13.6.2　APS系統物料規劃的輸入 / 輸出資料與應用

13.6.1　APS系統物料規劃的邏輯 APS-MP運算表格內容: 需求預測 顧客訂單 剩餘預測 相依需求量 毛需求量 ……

APS-MP的規劃邏輯圖

13.6.1.2 APS-MP的規劃邏輯 通常，APS系統的物料規劃邏輯可以分成四大部分: 預測訂單的消耗 (Forecast Consumption) 存貨配置與物料選用 (Inventory Allocation & Material Selection) 單據的供需平衡 (Orders Balance) 單據時間推移與修正 (Orders Timing & Correction)

範例 基本型物料規劃

途程

PC組裝 接單式組裝 定量訂貨

2. 進階型物料規劃(考慮替代料件)

APS-MP 進階型規劃 (含替代料)

13.6.2 APS系統物料規劃的輸入 / 輸出資料與應用 物料清單 途程資料 存貨狀態記錄及已發放訂單資訊 規劃性資料 需求資料 APS系統物料規劃的輸出資料 預排訂單 (Planned Order) 供給與需求的配置 ( Pegging and Allocation) 訂單處理 重新規劃 (Replanning)

作業帶料

13.7 APS系統產能規劃 13.7.1 APS系統產能規劃特性 13.7.2 APS系統產能規劃架構與基本資料

13.7.1 APS系統產能規劃特性 考量各種限制下的規劃 引用TOC的規劃理念 (1) 考量生產現場中的瓶頸資源限制 (2) 平衡進出瓶頸資源的流量 (3) 捨棄階層式的規劃方式 有限產能下的最佳化規劃 情節的模擬

13.7.2 APS系統產能規劃架構圖

基本資料及生產限制條件 途程資料 替代資源 移轉批量 工模具限制 可用資源 設備 人員 工模具 行事曆

13.7.3 APS系統產能規劃方法 APS-CP的主要目的在於修正APS-MP以無限產能的規劃結果，修正所規劃製令的預計開工與完工時間。概念簡述如下: 產能推移 (Pull / Push) 使用替代資源 / 卸載 (Offload) 安排加班與外包 產能推移示意圖

13.8 APS系統詳細作業排程 13.8.1 APS系統詳細作業排程的問題與技術剖析 13.8.2 以模擬技術為基礎的APS作業排程系統

APS商用應用系統可由此三個角度進行分析 規劃邏輯 規劃導向 執行驅動 APS商用應用系統可由此三個角度進行分析 數學模式 模擬技術 以訂單製令為主 以設備為主 規劃方式 規劃技術

APS系統產能規劃邏輯 規劃導向 作業研究 搜尋法 執行驅動 排程技術用啟發式法則 規劃導向結合執行驅動

加工中心內的工作順序安排 分派工作先後順序規則： 先到先服務(first-come first-served, FCFS) 最短處理時間(shortest processing time, SPT) 最早到期日(earlist due date, EDD) 最長處理時間(longest processing time, LPT) 最小剩餘時間(LWR) 最少作業數(FOR)

單機(single machine)排程問題 最小化平均流程時間。job作業時間越小者排越前面，亦可以使平均延誤(遲)時間，平均等候時間最小化。 最短作業時間法則(SPT) 最小化平均加權流程時間。將作業時間除以權重，所得之值越小者排越前面。 加權最短作業時間法則(WSPT) 最大延誤(遲)時間最小化。交期越早者排越前面，但是此法會有增加延遲工件數目和增加平均延遲時間的傾向。 最早交期法則(EDD) 最小化延遲工件數目。 Hodgson法則 生產計畫與管理 Chapter 7 作業排程

平行機台(parallel machine) 排程問題 傳統平行機台排程問題就是將n個工作如何安排至m部平行機台的問題。

流線型生產之排程問題 如何決定n件工作進入系統的處理順序： m部序列機台(m-1機台排在m機台前)，每件工作都必須依序通過此m部機台，當某工作在一機台之作業完成後，便依序到下一機台等待處理。

零工型生產排程問題 零工型生產系統的派工法則 : 隨機法則, FCFS, EDD, SPT, LSF, LWR,………

派工法則 幾種常用的派工法則： 隨機法則 等候線上的每一等待工作的選擇是具相同機率。一般此法將作為與其他方法之比較基礎。 先進先出派工法則 (Random) 以首先來到等候線的工作為優先 先進先出派工法則 (First Come First Served, FCFS) 以等候線中工作的最早交期者為優先 最早交期派工法則 (Earliest Due Date, EDD) 以等候線中工作的作業時間最短者為優先。 最短作業時間派工法則 (Shortest Processing Time, SPT)

派工法則 最小寬裕時間派工法則 寬裕時間是指交期減掉工作還需在機器上加工完成的時間。以等候線中工作的寬裕時間最短者為優先。 (Least Slack First, LSF) 以等候線中工作的仍剩餘的加工時間最短者為優先。 最小剩餘時間派工法則 (Least Work Remaining, LWR) 依照距離到期日剩餘時間對剩餘加工時間比率，最小者為優先。 關鍵性比率 (Critical Ratio, CR)

APS系統產能規劃方式 以訂單/製令為主 以設備為主

一般而言，有限產能排程問題主要可分成下列幾種： 利用訂單排序法則決定訂單或製令的加工優先順序，再按順序高低逐一安排各製令的詳細作業排程。 以「製令」為主的排程方法 (Job-based Scheduling或Order-based Scheduling) 運算邏輯是利用事件導向(Event-Driven)的模擬觀念來描述製造系統的實際運作流程。 以「工作中心」為主的排程方法 (Event-based Scheduling)

以製令為主的排程方法

派工法則：EDD最早到期日 製令 作業順序與時間 交期 1 A(3)→B(3) →C(2) 10 2 A(5)→C(2) 13 3 B(4)→A(4)→C(3) 12 4 B(3)→C(5)→A(2) 18 5 C(5)→B(4) 14 6 C(2)→A(5)→B(5) 15

派工法則：SPT最短處理時間 製令 作業順序與時間 交期 1 A(3)→B(3) →C(2) 10 2 A(5)→C(2) 13 3 B(4)→A(4)→C(3) 12 4 B(3)→C(5)→A(2) 18 5 C(5)→B(4) 14 6 C(2)→A(5)→B(5) 15

派工法則：FCFS先到先服務

範派工法則：LSF最小寬裕時間

派工法則：LWR最小剩餘時間

前推(Forward)與後推(Backward)排程 由上一小節範例中可發現，排程的方式均是由目前時間點Tnow進行排程活動，即由目前時間點朝未來時間向前看，這樣的排程方式稱之為前推排程。 前推排程 (Forward Scheduling) 主要是由未來某特定時間點，例如某筆訂單的交期，在時間軸上倒推排程。 後推排程 (Backward Scheduling)

APS系統產能規劃技術 數學模式 網路模式 以TOC為主 模擬方法 以ASP-CP進行產能的平準化

13.8.2 以模擬技術為基礎的 APS作業排程系統示意圖

模擬技術導向的智慧型排程引擎特點

結論 整體而言，APS系統可扮演替代或強化以MRP規劃邏輯為主的企業資源規劃系統 (例如：ERP、MRPⅡ等) 中的生產規劃與排程功能，以支援生產規劃人員制定相關的決策。企業除了應審慎的檢視與了解企業本身的特性與需求後，選擇最能夠符合需求的APS系統，此外，APS系統必須與企業的其他相關資訊應用系統 (例如：ERP與MES) 有效的整合，才能發揮企業資源整合的效益，達到快速回應顧客需求的目標。