大規(guī)模定制下基于改進(jìn)GBOM的物料需求計(jì)劃模型

單汨源，姜容，宋澤宇

（湖南大學(xué)工商管理學(xué)院，長(zhǎng)沙410082）

大規(guī)模定制下基于改進(jìn)GBOM的物料需求計(jì)劃模型

單汨源，姜容，宋澤宇

（湖南大學(xué)工商管理學(xué)院，長(zhǎng)沙410082）

文章以產(chǎn)品族為對(duì)象，以改進(jìn)后GBOM為基礎(chǔ)，對(duì)比傳統(tǒng)MRP，基于預(yù)測(cè)需求、客戶訂單、可存等變量的邏輯運(yùn)算，構(gòu)建了GMRP模型。通過GMRP生產(chǎn)活動(dòng)流程分析，推導(dǎo)出GMRP兩階段運(yùn)算過程，即面向類BOM結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的BOM中心算法階段和選擇樹的選擇子集前序遍歷階段。

大規(guī)模定制；按訂單裝配；類物料清單；物料需求計(jì)劃

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，需求多樣、反映敏捷、競(jìng)爭(zhēng)激勵(lì)等市場(chǎng)特征使得傳統(tǒng)生產(chǎn)模式下的大批量生產(chǎn)已難以滿足現(xiàn)代用戶對(duì)產(chǎn)品多樣化的需求，而傳統(tǒng)定制化企業(yè)存在著生產(chǎn)周期過長(zhǎng)、產(chǎn)品品種有限、制造成本較高等問題。大規(guī)模定制生產(chǎn)模式的提出，解決了許多傳統(tǒng)生產(chǎn)模式中的問題，以大規(guī)模生產(chǎn)的成本和速度，為單個(gè)顧客或小批量多品種市場(chǎng)定制任意數(shù)量的產(chǎn)品及服務(wù)。然而，伴隨大規(guī)模定制模式對(duì)傳統(tǒng)產(chǎn)品BOM結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)計(jì)劃生成機(jī)制影響程度的加深，傳統(tǒng)MRP顯露出不適應(yīng)性[1]。

物料需求計(jì)劃（MRP）是制造業(yè)ERP的核心思想，其基本原理是根據(jù)需求和預(yù)測(cè)來測(cè)定未來物料供應(yīng)和生產(chǎn)計(jì)劃，提供物料需求的準(zhǔn)確時(shí)間和數(shù)量。針對(duì)傳統(tǒng)MRP中基于單個(gè)產(chǎn)品的物料計(jì)劃模型的局限性，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了深入探討，相繼提出增/刪BOM、模塊化BOM、變體BOM和類（generic）BOM等技術(shù)。其中，類（generic）BOM表達(dá)了與產(chǎn)品族描述、配置相關(guān)的所有信息，主要由BOM結(jié)構(gòu)樹與選擇樹構(gòu)成，在處理多樣性產(chǎn)品和快速生產(chǎn)該BOM時(shí)具有里程碑式的進(jìn)步。與集中于生產(chǎn)技術(shù)的研究相比，針對(duì)生產(chǎn)管理方面的研究并不多見。雖然一些動(dòng)態(tài)BOM和模塊BOM的研究在一定程度上降低了計(jì)算復(fù)雜度，產(chǎn)品配置器的設(shè)計(jì)也在一定程度上減少了數(shù)據(jù)冗余、縮短了計(jì)算反應(yīng)時(shí)間，但仍是以傳統(tǒng)MRP方式組織采購(gòu)與生產(chǎn)，未能從源頭解決以產(chǎn)品族為對(duì)象的生產(chǎn)計(jì)劃協(xié)調(diào)問題[2]。

Hegge認(rèn)為大規(guī)模定制中的物料協(xié)調(diào)問題，可以借助GBOM的設(shè)計(jì)思想，從面向類產(chǎn)品的角度，利用產(chǎn)品族類零部件多變量與單變量的關(guān)系求解分析[3]。馬士華建議基于類的BOM等方法，提出新的計(jì)劃生成處理邏輯和功能模型，建立新的生產(chǎn)計(jì)劃生成機(jī)制[1]。學(xué)者們相繼提出了分層動(dòng)態(tài)物料清單[4]、基于雙節(jié)分離式BOM的遞歸算法[5]等物料需求計(jì)劃模型。針對(duì)GBOM產(chǎn)品族模型存在產(chǎn)品族最底層選擇子集預(yù)測(cè)性欠佳、約束（配置規(guī)則）維護(hù)不靈活的不足，單汨源、宋澤宇等提出引入計(jì)劃百分比對(duì)現(xiàn)行GBOM模型予以改進(jìn)，使其更好地應(yīng)用于大規(guī)模定制的生產(chǎn)計(jì)劃之中[6]。本文主要探討基于改進(jìn)GBOM的物料需求計(jì)劃模型構(gòu)建，將研究范圍界定為按訂單裝配（ATO）的生產(chǎn)環(huán)境范圍內(nèi)，即在裝配階段實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品定制，并綜合考慮訂單和計(jì)劃預(yù)測(cè)。

1 GM RP定義及流程

1.1 定義

本文以物料需求計(jì)劃核心——GBOM為源點(diǎn)，對(duì)大規(guī)模定制環(huán)境中類物料需求計(jì)劃（GMRP）概念進(jìn)行了完善，重新定義如下：GMRP，即類物料需求計(jì)劃，是一種以產(chǎn)品族（Product Family）為生產(chǎn)計(jì)劃對(duì)象，以GBOM（Generic Bill Of Material）為計(jì)劃基礎(chǔ)，通過預(yù)測(cè)需求、客戶訂單、庫(kù)存等變量的邏輯運(yùn)算，輸出采購(gòu)計(jì)劃與制造計(jì)劃。

1.2 GMRP工作流設(shè)計(jì)

大規(guī)模定制生產(chǎn)活動(dòng)因其自身定制模式的不同有很大區(qū)別。本節(jié)將主要通過大規(guī)模定制的生產(chǎn)計(jì)劃流程梳理，分析按訂單裝配模式下的GMRP運(yùn)算邏輯，見圖1。

具體步驟包括：首先，將對(duì)市場(chǎng)的分析作為需求預(yù)測(cè)的主要來源，與客戶訂單作為輸入信息將分別通過MPS系統(tǒng)向GMRP傳遞；其次，因系統(tǒng)需求變量的不同，預(yù)測(cè)需求與客戶訂單不宜簡(jiǎn)單運(yùn)算，因此將物料需求計(jì)劃分為兩階段，一個(gè)是基于GBOM結(jié)構(gòu)的運(yùn)算，針對(duì)預(yù)測(cè)需求進(jìn)行類節(jié)點(diǎn)物料需求分解，一個(gè)是基于GBOM類節(jié)點(diǎn)選擇樹的運(yùn)算，對(duì)類節(jié)點(diǎn)預(yù)測(cè)需求分解，以及客戶訂單與類節(jié)點(diǎn)選擇子集的物料需求分解合并運(yùn)算；再次，根據(jù)ATP庫(kù)存求解凈需求，輸出采購(gòu)作業(yè)計(jì)劃和車間作業(yè)計(jì)劃，將在制品或零部件存儲(chǔ)至倉(cāng)庫(kù)中；最后，通過產(chǎn)品配置器輸出OBOM，組織成品裝配，滿足客戶個(gè)性化需求。

2 GM RP模型構(gòu)建

2.1 前提假設(shè)

根據(jù)大規(guī)模定制生產(chǎn)管理中GBOM的特點(diǎn)，考慮生產(chǎn)過程中客戶訂單需求不確定性因素的影響，對(duì)于以下幾個(gè)方面給出假設(shè)便于運(yùn)算。

假設(shè)1：企業(yè)生產(chǎn)能力不受限制，即生產(chǎn)能力可滿足所有的預(yù)測(cè)與訂單。

假設(shè)2：產(chǎn)品族類零部件各選擇子集保證固定的提前期與批量，且一致。

假設(shè)3：下達(dá)的客戶訂單均賦值最短交貨期，以便實(shí)現(xiàn)下單即組織裝配生產(chǎn)。

2.2 GMRP邏輯運(yùn)算

GMRP輸入信息包括：第一，主生產(chǎn)計(jì)劃，包含預(yù)測(cè)與客戶訂單兩部分；第二，類物料清單，含類零部件、產(chǎn)品族BOM結(jié)構(gòu)、變量集、間接確定方式、產(chǎn)品族選擇樹、配置規(guī)則（約束）及計(jì)劃百分比等信息，如圖2；第三，庫(kù)存可允諾量，尤其是關(guān)鍵物料。

GRMP的邏輯運(yùn)算分為GBOM結(jié)構(gòu)樹運(yùn)算和選擇樹分解運(yùn)算兩個(gè)部分。

（1）GBOM結(jié)構(gòu)樹運(yùn)算

針對(duì)主生產(chǎn)計(jì)劃的市場(chǎng)需求進(jìn)行預(yù)測(cè)，不考慮客戶訂單、庫(kù)存儲(chǔ)備量和預(yù)計(jì)接收庫(kù)存量（在途）信息的影響，借用BOM中心算法的思想對(duì)類物料清單的BOM結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)需求與時(shí)間進(jìn)行運(yùn)算。產(chǎn)品族虛擬時(shí)間與虛擬空間結(jié)構(gòu)，如圖3所示。圖中，各零部件位置移動(dòng)表示的是時(shí)間進(jìn)程，此處采用平移的方法進(jìn)行表示。

第一階段的具體推算步驟如下：

首先，根據(jù)GBOM模型中BOM結(jié)構(gòu)樹，測(cè)算類零部件的虛擬時(shí)段需求（假設(shè)最頂層產(chǎn)品族的需求數(shù)量為1，投產(chǎn)時(shí)段為0）。

然后，訪問主生產(chǎn)計(jì)劃，計(jì)算市場(chǎng)預(yù)測(cè)需求。將GBOM表虛擬時(shí)段平移到預(yù)計(jì)生產(chǎn)階段（實(shí)際需求時(shí)段-產(chǎn)品生產(chǎn)周期，以周為單位），將GBOM表的虛擬數(shù)量乘以實(shí)際需求計(jì)劃的數(shù)量。

假設(shè)f、e庫(kù)存預(yù)測(cè)需求時(shí)間為第5周，則相應(yīng)實(shí)際開工周次為第2周，同理，可求其它零部件實(shí)際開工周次與實(shí)際完工周次，產(chǎn)品族B的預(yù)測(cè)需求為m，具體數(shù)據(jù)見表1。

表1 虛擬時(shí)段與實(shí)際時(shí)段預(yù)測(cè)需求表

從表1中的開工、完工時(shí)間可見，虛擬開工時(shí)間大于等于虛擬開工時(shí)間最早的類零部件不需要提前儲(chǔ)備，避免造成浪費(fèi)，如類零件g、b、h與類部件（類產(chǎn)品）E、D、A、B；反之，則必須事前生產(chǎn)，如類零件c。

（2）GBOM選擇樹分解

對(duì)求解得出的類零部件進(jìn)行再分解運(yùn)算，求出最底層選擇子集裝配件的需求數(shù)量與時(shí)間，分為以下兩個(gè)部分。

首先，類零部件選擇樹預(yù)測(cè)分解。以產(chǎn)品族為對(duì)象，而非規(guī)格品種繁多的最終產(chǎn)品，根據(jù)市場(chǎng)預(yù)測(cè)及歷史數(shù)據(jù)分析，合理預(yù)測(cè)類零部件與選擇子集之間的計(jì)劃百分比，輔助GMRP實(shí)現(xiàn)類零部件的預(yù)測(cè)分解。

總需求量G（t）是指在t計(jì)劃期內(nèi)所有最終裝配項(xiàng)目的總耗用量，包含客戶訂單需求與市場(chǎng)預(yù)測(cè)需求兩個(gè)部分。其中，

t為時(shí)間段，t=1,2,3,…,n（周）；Ri(t)為該項(xiàng)目第i個(gè)父項(xiàng)在t計(jì)劃期的計(jì)劃下達(dá)訂貨量；qi為單位第i個(gè)父項(xiàng)所需該子項(xiàng)目的數(shù)量；n為該項(xiàng)目所有父項(xiàng)目的總數(shù)，i=1,2,3,…,n。

ai為最終裝配件類節(jié)點(diǎn)最終結(jié)構(gòu)數(shù)量比；ppi為最終裝配件累計(jì)計(jì)劃百分比；m為產(chǎn)品族預(yù)測(cè)數(shù)量；k為該項(xiàng)目其他類節(jié)點(diǎn)的總數(shù)。

如圖2，類部件A不僅僅繼承了父類產(chǎn)品族B的外部變量par1、變量值val11、val12以及選擇關(guān)系的計(jì)劃百分比pp0011、pp0012，還帶有著內(nèi)部變量par2、變量值val21、val22以及外部變量值與內(nèi)部變量值在選擇關(guān)系上的計(jì)劃百分比pp1121、pp1122、pp1221、pp1222；同樣，在類零部件c、b中也有相應(yīng)的變量、變量值以及選擇關(guān)系上的計(jì)劃百分比。其中，計(jì)劃百分比的取值范圍為[0,1]，且每一節(jié)點(diǎn)or選擇關(guān)系的計(jì)劃百分比和為100%，如pp1121+pp1122=100%，pp1221+pp1222=100%。由圖2可知，各變量值之間的映射關(guān)系及計(jì)劃百分比如表2所示。

通過分析，采用前序遍歷的方法，如圖4，可以很快求出類節(jié)點(diǎn)選擇樹下所關(guān)聯(lián)的全部選擇子集需求數(shù)量。

類零件C，選擇子集預(yù)測(cè)結(jié)果如表3所示。其它類零部件依照類零件C選擇子集分解的方法進(jìn)行測(cè)算，便可很容易計(jì)算出該產(chǎn)品族所有最底層選擇子集的預(yù)測(cè)數(shù)量。

表3 選擇子集預(yù)測(cè)需求分解

其次，選擇子集與訂單關(guān)系邏輯運(yùn)算。工作訂單中需要對(duì)每一個(gè)訂單在需求數(shù)量下達(dá)、產(chǎn)品零部件生產(chǎn)之前，判斷其與預(yù)測(cè)需求之間的關(guān)系，確定其是否包含于預(yù)測(cè)需求之中，再對(duì)產(chǎn)品族最底層類零部件實(shí)例進(jìn)行需求的合并或分解運(yùn)算，并對(duì)每一份訂單逐一重復(fù)上述過程。主要存在三種情況。

情況1：客戶訂單包含于預(yù)測(cè)之中，當(dāng)零部件客戶訂單需求數(shù)量小于等于相應(yīng)預(yù)測(cè)需求時(shí)，需要把預(yù)測(cè)需求中包含客戶訂單部分去除，毛需求等于剩余預(yù)測(cè)需求與客戶訂單的總和。

情況2：客戶訂單包含于預(yù)測(cè)之中，當(dāng)客戶訂單大于相應(yīng)客戶預(yù)測(cè)需求時(shí)，則在前一時(shí)段剩余預(yù)測(cè)需求中扣除；如果前一時(shí)段預(yù)測(cè)需求已經(jīng)全部消耗，則扣除前任一時(shí)段剩余預(yù)測(cè)需求；如果前所有階段預(yù)測(cè)需求全部消耗，則當(dāng)前期毛需求等于客戶訂單總需求。假設(shè)選擇子集S（c|par2=val21,par3=val31）為客戶訂單某產(chǎn)品分解零部件中實(shí)例，客戶訂單產(chǎn)品需求數(shù)量為n，則訂單對(duì)零件c的需求為12n，當(dāng)預(yù)測(cè)需求12m*（pp0011*pp1121+pp0012*pp1221）*pp2131包含12n時(shí)，剩余的預(yù)測(cè)需求為12m*（pp0011*pp1121+pp0012*pp1221）*pp2131-12n，選擇子集毛需求為12m*(pp0011*pp1121+pp0012*pp1221)*pp2131-12n+12n。

情況3：當(dāng)客戶訂單不包含在預(yù)測(cè)之中時(shí)，僅需要將客戶訂單各零部件的數(shù)量與對(duì)應(yīng)產(chǎn)品族的最終裝配件預(yù)測(cè)數(shù)量相加即可。

對(duì)訂單與預(yù)測(cè)需求關(guān)系進(jìn)行判斷后，檢查ATP庫(kù)存，判斷下單數(shù)量，與當(dāng)期生產(chǎn)計(jì)劃合并排產(chǎn)。其中：

凈需求量：

H（t-1）為t計(jì)劃期初（或上計(jì)劃期末）預(yù)計(jì)ATP庫(kù)存量，H（0）則表示最終裝配件整個(gè)計(jì)劃期初庫(kù)存量。

計(jì)劃下達(dá)訂貨量：R(t)=P(t+LT)(5)t=1,2,…,n-LT。LT是提前期，其余R(t)不確定。

ATP庫(kù)存量：

3 結(jié)論

大規(guī)模定制下的GMRP與傳統(tǒng)MRP在很多部分具有著相似性，它們?cè)谟?jì)劃中具有時(shí)間階段性，且每個(gè)時(shí)期均須保持需求和供給的相互平衡。但是，兩者相似卻不完全相同，其中最大的區(qū)別則在于對(duì)客戶訂單的處理。GMRP的需求與供給較傳統(tǒng)MRP略有區(qū)別，其中需求主要包含預(yù)測(cè)消耗后剩余獨(dú)立總需求、預(yù)測(cè)消耗后剩余相關(guān)總需求、客戶訂單數(shù)量，供給包括庫(kù)存量（ATP）、計(jì)劃接收釋放的采購(gòu)與制造訂單、計(jì)劃但沒有釋放的制造與計(jì)劃訂單。GMRP與傳統(tǒng)MRP之間存在的差異，如表4所示，可見傳統(tǒng)的MRP算法已經(jīng)不能完全應(yīng)用于GMRP。

表4 GMRP與MRP差異分析表

本文研究的類物料需求計(jì)劃，是GBOM在離散型裝配企業(yè)中的新應(yīng)用與新發(fā)展。但是還有多處不完善，未來將在GBOM變量映射自動(dòng)化、客戶訂單的分類合并方面進(jìn)一步加強(qiáng)研究。

[1]馬士華.顧客化大量生產(chǎn)環(huán)境下生產(chǎn)管理的新問題及共對(duì)策研究.管理工程學(xué)報(bào),2000,14（3）.

[2]Mailharro D.A Classification and Constraint-based Framework for Configuration[J].AIEDAM,1998,12（4）.

[3]Hegge H.M.H.,Wortmann J C.Generic bill-of-material.A New Product Model[J].International Journal of Production Economics,1991,23（1）.

[4]周曉,馬士華.面向顧客化大量生產(chǎn)的MRPII改進(jìn)方案[J].工業(yè)工程,2002，（4）.

[5]葉紅朝,孫毅.基于雙階分離式BOM的物料需求計(jì)劃算法的研究與實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代生產(chǎn)與管理技術(shù),2006，23（4）.

F274

A

1002－6487（2011）07－0055-03

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（70971036）

單汨源（1962-），男，湖南岳陽人，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向：運(yùn)營(yíng)管理。

（責(zé)任編輯/浩天）