面向智能制造的多要素生產(chǎn)成本建模方法

馮毅萍，章途潮，陳歆

（浙江大學(xué)智能系統(tǒng)與控制研究所，浙江杭州310027）

引 言

生產(chǎn)成本（production cost）是指企業(yè)為生產(chǎn)產(chǎn)品而發(fā)生的成本。生產(chǎn)成本是生產(chǎn)過(guò)程中各種資源利用情況的貨幣表示，是企業(yè)進(jìn)行生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)決策的重要依據(jù)，也是衡量企業(yè)技術(shù)和管理水平的重要指標(biāo)。以往通常將其歸結(jié)為直接成本及間接成本兩類(lèi)。直接成本指生產(chǎn)某產(chǎn)品的直接原材料、人工等的成本。間接成本指雖不直接由該產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程所引起，但卻與生產(chǎn)過(guò)程的總體條件有關(guān)的費(fèi)用，如公用工程設(shè)備折舊、管理人員工資、辦公費(fèi)用等，其核算方法通常采用標(biāo)準(zhǔn)成本類(lèi)比法或經(jīng)驗(yàn)分?jǐn)偡╗1-3]。

隨著信息化技術(shù)的發(fā)展，企業(yè)對(duì)生產(chǎn)成本的核算精細(xì)化要求不斷提高，其核心是構(gòu)建精益化的成本模型。Solow[4]提出了具有規(guī)模報(bào)酬不變特性的總量生產(chǎn)函數(shù)和增長(zhǎng)方程，即全要素生產(chǎn)率，并把它歸結(jié)為是由技術(shù)進(jìn)步而產(chǎn)生的；Almeida 等[5-7]提出了作業(yè)成本模型(activity-based cost，ABC），將產(chǎn)品成本和生產(chǎn)流程控制通過(guò)作業(yè)連接在一起；全生命周期成本理論(life cycle cost，LCC) 起源于美國(guó)軍方，從產(chǎn)品全生命周期階段所產(chǎn)生的成本角度，對(duì)物資研發(fā)和采購(gòu)進(jìn)行成本管理[8-9]；著名的LCC 商業(yè)軟件有PTC Windchill LCC 和LCCWare，通過(guò)建立產(chǎn)品或過(guò)程的全生命周期成本樹(shù)模型，支持成本函數(shù)的編輯，進(jìn)行全生命周期的成本核算、預(yù)測(cè)，以及對(duì)多個(gè)備選設(shè)計(jì)方案進(jìn)行成本影響比較以及成本敏感度分析；Dui 等[10-13]提出的集成成本管理系統(tǒng)(integrated cost management system，ICMS)概念，進(jìn)一步將企業(yè)內(nèi)的生產(chǎn)流程和信息流、數(shù)據(jù)流以及人的決策結(jié)合起來(lái)，使企業(yè)的戰(zhàn)略決策、生產(chǎn)流程和成本控制系統(tǒng)聯(lián)系在一起，形成一個(gè)統(tǒng)一的集成系統(tǒng)。隨著電子信息和企業(yè)資源規(guī)劃（enterprise resource planning，ERP）系統(tǒng)的發(fā)展，很多ERP 開(kāi)發(fā)商對(duì)企業(yè)的成本控制方面進(jìn)行改進(jìn)。著名的SAP公司在SAP R/3 系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了成本控制模塊和其他模塊的兼容。日本豐田汽車(chē)公司提出的精益生產(chǎn)及持續(xù)降低成本的理念，運(yùn)用生產(chǎn)價(jià)值流圖工具，從企業(yè)經(jīng)營(yíng)管理涉及的諸多層面綜合進(jìn)行精細(xì)化成本管理，成功實(shí)踐了ICMS理論[14-15]。

制造業(yè)生產(chǎn)模式經(jīng)歷了手工作坊、工業(yè)化以及自動(dòng)化的發(fā)展，目前正在向智能化階段邁進(jìn)。在智能制造背景下，生產(chǎn)模式發(fā)生了重要的變化。文獻(xiàn)

[16]根據(jù)德國(guó)電氣電子行業(yè)協(xié)會(huì)（ZVEI）工業(yè)4.0 參考架構(gòu)（RAMI4.0）[17]提出了智慧工廠(chǎng)組成域模型，將智慧工廠(chǎng)資源分為實(shí)體資源及虛擬資源兩大部分。實(shí)體資源包括機(jī)器、物料、人等；虛擬資源通常以數(shù)字化資源形態(tài)存在，包括軟件、知識(shí)、數(shù)據(jù)、服務(wù)，以及人的智能化能力等。數(shù)字化資源在智能制造生產(chǎn)模式中的作用顯得越來(lái)越重要。文獻(xiàn)[18]指出在智能制造生產(chǎn)模式下，傳統(tǒng)以硬件為主要核算要素的成本核算模型已經(jīng)不能滿(mǎn)足軟件及服務(wù)等虛擬對(duì)象的成本核算需求。文獻(xiàn)[19-21]考慮到部分工段自動(dòng)化設(shè)施成本特別昂貴，提出手動(dòng)和自動(dòng)化過(guò)程的平衡組合策略，在自動(dòng)化投入與勞動(dòng)力成本之間尋求平衡。文獻(xiàn)[22]在研究自動(dòng)化程度與產(chǎn)量之間關(guān)系的基礎(chǔ)上，提出了一種不同自動(dòng)化水平（手動(dòng)、自動(dòng)和機(jī)器人）對(duì)應(yīng)的成本曲線(xiàn)。

在智能制造生產(chǎn)模式下，工廠(chǎng)實(shí)體資源及虛擬資源在模型水平維及縱向維上呈現(xiàn)出不同的空間尺度分布，且具有信息物理系統(tǒng)（cyber-physical systems，CPS）相互融合等特點(diǎn)?；诨顒?dòng)的成本核算模型針對(duì)具體產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行了成本定位核算，提升了成本核算的精細(xì)化水平；Chan 等[23]針對(duì)增材制造智能生產(chǎn)過(guò)程提出了一種基于數(shù)據(jù)的成本估算方法；Sajadfar 等[24]針對(duì)工廠(chǎng)數(shù)據(jù)多粒度的特點(diǎn)提出了一種結(jié)合經(jīng)驗(yàn)分?jǐn)偡ê蛿?shù)據(jù)挖掘算法的混雜成本核算模型，增加了成本核算的靈活性；Kuhlang 等[25]提出了一種面向智能制造多層次成本管控的價(jià)值流提升模型，為企業(yè)價(jià)值流持續(xù)提升提供了一種路徑。以上方法對(duì)智能制造成本核算提供了有益的探索，但仍無(wú)法提供智能制造數(shù)字化生產(chǎn)要素有效的成本核算手段，也無(wú)法解決多層次生產(chǎn)管控的成本核算問(wèn)題。為此，迫切需要構(gòu)建能覆蓋數(shù)字化生產(chǎn)要素的智能制造成本模型，用于滿(mǎn)足智能制造生產(chǎn)模式下的多層次生產(chǎn)成本核算、效益評(píng)估及生產(chǎn)精細(xì)化管控等實(shí)際需求。

本文依據(jù)智能制造組成域參考模型架構(gòu)，對(duì)新型數(shù)字化資源及人力資源在智能制造生產(chǎn)過(guò)程中的獨(dú)特作用進(jìn)行了細(xì)致的描述和定位。對(duì)傳統(tǒng)生產(chǎn)成本模型進(jìn)行了重新定義，將數(shù)字化資源與傳統(tǒng)加工設(shè)備在模型表達(dá)上進(jìn)行剝離，獨(dú)立進(jìn)行成本要素建模。在模型架構(gòu)上采用符合ISA95 標(biāo)準(zhǔn)的ERP-MES（manufacturing executive system）-PCS（process control system）層級(jí)結(jié)構(gòu)，將生產(chǎn)成本與實(shí)際生產(chǎn)場(chǎng)景緊密連接，建立了廠(chǎng)級(jí)多層次多要素成本模型。進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了針對(duì)批次或單個(gè)產(chǎn)品的精準(zhǔn)成本核算及成本結(jié)構(gòu)可視化，以及跨管理層次的成本跟蹤及一致性核算。

1 面向智能制造的多要素生產(chǎn)成本模型

多節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)模型（multi-node structured model，MNSM）指多個(gè)分布式節(jié)點(diǎn)組成的結(jié)構(gòu)模型。由多個(gè)分布式實(shí)體組成的系統(tǒng)如圖1 所示，其中節(jié)點(diǎn)1、2、3、4 直至n 表示系統(tǒng)中所包含的n 個(gè)實(shí)體，連線(xiàn)表示實(shí)體之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

圖1 多個(gè)分布式節(jié)點(diǎn)組成的結(jié)構(gòu)模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of structural model composed of multiple distributed nodes

多節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)模型可以抽象表示由多個(gè)分布式實(shí)體及其相互之間的動(dòng)穩(wěn)態(tài)關(guān)聯(lián)關(guān)系組成的分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，如互聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程、城市交通網(wǎng)絡(luò)等。其模型關(guān)聯(lián)關(guān)系包括物理設(shè)備的連接關(guān)系、邏輯關(guān)系及指令信息關(guān)系等。如把系統(tǒng)中的實(shí)體抽象為節(jié)點(diǎn)，實(shí)體之間的關(guān)聯(lián)簡(jiǎn)化為節(jié)點(diǎn)間的弧，則系統(tǒng)可表現(xiàn)為由節(jié)點(diǎn)和弧組成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖模型。本文采用分布式多節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)模型描述制造生產(chǎn)過(guò)程成本核算拓?fù)潢P(guān)系，應(yīng)用面向?qū)ο蠓椒?，將生產(chǎn)單元定義為成本模型節(jié)點(diǎn)，捆綁其要素屬性、成本核算函數(shù)等構(gòu)成多節(jié)點(diǎn)多要素生產(chǎn)成本結(jié)構(gòu)模型，并將其進(jìn)行形式化描述。

1.1 多要素生產(chǎn)成本模型的形式化表達(dá)

面向智能制造的多要素生產(chǎn)成本模型的形式化表達(dá)如下

其中，M指任一智能制造生產(chǎn)過(guò)程的成本模型；COST_ENTITY 指成本節(jié)點(diǎn)，是為了便于成本管理而定義的制造生產(chǎn)過(guò)程成本核算單位；LINK 指節(jié)點(diǎn)之間的接口及連接關(guān)系，也即生產(chǎn)過(guò)程不同成本節(jié)點(diǎn)之間的成本核算關(guān)系；COST_VALUE 指該生產(chǎn)過(guò)程的總體成本值。

1.2 成本節(jié)點(diǎn)模型

式(1)中成本節(jié)點(diǎn)的模型可以表達(dá)為

其中Entity_ID 表示成本節(jié)點(diǎn)的序號(hào)；Entity_Type 表示該成本節(jié)點(diǎn)的類(lèi)型，企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程成本節(jié)點(diǎn)類(lèi)型包括：

（1）生產(chǎn)加工設(shè)備節(jié)點(diǎn)Machine_EntityPCS，指直接參與生產(chǎn)加工的機(jī)器設(shè)備，節(jié)點(diǎn)屬性包括設(shè)備工藝參數(shù)、加工方案、加工能力等。

（2）物流節(jié)點(diǎn)Logis_EntityPCS，指產(chǎn)品、材料及半成品物流移動(dòng)設(shè)施，比如管線(xiàn)、運(yùn)輸車(chē)輛等。節(jié)點(diǎn)屬性包括運(yùn)輸載體種類(lèi)、運(yùn)能、速度等。

（3）庫(kù)存節(jié)點(diǎn)Stock_EntityPCS，指物料及產(chǎn)品存儲(chǔ)庫(kù)存節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)屬性包括庫(kù)存容量、倉(cāng)庫(kù)類(lèi)型等。

（4）公用工程節(jié)點(diǎn)Utili_EntityPCS，指工廠(chǎng)中支持生產(chǎn)的供熱、供水、供電、供氣以及消防等公用設(shè)施，節(jié)點(diǎn)屬性包括供能種類(lèi)、能力、功率、價(jià)格等。

（5）數(shù)字化資源節(jié)點(diǎn)Digital_EntityPCS，包括傳統(tǒng)生產(chǎn)設(shè)備的自動(dòng)化管控系統(tǒng)，以及智能制造生產(chǎn)模式下新增的智能化設(shè)施及系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、軟件、知識(shí)、模型、數(shù)據(jù)和信息等。節(jié)點(diǎn)屬性包括智能化水平、標(biāo)準(zhǔn)、功能及其他參數(shù)等。

（6）人力資源節(jié)點(diǎn)Pers_EntityPCS，在傳統(tǒng)以操作工人為主的勞動(dòng)力資源基礎(chǔ)上，新增了智能化崗位人力資源。節(jié)點(diǎn)屬性包括智力水平、資質(zhì)、能力等。

{Cost_Elemk}指各節(jié)點(diǎn)的成本分項(xiàng)核算要素及成本計(jì)算值。分項(xiàng)成本組成要素分別如表1、表2所示。

表1 分項(xiàng)成本要素種類(lèi)Table 1 Itemized cost element types

表2 人力資源成本要素Table 2 Human resources cost elements

根據(jù)成本節(jié)點(diǎn)屬性及成本要素項(xiàng)，可以形成各成本節(jié)點(diǎn)的核算矩陣，并計(jì)算得到本節(jié)點(diǎn)的成本值

其中，Cost_Elemk表示第k 個(gè)節(jié)點(diǎn)成本值，Ckj表示第k個(gè)節(jié)點(diǎn)第j項(xiàng)要素成本值，m表示要素個(gè)數(shù)。

1.3 成本節(jié)點(diǎn)之間的連接關(guān)系

LINK 指成本節(jié)點(diǎn)之間的連接關(guān)系，具體指節(jié)點(diǎn)之間的接口及拓?fù)浞较?。成本?jié)點(diǎn)通過(guò)連接關(guān)系形成了成本核算的路徑，也定義了價(jià)值流方向。其中物理連接主要指加工設(shè)備之間的前后工序連接關(guān)系；虛擬連接主要指管控設(shè)備、加工設(shè)備及人員之間的信息交換關(guān)系。

其中，Link_Typt 表示連接關(guān)系類(lèi)型，分為實(shí)物連接、信息連接等類(lèi)型；Entity_For 表示前向節(jié)點(diǎn)；Entity_bac表示后向節(jié)點(diǎn)。

2 多要素生產(chǎn)成本模型的多層次特性

隨著智能制造生產(chǎn)系統(tǒng)日益復(fù)雜，不同管理層次對(duì)生產(chǎn)成本核算的分辨率產(chǎn)生了不同需求[26-28]，而且跨層次的生產(chǎn)業(yè)務(wù)日益增加，導(dǎo)致傳統(tǒng)單一層次成本核算建模方法已不再適應(yīng)新生產(chǎn)模式下的成本管理需求，如圖2 所示。迫切要求構(gòu)建一種包含多種時(shí)空分辨率，能夠在不同管理層次上對(duì)生產(chǎn)成本進(jìn)行核算的建模方法。

圖2 多層次生產(chǎn)成本核算需求Fig.2 Multi-level production cost accounting requirements

依據(jù)ISA95及IEC62264標(biāo)準(zhǔn)的ERP-MES-PCS層級(jí)原型及制造運(yùn)行管理（MOM）體系結(jié)構(gòu)，工廠(chǎng)資源按空間尺度、生產(chǎn)工序以及應(yīng)用需求等呈現(xiàn)出層級(jí)映射關(guān)系。通過(guò)建立層次之間成本節(jié)點(diǎn)的耦合關(guān)系模型，實(shí)現(xiàn)了多層次成本模型的統(tǒng)一建模和數(shù)據(jù)的一致性。

2.1 多層次多要素生產(chǎn)成本模型的形式化表達(dá)

在1.1 節(jié)生產(chǎn)過(guò)程多要素成本模型基礎(chǔ)上，添加層次特性，得到多層次多要素成本模型形式化表達(dá)如下

其中，MTi指第i層的生產(chǎn)過(guò)程多要素成本模型，i ∈P ={1,2,…,Ln}，Ln 為成本模型層次數(shù)，一般可根據(jù)企業(yè)管理架構(gòu)層次，取2～4 層。例如，Ln=3，對(duì)應(yīng)ISA95 標(biāo)準(zhǔn)的功能遞階結(jié)構(gòu)，依次自下至上指工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制層PCS、生產(chǎn)執(zhí)行管理層MES 和生產(chǎn)資源管理層ERP。Ln=4，對(duì)應(yīng)ISA95 標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備遞階結(jié)構(gòu)，依次自下至上指工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)裝置層、生產(chǎn)區(qū)域?qū)?、廠(chǎng)區(qū)層和企業(yè)層。Ln=2，可對(duì)應(yīng)企業(yè)扁平化管理的各種組合。

式（5）中的COST_ENTITY 指該層次的成本節(jié)點(diǎn)；LINK 指該層次成本節(jié)點(diǎn)之間的接口及連接關(guān)系，也即同層次不同節(jié)點(diǎn)之間的成本核算關(guān)系；COST_VALUE指該層生產(chǎn)過(guò)程總體成本值。

2.2 多層次生產(chǎn)成本節(jié)點(diǎn)模型

在1.2 節(jié)生產(chǎn)過(guò)程成本節(jié)點(diǎn)模型基礎(chǔ)上，通過(guò)建立不同層次節(jié)點(diǎn)之間的耦合關(guān)系，可得到MES 層成本節(jié)點(diǎn)包括：

人力資源節(jié)點(diǎn)Pers_EntityMES，指在MES 層次上特有的管理崗位人力資源節(jié)點(diǎn)，比如調(diào)度人員等；

數(shù)字化資源節(jié)點(diǎn)Digital_EntityMES，指在MES 層次上特有的智能化管控系統(tǒng)及應(yīng)用軟件等；

耦合節(jié)點(diǎn)Coul_EntityMES，根據(jù)MES 層成本管理需求由PCS 層生產(chǎn)流程相關(guān)的若干節(jié)點(diǎn)耦合而成，代表了PCS 層到MES 層設(shè)備和功能的遞階關(guān)系。

當(dāng)耦合節(jié)點(diǎn)由PCS 層多個(gè)同類(lèi)子節(jié)點(diǎn)構(gòu)成時(shí)，其耦合關(guān)系為子節(jié)點(diǎn)聚集關(guān)系。當(dāng)由不同類(lèi)子節(jié)點(diǎn)構(gòu)成時(shí)，其耦合關(guān)系由這些子節(jié)點(diǎn)在PCS 層的連接關(guān)系決定，比如PCS 層同一個(gè)生產(chǎn)流程的多個(gè)設(shè)備節(jié)點(diǎn)、數(shù)字化資源節(jié)點(diǎn)及人力資源節(jié)點(diǎn)組合耦合形成MES層的一個(gè)耦合成本節(jié)點(diǎn)。

同樣，ERP 層成本節(jié)點(diǎn)包括Pers_EntityERP、Digital_EntityERP以及Coul_EntityERP，在此不作贅述。

2.3 多層次生產(chǎn)成本模型的層次間耦合關(guān)系模型

相鄰層次間的節(jié)點(diǎn)通過(guò)實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程成本節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行耦合，層次之間的映射關(guān)系如下

其中，MTj為第j 層的成本模型，一般取j=i+1；REL(MTi,MTj)表示第i層到第j層的耦合映射關(guān)系。

層次間的映射關(guān)系定義了不同成本管理層次之間由于時(shí)空特性不同而形成的成本核算關(guān)系，為各個(gè)層次單獨(dú)進(jìn)行分類(lèi)成本核算和價(jià)值流分析，以及跨層次的成本要素追蹤提供了方法。解決了傳統(tǒng)成本核算中間接成本精準(zhǔn)分?jǐn)偟碾y題。

3 基于多要素生產(chǎn)成本模型的成本核算

在智能制造背景下，由于各層級(jí)數(shù)字化資源的應(yīng)用，使得企業(yè)內(nèi)從決策層到控制層的核心功能發(fā)生了信息流及應(yīng)用模式的改變[29-30]?；诙鄬哟味嘁厣a(chǎn)成本模型，不同層次的管理人員可以靈活進(jìn)行不同層級(jí)、不同業(yè)務(wù)流程的成本核算。如ERP層的成本核算可以不需要以產(chǎn)品為單位，而與訂單或合同的盈利能力和產(chǎn)品合理化等問(wèn)題相關(guān)，而MES 層則更關(guān)注生產(chǎn)調(diào)度等業(yè)務(wù)管控能力與成本的平衡。本節(jié)以生產(chǎn)調(diào)度業(yè)務(wù)環(huán)成本核算為例說(shuō)明多要素生產(chǎn)成本模型的應(yīng)用。

3.1 生產(chǎn)計(jì)劃調(diào)度業(yè)務(wù)環(huán)工作流模型

在智能制造諸多業(yè)務(wù)環(huán)中，生產(chǎn)調(diào)度業(yè)務(wù)環(huán)貫穿整個(gè)生產(chǎn)運(yùn)行管理過(guò)程，在企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程價(jià)值鏈、管控閉環(huán)中處于價(jià)值創(chuàng)造的中心地位[31-32]。其中數(shù)字化資源的利用對(duì)生產(chǎn)調(diào)度業(yè)務(wù)起到了支撐作用?，F(xiàn)實(shí)工廠(chǎng)生產(chǎn)調(diào)度通常采取調(diào)度人員參與的半自動(dòng)優(yōu)化過(guò)程，生產(chǎn)調(diào)度工作流可以分為調(diào)度排產(chǎn)、指令下達(dá)、生產(chǎn)監(jiān)控和績(jī)效評(píng)估四個(gè)主要環(huán)節(jié)。其工作流模型如圖3所示。

（1）調(diào)度人員根據(jù)ERP 層下達(dá)的計(jì)劃任務(wù)，以及工藝設(shè)備的狀況確定企業(yè)具體的生產(chǎn)目標(biāo)及生產(chǎn)方案。此環(huán)節(jié)中的數(shù)字化資源包括生產(chǎn)要素信息化管理軟件、數(shù)據(jù)庫(kù)及計(jì)劃調(diào)度優(yōu)化軟件等，以及建模理論與方法，比如生產(chǎn)裝置能力模型、優(yōu)化算法模型或?qū)＜乙?guī)則等。

（2）指令下達(dá)環(huán)節(jié)崗位形態(tài)根據(jù)各工廠(chǎng)具體生產(chǎn)組織的復(fù)雜程度而不同，通常由包括調(diào)度員、工藝工程師、控制儀表工程師、操作員等的工作團(tuán)隊(duì)構(gòu)成。在離散制造自動(dòng)化流水線(xiàn)上，排產(chǎn)指令經(jīng)調(diào)度員確認(rèn)后，可直接下載到PCS 層過(guò)程控制系統(tǒng)的PLC 或DCS 等設(shè)備；而在流程工業(yè)，比如石化企業(yè)，排產(chǎn)指令還需車(chē)間工藝工程師，控制儀表工程師確認(rèn)，并細(xì)化為具體的操作指令，再由生產(chǎn)裝置操作員通過(guò)主控室DCS 或現(xiàn)場(chǎng)儀表進(jìn)行操控。數(shù)字化資源調(diào)度指令分解組件、MES 層功能組件及PCS 層功能組件分別為調(diào)度人員及車(chē)間工程師的調(diào)度指令分解提供了數(shù)據(jù)、算法及軟件工具。

（3）生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的各類(lèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)異常情況時(shí)進(jìn)行緊急報(bào)警處理。

（4）統(tǒng)計(jì)人員根據(jù)班組生產(chǎn)報(bào)表統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行績(jī)效評(píng)估，發(fā)現(xiàn)各種生產(chǎn)指令的執(zhí)行偏差，并采取準(zhǔn)確對(duì)策，以保證生產(chǎn)過(guò)程順利運(yùn)行。企業(yè)多層次物料平衡組件、報(bào)表呈現(xiàn)組件、生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)組件及調(diào)度優(yōu)化組件為績(jī)效評(píng)估提供了信息化工具。

3.2 生產(chǎn)計(jì)劃調(diào)度業(yè)務(wù)環(huán)多層次成本核算分析

從3.1 節(jié)工作流模型分析可知，生產(chǎn)計(jì)劃調(diào)度業(yè)務(wù)環(huán)縱向跨越企業(yè)生產(chǎn)管理的ERP、MES、PCS 三個(gè)層次。在各層次上都存在影響此業(yè)務(wù)的諸多不確定性[33-34]，比如生產(chǎn)負(fù)荷預(yù)測(cè)誤差、設(shè)備故障及人員誤操作等，所以各個(gè)層級(jí)必須經(jīng)常進(jìn)行成本核算，精準(zhǔn)掌握運(yùn)行偏差并及時(shí)處理，保證生產(chǎn)順利進(jìn)行。

企業(yè)資源計(jì)劃ERP 層根據(jù)產(chǎn)品需求、生產(chǎn)能力、原料供應(yīng)、能源供應(yīng)等因素，以盈利最大化為目標(biāo)制定月度生產(chǎn)計(jì)劃指標(biāo)，并分解成周計(jì)劃下達(dá)給MES 層調(diào)度人員。即ERP 層通過(guò)成本核算制定了生產(chǎn)計(jì)劃指標(biāo)，成為MES 層在交付能力和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)確定前提下的成本目標(biāo)約束。

MES 層有了ERP 成本約束后，確定MES 層各成本節(jié)點(diǎn)的成本要素。

PCS 層一方面需要接受MES 層的生產(chǎn)具體指令，并執(zhí)行指令，組織生產(chǎn)。PCS 層的執(zhí)行力包括PCS 層的自動(dòng)化設(shè)備的能力和操作工人的操作能力。另一方面，PCS 層需要進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和生產(chǎn)監(jiān)控。對(duì)生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、裝置出料質(zhì)量、產(chǎn)率和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、公用工程等各項(xiàng)生產(chǎn)運(yùn)行指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，采集指令運(yùn)行后的生產(chǎn)過(guò)程狀態(tài)，并進(jìn)行反饋。PCS 層過(guò)程監(jiān)控系統(tǒng)、統(tǒng)計(jì)及報(bào)表呈現(xiàn)組件為數(shù)據(jù)采集及實(shí)時(shí)監(jiān)控提供了信息化工具。

3.3 多層次成本核算方法

MES 層生產(chǎn)調(diào)度業(yè)務(wù)環(huán)成本核算的時(shí)間周期為一天，包括各環(huán)節(jié)的多要素成本，根據(jù)前面的多要素成本模型，MES 層生產(chǎn)調(diào)度多要素成本模型中的成本節(jié)點(diǎn)主要由四個(gè)環(huán)節(jié)的數(shù)字化資源節(jié)點(diǎn)及人力資源節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，如表3所示。

PCS層生產(chǎn)加工過(guò)程成本核算的流程與傳統(tǒng)成本要素法相似，首先需要確定各個(gè)成本節(jié)點(diǎn)核算對(duì)象，按各節(jié)點(diǎn)的成本要素收集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，以及節(jié)點(diǎn)之間的成本核算關(guān)系，從而形成完整的多要素產(chǎn)品生產(chǎn)鏈并據(jù)此建立多要素成本核算模型。然后基于實(shí)時(shí)生產(chǎn)數(shù)據(jù)，按表1 成本節(jié)點(diǎn)要素項(xiàng)進(jìn)行第一個(gè)核算周期各節(jié)點(diǎn)的成本核算。最后根據(jù)節(jié)點(diǎn)核算關(guān)系進(jìn)行全流程成本核算。

與傳統(tǒng)成本作業(yè)法成本核算相比，由于采用了多要素成本模型，除了保留原有的設(shè)備節(jié)點(diǎn)要素，將物流節(jié)點(diǎn)、公用工程節(jié)點(diǎn)及人力資源節(jié)點(diǎn)從原設(shè)備節(jié)點(diǎn)中剝離出來(lái)進(jìn)行獨(dú)立核算，并新增加了數(shù)字化資源節(jié)點(diǎn)，從而形成一套既與實(shí)際生產(chǎn)方案、工藝操作條件相吻合，又滿(mǎn)足智能制造生產(chǎn)模式下對(duì)數(shù)字化資源等新型生產(chǎn)要素進(jìn)行獨(dú)立核算的需求。

圖4 某煤制乙烯企業(yè)MES層工藝流程示意圖Fig.4 Schematic diagram of MES layer process of coal-to-ethylene enterprise

由以上成本核算過(guò)程可見(jiàn)，生產(chǎn)調(diào)度各崗位的運(yùn)行能力與其智能化水平息息相關(guān)，生產(chǎn)調(diào)度業(yè)務(wù)環(huán)的價(jià)值流取決于生產(chǎn)調(diào)度過(guò)程的成本及生產(chǎn)調(diào)度能力之間的平衡，并最終反映在整體的生產(chǎn)運(yùn)行能力及企業(yè)效益上。生產(chǎn)調(diào)度業(yè)務(wù)環(huán)的價(jià)值提升從以計(jì)劃調(diào)度排產(chǎn)任務(wù)為核心的信息化管理開(kāi)始，到各項(xiàng)要素和過(guò)程的集中管控，最終達(dá)到從計(jì)劃調(diào)度排產(chǎn)、指令下達(dá)、生產(chǎn)監(jiān)控、突發(fā)事件處置、評(píng)估反饋等全過(guò)程的閉環(huán)與自適應(yīng)。各子環(huán)節(jié)的能力直接影響最終的整體運(yùn)行價(jià)值流水平。根據(jù)工作流模型各環(huán)節(jié)的工作能力配置的不同，可以分析不同數(shù)字化資源及人力資源配置下的生產(chǎn)調(diào)度能力等級(jí)。

4 應(yīng)用示例

以某煤制乙烯企業(yè)智能制造新模式項(xiàng)目為例，說(shuō)明本文多要素生產(chǎn)成本的建模方法。其生產(chǎn)過(guò)程工藝流程包括9 個(gè)生產(chǎn)單元，分別是乙烯裂解單元、廢堿氧化單元、芳烴抽提單元、丁二烯抽提單元、汽油加氫單元、烯烴轉(zhuǎn)化單元、合成氨單元、聚乙烯單元、聚丙烯單元。涉及6 種主要原料為石腦油、液化石油氣、氫氣、氮?dú)狻?-己烯、異戊烷，13 種主要中間產(chǎn)物有乙烯、丙烯、混合碳四等，3 種主要產(chǎn)物為聚乙烯、聚丙烯與合成氨，以及副產(chǎn)品燃料油、1,3-丁二烯、加氫碳九、混合苯，具體MES層工藝流程示意圖如圖4所示。

4.1 多層次生產(chǎn)成本模型

對(duì)應(yīng)多層次多要素成本模型式（5），依據(jù)ISA95標(biāo)準(zhǔn)取Ln=3，分別以液氨儲(chǔ)罐與液氨生產(chǎn)單元為例說(shuō)明多層次生產(chǎn)成本模型。

圖5 儲(chǔ)罐的多層次模型Fig.5 Multi-level model of storage tank

液氨儲(chǔ)罐的多層次模型如圖5所示。液氨儲(chǔ)罐ERP 層的成本表達(dá)如式（7）所示，成本節(jié)點(diǎn)為合成氨生產(chǎn)單元U7，成本cost1_tk 為生產(chǎn)單元成本統(tǒng)計(jì)中的液氨儲(chǔ)罐的部分，link1 為合成氨生產(chǎn)單元與其他單元的成本統(tǒng)計(jì)關(guān)系；MES 層的成本表達(dá)式如式（8）所示，成本節(jié)點(diǎn)為邏輯液氨儲(chǔ)罐TK，成本cost2為邏輯液氨儲(chǔ)罐產(chǎn)生的對(duì)應(yīng)成本，link2 為邏輯液氨罐與同一生產(chǎn)單元中邏輯裝置的連接關(guān)系；PCS 層的成本表達(dá)式如式（9）所示，成本節(jié)點(diǎn)為物理液氨儲(chǔ)罐TK-83507A/B/C，成本cost3 為3 個(gè)物理液氨儲(chǔ)罐產(chǎn)生成本的總和，link3 為物理液氨罐與同一生產(chǎn)單元中其他物理裝置的連接關(guān)系，并且cost1_tk，cost2，cost3的3個(gè)成本值數(shù)值上相等。

合成氨生產(chǎn)單元的多層次模型如圖6所示。

其中ERP層的成本模型如式（10）所示，成本組成有ERP層人力資源節(jié)點(diǎn)成本如廠(chǎng)區(qū)領(lǐng)導(dǎo)、計(jì)劃決策專(zhuān)家等，ERP層數(shù)字化資源節(jié)點(diǎn)如ERP層的智能化管控系統(tǒng)，ERP層耦合節(jié)點(diǎn)成本，具體是指由MES層的設(shè)備與功能耦合至ERP層對(duì)應(yīng)的統(tǒng)計(jì)成本。

MES 層的成本如式（11）所示，成本組成有MES層人力資源節(jié)點(diǎn)成本如調(diào)度人員等，數(shù)字化資源節(jié)點(diǎn)成本如MES 系統(tǒng)、EMS 系統(tǒng)、APC 監(jiān)控軟件等，MES 層耦合節(jié)點(diǎn)成本具體包括設(shè)備、物流、庫(kù)存與公用工程。

PCS 層的成本如式（12）所示，成本組成有PCS層人力資源節(jié)點(diǎn)成本如內(nèi)操人員、巡檢人員、儀表人員等，數(shù)字化資源節(jié)點(diǎn)成本如先進(jìn)控制系統(tǒng)等，PCS 層耦合節(jié)點(diǎn)成本與MES 層類(lèi)別相同，PCS 層成本來(lái)源于實(shí)際物理工廠(chǎng)。

圖6 液氨生產(chǎn)單元的多層次模型Fig.6 Multi-level model of liquid ammonia production unit

4.2 基于成本模型的提升分析

根據(jù)對(duì)該企業(yè)生產(chǎn)調(diào)度業(yè)務(wù)現(xiàn)狀分析，建立MES 層生產(chǎn)調(diào)度仿真優(yōu)化模型?；谏a(chǎn)調(diào)度工作流，分為調(diào)度排產(chǎn)、指令下達(dá)、生產(chǎn)監(jiān)控、績(jī)效評(píng)估四個(gè)主要仿真環(huán)節(jié)。仿真靜態(tài)數(shù)據(jù)包括生產(chǎn)流程、設(shè)備最大生產(chǎn)能力、產(chǎn)品固定設(shè)備加工時(shí)間、生產(chǎn)比例、儲(chǔ)罐儲(chǔ)量上下限、產(chǎn)品價(jià)格、設(shè)備折算使用成本、庫(kù)存單位時(shí)間成本等，動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)包括短周期訂單、周期時(shí)間、生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)、關(guān)鍵生產(chǎn)指標(biāo)等。以一天24 h 作為仿真周期，某天的計(jì)劃生產(chǎn)量為燃料油12 t，混合苯84 t，丁二烯120 t，碳九60 t，液氨72 t，聚乙烯1200 t，聚丙烯1080 t。實(shí)際統(tǒng)計(jì)成本為原料成本、設(shè)備加工成本、庫(kù)存成本、人力資源成本、智能化系統(tǒng)成本，如式（13）所示。

企業(yè)MES 層成本統(tǒng)計(jì)如圖7 所示，其中加工設(shè)備成本包括設(shè)備固定成本和與成本量相關(guān)的變動(dòng)成本，人力資源成本主要為調(diào)度指揮人員、車(chē)間調(diào)度主任和裝置操作工成本，智能化系統(tǒng)包括半自動(dòng)化電話(huà)調(diào)度系統(tǒng)、信息發(fā)布系統(tǒng)及基礎(chǔ)生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)。人力資源與智能化系統(tǒng)的成本根據(jù)企業(yè)實(shí)際情況可按時(shí)間、產(chǎn)量等進(jìn)行成本分配，本文人力資源按照員工的月薪均攤，智能系統(tǒng)按照工廠(chǎng)平均年開(kāi)工時(shí)間8000 h 計(jì)算。由圖中可以看到，原料成本與設(shè)備加工成本為主要成本產(chǎn)生原因，占總成本的87%。

圖7 MES層單位調(diào)度周期成本統(tǒng)計(jì)圖Fig.7 MES layer unit scheduling cycle cost statistics

隨著智能制造的推進(jìn)，企業(yè)對(duì)于智能化系統(tǒng)的建設(shè)日益關(guān)注。假設(shè)企業(yè)針對(duì)生產(chǎn)調(diào)度工作流有三個(gè)成本效率提升方案，智能化投資成本按照3 年有效期計(jì)算。

方案一為提升調(diào)度排產(chǎn)環(huán)節(jié)成本效率，由原先的半自動(dòng)化調(diào)度系統(tǒng)升級(jí)為全自動(dòng)化數(shù)字調(diào)度系統(tǒng)，集成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其中智能化投資總成本假設(shè)為1.0×106CNY；

方案二為完善指令下達(dá)機(jī)制，改進(jìn)原先的信息發(fā)布傳輸系統(tǒng)，其中智能化投資總成本假設(shè)為5.0×105CNY；

方案三為增加關(guān)鍵生產(chǎn)裝置的工況監(jiān)控器設(shè)備，完善生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)，其中智能化投資總成本假設(shè)為8.0×105CNY。

分別對(duì)以上三個(gè)方案進(jìn)行仿真，三個(gè)方案的總成本分別為3.006328×106CNY、3.082108×106CNY、3.081542×106CNY。由于同一計(jì)劃生產(chǎn)量的原料成本保持不變，其余成本項(xiàng)的統(tǒng)計(jì)對(duì)比如圖8 所示。由圖8 可見(jiàn)，數(shù)字化智能化改造能夠有效降低單位周期的成本，其中方案一是三個(gè)方案中投資最大、成本降低最大的方法，通過(guò)把半自動(dòng)化調(diào)度排產(chǎn)升級(jí)為數(shù)字化全自動(dòng)排產(chǎn)，不僅減少了調(diào)度人員的人力成本，而且通過(guò)優(yōu)化調(diào)度方案節(jié)約了庫(kù)存成本與加工成本，最大化提升了成本效率。可見(jiàn)，基于本文方法的多要素生產(chǎn)成本建模，可以精準(zhǔn)分析生產(chǎn)成本效率提升的途徑和方案，為企業(yè)完成智能化轉(zhuǎn)型提供了可量化分析的手段和方法。

圖8 MES層多方案成本結(jié)果對(duì)比圖Fig.8 MES layer multi-plan cost result comparison chart

5 結(jié) 論

本文基于智能制造組成域參考模型架構(gòu)，在傳統(tǒng)生產(chǎn)成本模型基礎(chǔ)上，新增了包括數(shù)字化資源及新型人力資源等智能化成本要素，并通過(guò)建立管理層次之間成本節(jié)點(diǎn)的耦合關(guān)系模型，實(shí)現(xiàn)了多層次成本模型的統(tǒng)一建模和數(shù)據(jù)的一致性?；诙嘁爻杀镜钠髽I(yè)生產(chǎn)業(yè)務(wù)價(jià)值流分析可用于評(píng)估企業(yè)智能化水平對(duì)生產(chǎn)成本的影響，不僅可以在新建工廠(chǎng)資源投資分配策略中提供分析依據(jù)，還可為現(xiàn)有企業(yè)在智能化轉(zhuǎn)型升級(jí)過(guò)程中制定可持續(xù)投資策略提供參考。