施燦濤 吳秀婷

(冶金工業(yè)規(guī)劃研究院綜合規(guī)劃處 北京100711)

·智能管理·

鋼鐵企業(yè)運營決策優(yōu)化與支持系統(tǒng)

施燦濤①吳秀婷

(冶金工業(yè)規(guī)劃研究院綜合規(guī)劃處 北京100711)

介紹了鋼鐵行業(yè)產(chǎn)能過剩、需求低迷、利潤微薄的現(xiàn)狀，分析了鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營的特點，總結(jié)了鋼鐵企業(yè)面臨的關(guān)鍵問題是“協(xié)調(diào)產(chǎn)銷矛盾，實現(xiàn)產(chǎn)銷平衡”，探討了鋼鐵企業(yè)決策優(yōu)化與支持系統(tǒng)的特點、系統(tǒng)架構(gòu)、系統(tǒng)功能和實施要點。系統(tǒng)能夠根據(jù)市場需求和企業(yè)生產(chǎn)能力約束，在綜合考慮經(jīng)濟效益、綜合成材率以及設(shè)備利用率的前提下，對生產(chǎn)資源進行優(yōu)化配置，為企業(yè)創(chuàng)造可觀價值。

鋼鐵生產(chǎn) 決策支持系統(tǒng) 資源配置 經(jīng)營策略

1 引言

目前，全球制造業(yè)發(fā)展模式正在發(fā)生深刻變革，德國工業(yè)4.0、美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)革命和我國當前推進的“兩化融合”，都表明信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與制造業(yè)各領(lǐng)域的交叉融合正日益深入。新一輪的制造業(yè)變革，是結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)信息通訊技術(shù)實現(xiàn)制造體系邏輯的全新顛覆。

智能制造是面向產(chǎn)品全生命周期，而不僅僅是生產(chǎn)流程的自動化。智能化和自動化的本質(zhì)區(qū)別在于知識的含量，智能制造是基于科學而非僅憑經(jīng)驗的制造，科學知識是智能化的基礎(chǔ)。智能制造以客戶產(chǎn)品數(shù)據(jù)、優(yōu)化的制造工藝流程、協(xié)調(diào)的生產(chǎn)制造設(shè)備為核心，旨在高效、優(yōu)質(zhì)、清潔、安全、敏捷地制造產(chǎn)品和服務(wù)用戶的一種新的制造模式。

近年來，中國鋼鐵行業(yè)存在產(chǎn)能嚴重過剩、能源環(huán)保制約趨緊以及經(jīng)營極為困難等問題，由粗放型增長轉(zhuǎn)向創(chuàng)新驅(qū)動增長已成為普遍共識[1-2]，鋼鐵工業(yè)亟需借助智能制造技術(shù)，構(gòu)建功能完善、快速響應(yīng)的物料供應(yīng)鏈[3-4]。這就要求鋼鐵企業(yè)轉(zhuǎn)變生產(chǎn)管理模式，將自動化、智能化和信息化進行高度集成，從而實現(xiàn)敏捷制造和精細化管理[5]。目前來看，如何針對市場需求變化以及根據(jù)企業(yè)效益最大化原則動態(tài)優(yōu)化產(chǎn)品組合和資源配置，是中國鋼鐵企業(yè)面臨的新課題[6]。鋼鐵企業(yè)運營決策優(yōu)化與支持系統(tǒng)能夠根據(jù)市場需求和企業(yè)生產(chǎn)能力約束，在綜合考慮經(jīng)濟效益、綜合成材率以及設(shè)備利用率的前提下，對生產(chǎn)資源進行優(yōu)化配置[7]。

2 鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營特點

鋼鐵生產(chǎn)制造過程非常復(fù)雜，包含采礦、選礦、冶煉、精煉、連鑄、熱軋和冷軋多個工序，每個工序均有相應(yīng)的工藝約束和優(yōu)化目標。

鋼鐵企業(yè)面臨的市場競爭日益激烈，企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營呈現(xiàn)如下特點：

1)“個性化、定制化，多品種、小批量”，是鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)組織的必然趨勢。

科技快速發(fā)展，工序持續(xù)改進，使得鋼鐵產(chǎn)品需求呈現(xiàn)多品種、小批量的趨勢。此外，客戶對最終產(chǎn)品需求的個性化、多樣化，使得傳統(tǒng)的“面向預(yù)測的大批量生產(chǎn)”方式，已經(jīng)不能滿足市場的需求。為了減少庫存，節(jié)約成本和提高冶金設(shè)備利用率，企業(yè)生產(chǎn)必須轉(zhuǎn)變生產(chǎn)模式——由大批量生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)變成多品種、小批量的生產(chǎn)方式。

2)“加強質(zhì)量管理、降本增效、節(jié)能減排”，是鋼鐵企業(yè)發(fā)展生存的必然要求。

降低生產(chǎn)成本、實現(xiàn)節(jié)能減排，需求企業(yè)加強對原材料、能源、設(shè)備等資源的全面監(jiān)控與調(diào)度，使現(xiàn)有資源發(fā)揮最大效益。同時，優(yōu)化物流管理，減少產(chǎn)品庫存，減少對資金的不合理占用，并建立生產(chǎn)計劃與調(diào)度體系，優(yōu)化運營決策與生產(chǎn)調(diào)度，提高產(chǎn)能利用率，提高合同兌現(xiàn)率。此外，產(chǎn)品質(zhì)量是企業(yè)生存之本，強化生產(chǎn)質(zhì)量的過程管理，實現(xiàn)質(zhì)量PDCA循環(huán)，多快好省的生產(chǎn)出客戶滿意的產(chǎn)品。

3)“協(xié)調(diào)產(chǎn)銷矛盾、實現(xiàn)產(chǎn)銷平衡”，是鋼鐵企業(yè)一直面臨的關(guān)鍵問題。

鋼鐵行業(yè)產(chǎn)銷是一對矛盾的統(tǒng)一體。從市場銷售來看，需要進行多品種、小批量、按訂單生產(chǎn)的生產(chǎn)模式，并充分考慮客戶個性化需求，爭取最廣泛的細分市場。從生產(chǎn)角度來看，需要釋放企業(yè)的全部產(chǎn)能，達到產(chǎn)量的最大化。在鋼鐵行業(yè)，不能很好的協(xié)調(diào)產(chǎn)銷矛盾，會增加企業(yè)的生產(chǎn)成本，降低其經(jīng)濟效益。因而，如何協(xié)調(diào)產(chǎn)銷矛盾，實現(xiàn)產(chǎn)銷平衡，既能很好的實現(xiàn)產(chǎn)能最大，又能很好的實現(xiàn)按單生產(chǎn)，成為每一個鋼鐵企業(yè)面臨的一個關(guān)鍵問題。

4)“產(chǎn)銷一體、管控銜接、三流同步”，是鋼鐵企業(yè)信息化的必然選擇。

如何實現(xiàn)產(chǎn)銷一體化、解決管控銜接問題，達到物流、資金流、信息流三流同步，是困擾鋼鐵企業(yè)生存和發(fā)展的重要問題。目前，一個較好的解決方案是不斷提升企業(yè)的生產(chǎn)管理水平，建立銜接產(chǎn)銷的信息系統(tǒng)。運用信息化的管理手段，通過優(yōu)化技術(shù)合理組織和安排生產(chǎn)，建設(shè)“產(chǎn)銷一體、管控銜接、三流同步”的信息化系統(tǒng)，是鋼鐵企業(yè)擺脫困境、應(yīng)對挑戰(zhàn)的必然選擇。此外，鋼鐵企業(yè)最為關(guān)注的也最難解決的是生產(chǎn)計劃與生產(chǎn)調(diào)度問題，采用運營決策優(yōu)化與支持系統(tǒng)，可以為鋼鐵企業(yè)提供科學、合理、高效的決策結(jié)果，而這正是鋼鐵企業(yè)亟需的。

3 鋼鐵企業(yè)運營決策優(yōu)化與支持系統(tǒng)

鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)計劃體系劃分為能力與需求、訂單計劃、批量計劃和生產(chǎn)調(diào)度四個層次：能力與需求計劃是根據(jù)公司戰(zhàn)略規(guī)劃、市場需求分析預(yù)測和生產(chǎn)能力計劃等確定的公司中長期計劃；訂單計劃是對客戶訂單進行訂單評審、質(zhì)量設(shè)計、要料設(shè)計和有限能力排產(chǎn)；批量計劃是針對冶鑄軋等這樣的生產(chǎn)工序進行組爐、組澆、組軋，編制爐次作業(yè)計劃、澆次作業(yè)計劃和軋次作業(yè)計劃等批量計劃；生產(chǎn)調(diào)度是根據(jù)現(xiàn)實工況對批量計劃進行生產(chǎn)調(diào)度并下達執(zhí)行。

3.1 系統(tǒng)優(yōu)勢

鋼鐵企業(yè)運營決策優(yōu)化與支持系統(tǒng)以全局資源優(yōu)化為目標，能夠為鋼鐵企業(yè)提供科學、高效、可行的解決方案。其主要優(yōu)勢表現(xiàn)在：

3.1.1 降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率和設(shè)備的利用率

目前，絕大多數(shù)鋼鐵企業(yè)憑借人工經(jīng)驗制定生產(chǎn)計劃，難以應(yīng)對日益復(fù)雜的產(chǎn)品盈利能力、合同需求、工序產(chǎn)能等因素，在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化、工藝路線選擇、資源優(yōu)化配置等方面，還存在很大的優(yōu)化空間。鋼鐵企業(yè)運營決策優(yōu)化與支持系統(tǒng)，綜合考慮企業(yè)生產(chǎn)、質(zhì)量、銷售、成本、價格、庫存等因素條件，通過約束模型和優(yōu)化決策算法，能夠有效的降低生產(chǎn)成本，實現(xiàn)運營決策的優(yōu)化。系統(tǒng)在滿足生產(chǎn)工藝、工序產(chǎn)能、市場需求等約束條件下，結(jié)合產(chǎn)品盈利能力，優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和產(chǎn)能分配方案，實現(xiàn)企業(yè)效益最大化的目標。

3.1.2 決策優(yōu)化高效，快速響應(yīng)客戶需求

鋼鐵企業(yè)車間調(diào)度復(fù)雜多變，現(xiàn)場受生產(chǎn)計劃影響較大。工序的生產(chǎn)安排不合理，會造成工序之間的物流不平衡，部分設(shè)備處于空閑狀態(tài)，而另外一部分設(shè)備超過了負荷能力，降低生產(chǎn)收益。此外，由于車間生產(chǎn)的不確定性和客戶訂單的動態(tài)到達性，生產(chǎn)計劃不是一成不變的，需要及時調(diào)整。人工的調(diào)整策略不僅所需時間長，且調(diào)整缺乏科學性，造成生產(chǎn)車間準備工作和人員調(diào)度混亂，生產(chǎn)作業(yè)現(xiàn)場無序，造成生產(chǎn)阻滯。

鋼鐵企業(yè)運營決策優(yōu)化與支持系統(tǒng)所建立的約束模型和優(yōu)化決策智能算法，在滿足各種動態(tài)約束的基礎(chǔ)上，快速高效的對鋼鐵企業(yè)的運營過程進行決策。決策結(jié)果不僅滿足新的生產(chǎn)需求、客戶需求和市場需求，還兼具一定的穩(wěn)定性。鋼鐵企業(yè)運營決策優(yōu)化與支持系統(tǒng)，具有3秒快速計算、多方案對比、多種決策偏好、豐富的數(shù)據(jù)可視化效果、可與ERP(企業(yè)資源規(guī)劃)等實現(xiàn)系統(tǒng)集成等優(yōu)勢，面對車間生產(chǎn)的動態(tài)特征，能夠快速響應(yīng)客戶需求。

3.2 系統(tǒng)架構(gòu)

鋼鐵企業(yè)的信息化系統(tǒng)自下而上可以分為三個層次，即自動化控制系統(tǒng)(PCS)、制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)以及企業(yè)資源規(guī)劃系統(tǒng)(ERP)。MES銜接ERP和PCS系統(tǒng)，起著承上啟下、貫通協(xié)調(diào)的作用，是生產(chǎn)活動與管理活動信息溝通的橋梁。MES接收來自ERP系統(tǒng)的訂單信息，根據(jù)工藝規(guī)則等生成確定的指令信息，并將這些指令下發(fā)到PCS系統(tǒng)，由PCS系統(tǒng)控制生產(chǎn)過程；PCS系統(tǒng)將生產(chǎn)實績反饋給MES，MES一方面利用生產(chǎn)實績修正生產(chǎn)指令，同時將生產(chǎn)實績反饋給ERP系統(tǒng)。

圖1 鋼鐵企業(yè)運營決策優(yōu)化與支持系統(tǒng)DFD圖

鋼鐵企業(yè)運營決策優(yōu)化與支持系統(tǒng)，定位于ERP和MES之間，以提升鋼鐵企業(yè)經(jīng)營管理水平、創(chuàng)造更大經(jīng)濟效益為前提，將企業(yè)運營決策的管理過程，規(guī)范化、精細化、智能化和系統(tǒng)化，針對復(fù)雜的決策過程建立數(shù)學模型，采用智能優(yōu)化算法進行求解，提供實用的數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)挖掘及決策分析手段，是一個覆蓋公司領(lǐng)導層和生產(chǎn)、銷售、采購、財務(wù)、質(zhì)量、技術(shù)中心等業(yè)務(wù)部門的運營決策優(yōu)化與支持系統(tǒng)。

在鋼鐵企業(yè)運營決策優(yōu)化與支持系統(tǒng)中，生產(chǎn)部提供生產(chǎn)需求的相關(guān)數(shù)據(jù)，并確定產(chǎn)銷策略；銷售處提供銷售需求和客戶信息的相關(guān)數(shù)據(jù)；財務(wù)部提供產(chǎn)品價格、產(chǎn)品成本以及產(chǎn)品盈利情況的相關(guān)數(shù)據(jù)；設(shè)備部提供設(shè)備產(chǎn)能和設(shè)備檢修的相關(guān)數(shù)據(jù)；質(zhì)量部提供不同產(chǎn)品的質(zhì)量設(shè)計和工藝路線等相關(guān)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)結(jié)合以上各部門提供的數(shù)據(jù)，通過建立相應(yīng)的產(chǎn)品盈利模型、銷售需求模型、生產(chǎn)需求模型，計算得出產(chǎn)品的盈利、銷售需求和生產(chǎn)需求等信息，進而建立資源平衡模型，并采用約束滿足算法和智能算法對模型進行求解，輸出資源平衡計劃、生產(chǎn)運營計劃、銷售運營計劃以及KPI指標分析，為鋼鐵企業(yè)領(lǐng)導層、生產(chǎn)部、設(shè)備部、銷售部等提供運營決策支持。

3.3 系統(tǒng)功能

鋼鐵企業(yè)運營決策優(yōu)化與支持系統(tǒng)的功能模塊主要有：盈利能力管理、銷售需求管理、生產(chǎn)需求管理和資源平衡管理等。

盈利能力管理模塊主要是對鋼鐵產(chǎn)品的盈利能力進行管理，由于市場環(huán)境的變動，鋼鐵產(chǎn)品的盈利能力定期更新，以滿足市場要求；銷售需求管理模塊包括銷售需求計劃和銷售約束文件，主要是按區(qū)域?qū)Ω鞣N鋼鐵產(chǎn)品的市場需求進行管理，并采用定期和不定期相結(jié)合的方式，更新市場需求情況；生產(chǎn)需求管理主要是對鋼鐵企業(yè)內(nèi)部的設(shè)備生產(chǎn)能力、能源供應(yīng)情況進行管理；資源平衡管理是運營決策優(yōu)化與支持系統(tǒng)的核心功能，在綜合考慮產(chǎn)品盈利能力、市場需求和企業(yè)生產(chǎn)約束的基礎(chǔ)上，采用不同的產(chǎn)銷策略，給出科學、合理、最優(yōu)的生產(chǎn)運營計劃和銷售運營計劃，以實現(xiàn)企業(yè)經(jīng)濟效益的最大化。

圖2 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

3.4 實施要點

生產(chǎn)計劃系統(tǒng)的流程為：訂單錄入→訂單分析(訂單拆分、產(chǎn)能檢驗、工藝路線選擇、優(yōu)化)→訂單下達→訂單執(zhí)行(異常信息處理)→訂單交付→訂單結(jié)算。其中，訂單分析中的優(yōu)化和異常情況的處理是難點也是關(guān)鍵點。

鋼鐵企業(yè)在實施運營決策優(yōu)化與支持系統(tǒng)時，需要關(guān)注以下幾點：①建立和完善運營決策的相關(guān)制度。通過流程分析，針對工作中的各個環(huán)節(jié)，全面梳理和完善運營決策業(yè)務(wù)方面的相關(guān)制度，包括交貨期、生產(chǎn)計劃的制定步驟、生產(chǎn)執(zhí)行的責任制定等；②強化產(chǎn)供銷聯(lián)動和異常信息溝通。運營決策優(yōu)化與支持系統(tǒng)離不開產(chǎn)供銷之間的信息互動，各部門就生產(chǎn)、質(zhì)量、客戶要求等問題進行信息溝通和協(xié)調(diào)，有利于最大化的發(fā)揮運營決策優(yōu)化與支持系統(tǒng)的作用；③標準化產(chǎn)品數(shù)據(jù)，數(shù)字化工藝流程、規(guī)范化業(yè)務(wù)流程。鋼鐵企業(yè)產(chǎn)品品種眾多，工藝流程復(fù)雜，在實施系統(tǒng)時，需要將鋼鐵產(chǎn)品的相關(guān)數(shù)據(jù)標準化，工藝流程和質(zhì)量設(shè)計數(shù)字化，車間生產(chǎn)業(yè)務(wù)流程規(guī)范化，以夯實運營決策優(yōu)化與支持系統(tǒng)的基礎(chǔ)支撐；④突出鋼鐵生產(chǎn)工業(yè)的特點，明確職能分工，加強生產(chǎn)過程的管控，實現(xiàn)從訂單接收、計劃排產(chǎn)、生產(chǎn)制造和執(zhí)行發(fā)運的全流程管控。

3.5 預(yù)期效果

1)運營決策更加科學，生產(chǎn)調(diào)度更加高效有序。應(yīng)用鋼鐵企業(yè)運營決策與優(yōu)化系統(tǒng)，有助于鋼鐵企業(yè)制定科學、合理的運營決策，促使車間生產(chǎn)調(diào)度高效有序，降低企業(yè)生產(chǎn)成本，提高車間生產(chǎn)效率，增強企業(yè)競爭力。

2)優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，提升經(jīng)濟效益。鋼鐵企業(yè)運營決策與優(yōu)化系統(tǒng)，根據(jù)產(chǎn)品的盈利能力和市場需求，制定相應(yīng)的生產(chǎn)計劃，可以進一步優(yōu)化鋼鐵企業(yè)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，提升企業(yè)的經(jīng)濟效益。

3)通過采用市場潛力預(yù)測和按單生產(chǎn)相結(jié)合的方式，優(yōu)化生產(chǎn)組織管理，建立面向客戶、快速反應(yīng)的精益生產(chǎn)系統(tǒng)，能夠初步實現(xiàn)生產(chǎn)制度完善、生產(chǎn)計劃嚴密、產(chǎn)銷聯(lián)動、異常信息受控、信息跟蹤實時的管理目標。

4)應(yīng)用鋼鐵企業(yè)運營決策優(yōu)化與支持系統(tǒng)，可以極大的提高訂單的履行率，同時科學、合理、最優(yōu)的生產(chǎn)調(diào)度，不僅可以有效縮短產(chǎn)品交貨期，還可以給出準確的交貨日期，提高客戶滿意度。

4 結(jié)束語

現(xiàn)代管理科學的發(fā)展和計算機技術(shù)的應(yīng)用促進了管理的變革，以信息分析和輔助決策為主要特征的決策支持系統(tǒng)正在取代傳統(tǒng)的以處理事務(wù)操作對象為主要內(nèi)容的管理信息系統(tǒng)，為智能化分析、決策提供更加先進的管理手段。

鋼鐵企業(yè)運營決策優(yōu)化與支持系統(tǒng)以提升鋼鐵企業(yè)經(jīng)營管理水平、創(chuàng)造更大經(jīng)濟效益為目標，將企業(yè)運營決策的管理過程規(guī)范化、精細化、智能化和系統(tǒng)化，是一個覆蓋公司領(lǐng)導層和生產(chǎn)、銷售、采購、財務(wù)、質(zhì)量、技術(shù)中心等業(yè)務(wù)部門的運營決策優(yōu)化與支持系統(tǒng)。

[1]郭朝暉.鋼鐵行業(yè)與工業(yè)4.0[J].冶金自動化,2015(7):1-6.

[2]姜曉東.關(guān)于中國鋼鐵產(chǎn)能過剩的若干思考與建議[J].鋼鐵,2013(10):1-5.

[3]李新創(chuàng).推進鋼鐵產(chǎn)業(yè)升級支撐制造強國夢想[J].中國冶金報,2015(5).

[4]胡恒法.鋼鐵智能制造技術(shù)在鋼鐵行業(yè)的發(fā)展和展望[J].梅山科技,2014(6).

[5]薄紅光.支持過程協(xié)同的敏捷化制造執(zhí)行管理案例研究——以東北特鋼集團為例J].管理案例研究與評論,2013(3).

[6]伍景瓊.多期決策下鋼鐵企業(yè)采購與生產(chǎn)庫存優(yōu)化研究[D].四川：西南交通大學,2012.

[7]周秉利,張群.鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)資源優(yōu)化配置決策支持系統(tǒng)研究[J].冶金自動化,2012(1).

Decision Optimization and Support System for Production and Operation in Iron and Steel Enterprises

Shi Cantao Wu Xiuting

(China Metallurgical Industry Planning and Research Institute, Beijing 100711)

The current situation of iron and steel industry is overcapacity, sluggish demand and meager profits. The production and management features of iron and steel enterprise are discussed. Based on the key issue that coordinating production and marketing contradiction and achieving sales balance, the basic requirement, system structure, and system functions of the Decision optimization and support systemare presented. The system can allocate productive resources in an optimal way with constraints of demand and production capacity by considering profits, averaged yield, and machine utilization, Create considerabl value for the enterprises.

Steel production Decision support system Resources allocation Strategy for production operation

施燦濤，男，1979年出生，畢業(yè)于北京科技大學管理科學與工程專業(yè)，博士，工程師，主要研究方向：先進制造管理、生產(chǎn)計劃與調(diào)度及人工智能算法等

TF087

B

10.3969/j.issn.1001-1269.2015.05.012

2015-07-25)