制藥業(yè)于多功能生產(chǎn)線環(huán)境下之連續(xù)性批次生產(chǎn)計(jì)劃問(wèn)題：決策模型與實(shí)證研究Campaign Planning for Multi-Purpose Plants of Pharmaceutical Industry: Decision Model and Empirical StudyAbstractBatch production is highly used in chemical process industries such as pharmaceuticals, cosmetics, food processing, etc. A few typical characteristics common in these industries are the long setup time and the long cleaning time. To minimize the cost and the frequency needed for the changeovers, the plants are operated in campaign mode. However, the products are often sold in small quantities with the fluctuating demands, the multi-purpose plants are preferred. While the multi-purpose plants gains the flexibility for the production planning, it becomes much more complex to decide how to run the plants, when and in what amount of different product should be made. In this paper, we study the planning problem in pharmaceutical industry and build a mathematical and decision model to characterize it. An empirical study is conducted to demonstrate the viability of the proposed model.Keywords: Campaign planning, scheduling, multi-purpose plants, batch production摘要「連續(xù)性批次生產(chǎn)」于化學(xué)相關(guān)之產(chǎn)業(yè)是最基本的生產(chǎn)模式，如制藥業(yè)、化妝品相關(guān)產(chǎn)業(yè)、食品加工業(yè)等等。

比起其他產(chǎn)業(yè)，相對(duì)長(zhǎng)時(shí)間的生產(chǎn)時(shí)間與換線(設(shè)置、清洗)時(shí)間，是這些產(chǎn)業(yè)的主要特性為了盡量最小化換線所帶來(lái)大量的產(chǎn)能損失，生產(chǎn)線以連續(xù)性批次生產(chǎn)的模式以達(dá)到降低換線頻率的效果另一方面，由于多樣化且部分小量的產(chǎn)品需求，多功能生產(chǎn)線的生產(chǎn)環(huán)境因應(yīng)而生，表示一個(gè)生產(chǎn)線必須具備可生產(chǎn)多種產(chǎn)品的能力而在多功能生產(chǎn)線的生產(chǎn)環(huán)境下進(jìn)行生產(chǎn)，提供了在生產(chǎn)規(guī)劃時(shí)的彈性空間，但也同時(shí)讓排程變得相當(dāng)復(fù)雜，難以決定到底應(yīng)該將各個(gè)產(chǎn)品需求做怎樣的切分，并如何分配所有的連續(xù)性批次到哪些多功能生產(chǎn)線下進(jìn)行生產(chǎn)才為最佳排程本篇論文特別針對(duì)制藥業(yè)進(jìn)行生產(chǎn)排程的研究，并建構(gòu)一數(shù)學(xué)與決策模型來(lái)描述現(xiàn)實(shí)中的狀況并加以求解，最后以一實(shí)際的案例來(lái)加以驗(yàn)證關(guān)鍵字：連續(xù)性批次生產(chǎn)規(guī)劃(campaign planning)、排程(scheduling)、多功能生產(chǎn)線(multi-purpose plants)、批次生產(chǎn)(batch production)目錄一、緒論 11-1 研究背景與重要性 11-2 研究動(dòng)機(jī)與目的 31-3 論文架構(gòu) 3二、文獻(xiàn)探討 52-1 連續(xù)性批次生產(chǎn)之計(jì)劃問(wèn)題(CPP) 52-2 求解方式 52-2-1 數(shù)學(xué)規(guī)劃方法 52-2-2 離散型數(shù)學(xué)模型 62-2-3 連續(xù)型數(shù)學(xué)模型 62-3 模糊邏輯 7三、問(wèn)題定義 113-1 問(wèn)題描述 113-2 實(shí)際生產(chǎn)行為 16四、決策模型 224-1 目標(biāo)式 244-2 分配限制式 264-3 排序限制式 264-4 生產(chǎn)路徑限制式 274-5 換線限制式 284-6 需求限制式 294-7 模糊推論系統(tǒng)(FIS) 30五、實(shí)證案例 425-1 GDS Plan與ADS Plan之比較 425-2 實(shí)例研究 45六、結(jié)論與未來(lái)研究 486-1 結(jié)論 486-2 未來(lái)研究 48參考文獻(xiàn) 50圖目錄圖 1 藥品基本組成 3圖 2 模糊集合(Fuzzy sets)與歸屬函數(shù)(Membership function) 8圖 3 模糊邏輯系統(tǒng)(Fuzzy Logic System) 8圖 4 模糊推論系統(tǒng)(FIS) 10圖 5 切十二個(gè)連續(xù)性批次為例 12圖 6 切兩個(gè)連續(xù)性批次為例 12圖 7 產(chǎn)品A分2個(gè)Campaign進(jìn)行生產(chǎn) 14圖 8 加入產(chǎn)品B以1個(gè)Campaign進(jìn)行生產(chǎn) 15圖 9 產(chǎn)品B擁有其他替代生產(chǎn)線可選擇進(jìn)行生產(chǎn) 15圖 10 產(chǎn)品A可以結(jié)合作為一個(gè)Campaign進(jìn)行生產(chǎn) 16圖 11 每一批實(shí)際生產(chǎn)的時(shí)間(Duration) 18圖 12 實(shí)際生產(chǎn)行為與換線時(shí)間于產(chǎn)能的占用情況 18圖 13 組合料號(hào)示意圖 20圖 14 替代料號(hào)示意圖 20圖 15 同時(shí)擁有組合與替代關(guān)系之料號(hào)示意圖 21圖 16 ADS Plan基本概念 26圖 17 生產(chǎn)路徑限制示意圖(兩接續(xù)步驟) 28圖 18 換線限制示意圖(于同產(chǎn)在線之兩接續(xù)步驟) 29圖 19 語(yǔ)意變量demand - (Input) 32圖 20 語(yǔ)意變量number of alternate routes - (Input) 32圖 21 語(yǔ)意變量number of campaign - (Output) 33圖 22 解模糊(Defuzzification)之過(guò)程-1 34圖 23 解模糊(Defuzzification)之過(guò)程-2 35圖 24 二階段求解之流程圖 36圖 25 排程結(jié)果1 37圖 26 排程結(jié)果2 38圖 27 排程結(jié)果與變量定義之關(guān)系 38圖 28 產(chǎn)品生產(chǎn)制程路徑(Recipe) 42圖 29 CPP results of ADS & GDS plan 44圖 30 CPP最終排程結(jié)果 47表目錄表 1模糊法則 9表 2產(chǎn)品A年需求預(yù)測(cè) 11表 3產(chǎn)品A替代生產(chǎn)路徑1 13表 4產(chǎn)品A替代生產(chǎn)路徑2 13表 5化學(xué)生產(chǎn)步驟基本資料 17表 6基本生產(chǎn)時(shí)間資料 17表 7下標(biāo)符號(hào)定義 22表 8集合符號(hào)定義 23表 9變量符號(hào)定義 23表 10參數(shù)符號(hào)定義 24表 11生產(chǎn)路徑基本資料 30表 12法則庫(kù) 34表 13 Campaign基本資料間的連結(jié)關(guān)系 40表 14各決策點(diǎn)求解方式 46表 15 Campaign-sizing輸出 46一、緒論1-1 研究背景與重要性近來(lái)制藥業(yè)迎來(lái)大量專利藥的到期，讓學(xué)名藥市場(chǎng)快速成長(zhǎng)，且美國(guó)實(shí)施ANDA法案簡(jiǎn)化藥證申請(qǐng)程序，學(xué)名藥上市時(shí)間大幅縮短，再加上新型藥劑更有針對(duì)性，使得新藥市場(chǎng)更為碎片化；并且，隨著金磚五國(guó)與新興市場(chǎng)等大量人口國(guó)家的經(jīng)濟(jì)條件蓬勃發(fā)展，醫(yī)療需求亦隨之加速成長(zhǎng)。

批量生產(chǎn)的生產(chǎn)行為于一些特定的產(chǎn)業(yè)中是相當(dāng)普遍的生產(chǎn)模式，而在化學(xué)的相關(guān)產(chǎn)業(yè)里更是如此，包括制藥業(yè)、染料、化妝品相關(guān)產(chǎn)業(yè)等等然而，化學(xué)反應(yīng)之連續(xù)性批次制造異于有一特定物件產(chǎn)出的離散型制造模式，其制程可由多個(gè)化學(xué)反應(yīng)接續(xù)組合而成這些化學(xué)反應(yīng)皆仰賴特定量的投入料并佐以一特定比例，經(jīng)化學(xué)反應(yīng)后生成另一特定量之產(chǎn)出料；雖批量生產(chǎn)并不罕見(jiàn)于傳統(tǒng)制造業(yè)，但化學(xué)制藥產(chǎn)業(yè)的批量生產(chǎn)行為因?yàn)榛瘜W(xué)反應(yīng)本身不可中斷的特性，故多稱其為「連續(xù)性批次生產(chǎn)」(Campaign Production)以茲區(qū)別，并凸顯其生產(chǎn)過(guò)程中一連串不間斷之化學(xué)反應(yīng)所對(duì)應(yīng)的批量生產(chǎn)行為「連續(xù)性批次」(Campaign)是連續(xù)性批次生產(chǎn)行業(yè)所發(fā)展出來(lái)的一個(gè)生產(chǎn)規(guī)劃的單位，它代表一個(gè)產(chǎn)品連續(xù)生產(chǎn)的批數(shù)(Batch Quantity)，Campaign越大表示連續(xù)生產(chǎn)批數(shù)越多，因此也對(duì)應(yīng)著較長(zhǎng)的生產(chǎn)周期與交期更進(jìn)一步說(shuō)明，其闡述的是一個(gè)「批量的批次」的概念，以下舉一簡(jiǎn)單例子作為說(shuō)明，假設(shè)最終成品B與原料A之化學(xué)反應(yīng)關(guān)系為：7批的A可以產(chǎn)出5批的B，其5批的B為生產(chǎn)B之最小批量，表示當(dāng)有B之需求，盡管量小于5批，還是必須投入7批之A產(chǎn)生5批之B，連續(xù)生產(chǎn)且過(guò)程不可中斷，其為化學(xué)制程上之限制，而當(dāng)需求量對(duì)應(yīng)的是10批之B，若不考慮剩料，那合理之生產(chǎn)排程則為2批量之7批的A (2*7=14 batches)產(chǎn)出2批量之5批的B (2*5=10 batches)；其考慮兩連續(xù)生產(chǎn)步驟的化學(xué)反應(yīng)耗用速率，而得到之固定比例關(guān)系的批次生產(chǎn)，是「連續(xù)性批次生產(chǎn)」(Campaign Production)的主要特性。

另外，相較于其他產(chǎn)業(yè)，制藥業(yè)所花費(fèi)之換線時(shí)間是相對(duì)長(zhǎng)許多的，若能有效避免換線便可空出大量之產(chǎn)能，而透過(guò)「連續(xù)性批次生產(chǎn)」的生產(chǎn)模式，便可以有效減少大量生產(chǎn)線換線之清洗管槽的時(shí)間 在傳統(tǒng)的化工廠與大型的制藥業(yè)，通常一個(gè)生產(chǎn)線自規(guī)劃設(shè)計(jì)之初，便只應(yīng)用于生產(chǎn)單一產(chǎn)品，然而，這種一個(gè)生產(chǎn)線只生產(chǎn)一種產(chǎn)品的傳統(tǒng)生產(chǎn)模式，顯然投資風(fēng)險(xiǎn)太高為了因應(yīng)制藥業(yè)新興的營(yíng)運(yùn)模式，一個(gè)生產(chǎn)線必須具備可生產(chǎn)多種產(chǎn)品的能力，具體來(lái)說(shuō)，其各個(gè)生產(chǎn)線上擁有許多不同的生產(chǎn)設(shè)備，透過(guò)不同管線配接化學(xué)反應(yīng)槽的方式還有不同的物料投入，可以生產(chǎn)各種不同的產(chǎn)品，這表示當(dāng)有數(shù)個(gè)產(chǎn)品都可以利用同一個(gè)生產(chǎn)線的不同配置生產(chǎn)時(shí)，即會(huì)發(fā)生嚴(yán)重地爭(zhēng)奪共享生產(chǎn)資源的情況；若從另一個(gè)角度來(lái)看，這也表示當(dāng)一產(chǎn)品有需求時(shí)，可能會(huì)有數(shù)個(gè)替代生產(chǎn)線可以用不同的管線配接不同的生產(chǎn)設(shè)備來(lái)生產(chǎn)同樣一個(gè)產(chǎn)品，而選擇不同的生產(chǎn)線組合生產(chǎn)時(shí)所耗用的產(chǎn)能，以及清洗換線的情況也都不盡相同透過(guò)此所謂多目的生產(chǎn)線(Multi-purpose plant)，可滿足不同藥品動(dòng)態(tài)的市場(chǎng)需求，而不至于因?yàn)閱我划a(chǎn)品的需求衰退，造成生產(chǎn)線的閑置與存貨損失(Excess)，成本過(guò)高，或是需求暴漲，導(dǎo)致缺貨損失(Shortage)。

然而，卻也因每個(gè)生產(chǎn)線的可高度變化性，加上Make-to-order的生產(chǎn)模式，以及需求的不確定性起伏，如突然的疫情爆發(fā)等等，讓制藥業(yè)的生產(chǎn)規(guī)劃變得異常困難 制藥業(yè)基本上與醫(yī)療有具相當(dāng)緊密的關(guān)系，因牽涉到人們的病痛生死問(wèn)題，該產(chǎn)業(yè)的達(dá)交率相比于其他產(chǎn)業(yè)顯得格外重要，若是專注于生產(chǎn)原料藥的公司更是如此原料藥英文稱為Active Pharmaceutical Ingredients，簡(jiǎn)稱API，藥品的基本組成如圖1，基本上為API加上賦型劑，而API一般指的是藥品中具有醫(yī)療效用的部分，也就是對(duì)病癥發(fā)揮直接作用的部分，可說(shuō)是最關(guān)鍵的中間體，作為一原料藥廠，當(dāng)發(fā)生未能達(dá)交或短缺嚴(yán)重的情況都是相當(dāng)致命的，因此，本篇論文將以最小化短缺為目標(biāo)解決制藥業(yè)的生產(chǎn)規(guī)劃問(wèn)題圖 1 藥品基本組成1-2 研究動(dòng)機(jī)與目的 「連續(xù)性批次生產(chǎn)之計(jì)劃問(wèn)題」(Campaign Planning Problem, CPP)為一考量多個(gè)決策點(diǎn)之復(fù)雜問(wèn)題，相當(dāng)多的文獻(xiàn)都以縮短連續(xù)性批次生產(chǎn)的整個(gè)排程之跨度時(shí)間為目的，但在這些文獻(xiàn)中，通常連續(xù)性批次的「?jìng)€(gè)數(shù)」以及「大小」都已事先定義，其決策的是連續(xù)。