约束理论的管理技术王玉荣.docx
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约束理论的管理技术王玉荣
约束理论的管理技术之一
――计划与控制系统：
DBR
byAMT王玉荣、孔祥云
在确立了企业目标和相应作业指标以后，则应该对企业的一切活动和行为准则进行重新审视，即重新评价这些活动或准则在多大程度上促进或者妨碍了这一目标的实现。
TOC为我们提供了一套有效的管理技术来具体实施这一评价，能够帮助我们识别并解决实现目标过程中存在的“约束”。
一、计划与控制的步骤
TOC认为，一个企业的计划与控制的目标就是寻求顾客需求与企业能力的最佳配合，对约束环节进行有效的控制，其余的环节相继地与这一环节同步。
TOC的计划与控制是通过DBR系统实现的。
即“鼓（Drum）”、“缓冲器（Buffer）”和“绳子（Rope）”系统。
如图1所示。
图1“鼓”、“缓冲器”和“绳子”系统
实施计划与控制主要包括以下的步骤（把离散生产作为典型情况）：
（1）识别企业的真正“约束”所在，是控制物流的关键
∙已知一定时间内生产的产品及其组合，按物料清单计算出要生产的零部件。
∙按零部件的加工路线及工时定额，计算出各类机床的任务工时。
∙将任务工时与能力工时比较，负荷最高、最不能满足需求的机床就是约束资源。
∙找出约束资源之后，把企业里所有的加工设备划分为约束资源和非约束资源。
（2）基于“约束”，建立产品出产计划
产品出产计划（MasterSchedule）的建立，应该使系统物流达到最优，因为约束资源控制着系统的“鼓的节拍（Drum-beat）”，即控制着企业的生产节拍和有效产出，为此，需要按有限能力法进行生产安排、在约束资源上扩大批量、设置“缓冲器”。
（3）设置“缓冲器”并进行监控，以防止随机波动，使约束资源不致于出现等待任务的情况。
（4）对企业物流进行平衡，使得进入非约束资源的物料应被约束资源的产出率所控制（即“绳子”）。
对非约束资源安排作业计划，一般按无限能力倒排法，使之与约束资源上的工序同步。
二、“鼓”、“缓冲器”和“绳子”
1．“鼓”
从以上步骤可以看出，“鼓”是一个企业应用TOC的开端，即识别一个企业的“约束”所在。
“约束”控制着企业同步生产的节奏棗“鼓点”。
要维持企业内部生产的同步、企业生产和市场需求的同步，存在着一系列的问题。
其中一个主要问题就是企业的生产如何能满足市场或顾客的需求而又不产生过多的库存。
因而，安排作业计划时，除了要对市场行情进行正确的预测外，还必须按交货期给顾客赋予一定的优先权数，在“约束”上根据这些优先权数的大小安排生产，并据此对上下游的工序排序，则得到交付时间，使交付时间与交货期限得以相符。
为了使交付时间与交货期限相符，靠的是权衡在约束资源上的批量规模。
因为，在约束资源上只有加工时间和调整准备时间，增大约束资源的加工批量，可以减少调整准备时间，使约束资源的有效能力增加，但会减少系统的柔性，增加库存和提前期。
反之，其效果与增大加工批量相反。
两者都会影响到一些订货的交货时间。
从计划和控制的角度来看，“鼓”反映了系统对约束资源的利用。
对约束资源应编制详细的生产作业计划，以保证对约束资源的充分合理的利用。
2．“缓冲器”，又称“缓冲”
一般来说，“缓冲器”分为“时间缓冲”和“库存缓冲”：
“库存缓冲”就是保险在制品，其位置、数量的确定原则同“时间缓冲”。
“时间缓冲”则是将所需的物料比计划提前一段时间提交，以防随机波动，以约束资源上的加工时间长度作为计量单位。
例如，一个三天的“时间缓冲”表示着一个等待加工的在制品队列，它相当于在约束资源上三天的生产任务。
其长度可凭观察与实验确定。
再通过实践，进行必要的调整。
在设置“时间缓冲”时，一般要考虑以下几个问题：
∙要保证约束资源上产出率相对较快的工件在加工过程中不致因为在制品少而停工。
∙应考虑加工过程中出现的波动。
如约束资源上的实际产出率比原来估计的要快，或者约束资源前的加工工序的产出率比原来估计的要馒，或者出现次品。
在有的情况下，还要考虑前面的机器是否出现故障。
因为，如果要对机器故障进行维修，则维持后续工序所需的在制品库存是难以估计的。
所以，在设置“时间缓冲”时一般要设置一定的安全库存。
∙根据TOC的原理，约束资源上的加工批量是最大的，而约束资源的上游工序则是小批量多批次的。
约束资源前的加工工序的批次又和各道工序的调整准备时间有关。
如果上游工序的调整准备时间小，或约束资源上的加工时间和前一台机器的加工时间相差很大，则批次可以较多，批量可以较小。
反之，批次则可能较少，甚至和约束资源上的批次相同，加工批量也和约束资源上的批量相同。
∙要考虑在制品库存费用、成品库存费用、加工费用和各种人工费用。
要在保证约束资源上加工持续的情况下，使得整个加工过程的总费用最小。
3．“绳子”
如果说“鼓”的目标是使有效产出最大，那么，“绳子”的作用则是使库存最小。
我们知道，“约束”决定着生产线的产出节奏，而在其上游的工序实行拉动式生产，等于用一根看不见的“绳子”把“约束”与这些工序串联起来，有效地使物料依照产品出产计划快速地通过非约束作业，以保证约束资源的需要。
所以，“绳子”起的是传递作用，以驱动系统的所有部分按”鼓”的节奏进行生产。
在DBR的实施中，“绳子”是由一个涉及原材料投料到各车间的详细的作业计划来实现的。
“绳子”控制着企业物料的进入（包括“约束”的上游工序与“非约束”的装配），其实质和“看板”思想相同，即由后道工序根据需要向前道工序领取必要的零件进行加工，而前道工序只能对已取用的部分进行补充，实行的是一种受控生产方式。
在TOC中，就是受控于约束资源的产出节奏，也就是“鼓点”。
没有约束资源发出的生产指令，就不能进行生产，这个生产指令是通过类似“看板”的物质在工序间传递的。
通过“绳子”系统的控制，使得约束资源前的非约束资源均衡生产，加工批量和运输批量减少，可以减少提前期以及在制品库存，而同时又不使约束资源停工待料。
所以，“绳子”是约束资源对其上游机器发出生产指令的媒介，没有它，生产就会造成混乱，要么造成库存过大，要么会使约束资源出现“饥饿”现象。
约束理论的理论核心之二
约束（Constraint）的定义与判别
byAMT王玉荣、孔祥云
TOC认为，对于任何一个由多阶段构成的系统来讲，如果其中一个阶段的产出取决于前面一个或几个阶段产出的话，那么，是那个产出率最低的环节决定着整个系统的产出水平。
换句话说：
一个链条的强度是由它最薄弱的环节来决定的。
定性地，在企业的整个经营业务流程中，任何一个环节只要它阻碍了企业去更大程度的增加有效产出，或减少库存和运行费，那么它就是一个“约束”。
“约束”是一个广义的概念，通常也称作“瓶颈”（Bottleneck）。
约束可以来源于企业内部，也可以来源于企业外部。
一般来说，约束可以是三种类型：
资源（Resources）、市场（Markets）和法规（Policies）。
例如，企业为了达到环保法规的要求，要进行相应的三废处理，这自然会导致运行费的增加，那么，环保法对于企业来讲就是一个法规约束。
由于法规自身所具有的强制性，企业对来自资源和市场的约束进行改造的可能性要大得多，下文就以企业生产环境为例，对这两种约束进行说明。
一般地，任何一个企业都可以看作是将原材料转化为产品的系统。
在这个系统中，生产产品所需的各种资源是关键的部分，如机器、工人、厂房和其它固定资产，等等。
按照通常的假设，在设计一个企业时，可以使生产过程中各阶段的生产能力协调一致，即达到能力的平衡。
但这只是一个理想的状态。
因为，生产是一个动态的过程，随机波动时时存在，能力平衡在实际中实现极其困难，也可以说是达不到的。
因此，生产过程中必然会出现某些资源负荷过多，成为卡“脖子”的地方，即“约束”。
这样，一个企业的制造资源就存在约束资源与非约束资源的区别。
在企业生产环境中，所谓“约束资源”，指的是实际生产能力小于或等于生产负荷的资源。
这一类资源限制了整个企业出产产品的数量。
其余的资源则为非约束资源。
要判别一个资源是否为瓶颈，应从该资源的实际生产能力与它的生产负荷（或对其的需求量）来考察。
这里所说的需求量不一定是市场的需求量，而可能是为保证生产，其他相关资源对该资源的需求量。
通过对以上定义的分析，可以发现，判别某资源是否为约束资源时，有以下六种典型情况：
1.部分生产资源的生产能力低于市场需求；
2.所有生产资源的生产能力低于市场需求；
3.所有生产资源的生产能力均高于市场需求；
4.添加新的生产资源或改进工艺时，对约束资源产生的影响；
5.通过出包加工提高生产能力时，对约束资源产生的影响；
6.通过营销等措施使市场需求提高时，对约束资源产生的影响。
为简明起见，本文模拟一个生产流程，对六种典型情况进行了对应分析，详见图1及图2。
假设某产品P的生产流程如图1所示：
图1说明“约束”判别方法的一个示例：
某产品P的生产流程
情况
（1）：
对P的市场需求为每周30个单位；机器A的生产能力为每周生产35个单位；机器B的生产能力为每周生产40个单位，机器C的生产能力为每周生产25个单位。
显然，这时A、B产出的中间品会在C资源前积压，C资源哪怕是满负荷每周生产25个单位的产品，产品P也将不能满足市场每周30单位的需求。
所以，机器C为约束资源。
情况
（2）：
对P的市场需求为每周28个单位；机器A的生产能力为每周生产15个单位；机器B的生产能力为每周生产25个单位，机器C的生产能力为每周生产20个单位。
这时，如果相对市场需求来说机器A、B、C都应该为约束资源。
但根据定义，当前只有机器A为约束资源，因为机器C其生产能力虽然每周生产20个单位，但每周只能接到机器A所能生产的15个单位的最大生产负荷，即其生产能力超过了对其的需求量，为非约束资源。
机器B其生产能力每周生产25个单位，达不到市场的要求，但它产出的中间品已经在机器C前积压了，即其生产能力超过了后续环节对其的需求量，也是非约束资源。
这时，只有将机器A的生产能力提高，才能更好地满足市场需求，否则如果去盲目改进机器B、机器C的话，对最终产出于事无补，而且会产出更多的积压在制品。
值得注意的是，如果企业又购买了一台机器A（对应于情况4），则机器C成为新的约束资源，它将整个生产流程的能力限制在每周20个单位。
若通过出包加工的方法将C的产出提高50％（对应于情况5），即达到30，那么约束资源将转移到机器B。
继续改进下去（对应于情况3、情况6），然后不难发现，这时可能相对于企业为外部因素的市场需求成了新的约束资源。
约束资源的一系列变化如图2所示，方框中的数字表示资源的生产能力，阴影表示约束资源。
通过对上例的分析，可以对TOC的管理思想窥见一斑：
∙生产能力小于市场需求的资源，按定义不一定为约束资源。
∙TOC的管理思想是首先抓“重中之重”，使最严重的制约因素凸现出来，从而从技术上消除了“避重就轻”、“一刀切”等管理弊病发生的可能。
短期的效果是“抓大放小”，长期的效果是大问题、小问题都没忽略，而且企业整体生产水平和管理水平日益提高。
∙经过筛选，任何企业只应该存在着少数的约束资源，从而避免了管理者陷入大量的事务处理当中而不能自拔。
∙约束资源是动态转移的，这就给管理者的惰性敲了警钟。
图2约束资源的判别
约束理论的理论核心之三
企业的“物流”类型
byAMT王玉荣、孔祥云
企业的生产过程可以看作是从原材料到成品的高度相关的活动链。
其中，原材料被制成毛坯，毛坯被加工成各种零件，零件又被组装成部件，最后零件和部件总装成产品。
人们本可以根据这个活动链中高度相关的内在关系，制定出一个详尽而周密的生产作业计划，规定出每一种毛坯、零件、部件和产品的投入、出产时间和数量，如MRP中实现的那样。
但在实际中，这个活动链中计划好的活动程序常会被企业中大量存在的随机事件的干扰所打乱，如机器损坏、质量问题等等。
要识别这些干扰，找出问题出在何处，手段之一就是从“物流”着手。
TOC根据不同类型“物流”的特点来对企业进行分类，从而为企业准确识别出各自的薄弱点或者说“约束”所在提供了帮助，并对其实施有针对地计划与控制。
一般地，将从原材料到成品这一“产品物流”分为：
“V”、“A”和“T”三种类型。
如图1所示。
其中，“V”型“物流”是由一种原材料加工或转变成许多种不同的最终产品；“A”型是由许多种原材料加工或转变成的一种最终产品；而“T”型则是“A”型的一个发展，其最终产品有多种。
图1“V”、“A”和“T”三种物流类型的企业
实际上，企业的“产品物流”往往不只一种类型，可以根据占主要地位的“产品物流”，来相应地划分企业。
如果一个企业其主要是“V”型“物流”，那么我们就称这个企业为“V”型企业，其余的类推，对于“V”型企业，如炼油厂、钢铁厂等，其特点有：
①最终产品的种类较原材料的种类大得多；②所有的最终产品，其基本的加工过程相同；③企业一般是资金密集型且高度专业化的。
对于“A”型企业，如造船厂，其特点是：
①由许多制成的零部件装配成相对较少数目的成品，原材料较多；②一些零部件对特殊的成品来说是唯一的；③对某一成品来说，其零部件的加工过程往往是不相同的；④设备一般是通用型的。
而对于“T”型企业，如制锁厂，汽车制造厂等。
其特点主要包括：
①由一些共同的零部件装配成相对数目较多的成品；②许多成品的零部件是相同的；③零部件的加工过程通常是不相同的。
V型企业的工艺流程一般来说比较清楚且设计简单，生产提前期较短，企业的约束识别及控制与协调也相对容易。
而A型或T型企业则与V型企业不同，它们存在着物料清单（BOM），工艺流程较复杂，企业的在制品库存较高，生产提前期较长，约束不易识别，计划以及工序间的协调工作也非常困难。
表1比较了“V”型、“A”型、“T”型企业的不同特点。
“V”型企业
“A”型企业
“T”型企业
原材料种类
单一或较少
多
较多
产成品种类
多
单一或较少
较多
产品加工过程
基本相同
不相同
不相同
零部件
一般不是装配型企业
一些零部件对特殊的成品是唯一的
许多成品的零部件是相同的
设备
高度专业化
通用型
介于专业化与通用型之间
工艺流程
比较清楚、设计简单
存在物料清单、较复杂、在制品库存较高
生产提前期
较短
较长
企业的瓶颈识别
相对容易
相对困难
生产控制、协调
相对容易
相对困难
典型行业
炼油厂、钢铁厂
造船厂
制锁厂、汽车制造厂
表1“V”型、“A”型、“T”型企业的不同特点比较
另外，考虑到约束资源的存在，“物料”所经过的制造资源，将存在约束资源与非约束资源之分。
而约束资源与非约束资源的关系，由以上三种类型企业的物流可以看出，它们之间存在着四种基本的关系，如图2所示：
①从约束资源到非约束资源[图2（a）]；②从非约束资源到约束资源[图2（b）]；③约束资源和非约束资源到同一装配中心[图2（c）]④约束资源和非约束资源相互独立[图2（d）]。
图2约束资源与非约束资源的关系
约束理论的理论核心之四
九条管理原则
byAMT王玉荣、孔祥云
TOC的基本思想在九条管理原则上得到了具体体现，这九条原则是实施TOC的基石。
与TOC相关的生产计划与控制的算法和软件，也是按照这九条原则提出和开发的。
此外，这些原则也可以独立于软件之外，直接用于指导实际的生产管理活动。
下文将逐条分析这九条原则。
原则l追求物流的平衡，而不是生产能力的平衡。
追求生产能力的平衡是为了使企业的生产能力得到充分利用。
因此在设计一个新厂时，自然会追求生产过程各环节的生产能力的平衡。
但是对于一个已投产的企业，特别是多品种生产的企业，如果一定要追求生产能力的平衡，那么即使企业的生产能力充分利用了，但是产品并非都能恰好符合当时市场的需求，必然有一部分要积压。
TOC则主张在企业内部追求物流的平衡。
所谓物流平衡就是使各个工序都与瓶颈机床同步，以求生产周期最短、在制品最少。
它认为生产能力的平衡实际是做不到的。
因为波动是绝对的，市场每时每刻都在变化；生产能力的稳定只是相对的。
所以必须接受市场波动这个现实，并在这种前提下追求物流平衡。
原则2“非约束”的利用程度不由其本身决定，而是由系统的“约束”决定的。
图1约束资源与非约束资源的关系
约束资源制约着系统的产出能力，而非约束资源的充分利用不仅不能提高有效产出，而且会使库存和运行费增加。
从图1所示的约束资源与非约束资源的四种基本关系中，我们可以看出，关系（a）、（b）、（c）中非约束资源的利用程度是由约束资源来决定的。
如：
∙关系（a）：
非约束资源为后续工序，只能加工由约束资源传送过来的工件，其使用率自然受约束资源的制约；
∙关系（b），虽然非瓶颈资源为前道工序，能够充分地使用，使用程度可以达到100％，但整个系统的产出是由后续工序，即约束资源决定的，非约束资源的充分使用只会造成在制品的连续增加，并不改变产出；
∙关系（c），由于非约束资源与约束资源的后续工序为装配，此时非约束资源也能充分地使用，但受装配配套性的限制，由非约束资源加工出来的工件其中能够进行装配的，必然受到约束资源产出的制约，多余部分也只能增加在制品库存；
∙关系（d）：
非约束资源的使用程度虽不受约束资源的制约，但显然应由市场的需求来决定。
从以上分析，容易看出，非约束资源的使用率一般不应该达到100％。
原则3资源的“利用”（Utilization）和“活力”（Activation）不是同义词。
“利用”是指资源应该利用的程度，“活力”是指资源能够利用的程度。
按传统的观点，一般是将资源能够利用的能力加以充分利用，所以“利用”和“活力”是同义的。
按TOC的观点，两者有着重要的区别：
因为做所需要的工作（应该做的，即“利用”）与无论需要与否，最大程度可做的工作（能够做的，即“活力”）之间是明显不同的。
所以对系统中“非约束”的安排使用，应基于系统的“约束”。
例如，一个非约束资源能够达到100％的利用率，但其后续资源如果只能承受其60％的产出，则其另外40％的产出，将变成在制品库存，此时从非约束资源本身考察，其利用率很好，但从整个系统的观点来看，它只有60％的有效性。
所以“利用”注重的是有效性，而“活力”注重的则是能行性，从平衡物流的角度出发，应允许在非关键资源上安排适当的闲置时间。
原则4“约束”上一个小时的损失则是整个系统的一个小时的损失。
一般来说，生产时间包括调整准备时间和加工时间。
但在约束资源与非约束资源上的调整准备时间的意义是不同的。
因为约束资源控制了有效产出，在约束资源上中断一个小时，是没有附加的生产能力来补充的。
而如果在约束资源上节省一个小时的调整准备时间，则将能增加一个小时的加工时间，相应地，整个系统增加了一个小时的产出。
所以，约束资源必需保持100％的“利用”，尽量增大其产出。
为此，对约束资源还应采取特别的保护措施，不使其因管理不善而中断或等工。
增大约束资源物流的方法可以有如下几种：
①减少调整准备时间和频率，约束资源上的批量应尽可能大；
②实行午餐和工修连续工作制，减少状态调整所需的时间损失；
③在约束资源前设置质量检查站，保证投入约束资源的工件100％是合格品；
④设置缓冲环节，使约束资源不受非约束资源生产率波动的影响。
原则5“非约束”节省的一个小时无益于增加系统有效产出。
因为非瓶颈资源上除了生产时间（加工时间和调整准备时间）之外，还有闲置时间。
节约一个小时的生产时间，将增加一个小时的闲置时间，而并不能增加系统有效产出。
当然，如果节约了一个小时的生产时间，可以减少加工批量，加大批次，以降低在制品库存和生产提前期。
但这些结果能在多大程度上有益于系统追求的根本目标，依然牢牢受制于约束资源。
原则6“约束”控制了库存和有效产出。
因为，有效产出指的是单位时间内生产出来并销售出去的产品所创造的利润额，所以，很明显它受到企业的生产能力和市场的需求量这两方面的制约，即它们受由资源约束和市场约束瓶颈所控制的。
如果“约束”存在于企业内部，表明企业的生产能力不足，相应的有效产出也受到限制；而如果当企业所有的资源都能维持高于市场需求的能力，那么，则市场需求就成了“约束”。
这时，即使企业能多生产，但由于市场承受能力不足，有效产出也不能增加。
同时，由于“约束”控制了有效产出，所以企业的“非约束”应与“约束”同步，它们的库存水平只要能维持“约束”上的物流连续稳定即可，过多的库存只是浪费，这样，“约束”也就相应地控制了库存。
以上六条原则都是涉及资源的。
原则7运输批量可以不等于（在许多时候应该不等于）加工批量。
车间现场的计划与控制的一个重要方面就是批量的确定，它影响到企业的库存和有效产出。
TOC所采用的是一种独特的动态批量系统，它把在制品库存分为两种不同的批量形式，即：
①运输批量，是指工序间运送一批零件的数量；②加工批量，指经过一次调整准备所加工的同种零件的数量，可以是一个或几个转运批量之和。
在自动装配线上，转运批量为1，而加工批量很大。
确定加工批量的大小应考虑：
?
资源的合理应用（减少设备的调整次数）；合理的在制品库存（减少资金积压和在制品库存费用）。
确定运输批量的大小则是考虑：
?
提高生产过程的连续性、平行性，减少工序间的等待时间和减少运输工作量与运输费用。
两者考虑的出发点不同，所以运输批量不一定要与加工批量相等。
根据TOC的观点，为了使有效产出达到最大，约束资源上的加工批量必须大。
但另一方面，在制品库存不应因此增加，所以转运批量应该小，即意味着非约束资源上的加工批量要小，这样就可以减少库存费用和加工费用。
原则8批量大小应是可变的，而不是固定的。
原则8是原则7的直接应用。
在TOC中，运输批量是从在制品的角度来考虑的，而加工批量则是从资源类型的角度来考虑的。
同一种工件在约束资源和非约束资源上加工时可以采用不同的加工批量，在不同的工序间传送时可以采用不同的运输批量，其大小根据实际需要动态决定。
以上两条是涉及物流的。
原则9编排作业计划时考虑系统资源约束，提前期是作业计划的结果，而不是预定值。
MRPII制定作业计划的方法一般包括以下几个步骤：
①确定批量；②计算提前期；③安排优先权，据此安排作业计划；④根据能力限制调整作业计划，再重复前三个步骤。
可见MRPII是按预先制定的提前期，用无限能力计划法编制作业计划。
但当生产提前期与实际情况出入较大时，所得的作业计划就脱离实际难以付诸实施，MRPII也因此招致了许多有关“期”的批评。
在这点上，TOC与MRP正好相反，即不采用固定的提前期，而是考虑计划期内的系统资源约束，用有限能力计划法，先安排约束资源上加工的关键件的生产进度计划，以约束资源为基准，把约束资源之前、之间、之后的工序分别按拉动、工艺顺序、推动的方式排定，并进行一定优化，接下来编制非关键件的作业计划。
所以，TOC中的提前期是批量、优先权和其它许多因素的函数，是编制作业计划产生的结果。
约束理论的管理技术之五
――思维流程（TP）的进一步完善
byAMT王玉荣、孔祥云
目前，五大核心步骤与TP仍处在不断地发展完善之中。
本文例举Goldatt博士创立TOC时未充分展开的两个问题如下：
1.只涉及了“因－果”分析的一种情况，而忽略了其他两种情况。
有的TOC研究者认为，现实世界中的因果推理关系应有三种情况，应该使用不同的符号加以区分，具体如表1所示。
Goldratt博士在TP中只涉及了表中的第一种因果推理关系。
表1现实世界中的三种因果推理关系
因果推理关系：
之一
因果推理关系：
之二
因果推理关系：
之三
简述
多个“原因”共同导出一个“结果”
每个“原因”可以独立导出同一个“结果”
多个“原因”均可以增加“结果”出现的可能性
特点
缺少任何一个“原因”，那么“结果”就百分之百地
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