供应链管理下推拉式生产最适化之研究.doc

供應鏈管理下推拉式生產最適化之研究盧靜珍 丁慶榮元智大學工業工程與管理系中壢市遠東路135號.tw摘要：製造延遲理論是多樣化產品製造業供應鏈的重要生產方式，運用延遲策略與產品差異化於生產流程，使流程具有推式與拉式模式；於推式模式中，按預測大量生產共通性零組件或模組，當顧客訂單到達時，再依照訂單的產品種類與數量於後端的拉式系統進行組裝，此生產流程中的總成本包含存貨成本、生產成本、缺貨成本；而生產流程可因產品差異化的分界點位置不同而區分為數個方案，本研究以模擬軟體來進行模擬與分析，計算系統總成本，找出生產流程的最佳差異化點，進而尋求推/式系統的最適化。關鍵詞：供應鏈管理、延遲理論、推式生產、拉式生產、總成本、客製化1. 前言現在的顧客需求是多樣化產品，因此製造業在產品設計時已漸漸考量共同零件及模組的概念，但對於企業而言，衍生的結果是管理成本的增加及生產規模經濟的降低；為了因應這些特性，除了更精準的預測外，則整個供應鏈運籌管理，縮短前置時間，快速反應市場才是解決之道。延遲(postponement)觀念，係指直至接到顧客訂單後，才執行最終產品之末端製造或運送的一種觀念，其目的在消除不當或錯誤製造程序/成品之風險，並能降低存貨水準。延遲理論最早應用於行銷領域，可追溯至Alderson (1950)的研究，認為延遲的原理是為了降低時間的風險和需求的不確定性，消除不同市場所造成的浪費，而這些不確定性都是因為產品本身或存貨地理位置分散所造成的。Bucklin (1965)透過配銷通路的觀點，認為產品差異所造成的風險及不確定性發生於製造與物流的操作上，若能被延遲至顧客訂單確定製造與物流之後，可將風險及不確定性降至最低，。Zinn and Bowersox (1988)認為延遲策略的原則是延遲運送時間及產品最終處理，直到接受顧客訂單之後。在此文中，主要將延遲理論分成兩種類型，一為型式(Form)延遲，此類延遲又細分為貼標(Labeling)、包裝(Packaging)、組裝(Assembly)、及製造(Manufacturing)等四種類型；另一種則為時間(Time)延遲，形成五種延遲類型。Cooper (1993)則加入品牌的觀點結合次要產品特徵，規格與週邊設備對所有市場是否具共通性，並提出四種供應鏈延遲策略，為模組化製造策略、單一中心策略、延緩組裝策略、延緩包裝策略。Lee and Billington (1994)認為如何設計與製造出符合顧客需求之產品的重要，並指出企業對顧客的需求是具有高度的不確定性。Lee (1996)將延遲策略分成拉式延遲、物流延遲、以及型式延遲三種。Pagh and Cooper (1998)根據延遲(Postponement)與推測(Speculation)的觀點而定義了延遲/推測矩陣，分為完全推測策略、物流延遲策略、製造延遲策略、完全延遲策略四種不同的策略。Yeh and Yang (2003)將延遲理論運用於成衣供應鏈中，整個染色的步驟重新設計於生產流程中，研究內容分別建構原本的成衣供應鏈模式，以及採用延遲理論而重新設計生產流程的延遲染整成衣供應鏈模式，比較兩種模式的總成本。Ahn and Kaminsky (2005)以一個兩階層的推拉供應鏈模型為基本架構第一階段為推式生產，假設為無限產能供應第二階段，建構推/拉兩階層的成本模型。Fisher (1997)提出一個架構來協助管理者了解產品需求的特性，並進而提供滿足此需求的供應鏈，該學者發現供應鏈大致可歸類為以效率為主以及快速回應為主的模式，並且針對不同性質的產品，適合不同模式的的供應鏈提出說明。Jones et al. (1997)提出一套混合推式與拉式的供應鏈配置模式，此套模式的思維邏輯是一切以顧客觀點之價值創造為衡量，必須以整體供應鏈為對象，整合整各供應鏈的資源配置，考量每一成員間的條件及顧客實際需求，以達到整體供應鏈最佳化效果。本研究對於提供不同型態的多樣化商品的製造業者，將延遲策略與產品差異化運用於其中來建構出具有推式模式與拉式模式之生產流程；於推式模式中，共通性零組件或模組先行大量生產，以半成品形式將存貨儲放於推式生產末端，當顧客訂單到達，再以訂單的產品數量與種類於拉式模式中進行組裝生產。並依據此生產流程中所涉及的相關成本建立一系統總成本模型，而此生產流程推/拉生產分界點位置不同而區分為數個方案，將這些方案以模擬軟體來進行模擬與分析，計算系統總成本，而找出產品的差異化界限在製造生產流程的最佳點，進而尋求推/拉混合式系統的最適化。2. 研究方法2.1 供應鏈模型架構本研究主要探討一個同時具有推式與拉式生產的產品線，如何運用推拉式生產模式與移動產品差異化的界線，將多樣化商品的半成品批量化製造，並以半成品的形式儲存，直到訂單到達時，再依照訂單的產品種類與數量進行加工和組裝，最後送達至客戶端。研究對象的特點是前端製造可先將產品流程重新設計，並採用模組化、延遲策略與產品差異化策略來改變生產流程。供應鏈前端所製造最終產品的半成品或是共通型模組，採推式生產大量生產(build-to-stock, BTS)；而後端則是在半成品上增加新零組件，或是接訂單生產(build-to-order, BTO)，將各類模組組裝成客製化產品，採用拉式生產。本研究生產流程架構圖如圖1所示，所建立的生產流程假設共有n個生產步驟，可分為前後兩端的生產流程，前端生產流程採推式生產，共有k個製程，製造半成品或共通型模組，而後端採拉式生產，由第k+1個製程開始，共有n-k個製程，用以製造客製化產品，總共可生產m種產品，在推式與拉式生產之間的交界點即為產品產生差異化之處，亦即推式模式與拉式模式的界線。推/拉界線的位置相當重要，而變數之間如何取捨才能使整體供應鏈成本最低，效果最佳，是本研究所欲探討的重點，此外，每種產業的環境狀況都不盡相同，在各種因素的考量下如何找出適合的供應鏈系統，其中推/拉界線就是一個很重要的因素。2.2 假設條件依據本研究所建立的研究架構，所假設的條件如下；1. 推式生產系統需製造半成品至sk + Qk個單位，才開始接受訂單。2. 一個半成品，所用到的原物料只有一種。3. 一種產品只會使用一個半成品，且只加工一個附加零組件。4. 拉式生產的生產線，每種產品線皆相同。5. 假設製造流程已重新設計。6. 同一張訂單，等同一張訂單內所訂購的需求全部生產完成，才完成一張訂單。n=1n=2n=nDDDm=1m=m拉式生產推式生產Postponement Boundaryn=kn=k+1Postponement Boundary移動分界點Process配銷倉庫中央倉庫圖1 生產流程架構圖2.3 總成本模式在本研究所建構的供應鏈之生產流程模型中，主要生產方式依照生產模式而有所不同，整個供應鏈中所涉及的成本包含生產成本、整備成本、訂購成本、存貨持有成本以及缺貨成本。前端的推式生產，主要是以批量的方式製造，採用(sk, Qk)的存貨策略系統；而後端的拉式生產則必須依照客戶需求製造客製化產品，成本模式及參數設定如下所示：b：缺貨次數B：一張訂單無法如期交貨時的缺貨成本：當推拉界線位於k時，半成品需求量DT(r)：第r張訂單所有需求完成的時間點：當推/拉界線位於k時，半成品的單位存貨成本：當推/拉界線位於k時，第j種最終產品的單位存貨成本：推式模式中，半成品的平均存貨量i：第i個製程j：第j種產品種類k：推式與拉式生產的界線，推式生產的最後一個流程，為決策變數。n：供應鏈中的生產流程m：產品種類 N：N張訂單Nj：第j種產品的訂單數Oc：半成品之原物料的訂購成本OT(0)：推式模式第一次生產sk+Qk個單位半成品的完成時間點OT(r)：第r張訂單開始進入拉式生產的時間點，r=1, 2, , Npi：第i個製程的單位生產成本pij：拉式模式中，第i個製程第j種產品的單位生產成本：缺貨率Qk：當推/拉界線位於k時，推式生產之存貨系統中的訂購量r：第r張訂單，r = 1, 2, , Nsk：當推/拉界線位於k時，推式生產之存貨系統中的再訂購點sc：推式生產的整備成本sj：拉式生產第j種產品的整備成本Tk：推式生產一個半成品所需時間的總和ti：每個製程加工一個半成品所需的時間v(r)：第r張訂單到達時半成品的存貨量：當推/拉界線位於k時，半成品的安全存貨量：半成品補貨前置時間需求預測量a：半成品的安全存貨係數mc：半成品平均需求量mj：第j種最終產品的平均需求量sc：半成品的預測標準差本研究依推式與拉式兩種模式的成本分別討論，最後將兩種生產模式成本加總之後，即為整體供應鏈之總成本，再以推/拉界線不同位置來探討並計算供應鏈總成本，分析推/拉界線對系統總成本之影響。 2.3.1 推式生產成本模式本研究的推式生產系統採用(sk, Qk)的存貨策略，當推拉界線移動，亦即k值不同時，存貨策略會隨界線的移動而有所不同。訂單的需求量，反應出半成品所需的數量，由於採批量方式生產，因為半成品所需製造的數量則是Qk的數倍，所需生產的半成品數量計算式如下(1)當存貨量降至再訂購點sk之下時，就進行生產Qk單位的半成品，Qk的定義為(2)(3)可經由上兩式得到a，進而求得再訂購點sk(4)再訂購點sk的定義為(5)Xc為半成品的安全存貨量，和半成品安全存貨係數以及需求的標準差有關，當需求不確定性越高時，安全庫存量越多，卻會造成存貨成本上升，因此安全存貨與缺貨之間的相關性也是需考量的因素。(6)(7)(8)推式生產模式所涉及的成本有每個製程所需要的整備成本、存貨持有成本、及生產成本。推式生產模式中半成品的平均存貨量，推式生產的時間則是與生產半成品數量所需的時間長短有關，因此推式生產模式中，在(sk, Qk)的存貨策略模式下，完成N張訂單後所發生的平均存貨水準(9)根據上式可得到其存貨持有成本為(10)最後推式生產總成本為存貨持有成本、整備成本、以及生產成本的總和。(11)2.3.2 拉式生產成本模式拉式生產屬於客製化生產模式，由所製造完成的半成品以存貨形式儲存於推式生產模式的末端，等候訂單到達時，立即運送符合訂單數量的半成品至拉式生產的製造流程。拉式生產模式的成本包含存貨持有成本、生產成本、整備成本。雖然拉式模式中訂單完成馬上送到顧客端，但是等待訂單中完成時會有不足於存貨數量的最終完成品仍在系統中，仍有存貨持有成本存在。由於拉式生產的製造數量是依據訂單的種類及數量，因此存貨成本則是完成依照訂單的需求量來計算，可計算出最終產品的平均存貨水準，進而計算出最終完成品的存貨持有成本(12)最後拉式生產總成本為存貨持有成本、整備成本、以及生產成本的總和。(13)由於使用(sk, Qk)存貨策略，因此有可能造成訂單到達時，而半成品無法及時供應時而產生半成品缺貨的現象，當產生缺貨時，給予一個缺貨的懲罰成本稱為缺貨成本，此缺貨成本以延遲交貨的時間來計算，延遲越久，則給予的懲罰越大。(14)本研究整個供應鏈的總成本即是將推式與拉式兩個生產模式的總成本，以及遇到缺貨時產生的缺貨成本相加，最後以推/拉界線不同之供應鏈環境來當作不同的方案比較，並以供應鏈總成本來比較之。(15)由於決策變數k在總成本模式中無法以封閉型式求得，因此本研究將以模擬方式求得驗證，經由模擬軟體模擬本研究建構的生產流程，最後再以模擬所得的數據代入計算得知系統總成本，進而比較與分析不同界限時的系統總成本。將每個推/拉界限由模擬所得的總成本，經由每個方案的比較之後，所得最低的總成本，即為推拉界限分界點的最適合位置。3. 範例驗證與分析3.1 模擬架構本研究使用Arena模擬軟體V. 10.0來模擬所建構的模式，依據前小節所建構出來的生產流程以模擬軟體來模擬供應鏈製造系統。先設計研究基本環境的資料，以驗證本研究的研究架構正確性，再經由測試例題所得的數據資料，來修正本研究所建構的生產架構，模擬架構如圖2所示。1. 建構推式生產模擬系統以存貨系統為架構，並以批量的生產方式進行，模擬推式生產系統包含k個製程，首先，製造半成品至存貨系統穩定值之後，才開始接受訂單，每次訂單到達時間會確認，已完成的半成品存貨量是否低於再訂購點值，若低於再訂購點，則投入Qk單位的原物料，以批量Qk的生產方式進行加工。2. 建構拉式生產模擬系統 拉式生產系統會依照產品種類分為m條生產線，每條生產線皆包含n-k個製程，訂單到達則依照產品種類進入各自的生產線，並進行製造。3. 模擬系統停止條件所有訂單全部完工達交，與所投入的半成品之原物料被全部製造成半成品，整個模擬系統停止。3.2 測試例題3.2.1 模擬基本環境設定1. 產品基本資料此製造流程在推式生產模式製造出一種半成品，進入拉式生產後，加上一種不同的附加零組件，生產出A、B (j=1, 2)兩種產品，各製程的加工時間均已知。2. 顧客訂單訂單到達時間間隔呈指數分配，共有50筆訂單，平均間隔時間約22小時左右到達，約為一季的需求量；而每張訂單數量亦呈常態分配，每張訂單數量A、B兩種產品總數量約50單位，標準差20單位。3. 製程加工時間此製造生產流程需經過n=10種製造程序，在推式生產的每項製程只使用一台加工機台，而在拉式生產中，每種產品經過差異化之後，各自進入產品的生產線，因此拉式生產中，有兩種產品生產線，則一項製程擁有兩台加工機台，每項製程的加工時間如表1所示。4. 系統參數在模擬系統與成本模式所需的參數如表1所示，設定模擬時間為一天工作8小時，推式生產製造半成品先生產至(sk, Qk)存貨系統中的sk + Qk單位的存貨量，使得系統達到穩定狀態，才接受訂單並等待訂單到達，再進入拉式生產模式來加工附加零組件，達到停止條件則系統停止。5. 交貨期限 產品的交貨期限均勻分配在1-3天，若超過期限則為缺貨，需加上缺貨成本。YesNo投入原物料半完成品存貨量s共同零組件儲存生產Q判別產品種類及需求訂單到達依產品種類進入生產線最終完成品取得訂單所需的共同零組件數量推式生產模式拉式生產模式最終完成品最終完成品製造共同零組件交付訂單圖2 模擬架構圖表1 測試例題之參數資料參數模擬數據單位參數模擬數據單位B10000元/次pij510元/單位hc3075元/單位sc1000元/次hj10元/單位sj500元/次k19ti23分/單位Nj3436次a1.65Oc1000元/次sc20單位/小時pi510元/單位3.2.2 各方案之存貨系統在n=10的生產系統中，可將推拉界線區分為k=1, 2, 8, 9這9種方案，因為推拉界線的移動，使得每種方案的推式與拉式的前置時間不同，而導致安全庫存量、再訂購點有所不同；當庫存量降至再訂購點時，生產Qk單位的半成品，在9種方案中，經由第二節的計算之後，其再訂購點及生產批量如表2所示。模擬系統設定為必須讓推式生產系統製造至sk + Qk單位，系統方始穩定，並開始接受訂單。經由模擬30次的結果，可得知推式生產的半成品，在整個生產系統中的存貨量與時間的關係，進而求得推式生產下半成品的平均存貨量與平均存貨成本，當推式模式的製程數越少時，也就是產品的差異化在較前端的時候，平均存貨量越高，使得平均存貨成本提高。表2 各方案的存貨系統設定值方案sk (單位)Qk (單位)平均存貨 (單位)k=138407233.86k=245377192.97k=349352164.18k=456332132.61k=560315118.47k=667288111.24k=771277104.64k=87826783.55k=98225890.983.2.3 各方案成本比較由模擬的結果，可將9種方案的成本，用前小節的成本模式計算出來，表3為各生產模式的各項成本。由於在本測試例題中，(sk, Qk)存貨策略的影響，造成產品差異化越後端的方案，缺貨成本越大，因此推式生產模式的生產策略亦為一項重要的影響因素，使得測試例題最後的全系統總成本，以k=3的全系統總成本為最小。表3 推式、拉式、缺貨成本與系統總成本推式成本拉式成本缺貨成本總成本k=131416291270100000422686k=26101425410030000345114k=37082723342040000344247k=410332819625090000389578k=5112224175570130000417794k=6131034150700130000411734k=7153002117720150000420722k=814789992850190000430749k=919985459870260000519724經由上面的測試例題所示，產品差異化靠近中間的製程，是系統總成本最低的情況，但是也經由例題可看出影響最後總成本的因素甚多，在固定推式生產模式的存貨策略時，存貨持有成本、缺貨成本會影響最後系統總成本的變化，因此在不同的產業，需考慮不同的情況。3.3 敏感度分析經由測試例題可發現影響最後總成本的因素甚多，本研究針對需求的變異、單位存貨成本、與交貨期限三個影響因素，以上一小節的測試例題為例，每次只改變一項因素的值，來分析需求變異、單位存貨成本、與交貨期限對系統總成本的影響。3.3.1 需求變異需求變異指的是需求的不確定，測試例題是以常態分配來產生，當標準差很小時，產品需求幾乎呈現固定的趨勢，反之，當標準差很高時，需求產生波動，是否會對系統成本產生較大的影響。產品需求以常態分配產生，平均數為50，標準差分別為s=10, 20, 40，代入上一節的測試例題所得到的系統總成本如表4所示。由表4可看出，標準差越小，系統總成本差異越小，當標準差越大時，代表產品需求波動大，分別影響平均存貨量與未能遵守期限交貨而造成的缺貨成本，使得產品需求量變異大時，不同推/拉界線下的系統總成本差異較為顯著；又s = 10與s = 20兩種情況下，系統總成本變化相似度較高，而s = 40的成本變化則較為不同，在較大的需求變異情況之下，推/拉界線越往前端移動，使得以存貨成本較低的半成品儲存可以減少存貨成本之外，亦可經由組裝而成為市場所需的最終完成品。表4 不同標準差下的系統總成本s=10s=20s=40k=1416331 416686 446876 k=2337734 338114 363229 k=3336997 337247 369877 k=4381378 381578 403948 k=5409619 409794 443869 k=6411584 411734 432244 k=7411622 411722 445392 k=8421674 421749 452964 k=9509699 509724 525249 3.3.2 單位存貨持有成本由上一節的測試例題發現，存貨持有成本、缺貨成本、生產成本在本研究的成本模式中，佔有甚大的影響，因此本節欲討論單位存貨持有成本的高低，是否會對系統總成本造成影響。以測試例題為基準(H=1)，分別與測試例題中的0.2倍(H=0.2)與5倍單位存貨持有成本(H=5)做比較，所求得各方案的系統總成本如表5所示。由表5可看出，單位存貨持有成本的影響甚鉅，如果是屬於單位存貨成本高的產品，推/拉界線適合在愈靠近製程前端的位置，以避免存貨累積而造成總成本的過高，換言之，單位存貨持有成本低的產品，先大量製造，存放於供應鏈後端，可快速回應顧客，以彌補缺貨造成的損失。表5 不同單位存貨持有成本下的系統總成本存貨持有成本交貨期限H=0.2H=1H=51-3天2-4天3-5天k=1409468 422686 453349 582686 422686 322686 k=2345021 345114 371569 535114 345114 315114 k=3342593 344247 374115 504247 344247 334247 k=4382044 389578 411268 469578 389578 349578 k=5411275 417794 438778 477794 417794 367794 k=6395435 411734 453551 441734 411734 381734 k=7400030 420722 450278 450722 420722 410722 k=8441670 430749 455993 470749 430749 400749 k=9518115 519724 538659 559724 519724 509724 3.3.3 交貨期限交貨期限的長短影響缺貨的情況，而由測試例題發現缺貨成本亦會影響總成本，因此本節欲探討交貨期限的長短對系統總成本的影響關係。測試例題以1-3天為交貨期限，分別與交貨期限為2-4天與3-5天的情形之下，比較系統總成本是否造成影響，在3種不同交貨期限環境下求得的系統總成本如表所示。由表5的比較可看出，不同交貨期限會影響推/拉界線的位置，期限越短造成缺貨越大，因此具有時效性高的商品，越靠近下游越能快速回應顧客需求，以減少缺貨造成的損失。此節對於需求變異、單位存貨持有成本、與交貨期限三種因素的分析，皆有可能對系統總成本造成影響而產生不同的最適化推/拉界線，因此每種產業亦在此三項因素上具有不同的特性，擁有不同特性的產業，最適合的推/拉界線會產生什麼變化，可深入探討之。4. 結論與建議本研究建構一個具有推式與拉式生產的混和式供應鏈模式，並依據此生產流程建立適合的成本模式，包含存貨持有成本、整備成本、訂購成本、生產成本，並以系統總成本最小化為目標。首先經由簡單的範例來驗證模擬系統與成本模式的正確性，經過驗證之後，模擬系統確實能依照本研究所建構的生產流程進行模擬；經過確認模擬與成本模式正確性之後，再運用相同的範例來做需求變異、單位存貨成本、與交貨期限的敏感度分析，找出這三項因素對系統總成本所造成的影響；需求變異大造成平均存貨量高，使得平均存貨成本提高，且需求的不確定也容易造成缺貨的情形，此外，單位存貨成本與交貨期限的長短會影響最後的系統總成本。本研究僅考慮供應鏈製造流程的部分，未來可加入製造之前購料與運送最終完成品製客戶端所會進行的活動與成本，將整個供應鏈環境擴大，更切合整個實際的產業情形。本研究假設產品差異化之後多條生產線的製程都相同，且每種產品只加入一個附加零組件，未來可討論當產品差異化產生後，可能製程情況不同，且每種產品所需加入的附加零組件種類與數量亦不相同。本研究所測試的例題為自行產生，適用範圍有限，希望未來能找到實際的產業例題，以驗證本研究的結論。參考文獻1. 薛富國，成衣供應鏈預應產銷情境分析，逢甲大學工業工程學系碩士論文，2004。2. 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