第16章 最优生产技术和约束理论

生产运作管理

Production&OperationsManagement华中科技大学管理学院TheSchoolofManagement，HUST陈荣秋马士华RongqiuChenandShihuaMa第16章最有生产技术和约束理论16.1OPT和TOC的产生与发展16.2OPT的核心概念及基本思想16.3OPT的目标与九条原则16.4DBR系统16.5TOC的管理思想16.6TOC应用的五步法华中科大管理学院陈荣秋马士华216.1OPT和TOC的产生与发展华中科大管理学院陈荣秋马士华3最优生产技术(optimizedproductiontechnology，OPT)，是以色列物理学家戈德拉特（EliGoldratt)博士于20世纪70年代提出的。最初，它被称为最优生产时间表(optimizedproductiontimetable，OPT)，20世纪80年代才改称为最优生产技术。按照OPT的九条作业计划制订原则制订的作业计划，既可行又准确。后来，戈德拉特又进一步将它发展成为约束理论(theoryofconstraints，TOC)。TOC作为有效解决问题的方法十分流行。按照TOC的思想，首先要识别系统的约束，即瓶颈资源；接着要想方设法开发利用瓶颈资源，使其高效运作；然后要使系统的其他资源支持系统运行起来；最后打破系统约束，如此周而复始地进行。OPT产生的时间不长，却取得了令人瞩目的成就，是继MRP和JIT之后出现的又一项组织生产的新方式。按OPT的定义，瓶颈（Bottleneck）或瓶颈资源，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生产系统的产出速度。其余的资源则为非瓶颈资源。要判别是否瓶颈，应从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。这里说的需求量不一定是市场的需要量，而是企业为了完成其产品计划而对该资源的需求量。华中科大管理学院陈荣秋马士华416.2OPT的核心概念及基本思想16.2.1瓶颈任何企业只应该存在着少数的瓶颈资源，一般小于5个。瓶颈资源与非瓶颈资源存在着四种基本的关系。如图所示：华中科大管理学院陈荣秋马士华5瓶颈工序：产品P经过A、B两道工序加工原材料机器A机器B市场

15件/周20件/周25件/周

瓶颈工序：指的是实际生产能力小于或等于生产负荷的资源。16.2.2关键资源网络和非关键资源网络6产品装配部件装配部件装配关键资源网络非关键资源网络瓶颈工序产品原材料零件工艺路线安全库存16.3OPT的目标与九条原则OPT的倡导者认为，任何制造企业的真正目标只有一个，即在现在和将来都能赚钱。按照OPT的观点，在生产系统中，作业指标也有三个：产销率（Throughput，简称T）库存（Inventory，简称I）运行费（OperatingExpenses,简称OE）华中科大管理学院陈荣秋马士华716.3.1OPT的目标

降低库存能够缩短制造周期。缩短制造周期缩短顾客的订货提前期提高对顾客的响应，争取较高的价格市场占有率的增加未来产销量的增加。8企业目标现在和将来都能赚钱财务指标净利润投资收益率现金流量作业指标产销率库存运行费用制造周期

作业指标与财务指标的关系

（1）平衡物流，而不平衡能力。（2）非瓶颈资源的利用程度不是由它们自己的潜力决定的，而是由系统的约束决定的。（3）资源的利用（Utilization）和活力(Activation)不是同义词。（4）瓶颈上损失一小时则是整个系统的一个小时的损失。（5）非瓶颈获得的一个小时是毫无意义的。华中科大管理学院陈荣秋马士华916.3.2OPT的九条原则（6）瓶颈控制了库存和产销率。（7）转运批量可以不等于(在许多时候应该不等于)加工批量。（8）加工批量应是可变的，而不是固定的。（9）排作业计划时应同时兼顾所有的约束，提前期是作业计划的结果，而不是预定值。华中科大管理学院陈荣秋马士华1016.4DBR系统DBR系统，即鼓点（Drum）、缓冲器（Buffer）和绳索（Rope）系统。“鼓点”：“鼓点”是一个企业应用OPT的开端，即识别一个企业“瓶颈”所在。“瓶颈”控制着企业同步生产的节奏，相当于“鼓点”。“缓冲器”：“时间缓冲”和“库存缓冲”“时间缓冲”是将所需的物料比计划提前一段时间提交，以防随机波动，以瓶颈资源上的加工时间作为计量单位。“库存缓冲”：保险在制品，其位置、数量的确定原则同“时间缓冲”。华中科大管理学院陈荣秋马士华11华中科大管理学院陈荣秋马士华12装配装配装配装配装配装配装配○：加工工序△：原材料●：关键工序━：时间缓冲--：绳索

用户订单DBR系统DBR的计划与控制步骤1）识别瓶颈。瓶颈控制着企业生产和物流的节奏——“鼓点”。OPT的处理逻辑就是使交付时间尽可能与交货期限相符。找出瓶颈之后，可以把企业里所有的加工设备划分为关键资源和非关键资源，想办法提高瓶颈的利用率。2）基于瓶颈的约束，建立产品出产计划(MasterSchedule)。3）“缓冲器”的管理与控制。要对瓶颈进行保护，使其能力得到充分利用，为此一般要设置一定的“时间缓冲”。使所提供的物料比预定的时间提早一段时间到达，以避免瓶颈出现停工待料情况。华中科大管理学院陈荣秋马士华134）控制进入非瓶颈的物料，平衡企业的物流。进入非瓶颈的物料应被瓶颈的产出率，即“绳索”所控制。一般是按无限能力，用倒排方法对非关键资源排序。5）根据OPT的原理，瓶颈上的加工批量是最大的，而瓶颈上游工序则是小批量多批次的。6）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。7）“绳索”。“绳索”的作用则是使库存最小。瓶颈决定着生产线的产出节奏，在其上游的工序实行牵引式的生产，等于用一根看不见的“绳索”把瓶颈与这些工序串联起来。所以，“绳索”起的是传递作用，以驱动系统的所有部分按“鼓点”进行生产。16.5TOC的管理思想TOC是一套完整的管理哲理，其思想是为了更好地、持续地达成系统的目标。TOC是从整体考虑问题，但又不是笼统地研究整体，而是从制约整体的约束入手，通过解决约束的问题来解决整体的问题，这是处理复杂管理问题的正确思路和方法。按照TOC，每个组织都有一项关键约束，这项约束限制了系统达成其目标的绩效。从广义上讲，这些约束可以分为内部约束和市场约束。为了达成管理系统的绩效，必须按照科学的方法与步骤正确识别和管理这些约束。华中科大管理学院陈荣秋马士华1516.5.1TOC的管理原则TOC已经在许多领域得到成功的运用，并总结出了需要遵循的13条原则：（1）在解决问题和管理变化中，系统思维比分析思维更重要。（2）随着系统环境的变化，一个最佳的系统方案会逐渐失效，因而需要持续改进来更新和维护方案的有效性。（3）系统的局部最优并不等于整体最优。也就是说，系统的每一部分处于最优状态，但系统作为整体并不是最优的；如果系统整体是最优的，系统至少有一个部分不是最优的。（4）系统像一根链。每个系统都有一个最弱的环节，它就是约束，最终限制整个系统的成功。（5）加强链的每一个环节来改善整条链的强度，不如加强它最弱的环节。（6）要想知道变什么，必须要对系统有一个彻底的了解，如系统的现实状况，它的目标和规模，以及两者之间差别的趋势。（7）一个系统中的不良效果（undesirableeffects,UDEs）主要由少数几个核心问题造成。（8）核心问题从来不是表面化的。它们主要通过一系列的UDEs来显示，这些UDEs相互作用，形成一个网络。（9）排除单个的UDE，提供了一个虚假的安全感觉，而忽视了潜在的核心问题。这样的方案极可能是短命的，而针对核心问题的方案会同时排除所有的UDEs。华中科大管理学院陈荣秋马士华17（10）隐藏的冲突使核心问题长期存在。针对核心问题的解决方法需要挑战隐藏在冲突中的假定，至少使其中的一个假定失效。（11）系统的约束可能是有形的或者是无形的。有形的如设备能力不足、原材料短缺、资金缺乏等。无形的如落后的管理思想、不合理的规章制度等。有形的约束相对容易识别，排除也较简单。而无形的约束的识别和排除是困难的，但它们比排除一个有形约束会导致对系统更大的改进。（12）思维惯性是持续改进的最大敌人。解决方案通常有自己的一些假定，这可能阻碍进一步的变化。（13）思想和想法不是解决方案。华中科大管理学院陈荣秋马士华1816.5.2TOC的思维流程1）三个问题（1）要改进什么？(Whattochange？)（2）要改进成什么样？(Whattochangeto？)（3）怎样使改进得以实现？(Howtocausethechange？)华中科大管理学院陈荣秋马士华192）思维流程的逻辑TOC的思维逻辑是：在不明白、不清楚一件事的时候，就会先搞清楚一件事和一件事之间的因果关系是怎样的，然后逐渐去理解要实现某个目标，进而发现应该做什么。16.6TOC应用的五步法（1）找出（Identify）系统中的约束；（2）确定如何充分利用（Exploit）约束资源的办法；（3）使所有过程服从于第2步所作出的决定；（4）提升（Elevate）所确定的约束，即设法把第一步中找出的瓶颈转移到别处，使它不再是企业的瓶颈；（5）重返第（1）步，发现新的约束，持续改善。华中科大管理学院陈荣秋马士华21考虑如图所示的生产过程。两个产品P和Q，每周的需求量为100件P，50件Q。售价分别为P：￥90/件，Q：￥100/件。有4个工作中心：A、B、C、D，每个工作中心都有一台机器，每周运行2400分钟。需要3种原材料，原材料的成本及加工路线见下表。营运费用每周￥6000。求解利润最大的生产组合。P100件/周￥90/件Q50件/周￥100/件D10分钟/件B15分钟/件C5分钟/件D5分钟/件A15分钟/件C10分钟/件A10分钟/件B15分钟/件外购件￥5/件RM1￥20/件RM2￥20/件RM3￥20/件TOC五步法应用举例

按照传统的思维模式，在确定产品组合时，一般先选取单位价值贡献最大的产品优秀生产，再利用剩余的产能生产其它产品。如本例：

对比生产P和Q产品的工时消耗及单价，可以看出，生产一件Q所耗材料成本40元，消耗工时40分钟，单价为100元/件，相对而言比生产一件获利更大，因此，通常情况下优先生产50件Q产品，再生产100件P产品。Q的有效产出=50件*(100-20-20)=3000元B需时50*30分=1500分剩余生产时间：2400-1500=900分钟P的有效产出=（900/15分）件*(90-5-20-20)=2700元扣除每周的运营费6000元，盈利为：1500+2700-6000=-300元企业是亏损的!TOC的思维逻辑则不同。按照TOC应用的5步法，我们再来看一下结果如何。Step1辨别系统的约束。要辨别系统的约束，需要计算机器的负荷，如表所示。由于机器B的负荷率最大，而且超过100%，所以机器B是瓶颈。如果要满足P、Q的每周需求量，B需要另外25%的能力。资源每周工作时间（分钟）加工负荷（分钟/周）可用时间（分钟/周）负荷率%PQA15005002000240083B1500150030002400125C15002501750240073D10002501250240052Step2决定如何利用系统的约束。TOC是建立在系统的绩效由资源约束决定这一