约束理论的管理方法及其在生产物流中的应用

丁　雯　文　莉　张　炜

摘要:约束理论(TOC)认为,任何系统至少存在着一个约束,如果这个约束决定一个企业或组织达成目标的速率,则必须从克服该约束着手,才能以更快速的步伐在短时间内显著地提高系统的产出。TOC给出了管理改善的起点和路径,使得企业避免了不必要的弯路。因此,TOC对企业优化管理具有方法论上的意义。

关键词:约束理论;瓶颈;思维流程

中图分类号:F2731文献标识码:A

作者简介:丁雯(1988-),女,河南鹿邑人,华南理工大学工商管理学院硕士研究生,研究方向:工业工程与管理工程;文莉(1986-),女,四川达州人,华南理工大学工商管理学院硕士研究生,研究方向:工业工程与供应链管理。

基金项目:国家自然科学基金资助项目,项目编号:70272047;广东省软科学项目,项目编号:2006B70101014,2007B07090031。

约束理论(TOC)是由以色列物理学家埃利?格特拉特(Eli Goldratt)博士于20世纪80年代中期在他的最优生产技术(OPT)基础上创立和发展起来的。TOC在OPT的基础上已发展为:(1)使瓶颈产能最大化,从而使系统有效产出最大化的生产管理技术;(2)系统地解决问题的一套思维流程;(3)辨识系统核心问题并持续提升系统限制的管理哲学。TOC认为任何系统至少存在着一个约束,如果这个约束决定一个企业或组织达成目标的速率,则必须从克服该约束着手,才能以更快速的步伐在短时间内显著地提高系统的产出。TOC给出了管理改善的起点和路径,使得企业避免了不必要的弯路。因此,TOC对企业优化管理具有方法论上的意义。

一、约束理论(TOC)

(一)约束理论的基本原则

(1)平衡物流,而不是平衡能力。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。(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。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。(3)资源的“利用”和“活力”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。(4)瓶颈上一小时的损失,则是整个系统一个小时的损失。(5)非瓶颈获得的一个小时是毫无意义的。非瓶颈资源利用率的提高,可能会造成系统物流的不平衡或库存的增加,并不能提高系统的整体效率。(6)瓶颈控制了库存和产销率。(7)转运批量可以不等于加工批量。加工批量应是可变的,而不是固定的。(8)安排作业计划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。(9)只有同时考虑到系统的所有约束条件后,才能决定生产优先权。提前期是一个生产计划的结果。以上9条原则是实施OPT的基石。

(二)约束理论的现场控制工具

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,一旦一个被控制的工序(即瓶颈)建立了一个动态的平衡,其余的工序应相继地与这一被控制的工序同步。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。瓶颈控制着企业生产的节奏——“鼓点”。要对瓶颈工序进行保护,使其能力得到充分利用。为此一般要设置一定的“缓冲”。“绳子”起的是传递作用,以驱动系统的所有部分按鼓的节奏生产。在DBR的实施中,“绳子”是由一个涉及原材料投料到车间的详细的作业计划来实现的。

DBR体现了持续改进五步法的前3步,通过对瓶颈环节的有效控制,其它环节相继与瓶颈环节同步,需要顾客需求与企业能力的最佳配合,达到物流平衡、准时交货和有效产出最大化的目标。“鼓”决定系统的生产节奏,控制系统的有效产出,通过对瓶颈编制详细的生产作业计划,保证瓶颈的充分利用;缓冲将鼓与物料的投放、顾客需求的交货关联起来,吸收瓶颈处与非瓶颈处生产的波动,以使瓶颈免受生产波动的影响,保护瓶颈调度,同时控制合理的库存水平,防止瓶颈前库存短缺或超产,保持物流平衡;绳子协调控制信息,保证其他环节的生产节奏与瓶颈资源同步,控制物料投放节奏和非瓶颈的按需准时适量生产。

DBR计划与控制的步骤为:(1)把资源及资源利用等信息通过工艺规程全部关联起来构建生产网络;(2)在生产网络的基础上,辨识系统瓶颈;(3)以瓶颈为基准,把生产网络分裂为瓶颈资源网络和非瓶颈资源网络;(4)对瓶颈资源按照工艺顺序约束、瓶颈产能约束、交货期约束等,结合一定的优先调度规则对任务进行排序;(5)在关键点设置缓冲保护,确保系统的有效产出不受任何影响;(6)设置绳子,确定物料投放计划,控制非瓶颈与瓶颈生产同步;(7)根据瓶颈所设定的生产节奏安排其他环节的生产。对瓶颈资源之前的任务采用无限能力倒拉法进行计划编制,瓶颈资源之后的任务采用有限能力顺推法进行计划编制。

(三)企业目标和作业指标

一个企业的最终目标是在现在,也在将来赚取更多的利润。 TOC认为实现目标有三条途径:增加产销率(亦即有效产出)、减少库存、降低费用。

1.财务指标体系。判断一个企业是否获得了更多的利润,通常将企业目标分解成下列3个衡量指标:(1)净利润(Net Profit ,NP) 即一个企业赚多少钱的绝对量。一般来说,净利润越高的企业,其效益越好。(2)投资收益率(Return on Investment,ROI) ,表示一定时期的收益与投资的比。当两个企业投资不同时,单靠净利润是无法比较他们效益的好坏的。 (3)现金流量(Cash Flow,CF),表示短期内收入和支出的钱。没有一定的现金流量,企业也就无法生存下去。

对于企业日常决策和作业管理而言,由于财务指标的滞延性、局限性和指导生产的不适性,企业有必要建立起更具有操作性和便于统计的,并与财务指标直接相关的作业指标体系。

2.作业指标体系。戈德瓦特将企业运行的全过程概况分为3类基本活动,即制成品的销售、原辅物料的采购、从物料变为制成品的转换。基于这3类活动,TOC的作业指标体系主要由3个重要概念组成。(1)产销率(Throughput,T)。按OPT的规定,它不是一般的通过率或生产率,而是单位时间内生产出来并销售出去的量,即通过销售活动获取金钱的速率,生产出来但未销售出去的产品只能是库存。(2)库存(Inventory,I) 是指一切暂时不用的资源,它不仅包括为满足未来需要而准备的原材料,加工过程的在制品和一时不用的零部件,未销售的成品,而且还包括扣除折旧的固定资产,库存占用了资金,产生机会成本及一系列维持库存所需的费用。(3)运行费(Operating Expenses,OE) 是生产系统将库存转化为产销量的过程中的一切花费,其中包括所有的直接费用和间接费用。

3.作业指标体系与财务指标体系之间的关系。三个作业指标与NP、ROI、CF之间有以下关系:NP=T-OE,ROI=(T-OE)/I,如图1所示。

(四)TOC持续改进五步法

1.识别系统约束。如果系统有多个约束则要对这些约束进行排序,企业的约束一般包括原料、能力、市场、政策等。

2.确定如何最大限度地利用约束的方法。挖掘约束未被充分利用的潜能,使系统尽可能高效运行。例如,若某种原材料是约束就要设法确保原材料的及时供应和充分利用;若市场需求是约束就要给出进一步扩大市场需求的具体办法;若某种内部市场资源是约束,就意味着要采取一系列措施来保证这个环节始终高效率生产。

3.使企业的所有其他活动服从于第二步中提出的各种措施,这样才可以实现系统其他部分与约束部分同步,从而充分利用约束部分的生产能力。正是这一点,使得TOC不单单是一种制造理念,而是一种管理理念或经营理念,可以应用于营销、采购、生产、财务等企业经营各方面的协调。

4.具体实施第二步中提出的措施,使第一步中找出的约束环节不再是企业的约束。例如,工厂的一台机器是约束,就要缩短设备调整和操作时间,改进流程,加班,增加操作人员,增加机器等。

5.重返(Repeat)第一步,别让惰性成了瓶颈,即持续改善。

(五)约束理论的思维过程与解决方法

以约束理论为基础进而发展出来的思维流程(Thinking Processes,TP),可用来思考及回答三个问题:(1)改进什么?(2)改成什么样子?(3)怎样使改进得以实现。

1. TP技术工具。(1)利用“当前现实树”(Current Reality Tree,CRT)找出核心问题。(2)以“消雾法”(Evaporating Cloud)指出为何核心问题一直不能解决。(3)用它构建新的构想,由它产生“未来现实树”(Future Reality Tree,FRT)来描述这个构想可以达到的预期成效。(4)再以“必备树”(Prerequisite Tree)指出要实现新构想的过程中可能遭遇的障碍及中间目标。(5)最后以“转变树”(Transition Tree)由提案者具体拟定所要采取的必要行动。

2.思维过程的六个步骤。(1)列出不良结果(Undesirable Effects,UDE),建立当前现实树。(2)应用消雾法,找出制约不良结果的核心问题的原因,以及解决问题的突破点-“注入”。(3)建立未来实现树,检验“注入”是否为令人满意的解决方案。(4)剪去负效应枝条,保证“注入”的实施。(5)建立必备树。找出“注入”的实施路径。(6)建立转换树,找出配合最初“注入”的其他“注入”,并集中所有有效活动,保证实施成功。

3.思维过程步骤与TOC约束处理步骤的关系。TP六个步骤既是约束处理的过程,也是对约束处理核心步骤的补充和细化,其目的都是为了解决前面提出的3个问题,如表1所示。お

通过比较发现,TP六个步骤是一个约束处理过程,而约束的核心步骤是不断的循环过程。

企业界的实践表明了TOC生产管理技术的实用和有效。文献[9]对分布在83种不同期刊杂志中的310篇TOC相关文章和32本著作进行了总结和研究,筛选了100多个案例进行统计分析。其中提供了量化数据的77个案例,不仅包括波音、通用汽车等大型跨国工业巨头企业,还包括美国空军等军事机构,另外还包括一些小的民营企业等,涉及的范围之广,足以覆盖TOC所有的应用领域。

通过统计结果可知,TOC应用主要集中在制造业,尤其是航空、服装、汽车、电子、家具、半导体、钢铁和一些重工业领域,应用部门主要集中在制造生产部门,部分集中在行政部门。在统计分析中,采用实例分析法进行数据收集整理,得出的统计结果是:TOC平均增加有效产出68%,减少库存50%,减少提前期69%,减少制造周期66%,提高客户满意度60%,提高利润80%。

二、约束理论的思维流程在企业中的应用实例分析

基于TOC管理方法的核心就是系统的优化围绕系统的最薄弱环节-瓶颈或约束进行,它的分析工具和分析方法是建立在逻辑思维过程上的。因此,TOC的管理哲学和管理技术较之其他的管理理论更具有普适性。

下面是一家生产冰箱的公司应用TOC管理方法改善生产经营的实例。该企业是一家正在走向国际化的生产制造业,由于国际市场需求的多样性,以及地域、风俗习惯的差异性,对企业的生产提出了很大的挑战。通过对企业生产内部物流状况的调研,列出以下企业生产物流的主要不良效果(UDE):(1)冰箱生产过程中需要的原材料的种类过多。(2)供应商的生产积极性不高,采购难度加大。(3)物资采购计划期长,信息准确性差,采购风险大。(4)库存增多。(5)顾客响应速度慢。(6)产品生产成本较高。(7)产品质量不够稳定。(8)生产的现场管理不够稳定。根据上面的UDE建立当前现实树。

企业内部物流的核心问题是“产品的CODP点靠前”,造成这一问题的主要原因是产品的产品多样化需要与技术产生的冲突。应用消雾法对此进行了分析,一方面企业希望能够满足顾客多样化的产品需求;另一方面,企业现有的设计生产能力不能很好地满足这些产品生产的要求,企业生产的柔性不够。这种情况的产生的原因如下:(1)在产品开发的设计流程中,标准化的审核仅为技术法规的审核、标准实施的监督、图纸标注及表示方法的审核,而对于推行标准化、通用化显得力不从心。(2)产品数据管理手段落后,产品数据库管理查询困难,产品设计人员不知道已有什么零件,即使已经有完全相同的零件,他们还会常常把“新的”零件“添加”到数据库中,即使猜想可能会有所需要的零件。也可能会提出一个新的外购件,甚至设计一个新零件,而不愿花费稍多的时间去查找现有的零件。工程师们经常发现从使用不方便的数据库里查找一个零件,比设计或购买一个新的零件更困难。存在不少同一个零件有多个不同的零件编号定义的版本,而在可以用一个“相近”零件代替新零件的时候,这种情况就更多了。(3)因为产品型号的不同会导致生产流程的差异化,而目前冰箱的客户需求点(CODP)处于制造供应链上游,即从零部件开始便存在差异化,采用的是推动式的生产方式。因此,整个生产流程是一个差异化的过程,生产不同型号需要不断更换模具。多批次、小批量的订单生产模式更是导致生产环节产品转换的频次增加,增大了模具调整的频次和调试费用,降低了设备效率和生产效率。(4)公司与供应商地位的不平等,由于公司不能及时支付货款,或采用以冰箱抵货款等方式支付,造成供应商由于货款和定货量均得不到保证,生产积极性不高。目前,已有许多外协厂联合抵制供货,造成冰箱生产厂的采购难度越来越大,供应商对厂家忠诚度已经越来越低,许多多年的供应商转为其他厂家供货。冰箱厂在材料价格谈判过程中处在一个很被动的地位,往往价格很难压下,使产品的成本下降遇到巨大困难。

针对以上三个问题,公司采取了以下解决方案,即找到了解决问题的“注入”:(1)在产品的设计方面增强实力,对产品零部件的标准进行规范。(2)引进专门的软件对产品数据进行管理,并对产品数据进行了规范。(3)推行基于模块化的延迟生产方式,一方面运用模块化的思想降低产品零部件的种类,同时把顾客的订单分离点往生产的下游推进。(4)与供应商建立起合作伙伴关系,充分尊重供应商。

但是在实施了以上“注入”之后,也随之出现了一些问题,(1)由于对产品的零部件进行标准规定是一项很繁杂的工作,所以需要投入一些研发设计人员;(2)对产品进行数据管理需要投入资金购买相关软件,同时要配备专业的数据管理人员;(3)基于模块化的延迟生产方式是对企业生产过程的一次很大的变革,需要很专业的技术人员,以及采购、研发、生产等部门的紧密合作。建立与供应商的紧密合作伙伴关系是一个长期的过程,不是一蹴而就的事情。因此,需要公司制定严密的供应商选择规程,同时还要解决拖延付款的问题,这些对企业和供应商都是非常重要的。

为此,企业采取了以下具体的实施方案:(1)引进高级产品设计人才;(2)对现有的采购、生产、研发人员进行模块化与延迟生产方式的培训;(3)引入了高级的数据产品管理软件;(4)采取每周会议以及座谈的形式,加强各个部门之间的沟通协调;(5)实行全员参与的形式,广泛听取员工的意见和需要,方案制定的相关人员要通过多种渠道与各个部门的员工进行沟通。(6)对现有的生产过程柔性进行投资改进。

三、结论

TOC理论最终就是要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。一种管理思想总是需要相应的管理技术的支持。思维流程(TP)是TOC主要的工作方法之一,通过实例的应用分析可以发现TP对于发现解决约束问题是一种很有效的工作方法。现在的TP已经突破了TOC在创立初期只能应用于生产制造环境的限制,开始被广泛应用于识别各种行业,各种组织甚至个人在实现目标过程中存在的瓶颈。

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(责任编辑:石树文)