约束理论简介

约束理论简介约束理论（TheoryofConstraints，简称TOC）是戈德拉特博士（Dr.EliyahuM.Goldratt）在他的优化生产技术（OptimizedProductionTechnology，简称OPT）的基础上发展起来的。戈德拉特最初开发的OPT软件用了有限能力排程、车间控制和决策支持，由一家叫CreativeOutput公司经销。由于戈德拉特把重点从经销软件转移到强调管理哲理和培训教育上，他被迫离开了这家公司。因此，当前存在早期以OPT命名的商品软件和戈德拉特博士进一步发展的OPT哲理或TOC，不要混淆。OPT有9条基本原则，这些原则在约束理论中得应用。它们是：1.重要的是平衡物流，不是平衡能力；2.非瓶颈资源的利用率是由系统的其它约束条件决定的，而不是由其本身能力决定的；3.让一项资源充分开动运转起来同使该项资源带来效益不是同一一个涵义；4.瓶颈资源损失一小时相当于整个系统损失一小时，而且是无法补救的；5.想方设法在非瓶颈资源上节约下一小时以提高生产率只是一种幻想，非瓶颈资源不应满负荷工作；6.产量和库存量是由瓶颈资源决定的；为保证瓶颈资源负荷饱满并保证企业的产出，在瓶颈工序和总装配线前应有供缓冲用的物料储备。瓶颈工序前可用拉式作业，其后可用推式作业。7.传送批量可以不等于甚至多数情况是不应等于加工批量；8.批量是根据实际情况动态变化的，而不是固定不变的；加工批量应当是一个变数；9.只有同时考虑到系统所有的约束条件后才能决定加工件计划进度的优先级。提前期只是排进度的结果。TOC是在OPT的基础上发展起来的，它是一种在能力管理和现场作业管理方面的哲理，把重点放在瓶颈工序上，保证瓶颈工序不发生停工待料．提高瓶颈工作中心的利用率，从而得到最大的有效产出。根据不同的产品结构类型、工艺流程和物料流动的总体请况，设定管理的控制点。约束是多方面的，有市场、物料、能力、工作流程、资金、管理体制，员工行为等，其中，市场、物料和能力是主要的约束。根据市场的约束制订物料的初步生产规划，同步地用能力约束修订，生成主生产计划（MPS）；MRP／CRP也同步运行。TOC把MPS比喻为“鼓”，根据瓶颈资源的可用能力确定物流量，作为约束全局的“鼓点”，控制在制品库存量；所有瓶颈和总装工序前要有缓冲，保证起制约作用的瓶颈资源得以充分利用，以实现企业最大的产出；所有需要控制的工作中心如同用一根传递信息的绳子牵住的队伍，按同一节拍（保持一定间隔，按同一一步伐行进）。也就是在保持均衡的在制品库存，保持均衡的物料流动条件下进行生产。戈德拉特称之为“鼓点一缓冲储备一绳”方法（drum－buffer－ropeapproach，简称DBR法）。TOC的理论还应用于航空公司、医院和其它非制造业领域。OPT软件系统1、OPT软件产品OPT软件包是实现OPT思想的主要工具。OPT软件的应用，标志着OPT的发展达到了一个新的阶段。OPT软件首先是由CreativeOutput有限公司（COI）开发的。实践表明，OPT软件的应用使许多企业都取得了巨大的经济效益，因而OPT也越来越被人们所重视，OPT软件的用户也由大型企业扩展到中、小型企业。目前，最流行的OPT软件有OPT2l和OPT5000，其中，OPT21主要是针对大中型企业的，而0PT5000则是面向小型企业的。OPT2l及OPT5000的主要输出有：产品出产计划；详细的生产作业计划；交货期的执行情况；资源的利用情况；采购计划；库存报告；有关产出率和库存的财务报告。2、OPT软件的工作原理OPT软件系统主要基于一个保密的算法，该算法的核心在于识别瓶颈和对瓶颈的排程安排（排序）。从模块构成来看，OPT系统主要由BUILDNET、SPLIT、SERVE和BRAIN几个模块构成。其信息流如图5所示。具体的运行步骤主要有：图5OPT信息流程图l）构造制造企业的模型要运行OPT，第一步就是要对企业进行模型构造，这是由BUILDNET模块来完成的。首先，需要对整个加工生产系统有一个完整的描述，这个功能是由一个叫做“产品网络”的模块来实现的。“产品网络”准确地表示了一个产品是怎样制造出来的，它包含产品结构文件和加工路线文件两部分内容，只不过在OPT中这两部分信息是通过网络结合在一起，构成一个文件。图6所示的就是一个OPT“产品网络”图。图的上端是市场需求（即企业的订货或预测），它联系着各种产品，即相应的产品装配，装配又依次联系着局部装配和零部件的加工制造，然后，与原材料联系在一起。对应于每个工序都给出了使用的资源、调整准备时间和加工时间。图6产品网络对于企业现有的各种资源的具体描述是在“资源描述”这个模块中完成的。每种资源（机器、工人、空间等）及其替代资源和它们的相互影响、允许加工时间、用于加工的某种资源的数量等，都在这个模块中被确定下来。OPT具有很完整的生产模拟功能，它允许定义每道工序的库存水平、最大库存限制、最小批量、辅助设备和计划延迟时间。除此之外，订货量和交货期也要输入“产品网络”。BUILDNET模块是将“产品网络”和“资源描述”模块中的信息结合起来，生成一个工程网络。BUILDNET的一个强有力的地方表现在其模型化的语言上，该语言能精确地描述生产制造中的大量数据，从而使得OPT对企业进行成功而精确的模型化构造。在工程网络中，OPT语言可以对各种可选择的作业，甚至对可选择的物料清单进行详细的描述。据称，在这样的网络中，完全描述各种关系只需24个数据字段。另外，BUILDNET还具有提示数据逻辑错误的功能，例如，物料清单没有与工艺路线相联；存在没有去处的库存；或顾客提出了不存在的产品的需求等。此外，加之BUILDNET还具有便利的数据修改维护功能，从而保证了数据的相对精确。2）识别瓶颈一旦工程网络建立起来，接下来的工作就是确定企业中的约束或瓶颈在哪里。这是由SERVE模块来完成的。通过运行工程网络以及采取类似MRP的倒排方法来实现，井假设每种资源的生产能力是无限的。SERVE可以看作是MRP系统的一种提高形式。SERVE的一个输出是各个资源的负荷率，这些负荷率与按MRP系统生成方式生产的数据相类似，一般较标准的形式可以参看图7所示。固7资源负荷率示例从图7中所示可以看出，资源的负荷率一般都是参差不齐的。通常的作法是通过将超量的负荷的前移或后移来实现能力平衡，但这将涉及到产品结构的所有层次，实现起来极其困难。SBRVE模块在计算各个资源的负荷率的基础上，还计算了每种资源的平均负荷率，并以此来确定瓶颈。如果工程网络的数据完全精确，很明显，平均负荷率最高的就是瓶颈，如图7中所示的机器3。所以，这个阶段还包括一个数据的核实确认的过程。3）生产计划的生成当一个瓶颈被确定之后，SPLIT模块将工程网络分成两部分：主网络（关键资源网络）和服务网络（非关键资源网络），主网络部分由瓶颈作业和其下游作业（包括顾客需求在内）构成，如图8所示，其余的部分为服务网络。对于主网络，通过BRAIN模块采用有限能力顺排的方法编制作业计划，目标是使瓶颈上的空闲时间为零，使产销率最大。BRAIN的处理机制至今尚未公开，其关键算法至今仍是保密的。它所生成的不仅包括生产计划，而且确定了每个作业的传送批量和加工批量。对于服务网络，则再通过SERVE模块采用无限能力倒排的方法编制作业计划。图8关键资源网络、非关键资源网络划分第二次调用SERVE模块时，不是从定单上的完工期限开始倒排，而是从BRAIN模块确定的完工期限开始倒排。4）计划的保护在生产计划生成之后，接着还应设置安全库存或“缓冲器”。其中在两个关键的地方一般要设置安全库存，一是在瓶颈资源前，二是在非瓶颈资源与来自瓶颈资源加工路线的交叉点上。计划中，工件在这些位置应安排在其需要的时间之前到达，提前多少时间应取决于某一特殊的制造环境，通常有几天或一个星期。使工件提前一个星期到达瓶颈将使瓶颈免受任何少于一个星期的干扰（或中断），在交叉点也有同样的关系，工件的提前到达，可以使整个系统的产出不受延迟的干扰。以上步骤一旦完成，如果在系统中没有其它的约束或瓶颈，OPT的结果也就生成了。然而，通常在第一个循环的最后，往往会发现在系统中还有其它的瓶颈，如果这样，则应重新检查数据的合理性并返回重复以上的过程。一般要重复五到六次，直到所有的约束都移到工程网络的关键资源部分为止。DBR系统1.OPT的计划与控制步骤OPT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。OPT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4所示。实施计划与控制主要包括以下的步骤：图4DBR系统（1）识别企业的真正约束（瓶颈）所在这是控制物流的关键，因为，这些“瓶颈”制约着企业的运作能力。一般来说，当需求超过能力时，排队最长的机器就是“瓶颈”。如果我们知道一定时间内生产的产品及其组合，就可以按物料清单计算出要生产的零部件。然后，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，负荷最高的机床就是瓶颈。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。（2）基于瓶颈约束建立产品出产计划产品出产计划（MasterSchedule）的建立，应该使受瓶颈约束的物流达到最优。因为，瓶颈约束控制着系统的“鼓的节拍（Drum一beat）”，即控制着企业的生产节拍和产出率。为此，一般按有限能力，用顺排方法对关键资源排序。为了充分利用瓶颈的能力，在瓶颈上可采用扩大批量的方法，以减少调整准备时间。同时，要对瓶颈进行保护，使之不受系统其它部分波动的影响。为此，一般要设置一定的“时间缓冲（TimeBuffer）”。（3）“缓冲器”的管理。与控制其目的是防止随机波动，使瓶颈不致于出现等待任务的情况。（4）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“绳子”所控制。一般是按无限能力，用倒排方法对非关键资源排序。非关键资源上排序的目标是使之与关键资源上的工序同步。倒排时，采用的提前期可以随批量变化，批量也可按情况分解。2.“鼓”、“缓冲器”和“绳子”（1）”鼓”从以上步骤可以看出，“鼓”是一个企业运行OPT的开端，即识别一个企业的瓶颈所在。瓶颈控制着企业同步生产的节奏——“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。实际上，顾客对某种产品要求的交货期是不以企业何时能生产出来决定的。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，还必须在交货期上给顾客一定的优先权数，并将当前时间作为制定生产计划的起始时间，这意味着在瓶颈上要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，则可以得到交付时间。OPT的处理逻辑就是使交付时间与交货期限相符。为了使交付时间与交货期限相符，靠的是寻求在瓶颈上的批量规模。因为，在瓶颈上只有加工时间和调整准备时间，增大瓶颈的加工批量，可以减少调整准备时间，使瓶颈的有效能力增加，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”也就是安全库存，－般由统计公式所得。而“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。它的计量单位代表瓶颈上的一段加工时间长度。例如，－个三天的“时间缓冲”表示着一个等待加工的在制品队列，它相当于在瓶颈上三天的生产任务。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，一一般要考虑以下几个问题：1）要保证