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西安石油大学学报（社会科学版） 约束理论的瓶颈识别研究 高文会 （西安航空职业技术学院，陕西西安７１００８９） 摘要：分析了约束理论的核心思想以及实施的关键步骤，讨论了瓶颈的时间性及时间段划分的基本原 则，在考虑加工中的运输和检验时间的基础上，提出了基于时间段的瓶颈识别方法，并通过具体例子证明了此 方法的有效性。 关键词：约束理论；瓶颈资源；时段划分 中图分类号：Ｆ２７３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００８—５６４５（２００８）０１—００５１—０６ ０引 言 近年来，随着科技的不断发展以及市场竞争的加剧，市场需求日趋多样化和个性化，产品的时间 （Ｔｉｍｅ）、质量（Ｑｕａｌｉｔｙ）、成本（Ｃｏｓｔ）、服务（Ｓｅｒｖｉｃｅ）、环保性（Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ）（简称为ＴＱＣＳＥ）已经成为在 市场竞争中取得竞争优势的关键。【１ 在新的制造模式下，一个良好的生产作业计划体系便成为企业 有效实现ＴＱＣＳＥ的基础和关键。［２］（Ｐ９２—９６）制造资源计划／－＆业资源计划（ＭＲＰ １１厄ＲＰ）、准时制生产 （ＪＩＴ）的发展为我们制定生产作业计划和进行作业控制提供了较好的方法和思路；但在多品种、小批量 的生产模式下，从逻辑处理原理和适用环境来看，却存在一定的局限性。约束理论【３］（Ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ Ｃｏｎ— ｓｔｒａｉｎｔｓ，简称 ）Ｃ）的提出为我们提供了制定生产作业计划的新思路。［ ］（Ｐｎ鸺一 ），［ ］（ Ｉ－２４） １ ＭＲＰⅡ、ＪＩＴ和ＴｏＣ的对比分析 ＭＲＰⅡ起源于美国，根植于批量生产方式。其优势在于长期计划能力，缺点集中于：（１）提前期、批 量等参数预先静态设定；（２）能力约束考虑不足；（３）计划与控制相分离；（４）底层功能较弱，造成计划 的抗扰动能力差。适用于有一定批量、提前期相对稳定、能力需求波动不大的生产类型。 ＪＩＴ起源于日本，根植于重复性生产方式。其缺点在于：（１）整体计划性弱，生产控制只是被动跟 随；（２）追求零库存，但未考虑到库存对系统的产销率、物流平衡等方面的正面影响；（３）对设备、人员及 供应链要求很高。ＪＩＴ最适用的是按订单装配（Ａ１、Ｃ））且物流发达的生产类型。 ）Ｃ起源于以色列，由犹太人物理学家Ｅｌｉｙａｈｕ Ｍ，Ｇｏｌｄｒａｔｔ博士率先提出，根植于离散型生产方 式。ＴＯ（２的优势在于：（１）正视瓶颈的存在并充分利用瓶颈把瓶颈计划调度和非瓶颈的计划调度区别 对待；（２）ＴＯＣ不需要预先设定提前期，提前期是编制计划的结果；（３）综合了推拉两种方式的优点； （４）ＴＯＣ承认能力不平衡的绝对性，保证生产物流的平衡和生产节奏的同步；（５）ＴｏＣ是集计划与控 制于一体的方法，实现了生产计划与控制的和谐与统一。ＴＯＣ主要适用于离散生产、机群型布置多品 种批量生产和有多种产品搭配组合的订货生产及订货组装生产。 收稿日期：２００７—０６—２５ 作者简介：高文会（１９５７一），男，吉林市人，西安航空职业技术学院副教授，工程硕士，研究方向：先进制造技术。 维普资讯 http://www.cqvip.com
西安石油大学学报（社会科学版） ２约束理论的核心及关键技术 ２．１约束理论的核心思想 １７卷１期 约束理论认为：企业的最终目标就是在现在和将来赚取更多的利润，只有当企业能够持续盈利的时 候，才能够在竞争中求得生存。采用ＴＰ会计理论（ｔｈｒｏｕｇｈ ｐｕｔ ａｃｃｏｕｎｔｉｎｇ）作为衡量企业能否获利的标 准，与传统的财务指标体系（产销率Ｔ、库存，、运行费ＯＥ）的关系如图１所示。 现在和将来都能赚钱 企业目标： 财务目标：财辞目标． Ｉｆ 净利润 ）净利润 ）ｔ（ＮＰ ｌ ｆｌ Ｉｌ 投资收益率（ ）ＲＯＩ） ｔ ｌ Ｉｌ ｆＩ 现金流量现金流量（ ＣＦ） 作业目标： 产销率（ ）ｔ ｌ ｌ 库存（ ）ｉ ｌ Ｉ 运行费（ ） 制造周期 图１作业指标、财务指标与制造周期的关系 从图１中可以看出，产销率的增加、库存和运行费用的降低可以提高净利润，增大投资收益率和增 加现金流量。但是，要想通过减少库存和运行费用来实现多赚钱的目标是有限度的，因为在极限的情况 下也只能把库存和运行费减少到零，而通过产销率来增加利润却有着无限的可能。 那么，如何增加系统的产销率呢？约束理论认为，系统的产销率是由系统中的一个或者少数的几个 约束环节（通常又称“瓶颈”）所决定的。所以，增加系统的产销率最有效的办法就是充分利用瓶颈的活 力。因为，“瓶颈上损失一小时等于整个系统损失一小时”，“非瓶颈的利用程度不由其本身决定，而由系 统的瓶颈决定”。［ ］（Ｐ９２—９６）因此，约束理论的核心就在于充分利用瓶颈资源，不断突破系统约束，如此往 复，有针对性、有重点地对系统进行改进。 ２．２约束理论在生产计划中应用的关键技术 在制造系统中应用约束理论制定生产计划，其所涉及到的关键技术和步骤包含以下三个方面： （１）瓶颈资源识别。对于制造系统，瓶颈资源就是指那些生产任务量大于其生产能力的设备／制造 单元。因为在任务不断变化的单件小批量生产环境下生产能力不平衡是必然的、不可避免的；生产能力 不平衡说明必然存在能力上的薄弱环节，即瓶颈环节；企业计划与控制的重点应是企业的瓶颈环节。 （２）瓶颈资源排产。瓶颈资源的确定将企业的整个生产网络划分为关键网络和非关键网络，将需要 生产的零部件划分为关键件和一般件。为保证瓶颈资源的充分利用，需按照生产订单的重要、紧急程度 对瓶颈资源上的生产任务按照一定规则、合理的批量进行排序。 （３）ＤＢＲ系统排产。安排好瓶颈资源上的生产任务后，需要在整个生产系统恰当的位置设置合理 的缓冲，选取合适的批量，瓶颈资源之前的工序按照“拉动”方式进行，瓶颈资源之后的工序按照“推动” 方式进行，完成计划期内所有任务的排产。 由以上分析可知，瓶颈资源的识别是实施基于约束理论的作业计划与控制的第一步，也是关键的一 步。由于ＴＯＣ理论的算法保密，再加上实际生产过程中随机波动的影响，瓶颈的时间性和不确定性对 瓶颈资源的识别带来了很大难度。目前国内对于瓶颈资源的识别方法仍处于起步探索阶段。 一５２— 维普资讯 http://www.cqvip.com 高文会：约束理论的瓶颈识别研究 ３瓶颈的时间性及识别方法 ３．１瓶颈资源的定义 一般来说，瓶颈可以是三种类型：资源、市场和法规。对于一个生产型企业，假定瓶颈资源就是生产 系统能力最薄弱的环节，即瓶颈设备。从实现计划目标的角度出发，把凡是设备负荷率达到或接近 １００％（如９７％以上）的设备定为瓶颈资源。因此，对于瓶颈资源可以做出如下定义：＿６ｊ 对于系统中的 件资源Ｘｌ、ｘ２、…Ｘｎ，实际产出能力为Ｃｌ、Ｃ２、… ，系统的外部需求量为ＭＲｌ、 ＭＲ２、…ＭＲ 。某些资源之间存在互为输入和输出的关联关系Ｒ。假设与资源Ｘ相关联的资源组成的 集合为Ｓ，即： Ｓ＝｛ ｌ ≠ｉ八ｊ Ｒ（Ｘｆ，ｘｊ）｝ 那么，当且仅当 Ｃｆ≤ｍｉｎ（ＭＲ ，ｍｉｎ（Ｖ Ｃ ， ∈Ｓ））时，资源Ｘ为瓶颈资源。 ３．２瓶颈的时间性及识别方法 在实际生产过程中，系统的瓶颈随生产任务的更改和人员、设备等外界因素的变动而动态变化。所 以，同一资源在计划期内负荷率还与时间有关系，称为瓶颈的时间性。因此识别瓶颈资源就需要根据一 定的规则对计划期进行时间段划分，分别计算每台设备在相应时间段内的任务负荷率。时间段的划分 有两个步骤：（１）各零件工序交货期的计算；（２）按照一定的规则进行时间段的划分。 下面由一个例子说明任务计划期内，基于时间段的瓶颈资源的确定方法。 假设已知：Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ六种零件的生产工艺、工时定额和零件的交货期，如表１所示（在这里假 设生产批量已知）。假设零件Ａ、Ｂ、ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ的各工序之间的运输和检验时间如表２所示。 表１各零件的工时定额及交货期 零件名称 生产批量 工序名称及工时定额（单位：分钟） 零件 １ ２ ３ ４ ５ 交货期 Ａ ４００ 车０．０６ 钻０．０２ 镗０．０６ 磨０．０４ 第十周末 Ｂ ２０ｏ 车０．０３ 车０．０５ 钻０．０４ 镗０．０７ 铣０．０５ 第九周末 Ｃ ２０ｏ 铣０．０８ 钻０．０４ 镗０．０８ 磨０．０５ 第九周末 Ｄ ４００ 车０．０６ 铣０．０８ 车０．０４ 镗０．０８ 磨０．０６ 第十周末 Ｅ ６００ 车０．０５ 铣０．０５ 钻０．０２ 车０．０４ 镗０．０８ 第十周末 Ｆ ４００ 铣０．０６ 铣０．０８ 钻０．０４ 磨０．０６ 第十周末 表２运输和检验时间 单位：小时 零件 １—２ ２—３ ３—４ ４——５ Ａ １ ３ ２ Ｂ ０ １ ３ １ Ｃ １ ３ ２ Ｄ １ １ ２ ２ Ｅ １ １ １ ２ Ｆ ０ １ １ —５３— 维普资讯 http://www.cqvip.com
西安石油大学学报（社会科学版） ｌ７卷１期 上述六种零件均在一个成组单元内生产。该生产单元有车床２台，铣床、镗床、钻床、磨床各１台。 假设每周按６个班，每班工作８小时计算，第十周末为厂历的第４８０小时；计划期为第四周末到第十周 末，即从厂历的第１９２小时开始到第４８０小时结束；上个计划期内遗留下来的任务有：车１９２小时、铣 ９６小时、钻７２小时、镗１５０小时、磨８８小时。 第一步，计算各工序的工序交货期。 各零件的工序最迟完工时间可按下式计算： １ ＝ 一∑ｑ×ｔ巧一∑ｔ曲 （１） 十１ ＋１ 其中， 为 零件ｉ工序的最迟交货时间； 为 零件的最迟交货时间；∑ｑ×ｔ巧为一批 零件自ｉ＋ ＋１ １至 工序的加工时间，批量为Ｑ ；∑ｔ曲为某工件由ｉ＋１工序到 一１工序的工序间运输和检验时间 汁１ 之和。 为了研究的方便，假定在各工序零件的生产批量和零件的需求批量相等；运输和检验可以当成是零 件的一道加工工序，计算出开始时间和结束时间。由（１）式计算得到各机床上各工序的开始时间和完工 时间（如表３所示）。 表３零件各工序交货时间计算表 零件 Ａ Ｂ Ｃ Ｄ Ｅ Ｆ １ ２ ３ 生 ２４ ４０２ 生 ６ ３７９ 铣 １６ ３７６ 生 ２４ ３４５ 生 ３０ ３３１ 铣 ２４ ３８２ ４ ４２６ ３８５ ３９２ ３６９ ３６１ ４０６ １ ２ ３ Ｙ １ ４２６ Ｙ ０ ３８５ Ｙ １ ３９２ Ｙ １ ３６９ Ｙ １ ３６１ Ｙ ０ ４０６ ４ ４２７ ３８５ ３９３ ３７０ ３６２ ４０６ １ ２ ３ 钻 ８ ４２７ 生 １０ ３８５ 钻 ８ ３９３ 铣 ３２ ３７０ 铣 ３０ ３６２ 铣 ３２ ４０６ ４ ４３５ ３９５ ４０１ ４０２ ３９２ ４３８ １ ２ ３ Ｙ ３ ４３５ Ｙ １ ３９５ Ｙ ３ ４０１ Ｙ １ ４０２ Ｙ １ ３９２ Ｙ １ ４３８ ４ ４３８ ３９６ ４０４ ４０３ ３９３ ４３９ １ ２ ３ 镗 ２４ ４３８ 钻 ８ ３９６ 镗 １６ ４０４ 生 １６ ４０３ 钻 １２ ３９３ 钻 １６ ４３９ ４ ４６２ ４０４ ４２０ ４１９ ４０５ ４５５ １ ２ ３ Ｙ ２ ４６２ Ｙ ３ ４０４ Ｙ ２ ４２０ Ｙ ２ ４１９ Ｙ １ ４０５ Ｙ １ ４５５ ４ ４６４ ４０７ ４２２ ４２１ ４０６ ４５６ １ ２ ３ 磨 １６ ４６４ 镗 １４ ４０７ 磨 １０ ４２２ 镗 ３２ ４２１ 生 ２４ ４０６ 磨 ２４ ４５６ ４ ４８０ ４２１ ４３２ ４５３ ４３０ ４８０ １ ２ ３ Ｙ １ ４２１ Ｙ ２ ４５３ Ｙ ２ ４３０ ４ ４２２ ４５６ ４３２ １ ２ ３ 铣 １０ ４２２ 磨 ２４ ４５６ 镗 ４８， ４３２ ４ ４３２ ４８０ ４８０ 注：表中１——工序名称；２一工序加工时间；３——工序最晚开始时间；４——工序交货时间 第二步，划分设备的时间段。 因为瓶颈具有时间性，在计算各设备负荷率之前必须进行时间段的划分。目前对于瓶颈资源的时 间段划分方法，只有在文献Ｅ７ ３和文献［８］中有所提及。但是文献Ｅ７ ３所采用的时间段划分方法，会使时 间段内包含有不完整的任务，令设备负荷率计算不准确；在文献［８］中所采用的方法，没有考虑运输和检 验时间，所以当考虑工件的运输和检验时间时需要对其进行改进。因此，本文提出在划分设备的时间段 时应遵循以下几条规则。 一５４一－ 维普资讯 http://www.cqvip.com
高文会：约束理论的瓶颈识别研究 规则一：每个时间段内必须都包含有完整的任务。这样可以避免部分任务被掩盖，真实反映设备的 实际负荷状况。 规则二：合并原则。对某～台机床而言，若一个时间段内只有一个单独的任务，则应与在该机床上 加工的上一个时间段相结合，形成一个新的时间段。因为，如果在某个时间段内只含有一道任务的话， 则该时间段内的机床的负荷率一定为１，根据ＴＯＣ中对瓶颈资源的定义，负荷率大于或等于１的资源 即为瓶颈资源，这样就会造成假瓶颈的出现。如果该任务是本计划期内该机床所承担的第一项加工任 务（上期遗留任务不在此列），则不受该规则的。 规则三：所划分的两个时间段之间不允许出现间断。将划分的时间段按照时间大小进行排序，如果 上～时间段的结束时间不是下一时间段的开始时间，则需要将下一个时间段的开始时间调整为上一个 时间段的结束时间。因为在这里计算出的时间均是各工序的最迟完工时间，不能推迟，只能提前。 规则四：第一个时间段的开始时间应为计划期的开始时间。 在对设备进行时间段划分和负荷率计算时，上述四条规则的优先级别从高到低，应按顺序执行。现 以镗床为例，说明在时间段划分中运用上述原则的具体过程：（１）统计所有在镗床上加工的负荷及其开 始和结束时间，并按照开始时间的大小进行排序；（２）根据上述的四种规则进行时间段的合并，并计算镗 床的负荷率。 过程如图２所示。镗床的时间段划分结果如图３所示。 设备 名称 时段 计划期 负荷量 设各 时段 计划期 ４０４－４２０ ｌ６ 名称 负荷量 镗 ４０７－．４２ １ １４ 镗 ４０４－．４２ １ ３０ ４２１４５３ ３２ 床 ４２１４８０ １０４ 床 ４３２－４８０ ４８ ４３８－４６２ ２４ 设备 时段 计划期 计划期 计划期 是否 名称 负荷量 总能力 负荷率 瓶颈 镗 １９２－４２１ １８０ ２２９ ０．７８６ 否 床 ４２ｌ４８０ １０４ ５９ １．７６３ 是 图２镗床的时间段划分过程 零 件 图３镗床的时间段划分与负荷 由图３可知，采用改进的时间段划分方法，可以更准确地反映设备的实际负荷情况，由此计算出的 一５５— 维普资讯 http://www.cqvip.com
西安石油大学学报（社会科学版） １７卷１期 负荷率更能用于指导实际生产。有效的瓶颈资源确定方法为后续进行瓶颈资源排产，实施ＤＢＲ方法， 突破系统约束奠定了基础。 从上述应用结果可以看出，本文所提出的瓶颈资源的时间段划分的相关规则，符合生产实际，具有 一定现实意义。 ［参考文献］ ［１］ 肖田元．虚拟制造［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２００４． ［２］韩文民，叶涛锋．混流条件下基于ＴＯＣ制定生产作业计划的关键问题：研究现状及发展探讨［Ｊ］．江苏科技大 学学报（自然科学版），２００５，（６）． ［３］Ｅｌｉｙａｈｕ Ｍ．Ｇｏｌｄｒａｔｔ．Ｔｈｅ ｇｏａｌ：ａ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｏｎｇｏｉｎｇ ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ［Ｍ］．Ｈｕｄｓｏｎ Ｎｏａｈ Ｒｉｖｅｒ Ｐｒｅｓｓ，１９９２． ［４］王军强，孙树栋等．基于约束理论的制造单元管理与控制研究［Ｊ］．计算机集成制造系统，２００６，（７）． ［５］徐学军．以瓶颈资源为基础的生产与库存控制系统的构建［Ｊ］．制造业自动化，２００１，（１）． ［６］ 王玉荣．瓶颈管理［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２００２． ［７］潘家轺，曹德弼．现代生产管理学［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２００３． ［８］刘敏．基于ＥＲＰ和ＴＯＣ的生产物流管理模式及其关键技术研究［Ｍ］．杭州：浙江工业大学出版社，２００４． （责任编辑董瑾） Ａ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｔｈｅ Ｂｏｔｔｌｅｎｅｃｋ Ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉ０ｎ ０ｆ Ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔ Ｔｈｅｏｒｙ ＧＡｏ Ｗ （ ’删Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆＡｅｒｏｎａｕｔｉｃａｌ Ｖｏｃａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｉ’删，Ｓｈａａｎｘ／，７１００８９，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｆｉｒｓｔ ｆｏｃｕｓｅｓ ｏｎ ｔｈｅ ｃｏｒｅ ｐａｒｔ ｏｆ ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔ ｔｈｅｏｒｙ ｎａｄ ｋｅｙ ｓｔｅｐｓ ｏｆ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａ— ｔｉｏｎ，ｆｏｌｌｏｗｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｔｉｍｅ ｏｆ ｂｏｔｔｌｅｎｅｃｋ ｎａｄ ｔｈｅ ｂａｓｉｃ ｐｒｉｎｃｉｐｌｓｅ ｏｆ ｔｉｍｅ ｓｌｏｔ ｄｉｖｉｓｉｏｎ．Ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｅ ｏｆ ｔａｋｉｎｇ ｉｎｔｏ ａｃｃｏｕｎｔ ｔｈｅ ｔｉｍｅ ｏｆ ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ ｎａｄ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｉｎ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ ｏｂｔｔｌｅ— ｎｅｃｋ ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ ａｒｅ ｐｒｓｅｅｎｔｅｄ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｉｍｅ ｓｌｏｔｓ，ａｎｄ ｉｔｓ ｅｆｆｃｅｔｉｖｅｎｅｓｓ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｐｒｏｖｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｅｘａｍｐｌｓｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔ ｔｈｅｏｒｙ；ｂｏｔｔｌｅｎｅｃｋ ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ；ｔｉｍｅ ｓｌｏｔ ｄｉｉｖｓｉｏｎ 一５６—
