1、现代制造系统,第3章 精益生产与约束理论（6-7） 东北大学秦皇岛分校 黄亮 n-xyz,第3章 精益生产与约束理论 3.1 精益生产概述 3.2 准时制生产与看板系统 3.3 全面质量管理 3.4 全员生产维护 3.5 持续改进流程 3.6 约束理论 3.7 其它相关理论与方法,发展历程： 上世纪70年代，以色列物理学家戈德拉特博士（DrEliyahu MGoldratt）与其他几位学者合作，共同提出最佳生产时间表（Optimized Production Timetable，OPT）。 这是一套提高产出、减少库存的企业分析方法。,3.6 约束理论,上世纪80年代初，戈德拉特将研究内容扩充，
2、最佳生产时间表更名为最佳生产技术（Optimized Production Technology, OPT）。 1984年，戈德拉特出版了The Goal一书，将OPT理论更名成约束理论（Theory of Constraints, TOC）。,The Goal一书以小说的行文写成，描述一位厂长应用TOC在短时间内将工厂转亏为盈的故事。 因为该书所描述的是许多工厂都普遍存在的问题，因此该书出版之后，读者甚广，并译成13国语言（有中译本），成为全球的畅销书，销售量达到几百万册，TOC因而广泛流传。,戈德拉特进而出版了一系列关于TOC的书籍，卖得都很成功。 在生产管理之外，TOC也应用到分销、供应
3、链、项目管理等其它领域，获得很好的成效。目前，TOC已推广至教育界，成为美国一些知名学府的MBA课程。,世界各国数以千计的企业运用TOC： 小至不足五十人的小厂， 大至跨国企业： 通用汽车公司（GM）、 美国电话电报公司（AT&T）、 明尼苏达矿务及制造业公司（3M）、 美国国家半导体公司（National Semiconductor）、 英特尔公司（Intel）、 等等。,企业的运作是一个相互关联的资源链。 例如： 不能在采购原材料之前开工制造， 也不可能在包装完成前交运。,营销,报价,采购,制造,包装,运输,什么是约束理论？,约束理论的核心观念是 任何一个现实的系统至少存在一个约束， 例如
4、：某种设备不足；某类工人不足； 库房不够用；销售市场小等等。 对此别无选择， 要么你管理约束，要么约束“管理”你。 不管约束是否被认知， 它都将影响系统的产出。,传统管理的误区： 企业中每一环节的改善都有助于系统的改善； 整个系统的改善等于各环节改善之和。 结果： 各环节同时要求更多的资源， 资源不足，只能实现局部最优化。 约束理论的观点： 系统的有效产出决定于资源链上的薄弱环节 约束。 结论：从全局考虑，关注并改善约束资源。,系统最终的产出将受到系统约束的限制， 因此需要 识别约束， 消除约束。 约束指系统性能最薄弱的环节， 与木桶理论相同。,约束理论的核心思想：,约束理论的主要方法： （1
5、）分析方法： 提出一系列新颖的评价指标。 企业级指标：净利润、投资收益率、现金流量； 车间级指标：有效产出、库存、营运费用。 这些指标绕开干扰现象， 直指企业的根本目标现在和将来都能赚钱。 （2）生产控制方法： 鼓-缓冲-绳子（Drum-Buffer-Rope，DBR）， 是一种推拉结合式的生产控制方法。,企业的财务指标评价企业是否赚钱， 净利润（net profit，NP）， 投资收益率（return on investment，ROI）， 现金流量（cash flow，CF）。 车间的作业指标评价车间的工作是否有用， 有效产出（throughput，T）， 库存（inventory，I），
6、 营运费用（operating expenses，OE）。 对比传统指标：生产速度、设备利用率等待。,（1）分析方法6个指标：,作业指标之有效产出（throughput）： 通过实现产品销售来获取盈余的速率； 只计算对系统的贡献增加，不包括原材料； T =（销售价格-总变动成本）/时间， 即T=系统在单位时间内所赚的钱； 没有实现销售的成品库存不是有效产出。,作业指标之库存（inventory）： 系统内当前占用的资金， 包括： 原材料库存、在制品库存（WIP）、成品库存、 扣除折旧后的固定资产（厂房、设备等）。 以上资源占用资金，产生维持库存的费用。 因此，这里的库存是负债，而不是资产， 是
7、当前系统内占用的钱。,作业指标之营运费用（operating expenses）： 系统将库存转化为有效产出的所有费用， 包括 直接人力成本； 间接人力成本， 包括操作时间、休息时间、休假等； 期间费用， 管理费用， 销售费用。,优化与企业目标有关的工作，消除无关的工作。 回顾：精益生产的核心思想与核心方法。,作业指标与财务指标的关系,DBR指鼓-缓冲-绳（drum-buffer-rope）。 DBR系统的应用背景： 加工时间存在明显波动的制造系统。 The Goal一书提出了一个简单实验 骰子游戏： 前后7道工序；每道工序平均产能3.5件/天（Max=6, Min=1）；20天产量多少？,（
8、2）生产控制方法DBR系统：,骰子游戏的实验结果： 实际交货量70。 原因在于 加工时间波动；工序之间的依赖关系， 造成大量时间在等料加工、等待设备。 最终的结果是各道工序波动效应的累加， 而且是负的效应的累加。,DBR方法如何控制生产，来应对波动效应的叠加？ 以一队行进中的队伍做比喻；,投料,产品加工,发货,所有人同一速度节拍， 但任何一人的意外均影响全队的速度。,鼓手控制节奏。,由于最慢的人决定了全队的速度，将最前面的人和最慢的人用绳子绑起来，控制总速度，为防止前面的人跌倒而影响最慢的人，在他前面留一点空间（缓冲）。,最慢的人成了实际上的鼓手。,DBR方法的应用步骤： 识别约束（找到“鼓”
9、）， 约束为周生产速度最低的6号生产环节， 6号生产环节即作为控制生产节拍的“鼓”。,DBR方法的应用步骤： 处理约束（增加“缓冲”）， 利用6号环节前的时间缓冲保证瓶颈的利用率， 利用装配和发货前的时间缓冲保证交货的及时性。 时间缓冲：指比计划提前生产。,DBR方法的应用步骤： 服从（连接“绳子”）， 其它一切环节服从（同步）于瓶颈。,DBR方法的应用步骤： 解除约束， 上述方法作用也有局限， 根本措施：增加瓶颈的生产能力。 寻找新的约束， 回到第一步，持续改进 （process of on going improvement）。 回顾：精益生产之持续改进流程。,总结约束理论： TOC的运用
10、层次主要在企业级制造系统， 属于“运营管理”研究领域，对思维的启发意义大于实际应用效果。 （下图为人民邮电出版社新出版的一套相关书籍。）,约束理论 源于学者对企业的分析， 由理论方法指导实践活动的典型代表， 由整体提高带动底层改进的典型代表。 优点：考虑全面，应用范围广， 学术界普遍认为TOC方法 比MRP与看板系统更完善。 缺点：瓶颈分析需要详细的生产数据支持。,生产控制方式的对比： 推式的代表：MRP； 特点：按部就班、注重计划。 拉式的代表：看板系统； 特点：积极应对、快速反应。 推拉结合式的代表：TOC、COMWIP。 特点：全面分析、考虑周全。 除了推式系统外，拉式和推拉结合式系统中
11、都需要控制生产速度，看板系统、COMWIP和TOC都属于负荷控制（Workload Control，WLC）领域的研究。,3.7 其它相关理论与方法,尽管精益生产的理论体系已经十分全面。 但在先进制造模式的研究领域，目前仍是“百家齐名”的状态，有很多与精益生产相似或相近的理论采用不同途径进行阐述。这些理论包括 精益生产的原型：（1）丰田生产方式； 很多企业学习精益生产并结合本公司特点提出的改进方法：（2）精益六西格玛、（3）竞争制造系统、（4）获取竞争优势和（5）群策群力； 从不同角度阐释精益思想的（6）自我管理小组和（7）分形企业； 以及对生产控制方式考虑更全面、复杂的（8）控制论和（9）C
12、ONWIP。,（1）丰田生产系统 （Toyota Production System，TPS）： 日本丰田公司所采用的生产系统，后来逐步发展成精益生产理论（参考第3.1节）。 由于精益生产理论覆盖范围太广，有时也将丰田生产系统单独提出，特指丰田汽车公司汽车装配线上应用的新技术和新管理方法，例如快速换线技术等。,快速换线（Single Minute Exchange of Die，SMED），直译为“十分钟内换模”，有的文献译作快速换模或快速换产，由新乡重夫（Shigeo Shingo）于上世纪50年代在丰田提出。,这种技术是在混流生产线还未普及的情况下，丰田公司主要通过现场管理等手段摸索出的一
13、套应对多批少量、降低库存、提高生产系统快速反映能力的有效技术。,新乡重夫，日本工程师，著名的质量管理专家，丰田生产体系的创建人。 在上世纪50年代，当新乡重夫亲眼目睹换型时间居然高达4小时的时候，他的反应“必须让流动顺畅起来”。,基于新乡重夫的丰富经验，他开发了一个可以分析换模过程的方法，从而为现场人员找到了换型时间之所以长的原因，以及如何相应减少的方法。 在他领导的多个案例当中，换型时间被降到了十分钟以下，因此被称为“十分钟内换模”（SMED）。,快速换线（SMED）分析方法的步骤： 第一步：观察当前的流程； 第二步：区分内部和外部的作业要素； 第三步：将内部作业转移到外部； 第四步：减少内
14、部作业； 第五步：减少外部作业。 上述“内部作业”必须停产操作的换线动作， 而“外部作业”可以在换线前提前完成。,快速换线（SMED）的常用技巧： 法则一：并行操作； 法则二：双脚勿动， 指通过提前摆放工具减少工人走路的机会； 法则三：特殊道具； 法则四：剔除螺丝， 指仅采用必要数量的螺丝固定； 法则五：一转即定， 指通过合理设计减少螺丝松紧时间； 法则六：标准化（包括设备和动作标准化）； 法则七：事前准备（核心方法）。,通用电气公司（GE）首先将精益生产与六西格玛管理的结合，核心思想是 消除浪费、降低变异。,（2）精益六西格玛（Lean Six Sigma，LSS）：,精益六西格玛精益生产+
15、六西格玛。 精益生产（lean production，LP）： 参考第3.1节。 六西格玛（six sigma或6）: 1986年由美国摩托罗拉公司的比尔史密斯提出的概念和相应的管理体系。 从开始实施的1986年到1999年，摩托罗拉公司平均每年提高生产率12.3%，不良率只有以前的1/20。,六西格玛管理为美国摩托罗拉公司应对日本精益生产方法而提出的理念。 竞争源于上世纪60年代，日本从美国引入全面质量管理思想，曾多次邀请美国质量管理大师朱兰、戴明等人到日本传授精益，产品质量有了很大提高。 在上世纪80年代初，很多种日本家电产品的质量明显超过了美国产品，美国摩托罗拉公司先后失去了收音机、电视
16、机、随身听等市场，濒临倒闭，因而下决心重点提升产品质量，提出了6标准。,为统计学里的标准差符号： 1690,000失误/百万机会， 每天有三分之二的事情做错的企业无法生存； 2308,000失误/百万机会， 意味着企业资源每天都有三分之一的浪费； 366,800失误/百万机会（当时大部分企业的标准）， 意味着平平常常的管理，缺乏竞争力； 46,210失误/百万机会， 意味着较好的管理和运营能力，满意的客户； 5230失误/百万机会， 优秀的管理、很强的竞争力和比较忠诚的客户； 63.4失误/百万机会（接近于零缺陷）， 意味着卓越的管理，强大的竞争力和忠诚的客户。,六西格玛随着应用继续发展，并吸
17、收全面质量管理的理念，逐渐从质量标准扩展成一种管理方法，被多家其它公司学习，包括 通用电气、戴尔、惠普、西门子、索尼、东芝、华硕等。 其中，应用得最好的是通用电气（GE）公司，在上世纪90年代提出的六西格玛管理体系。 通用电气（GE）公司又在稍后，将六西格玛管理与精益生产理论结合，提出精益六西格玛管理。 其中代表性的方法有“三直三现原则”（参考第3.5节）等。,源于“竞争战略”思想。 通用汽车（GM）公司曾一度是销售额和股票市值世界第一的企业，其产业涉及到方方面面。为了保持公司的持续盈利，通用公司提出了“没有核心竞争力的行业就不要做”的原则。 美国管理学家、专栏作家迈克尔波特对上述原则进行总结
18、和扩展，提出了竞争战略（competitive strategy ）。,（3）竞争制造系统（GM Competitive MFG System）：,竞争战略并不等同于企业战略。 企业战略是一个体系，包括竞争战略、发展战略，技术开发战略、市场营销战略、信息化战略、人才战略等等。 竞争战略要解决的核心问题是：如何通过确定顾客需求、竞争者产品及本企业产品这三者之间的关系，来奠定本企业产品在市场上的特定地位并维持这一地位，属于企业经营管理部门的决策分析工作。,通用汽车公司最成功的竞争战略应用在 公司成立初期与福特公司的竞争上。,美国汽车市场曾一度是福特公司的天下： 1908年，福特公司首次推出T型车；
19、 1913年，福特公司完成了部分汽车零件的标准化，建成了世界上第一条流水装配线。,1908年，通用汽车公司成立，先后联合或兼并了别克、凯迪拉克、雪佛兰、奥兹莫比尔、庞蒂克、克尔维特、悍马等公司。但公司成立初期，各个子公司各自为战，一直处在福特公司的阴影之下。 直到上世纪20年代初期，通用汽车公司利用品牌多的优势，采用差异化战略，推出年度车型，不断满足消费者的新需要，并制定了分布较广的价格区间 雪佛兰-奥克兰-别克-凯迪拉克。 到1927年，通用汽车击败福特，市场占有率长期接近50%，坐上业界头把交椅，直到近年来才被丰田超越。,尽管上世纪20年代还处于大规模生产时代，但汽车行业经常走在制造业的前
20、端。通用汽车击败福特的案例体现了客户消费个性化趋势的出现，但随后被两次世界大战打断，直至战后60年代才开始进入大规模定制时代。 但这时，包括通用汽车在内的美国汽车企业被更注重用户个性化需求并且成本低廉的日本汽车企业击败，因此转而学习精益生产理论。 近年来，通用汽车重拾本公司竞争战略的传统理念，与长期以来一直学习和改进精益生产思想相结合，于1998年提出竞争制造系统。这是一种类似于精益生产的制造模式。,（4）获取竞争优势 （Achieving Competitive Excellence，ACE）： 美国联合技术公司（UTC，原名联合航空运输公司,主营航空航天和建筑业电气制造）提出的运营体系，于
21、1999年全面推行，获得了显著成效。 ACE体系使用“过程改进与消除浪费”、“解决问题”和“决策”三大类十二大工具，从“客户价值和满意度”、“业务表现”、“过程、产品及服务优势”和“领导、文化和环境”四个方面来考察企业的竞争优势，并将竞争优势分为合格化、铜牌、银牌和金牌四个等级。 ACE体系大量吸收了以精益生产为主的其它先进制造理念并自行改进，包括新5S管理、标准工作、质量控制过程图（QCPC）等等。,（5）群策群力 （波音公司的精益生产）： 波音公司提出的管理理念。 波音公司是世界上最大的民用和军用飞机制造商，同时设计并制造旋翼飞机、电子和防御系统、导弹、卫星、发射装置、以及先进的信息和通讯
22、系统。 由于产品集成化程度高，同时质量要求也很高，因此提高装配工作的效率和质量是波音公司管理的重点。群策群力中的联合工作队（integrate product team，IPT）方法类似于精益生产中的小组工作法（参考第3.1节），并结合飞机制造行业的特点加以改进，也是一种将精益生产理论和具体公司的实际情况相结合而提出的改进理论。,波音公司精益生产的主要工具 月光车间（moonshine workshop）： 指工厂的工人在下班后，对工作中遇到的问题进行自主改进，一说起源于“月光威士忌”。 月光车间鼓励热爱改善的员工不断去展示他们的创造力和想象力，强调“以智取胜”和 “行甚于言”，在公司内部提供
23、低价、快速、灵活的精益改善所需要的工作台、货架、小车、工装、夹具、设备等。,月光车间的成功案例： 传统方法需要将飞机座椅安上轮子，推进集装箱，吊至和舱门平行，再通过人工一件件推进机舱，卸下轮子后再安装，需要12小时。 为了提高效率，月光车间人员参考了滑雪索道、屋顶材料装卸机、甜菜装卸机和其它农业机械，最后参考干草搬运机设计了专用机械，工时缩短到2小时。,（6）自我管理小组（Self-management Team）： 1990年，瑞典ABB公司（ERP开发商）提出并开始推行，主要流行于欧美国家的高科技公司，例如微软。,与精益生产中的小组工作法类似（参考第3.1节），但更强调成员之间的地位平等，
24、大家共同参与决策，因此更符合欧美文化特点。,（7）分形企业（Fractal Enterprise）： 1993年，德国学者Warnock提出， 作为欧洲对精益生产理论的响应。 分形企业理论起源于分形几何学， 主要思想包括 企业组织结构的自相似， 单元内部的自治性等。 与精益生产中的小组工作法有类似之处。,分形（Fractal） 指具有以非整数维形式充填空间的形态特征。 1973年，曼德布罗特（B. B. Mandelbrot）在法兰西学院讲课时，首次提出分维和分形几何的概念。,分形几何学是一门以不规则几何形态为研究对象的几何学。由于不规则现象在自然界普遍存在，因此分形几何学又被称为描述大自然的
25、几何学。 代表性的分形图形： Von Koch曲线。,代表性的分形图形： Sierpinski地毯，从一等边三角形开始进行迭代操作，最终所得的极限图形。 著名的巴黎埃菲尔铁塔正是以它作为平面设计图原型。由于分形图形多具有审美感，因此诞生的分形艺术（fractal art）。,分形企业的特点： 强调组织的模块化；,分形企业的特点： 强调组织的自相似性；,分形企业的特点： 强调组织的分散管理。,（8）控制论（Control Theory）： 控制论是一门经典学科，传统上主要应用于机电系统的设计。 随着近年来各个学科之间的相互融合，其应用领域越来越多，出现了基于控制论方法的制造系统建模，例如 基于库
26、存和订单的生产控制系统（Inventory and Order Based Production Control System, IOBPCS）， 基于自动渠道、库存和订单的生产控制系统（Automatic Pipeline, Inventory and Order Based Production Control System, APIOBPCS）等。,在1948年，数学家维纳（N. Wiener）在控制论中指出: 调节机器的功能与生物体的功能间有着深刻的相似性。并证明了生物组织机制与工程技术中的调节原理是相似的，可以用共同的数学模型来描述。 经典控制论和现代控制论基本概念有控制与控制系统；
27、输入与输出；反馈与正反馈、负反馈；黑箱、白箱与灰箱等。,控制论的产生与发展： 1943年到1948年是控制学科的问世阶段。 60年代前是经典控制理论时期，研究的是单输入单输出系统。 60年代出现关于实现多变量的最优控制的现代控制理论。工业控制论、生物控制论及经济控制论得到迅速的发展。 70年代出现大系统理论。主要研究的是：大型企业的综合自动化与计算机控制系统，大型的信息处理系统，空间技术的控制系统，生态系统，生物调节和控制系统等。,负反馈控制是生物系统的一个很重要的自稳定控制机制。负反馈是检出系统实现状态与期望状态（目标）的偏差（目标差），并自动出现某种减少目标差的反应，使得系统的实现状态逐渐
28、逼近其期望状态的过程。例如，人或其它高等动物机体的体温调节系统就是一个负反馈控制系统。,控制系统案例体温调节系统的负反馈机制：,在企业和市场之间有一条反馈回路，即市场调研。企业内部的经营管理活动也需自觉地形成一条反馈通路。为了生产一定质量与数量的产品，必须不断地检查质量是否符合设计要求，进度是否符合作业计划。如果获得的信息提示现场生产偏离了预定目标，管理部门立即发出指示信息，使之恢复至预定目标。,制造系统的负反馈机制：,看板系统的控制论表达： 基于库存和订单的生产控制系统（Inventory and Order Based Production Control System, IOBPCS）。
29、,更进一步的反馈系统，加入对在制品数量的控制： 基于自动渠道、库存和订单的生产控制系统（Automatic Pipeline, Inventory and Order Based Production Control System, APIOBPCS） 。,控制论模型的主要控制策略： 需求策略：预测市场的方法（例如指数平滑法）， 库存策略：设置安全库存的方法（例如看板系统）， 渠道策略（中间件策略、在制品策略）：为控制在制品数量而调整安全库存的方法（比看板系统多的内容）。,目前控制论模型的主要用途： 模拟企业中长期运营情况，分析企业对市场需求的响应能力，减小“牛鞭效应”的影响。 牛鞭效应（bu
30、llwhip effect），也称长鞭效应： 营销过程中的需求变异放大现象。由于供应链上的各级供应商只根据来自其相邻的下级销售商的需求信息进行供应决策时，需求信息的不真实性会沿着供应链逆流而上，产生逐级放大的现象，到达最源头的供应商时，其获得的需求信息和实际消费市场中的顾客需求信息发生了很大的偏差。,牛鞭效应的示意图：,（1）需求预测修正； （2）订货批量决策； （3）价格波动； （4）短缺博弈； （5）库存责任失衡； （6）应付环境变异。 参考供应链管理中的相关内容。,产生“牛鞭效应”的原因：,目前控制论模型的主要用途： 分析企业对阶跃市场需求的反应， 在订货率平滑与库存平滑中寻求平衡点。,
31、（9）持续在制品 （constant work in process，CONWIP）： 1990年，美国佐治亚理工学院的斯皮尔曼（M. L. Spearman）教授提出，之后一些美国、日本学者加以改进。CONWIP是一种推拉混合式的生产控制方法，研究重点在于拉动环节的选择（第3.2节已有提及）。,斯皮尔曼教授参与编著的工厂物理学（Factory Physics）是工业工程领域的经典教材，目前清华大学出版社已出版英文影印本，网上有西安交通大学的中文译本。,课程要求（3.6）,知道约束理论的英文全称、缩写， 知道约束理论与最佳生产时间表、最佳生产技术的关系。 知道约束理论的核心思想： 系统约束限制系统产出。 知道DBR方法的英文全称和中文翻译， 理解生产最慢的环节作为“鼓手”，并且由“鼓手”拉动其它生产环节。,课程要求（3.7）,知道快速换线分析方法中内部、外部作业的含义； 知道快速换线技术的核心方法：事前准备。 知道基于控制论模型的主要控制策略：需求策略、库存策略、渠道策略，知道库存策略与看板系统的关系；知道其针对的主要问题：牛鞭效应。 简单了解精益六西格玛的核心思想：消除浪费、降低变异；知道六西格玛标准的含义：3.4失误/百万机会。 简单了解分形企业的特点（3个）。 简单了解本节介绍的其它相关理论与方法。,
