基于瓶頸制造的生產(chǎn)能力提升的研究與應(yīng)用*

李 朕，焦明華，葉應(yīng)鈞，高萬里

(1.合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，合肥 230009;2.合肥波林新材料有限公司，合肥 230088)

0 引言

約束理論(TOC)是以色列物理學(xué)家高德拉特博士在最優(yōu)化生產(chǎn)技術(shù)(OPT)的基礎(chǔ)上提出的一種生產(chǎn)管理辦法，目前已發(fā)展為:①使瓶頸產(chǎn)能最大化，從而使系統(tǒng)有效產(chǎn)出最大化的生產(chǎn)管理技術(shù);②系統(tǒng)地解決問題的一套思維流程;③辨識系統(tǒng)核心問題并持續(xù)提升系統(tǒng)能力的管理哲學(xué)［1］。

近年來，有關(guān)約束理論的研究和應(yīng)用主要集中在瓶頸的識別［2-3］，瓶頸的消除［4］以及瓶頸的漂移預(yù)測［5-7］。除了相關(guān)理論研究外，企業(yè)界的實(shí)踐也證明了TOC生產(chǎn)管理技術(shù)的實(shí)用性和有效性。楊麗艷等把半導(dǎo)體晶圓生產(chǎn)系統(tǒng)瓶頸分為長期、中期、短期瓶頸，提出了識別三種系統(tǒng)瓶頸的方法［8］。陳勇，湯科峰針對液晶顯示器CD段的瓶頸，提出了可行的持續(xù)改進(jìn)方案［9］。姚鵬飛，周少華針對造紙企業(yè)的生產(chǎn)特點(diǎn)，結(jié)合約束理論提出了一種生產(chǎn)排程模型［10］。但是，無論是約束理論的理論研究還是實(shí)踐的應(yīng)用，仍致力于系統(tǒng)瓶頸的識別，消除和漂移預(yù)測，最終實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的平衡。并沒有深入探討在系統(tǒng)經(jīng)過瓶頸消除而達(dá)到相對平衡之后如何突破新的系統(tǒng)整體瓶頸，擴(kuò)大系統(tǒng)的規(guī)模。因此，如何在系統(tǒng)相對平衡的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的突破，使系統(tǒng)發(fā)展至更高一級的相對平衡狀態(tài)成為了本文的研究重點(diǎn)，并提出了一種主動制造瓶頸的企業(yè)系統(tǒng)能力提升的方法。

1 基于瓶頸制造的生產(chǎn)能力提升方法的研究

1.1 生產(chǎn)過程的相對平衡

生產(chǎn)過程的相對平衡是指生產(chǎn)系統(tǒng)處于一定的能力等級時，其各個環(huán)節(jié)恰好均能滿足當(dāng)前生產(chǎn)運(yùn)營的需要。它是大多數(shù)企業(yè)都想達(dá)到的目標(biāo)，不僅能夠提高各部門的工作效率，加速產(chǎn)品流轉(zhuǎn)，降低庫存，提高企業(yè)應(yīng)變能力，而且利于實(shí)現(xiàn)柔性生產(chǎn)。但長期平穩(wěn)運(yùn)行的生產(chǎn)過程會掩蓋企業(yè)運(yùn)營過程中產(chǎn)生的矛盾，制約企業(yè)規(guī)模的進(jìn)一步擴(kuò)大，減緩企業(yè)的發(fā)展，如何打破這種相對均衡的局面，進(jìn)一步擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模，加速企業(yè)的發(fā)展時常困擾著眾多中小企業(yè)。尤其是采用單元式生產(chǎn)的中小型企業(yè)，如何在資金和人力資源不足的情況下，提高資源投入的準(zhǔn)確性和及時性，減少資源浪費(fèi)，逐步實(shí)現(xiàn)企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模有步驟的擴(kuò)大成為了企業(yè)發(fā)展過程中最為關(guān)鍵的問題。

1.2 問題的提出

本世紀(jì)以來，中國汽車制造業(yè)一直保持著高速發(fā)展，并帶動了相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的蓬勃發(fā)展，造就了龐大的零部件市場，尤其是對粉末冶金汽車零部件的需求將加速增長，這就給我國粉末冶金行業(yè)的發(fā)展帶來了巨大的商機(jī)。就國內(nèi)粉末冶金零部件制造企業(yè)而言，大多企業(yè)正在由小型企業(yè)向中型企業(yè)過渡，綜合實(shí)力尚處在初級階段，資金和人員的不足制約著企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，影響著企業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。基于此，結(jié)合粉末冶金零部件制造企業(yè)和其它中小型制造企業(yè)的生產(chǎn)管理現(xiàn)狀，在TOC的基礎(chǔ)上，提出了一種人為制造生產(chǎn)瓶頸的生產(chǎn)能力提升方法。

1.3 方法的描述

在生產(chǎn)系統(tǒng)綜合能力等級為Ⅰ，且內(nèi)部各環(huán)節(jié)相對均衡的環(huán)境下，人為有選擇地加大對生產(chǎn)系統(tǒng)內(nèi)某一個或幾個生產(chǎn)環(huán)節(jié)的投入，使系統(tǒng)內(nèi)其它一個或幾個環(huán)節(jié)成為瓶頸，然后針對這個瓶頸采取相應(yīng)的消除措施，迫使瓶頸漂移至系統(tǒng)內(nèi)其它環(huán)節(jié)，然后再識別系統(tǒng)的瓶頸并予以消除，如此反復(fù)至消除系統(tǒng)最后一個瓶頸，整個生產(chǎn)系統(tǒng)的綜合能力等級就會提升至Ⅱ。此方法不僅適用于生產(chǎn)系統(tǒng)，同樣也適用于整個企業(yè)的運(yùn)營系統(tǒng)，而且繼承了瓶頸管理的優(yōu)點(diǎn)，克服了以往學(xué)者對瓶頸理論研究的局限性，避免了使用JIT方式給企業(yè)帶來的實(shí)施難度。圖1為生產(chǎn)系統(tǒng)產(chǎn)能提升過程圖。

1.4 目標(biāo)環(huán)節(jié)的選擇

生產(chǎn)過程的不平衡是絕對的，而平衡是相對的，生產(chǎn)能力的提升就是不斷從不平衡達(dá)到平衡，在平衡中出現(xiàn)新的不平衡，再從新的不平衡達(dá)到更高層次平衡的螺旋發(fā)展過程。即使是在穩(wěn)定運(yùn)行的生產(chǎn)系統(tǒng)內(nèi)也存在相對薄弱的環(huán)節(jié)，所以在急于突破平衡的生產(chǎn)系統(tǒng)內(nèi)，相對薄弱的環(huán)節(jié)就成了最佳的突破點(diǎn)。由于最薄弱的生產(chǎn)環(huán)節(jié)決定了生產(chǎn)能力的整體提升，同時其波動對其它環(huán)節(jié)也有較大的影響。故本文選擇最薄弱的環(huán)節(jié)也即是生產(chǎn)系統(tǒng)約束環(huán)節(jié)作為生產(chǎn)系統(tǒng)突破的目標(biāo)環(huán)節(jié)。

圖1 生產(chǎn)系統(tǒng)產(chǎn)能提升過程圖

2 瓶頸制造在生產(chǎn)管理中的應(yīng)用

A公司是內(nèi)地一家中小型粉末冶金零部件制造企業(yè)，近幾年公司的生產(chǎn)制造能力穩(wěn)中有升，但是發(fā)展在行業(yè)內(nèi)相對緩慢。為了滿足市場需求量增大的要求，公司提出了第二年實(shí)現(xiàn)年銷售收入翻倍的戰(zhàn)略目標(biāo)，在有限的時間內(nèi)，如何順利地實(shí)現(xiàn)公司制定的目標(biāo)，成為了公司的難題。

由于公司生產(chǎn)制造過程長期平穩(wěn)運(yùn)行，依靠定性分析已經(jīng)難以準(zhǔn)確識別生產(chǎn)系統(tǒng)約束環(huán)節(jié)的位置，只有采用定量分析的方法才能確定約束環(huán)節(jié)位置，故本文采用了模糊關(guān)系矩陣方法對系統(tǒng)進(jìn)行分析。

2.1 基于多屬性模糊關(guān)系矩陣方法的目標(biāo)環(huán)節(jié)選擇

通過分析生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)的運(yùn)營狀況，A公司高層領(lǐng)導(dǎo)認(rèn)為，目前對A公司生產(chǎn)能力影響較大的要素有成型S1、燒結(jié)S2、后加工S3、模具制造S4四個要素，這四個要素又可以用其自身所具有的主要屬性描述，如圖2所示。

圖2 生產(chǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層次關(guān)系

參照系統(tǒng)多屬性建模方法［11］和層次分析法［12］，并以“要素貢獻(xiàn)率”最大的要素作為約束環(huán)節(jié)，分析系統(tǒng)其它要素的屬性。首先計(jì)算要素對屬性的判斷矩陣RS-A，接著按參考要素的屬性進(jìn)行細(xì)化分解，確定出屬性對屬性的模糊關(guān)系矩陣RS-S，例如專家評分認(rèn)為要素S1的屬性A11受到S2、S3、S4影響的判斷矩陣如下:

進(jìn)一步計(jì)算S2的各屬性對A11的影響權(quán)重，結(jié)果見表1。

表1 S2的各個屬性對A11的影響權(quán)重

由表1各權(quán)重乘以S2對A11的影響度0.25得到屬性與屬性的影響度，經(jīng)過多次計(jì)算最終得到所有要素的屬性對屬性的影響度，見表2。

表2 系統(tǒng)屬性對屬性矩陣

在表2基礎(chǔ)上計(jì)算系統(tǒng)要素及其屬性的貢獻(xiàn)率，計(jì)算結(jié)果見表3。從結(jié)果可以看出，在A公司相對平衡的生產(chǎn)系統(tǒng)內(nèi)，燒結(jié)環(huán)節(jié)S2對系統(tǒng)的貢獻(xiàn)率1.099最大，比成型環(huán)節(jié)S1的貢獻(xiàn)率1.052稍大，故依照模糊矩陣判定原則判定燒結(jié)環(huán)節(jié)S2為生產(chǎn)系統(tǒng)的瓶頸環(huán)節(jié)，也即是首次加大資源投入的目標(biāo)環(huán)節(jié)。

表3 系統(tǒng)要素及其貢獻(xiàn)率

2.2 目標(biāo)環(huán)節(jié)產(chǎn)能的提升

要素貢獻(xiàn)率最大的生產(chǎn)環(huán)節(jié)就是系統(tǒng)的約束環(huán)節(jié)，因此，要增加系統(tǒng)產(chǎn)能首先就要提升約束環(huán)節(jié)也即是目標(biāo)環(huán)節(jié)的生產(chǎn)能力。由粉末冶金零部件制造行業(yè)的特性所決定，A公司的所有產(chǎn)品都要經(jīng)過燒結(jié)之后才能流向下一道工序，其決定著整個公司的輸出。所以，在日常生產(chǎn)中公司在燒結(jié)工序前設(shè)置了時間緩沖、在制品緩沖、質(zhì)量檢測、事故原因分析等環(huán)節(jié)以確保整個生產(chǎn)系統(tǒng)的均衡生產(chǎn)。然而為了實(shí)現(xiàn)公司的發(fā)展目標(biāo)，打破整體約束，經(jīng)過對系統(tǒng)內(nèi)所有生產(chǎn)環(huán)節(jié)分析后，A公司決定首先通過提升燒結(jié)能力增強(qiáng)系統(tǒng)的生產(chǎn)能力，添置了一臺大型燒結(jié)爐，并配備了燒結(jié)技術(shù)人員，增添了數(shù)名燒結(jié)人員，以保證燒結(jié)工序的產(chǎn)品質(zhì)量及物流的順暢。

在加大燒結(jié)環(huán)節(jié)的資源投入后，燒結(jié)產(chǎn)品的質(zhì)量明顯改善，設(shè)備故障率顯著下降，產(chǎn)能也得到了很大提高。

2.3 新瓶頸的產(chǎn)生

任何系統(tǒng)都是由一連串的子系統(tǒng)環(huán)環(huán)相扣而組成的，A公司的生產(chǎn)系統(tǒng)也不能例外，也是由一系列的生產(chǎn)環(huán)節(jié)構(gòu)成，在特定時期不可避免的會出現(xiàn)梗阻。燒結(jié)環(huán)節(jié)產(chǎn)能的增強(qiáng)，將迫使系統(tǒng)內(nèi)其它一個或幾個環(huán)節(jié)成為新的瓶頸。為了減少在燒結(jié)環(huán)節(jié)產(chǎn)能提升后燒結(jié)環(huán)節(jié)待工和其它環(huán)節(jié)窩工的時間，公司在增強(qiáng)燒結(jié)能力的同時，就已經(jīng)開始預(yù)測哪一個環(huán)節(jié)將成為新的瓶頸。通過分析燒結(jié)產(chǎn)能提升前的生產(chǎn)現(xiàn)狀和預(yù)測燒結(jié)產(chǎn)能提升后生產(chǎn)系統(tǒng)的動向，公司認(rèn)為成型環(huán)節(jié)將成為對生產(chǎn)系統(tǒng)影響最大的環(huán)節(jié)。

事實(shí)表明，在加大燒結(jié)環(huán)節(jié)資源投入，產(chǎn)能提升后，由于成型環(huán)節(jié)所生產(chǎn)的產(chǎn)品滿足不了燒結(jié)環(huán)節(jié)的需求而成為了生產(chǎn)系統(tǒng)的瓶頸，進(jìn)而導(dǎo)致了燒結(jié)環(huán)節(jié)生產(chǎn)能力的短暫閑置。

2.4 瓶頸的消除

A公司針對成型環(huán)節(jié)設(shè)備產(chǎn)出率低的問題，采取了以下六種措施［1］:

(1)設(shè)置時間緩沖;

(2)設(shè)置在制品緩沖;

(3)在瓶頸設(shè)備前設(shè)置質(zhì)檢環(huán)節(jié);

(4)統(tǒng)計(jì)瓶頸設(shè)備產(chǎn)出的廢品率;

(5)找出廢品的原因并根除之;

(6)對返修或返工的方法進(jìn)行研究改進(jìn)。

經(jīng)過一系列改善后，雖然成型環(huán)節(jié)的設(shè)備利用率和產(chǎn)能得到了很大的提升，但是并沒有實(shí)現(xiàn)與燒結(jié)環(huán)節(jié)的物流平衡，也沒有達(dá)到目標(biāo)產(chǎn)能的要求。所以公司在提高瓶頸設(shè)備利用率與產(chǎn)能的基礎(chǔ)上又為成型和后加工環(huán)節(jié)增添了若干臺設(shè)備和數(shù)名操作人員，提升成型環(huán)節(jié)生產(chǎn)能力。

2.5 瓶頸的漂移

瓶頸漂移一般是由生產(chǎn)過程中不可預(yù)知的因素引起的，但是也有設(shè)備增添、人力資源投入等可預(yù)知因素引起的。隨著成型環(huán)節(jié)產(chǎn)能的增強(qiáng)，其生產(chǎn)批量逐漸增大，新產(chǎn)品開發(fā)越來越多，客戶插單更加頻繁，產(chǎn)品交貨期明顯縮短，這些因素均導(dǎo)致模具制造工作量越來越大，制造周期越來越短，以至于使上游的模具制造環(huán)節(jié)經(jīng)常不能按時完成任務(wù)。此外，成型環(huán)節(jié)產(chǎn)能的增強(qiáng)又促使燒結(jié)環(huán)節(jié)能夠高負(fù)荷運(yùn)行，從而又導(dǎo)致了其下游的后加工環(huán)節(jié)在制品堆積，物流緩慢。

針對模具制造環(huán)節(jié)和后加工環(huán)節(jié)的瓶頸設(shè)備A公司采取了2.4所述的六種措施后，產(chǎn)能得到了提升，但仍然不能滿足成型環(huán)節(jié)和燒結(jié)環(huán)節(jié)的需求。所以，公司又根據(jù)模具加工和后加工需要購置了幾臺電加工設(shè)備、磨床、銑床、車床，添加了若干名技術(shù)人員，以提高生產(chǎn)能力，保證系統(tǒng)內(nèi)物流的平衡。

經(jīng)過生產(chǎn)瓶頸制造，生產(chǎn)瓶頸消除的往復(fù)循環(huán)，A公司的產(chǎn)能滿足了預(yù)期產(chǎn)值的產(chǎn)能要求，生產(chǎn)系統(tǒng)也達(dá)到了更高層次的相對平衡狀態(tài)。

3 瓶頸制造在企業(yè)運(yùn)營系統(tǒng)中的應(yīng)用

高德拉特博士認(rèn)為企業(yè)的最終目標(biāo)就是:在當(dāng)前和今后為企業(yè)獲得更多的利潤［13］，并非僅僅是實(shí)現(xiàn)其生產(chǎn)能力。這就要求企業(yè)的行為不僅僅要考慮當(dāng)前的利益，還必須有保持企業(yè)持續(xù)增長的戰(zhàn)略眼光。因此，在注重提高生產(chǎn)系統(tǒng)產(chǎn)能的同時切忌忽視企業(yè)運(yùn)營的其它子系統(tǒng)對企業(yè)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的影響。

作為A公司運(yùn)營系統(tǒng)突破發(fā)展的目標(biāo)環(huán)節(jié)，生產(chǎn)環(huán)節(jié)在產(chǎn)能提升后，加工批量越來越大，種類逐漸增多，交貨期越來越短。這些因素迫使其上游的物資供應(yīng)環(huán)節(jié)采購總量不斷加大，周期越來越短，同時也增加了技術(shù)研發(fā)的難度和工作量，縮短了研發(fā)周期，然而物資供應(yīng)和技術(shù)研發(fā)的能力并不能滿足生產(chǎn)要求。

為了解決物資供應(yīng)環(huán)節(jié)的采購能力不足問題，公司成立了物資供應(yīng)部，專門負(fù)責(zé)公司所需原料的購買及供應(yīng)商管理。同時又為技術(shù)研發(fā)環(huán)節(jié)引進(jìn)了急需的技術(shù)人才，購置了先進(jìn)的檢測和實(shí)驗(yàn)設(shè)備，建立了技術(shù)研發(fā)人員績效考核體系。

繼物資供應(yīng)和技術(shù)研發(fā)能力提升后，市場營銷又成為了限制企業(yè)發(fā)展的環(huán)節(jié)，為此，公司又采取了必要的措施提高了銷售能力，最終實(shí)現(xiàn)了在瓶頸的產(chǎn)生與消除的循環(huán)中，使公司運(yùn)營由初始相對平衡狀態(tài)達(dá)到更高層次的相對平衡狀態(tài)的目標(biāo)。

4 結(jié)束語

本文提出了在相對平衡的生產(chǎn)系統(tǒng)體內(nèi)，主動制造生產(chǎn)瓶頸的生產(chǎn)能力提升方法，逐步實(shí)現(xiàn)企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模有步驟的擴(kuò)大。同時以提升產(chǎn)能為契機(jī)，帶動企業(yè)運(yùn)營過程中的技術(shù)、采購、營銷瓶頸環(huán)節(jié)的消除，提升企業(yè)的綜合實(shí)力。最后以A公司為實(shí)例，驗(yàn)證了此方法的可行性。

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