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【摘 要】本文由离散制造企业生产车间作业流程特点入手，针对车间作业流程存在的瓶颈，引入了约束理论（TOC），提出了一个基于TOC的车间作业优化控制模型，并将该模型应用到某公司结构件制造（从切割、仿形、成型到组焊）的车间作业流程优化中，通过对其优化后的流程分析和评估，说明该模型在车间作业流程优化方面的应用效果显著。
【关键词】离散制造 TOC 流程优化
制造业通常被分为离散型和流程型两大类，其中离散制造是指将原材料加工成零件，经部件组装和总体组装成为成品。[1]离散型制造业业务复杂，流程多变，信息数据庞杂，产品的生产周期相对较长，产品的工艺过程也经常变更。离散制造的这些特点，使其在生产过程中产生大量的在制品库存，从而占用企业大量的流动资金，增加了产品制造成本。因此如何通过优化车间作业程序，降低生产环节的在制品存量，减少流动资金的占用，提升企业的市场响应能力，成为每个制造企业生产管理中的关注焦点之一。
为此，本文面向离散制造企业的车间作业管理，将“约束理论”引入到车间作业程序分析和优化中，力图为企业构建一个科学有效的基于TOC的车间作业优化模型，并通过一个实例来验证该模型在车间作业流程优化，降低在制品库存方面的应用效果。
一、TOC的引入
约束理论（TOC）是以色列企业管理顾问戈德拉特博士在优化生产技术基础上发展起来的管理理论，该理论提出了在制造业经营生产活动中定义和消除制约因素的一些规范化方法，以支持连续改进[2]。它把企业在实现其目标的过程中现存的或潜伏的制约因素称为“约束”或瓶颈，通过逐个识别和消除这些“约束”，使企业的改进方向与策略明确化，从而帮助企业更有效地实现其目标。[3]
约束理论通过识别与控制瓶颈资源，再设置缓冲保护瓶颈资源，运用绳子的机制控制其他资源使之与瓶颈同步，从而达到提高系统产出、降低库存和成本的目的。如前所述，以机械制造为典型代表的离散制造的特点是以零件加工、产品装配为主，其最终产品往往是由很多的半成品组成，半成品直接影响生产的成本和节拍。另一方面，对于某些机械制造业，其工艺需要经常变更，也就意味着一个生产车间可能同时生产几种产品，所以在离散制造企业中车间的作业的合理控制和调度的快速灵活起着非常重要的作用。
而TOC认为，一个企业想要提高自己的生产能力，就必须快速找出生产流程的瓶颈环节，一旦对瓶颈环节进行有效的控制，实现非约束环节与约束工序同步，整个系统的流程也相应得到了优化。[4]
二、基于TOC的车间作业优化模型构建
（一）离散制造车间作业程序优化分析
在制造企业中最为核心的流程是企业的产品制造过程，一般可以用图1上部左侧框图部分来描述车间制造的生产过程。企业的主生产计划根据BOM和工艺，以及库存信息形成物料需求计划，其输出包括采购计划和下发到生产部门的生产进度计划。各个车间（分厂）再根据生产进度计划形成车间作业计划，并按照自身的产能组织生产。
在实际工作中，由于公司计划与车间生产控制的分离，常常会导致生产节拍不平衡、生产产品不配套、在制品库存量大等问题的发生。为此，引入TOC到车间作业程序控制中，可以帮助我们快速的找出生产流程中的瓶颈，在制订作业计划时，根据车间作业的实际情况，由瓶颈资源来带动生产节奏，进行物流平衡和搭配物料的成套性。当瓶颈资源发生改变时，需要重新寻找新的瓶颈，这时再依据新的瓶颈来反复调整，达到计划与控制的完美结合。
（二）基于TOC的车间作业优化模型
基于以上分析，面向离散型制造企业，我们提出了如图1所示的车间作业优化模型。本模型从车间生产控制这一关键功能出发，通过约束理论动态地找出车间生产过程中的瓶颈，实现车间作业流程的优化，以达到降低在制品库存，降低产品生产成本的目标。
在传统的车间生产作业流程基础上，本模型在车间任务与车间作业控制之间增加了瓶颈识别和进行瓶颈排产模块，该模块能实时根据当前作业动态信息将瓶颈分析报告反馈给车间。下面是基于TOC的车间作业优化实现过程的描述。
1.瓶颈识别。瓶颈就是现有能力达不到需求能力的生产环节。根据TOC的理论，在企业的生产过程中通过车间的底层生产数据来快速的找到生产流程中的瓶颈，然后根据现有的瓶颈来进行车间作业的计划制定。实际生产中瓶颈是会一直变化的，因此瓶颈分析也是一个动态的过程。
2.缓冲设置。缓冲设置分以下3种：①发货缓冲（S-Buffer）：即产品交货前的库存。②瓶颈前资源的时间缓冲（T-Buffer），以保障瓶颈工序开工不受之前原料的影响。③瓶颈后资源的装配缓冲（A-Buffer），是指当道工序的原料来自瓶颈资源时，避免出现资源瓶颈而导致停产。
3.瓶颈资源生产安排。通常将车间的生产流程分为瓶颈流程和非瓶颈流程。为了保证瓶颈资源的充分利用，需对瓶颈资源进行优化排产。
4.按照瓶颈资源的节奏安排非瓶颈资源。对非瓶颈资源的排产通常采用“PULL”式生产，就是按照瓶颈工序的需求时间来安排本工序的开始时间，以在减少缓冲范围内的在制品，用优化的瓶颈工序来控制物料投放节奏，使在制品存量减少到合适的程度。
流程优化是一个周而复始的过程，底层的生产信息受到人和机器的影响会不断变化，那么瓶颈资源也会改变，所以流程需要不断地持续改进，以满足生产过程的动态变化。
三、某公司结构件车间作业程序优化实例
（一）企业背景
四川某工程机械制造企业产品系列多样，生产制造活动复杂，是典型的离散制造企业。本文以该公司的结构件分厂作为上文提出的模型的应用案例。结构件厂下设有生产办公室，切割车间，成型车间和组焊车间。各个车间的主要工作内容是按照要求对来件切割、成型和组焊。
（二）结构件车间作业流程描述 结构件分厂的车间生产流程是一个涉及车间生产办公室、备料车间、成型车间、阻焊车间，以及质检部、研究所等相关部门的跨职能业务流程。下面是该分厂生产流程的简要描述。
流程开始，分厂生产办接受公司生产部和研究所下达的生产进度计划和试制（或改进）订单，并将其分解后下达到备料、成型和组焊三个车间，备料车间进行结构件的下料（包括切割、仿形）；成型车间接收备料车间的坯料进行加工成型并实现部装前的配套；组焊车间则负责完成部装件的最后一道工序——组合与焊接。质检部进行检验。
（三）流程分析与优化
采用图1所示车间作业优化模型对该结构件分厂的现有车间生产流程进行优化。篇幅所限，本文仅以装载机动臂生产程序分析为例，公司目前的车间生产控制系统如图2所示，动臂生产开始于钢板的下料，经过成型组焊等步骤成为合格的产品送往组装分厂。
结合车间实际生产数据，通过计算每道工序产能的方式找出上述控制模式的瓶颈。按照产品的成套性对各个车间的生产过程进行统计，得出每个车间生产一套动臂所需要的时间分别为58秒、244秒和9780秒，按照下料车间1台切割机，成型车间1台成型压轧机、组焊车间6台自动焊接机，每天工作8小时，分别用C1、C2、C3用表示下料、成型和组焊工序每天的生产能力，那么计算如下：
从上面计算结果可以看出，组焊车间是整个结构件分厂生产流程的瓶颈。
基于TOC的思想进行流程优化，对结构件分厂内部的车间作业流程，我们提出如图3所示优化方案。
如前所述，承担动臂组焊工序的组焊车间是瓶颈资源所在，在根据TOC思想编制计划时，需要考虑计划期内的系统资源约束[5]，先用有限能力排产法安排动臂组焊加工工序的生产作业进度计划；再以动臂组焊工序为基准，把动臂组焊工序之前的工序（动臂成型）按照拉动的方式排定，并设置瓶颈缓冲和看板。
四、小结
企业的车间作业程序会随着市场需求、企业经营策略所需要引发的生产任务的变化而变化，因此构建一个能够不断对车间作业流程进行优化的模型能够提升企业的核心竞争力。本文基于离散制造企业部装生产车间作业流程的优化，提出了基于TOC的车间作业优化模型，并将该模型应用到某公司结构件分厂，取得了不错的效果。但是事实上，离散型制造车间往往会同时不同的产品系列和类型，生产程序会更加的复杂。因此，如何在更复杂的环境中快速准确的找出瓶颈并加以消除；以及对于瓶颈资源设置的缓冲区大小的计算等，都是本领域后续研究工作的重要课题。
参考文献：
[1]刘健.基于Petri网建模的离散生产系统仿真优化研究[D].天津大学.2009
[2]宋建军，闫献国.基于约束理论的企业信息系统研究[J].机械工程与自动化，2010（1）：4-6.
[3]唐帅.基于TOC的企业流程管理[J].知识经济，2008（8）：81-82.
[4]丁雯，文莉，张炜.全约束理论的管理方法及其在生产物流中的应用[J].商业研究.2009（9）：48-51
[5]王军强，张翠林，孙树栋，付平. MRPⅡ、JIT、TOC生产计划与控制比较研究[J] .2005（2）：9-1
【关键词】离散制造 TOC 流程优化
制造业通常被分为离散型和流程型两大类，其中离散制造是指将原材料加工成零件，经部件组装和总体组装成为成品。[1]离散型制造业业务复杂，流程多变，信息数据庞杂，产品的生产周期相对较长，产品的工艺过程也经常变更。离散制造的这些特点，使其在生产过程中产生大量的在制品库存，从而占用企业大量的流动资金，增加了产品制造成本。因此如何通过优化车间作业程序，降低生产环节的在制品存量，减少流动资金的占用，提升企业的市场响应能力，成为每个制造企业生产管理中的关注焦点之一。
为此，本文面向离散制造企业的车间作业管理，将“约束理论”引入到车间作业程序分析和优化中，力图为企业构建一个科学有效的基于TOC的车间作业优化模型，并通过一个实例来验证该模型在车间作业流程优化，降低在制品库存方面的应用效果。
一、TOC的引入
约束理论（TOC）是以色列企业管理顾问戈德拉特博士在优化生产技术基础上发展起来的管理理论，该理论提出了在制造业经营生产活动中定义和消除制约因素的一些规范化方法，以支持连续改进[2]。它把企业在实现其目标的过程中现存的或潜伏的制约因素称为“约束”或瓶颈，通过逐个识别和消除这些“约束”，使企业的改进方向与策略明确化，从而帮助企业更有效地实现其目标。[3]
约束理论通过识别与控制瓶颈资源，再设置缓冲保护瓶颈资源，运用绳子的机制控制其他资源使之与瓶颈同步，从而达到提高系统产出、降低库存和成本的目的。如前所述，以机械制造为典型代表的离散制造的特点是以零件加工、产品装配为主，其最终产品往往是由很多的半成品组成，半成品直接影响生产的成本和节拍。另一方面，对于某些机械制造业，其工艺需要经常变更，也就意味着一个生产车间可能同时生产几种产品，所以在离散制造企业中车间的作业的合理控制和调度的快速灵活起着非常重要的作用。
而TOC认为，一个企业想要提高自己的生产能力，就必须快速找出生产流程的瓶颈环节，一旦对瓶颈环节进行有效的控制，实现非约束环节与约束工序同步，整个系统的流程也相应得到了优化。[4]
二、基于TOC的车间作业优化模型构建
（一）离散制造车间作业程序优化分析
在制造企业中最为核心的流程是企业的产品制造过程，一般可以用图1上部左侧框图部分来描述车间制造的生产过程。企业的主生产计划根据BOM和工艺，以及库存信息形成物料需求计划，其输出包括采购计划和下发到生产部门的生产进度计划。各个车间（分厂）再根据生产进度计划形成车间作业计划，并按照自身的产能组织生产。
在实际工作中，由于公司计划与车间生产控制的分离，常常会导致生产节拍不平衡、生产产品不配套、在制品库存量大等问题的发生。为此，引入TOC到车间作业程序控制中，可以帮助我们快速的找出生产流程中的瓶颈，在制订作业计划时，根据车间作业的实际情况，由瓶颈资源来带动生产节奏，进行物流平衡和搭配物料的成套性。当瓶颈资源发生改变时，需要重新寻找新的瓶颈，这时再依据新的瓶颈来反复调整，达到计划与控制的完美结合。
（二）基于TOC的车间作业优化模型
基于以上分析，面向离散型制造企业，我们提出了如图1所示的车间作业优化模型。本模型从车间生产控制这一关键功能出发，通过约束理论动态地找出车间生产过程中的瓶颈，实现车间作业流程的优化，以达到降低在制品库存，降低产品生产成本的目标。
在传统的车间生产作业流程基础上，本模型在车间任务与车间作业控制之间增加了瓶颈识别和进行瓶颈排产模块，该模块能实时根据当前作业动态信息将瓶颈分析报告反馈给车间。下面是基于TOC的车间作业优化实现过程的描述。
1.瓶颈识别。瓶颈就是现有能力达不到需求能力的生产环节。根据TOC的理论，在企业的生产过程中通过车间的底层生产数据来快速的找到生产流程中的瓶颈，然后根据现有的瓶颈来进行车间作业的计划制定。实际生产中瓶颈是会一直变化的，因此瓶颈分析也是一个动态的过程。
2.缓冲设置。缓冲设置分以下3种：①发货缓冲（S-Buffer）：即产品交货前的库存。②瓶颈前资源的时间缓冲（T-Buffer），以保障瓶颈工序开工不受之前原料的影响。③瓶颈后资源的装配缓冲（A-Buffer），是指当道工序的原料来自瓶颈资源时，避免出现资源瓶颈而导致停产。
3.瓶颈资源生产安排。通常将车间的生产流程分为瓶颈流程和非瓶颈流程。为了保证瓶颈资源的充分利用，需对瓶颈资源进行优化排产。
4.按照瓶颈资源的节奏安排非瓶颈资源。对非瓶颈资源的排产通常采用“PULL”式生产，就是按照瓶颈工序的需求时间来安排本工序的开始时间，以在减少缓冲范围内的在制品，用优化的瓶颈工序来控制物料投放节奏，使在制品存量减少到合适的程度。
流程优化是一个周而复始的过程，底层的生产信息受到人和机器的影响会不断变化，那么瓶颈资源也会改变，所以流程需要不断地持续改进，以满足生产过程的动态变化。
三、某公司结构件车间作业程序优化实例
（一）企业背景
四川某工程机械制造企业产品系列多样，生产制造活动复杂，是典型的离散制造企业。本文以该公司的结构件分厂作为上文提出的模型的应用案例。结构件厂下设有生产办公室，切割车间，成型车间和组焊车间。各个车间的主要工作内容是按照要求对来件切割、成型和组焊。
（二）结构件车间作业流程描述 结构件分厂的车间生产流程是一个涉及车间生产办公室、备料车间、成型车间、阻焊车间，以及质检部、研究所等相关部门的跨职能业务流程。下面是该分厂生产流程的简要描述。
流程开始，分厂生产办接受公司生产部和研究所下达的生产进度计划和试制（或改进）订单，并将其分解后下达到备料、成型和组焊三个车间，备料车间进行结构件的下料（包括切割、仿形）；成型车间接收备料车间的坯料进行加工成型并实现部装前的配套；组焊车间则负责完成部装件的最后一道工序——组合与焊接。质检部进行检验。
（三）流程分析与优化
采用图1所示车间作业优化模型对该结构件分厂的现有车间生产流程进行优化。篇幅所限，本文仅以装载机动臂生产程序分析为例，公司目前的车间生产控制系统如图2所示，动臂生产开始于钢板的下料，经过成型组焊等步骤成为合格的产品送往组装分厂。
结合车间实际生产数据，通过计算每道工序产能的方式找出上述控制模式的瓶颈。按照产品的成套性对各个车间的生产过程进行统计，得出每个车间生产一套动臂所需要的时间分别为58秒、244秒和9780秒，按照下料车间1台切割机，成型车间1台成型压轧机、组焊车间6台自动焊接机，每天工作8小时，分别用C1、C2、C3用表示下料、成型和组焊工序每天的生产能力，那么计算如下：
从上面计算结果可以看出，组焊车间是整个结构件分厂生产流程的瓶颈。
基于TOC的思想进行流程优化，对结构件分厂内部的车间作业流程，我们提出如图3所示优化方案。
如前所述，承担动臂组焊工序的组焊车间是瓶颈资源所在，在根据TOC思想编制计划时，需要考虑计划期内的系统资源约束[5]，先用有限能力排产法安排动臂组焊加工工序的生产作业进度计划；再以动臂组焊工序为基准，把动臂组焊工序之前的工序（动臂成型）按照拉动的方式排定，并设置瓶颈缓冲和看板。
四、小结
企业的车间作业程序会随着市场需求、企业经营策略所需要引发的生产任务的变化而变化，因此构建一个能够不断对车间作业流程进行优化的模型能够提升企业的核心竞争力。本文基于离散制造企业部装生产车间作业流程的优化，提出了基于TOC的车间作业优化模型，并将该模型应用到某公司结构件分厂，取得了不错的效果。但是事实上，离散型制造车间往往会同时不同的产品系列和类型，生产程序会更加的复杂。因此，如何在更复杂的环境中快速准确的找出瓶颈并加以消除；以及对于瓶颈资源设置的缓冲区大小的计算等，都是本领域后续研究工作的重要课题。
参考文献：
[1]刘健.基于Petri网建模的离散生产系统仿真优化研究[D].天津大学.2009
[2]宋建军，闫献国.基于约束理论的企业信息系统研究[J].机械工程与自动化，2010（1）：4-6.
[3]唐帅.基于TOC的企业流程管理[J].知识经济，2008（8）：81-82.
[4]丁雯，文莉，张炜.全约束理论的管理方法及其在生产物流中的应用[J].商业研究.2009（9）：48-51
[5]王军强，张翠林，孙树栋，付平. MRPⅡ、JIT、TOC生产计划与控制比较研究[J] .2005（2）：9-1