0 引言
物料需求计划(Material Requirement Planning，MRP)、制造资源计划(Manufacture Resource Planning，MRPⅡ/ERP)、准时化生产(Just in Time，JIT)和约束理论(Theory of Constraints，TOC)等生产管理技术在不同时期、不同生产环境中都发挥了重要的作用，在我国，这些生产管理技术也有着不同程度的应用和发展。
许多学者对三者性能进行了模拟和对比，研究了MRP/MRPⅡ/ERP和OPT/TOC的集成，以MRP/MRPⅡ/ERP系统为框架，嵌入具有TOC的某些功能模块，在最大程度地利用MRP/MRPⅡ/ERP系统框架和计算逻辑的基础上实现集成。但这些集成只能算作MRP/MRPⅡ/ERP系统的部分优化和改良，并不能彻底解决因其理论缺点而带来的根本性问题。因此，需要跳出某个系统框架的限制，不以某个具体的系统为蓝本进行填充或弥补，而以MRPⅡ/ERP、JIT和TOC各自系统所体现的思想或哲理为研究对象，考虑继承与发展，根据生产计划与控制的不同层次需求，选择不同的生产管理策略，并把合适层次的合适策略融合起来，形成一种新的生产管理方法，再在新集成方法指导下研究生产计划管理与控制。
1 MRPⅡ/ERP、TOC和JIT优缺点比较及定位分析
1.1 MRPⅡ/ERP、TOC和JIT优缺点比较
MRPⅡ/ERP的优势在于中长期计划的能力，强调计划推动，用尽可能周密的计划集中安排各环节的人、物等资源及生产加工，以应对生产的不确定性。
MRPⅡ/ERP存在的问题为：①MRPⅡ/ERP的提前期是推式计划的结果，需要提前设定，因而很可能造成与实际情况不符，导致在制品库存增加；②批量不分加工批量和运转批量，且与系统的输入批量相等，影响订单的流动时间和提前期；③能力约束考虑不足，往往造成生产计划无法完成、物料需求不切实际；④MRPⅡ/ERP为每道工序安排计划，每道工序都严格按照既定的计划进行生产，而工序间又无协调机制，无法动态保证每道工序问的关联，造成工序间产量不平衡、在制品库存增加以及需求与生产不一致等问题；⑤MRPⅡ/ERP制定计划时不考虑控制，只能通过事后反馈进行生产控制，相对于生产实际存在一定的滞后；⑥MRPⅡ/ERP生成计划时，逐层展开物料清单(Bill of Material，BOM)，为每层零组件生成1年的物料需求计划、采购计划、作业加工计划等，由于误差的累积，生成的作业计划很容易与实际脱节。另外，对那些已无法保证完成计划的产品，进行进一步分解和计算已毫无意义；⑦计划调整时，问题自底向上层层反馈和所有计划自顶向下层层重排，造成生产计划的抗扰动能力差；⑧MRPⅡ/ERP通常以周或天为运行单位，无法对每周或每天之内发生的变化做出迅速的响应，致使底层功能较弱。
TOC的优势在于：①正视瓶颈的存在并充分利用瓶颈，区别对待瓶颈计划调度和非瓶颈计划调度；②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它是集计划与控制于一体的方法，在制订计划时已考虑现场控制的实际，并对预控制的困难问题(瓶颈)提前进行了计划，一定程度上保证了计划的可行；在计划执行时，由非瓶颈配合瓶颈，进行物流平衡，保证计划的有效；一旦瓶颈发生漂移，系统会重新判定新的瓶颈，再依据新的瓶颈重新建立一个新的物流平衡系统，从而达到控制、制约计划的目的，实现计划与控制的集成与统一。
TOC存在的问题为：①的瓶颈漂移为生产管理增加了难度，一旦辨识出现滞后或偏差等问题，将极大地影响后续的工作；②仅强调短期最优化，对长期战略决策没有帮助。
JIT的优势在于：①强调需求牵引、相互合作，以及消除浪费和减少成本，注重现场改善；②JIT的拉式生产保证了较低的在制品库存水平和较高的客户服务水平。
JIT存在的问题为：①中长期计划性弱，各工序在计划执行过程中缺乏整体计划的指导，盲目跟进和被动顺应后道工序的要求，致使整个环节加工情况时好时坏，相应地，生产控制也只能被动跟随；②JIT计划编制的源头、控制点仅仅放在交货点上，未把系统真正的控制点放在瓶颈处，导致部门间哄抢系统资源，有限资源没有用在最需改善的环节上；③JIT在生产管理中致力于消除任何形式的浪费，追求零库存，未考虑库存对系统产销率、物流平衡等方面的作用；④JIT尽量维持生产的稳定和能力平衡，这对于任何企业来说都是一个很高的要求。
1.2 MRPⅡ/ERP、TOC和JIT定位分析
MRPⅡ/ERP适合于宏观调控和长期规划，在企业级发挥着很好的作用，可直接把MRPⅡ/ERP定位在厂级或企业级，负责主生产计划、物料需求计划及各车间零部件的月、周计划。
TOC擅长于能力管理和现场控制，专注于资源安排，通过瓶颈识别、瓶颈调度，使其余环节与瓶颈生产同步，保证物流平衡，寻求需求和能力的最佳结合，使系统产销率最大，这是TOC的优势所在，也是现今企业缺少的部分。因此，把TOC定位在车间级，负责车间或工段工序日作业计划与调度、物料投放计划，充分发挥TOC在车间层作业计划与调度的优势。
JIT擅长于计划执行和成本降低，在降低在制品数量、减少浪费和现场改善等方面具有明显的优势。但是，JIT一味地强调通过降低成本以获取利润是有限度的，另外，JIT所要求的生产环境(如能力平衡、需求供应稳定等)对我国现阶段企业来讲是一个很高的门槛。
因此，把JIT定位在生产现场，负责作业计划的执行、生产的控制和现场的反馈等工作，充分发挥其在降低在制品库存，减少浪费，降低成本，现场改善等执行方面的优势。
2 生产计划管理与控制集成模型
鉴于以上比较和定位，根据生产计划与控制不同层次的要求，本文提取出MRPⅡ/ERP、TOC和JIT三者思想中的合适策略，并加以相互融合，构成一种新的生产管理方法——MTJ(MTJ是以MRPⅡ/ERP、TOC和JIT各自前3个字母的缩写组合而成，代表对三者思想的融合、继承与发展)。图1为在MTJ方法指导下构建的生产计划管理与控制的集成模型。在此模型中，通过订单管理接收客户的订单，结合市场的预测产生订单需求，得到主生产计划(Master Production Schedule，MPS)。此处的MPS可能与实际产能限制相差甚远，因此，通过无限能力法倒排计划，首先识别系统的瓶颈，再根据瓶颈产能的限制及瓶颈产销率最大化确定订单的优先级，据此修正订单的负荷，得到符合实际生产能力的生产计划，称为MPSⅡ。显见，MPSⅡ在能力平衡的逻辑和能力平衡的对象上，与MRPⅡ/ERP中传统的MPS有所不同，所以加Ⅱ以示区分。
图1 生产计划管理与控制集成模型
确定好了MPSⅡ，根据生产网络得到MRP。再根据MRP确定车间零部件计划、外协计划和物料采购计划。车间工序计划是车间零部件计划的细分，除了对零部件计划进行BOM分解外，还要考虑车间生产能力的限制。如果车间能力现状无法编制合理的工序计划，则反馈给车间零部件计划进行调整，直至得到合理的工序计划。
基于TOC的车间计划编制与生产作业调度以车间工序计划为源头，先安排瓶颈资源的关键件生产进度计划，再编制瓶颈资源上非关键件的生产进度计划，最后根据瓶颈的生产节奏编制非瓶颈资源的生产进度计划，控制非瓶颈生产与瓶颈资源同步。
生产计划执行和现场控制以JIT哲理为主，融合TOC理论中的瓶颈、绳子、缓冲及缓冲区管理来实现。采用绳子逐道工序地传递瓶颈的需求，各工序得到瓶颈的指令后，再按鼓的节奏组织生产，补充瓶颈所需的物料，在合适的时间传送到合适的地点，实现准时生产。
3 生产计划管理与控制运作逻辑
3.1 生产网络的构建
生产网络是本集成模型的重要组成部分，是生产计划管理与控制运作的基础，在MPS、车间生产调度和车间瓶颈管理等模块都要用到生产网络，生产网络由产品网络、资源描述、资源利用以及工艺路线等组成(如图2)，其中：
图2 生产网络的构建
(1)产品网络是对BOM的上下拓展，定义了市场需求(企业的订货或预测)、BOM结构(产品、组合件、零件、相关层次和结构数量)、原材料三者之间的连接和相互关系。
(2)资源描述是对企业各种资源的具体描述，包括所有资源库(物料、设备、工装、工人、资料和空间等基本信息)以及替代资源及影响、资源的能力和资源的储备等。
(3)资源利用是具体地对应到每个物料(产品、组合件、零件和材料)上，以“工艺规程”为桥梁把产品结构和资源利用动态联系起来，定义每道工序所使用的资源，如设备、辅助设备、工装、工种和工艺图纸等。
生产网络随着生产的进行而动态变化，实时反映生产的客观状况，有利于瓶颈的动态管理及在瓶颈的动态平衡中进行生产调度。
3.2 基于瓶颈的MPSⅡ/MRP的制定逻辑
本模型中，以系统实际存在的瓶颈为基准，以瓶颈产能及瓶颈产销率最大化为目标，直接利用瓶颈的能力限制，依据瓶颈单位时间的产销率调整订单负荷，得到MPSⅡ。通过瓶颈调整得到的MPSⅡ已经保证了整个生产系统负荷的合理以及与生产实际能力的吻合，再结合反映生产实际的提前期、生产网络，就可以得到可行、准确的MRP。基于瓶颈的MPSⅡ/MRP制定逻辑解决了MRPⅡ/ERP能力约束考虑不足的问题：
(1)负荷/能力平衡以瓶颈产能限制为依据进行负荷的修正，更具简单化和实用化MRPⅡ/ERP从MRP发展而来，而MRP并未考虑能力约束问题，虽然MRPⅡ/ERP加入了粗能力平衡(Rough-cut Capacity Planning，RCCP)和细能力平衡(Capacity Requirements Planning，CRP)，但并不能弥补其在能力平衡上的缺点。MRPⅡ/ERP通过这两个平衡环节进行多次循环调整，是一个双向联动的过程，而本模型中负荷/能力平衡是一个单向调整的过程，它依据瓶颈产能限制直接对MPS的负荷进行修正，更加简单和实用。
(2)负荷/能力平衡只抓瓶颈设备，更具操作性和层次性
MRPⅡ/ERP中RCCP是基于关键设备进行能力平衡的。关键设备是提前设置好的，而瓶颈设备是随着生产实际的进行动态变化的。因此关键设备未必就是瓶颈设备，而非瓶颈的关键设备的产能最大化并不会对系统的产销率产生任何作用，反而会增加系统库存和运行费。这样，经过RCCP看似平衡的能力极有可能误导后续MRP等工作。MRPⅡ/ERP中CRP是基于全部设备进行能力平衡的，对所有资源均同等对待，并未凸现出瓶颈设备对整个产能、物流平衡和产销率等的重要影响。本模型平衡的对象为瓶颈设备，瓶颈设备是相对于其他设备而言能力不能满足负荷的设备。如果能力平衡能保证瓶颈能力的满足，必然就能保证非瓶颈能力的满足。所以，本模型降低了能力平衡的工作量，且更具操作性。在得到有效的MPSⅡ后，可以充分利用MRPⅡ/ERP的整体规划优势，得到各车间零部件的月、周计划和各车间的零部件月、周计划。
(3)物料需求计划
在MRPⅡ/ERP系统中，往往由于源头数据(主生产计划、零部件的生产提前期)无法准确得到，导致MRP难以发挥作用，不能做到真正的按需供给。本模型消除了这两方面对MRP的影响，可以充分利用其物料需求规划的优势，得到有效的物料需求。
3.3 基于TOC的作业计划与调度
TOC的生产计划与控制是通过鼓-缓冲-绳(Drum-Buffer Rope，DBR)来实现的，如图3所示。
图3 鼓、缓冲器和绳子模型
DBR根据瓶颈或产能受限资源(Capacity Constraint Resources，CCR)的可用能力来确定企业的最大物流量，鼓反映系统对瓶颈的利用程度，确定系统的生产节奏；缓冲器是在瓶颈前、装配前人为地控制适量的在制品库存，以吸收那些无法预期的改变，保护鼓的节奏，控制物流平衡；绳子传递瓶颈的需求，并按鼓的节奏控制各工序物料的投料时机和数量、各工序的加工节奏以及在制品的库存水平。
在本模型中，首先，车间层基于生产网络，把车间零部件计划按照无限排产倒排法展开为工序计划，判断平均负荷率，最高的即为瓶颈设备。如果是首次进行生产调度安排，则继承能力/负荷平衡阶段识别的瓶颈，并对此瓶颈加以确认。否则，判定瓶颈是否发生漂移。
其次，依据瓶颈的位置把产品网络分裂为瓶颈资源网络和非瓶颈资源网络。瓶颈资源网络由瓶颈作业及其下游作业(包括市场需求和客户订单)构成，其余为非瓶颈资源网络。
再次，用有限能力排产法安排瓶颈上加工工序的生产作业进度计划，再以瓶颈工序为基准，把瓶颈工序之前、之间和之后的工序分别按拉动、工艺顺序、推动的方式排定，并进行一定优化。同时，动态制定每个作业的运输批量、加工批量，保证物流平衡、在制品库存合理和瓶颈利用率最大。
最后，设置缓冲和绳子，并根据绳子的设置和瓶颈消耗物料的速率，结合一定的物料调度规则，得到物料的投放计划。
TOC在作业调度时把生产网络分为瓶颈调度和非瓶颈调度，首先对瓶颈进行调度，然后再对非瓶颈进行调度，体现了调度更有层次性。非瓶颈资源是能力过剩的资源，但其并不能额外生产，只能按照瓶颈的节拍进行受控生产。瓶颈之前的非瓶颈只能按照瓶颈的需要准时适量生产，瓶颈之后的非瓶颈只能接收瓶颈生产的有限物料进行生产。这样，非瓶颈资源上需要加工的作业相对于其能力并不饱满，订单竞争资源并不严重，因此，非瓶颈处现场调度/派工就不会很复杂。一般情况下，使用最简单的先到先服务(FCFS)优先派工规则即可完成非瓶颈的作业调度。这样，整个生产调度的重点就落在瓶颈调度上，而瓶颈处操作有限，大大降低了调度问题域的维数，减轻了调度的工作量，为采用比较复杂的最优化调度算法提供了可能性。
3.4 基于瓶颈的JIT计划执行与控制
在现场层，JIT融合TOC理论后，使本模型具备了以下新的特征：
(1)看板换成了绳子
绳子对瓶颈环节之前的工序按拉动方式倒传生产指令，对瓶颈后的工序按推动方式顺传生产指令，通过推拉结合进行按需准时适量生产，保证生产的均衡化、同步化(如图4)。相比看板管理(Kanban)，采用绳子管理的JIT生产具有以下特点：①综合了推拉的优势，更具张力和柔性；②通用性更强，适用于更广泛的应用环境；③使工序间具有协调、控制机制，在制品更少。
图4 基于绳子的JIT生产
(2)零库存换成了缓冲区
在我国现有国情下，零库存很难达到，缓冲在一定程度上顺应了JIT在我国本土化的要求。缓冲与传统的安全库存有很大的区别，安全库存只为每台设备的不闲置而特意设置，并未考虑订单能否准时完成这个最终目的。而缓冲针对瓶颈环节，在其提前期上增加了一定裕度，为保证订单准时完成而设置。且缓冲受人为控制，允许一定库存、一定等待存在。
如图5所示，产出链上有4种作业：瓶颈作业M、M之前的加工作业、M之后的加工作业、与M装配的零部件之前的加工作业。相应地，存在瓶颈、装配和发货3种形式的缓冲，以保证投料后生产按鼓的节奏及时到达瓶颈、及时通过瓶颈进行装配、及时交货。每个缓冲区又可分为赶工区(expediting zone)、警示区(mentioned zone)和忽略区(ignored zone)3个区段。缓冲区中尚未到达的零部件为空洞(hole)，空洞可以反映现场加工的顺畅程度、订单是否及时交货以及时间缓冲大小设置是否适当等问题。根据空洞的位置和多少，可以确立亟需改进的环节，进而主动采取适当的措施，以最少投入(仅对缓冲区域)即可获得最大的现场管理效果。
图5 瓶颈作业的缓冲模型
4 结束语
本文针对MRPⅡ/ERP、JIT、TOC三者在生产计划与控制方面的优缺点，并将三者融合，相互取长补短，形成了一种新的管理方法MTJ，并在MTJ方法的指导下构建了生产计划管理与控制模型。在本模型中，把MRPⅡ/ERP定位在厂级或企业级，负责主生产计划、物料需求及各车间的月、周零部件计划；TOC定位在车间级，负责车间、工段工序日作业计划与调度、物料投放计划；JIT定位在生产现场，负责作业计划的执行、生产的控制和现场的反馈。通过在不同层次、不同阶段，采用不同生产管理策略，体现了MTJ方法的先进性、层次性和实用性。MTJ方法支撑的生产计划管理与控制模型，充分利用了MRPⅡ/ERP、JIT、TOC三者思想的精髓和优势，同时，很好地规避了各自使用的局限和不足。
转载请注明出处：拓步ERP资讯网http://www.toberp.com/
本文标题：集成化生产计划管理与控制模型
相关文章
