0 引言
物料需求計劃(Material Requirement Planning，MRP)、制造資源計劃(Manufacture Resource Planning，MRPⅡ/ERP)、準時化生產(Just in Time，JIT)和約束理論(Theory of Constraints，TOC)等生產管理技術在不同時期、不同生產環境中都發揮了重要的作用，在我國，這些生產管理技術也有著不同程度的應用和發展。
許多學者對三者性能進行了模擬和對比，研究了MRP/MRPⅡ/ERP和OPT/TOC的集成，以MRP/MRPⅡ/ERP系統為框架，嵌入具有TOC的某些功能模塊，在最大程度地利用MRP/MRPⅡ/ERP系統框架和計算邏輯的基礎上實現集成。但這些集成只能算作MRP/MRPⅡ/ERP系統的部分優化和改良，并不能徹底解決因其理論缺點而帶來的根本性問題。因此，需要跳出某個系統框架的限制，不以某個具體的系統為藍本進行填充或彌補，而以MRPⅡ/ERP、JIT和TOC各自系統所體現的思想或哲理為研究對象，考慮繼承與發展，根據生產計劃與控制的不同層次需求，選擇不同的生產管理策略，并把合適層次的合適策略融合起來，形成一種新的生產管理方法，再在新集成方法指導下研究生產計劃管理與控制。
1 MRPⅡ/ERP、TOC和JIT優缺點比較及定位分析
1.1 MRPⅡ/ERP、TOC和JIT優缺點比較
MRPⅡ/ERP的優勢在于中長期計劃的能力，強調計劃推動，用盡可能周密的計劃集中安排各環節的人、物等資源及生產加工，以應對生產的不確定性。
MRPⅡ/ERP存在的問題為：①MRPⅡ/ERP的提前期是推式計劃的結果，需要提前設定，因而很可能造成與實際情況不符，導致在制品庫存增加；②批量不分加工批量和運轉批量，且與系統的輸入批量相等，影響訂單的流動時間和提前期；③能力約束考慮不足，往往造成生產計劃無法完成、物料需求不切實際；④MRPⅡ/ERP為每道工序安排計劃，每道工序都嚴格按照既定的計劃進行生產，而工序間又無協調機制，無法動態保證每道工序問的關聯，造成工序間產量不平衡、在制品庫存增加以及需求與生產不一致等問題；⑤MRPⅡ/ERP制定計劃時不考慮控制，只能通過事后反饋進行生產控制，相對于生產實際存在一定的滯后；⑥MRPⅡ/ERP生成計劃時，逐層展開物料清單(Bill of Material，BOM)，為每層零組件生成1年的物料需求計劃、采購計劃、作業加工計劃等，由于誤差的累積，生成的作業計劃很容易與實際脫節。另外，對那些已無法保證完成計劃的產品，進行進一步分解和計算已毫無意義；⑦計劃調整時，問題自底向上層層反饋和所有計劃自頂向下層層重排，造成生產計劃的抗擾動能力差；⑧MRPⅡ/ERP通常以周或天為運行單位，無法對每周或每天之內發生的變化做出迅速的響應，致使底層功能較弱。
TOC的優勢在于：①正視瓶頸的存在并充分利用瓶頸，區別對待瓶頸計劃調度和非瓶頸計劃調度；②不需要預先設定提前期，提前期是編制計劃的結果；③綜合了推拉兩種方式的優點；④承認能力不平衡的絕對性，保證生產物流的平衡和生產節奏的同步；⑤它是集計劃與控制于一體的方法，在制訂計劃時已考慮現場控制的實際，并對預控制的困難問題(瓶頸)提前進行了計劃，一定程度上保證了計劃的可行；在計劃執行時，由非瓶頸配合瓶頸，進行物流平衡，保證計劃的有效；一旦瓶頸發生漂移，系統會重新判定新的瓶頸，再依據新的瓶頸重新建立一個新的物流平衡系統，從而達到控制、制約計劃的目的，實現計劃與控制的集成與統一。
TOC存在的問題為：①的瓶頸漂移為生產管理增加了難度，一旦辨識出現滯后或偏差等問題，將極大地影響后續的工作；②僅強調短期最優化，對長期戰略決策沒有幫助。
JIT的優勢在于：①強調需求牽引、相互合作，以及消除浪費和減少成本，注重現場改善；②JIT的拉式生產保證了較低的在制品庫存水平和較高的客戶服務水平。
JIT存在的問題為：①中長期計劃性弱，各工序在計劃執行過程中缺乏整體計劃的指導，盲目跟進和被動順應后道工序的要求，致使整個環節加工情況時好時壞，相應地，生產控制也只能被動跟隨；②JIT計劃編制的源頭、控制點僅僅放在交貨點上，未把系統真正的控制點放在瓶頸處，導致部門間哄搶系統資源，有限資源沒有用在最需改善的環節上；③JIT在生產管理中致力于消除任何形式的浪費，追求零庫存，未考慮庫存對系統產銷率、物流平衡等方面的作用；④JIT盡量維持生產的穩定和能力平衡，這對于任何企業來說都是一個很高的要求。
1.2 MRPⅡ/ERP、TOC和JIT定位分析
MRPⅡ/ERP適合于宏觀調控和長期規劃，在企業級發揮著很好的作用，可直接把MRPⅡ/ERP定位在廠級或企業級，負責主生產計劃、物料需求計劃及各車間零部件的月、周計劃。
TOC擅長于能力管理和現場控制，專注于資源安排，通過瓶頸識別、瓶頸調度，使其余環節與瓶頸生產同步，保證物流平衡，尋求需求和能力的最佳結合，使系統產銷率最大，這是TOC的優勢所在，也是現今企業缺少的部分。因此，把TOC定位在車間級，負責車間或工段工序日作業計劃與調度、物料投放計劃，充分發揮TOC在車間層作業計劃與調度的優勢。
JIT擅長于計劃執行和成本降低，在降低在制品數量、減少浪費和現場改善等方面具有明顯的優勢。但是，JIT一味地強調通過降低成本以獲取利潤是有限度的，另外，JIT所要求的生產環境(如能力平衡、需求供應穩定等)對我國現階段企業來講是一個很高的門檻。
因此，把JIT定位在生產現場，負責作業計劃的執行、生產的控制和現場的反饋等工作，充分發揮其在降低在制品庫存，減少浪費，降低成本，現場改善等執行方面的優勢。
2 生產計劃管理與控制集成模型
鑒于以上比較和定位，根據生產計劃與控制不同層次的要求，本文提取出MRPⅡ/ERP、TOC和JIT三者思想中的合適策略，并加以相互融合，構成一種新的生產管理方法——MTJ(MTJ是以MRPⅡ/ERP、TOC和JIT各自前3個字母的縮寫組合而成，代表對三者思想的融合、繼承與發展)。圖1為在MTJ方法指導下構建的生產計劃管理與控制的集成模型。在此模型中，通過訂單管理接收客戶的訂單，結合市場的預測產生訂單需求，得到主生產計劃(Master Production Schedule，MPS)。此處的MPS可能與實際產能限制相差甚遠，因此，通過無限能力法倒排計劃，首先識別系統的瓶頸，再根據瓶頸產能的限制及瓶頸產銷率最大化確定訂單的優先級，據此修正訂單的負荷，得到符合實際生產能力的生產計劃，稱為MPSⅡ。顯見，MPSⅡ在能力平衡的邏輯和能力平衡的對象上，與MRPⅡ/ERP中傳統的MPS有所不同，所以加Ⅱ以示區分。
圖1 生產計劃管理與控制集成模型
確定好了MPSⅡ，根據生產網絡得到MRP。再根據MRP確定車間零部件計劃、外協計劃和物料采購計劃。車間工序計劃是車間零部件計劃的細分，除了對零部件計劃進行BOM分解外，還要考慮車間生產能力的限制。如果車間能力現狀無法編制合理的工序計劃，則反饋給車間零部件計劃進行調整，直至得到合理的工序計劃。
基于TOC的車間計劃編制與生產作業調度以車間工序計劃為源頭，先安排瓶頸資源的關鍵件生產進度計劃，再編制瓶頸資源上非關鍵件的生產進度計劃，最后根據瓶頸的生產節奏編制非瓶頸資源的生產進度計劃，控制非瓶頸生產與瓶頸資源同步。
生產計劃執行和現場控制以JIT哲理為主，融合TOC理論中的瓶頸、繩子、緩沖及緩沖區管理來實現。采用繩子逐道工序地傳遞瓶頸的需求，各工序得到瓶頸的指令后，再按鼓的節奏組織生產，補充瓶頸所需的物料，在合適的時間傳送到合適的地點，實現準時生產。
3 生產計劃管理與控制運作邏輯
3.1 生產網絡的構建
生產網絡是本集成模型的重要組成部分，是生產計劃管理與控制運作的基礎，在MPS、車間生產調度和車間瓶頸管理等模塊都要用到生產網絡，生產網絡由產品網絡、資源描述、資源利用以及工藝路線等組成(如圖2)，其中：
圖2 生產網絡的構建
(1)產品網絡是對BOM的上下拓展，定義了市場需求(企業的訂貨或預測)、BOM結構(產品、組合件、零件、相關層次和結構數量)、原材料三者之間的連接和相互關系。
(2)資源描述是對企業各種資源的具體描述，包括所有資源庫(物料、設備、工裝、工人、資料和空間等基本信息)以及替代資源及影響、資源的能力和資源的儲備等。
(3)資源利用是具體地對應到每個物料(產品、組合件、零件和材料)上，以“工藝規程”為橋梁把產品結構和資源利用動態聯系起來，定義每道工序所使用的資源，如設備、輔助設備、工裝、工種和工藝圖紙等。
生產網絡隨著生產的進行而動態變化，實時反映生產的客觀狀況，有利于瓶頸的動態管理及在瓶頸的動態平衡中進行生產調度。
3.2 基于瓶頸的MPSⅡ/MRP的制定邏輯
本模型中，以系統實際存在的瓶頸為基準，以瓶頸產能及瓶頸產銷率最大化為目標，直接利用瓶頸的能力限制，依據瓶頸單位時間的產銷率調整訂單負荷，得到MPSⅡ。通過瓶頸調整得到的MPSⅡ已經保證了整個生產系統負荷的合理以及與生產實際能力的吻合，再結合反映生產實際的提前期、生產網絡，就可以得到可行、準確的MRP。基于瓶頸的MPSⅡ/MRP制定邏輯解決了MRPⅡ/ERP能力約束考慮不足的問題：
(1)負荷/能力平衡以瓶頸產能限制為依據進行負荷的修正，更具簡單化和實用化MRPⅡ/ERP從MRP發展而來，而MRP并未考慮能力約束問題，雖然MRPⅡ/ERP加入了粗能力平衡(Rough-cut Capacity Planning，RCCP)和細能力平衡(Capacity Requirements Planning，CRP)，但并不能彌補其在能力平衡上的缺點。MRPⅡ/ERP通過這兩個平衡環節進行多次循環調整，是一個雙向聯動的過程，而本模型中負荷/能力平衡是一個單向調整的過程，它依據瓶頸產能限制直接對MPS的負荷進行修正，更加簡單和實用。
(2)負荷/能力平衡只抓瓶頸設備，更具操作性和層次性
MRPⅡ/ERP中RCCP是基于關鍵設備進行能力平衡的。關鍵設備是提前設置好的，而瓶頸設備是隨著生產實際的進行動態變化的。因此關鍵設備未必就是瓶頸設備，而非瓶頸的關鍵設備的產能最大化并不會對系統的產銷率產生任何作用，反而會增加系統庫存和運行費。這樣，經過RCCP看似平衡的能力極有可能誤導后續MRP等工作。MRPⅡ/ERP中CRP是基于全部設備進行能力平衡的，對所有資源均同等對待，并未凸現出瓶頸設備對整個產能、物流平衡和產銷率等的重要影響。本模型平衡的對象為瓶頸設備，瓶頸設備是相對于其他設備而言能力不能滿足負荷的設備。如果能力平衡能保證瓶頸能力的滿足，必然就能保證非瓶頸能力的滿足。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的整體規劃優勢，得到各車間零部件的月、周計劃和各車間的零部件月、周計劃。
(3)物料需求計劃
在MRPⅡ/ERP系統中，往往由于源頭數據(主生產計劃、零部件的生產提前期)無法準確得到，導致MRP難以發揮作用，不能做到真正的按需供給。本模型消除了這兩方面對MRP的影響，可以充分利用其物料需求規劃的優勢，得到有效的物料需求。
3.3 基于TOC的作業計劃與調度
TOC的生產計劃與控制是通過鼓-緩沖-繩(Drum-Buffer Rope，DBR)來實現的，如圖3所示。
圖3 鼓、緩沖器和繩子模型
DBR根據瓶頸或產能受限資源(Capacity Constraint Resources，CCR)的可用能力來確定企業的最大物流量，鼓反映系統對瓶頸的利用程度，確定系統的生產節奏；緩沖器是在瓶頸前、裝配前人為地控制適量的在制品庫存，以吸收那些無法預期的改變，保護鼓的節奏，控制物流平衡；繩子傳遞瓶頸的需求，并按鼓的節奏控制各工序物料的投料時機和數量、各工序的加工節奏以及在制品的庫存水平。
在本模型中，首先，車間層基于生產網絡，把車間零部件計劃按照無限排產倒排法展開為工序計劃，判斷平均負荷率，最高的即為瓶頸設備。如果是首次進行生產調度安排，則繼承能力/負荷平衡階段識別的瓶頸，并對此瓶頸加以確認。否則，判定瓶頸是否發生漂移。
其次，依據瓶頸的位置把產品網絡分裂為瓶頸資源網絡和非瓶頸資源網絡。瓶頸資源網絡由瓶頸作業及其下游作業(包括市場需求和客戶訂單)構成，其余為非瓶頸資源網絡。
再次，用有限能力排產法安排瓶頸上加工工序的生產作業進度計劃，再以瓶頸工序為基準，把瓶頸工序之前、之間和之后的工序分別按拉動、工藝順序、推動的方式排定，并進行一定優化。同時，動態制定每個作業的運輸批量、加工批量，保證物流平衡、在制品庫存合理和瓶頸利用率最大。
最后，設置緩沖和繩子，并根據繩子的設置和瓶頸消耗物料的速率，結合一定的物料調度規則，得到物料的投放計劃。
TOC在作業調度時把生產網絡分為瓶頸調度和非瓶頸調度，首先對瓶頸進行調度，然后再對非瓶頸進行調度，體現了調度更有層次性。非瓶頸資源是能力過剩的資源，但其并不能額外生產，只能按照瓶頸的節拍進行受控生產。瓶頸之前的非瓶頸只能按照瓶頸的需要準時適量生產，瓶頸之后的非瓶頸只能接收瓶頸生產的有限物料進行生產。這樣，非瓶頸資源上需要加工的作業相對于其能力并不飽滿，訂單競爭資源并不嚴重，因此，非瓶頸處現場調度/派工就不會很復雜。一般情況下，使用最簡單的先到先服務(FCFS)優先派工規則即可完成非瓶頸的作業調度。這樣，整個生產調度的重點就落在瓶頸調度上，而瓶頸處操作有限，大大降低了調度問題域的維數，減輕了調度的工作量，為采用比較復雜的最優化調度算法提供了可能性。
3.4 基于瓶頸的JIT計劃執行與控制
在現場層，JIT融合TOC理論后，使本模型具備了以下新的特征：
(1)看板換成了繩子
繩子對瓶頸環節之前的工序按拉動方式倒傳生產指令，對瓶頸后的工序按推動方式順傳生產指令，通過推拉結合進行按需準時適量生產，保證生產的均衡化、同步化(如圖4)。相比看板管理(Kanban)，采用繩子管理的JIT生產具有以下特點：①綜合了推拉的優勢，更具張力和柔性；②通用性更強，適用于更廣泛的應用環境；③使工序間具有協調、控制機制，在制品更少。
圖4 基于繩子的JIT生產
(2)零庫存換成了緩沖區
在我國現有國情下，零庫存很難達到，緩沖在一定程度上順應了JIT在我國本土化的要求。緩沖與傳統的安全庫存有很大的區別，安全庫存只為每臺設備的不閑置而特意設置，并未考慮訂單能否準時完成這個最終目的。而緩沖針對瓶頸環節，在其提前期上增加了一定裕度，為保證訂單準時完成而設置。且緩沖受人為控制，允許一定庫存、一定等待存在。
如圖5所示，產出鏈上有4種作業：瓶頸作業M、M之前的加工作業、M之后的加工作業、與M裝配的零部件之前的加工作業。相應地，存在瓶頸、裝配和發貨3種形式的緩沖，以保證投料后生產按鼓的節奏及時到達瓶頸、及時通過瓶頸進行裝配、及時交貨。每個緩沖區又可分為趕工區(expediting zone)、警示區(mentioned zone)和忽略區(ignored zone)3個區段。緩沖區中尚未到達的零部件為空洞(hole)，空洞可以反映現場加工的順暢程度、訂單是否及時交貨以及時間緩沖大小設置是否適當等問題。根據空洞的位置和多少，可以確立亟需改進的環節，進而主動采取適當的措施，以最少投入(僅對緩沖區域)即可獲得最大的現場管理效果。
圖5 瓶頸作業的緩沖模型
4 結束語
本文針對MRPⅡ/ERP、JIT、TOC三者在生產計劃與控制方面的優缺點，并將三者融合，相互取長補短，形成了一種新的管理方法MTJ，并在MTJ方法的指導下構建了生產計劃管理與控制模型。在本模型中，把MRPⅡ/ERP定位在廠級或企業級，負責主生產計劃、物料需求及各車間的月、周零部件計劃；TOC定位在車間級，負責車間、工段工序日作業計劃與調度、物料投放計劃；JIT定位在生產現場，負責作業計劃的執行、生產的控制和現場的反饋。通過在不同層次、不同階段，采用不同生產管理策略，體現了MTJ方法的先進性、層次性和實用性。MTJ方法支撐的生產計劃管理與控制模型，充分利用了MRPⅡ/ERP、JIT、TOC三者思想的精髓和優勢，同時，很好地規避了各自使用的局限和不足。
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本文標題：集成化生產計劃管理與控制模型
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