约束理论原理的计算机软件实现（by AMT王玉荣、孔祥云）

约束理论原理的计算机软件实现

一、TOC软件产品

TOC软件包是实现TOC思想的主要工具。TOC软件的应用，标志着TOC的发展达到了一个新的阶段。TOC软件首先是由Creative Output有限公司（COI）开发的。实践表明，TOC软件的应用使许多企业都取得了巨大的经济效益，因而TOC也越来越被人们所重视，其相应软件的用户也逐渐扩展到大、中、小型各级企业。

目前，最流行的TOC软件有OPT2l和OPT5000，其中，OPT21主要是针对大中型企业的，而0PT5000则是面向小型企业的。

OPT2l及OPT5000的主要输出有：

• 产品出产计划；
• 详细的生产作业计划；
• 交货期的执行情况；
• 资源的利用情况；
• 采购计划；
• 库存报告；
• 有关有效产出和库存的财务报告。

二、TOC软件的工作原理

TOC软件系统的算法现在仍是保密的，该算法的核心在于识别“约束”及对“约束”的排程安排（排序）。从模块构成来看，TOC软件系统主要由BUILDNET、SPLIT、SERVE和BRAIN几个模块构成。其信息流如图1所示。

图1 TOC软件系统信息流程图

具体的运行步骤主要有：

（l）构造制造企业的模型

要运行TOC软件，第一步就是要对企业进行模型构造，这是由BUILDNET模块来完成的。首先，需要对整个加工生产系统有一个完整的描述，这个功能是由一个叫做“产品网络”的模块来实现的。“产品网络”准确地表示了一个产品是怎样制造出来的，它包含产品结构文件和加工路线文件两部分内容，只不过在软件运行中这两部分信息是通过网络结合在一起，构成一个文件。图2所示的就是一个TOC“产品网络”图。图的上端是市场需求（即企业的订货或预测），它联系着各种产品，即相应的产品装配，装配又依次联系着局部装配和零部件的加工制造，然后，与原材料联系在一起。对应于每个工序都给出了使用的资源、调整准备时间和加工时间。

图2 TOC产品网络

对于企业现有的各种资源的具体描述是在“资源描述”这个模块中完成的。每种资源（机器、工人、空间等）及其替代资源和它们的相互影响、允许加工时间、用于加工的某种资源的数量等，都在这个模块中被确定下来。

TOC软件具有很完整的生产模拟功能，它允许定义每道工序的库存水平、最大库存限制、最小批量、辅助设备和计划延迟时间。除此之外，订货量和交货期也要输入“产品网络”。

BUILDNET模块是将“产品网络”和“资源描述”模块中的信息结合起来，生成一个工程网络。BUILDNET的一个强有力的地方表现在其模型化的语言上，该语言能精确地描述生产制造中的大量数据，从而使得TOC软件对企业进行成功而精确的模型化构造。在工程网络中，编程语言可以对各种可选择的作业，甚至对可选择的物料清单进行详细的描述。据称，在这样的网络中，完全描述各种关系只需24个数据字段。另外，BUILDNET还具有提示数据逻辑错误的功能，例如，“物料清单没有与工艺路线相联”、“存在没有去处的库存”、“顾客提出了不存在的产品的需求”等。此外，加之BUILDNET还具有便利的数据修改维护功能，从而保证了数据的相对精确。

（2）识别“约束”

一旦工程网络建立起来，接下来的工作就是确定企业中的“约束”或者说瓶颈在哪里。这是由SERVE模块来完成的。通过运行工程网络以及采取类似MRP的倒排方法来实现，并假设每种资源的生产能力是无限的。SERVE可以看作是MRP系统的一种提高形式。SERVE的一个输出是各个资源的负荷率，这些负荷率与按MRP系统生成方式生产的数据相类似，一般较标准的形式可以参看图3所示。

图3资源负荷率示例

从图中可以看出，资源的负荷率一般都是参差不齐的。通常的作法是通过将超量的负荷的前移或后移来实现能力平衡，但这将涉及到产品结构的所有层次，实现起来极其困难。SERVE模块在计算各个资源的负荷率的基础上，还计算了每种资源的平均负荷率，并以此来确定瓶颈。如果工程网络的数据完全精确，很明显，平均负荷率最高的就是瓶颈，如图所示的机器3。

所以，这个阶段还包括一个数据的核实确认的过程。

（3）生产计划的生成

当一个“约束”被确定之后，SPLIT模块将工程网络分成两部分：主网络（关键资源网络）和服务网络（非关键资源网络），主网络部分由瓶颈作业和其下游作业（包括顾客需求在内）构成，如图4所示，其余的部分为服务网络。对于主网络，通过BRAIN模块采用有限能力顺排的方法编制作业计划，目标是使“约束”上的空闲时间为零，使有效产出最大。BRAIN的处理机制至今尚未公开，其关键算法仍是保密的。它所生成的不仅包括生产计划，而且确定了每个作业的传送批量和加工批量。对于服务网络，则再通过SERVE模块采用无限能力倒排的方法编制作业计划。

图4关键资源网络、非关键资源网络的划分

第二次调用SERVE模块时，不是从定单上的完工期限开始倒排，而是从BRAIN模块确定的完工期限开始倒排。

（4）计划的保护

在生产计划生成之后，接着还应设置“缓冲器”。其中在两个关键的地方一般要设置“缓冲器”，一是在约束资源前，二是在非约束资源与来自约束资源加工路线的交叉点上。计划中，工件在这些位置应安排在其需要的时间之前到达，提前多少时间应取决于某一特殊的制造环境，通常有几天或一个星期。使工件提前一个星期到达约束资源将使约束资源免受任何少于一个星期的干扰（或中断），在交叉点也有同样的关系，工件的提前到达，可以使整个系统的产出不受延迟的干扰。

以上步骤一旦完成，如果在系统中没有其它的“约束”或瓶颈，TOC软件的结果也就生成了。然而，通常在第一个循环的最后，往往会发现在系统中还有其它的“约束”，如果这样，则应重新检查数据的合理性并返回重复以上的过程。一般要重复五到六次，直到所有的“约束”都移到工程网络的关键资源部分为止。

三、应用TOC软件的条件与环境

对于TOC软件，目前西方理论界的认识还不一致，存在着各种看法，主要包括：①把TOC软件当做一种新的计划思想；②作为一种作业计划的仿真语言；③作为生成MPS、物料和能力需求计划及详细计划的一个软件包；④作为一种处理数据精确度的一种尝试，以求在数据精确度要求不高的情况下获得利润。

但有一点很重要，即TOC软件目前所实现的是车间现场管理，其着眼点在于企业车间现场的一些决策量上，并据此来实现对生产的计划与控制。其基本点是使用一些重要的判定准则来决定每一作业的先后顺序，即使用一组“评价指标”的加权函数，来确定每个作业的优先权数及批量，制定出一个合理可行的生产计划。这些评价指标涉及到理想的产品组合、交货期、理想的安全库存水平以及约束资源的使用等等。

（一）成功应用TOC软件的条件

成功应用TOC软件，应具备以下几个条件：

1.制定计划后的落实、工作绩效的考评。

在落实计划过程中，传统的许多做法是有害的，如传统的成本会计的考核体系。因为成本会计体系忽视了瓶颈与非瓶颈的区别，其考核一般是通过设备和操作工人的利用率及生产成本，而不是通过整个系统的有效性来进行的，它着重于局部的优化，这必然助长了人们盲目生产的作法，其结果是无论对瓶颈资源还是对非瓶颈资源都力求充分地使用。各环节为了完成工时和设备利用率会盲目生产，最终必然导致高库存和浪费。针对这些情况，应用TOC软件时则力求从全局的观点来进行考核，从原材料的采购一直追踪到产品销售。其考核体系对“约束”与“非约束”是分别对待的，认为对“非约束”的考核不应以生产量为依据，而应以它生产的有效的产品量来考核。按TOC观点，成本会计注重的是“活力”而非“利用”，而正确的做法应该是注重“利用”而非“活力”。

2.数据支持

TOC软件的具体运行和MRP一样需要大量的数据支持，例如产品结构文件（BOM）、加工工艺文件以及精确的加工时间、调整准备时间、最小批量、最大库存、替代设备等等数据。TOC软件对于约束资源和近似于约束的资源的数据要求精确。

3.对管理者的要求

要成功地应用TOC软件，还要求管理者必须对TOC软件产生的计划要有信心，要改变一些旧的作业方式，例如接受午餐和工修连续工作制的作法等。

4.对员工的要求

应用TOC软件还需对员工进行培训，使他们能在不同的生产岗位上及时发现问题，跟踪问题，最终用TOC的原理和方法来解决问题。

（二）应用TOC软件的环境要求

究竟什么情况下适用TOC软件，可以通过综合评分法来决策。

表1应用TOC软件环境要求的综合评分法

从TOC软件的应用实践表明，它比较适合于一些零件种数较少、批量大的产品，而在单件生产车间中发挥的效果不佳。其适用条件为：

①“约束”要相对稳定；
②“约束”要保证达到100％的负荷能力；
③需求是相对稳定的；
④员工愿意而且能够服从计划的调度安排。