平衡产能还是平衡流量，你选哪一个？

作者：曹晓峰

精益顾问和TOC顾问经常会对要否平衡产能发生争执，TOC的观点是，不要平衡产能而要平衡流量。于是，有位企业界的朋友问，为了平衡流量还需要把各个工序的作业时间规划得大致相同吗？在设计新工厂的时候还要考虑产能的平衡吗？还需要改善生产线平衡率吗？尤其是很多推行精益生产的企业都把生产线平衡率的改善作为一个评价精益生产效果的指标。

很多时候，当我们彼此争论不休的时候，往往忽视了彼此观点背后的假设或前提条件，这就导致冲突在所难免，一旦我们静下来把彼此观点背后的假设条件列出来，你会惊奇地发现，冲突往往也就烟消云散了。

01—哪一条生产线更好？

在加入观点之战前，我们还是先回答下面这个问题，以辨析或厘清“平衡产能”和“平衡流量”这两个概念。图1中，哪条生产线的绩效更好？

图1. 比较不同生产线的绩效

仅凭图1给出的信息恐怕是难以做出更好的回答，我们需要补充一些图形背后的信息和假设条件。

首先，生产线的绩效指的是什么？我们需要一个评判的标准。我们可以比较每条线的产出效率（单位时间的产出量）、平均生产周期时间、平均在制品数量和资源占用成本等几个指标。

其次，上述几条生产线的每个工序的周期时间（CT，Cycle Time）指的是每个工序或工作站，处理一件产品的原始加工时间（RPT，Raw Process Time），我们通常也使用抽样的平均值来表示。

第三，假设上述生产线是串行生产线，每个工序（1#、2#、3#）使用一台设备或一个人力，即每个工序占用一个资源，每个资源具有相同的可用工作时间。另外假设生产线有充分的需求和足量的原材料供应。

第四，我们假设生产环境中的变化因素对于每条线都是相同的，然后比较在无变动性或变动性很低情况下的生产线绩效，以及变动性中等或较高情况下的各生产线的绩效。

列出所有的可能情况是复杂的，也是没有必要的，如果能从原理和原则角度解释清楚生产线的运作规律就足以增加生产管理人员的有效直觉了。良好的逻辑分析和直觉判断能力是经理人员在复杂环境下也能保持高绩效运作的关键。

根据以上所补充的信息，图1中的A生产线和B生产线相比，A是近乎完美平衡的生产线（平衡率100%），B是不平衡的生产线，如果计算一下B生产线的平衡效率是多少呢？B线的平衡率是（1+2+1）/2*3=67%。A线和B线相比，谁的产出效率高呢？产出速率是由瓶颈的加工速率决定的，图1中的A和B两条线的瓶颈速率（BNR，Bottleneck rate）相同，都是每生产一件产品需要2个单位的时间（如分钟，或小时）。为简化表示，我们假设单位时间是分钟。

瓶颈速率相同的两天生产线（如A线、B线），其理论产出绩效相同，生产周期绩效和在制品绩效的比较又如何呢？

我们先来看生产周期的绩效表现。下图2以时空图的方式描绘了A和B两条线的生产周期。

图2. 生产线时空图

从上图2可以看出，完美平衡的A生产线和平衡率为67%的B生产线，在流水生产数量为n件时，其生产周期的差异就在于生产第一个零件的时长，其后的每个零件的生产时长都等于瓶颈加工时间。也就是说，除了第一个零件之外，两条生产线上的每个零件都以瓶颈的速率为节拍在稳定和连续的生产，直到完成整个批量。如果批量足够大，可以说A和B两条生产线的周期时间近似相等。如果批量较小，工序流程较长（有更多的生产过程或工序），则差异就比较大了。同等情况下比较，显然B生产线要稍微有利一些。比如，在小批量试制时可以更快。

产出速率相同情况下的更短的生产周期（如B生产线在小批量时）显然可以更快地向顾客交付产品（接单式生产模式下），可以获得以准时交付率衡量的更高的客户服务水平。接单生产模式（MTO）下的客户服务水平就是指订单生产周期小于等于承诺交付周期的概率。更短的交付周期和更高的准交率总是客户所期待的，如果我们能够有方法在这两方面建立明显超越竞争对手的优势，我们就能够在市场上获得更多的营收增长机会。从亨利·福特到大野耐一，所形成的精益思想的核心目标之一就是致力于大幅缩短生产周期。

接着比较一下A和B两条生产线的在制品（WIP，WorkIn Process）水平。为了保障生产线的稳定产出，所需要的在制品数量越少，则以在制品衡量的生产线的绩效就越高。生产线需要一定数量的在制品，但显然不需要太多，那么最少的必要数量的在制品是多少呢？我们用利特尔定律来计算一下。

对于一个连续稳定的生产过程，利特尔定律可以用公式表达如下：

CT=WIP/TH或WIP=CTxTH

式中，CT=生产线的周期时间；WIP=生产线的在制品数量；TH=生产线的产出速率。

为了计算临界在制品（CW，Critical WIP）水平，我们需要知道另外两个参数的临界值，即生产周期时间的临界值和产出速率的临界值。生产周期的临界值为所有工序的原始加工时间（RPT，Raw Process Time）之和，产出速率的临界值（最高值）等于瓶颈加工速率（BPR，Bottleneck rate），所以，利特尔定律的公式可以改写为：

CW = RPT x BNR

计算并对比图1中的A生产线和B生产线的临界在制品水平：

CWA=（2+2+2）x（1/2）=3（件）

CWB=（1+2+1）x（1/2）=2（件）

上面的计算结果表明，B生产线对比A生产线需要更少的临界在制品即可维持生产线的连续运转。当然这是理论上计算的结果，受到变动性的影响，实际的WIP水平需要有所增加才能保障生产线以瓶颈速率或接近瓶颈的速率生产，变动性越大，所需的在制品数量就越多。如下图3所示。

图3. 在制品-产出影响图

上图中，红线代表的是无变动性影响的情况下，两条生产线的理论产出曲线。从图中能看出，A线和B线的在制品数量在超过临界在制品水平后，继续增加在制品数量，理论产出速率维持不变。代表实际产出绩效的蓝色曲线随着在制品数量的增加逐渐接近红色曲线，最后也趋于平稳。之所以实际的产出绩效会逐渐接近理论产出绩效，就是因为作为库存缓冲的在制品吸收了大多数的变动性的影响。

关于变动性的问题我们后面再谈，现在假设A和B两条生产线的变动性为零。为什么不平衡的B生产线比平衡的A生产线需要更少的临界在制品数量就可以维持生产？利特尔定律只是提供了一个计算结果，真正的原因是，不平衡的B生产线的非瓶颈工序拥有超出瓶颈的富余产能，这部分富余产能为生产线的非瓶颈工序提供了一定的运行缓冲，我们称这种缓冲方式为产能缓冲，产能缓冲的存在部分性地替代了在制品缓冲的作用，所以不平衡的B生产线具有比平衡的A生产线更少的临界在制品。拥有产能缓冲的非瓶颈工序，其加工速率快于瓶颈工序。因此，瓶颈前的非瓶颈工序只要能保证瓶颈有料可做就可以停下来，否则，在制品会很快地充满工作空间而生产线的产出却并无改善。瓶颈后的非瓶颈工序因其加工速率快于瓶颈，很难堆积在制品。这种非瓶颈以瓶颈为中心的控制生产节奏的方式就是TOC所说的流量平衡。相比之下，完美平衡的A生产线则没有这种产能缓冲，也就不能起到在变动性干扰下的保护作用。当然，零变动之下没有问题，有变动性干扰的情况之下，两条生产线的实际绩效就会大不相同。

我们可以找到或建设一条没有变动性干扰的生产线吗？

只要存在变动性，我们就必须采取一定的措施。一个选择是对变动性开战，彻底消除或努力减少变动性。另一个选择是降低变动性的不良影响，通过设置不同的缓冲组合来保护生产线的产出绩效。对于工厂来讲，两种选择都是必要的，也是相互关联的。降低变动性可能需要花费，设置必要的缓冲也需要成本。变动性的降低，减少了系统对缓冲的需求。很难找到二者的一个平衡，但是本质上，我们更应当从源头出发，努力降低系统中的变动性。精益生产中的诸多工具和方法就是在做这件事情，如标准作业、OJT、多技能等。

生产线的缓冲设置有三种，产能缓冲、库存缓冲和时间缓冲。对于很多生产线来讲，通常都不是只有一种缓冲，而是多种缓冲的组合。从成本的角度看，产能往往是已经提前支付过的沉没成本，如已购置的设备，已雇佣的人力，库存则是需要当下支付的现金成本。因此，合理地规划和利用产能缓冲通常情况下要比库存缓冲更为经济。

结论就是，从产出率、周期时间和在制品数量这三个尺度上衡量，不平衡的B生产线都要明显优于完美平衡的A生产线。B生产线的非瓶颈工序因为拥有超过瓶颈的缓冲产能从而减少了对在制品缓冲的需求，所以可以以更少的临界在制品获得与A生产线同样的理论产出速率。如果考虑到相同的变动性的影响，A生产线需要比B生产线更多的在制品缓冲才能获得同样的实际产出绩效（假设有相同的瓶颈速率）。

02—为什么平衡产能？

那么，我们通常所指的平衡产能是在做什么？

传统的观点认为，不平衡的生产线存在资源利用上的浪费（约束理论认为这不是浪费，而是一种保护性产能），因而发起对不平衡的B生产线的研究。

经过一番研究发现，这次的B生产线的确具有很多几乎不需要花钱的改善机会。是否可以不花钱而快速改善，这要视情形而定，但是在精益思维的指导下，很多改善是不需要花钱或只需花费很少的钱（当然还要看改善的方向是为了提升产能还是为了降低成本或者是其它）。例如，在本例中，为了提升产能，B生产线的#2工序是瓶颈，它限制了生产线的产出，也因为较低的平衡率（67%）而使得工序#1的资源和工序#3的资源出现等待的浪费。对工序#2的作业内容分析后发现，可以将一部分作业内容分离出来转给工序#1和工序2#。比如，机加工作业中，减少#1工序的粗加工余量，可以节约#2工序的作业时间，将#2工序中的一部分钻孔作业可以移转给#3工序的加工中心进行。如此一来，可获得重新平衡后的B1生产线。另外一种方式是，如果可能的话，将#3工序的作业内容合并到#1工序，从而可以节约一个资源（设备或人力）。比如采用多能工。IE工程师使用“削峰填谷”方式改善后的生产线分别为B1、B2和B3生产线，见下图4。

图4. 平衡后的B生产线

在上图4中，将平衡改善后的B1生产线和B2生产线分别于A和B两条生产线比较。从产出绩效上看，B1生产线的瓶颈速率提高了，理论产出绩效最好，代价是非瓶颈工序牺牲了少量的产能缓冲。这是重要的吗？这样做是值得的吗？就像比较A生产线和B生产线的绩效一样，如果不能在产出、生产周期和在制品上得到大幅的改善，生产线越平衡，抵御变动性风险的能力就越弱！

B2生产线达到了完美的平衡，理论产出绩效与A和B生产线相同，得到的好处是节约了一个资源。这个好处是真的好处吗？以约束理论的观点来看，我们必须反思这个“节约”是否真的可以降低公司的运营费用，比如是否能开除节省下来的设备或人力，或者是反思这项节约下来的资源是否真的可以在其它地方给公司增加新的收益，比如补充到缺少资源的生产线上以增加其有效产出。如果不能做到的话，那么所谓节省下来的资源或成本往往是虚幻的，这也是为什么很多企业推行精益生产多年，说改善了多少多少，但是在财务效果上却很难看到大的变化的原因所在。

能否平衡和如何平衡要视情况而定，但最重要的是不能忘了为什么而平衡。平衡后的结果也许会是B3生产线的情形。与前面几条生产线相比，瓶颈时间略微加长，导致理论产出绩效下降，但获得的好处是节省了一个资源（是否真的是好处，这需要仔细判断）。B3生产线的产出绩效下降因而不能满足顾客的需求，这可能会成为一个问题，这个问题有方法解决吗？实际上，市场需求是波动的，工厂内的资源包括瓶颈资源也很少会每周7天每天24小时运转，因此，按照比先前瓶颈时间略长（如B线）的加工时间进行生产，生产不足部分以额外的加班方式补足，这可能也会是一个比较好的方案。如丰田汽车之类的很多工厂都保有这部分可用于吸收外部市场需求波动的产能缓冲。高德拉特博士说过，绝大多数工厂的制约因素都在外部市场，工厂内部很少有物理瓶颈。所以后来才发展出了简化的鼓-缓冲-绳子方法（S-DBR）。这也意味着，在多数情况下，如果可以通过适当的产能平衡获得真正的整体性收益（如运营费用降低），即使短期内生产线瓶颈的理论产出下降也是可接受的。

结论是什么？

平衡产能或平衡生产线根本不是我们的目标，最多是我们实现目标时有可能采用的手段和方法之一。那么生产线的真正的目标是什么？更高的有效产出、更少的在制品、更短的生产周期和更低的运营费用。

行文至此，要不要平衡产能和如何平衡产能真的是必须好好思量一番了。但是，将生产线平衡率作为一个精益的改善指标恐怕真的会误导我们做出错误的选择。我们需要站在公司整体的高度去思考和看待我们的目标与所采取行动的关联。

新设计一个工厂或生产线时，又当如何考虑呢？

03—平衡流量的三个问题

什么是平衡流量？

平衡流量就是平衡进入系统和离开系统的物料量，使得二者处于一个动态的均衡状态。本质上，这就是控制在制品的方法。

由于工序间的相依关系和工序产出的变异，因此，系统需要维持一个必要的缓冲组合（产能缓冲+库存缓冲+时间缓冲）来动态地吸收来自内外部的各种变异。这个缓冲组合大了不必要，少了不充分。约束理论（TOC）指出，过大的缓冲会降低管理者的关注度，而过小的缓冲则疲于奔命。平衡流量就是根据系统缓冲大小的变化来做出有利于整体目标的适当调节。

为什么要平衡流量？

平衡流量的目的是为了维持系统产出的稳定性、可靠性和柔性，这是运营管理的一个重要目标。对于一个连续的、动态的产出系统来说，如果流进的多，流出的少则系统的库存水位会逐渐高涨以至溢出；如果流进的少，流出的多，则库存水位会持续下降以至干涸或断流。

怎样平衡流量？

平衡流量就是要依据系统产出速率（实质上就是依据瓶颈速率）的波动，动态地调节流入系统的物料速度，使得流入系统的量不能过少，也不能过多。对于计划控制来说，就是投料不能过早，也不能过晚。过早会导致系统阻塞，过晚会导致系统流量不足。笔者早期工作过的一家公司有一个名为车间作业控制（SFC）的系统，该系统用了两个专业词汇来描述这两种现象，一个叫流量调节，即因后工序拥堵而停止前工序投料，另一个叫做流量不足，即因前工序投料不足，导致后工序停工待料。

平衡流量需要一个信号反馈机制，这个信号反馈机制就是我们平常讲的拉动系统。我们根据什么来决定把什么工作和多少工作“拉”进系统？有根据后工序需求的看板（KANBAN）方法、有根据系统出口速率的常量在制品（CONWIP）机制，还有根据瓶颈或产能受限资源的鼓-缓冲-绳子（DBR/SDBR）方法，或者也可以是上述几种方法的组合。产能平衡或近似平衡的生产线因为没有明显的瓶颈，或者瓶颈到处漂移，其最大的副作用就是导致管理失焦，原因就在于以瓶颈为管理焦点的平衡流量的信号机制发生紊乱。当瓶颈速率相同时，以瓶颈为管理焦点的不平衡的生产线比平衡的生产线可以获得相同或更高的产出绩效，同时需要更低的在制品来稳定流动。因为更聚焦，所以更容易运营管控。

综上分析，平衡流量是生产运营的根本，更快地流动是工厂经营的重要目标；平衡产能是一种可能的改善手段而不是改善的目标。未能充分利用的产能资源未必都是浪费，它更可能是一种保护性作用。适度的产能平衡其实就是为了平衡资源闲置的浪费和保护性产能短缺的风险。

无论生产线的产能平衡与否，考虑到变动性（加工时间的变动和到达时间的变动）的普遍存在，在合适的位置设置适当的缓冲（产能缓冲、库存缓冲、时间缓冲或其组合）是很有必要的，目的就是为了吸收变动性对生产线流动的干扰。所以，TOC的观点是，要平衡物流，不要平衡产能。

“不要平衡产能”这个反常识的观点很容易引起无休止的争论，尤其是对于IE出身或从事精益生产的人士来讲。这是TOC语境的问题，隐藏在这一观点背后的诸多假设并没有说出来。“平衡流量”并不排斥应当以整体目标和经济性为标准来平衡原始生产线，而是说，既然我们无法消除变动性的干扰，而没有缓冲的完美平衡的生产线也会由于变动性的存在而流动不畅和产出下降，那么就不如接纳或引入必要的缓冲，以节省花费在平衡产能上的太多不必要的精力和成本。

参考文献：《工厂物理学》，Wallace J.Hopp和MarkL.Spearman

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