约束理论（TOC）

每个流程都有一个约束（瓶颈），将改进工作集中在该约束上是提高盈利能力的最快和最有效的途径。

什么是约束理论？

约束理论是一种方法，用于识别阻碍实现目标的最重要的限制因素（即约束），然后系统地改进该限制，直到它不再是限制因素。在制造业中，约束通常被称为瓶颈。

约束理论采用科学的方法进行改进。它假设每个复杂系统，包括制造过程，都由多个链接的活动组成，其中一个活动对整个系统起到约束作用（即，约束活动是“链条中最薄弱的环节”）。

那么大多数制造企业的最终目标是什么？赚取利润——无论是短期还是长期。约束理论提供了一套强大的工具来帮助实现这一目标，包括：

• 五个聚焦步骤：识别和消除约束的方法
• 思维过程：分析和解决问题的工具
• 生产会计：衡量绩效和指导管理决策的方法

Eliyahu Goldratt 博士构思了约束理论 (TOC)，并通过他 1984 年的畅销小说《目标》将其介绍给广大读者。从那时起，TOC 不断演变和发展，如今它已成为管理最佳实践领域中的一个重要因素。

约束理论的吸引人的特征之一是它固有地优先考虑改进活动。最高优先级始终是当前约束。在迫切需要改进的环境中，TOC 提供了一种高度集中的方法来实现快速改进。

成功的约束理论实施将具有以下好处：

• 增加利润：TOC 对大多数公司的主要目标
• 快速改进：将所有注意力集中在一个关键领域——系统约束上的结果
• 提高产能：优化约束可以制造更多产品
• 缩短交货时间：优化约束导致更顺畅和更快的产品流
• 减少库存：消除瓶颈意味着在制品将减少

TOC 基础知识

核心理念

约束理论的核心概念是每个过程都有一个单一的约束，只有当约束得到改善时，总的过程吞吐量才能得到提高。一个非常重要的推论是花时间优化非约束不会带来显着的好处。只有对约束的改进才能进一步实现目标（实现更多利润）。

因此，TOC 寻求提供精确和持续的关注来改进当前的约束，直到它不再限制吞吐量，此时焦点转移到下一个约束。TOC 的潜在力量来自于它产生对单一目标（利润）的极大关注以及消除主要障碍（约束）以实现更多目标的能力。事实上，Goldratt 认为专注是 TOC 的精髓。

聚焦的五个步骤

约束理论提供了一种识别和消除约束的特定方法，称为五个聚焦步骤。如下图所示，这是一个循环过程。

下表进一步描述了五个聚焦步骤。

步骤	意义
确认	确定当前的约束条件（过程中限制目标实现速度的单个部分）。
开发	使用现有资源快速改进约束的吞吐量（即，充分利用现有资源）。
配合	审查流程中的所有其他活动，以确保它们符合并真正支持约束的需求。
提升	如果约束仍然存在（即它没有移动），考虑可以采取哪些进一步的措施来消除它成为约束。通常，在这一步继续执行操作，直到约束被“打破”（直到它移动到其他地方）。在某些情况下，可能需要资本投资。
重复	五个聚焦步骤是一个持续改进的循环。因此，一旦解决了一个约束，就应该立即解决下一个约束。这一步提醒我们永远不要自满——积极改进当前的约束……然后立即进入下一个约束。

思考过程

约束理论包括一种复杂的问题解决方法，称为思考过程。思考过程针对具有许多相互依赖性的复杂系统（例如，生产线）进行了优化。它们被设计为科学的“因果”工具，力求首先确定不良影响的根本原因，然后在不产生新的问题的情况下删除根本原因。

思考过程用于回答以下三个对 TOC 至关重要的问题：

• 需要改变什么？
• 应该改成什么？
• 什么动作会引起变化？

生产会计

生产会计是一种替代会计方法，它试图消除从传统会计实践中引入的有害扭曲——这些扭曲会促进与长期增加利润的目标相悖的行为。

在传统会计中，库存是一种资产（理论上可以通过出售将其转换为现金）。这通常会导致公司出现不良行为——制造并非真正需要的物品。累积库存会使资产膨胀，并根据可能会或可能永远不会出售的库存（例如，由于过时）产生“账面利润”，并且在库存时会产生成本。另一方面，约束理论认为库存是一种负债——库存捆绑了可以在其他地方更有效地使用的现金。“另一方面，约束理论认为库存是一种负债——库存捆绑了可以在其他地方更有效地使用的现金。

在传统会计中，也非常强调削减开支。另一方面，约束理论认为削减开支远没有增加吞吐量那么重要。削减开支受到达到零开支的限制，而增加生产则没有这样的限制。

这些和其他冲突导致了强调生产会计的约束理论，其核心措施是：生产、投资和运营费用。

核心措施	定义
生产	产生客户销售的比率低于真正的可变成本（通常是原材料、销售佣金和运费）。除非工资 100% 与生产的件数挂钩，否则人工不被视为真正的可变成本。
投资	与实物挂钩的货币：产品库存、机械设备、房地产等。以前在 TOC 中称为库存。
运营开支	用于创造生产的资金，而不是真正的可变成本（例如，工资、公用事业、税收等）。维持给定容量水平的成本。

此外，生产会计有四个关键派生指标：净利润、投资回报率、生产力和投资周转率。

一般而言，管理决策以它们对实现以下改进的影响为指导（按优先顺序排列）：

• 产量会增加吗？
• 投资会减少吗？
• 运营费用会减少吗？

最强调的（到目前为止）是增加吞吐量。本质上，TOC 的意思是减少对削减开支（投资和运营费用）的关注，而更多地关注建立销售（吞吐量）。

鼓缓冲绳

Drum-Buffer-Rope (DBR) 是一种使生产与约束同步的方法，同时最大限度地减少库存和在制品。

“鼓”是约束。约束运行的速度设置了进程的“节拍”并确定了总吞吐量。

“缓冲”是维持一致生产所需的库存水平。它确保非约束的短暂中断和波动不会影响约束。缓冲区代表时间；在制品应在用于确保受保护资源稳定运行之前到达的时间量（通常以小时为单位）。过程中的变化越多，缓冲区就需要越大。大缓冲库存的替代方案是无限制的冲刺能力（故意过剩产能）。通常，有两个缓冲区：

• 约束缓冲区：紧接在约束之前；保护约束
• 客户缓冲区：在流程的最后；保护运输计划

“绳索”是由约束生成的信号，表明已经消耗了一定数量的库存。这反过来又会触发将相同大小的库存释放到流程中。绳索的作用是在不造成过多库存积累的情况下保持吞吐量。

约束的性质

什么是约束？

约束是阻止组织朝着其目标取得进展的任何事物。在制造过程中，约束通常被称为瓶颈。有趣的是，约束可以采用除设备之外的多种形式。关于如何最好地对约束进行分类存在不同的意见；下表显示了一种常用方法。

约束	描述
本身	通常是设备，但也可以是其他有形物品，例如材料短缺、人员不足或空间不足。
政策	要求或推荐的工作方式。可能是非正式的（例如，向新员工描述为“这里的事情是如何完成的”）。示例包括公司程序（例如，如何计算批量大小、奖金计划、加班政策）、工会合同（例如，禁止交叉培训的合同）或政府法规（例如，强制休息）。
范例	根深蒂固的信念或习惯。例如，“我们必须始终保持设备运行以降低单件制造成本”的信念。政策约束的近亲。
市场	当生产能力超过销售量时发生（外部市场限制了产量）。如果约束理论得到有效的持续应用，最终约束可能会转移到市场上。

对于一个系统是否可以有多个约束也有不同的看法。传统观点是大多数系统都有一个约束，有时一个系统可能有两个或三个约束。

在生产混合产品的制造工厂中，每种产品都有可能采用独特的制造路径，并且约束可能会“移动”，具体取决于所采用的路径。这种环境可以建模为多个系统——一个用于每个独特的制造路径。

政策约束

政策限制值得特别提及。最常见的约束形式（到目前为止）是策略约束，这可能会让人感到惊讶。

由于政策限制通常源于长期确立和广泛接受的政策，因此它们可能特别难以识别，甚至更难以克服。外部方通常更容易识别政策约束，因为外部方不太可能将现有政策视为理所当然。

当政策约束与根深蒂固的范式相关联时（例如，“我们必须始终保持设备运行以降低每件的制造成本”），可能需要对培训和指导进行大量投资以改变范式并消除约束。

政策约束不能通过应用五个聚焦步骤来解决。相反，应用了前面在思考过程部分讨论的三个问题：

• 需要改变什么？
• 应该改成什么？
• 什么动作会引起变化？

思考过程旨在有效解决这些问题并解决因改变现有政策而可能产生的冲突。

示例

加深您对约束理论的理解的一个很好的方法是通过一个简单的实现示例。在本例中，五个聚焦步骤用于识别和消除制造过程中的设备约束（即瓶颈）。

第一步——识别约束

在此步骤中，将审查制造过程以识别约束。一种简单但通常有效的技术是逐个遍历制造过程，寻找约束的迹象。

物品	描述
在制品	在车间寻找大量的在制品堆积。库存通常在约束之前立即累积。
加快	寻找流程加速经常参与的领域。在约束条件下通常需要特别注意和握持，以确保按时完成关键订单。
周期	查看设备性能数据以确定哪些设备的平均循环时间最长。调整因外部因素（例如上游工艺饥饿或下游工艺阻塞）而导致设备无法运行的停机时间。尽管这样的时间会影响吞吐量，但时间损失通常不是由设备不足/阻塞造成或控制的。
要求	询问操作员他们认为设备在哪些方面跟不上需求。密切关注这些领域，还要寻找其他支持指标。

此步骤的可交付成果是识别限制流程产量的单件设备。

第二步——利用约束

在这一步中，目标是充分利用现有资源——使用当前可用资源最大化约束的吞吐量。利用约束（这一步）和提升约束（第四步）之间的界限并不总是很清楚。这一步侧重于速赢、速解；为以后留下更复杂和实质性的变化。

物品	描述
缓冲	在约束之前立即创建适当大小的库存缓冲区，以确保即使上游流程停止，它也可以继续运行。
质量	在约束之前立即检查质量，以便约束只处理已知的良好部件。
连续运行	确保约束被连续安排运行（例如，在休息期间运行约束、批准加班、安排更少的转换、交叉培训员工以确保始终有熟练的员工可用于运行约束）。
维护	将日常维护活动转移到限制生产时间之外（例如，在转换期间）。
卸载（内部）	将一些约束工作卸载到其他机器上。即使它们的效率较低，提高的系统吞吐量也可能会提高整体盈利能力。
卸载（外部）	将一些工作转移到其他公司。如果其他技术不足以缓解约束，这应该是最后的手段。

此步骤的可交付成果是改进了对约束的利用，这反过来将提高流程的吞吐量。如果在这一步中采取的行动“打破”了约束（即约束移动），则跳到第五步。否则，继续执行第三步。

第三步——服从并同步到约束

在这一步中，重点是无约束设备。主要目标是支持约束的需要（即从属于约束）。只要约束操作不受不利影响，非约束设备的效率是次要问题。

根据定义，所有非约束设备都有一定程度的产能过剩。这种过剩的能力是一种美德，因为它可以使约束更顺畅地运行。制造过程故意不平衡：

物品	描述
上游	上游设备具有确保约束缓冲区连续填充（但不会过度填充）的过剩容量，因此上游过程永远不会“饿死”约束。
下游	下游设备具有过剩产能，可确保持续处理来自约束的材料，因此约束永远不会被下游工艺“阻塞”。

此步骤的一些有用技术包括：

物品	描述
DBR	在约束上实施 DBR（Drum-Buffer-Rope），作为使制造过程与约束需求同步的一种方式。
优先事项	通过确保约束始终是维护呼叫的最高优先级，将维护从属于约束。
短跑	为不受限制的设备增加冲刺能力，以确保它们的运行中断（例如，故障或材料变化）可以通过更快的运行和额外的输出快速抵消。
稳定运行	以稳定的速度操作不受限制的设备，以尽量减少停车。频繁的惯性变化（即停止和速度变化）会增加磨损并导致故障。

此步骤的可交付成果是减少上游或下游设备停止约束操作的实例，从而提高流程的吞吐量。如果在这一步中采取的行动“打破”了约束（即约束移动），则跳到第五步。否则，继续执行第四步。

第四步——提升约束的性能

在这一步中，实施更实质性的改变来“打破”约束。这些变化可能需要大量的时间和/或金钱投资（例如，增加设备或雇用更多员工）。关键是确保对所有此类投资的有效性进行评估（最好使用吞吐量会计指标）。

物品	描述
性能数据	使用性能数据（例如，整体设备效率指标加上停机时间分析）来确定在约束条件下损失生产时间的最大来源。
最大损失	与跨职能团队逐一针对造成生产时间损失的最大来源。
评论	在班次内实施持续的工厂车间审查（一种称为短间隔控制的技术），以确定将提高约束性能的战术行动。
减少设置	实施设置减少计划，以减少因转换而损失的生产时间。
更新/升级	评估潜在设计更新和/或组件升级的约束。
设备	购买额外的设备来补充约束（最后的手段）。

这一步的可交付成果是显着的性能改进，足以打破约束（即，将约束移到别处）。

第五步——重复这个过程

在此步骤中，目标是确保五个重点步骤不作为一次性改进项目实施。相反，它们应该作为一个持续改进的过程来实施。

物品	描述
约束破坏	如果约束已被破坏（正常情况），请认识到有一个新的约束。找到并消除新的约束是新的优先级（在第一步重新开始）。
约束未破坏	如果约束没有被打破，认识到需要做更多的工作，并且需要重新审视，包括验证约束是否被正确识别（从第一步重新开始）。

这一步还包括一个警告……当心惯性。保持警惕并确保持续改进。五个专注步骤有点像“打地鼠”……向下一个约束，然后直接进入下一个！

与精益相结合

对比约束理论和精益制造

约束理论和精益制造都是提高制造效率的系统方法。但是，它们有非常不同的方法：

• 约束理论侧重于识别和消除限制吞吐量的约束。因此，成功的应用往往会增加制造能力。
• 精益制造专注于消除制造过程中的浪费。因此，成功的应用往往会降低制造成本。

这两种方法都以客户为中心，能够使公司变得更快、更强大、更敏捷。尽管如此，还是存在显着差异，如下表所示。

什么？	约束理论	精益制造
客观的	增加吞吐量。	消除浪费。
重点	单一地关注约束（直到它不再是约束）。	广泛关注消除制造过程中的浪费。
结果	增加制造能力。	降低了制造成本。
存货	保持足够的库存以在约束条件下最大化吞吐量。	消除几乎所有的库存。
线路平衡	创建不平衡以在约束条件下最大化吞吐量。	创造平衡以消除浪费（产能过剩）。
起搏	约束设置速度（鼓-缓冲-绳）。	客户设定节奏（节拍时间）。

从约束理论的角度来看，为非约束（即故意不平衡的线）保持一定程度的过剩容量比试图消除所有变化源（这是有效地操作平衡线路）。在 TOC 中仍然需要消除变异；与提高吞吐量相比，它得到的关注更少。

约束理论与精益制造相结合

约束理论最强大的方面之一是它像激光一样专注于改进约束。虽然精益制造可以集中精力，但更典型的是，它是作为一种广谱工具来实施的。

在现实世界中，总是需要妥协，因为所有公司的资源都是有限的。并非每个流程的每个方面都真正值得优化，也并非所有浪费都真正值得消除。有鉴于此，约束理论可以作为一种高效的机制来确定改进项目的优先级，而精益制造可以提供丰富的改进技术工具箱。结果——通过消除对机会和盈利能力最大的系统部分的浪费，显着提高了制造效率。

虽然精益制造工具和技术主要应用于约束条件，但它们也可以应用于从属于约束条件的设备（例如，用于使约束条件不足或阻塞的设备；用于导致质量损失的约束后设备）。

本节的其余部分描述了如何将一系列精益制造工具和技术应用于五个聚焦步骤。

应用精益工具“识别约束”

精益制造提供了一种出色的工具，用于直观地绘制生产流程（价值流图）以及促进在工厂车间（Gemba）花费时间的理念。

精益工具	描述
价值流图	价值流图 (VSM) 使用一组定义的符号和技术直观地映射生产流程（当前和未来状态）。提供识别约束时工作的基础。例如，可以在地图上标记每个阶段的周期时间。参与团队并有助于解决问题的练习。有助于记录复杂的过程。
热巴	Gemba 鼓励离开办公室，花时间在工厂车间。这促进了对现实世界制造问题的深入和透彻的理解——通过第一手观察和与工厂员工的交谈。在工厂车间走动、观察生产并与员工互动是收集有助于识别约束的信息的非常有效的方式。

应用精益工具“利用约束”

精益制造强烈支持充分利用现有资源的想法，这也是利用约束的基本主题。例如，精益教组织工作区域 (5S)、激励和授权员工 (Visual Factory/Andon)、捕捉最佳实践 (标准化工作)，以及集思广益以改进改进 ( Kaizen )。

精益工具	描述
5S	5S 是一个消除因工作区域组织不良而造成的浪费的计划。它由五个元素组成：整理（消除不需要的部分）、整顿（组织剩余的项目）、清扫（清洁和检查该区域）、清洁（为 5S 创建标准）和维持（始终如一地应用标准）。为在约束条件下获得更好的性能奠定基础。能够在约束条件下更快地识别新出现的问题。结果增加了动力和自豪感（来自改善的工作环境）。
可视化 / Andon	可视化是一种通过易于看到的车间视觉传达信息的策略。Andons 是指示生产状态的视觉显示器，使操作员能够立即关注问题，从而可以立即解决问题。实时显示约束生产指标——一个强大的动力。通过立即提醒操作员进行干预，减少对停机的反应时间。使操作员能够立即引起对约束问题的关注。通过使用视觉效果来增强约束的重要性来增加焦点。
标准化工作	标准化工作在所有操作员一致应用的工作区域文档中捕获最佳实践，并与当前最佳实践保持同步。通过在约束条件下始终如一地应用最佳实践来提高吞吐量。通过在约束处应用标准化程序来减少变化。确保所有操作员以可重复的方式设置和运行约束。
改善	Kaizen为员工提供了一个框架，让他们在小组中工作，建议并实施制造过程的增量改进。它结合了一个公司的集体人才，创造了一个持续改进的引擎。提供一种经过验证的机制，用于生成有关如何利用约束的想法。确定提高约束吞吐量的“速赢”机会。让操作员作为一个团队工作，并批判性地思考他们的工作。

将精益工具应用于“服从约束”

用于调节流量（看板）和同步自动化生产线（生产线控制）的精益制造技术可以应用于从属于和同步约束。

精益工具	描述
看板	看板是一种调节材料流动的方法，它通过指示何时需要更多材料的信号卡提供自动补充。提供简单的视觉技术来控制材料的流动。通过控制何时将新材料释放到流程中，使约束处的材料使用与上游流程中的材料使用同步。
产线控制	生产线控制是一种用于同步自动化生产线的复杂技术，例如 FMCG（快速消费品）生产线，它使非约束设备受约束，从而提高整体系统吞吐量。为快速消费品生产线提供传统鼓式缓冲绳的有效替代方案。优化约束和非约束运行速度，以最大限度地提高吞吐量并减少小停顿的频率。通过同步设备启动来减少约束的启动延迟。

应用精益工具“提升约束”

用于主动维护设备 ( TPM )、显着减少转换时间 ( SMED )、在生产过程中构建缺陷检测和预防 (Poka-Yoke) 以及部分自动化设备 (Jidoka) 的精益制造技术在提升约束时都可以直接应用。TPM 和 SMED 也可以被视为利用技术（利用当前可用资源最大化吞吐量）；但是，它们相当复杂，很可能会从与外部专家的合作中受益。

精益工具	描述
TPM	TPM（全面生产性维护） 提供了一种整体维护方法，专注于主动和预防性维护，以最大限度地延长约束的运行时间（增加运行时间、减少循环时间和消除缺陷）。减少约束失效和小停止的频率。为操作员提供更强烈的设备“所有权”感。使大多数维护能够在非生产时间进行计划和安排。通过查找和消除缺陷的根本原因来解决质量问题。
中小型企业	SMED（Single-Minute Exchange of Die） 是一种在约束条件下显着减少转换时间的方法。尽可能多的步骤被转换为外部步骤（在过程运行时执行），其余步骤被简化（例如，取消螺栓和手动调整）。在约束条件下增加可用的生产时间。支持更小的批量，从而提高对客户需求的响应能力。使启动更顺畅，因为简化和标准化的转换过程提高了质量和一致性。
防呆	Poka-Yoke（也称为“防错”）将缺陷检测和预防设计到设备中，目标是实现零缺陷。减少缺陷的数量（这也是非常重要的后约束）。使操作员能够将更多时间用于自主维护。
自働化	Jidoka 的意思是“智能自动化”或“人性化的自动化”。它认识到部分自动化比完全自动化要便宜得多。Jidoka 还强调在检测到缺陷时自动停止设备。在某些情况下，如果没有大量的资本投资，就无法打破约束。Jidoka 可以为设备设计和升级提供有价值的指导。