The Dispatching Rules of Dual Resource Constraints under DBR Environment

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安僧柏
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The Dispatching Rules of Dual Resource Constraints under DBR Environment Hornghuei WU1, Mingfeng LI2 1 Department of Business Administration, Chung Hua University, Hsinchu City, Chinese Taipei 2

1 The Dispatching Rules of Dual Resource Constraints under DBR Environment Hornghuei WU1, Mingfeng LI2 1 Department of Business Administration, Chung Hua University, Hsinchu City, Chinese Taipei 2 Institute of Industrial Management, Chung Hua University, Hsinchu City, Chinese Taipei hhwu@chu.edu.tw, u @chu.edu.tw Abstract: The Drum-Buffer-Rope (DBR) method is the production application of Theory of Constraints (TOC), a global managerial methodology that helps the manager to concentrate on the most critical issues. The DBR methodology is now being implemented by a growing number of manufacturing organizations. By enabling better scheduling and decision making on the shop floor, its results are remarkable such as higher throughput, lower WIP, and shorter cycle time. Although, the DBR methods and its applications in some industries has been studied in some literatures recently, little research on the problem of Dual Resource Constraints (DRC) on DBR. In this paper, operators dispatching rules are provided to study the impact of DRC on DBR management system. These rules are discussed first and a case of job shop with two operators and four machines is then utilized to evaluate the effective of these rules. The final results of experiment show that the best dispatching sequence is that bottleneck is first, machines in shipping buffer are second, rope operation is third and machines in CCR buffer are final. A case of a DRC system is finally utilized to evaluate the application and effective of the LABF method. Keywords: Drum-Buffer-Rope(DBR); Dual Resource Constrained (DRC) system; bottleneck; labor assignment method 在 DBR 環境下的雙資源指派法則之探討吳鴻輝 1 李明峰中華大學企業管理學系新竹市中華台北中華大學工業管理研究所新竹市中華台北 hhwu@chu.edu.tw, u @chu.edu.tw 摘要許多文獻與研究已充分證實限制理論(TOC)所發展出的限制驅導式現場排程技術(DBR)於實務上應用有相當的成果但過去的研究偏重在瓶頸保護以及投料必須與瓶頸同步等觀念例如排程計畫及各站訂單優先次序之派工等而忽略了作業員人力與機台會有資源不平衡的情況亦即研究皆假設作業員人力與機台配置充裕因此本研究針對此不足處提出了在DBR環境下的雙資源指派模式經由不同的作業員指派法則來探討作業員法則對DBR管理環境的影響透過兩人四機台之零工型環境實驗結果的驗證在瓶頸機台優先指派下若再搭配出貨緩衝區機台優先於投料作業優先於瓶頸緩衝區機台的人員指派法則最能全力配合DBR的運作關鍵字限制驅導式現場排程; 雙重限制資源系統瓶頸機台作業員指派法則期達成率從 50%~70%提升到 95%~98% 以及 WIP 降低了 60%等其他的成功個案可參考吳等人之整理[3] 或美國 APICS 每年所舉辦的限制管理研討會之論文集[4] 許多的案例皆證明 DBR 為實用可性之管理技術過去的研究偏重在瓶頸保護以及投料必須與瓶頸同步等觀念的排程計畫(含投料排程及瓶頸排程)及各站訂單優先次序之派工因此對於各站作業員配置的設定皆為資源充足人員與機台隨時待命等待制定 1 前言許多文獻對於限制驅導式現場排程與管理技術 (Drum-Buffer-Rope DBR)的實務應用已有相當多的成果驗證例如 Ball Seal 公司[15]在導入這套管理方法不到 60 天其製造前置時間從 6 週降為 2 週而獲利提升了兩倍;或 Moon[16]是將限制驅導式管理系統應用於儀器製造廠而使得製造前置時間減少一半交 66

2 (Order)的來到這忽略了實務上可能有作業員機雙重資源限制(Dual Resource Constraints,DRC)之特性由於現場各種不定因素在各類型的作業型態皆有可能會面臨到作業員與機台不平衡造成所謂的雙資源限制系統問題因此本研究將探討在作業員與機台兩種資源受到不平衡的限制下 DBR 的運作成效研究重點在於作業員與機台雙資源指派法對於排程法的影響 DBR 排程法透過限制驅導節奏緩衝管理及投料節奏來確保瓶頸機台的充分利用即訂單即時達交但這都是在有足夠的作業員與機台前提下各種資源全力配合限制驅導排程法而達到的成效但如果當人力不足以操作機台時想必 DBR 排程法勢必面臨考驗因此在此情況下探討作業員與機台的指派法則是有意義的故本研究將建構 DBR 環境下雙資源指派模式以探討人機指派法則對於 DBR 成效的影響 Constraints TOC)的管理哲學上的生產管理方法這套技術主要包含了現場排程與控制兩部份其中現場排程的方法是限制驅導式現場排程方法(DBR)而現場控制的方法則是緩衝管理 (Buffer Management)[2],[3],[12],[18] 由於這套技術提供了提綱挈領的現場排程與管理思維其導入後所獲得改善的主要共同特徵都是製造前置時間(Manufacturing Lead Time)顯著的降低交期不再延誤存貨降至歷史新低及獲利明顯提升等而最不可思議的是這套管理理念並不需要鉅額的投資亦不需要大動干戈的改變現有工廠的佈置或流程所要改變的只是管理工廠的思維而已因而成效都能在短短的三至十二個月即可呈現由於限制驅導式現場排程與管理技術不但可應對目前市場多種少量且交期快且準之競爭需求而且可導引工廠體質之持續改善(Continuous Improvement) 因此被學者專家視為是一套能滿足現在與未來市場多 2 限制驅導式現場排程與管理技術 (DBR Review) 變之競爭環境的工廠管理方法[6] 圖 1 為限制驅導式管理方法(DBR)之基本概念限制驅導式現場排程與管理技術圖其中 Drum 是指瓶頸的生產節奏或排程 Buffer (Drum-Buffer-Rope DBR) 是由高瑞博士(Dr. E. M. 是保護瓶頸所需的保護時間或 WIP 至於 Rope 則是指投料必須和瓶頸的生產同步以避免系統不必要的 Goldratt)於 1986 年所提出的現場排程與管理技術 [[10],[11],[12],[13] WIP 或 WIP 過高這是一套建立在限制理論(Theory Of 投料計畫 (Rope) 瓶頸機台(CCR) 瓶頸的前加工作業瓶頸的加工作業瓶頸的後加工作業瓶頸排程 (DRUM) 出貨緩衝出貨緩衝瓶頸緩衝瓶頸緩衝 (CCR Buffer) Figure 1. Basic concept of DBR. 圖1. 限制驅導式管理方法之基本概念圖 3 雙重資源限制系統(DRC Review) 有已加工完成之工件時則需先卸下已完成之工件) 這樣機台才能開始加工該工件在此特性下為了追求 DRC 系統的有效運作已有不少的研究在探討 DRC 系統運作的一些決策問題例如最佳的作業人員的彈性程度最佳的人機比最佳集中化(或分散化)程度的人員配備或最佳人員/機台的指派方法等由於本研究所要探討為 DBR 應用於 DRC 系統中不同人機指派法則下對於 DRB 成效的影響以下將針對 DRC 系統有關人員 /機台的指派決策作說明由於在 DRC 系統的作業人員數小於機台數為了使各機台都能生產工件作業人員必須在機台間來所謂的雙重資源限制 (Dual Resource Constrained DRC)系統根據 Park[[17]的定義有兩個特性 (一) 一個製造系統的機台並未充分的配置作業人員即無法一台機台配置一位作業員或作業員數小於機台數及 (二) 工件要能在一台機台上加工必須該機台和作業員都同時在可用(availability)的狀態例如大部份工廠的作業員主要的服務工作是負責工件(一件或一批)的上下機台(Loading and Unloading)之工作所以一台機台要能開始加工工件必須要有作業員先移動到這一機台然後再安裝工件到機台上(如果機台上 67

3 回移動(服務) 因而有作業人員應先服務那一機台會較佳的人員/機台的指派決策問題這個決策問題基本上可分為三個層次[1], [[12] 即何時移動 ( When to move, WHEN) 移動到那裡 ( Where to move,where)及誰移動 ( Who to move,who) 等所謂 WHEN(何時移動)是指一位作業員可被調離目前所服務機台的時機而當一位作業員可被調離目前所服務的機台時就出現該作業員該被移動到那一機台 WHERE(移動到那裡)的決策問題至於 WHO(誰移動)的問題則出現在 DRC 系統的作業員為多數且同時有兩位以上閒置時當有一機台也閒置時該由那一位作業員去服務會較佳的決策問題[5,7,8,9,15] 作業人員機台設定作業人機(雙資源)指派法則投料計畫 (Rope) 瓶頸排瓶頸排程 (DRUM 程瓶頸的後加工作業出貨緩出貨緩衝區 Figure 2. The operator dispatching concept under the DBR system 圖 2. DBR 環境下雙資源指派模式概念圖基本上 DBR 作業環境人員在操作上依機台的種類與作業型態可分四類 (一) 投料區操作(R) 作業員必須依投料節奏次序執行 (二) 瓶頸區機台(B) 瓶頸機台必須依限制驅導節奏的次序派工 (三) 瓶頸緩衝區機台(CCRB) 瓶頸緩衝為瓶頸機台之先前作業的所有機台為有料來要儘快完成往後送(先到先做) 否則即待命 (四) 出貨緩衝區機台(SB) 出貨緩衝為瓶頸機台之後到出貨前之所有機台有料來要儘快完成往後送(先到先做) 否則即待命由於在 DBR 的環境下系統限制是需被充分利用因此瓶頸機台必須優先被指派作業員操作以確保瓶頸機台的使用率不降低至於其餘三區作業的優先次序則是本文所要探討的重點探討人員指派順序對於 DBR 環境之影響基本上這三區的優先排序可歸納為以下六種 (一) R-CCRB-SB 投料優先依序為瓶頸緩衝機台及出貨緩衝機台 (二) R-SB-CCRB 投料優先依序為出貨緩衝機台及瓶頸緩衝機台 (三) CCRB-R-SB 瓶頸緩衝機台優先操作依序為投料及出貨緩衝機台 (四) CCRB-SB-R 瓶頸緩衝機台優先操作依序為出貨緩衝機台及投料 (五) SB-R-CCRB 出貨緩衝機台優先操作依序為投料及瓶頸緩衝機台 (六) SB-CCRB-R 出貨緩衝機台優先操作依序為瓶頸緩衝機台衝及投料統中機台的負荷都是平準化(evenly loaded)而無瓶頸機台但實務上卻是存在有瓶頸機台的雖然 DRC 例如平行機台單元製造(Cellular Manufacturing) 流線型(Flow Shop) 或零工型(Job Shop)等但若根據機台間是否有製程相依之特性來分類則可分為兩類即獨立 DRC 系統如平行機台等以及相依 DRC 系統如單元製造流線型(Flow Shop)或零工型等兩類獨立 DRC 系統的特性是各機台都是獨立的相當於只有一站各機台的料可以假設為已知而不會有缺料問題至於相依 DRC 系統的特性則是各機台會因工件製造程序而有相依特性相當於是有多站製程除了第一站可以假設料已知外其餘各站的料必須來自於前製程因此一個機台必須作業員機台及料三者都 Ready 才能開始加工 4 DBR 環境下雙資源指派模式在相依需求作業環境中各工作站之人機及料皆到齊備妥方能運作而如何使工作站順利作業則必須仰賴法則的整合 DBR 提供物料(WIP)了良好的生產節奏排程並有效保護瓶頸機台使之不挨餓但在人力與機台雙資源不平衡時同時也需要良好的雙資源指派法則來全力配合 DBR 排程法則有效的整合人力機台及物料三種資源圖 2 DBR 環境下雙資源指派模式概念圖本研究在原有的 DBR 概念下加入人機指派法則作業員透過指派法則決定操作機台的順序並全力配合 DBR 排程使瓶頸機台充分利用 5 模擬驗證訂單及時達交瓶頸機台瓶頸緩很活躍的研究領域但這些研究的共同點都是假設系 [19] 瓶頸的加工作業瓶頸緩衝區 DRC 系統有關人員/機台的指派決策問題是一個系統存在於各類型之生產環境瓶頸的前加工作業 68

4 為了分析指派法則在 DBR 環境下的影響, 因此本文將建立一座簡單的 JOB -SHOP 工廠, 模擬 DBR 排程系統情境, 探討六種人機指派法則對 DBR 成效的影響 5.1 模擬情境 ( 一 ) 本模擬環境為零工型非迴流工廠, 共有四站, 分別為 A B C 及 D, 兩位操作員操作四台機台 ( 二 ) 工產生產四種產品分別為產品 1 產品 2 產品 3 及產品 4, 各產品製程如下表 2 所示 ( 三 ) 操作員一次只能從執行一項作業, 而操作每台機台時間與投料時間皆為 10 分鐘 ( 四 ) 模擬隨機產生 40 組工單, 工單全部作完時驗證即停止 Table 1. The product data 表 1. 產品製程資料 TYPE 製程順序加工時間 ( 分鐘 ) 產品 1 A B C D 產品 2 A B C 產品 3 A B D C 產品 4 A B D 模擬環境為零工型 (Job-Shop) 生產線, 使用 DBR 排程法則, 即以 B 機台 ( 瓶頸機台 ) 為 Drum, 投料作業為 Rope, 針對 40 張訂單進行排程作業, 有兩位作業員操負責四機台的操作由於 B 機台為瓶頸機台, 因此 A 機台為瓶頸緩衝區機台, 而 C 與 D 機台為出貨緩衝區機台在此情境下分別模擬六種人機指派法則, 以下列績效指標來分析評估指派法則對 DBR 環境的影響 : ( 一 ) 瓶頸機台使用率 : 設定此指標的目的要觀察瓶頸優先指派下, 投料與其他的操作順序, 是否會間接影響到瓶頸機台的使用率 ( 二 ) 平均 CT(Cycle Time): 觀察人機指派法則對於產品 Cycle Time 的影響 ( 三 ) 與投料計畫與實際投料的時間差異 : 觀察指派法則對於 DBR 投料計畫的影響 ( 四 ) 完成所有訂單所需時間 : 觀察指派法則對於達交時間的成效影響 5.2 實驗結果表 2 與表 3 為本實驗於 DBR 環境下, 針對人機指派法則的驗證結果, 兩位操作員的使用率約都在 70% 左右其次, 從各機台使用率看來,CCRB-R-SB 與 SB-R-CCRB 兩種排序, 最能提高人員操作瓶頸機台的使用率, 這兩種法則共同點為將投料作業放於指派順序的中間其中 SB-R-CCRB 不管在機台使用率平均 CT 或與總生產時間皆為最佳 Table 2. The utilization of machines under different dispatching rule 表 2. 不同法則的機台使用率結果單位分鐘 BN 使用率 CCRB 使用率 SB 使用率 R-CCRB 91.78% 72.59% 52.00% R-SB- CCRB 89.92% 70.78% 50.58% CCRB-R-SB 92.75% 73.03% 51.90% CCRB-SB-R 92.08% 72.63% 51.08% SB-R-CCRB 92.69% 73.77% 53.19% SB-CCRB-R 91.52% 71.60% 51.94% 由表 3 得知, 以 Cycle Time(CT) 的表現看來, 使每張工單的 CT 最短的人機指派法則為 SB-R-CCRB 與 CCRB-SB-R, 歸納六種法則的順序特性, 可以得知當 Shipping Buffer 機台優先於投料作業指派時, 對於減少工單的 CT 是有幫助的以投料計畫與實際投料的平均差異時間看來, 將投料作業優先指派作業員, 可以使實際投料更符合 DBR 的 Rope 針對生產 40 張工單所花費生產時間看來, SB-R-CCRB 與 CCRB-R-SB 的表現最佳這同時也呼應了瓶頸機台的使用率, 越能提高瓶頸機台的使用率, 就越能縮短此驗證環境工單的總完成時間由上述的驗證數據可以得知, 在人力與機台兩種資源不平衡時, 人機指派法則確實會影響 DBR 環境的成效整合以上數據本研究歸納得知, 在兩人操作四機台的 DBR 環境下, 作業員使用率在 70% 左右 SB-R-CCRB 為最佳人機指派法則 5 結論限制理論所發展出的限制驅導式現場排程技術於實務上應用有相當的成果, 但過去的研究偏重在瓶頸保護以及投料必須與瓶頸同步等觀念, 而忽略了作業員人力與機台會有資源不平衡的情況因此本研究針對此不足處, 提出了在 DBR 環境下的雙資源指派模式, 經由不同的作業員指派法則, 來探討作業員法 69

5 則對 DBR 管理環境的影響透過兩人四機台之零工型環境實驗結果的驗證在瓶頸機台優先指派下若再搭配出貨緩衝區機台優先於投料作業優先於瓶頸緩衝區機台的人員指派法則最能全力配合 DBR 的運作雖然初步研究得知人機指派法則確實會影響 DBR 環境的運作成效然而實務上存在有更多的影響因子與變異因素因此後續將會針對此領域做更深入之探討 [3] [4] [5] Table 3. The CT and flow time of orders under different dispatching rule. 表 3. 不種法則的平均 CT 投料差異時間與總生產時間人機指派法則平均 CT (實際-計畫)投料完成所有平均時間工單時間 R-CCRB-SB R-SB- CCRB CCRB-R-SB CCRB-SB-R SB-R-CCRB SB-CCRB-R [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] Acknowledgment [14] The authors would like to thank the National Science Council of the Republic of China, Taiwan for partially supporting this research under Contract. No. NSC E MY2. [15] References 參考文獻 [1] [2] [16] Wu, H. H. and Li, M.F., A Study of Bottleneck First Model in Jazz Drum Plant, 2008 Management Strategy and Economic Development Conference, pp , 21 April, Hsinchu, Taiwan (2008). 吳鴻輝與李明峰爵士鼓製造廠之瓶頸優先指派模式研究 2008 管理策略與經濟發展學術研討會論文集 pp 月 21 日台灣新竹(2008). Wu, H. H. and Li, R.K., Introduction of Drum-Buffer-Rope [17] [18] [19] 70 Management Systems, 2nd Edition, Chuan Hwa Book Co. Ltd. Taipei(2002). 吳鴻輝與李榮貴限制驅導式現場排程與管理技術台北全華科技圖書公司(1999). Wu, H. H. Lin, J.T. and Wu, K. W., Implementation of Drum-Buffer-Rope System in the Semiconductor Packaging Factory, Journal of the Chinese Institute of Industrial Engineers, 16, 1, 13-37(1999). 吳鴻輝林則孟與吳凱文, 限制驅導式管理系統於半導體封裝廠之應用, 工業工程學刊, 16, 1, 13-37(1999). APICS, Constraints Management Symposium Proceeding: Making Common Sense A Common Practice, March 22-23, Phoenix, AZ.(1999) Bokhorst, J.A.C., Slomp, J. and Gaalman, J.C., On the who-rule in Dual Resource Constrained (DRC) manufacturing systems, International Journal of Production Research, 42, 23, (2004). Blackstone, J.H., Gardiner, L.R. and Gardiner, S.C., A Framework for the Systemic Control of Organizations, International Journal of Production research, 35, 3, (1997). Blackstone, J.H. and Cox III, J.F., Designing Unbalanced Lines-Understanding Protective Capacity and Protective Inventory, Production Planning & Control, 13, 4, (2002). Fryer, J. S., Operating policies in multiechelon dual-constraint job shops, Management Science, 9, (1973). Goldratt, E. M., Theory of constraints, North River Press (1990). Goldratt, E.M. (1986), The Goal, 2nd revised edition, North River Press, Croton-on-Hudson, New York. Goldratt, E.M. (1988), Computerized shop floor scheduling, International Journal of Production Research, 26, 3, Goldratt, E.M. and Fox, R.E. (1990), The Race, North River Press, Croton-on-Hudson, New York. Goldratt, E.M. (1990), The Haystack Syndrome, North River Press, Croton-on-Hudson, New York. Kher, H.V., Examination of worker assignment and dispatching rules for managing vital customer priorities in dual resource constrained job shop environments, Computers and Operations Research, 27, (2000). Latamore, G.B. (1999), How Three Manufacturers Successfully Met Customers Needs and Achieved Competitive Advantage by Applying Theory of Constraints, APICS-The Performance Advantage, March, Moon, S.A., TOC at Parr Instrument: A View from the Inside, 1996 APICS Constraints Management Symposium and Technical Exhibit, April 17-19, Detroit, MI, USA, 50-65(1996). Park, PS, A Study of Labor Assignment Rules with Bottleneck, OMEGA, 18, 3, (1990). Schragenheim, E. and Dettmer, E.W. (2001), Manufacturing at Warp Speed: Optimizing Supply Chain Financial Performance, St. Lucie Press/APICS Series on Constraints management, Virginia. Televen, M., A review of the Dual Resource Constrained system research, IIE Transactions, 21, 3, (1989).

(Electronic Data Interchange) (Executive Information System) (Economic Order Quantity) (Enterprise Resource Planning) (Flexible Manufacture System) (F

(Electronic Data Interchange) (Executive Information System) (Economic Order Quantity) (Enterprise Resource Planning) (Flexible Manufacture System) (F (Activity-Based Costing) (Activity-Based Budgeting) (Activity-Base Management) (Advanced Planning and Scheduling) Application Service Provider (Available To Promise) (Bill Of Material) (Business Process