The Dispatching Rules of Dual Resource Constraints under DBR Environment

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 Email: hhwu@chu.edu.tw, u8803042@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 2 1 2 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 Email: hhwu@chu.edu.tw, u8803042@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

(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

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

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 20+30+17+18 產品 2 A B C 20+30+17 產品 3 A B D C 20+30+18+17 產品 4 A B D 20+30+18 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

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 576.15 18.1 1948 R-SB- CCRB 604.15 19.875 1955 CCRB-R-SB 552.975 18.675 1917 CCRB-SB-R 548.25 26.25 1944 SB-R-CCRB 540.1 25.425 1914 SB-CCRB-R 566.6 22.7 1958 [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 99-2221-E-216-023-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.221-236, 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. 221-236 4 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, 5049-5074(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, 597-609(1997). Blackstone, J.H. and Cox III, J.F., Designing Unbalanced Lines-Understanding Protective Capacity and Protective Inventory, Production Planning & Control, 13, 4, 416-423(2002). Fryer, J. S., Operating policies in multiechelon dual-constraint job shops, Management Science, 9, 1001-1012 (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, 443-455. 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, 525-537 (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, 30-36. 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, 247-257 (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, 279-287 (1989).