1.3　拉式生产的概念

伴随全球经济一体化进程的深入，企业竞争不断加剧。产品种类激增和生命周期缩短增加了市场需求的不确定性，需求预测变得更加困难，一些以外包、外协等模式接单生产的中小企业受此影响严重。日益复杂的市场环境使得企业需要具备更大柔性的生产系统以应对外部环境波动。企业除了应对市场需求波动，还要面对企业内部的波动，主要涉及人员、机器、物料、方法、环境、测量等波动。就应对波动并能够快速响应市场需求而言，以物料需求计划（material requirement planning，MRP）为代表的推式生产方式（push）和以日本丰田准时制（just-in-time，JIT）为代表的拉式生产方式（pull）在这方面并没有多大差别。二者的主要差别在于企业或生产系统为了实现这种快速响应所付出的代价是不同的。

为了实现快速响应，MRP推式生产通常需要放大投入量以缓冲需求波动。当过多的投入无法被实际需求消化，生产系统内部就会积压大量在制品，占用流动资金，增加企业生产成本和运营风险，这类似于“牛鞭效应”。简言之，推式生产系统更适合处理相对稳定的中长期变化，不适合应对短期、频繁波动的情况。

20世纪80年代，日本丰田汽车公司提出的JIT拉式生产在应对需求波动、降低生产成本以及缩短生产周期方面比MRP推式生产表现出更明显的优势。丰田拉式生产系统的核心是通过称为看板的信号卡从下游工位向上游工位传递授权加工指令信息，所以又称为丰田Kanban（看板）拉式系统，简称为Kanban系统或纯拉式系统。Kanban系统通过在加工单元（工位）之间传递看板以实现快速响应，看板的作用就是将需求信息流与车间物料流相关联。Kanban系统的控制关键是限制了每个工位上的在制品数量（work-in-process，WIP）。在制品数量与看板卡形成对应关系，通过限制看板卡的数量从而对在制品数量进行约束。这与直接控制生产系统的产出是不同的，看板卡实际上是对生产系统中的物料的生产与移动进行控制，是一种基于看板的可视化管理方法。Kanban系统的控制规则如下：

（1）下游工位应只取看板上所规定的精确数量的零件；或看板与装载容器绑定，装载容器里面可以实现一次搬运多个零件。

（2）上游工位只能按照看板规定的精确数量和顺序向下游工位发送零件或装载容器。

（3）看板必须始终与每个零件或装载容器绑定。

（4）每个零件或装载容器不与看板绑定，则不能被生产或传递。

（5）不传递不合格零件到下游工位。

（6）看板卡的数量应尽量少，以降低在制品的库存量。

虽然Kanban系统让丰田公司取得了巨大成功，但多数企业导入Kanban拉式系统并未取得显著效果。这主要是因为丰田Kanban拉式系统需要稳定可靠的供应链支持，生产种类不宜过多，需求波动不宜过大，对生产设备可靠性要求较高，看板数的确定需要大量、长期的数据支持。

推、拉生产方式都存在一定的不足，研究人员应将注意力转移到如何实现推、拉生产方式的优势互补上。Hall描述了一个将MRP与看板结合的所谓同步式MRP系统，并提出让MRP系统只负责作业计划编制，用看板来控制生产任务的执行。20世纪80年代末，Spearman等在重点研究丰田Kanban系统基础上认为，拉式系统的优势并不在于Pull本身，限定在制品水平才是拉式系统优良性能的关键。Kanban系统中使用看板的目的是通过控制在制品水平为生产系统内部赋予一种缓冲波动的反馈机制。Hopp进一步升华这种认识，认为拉式系统有着更广泛的外延，丰田Kanban系统只是拉式系统的一种，并将拉式系统定义为一种能够根据生产系统状态投放物料，并为生产系统中的在制品水平设定一个内在限制的生产系统。换句话说，拉式系统的表现形式多样，只要包含了对系统状态和在制品调节进行反馈的机制都应该属于拉式系统。这无疑从方法论上为企业设计最适合自身的高效拉式系统指明了方向。另外，Buzacott和Dallery等对Kanban系统进行改良，分别提出了混合拉式生产系统GKCS（generalized kanban control system）和EKCS（extended kanban control system）。

1990年，Spearman等提出CONWIP（constant work-in-process，固定在制品）拉式系统。该系统只在生产线首尾两端设置看板传递信息，中间环节取消看板并仍按Push方式传递物料。这种推拉混合方式使得CONWIP系统在应对波动方面拥有了Kanban系统所不具备的灵活性。CONWIP系统比Kanban系统更适应一般生产环境，拉式机制清晰且结构简单，更容易推广实施。相同产出率条件下，CONWIP系统要比Kanban系统有更少的在制品量积压，在应对需求波动、加工时间波动和瓶颈漂移上有明显优势，更适合多品种少批量生产方式，经典的CONWIP系统结构如图1.2所示。

CONWIP控制过程可描述为：当生产线首个上游机器（工位）有空闲看板卡时，位于订单池或订单积压列表（backlog list）中的订单与空闲看板卡绑定，一起释放进入生产线。此时进入生产线的订单实质上是产品订单拆分后形成的工件（或作业）订单，即零部件加工任务单。为了与产品订单区别，以下简称为工件。当工件离开生产线下游最后一台机器时，绑定的看板卡与该工件分离并返回生产线上游首个机器处，然后等待新进入的工件。可见，看板卡的整个传递路径构成一个闭合环路，本书称其为环路。

经典的CONWIP拉式控制采用一个环路的控制方式，又被称为单环路CONWIP控制，而多个单环路CONWIP控制就称为多环路CONWIP控制，如图1.3所示。若给每台机器都设置一个环路就形成了Kanban控制，如图1.4所示。需要强调的是，尽管Kanban控制形式可看成是CONWIP的一个特例，但是JIT模式下的Kanban系统不适用于工艺流程短、存在显著设置时间（set-up）、废料损失多，或者需求变化大，甚至不可预测的订单环境。

CONWIP系统中的看板用于控制生产系统的在制品上限，依据系统状态控制在制品投放量。CONWIP推拉结合方式赋予生产系统更大的柔性以应对波动。许多研究表明：CONWIP系统比丰田Kanban系统的性能要优秀，非常适合多品种小批量生产方式，能使生产系统拥有更少的在制品存量、更短的生产循环时间，以及最大的生产效率。为进一步完善CONWIP理论，Hopp与Spearman做了更加细致的理论研究，把CONWIP模型相关特性进行界定、论证、公理化，总结归纳成了定律与法则，为CONWIP系统的应用提供了更为严谨的理论支持。从控制在制品数和控制投放率的相对效率来说，CONWIP系统更具稳健性，更能处理好瓶颈辨识和混流生产中的瓶颈漂移问题。国内方面，黄敏等以某轧钢厂为背景，通过仿真对比分析了CONWIP、Kanban及MRP这三类系统性能，并认为CONWIP系统最为有效，具有较低在制品量、平均存储量、平均存储费用以及具有较高通过率和设备使用率。CONWIP拉式控制还用于冷轧厂生产线设计、鼓风机厂叶轮生产线设计。李兵用Witness仿真软件对储气筒生产线仿真并优化生产线关键参数，并认为CONWIP生产系统适用于中小企业生产。赵奇针对半导体生产线特点，提出基于固定在制品水平控制投料的数学模型。为了将CONWIP理论更好地应用于实际生产，CONWIP研究人员尝试着通过结合其他控制机制来提高CONWIP生产系统性能。例如，Bonvik等在CONWIP基础上提出保留中间环节Pull机制，建立一个称为CONWIP-Kanban的混合系统，该系统一定程度上弥补了CONWIP系统中故障设备上游端在制品数偏高的问题。Boonlertvanich将基准库存系统（base-stock system，BS）的全局信息流特点、CONWIP限定在制品总量特点，以及Kanban系统局部限定在制品量特点相整合，构建了一个称为ECK（extended CONWIP kanban）的拉式系统。此外，Suri提出了一个用于多产品单元制造的生产系统，称为POLCA（paired-cell overlapping loops of cards with authorization）系统。该系统采用了类似CONWIP的思想，将在每对制造单元之间设定固定在制品水平。零件进入制造单元既需要相应看板卡授权，也需要工厂装载系统授权。

在拉式系统的研究领域中，一些研究人员将采用看板卡的拉式系统称为基于看板卡的拉式系统（card-based pull system），此处简称为CB拉式系统。例如：Kanban系统、CONWIP系统，POLCA系统也是一种使用看板卡实现生产控制的拉式系统。相对于通过看板卡间接衡量生产负荷，还有一种是直接使用作业负荷时间量来衡量生产负荷大小的拉式系统，称为基于负荷的拉式系统（load-based pull system），此处简称为LB拉式系统。例如：PBB（path-based bottleneck）系统。尽管CB拉式系统和LB拉式系统两者本质相同，但由于看板卡是一种离散物理量，而作业负荷时间量是一种连续物理量，因此在控制生产系统内部负荷精度方面，LB拉式系统比CB拉式系统效果更好。不过，LB拉式系统需要更多的信息技术和数据采集装置支持，而CB拉式系统则对于信息技术的依赖性相对没那么强。因此，CB拉式系统开发成本更低，具有很强的实践推广优势。

总体来说，推拉控制方式的主要区别在于释放加工作任务（工作或工件）的方式不同，推式控制方式中释放加工任务进入车间生产是预先计划好的，而拉式控制中加工任务的释放计划是根据车间生产负荷状态确定的。因而拉式系统更适合处理“底层”生产波动问题。拉式生产系统通过限定在制品水平从而降低生产库存和物料持有成本。换言之，更低的在制品水平能够更快地发现生产质量问题，节省存放空间，降低生产成本，提高生产率，让生产调度和车间控制变得更容易。综上所述，拉式机制的优势可概括为更短的生产周期、更快的产出率以及更低的在制品数，这些优势源于对生产系统中在制品数量的限制。