8-1 限制理論簡介
8.1.1 限制理論(TOC)簡介
限制理論由Goldratt提出，其前身為1980年代所提出之最佳化生產技術(OPT)。在限制理論中，最基本的假設為生產銷售系統中存在有瓶頸(bottleneck)，而此瓶頸決定了生產系統的產出速率。瓶頸可能為生產系統中的一部機器、技術熟練的人員、或專業工具，亦可能是銷售系統中的市場容量。如果瓶頸在生產系統中則稱為內部瓶頸(internal bottleneck)，否則稱為外部瓶頸(external bottleneck)。
在一個生產系統中如果存在內部瓶頸，此瓶頸生產速率決定了整個系統的產出值。因此，Goldratt提出，在瓶頸資源損失一小時即為整個系統損失一小時，然而在非瓶頸資源節省一小時只是一個幻象。在限制理論中，認為製程之統計波動與相依關係是不可避免的，因此，認為以在製品保護瓶頸資源是迫切且有價值的，然而，以在製品保護非瓶頸資源則為不必要的浪費。
在實證中有許多使用限制理論成功的範例，Goldratt並寫了一本小說體的書“目標”來推銷限制理論的概念，本書中文版由天下文化出版。
8.1.2 TOC的目標
一般而言，一個企業內可能設有多項目標：增加銷售、增加市場佔有率、發展技術、或提高品質的產品等。然而如果企業無法創造利潤，這些目標均無法保證公司能長期生存。因此Goldratt主張一個企業最終的目標在於賺錢，而上述所提多項目標只是達成這個最終賺錢目標的途徑罷了。
當確定了公司的目標為何之後，必須訂定合適的衡量指標來確定是否達到目標。然而，在一個企業內部有許多不同的層級，為了確保在不同層級人的作為都能夠使公司朝向最終賺錢目標，必須針對企業內不同層級制訂不同的管理績效指標：
在公司層級：財務衡量指標
1. 淨利：金錢的絕對衡量標準。
2. 投資報酬率：於投資基礎上的相對衡量標準。
3. 現金流量：生存的衡量指標。
目標就是增加淨利、同時也提高投資報酬率、現金流量。
在生產層級：作業衡量指標
1. 有效產出：整個系統透過銷售而獲得金錢的速率。因此，生產出來卻被堆放置倉庫之中的存貨不能被視為有效產出。
2. 存貨成本：整個系統投資在採購上的金錢，而採購的是我們打算賣出去的東西。傳統成本會計中的加值(value-added)概念在此並不存在，也就是原物料在經過加工形成半成品後，其價值並未增加，一直要到存貨成為有效產出，其價值才會發生。
3. 營運費用：系統為了把存貨轉為有效產出而花的錢。因此包含了機器折舊成本以及人員薪資成本，這種考慮方式與傳統成本會計的想法有很大的差異。
目標就是降低存貨與營運費用，同時提高有效產出。
8.1.3 製程之統計波動與相依關係
在傳統中，製造者試著去平衡一連串製程的產能，以使市場需求與產能能相配合。殊不知製程中存在著相依關係與統計波動，這種平衡僅在工作量的產出時間固定或是呈現較窄的分佈下才有可能。所以我們所需嘗試的是平衡系統的流量而不是平衡系統的產能。
所謂的相依關係(dependent events)在這所指的是製程中流程的順序。倘若某一產品的製程如統計波動與相依關係圖(如下圖1)所示，由A到B到C的依序流動。且每一流程需於傳送至下一站之前完成，則B、C與A之間就有相依關係。
(圖1)
統計波動(statistical fluctuations)所指的是平均值的正常變異。當統計波動發生在相依順序事件中，且沒有任何存貨在工作站之間，將沒有機會達成平均的產出。如統計波動與相依關係圖(如上圖1)所示，假設沒有任何存貨存在於工作站之間，當某一時間點，製程A與B的產能分別8與12時，由於製程A只能提供8個產出值，無法滿足製程B的需求，因此，便有四個產能被浪費掉。相反的，如果製程A與B的產能分別12與8時，由於製程B只能消化8個產量，製程A的四個多餘產量在沒有緩衝的情況之下，會被製程B阻擋(block)而浪費。
統計波動與相依關係的結合使得生產系統在沒有存貨當作工作站間的緩衝時，沒有機會達成平均的產出。
8.1.4 TOC的解決方案
再討論TOC之前，先瞭解TOC的名詞：
瓶頸資源(bottleneck resource)：產能小於或等於特定需求的任何資源，可能為一部機器、技術熟練的人員、或專業工具。
非瓶頸資源(non-bottleneck resource)：產能大於特定需求的任何資源。
有限產能資源(capacity constraint resource:CCR)：係指資源的利用程度已接近產能，若不仔細規畫可能會變成一個瓶頸資源。
限制(constraint)：任何阻礙系統達到較高效能目標的事物均為限制。
平衡狀態(balance state)：當系統的輸入流量等於輸出的流量。
TOC的觀念建立於在解決瓶頸資源的問題上，以下為五個實行的步驟：
1. 找出系統的瓶頸
2. 決定如何利用瓶頸
3. 根據上述決定，調整其他的一切
4. 把系統的瓶頸鬆綁
5. 假如步驟4打破了原有的瓶頸，那麼就回到步驟1
8.1.5 TOC、JIT與MRP的比較
MRP利用主生產排程導出物料排程，利用BOM展開所要完成的日期。當系統超載時，不是主生產排程需要調整，就是在系統中充分保留為規畫的閒置產能，以使工作在個別層級中平順的運作。況且使用MRP去平衡產能是十分困難的，因需耗費許多的電腦資源，而先前的排程表就無效了。
而TOC則是採用向前規畫(forward scheduling)，因其著重於瓶頸的資源。向前規畫確保作業的負載量是在產能內。然而非瓶頸的資源的規畫是用來支持瓶頸的資源，這是採用向後規畫(backward scheduling)的方式使存貨降至最小。為了降低前置時間與在製品，TOC中的製造批量與移轉批量是不同的，此與MRP大不相同。
而JIT只是用於重複性製造，需要一個穩定的生產水準，且不允許產品生產中有非常大的彈性，也就是產品選擇上只能製程類似的。當與看板一同使用時，JIT仍須在製品中做拉的媒介，及完成的產品存於每一工作站的下游，以由下一工作站繼續拉。此外，因系統依賴較少量、較頻繁的運送，故需要供應商位於附近。
TOC利用排程表分配每一工作站的工作，故毋需在工作站中存放更多的在製品，僅需特別在瓶頸前置放存貨使其能連續工作，或是從瓶頸到特定下游的存貨以確保產品的流量。
8.1.6 簡單模擬比較TOC、JIT與MRP之績效
假設有一包含兩個工作站之線型生產線，兩工作站之生產速率相同，每小時產出2、3或4個單位產品之機率均為1/3，也就是其平均產出量為每小時3單位，而兩工作站中所允許最大暫存區數量為2（如下表中標註為Original欄所示）。在暫存區初值設定為2的情形之下，模擬所得Throughput值為2.81，小於理論值3。在此一簡單模擬中，雖然只有二個工作站，但在假設有限暫存區的情況之下，工作站間相依關係與生產量波動二者之間所產生之綜效使得理論之平均值無法達成。
在傳統MRP生產方式的考慮之下，解決此等產出低落的方法係允許在工作站間擁有較大之暫存區以吸收工作站之變異，以期降低工作站間之相依關係。(如下表中標註為MRP欄所示)，在此項模擬中放寬暫存區緩衝數量為不設限（Unlimited），並將初值設定為5。模擬所得Throughput值為2.96，雖較上述原始方案為佳但仍未完全達到理論值3。很明顯的，MRP是以存貨成本來換取較大的產出量，然而此方式的缺點除了存貨成本上昇外，更重要的是生產前置時間將因緩衝的上昇而增加。
另一方面，JIT的生產方式強調極低的庫存水準，為達此一目的，其主要改善方案為降低各製程之生產變異，也就是在相依關係與統計波動兩者間，其改善重點在於後者。因此，在JIT的模擬中，原始方案的產出機率做了(如下表中標註為JIT欄所示)之修改，兩工作站之生產速率依然相同，但每小時產出2、3或4個單位產品之機率分別成為0.1、0.8、0.1。為反應JIT的較低庫存水準，在JIT的模擬中暫存區緩衝數量上限設為2並將初值亦設定為2，模擬所得Throughput值為2.94，如同MRP之方案，雖較原始方案為佳但亦未完全達到理論值3。JIT之成本主要乃在期初之改善，一般而言，此成本均相當龐大。
TOC的生產方式認為存貨依然有其存在的價值，主要應配置在瓶頸之前，使瓶頸不致因為前段製程之變異而受影響，乃至降低整個系統之績效。另一方面，TOC不似JIT對每一製程均施以大量製程改善，基本上，TOC認為過多的改善本身亦可能是另一種資源的浪費，因此，其改善主要集中在瓶頸資源上。在本例中，由於兩個工作站產出均一致，因此，在模擬中，任意挑選第二工作站為瓶頸資源，並對其製程變異加以改善，此改善(如下表中標註為TOC欄所示)之第二工作站，其產出2、3或4個單位產品之機率分別為0.2、0.6、0.2。而對此工作站，也就是瓶頸資源，所設之緩衝上限為4，保護緩衝的方式為1.若緩衝量為3或4時，則第一工作站之產出2、3或4個單位產品之機率依舊均為1/3；2.若緩衝量為1或2時，則第一工作站之產出3或4個單位產品之機率各為1/2；3.若緩衝量為0時，則第一工作站產出4個單位產品之機率為1。上述各項機率亦均列於下表中。模擬結果顯示在TOC的生產方式下，產出速率可達理論值3。
由上述模擬比較中，可看出唯有TOC方式可達理論產出值。一般而言，當系統越趨複雜或生產線越長時，此一差異會越加明顯。由成本面考慮，當系統越趨複雜時，MRP的存貨成本上昇以及生產前置時間上昇等負面效益均越加明顯，同樣的，JIT之期初改善成本亦隨生產線增加而上昇。然而，TOC針對少數瓶頸做製程改善，以及安置存貨緩衝的作法對系統複雜度便不是MRP及JIT來的敏感，由此可見TOC在產出面及成本面兩者之優勢。
Two-Workstation Problem
