使用水库模型分析丰田生产方式
内容提要：本节使用物理学中的水库模型来分析丰田生产方式。每一个生产单元都包含2个水库，分别是原料库和成品库。生产人员控制原料阀门和生产阀门。打开原料阀门，原料库库存增加；打开生产阀门，成品库库存增加。生产人员通过控制原料阀门和生产阀门，使得实际库存与目标库存相同。
1）初始状态实际库存等于目标库存，原料阀门和生产阀门关闭。生产阀门关闭表示此工序停止生产，而原料阀门关闭表示此工序不需要原料配送。原料经过生产阀门之后便成了此工序的成品，生产阀门相当于加工过程。此工序的生产人员有2个目标需要完成，一个是原料库目标库存，一个是成品库目标库存。当实际库存等于目标库存时，目标完成，停止生产以防过量生产而产生不必要的库存，进而造成浪费。当成品库实际库存小于目标库存时，生产人员打开生产阀门开始加工，原料库库存降低，生产库库存升高。打开生产阀门的同时，生产人员也打开原料阀门，使得原料库实际库存升高，直到和目标库存相等为止（如图6-91所示）。
图6-91 TPS的水库模型状态一
2）成品库实际库存小于目标库存，原料阀门和生产阀门关闭。此状态相当于下游工序取走此工序的部分成品，从而使得此工序成品库实际库存小于目标库存。在丰田生产方式中，本工序成品库存的减少是因为下游工序通过领取看板将本工序成品库的部分库存领走，领走的数量就是目标库存与实际库存之差（如图6-92所示）。
图6-92 TPS的水库模型状态二
3）生产阀门打开，成品库实际库存增加，原料库实际库存减少。当生产人员发现自己的成品库实际库存小于目标库存时，他就要打开生产阀门，对原材料进行加工，增加成品库库存，直到成品库实际库存等于目标库存为止。在丰田生产方式中，下游工序在取走本工序一定数量的成品时，会给本工序下一个同样数量的生产看板命令。本工序生产人员在接到生产看板时开始生产，在完成生产看板要求的数量时停止生产。生产的数量是下游工序领走的数量，也是目标库存与实际库存之差（如图6-93所示）。
图6-93 TPS的水库模型状态三
4）原料阀门打开，原料库库存增加。由于上一步中生产阀门打开对原材料进行加工，所以原材料库存开始下降。这时原料实际库存小于目标库存，生产人员就需要打开原料阀门，使得原材料从上游工序的成品库流入本工序的原料库，从而使得本工序原料库库存增加，直到实际库存等于目标库存。生产阀门可以和原料阀门同时打开，只要原料库实际库存不大于目标库存就可以。在丰田生产方式中，本工序开始使用自己的原料库原料进行生产，会导致原料库库存减少，所以此时丰田生产方式会产生一个和成品库生产数量相同的原料库领料看板，促使原料配送员去上游工序领取原料以补充自己的原料库库存，领取的数量和自己下游取走的数量相同，进而将下游需求传到上游，产生拉动的效果（如图6-94所示）。
图6-94 TPS的水库模型状态四
5）原料阀门和生产阀门关闭，实际库存等于目标库存。当成品库的实际库存等于目标库存时，生产目标完成，关闭生产阀门以防过量生产；当原料库实际库存等于目标库存时，关闭原料阀门。进而恢复到了初始状态。在丰田生产方式中，当生产人员完成了下游下达的看板生产命令时，本工序停止生产。当原料配送员领取回本工序下达的领取看板命令时，本工序停止领取。此时实际库存均等于目标库存（如图6-95所示）。
图6-95 TPS的水库模型状态五
在丰田生产方式中，生产看板是生产开始的命令，完成生产看板规定的数量时是停止生产的命令。领取看板是领取原料开始的命令，完成领取看板规定领取的数量是停止领取的命令。在水库管理的模型中，实际库存小于成品库目标库存是生产开始的命令，实际库存等于目标库存是生产停止的命令。原料库中实际库存小于目标库存是开始领取的命令，而实际库存等于目标库存是停止领取的命令。这其中可以看到生产看板或者领取看板的数量等于目标库存减实际库存，这其中看板起到了计算目标库存和实际库存偏差的作用，即看板规定数量=目标库存-实际库存。从完成这个功能的角度来说，看板不是必需的，比如流水线生产和TOC制约理论中就没有看板的存在。另外，纸质看板的方式是可以进行优化的。
在丰田生产方式中，看板通常以纸质看板的方式存在，看板的更改相对比较费时费力。原料的配送是通过配送人员完成的，配送人员按照领取看板进行领料，并且在领料的同时为上游工序下达生产看板命令。因为我们知道了看板所起的作用，结合现代智能物流的分货系统，可以对丰田生产方式进行优化。每道工序还是有2个目标，分别是原料库存目标和成品库存目标。库存的实际数量通过计算机，或者简单的限位开关等进行实时测量。比如成品库目标库存是8个，每4个放在一个容器中，每放一个成品，容器中的限位开关被触发或者光线被遮挡，自动记录完成1个，这样就实现了实时检测实际库存的目的，需要生产的数量=目标库存-实际库存，这样就达到了使用生产看板的目的，也就是生产看板不需要使用了。当本工序进行生产时，会使用自己的原料库存，这样原料库存就会减少，原料库存也采取类似的检测方式，从而需要领取的数量=原料库目标库存-实际库存。这个领取命令通过有线网络传送给上游工序，上游工序的智能传送带按照这个数量进行原料传送。这个领取命令也可以通过无线的方式传送给智能配送机器人，类似与物流系统的分货机器人，这些机器人自动进行配送。
每道工序包含自己的原料库和成品库，每道工序都有原料阀门和生产阀门，将各个工序连接起来就形成了多工序的丰田生产方式（如图6-96所示）。
图6-96 TPS的水库模型的双库存
在工序之间距离较近或者配送及时的环境中，工序的原料库可以取消，直接使用上道工序的成品库作为自己的原料库，比如工序D就取消了自己的原料库（如图6-97所示）。
图6-97 TPS的水库模型单库存
水库库存和单件流
在丰田生产方式中，目标库存越多，交货期越长。因为库存是成本，成本也就越高，为了缩短交货期和减少成本，丰田生产方式不断的减少库存数量。在水库的模型中，水库的目标库存越多，水从流入水库到流出水库所花费的时间越多，水流入水库到流出水库就相当于原料流入生产企业到流出生产企业。而水停留的时间越久，越容易腐败，类似于大量库存产生不能卖出的产品。将水库的目标库存从原目标库存降低到现目标库存，目标库存的数量减少，水流入流出水库的时间减少（如图6-98所示）。
图6-98 TPS的水库模型降低目标库存
不断的减少库存高度，直到库存数量为1个时，就变成了单件流，单件流是极限库存状态。为什么很多企业在实行单件流时一拉就断呢，即实行单件流时，工序经常挨饿。单件流一拉就断的原因是在制品数量小于了极限在制品要求的数量。那么极限在制品数量如何如何计算呢？
从TOC制约理论的角度说，系统的速度由瓶颈速度决定。当实行单件流时，如果系统的产出速度小于了瓶颈速度，那么瓶颈工序肯定挨饿了，即出现了一拉就断的情况。根据利特尔法则：存货数量=交货期/瓶颈时间，这个交货期可以是一个产品从进入生产线到流出生产线所耗费的最小时间。如果一条生产线有4道工序，每道工序所需时间分别是3分钟，3分钟，5分钟和4分钟，那么这条产线的时间长度是15分钟，瓶颈时间是5分钟。在制品的极小值是15/5=3个。如果在制品的数量小于3个，那么系统不可能以5分钟每个的稳定速度输出。因为如果是2个在制品，10分之后就没有材料可以生产了，就不可能以5分钟每个的速度输出了。实际生产中，工序之间除了生产时间之外，还有等待和搬运的时间，加上这些时间之后，交货期会加长，而存货数量=交货期/瓶颈时间，瓶颈生产时间不变，交货期增加，那么只有在制品的数量增加才能保证系统按照瓶颈的速度输出，不出现一拉就断的情况。
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