新一代规划及控制系统-3C及电子看板.doc

新一代的規劃與控制系統－3C和電子看板

l 傳統材料需求規劃的問題

產品雖然日趨多樣少量化，但在先進的產品設計及製程設計下，零件越來越標準化，共用性也提高了，製程上的準備作業(setup)也簡化了。因此，一個生產線雖然生產多種產品，卻能做到「平準化生產」(level production)。在作生產計畫時也能以速率而非訂單量的方式來進行。這種情況稱為重複性生產(repetitive manufacturing)。APICS對重複性生產的定義是：重複的生產相同的離散(discrete)產品或產品群。藉著生產線、裝配線、或製造單元的使用，讓準備作業、庫存、及製造前置時間最小化。工令單是不需要的；生產排程與管制是以生產速率為基礎的。在重複性生產的情況下，使用傳統的材料需求規劃(MRP, material requirement planning)有以下問題：

1. 作銷售預測時，沒有考慮到產能的限制。傳統的銷售預測僅根據歷史資料及對市場的看法，不考慮工廠產能的限制。這種作法把產能限制丟給產能需求規劃(CRP, capacity requirement planning)去考慮，因此做出來的銷售預測並不真的能生產得出來。營業單位做完銷售預測之後，還要等生管單位做出產能需求計畫才能確定銷售計畫。
2. 作銷售預測時，把各產品的預測數量當做是確定的(deterministic)。預測總是不準的，把預測銷售數量當成真的，就無法考慮到萬一預測不準怎麼辦。
3. 作主生產排程(MPS, master production scheduling)時，心裡想的是在某一期間某一產品要生產多少，而不是某一群產品總共要生產多少。個別產品的生產量往往與個別產品的實際需求量差異甚大；總生產量與實際總需求量的差異必定小很多。
4. 作材料需求規劃時，是根據主生產排程向下展開的，每一種材料的採購或製造，亦即計劃訂單收料(PORC, planned order receipts)，都是為了某一完成品的生產而設的。MRP並未考慮到萬一預測不準，這些材料還是可以用在其他產品上的。在BOM展開過程中，共用件雖然會合併在一起建議發單，但那只是為了批量的考慮，把相同材料的製造或採購合併進行而已，實質上還是認為MPS排多少什麼產品，工廠就得生產多少什麼產品，忽略了人算不如天算、預測永遠是不準的。

l 傳統再訂購點法的問題

再訂購點法(ROP, Reorder Point)是一種存貨控制方法，可分成定量訂購和定期定購兩種作法。定量訂購的作法是當庫存降到訂購點(order point)時，就訂購一個經濟批量(EOQ, economic order quantity)的貨。定期訂購法設有一訂購期間(TBP, time between purchase)，每隔一個訂購期間就發出一張訂單，訂單量為「訂至點」(order-up-to)減當時的可用庫存。本文稍後將再說明訂購點和訂至點的細節。傳統再訂購點法有以下問題：

1. 以過去的材料需求為基礎，不是根據未來的材料需求。因此，市場需求量變動時，無法調節適當的庫存水準。
2. 以材料本身的需求為基礎，未考慮材料表，不是根據完成品的需求而求出材料需求。
3. 客戶偏好改變時，影響產品組合(product mix)，進而影響材料需求，傳統再訂購點法純粹根據資料統計，無法因應客戶偏好的改變。
4. 沒有考慮到產能限制，有可能在同時間產生大量訂單而無法達成。
5. 由於需求不穩定，統計出來的變異數大，導致安全存量過高，帶來太大的材料庫存。

l 3C理論簡介

1995年，朗訊科技(Lucent Technologies)開始研發3C理論。3C理論的目的是要求出將材料供應到供應鏈中的材料使用點之最佳方法。生產線就是企業的內部供應鏈(internal supply chain)；而供應商則是工廠的外部供應鏈(external supply chain)。重複性生產的內部供應鏈準備作業可以忽略，但外部供應鏈則仍須考慮，亦即須根據準備作業成本及庫存持有成本計算經濟批量(EOQ)或訂購期間(TBP)。在重複性生產的環境中，3C可以用來規劃材料需求，取代傳統MRP。3C指的是產能(capacity)、共用性(commonality)、和消耗(consumption)：

1. 產能：以產能作為材料規劃的基礎，以降低製造費用(overhead expenses)並改善材料補充的績效。傳統MRP未能考慮到產能限制，因此做出來的計畫不一定可行，往往需要耗費人力來調整，也會造成材料供應不順的現象。
2. 共用性：利用材料的共用性來降低庫存投資。傳統MRP雖然是根據未來需求而規劃材料的補充，理論上材料一進來就會用掉，庫存極低，事實上卻並非如此。因為「未來需求」是不可得的，預測是永遠不準的。預測不正確時，傳統MRP會造成大量的庫存。
3. 消耗：以材料的實際消耗為採購的基礎，而不是仰賴不準確的銷售預測以大量縮短客戶訂單的前置時間。傳統MRP以預測為基礎，因此補充進來的材料經常不是所需要的，造成客戶訂單交期延誤。

在介紹3C理論之前，先來定義幾個專有名詞：

1. 最大產出速率(MOR, maximum output rate)：某產品p在生產單位f的最大可能產出速率為MORpf。產品及其半成品或零件在流經工廠或生產線時必定會經過幾個機能單位(function area)，因此可以從途程表(routing)彙總算出各產品在各生產機能的最大產出速率。
2. 最大銷售速率(MSR, maximum sales rate)：某產品p的最大可能銷售速率MSRp為該產品在供應鏈中的產出速率。銷售速率不可能大於產出速率，而產出速率則為該產品在各機能單位的最大產出速率中之最小者。一條生產線中，最慢的製程決定了整條生產線的效率，也就是說，具有最小產出速率之製程決定了整條生產線的產出速率。因此

MSRp = min{MORpf}

3. 預計銷售速率或需求拉動表(TOP, table of pull)：大家一致同意的產品p的尖峰銷售速率(peak sales rate)為TOPp。 TOPp與MSRp不同的地方在後者不考慮客戶需求只考慮產能，而前者則考慮到客戶需求並且不能超過後者。因此

TOPp £ MSRp

4. 實際銷售速率：產品p平均一天的客戶訂單量為COp。TOPp為預計的尖峰銷售速率；COp則為實際訂單量的統計。
5. 使用率(utilization)：機能單位f的使用率為Uf。而

Uf = CO1/MOR1f + CO2/MOR2f + CO3/MOR3f +…..£ 1

6. 彙總材料表(summarized bill of material)：彙總一產品結構所用到的所有材料及其數量的材料表。它並不考慮材料的階層，任一材料只列出一次，其單位用量為總使用量。在彙總材料表中，一單位產品p使用到材料m的總用量為BOMpm。
7. 速率材料表(rate bill of material)：是3C的規劃基礎，考慮產品線中的所有產品而非個別產品。也就是說，速率材料表是在同一條生產線或工廠中生產的所有產品的材料表而不是某一個產品的材料表。這個概念將在下文繼續說明。

l 速率材料表的計算

我們先討論最簡單的情況。假設產品p在所有製程(機能單位)中的最大產出速率(MOR)都是一樣的，而且預計銷售速率(TOP)也等於最大銷售速率。即：

TOPp ＝ MSRp = MORpf

上式的意義是整條生產線是平衡的，因此生產線的速率等於各工作站的速率，而且銷售速率恰等於生產速率。在這種情況下，材料m的速率材料表為

RBOMm = max{TOPp ´ BOMpm}

從每一種產品的預計銷售速率乘以一單位該產品對材料m的使用量可以算出該產品所造成的材料m的消耗速率，再取各產品對m消耗速率之最大值，即得速率材料表。速率材料表事實上已考慮了產能(MSR)、消耗(TOP乘BOM)、以及共用性(取各產品消耗m之最大值)，是整個3C理論的核心。

例如，某產品線有3種產品5種材料，如表1和表2所示。

表1：產品TOP資料
產品
TOP
1
10
2
30
3
20

表2：BOM
材料 m
1
2
3
4
5
產品 1
0
5
2
3
1
產品 2
2
1
3
1
0
產品 3
2
1
0
2
2

表３：材料需求速率

材料
1
2
3
4
5
傳統MRP
100
100
110
100
50
3C，RBOM
60
50
90
40
40

以上是特例。在一般的情況下，速率材料表可以用以下的演算法求得：

1. 設RBOMm = 0，瓶頸產能(MSRp所依據的製程，假設產品有共同的瓶頸製程)之使用率CU = 0；
2. 計算各產品p對材料m的尖峰消耗量 TOPp ´ BOMpm 並依計算結果由大而小的順序排列p；
3. 選擇第一個p；
4. RBOMm RBOMm + TOPp ´ BOMpm；
5. CU CU+TOPp / MSRp
6.若CU<1且還有p可選則選擇下一個p，回到4；否則結束。

以上演算法的精神在於利用產品p的產出速率限制，即產能限制，來計算各個材料m的最大消耗速率。

l 共用性指標的計算

共用性不只是一個概念，它也是一個可以衡量的具體指標，稱為「共用性指標」(commonality index)。在最佳的情況下，共用性為1；在最差的情況下共用性為0。而在最佳的情況下，庫存金額為最低，設為INVbest；最差情況下的庫存金額最高，設為INVworst。以上說明，如圖1所示。

圖1：共用性指標與庫存金額

圖1中，COMI為一般情況下的共用性指標，INVpract為該情況下的庫存金額。
設材料m的成本為Cm，總共有P種產品。在最佳的情況下，所有產品完全共用材料，亦即總共只有一種產品，故P=1。其庫存金額為

INVbest = TOP1 * BOM11 * C1 + TOP1 * BOM12 * C2 +…

在最差的情況下，材料完全不共用，故

INVworst = P * INVbest

以上觀念可以用下例來理解：假設A公司與B公司的產能相同。A公司的P種產品使用的零件完全一樣，只是顏色不同而已，而顏色是完工後才噴上，不計入材料表中。B公司生產類似產品，但P種產品之尺寸各不相同(但單位成本相同)，因此材料完全不共用。在這種情況下B公司的庫存金額為A公司庫存金額的P倍。

一般情況下的庫存金額則為

INVpract = RBOM1 * C1 + RBOM2 * C2 + RBOM3 * C3 +….

請注意，上式的下標代表材料。

從圖1可以算出COMI：

COMI = (INVworst - INVpract)/(INVworst – INVbest)
= [P/(P-1)]*[1 - INVpract / INVworst]

從上式知，產品種類須大於1，P>1，計算COMI才有意義。若P=1則COMI=1。

以表1、2、3之產品線為例，共用性指標的計算如表4所示。

表4：COMI之計算資料
材料m

1
2
3
4
5
計
RBOMm
60
50
90
40
40

Cm
2
1
2
1
1

INVworst
200
100
220
100
50
670
INVpract
120
50
180
40
40
430

從表4可算出該產品線之COMI為：

COMI = (3/2)*(1 – 430 / 670) = 0.54

l 訂購政策之決定

一般而言，使用3C作規劃應該配合看板作控制，但3C也可算出ROP所需的訂購點及批量等資料，寫回ERP系統。本節先討論ROP的作法，再探討看板系統的作法。ROP方面，3C可採「定量訂購法」(fixed order quantity)或「定期訂購法」(periodic order quantity)。定量訂購法是在庫存降到訂購點(order point)時發出經濟訂購量(EOQ)的訂單；定期訂購法則是訂購時間一到，就參考當時的庫存並發出經濟訂購量減當時庫存量的訂單，希望在訂單交貨時，可用庫存量(包括工廠、供應商、及運輸中，亦即在庫量加上在途量)會提升至目標庫存水準(target inventory level)或稱「訂至點」庫存水準(order-up-to inventory level)。

利用實際材料消耗的資料可以算出經濟訂購量(EOQ)及安全存量(SS)。由於是在重複性生產的環境下，3C又考慮到共用性，故EOQ及SS均相當的低。共用性越高的材料，SS越低。若採用定期訂購法，則訂購期間( time between purchase)可由以下公式求得：

TBPm = EOQm / RBOMm

設從供應商到工廠之間的前置時間(lead time)為LTm。因材料m的訂購期間為TBPm，其「訂至點」的算法如下：

OUTm = RBOMm * TBPm + SSm

材料m的訂購點 (order point)的算法為：

OPm = RBOMm * LTm + SSm

在「極小極大法」中，極大就是OUTm，極小就是OPm。如圖2所示。

一個使用3C理論作規劃的工廠，在控制時通常會使用看板系統。3C可以決定看板發行張數，並隨著需求的變化隨時調整之。3C搭配看板，可彈性調節物流，使供貨不斷並且維持低庫存量。設從供應商(或前製程)到工廠(或後製程)之間的補充時間(replenishment time)為REPm。補充時間包含工廠通知供應商、供應商備料、出貨、運輸、工廠收料等時間，除了運輸以外通常很短。供應商出貨有一定的批量，因此，看板必須累積到該批量，供應商才能交貨，這一段等待時間為：

LSm / RBOMm

因此，一個材料m從被消耗到被補充所經過的時間為：

REPm + LSm / RBOMm

存在於供應商和工廠(或前置程和後製程)之間的最大在製品庫存數量為：

(REPm + LSm / RBOMm) * RBOMm = REPm * RBOMm + LSm

因此，看板張數的計算方法如下：

看板張數＝[REPm * RBOMm + LSm] / 容器容量

最大在製品庫存量REPm * RBOMm + LSm其實就是「極小極大法」中的訂至點以及訂購點。庫存低於訂購點(有材料被消耗，產生空看板)時，看板流回前製程，相當於發出一張訂單使庫存量回到訂至點。

l 3C理論的假設

由以上敘述知，3C理論並不是萬能的，它必須在某些條件下才能發揮功能。以下是關於3C理論的一些假設前題。

1. 工廠的完成品可以分類為產品線，各產品線內的產品有部份零件具有較高共用性。即使屬於相同的產品線，個別產品必然會有部分特殊專用材料，這些材料可以用MRP作規劃。至於共用性高的材料，則可使用3C作規劃。但有些材料共用性雖高，其價值甚低，則使用傳統ROP或雙箱法即可。
2. 同一產品線的產品在同一條生產線上生產，且具相同的瓶頸製程。在計算速率材料表的演算法中，我們利用瓶頸製程的使用率(utilization)來決定要考慮多少種完成品的材料消耗。因此，產品應具相同的瓶頸製程。

以實際的產業狀況而言，以上兩個假設均屬合理。對ERP系統來說，只要在材料主檔(item master)中設定任一材料的規劃方法為MRP、ROP、3C、或其他方法，不同的材料用不同的方法來規劃，就可發揮效果。納入3C系統管理之產品線的材料，其COMI應該不低；若COMI太低，則應檢討納入3C規劃範圍的材料項目。

l 3C與ERP系統之結合

3C必須從ERP讀入材料表並產生各產品的彙總材料表，即BOMpm。此外，還須根據材料表及途程表算出彙總途程表，ROUpf，即生產一單位產品p所需經過的每一工作中心f的標準時間STpf。標準時間是由準備時間、操作時間、及標準批量(LS)算出來的，其倒數就是最大產出速率MORpf，公式如下：

stmf = (setup time + run time * LS) / LS

STpf = st1f + st2f + st3f +….

MORpf = 1 / STpf

STpf的意思是生產一單位完成品p需使用工作中心f的時間為STpf。MORpf的意思是一單位時間內可以生產的產品p的數量。利用MORpf即可算出MSRp。欲使用3C，必須透過工作改善簡化準備作業，降低批量，並隨時維護好材料表和途程表的資料。

TOPp及RBOMm直接在3C系統中維護。透過產銷協調會議決定TOPp後，即可算出RBOMm。

3C系統規劃結果寫回ERP系統中，包括用於ERP系統之再訂購點系統(ROP)的OUTm及OPm；或是用於ERP系統中的看板系統之看板張數及批量，。

l 看板系統

一個企業中可能生產眾多的產品，這些產品當中，有些材料是共用的、有些材料是特殊的。共用性高的材料可以用3C來規劃它們的需求量；共用性低的材料則用MRP。當需求不穩定時，共用性低的材料就需較高的安全存量來避免缺料，也就是在材料主檔(item master)設定較高的安全存量來應付需求的不確定性。當MRP計算材料需求時，若實際需求高於預計，可用安全存量彌補；若實際需求低於預計，則下一次執行MRP時將不再訂購。至於共用性高的材料，只要需求總數差異變化不大，個別產品需求量的差異並不會拉高安全庫存，這就是所謂的「風險合併」(risk pooling)效應－整體風險低於個別風險的加總。企業在設計產品時，應該盡量提高零件的共用性，以降低庫存量。對於不共用的材料使用MRP規劃其需求，在生產前才補充(自製或外購)進來。多餘的不共用材料庫存在次級倉(secondary stockroom)，亦即集中式倉庫，生產時才發料到現場。至於共用性高的材料，由於其需求是連續的，材料庫存在生產線旁，隨時消耗、隨時補充。生產線旁的材料倉庫稱為基本倉(primary stockroom)，其材料來自次級倉。在基本倉中，每單位材料容器上均附有一實體看板，亦即一張卡片記載件號、數量、來自單位、送至單位等資訊這張實體看板就在基本倉和次級倉之間流動。在次級倉中，每單位材料容器上亦附有一張實體看板。傳統上這張實體看板是在供應商和次級倉之間流動的，但在我們的系統中，這張實體看板在刷入電腦時立刻產生一張電子看板出現在供應商的ERP系統中或我們提供給供應商的網站上，作為通知供應商補充材料之依據。

現場消耗一容器之材料後，看板即被置放於看板架(或牆壁)上，物管人員收集看板並拿到次級倉，找到與看板內容相符的材料，取出原附次級倉看板，掛在看板架(或牆壁)上，並將取自基本倉的看板附在容器上，送至基本倉。物管人員在次級倉交換看板時，須刷入兩張看板的條碼，此時ERP系統自動記錄各該看板的狀態並維護各倉庫庫存。亦即，刷入基本倉看板時，基本倉該材料之庫存量增加，而庫存量的減少則由生產線的完工資料「倒沖入帳」(back-flush)；刷入次級倉看板時，次級倉庫存數量減少而該看板對應之電子看板則立刻出現在供應商的ERP系統中或我們提供給供應商的網站上，實體次級倉看板則暫時存放在次級倉的看板架上。當供應商的電子看板累積到一個交貨批量時，供應商立即交貨到次級倉。供應商交貨前須列印該次交貨的所有看板資料於一張報表上，並隨貨送到工廠。工廠收貨人員讀入交貨報表上的條碼，再讀入所有相關的實體看板條碼，並一一附掛在材料容器上，完成收貨手續。

在供應商和次級倉之間使用電子看板的好處是，供應商隨時了解工廠對各種材料的消耗情形，可預作準備並準時交貨。傳統看板作法只能在下一次交貨時收回已消耗材料的看板，時效性較差。

l 電子看板的特色

利用電子看板在工廠和供應商之間傳遞資訊有以下特色：
1. 時效性較傳統看板佳。傳統看板是供應商在交貨時順便收集的，因此只有在交貨後供應商才知道從上一次交貨到這一次交貨之間工廠的材料消耗量。電子看板則在現場取走材料時，立刻通知供應商，雖然未達交貨批量，但供應商先了解工廠的材料消耗速率，預作準備。
2. 不良品處理較傳統看板佳。固然使用看板交貨的供應商理應無缺點、不需檢驗，但當一容器(對應一張看板)之材料有部分不良品時，通常須設法補足，否則傳統看板記錄的數量與材料真正的數量會有誤差。電子看板就無這個問題，當發生不良品時，電子看板可以記錄實際良品數量，故現場使用到該看板的材料時，庫存記錄不會有誤差，使用者也不須補足一張看板的數量。
3. 看板張數調整較傳統看板佳。在市場需求發生變化時，看板發行張數也會跟著調整。傳統看板的作法須由人工計算新的看板張數，再由人工取出或加入看板。電子看板系統能隨著TOPm及RBOMm的改變自動調整看板張數。若張數增加，系統可自動新增看板，並編排在原有看板之後；若張數減少，則系統會在編號較大看板的材料被現場領走時，自動取消該看板。例如，原來10張看板，欲取消兩張，則第9及10號看板的材料被領走後，看板自動消失。

l 看板系統和ERP系統之結合

刷入實體看板的條碼時須更新相關的ERP庫存檔，因此在看板系統中須能將異動資料寫入ERP系統的資料庫中。每一次交換看板時，須同時刷入基本倉看板和次級倉看板。這時，看板系統須在ERP系統中產生一筆材料調撥異動資料，將材料從次級倉調撥到基本倉。收料時，每刷入一張次級倉看板，看板系統須在ERP系統中產生一筆收貨異動資料。這些異動資料的後續作業，如應付帳款等，則納入正常的ERP作業程序。

l 電子看板的目標

使用看板的最終目標是消滅次級倉。若次級倉不存在，則現場消耗材料時須刷入條碼，並將看板放在定位(如看板架)。供應商可及時掌握現場材料消耗量，累積至交貨批量時則直接交貨到基本倉。在基本倉刷入空的實體看板並附掛在材料上，完成交貨程序。