Biểu đồ kiểm soát Shewhart là một đồ thị theo thời gian của một chỉ số sản xuất, như đường kính trục hay khối lượng gói hàng, kèm đường trung tâm và hai giới hạn kiểm soát thường đặt cách trung bình ba độ lệch chuẩn. Khi điểm đo nằm ngoài giới hạn hoặc xếp thành một mẫu lạ, đó là tín hiệu quy trình vừa bị một nguyên nhân đặc biệt tác động và cần tìm hiểu ngay. Công cụ này ra đời năm 1924 ở phòng thí nghiệm Bell và đến nay vẫn là nền móng của kiểm soát chất lượng trong nhà máy.
Một trang ghi nhớ năm 1924
Đầu thập niên 1920, công ty Western Electric sản xuất thiết bị điện thoại cho hệ thống Bell ở Mỹ. Thiết bị được chôn dưới đất hoặc treo trên cột, sửa rất tốn kém, nên độ đồng đều là sống còn. Các kỹ sư liên tục chỉnh máy mỗi khi sản phẩm lệch một chút, nhưng chất lượng không hề tốt lên.
Walter A. Shewhart, nhà vật lý làm việc tại phòng thí nghiệm của Bell, nhận ra vấn đề nằm ở chỗ người ta không phân biệt được hai loại dao động. Ngày 16 tháng 5 năm 1924, ông gửi cấp trên một bản ghi nhớ ngắn, trong đó có phác thảo đầu tiên của biểu đồ kiểm soát. Năm 1931, ông hệ thống hoá ý tưởng trong cuốn Economic Control of Quality of Manufactured Product.
Hai loại dao động: ý tưởng cốt lõi
Không có hai sản phẩm nào giống hệt nhau. Ngay cả máy tốt nhất cũng cho ra những chiếc bu lông chênh nhau vài phần trăm milimét. Shewhart chia dao động thành hai loại, mà về sau W. Edwards Deming gọi bằng những cái tên phổ biến hơn:
| Loại dao động | Tên Shewhart dùng | Tên Deming phổ biến | Đặc điểm | Nên làm gì |
|---|---|---|---|---|
| Dao động nền | Nguyên nhân ngẫu nhiên (chance causes) | Nguyên nhân chung (common causes) | Nhiều yếu tố nhỏ cộng lại, ổn định, dự đoán được trong một khoảng | Không chỉnh từng lần; muốn giảm phải cải tiến cả hệ thống |
| Dao động bất thường | Nguyên nhân xác định được (assignable causes) | Nguyên nhân đặc biệt (special causes) | Một sự kiện cụ thể: dao mòn, lô nguyên liệu mới, ca thợ mới, máy rung | Tìm ra và loại bỏ nguyên nhân ngay |
Biểu đồ kiểm soát là công cụ để tách hai loại này. Điểm nằm trong giới hạn và không có mẫu lạ: quy trình "trong tầm kiểm soát thống kê", đừng động vào. Điểm vượt giới hạn hoặc có mẫu lạ: có chuyện, đi tìm.
Vì sao lại là ba sigma
Shewhart chọn giới hạn ở khoảng ba độ lệch chuẩn tính từ đường trung tâm. Lý do ông đưa ra mang tính kinh tế và thực nghiệm hơn là thuần tuý toán học: ba sigma cân bằng giữa hai loại sai lầm. Đặt giới hạn hẹp quá thì báo động liên tục, công nhân chạy đi tìm nguyên nhân không có thật. Đặt rộng quá thì bỏ lỡ các thay đổi thật.
Nếu dữ liệu gần với phân phối chuẩn, xác suất một điểm vượt ra ngoài ba sigma chỉ do ngẫu nhiên là khoảng 0,27%, tức trung bình khoảng 370 điểm mới có một lần báo động giả. Con số này không nên hiểu quá cứng, vì dữ liệu sản xuất thật hiếm khi chuẩn hoàn hảo, nhưng nó cho thấy vì sao ba sigma đã sống sót qua cả thế kỷ.
Đọc biểu đồ: không chỉ là điểm vượt giới hạn
Năm 1956, Western Electric xuất bản cuốn Statistical Quality Control Handbook, trong đó có một bộ quy tắc để nhận ra quy trình bất thường ngay cả khi chưa điểm nào vượt giới hạn. Bộ quy tắc này, cùng các biến thể sau đó như quy tắc Nelson, vẫn được dùng rộng rãi. Ý chính của các quy tắc Western Electric:
- Một điểm nằm ngoài giới hạn ba sigma.
- Hai trong ba điểm liên tiếp nằm ngoài vùng hai sigma, cùng một phía.
- Bốn trong năm điểm liên tiếp nằm ngoài vùng một sigma, cùng một phía.
- Tám điểm liên tiếp nằm cùng một phía của đường trung tâm.
Logic đằng sau rất dễ hiểu. Một điểm hơi cao là chuyện thường. Nhưng tám điểm liên tiếp đều nằm trên đường trung tâm thì giống như tung đồng xu tám lần đều ra mặt sấp: có thể, nhưng hiếm tới mức nên nghi có gì đó đã dịch chuyển. Đây chính là phát hiện "bất thường tập thể": từng điểm bình thường, cả chuỗi thì không.
Cần lưu ý: càng dùng nhiều quy tắc cùng lúc, khả năng bắt được thay đổi nhỏ càng cao, nhưng số báo động giả cũng tăng lên. Mỗi nhà máy phải chọn bộ quy tắc phù hợp với chi phí của mình.
Các loại biểu đồ hay gặp
- Biểu đồ X̄–R: lấy mẫu nhỏ (ví dụ 5 sản phẩm) định kỳ, vẽ trung bình mẫu và độ rộng mẫu. Loại kinh điển cho số đo liên tục như kích thước, khối lượng.
- Biểu đồ I–MR: khi mỗi lần chỉ đo được một giá trị, như nhiệt độ lò mỗi giờ hay một mẻ hoá chất mỗi ngày.
- Biểu đồ p và np: cho tỉ lệ hoặc số sản phẩm lỗi trong mỗi lô.
- Biểu đồ c và u: cho số khuyết tật, như số vết xước trên một tấm kính.
- CUSUM và EWMA: cộng dồn hoặc làm trơn các sai lệch theo thời gian, nhạy hơn với những dịch chuyển nhỏ và từ từ mà biểu đồ Shewhart dễ bỏ qua.
Cái bẫy "chỉnh quá tay"
Một trong những bài học đáng giá nhất của biểu đồ kiểm soát là về việc không làm gì. Deming hay minh hoạ bằng thí nghiệm cái phễu: thả viên bi qua phễu xuống một mục tiêu trên bàn, bi rơi lệch quanh mục tiêu. Nếu sau mỗi lần thả, ta dịch phễu để "bù" cho độ lệch vừa rồi, thì kết quả lại tản rộng hơn so với để phễu yên một chỗ.
Trong nhà máy, đây là chuyện công nhân chỉnh máy sau mỗi sản phẩm hơi lệch. Phản ứng với dao động nền như thể nó là tín hiệu thật chỉ thêm nhiễu vào quy trình. Biểu đồ kiểm soát cho người vận hành một lý do chính đáng để đứng yên khi mọi thứ vẫn trong giới hạn.
Từ Bell tới Nhật Bản, rồi khắp nơi
Sau khi phát triển ở Mỹ, thống kê chất lượng được Deming mang sang giảng dạy cho kỹ sư và lãnh đạo doanh nghiệp Nhật Bản từ năm 1950, theo lời mời của Liên đoàn Khoa học và Kỹ thuật Nhật Bản (JUSE). Giải Deming của Nhật, lập năm 1951, đến nay vẫn được trao. Các phương pháp quản lý chất lượng hiện đại như Six Sigma, Lean, và các tiêu chuẩn hệ thống quản lý chất lượng đều kế thừa tư duy của Shewhart.
Ngoài nhà máy, biểu đồ kiểm soát xuất hiện ở bệnh viện (theo dõi tỉ lệ nhiễm khuẩn), phòng thí nghiệm (theo dõi mẫu chuẩn mỗi ngày để biết máy đo còn ổn), trung tâm dữ liệu (theo dõi thời gian phản hồi), và cả trong quản lý tài chính cá nhân của những người thích con số.
Góc nhìn hôm nay: tự vẽ một biểu đồ kiểm soát
Bạn có thể thử với bất cứ số liệu nào đo đều đặn: thời gian đi làm mỗi ngày, cân nặng buổi sáng, tiền điện mỗi tuần.
- Ghi lại ít nhất 20 đến 25 giá trị trong giai đoạn mà bạn coi là "bình thường".
- Tính trung bình. Tính độ chênh giữa hai giá trị liên tiếp, lấy trung bình các độ chênh này (gọi là MR̄).
- Với biểu đồ I–MR, giới hạn trên và dưới bằng trung bình cộng hoặc trừ 2,66 × MR̄. Hằng số 2,66 là hệ số chuẩn trong sách giáo khoa cho loại biểu đồ này.
- Vẽ các điểm theo thời gian trên bảng tính, kẻ ba đường ngang. Tiếp tục ghi mỗi ngày.
- Khi có điểm vượt giới hạn hoặc tám điểm liền một phía, hãy tìm xem có gì thay đổi: tuyến đường mới, mùa nóng, thiết bị mới.
Muốn đọc thêm, cuốn Understanding Variation của Donald Wheeler giải thích tư duy Shewhart rất dễ hiểu cho người không chuyên. Out of the Crisis của Deming là sách kinh điển về quản lý chất lượng. Tiêu chuẩn quốc tế ISO 7870 hướng dẫn chi tiết các loại biểu đồ kiểm soát.
Câu hỏi thường gặp
Biểu đồ kiểm soát là gì?
Biểu đồ kiểm soát là đồ thị theo thời gian của một chỉ số quy trình, có đường trung tâm và hai giới hạn kiểm soát trên, dưới. Nó giúp phân biệt dao động bình thường của quy trình với dao động do nguyên nhân đặc biệt. Công cụ do Walter Shewhart đề xuất năm 1924.
Vì sao giới hạn kiểm soát đặt ở ba sigma?
Ba sigma cân bằng giữa báo động giả và bỏ sót thay đổi thật. Với dữ liệu gần phân phối chuẩn, chỉ khoảng 0,27% điểm vượt ra ngoài do ngẫu nhiên, tức trung bình khoảng 370 điểm mới có một báo động giả. Shewhart chọn mức này dựa trên kinh nghiệm thực tế và chi phí.
Nguyên nhân chung và nguyên nhân đặc biệt khác nhau thế nào?
Nguyên nhân chung là vô số yếu tố nhỏ luôn có mặt, tạo dao động nền ổn định. Nguyên nhân đặc biệt là một sự kiện cụ thể như dao cắt mòn hay lô nguyên liệu lỗi. Nguyên nhân đặc biệt cần được tìm và loại bỏ, còn giảm dao động nền đòi hỏi cải tiến cả hệ thống.
Quy tắc Western Electric là gì?
Đó là bộ quy tắc trong cẩm nang chất lượng của Western Electric năm 1956 để nhận ra quy trình bất thường. Ngoài một điểm vượt ba sigma, các quy tắc còn bắt những mẫu như tám điểm liên tiếp cùng một phía đường trung tâm. Chúng giúp phát hiện dịch chuyển trước khi có điểm vượt giới hạn.
Giới hạn kiểm soát có giống giới hạn kỹ thuật không?
Không. Giới hạn kỹ thuật do khách hàng hoặc thiết kế đặt ra, nói sản phẩm thế nào là đạt. Giới hạn kiểm soát được tính từ chính dữ liệu quy trình, nói quy trình đang ổn định hay không. Một quy trình có thể ổn định mà vẫn cho ra hàng không đạt, và ngược lại.
