利用過程行為圖進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)

編者按

本文發(fā)表于2016年11月的《質(zhì)量文摘》。作者唐納德?J.惠勒（Donald J. Wheeler）博士是美國統(tǒng)計(jì)協(xié)會(huì)和美國質(zhì)量協(xié)會(huì)的研究員，是統(tǒng)計(jì)過程控制和應(yīng)用數(shù)據(jù)分析的權(quán)威之一，2010年戴明勛章的獲得者，著有25本書發(fā)表數(shù)百篇文章。過程行為圖可以作為過程監(jiān)控器，它們是最好的過程監(jiān)控技術(shù)之一。過程行為圖可以幫助企業(yè)將操作過程運(yùn)行在經(jīng)濟(jì)平衡點(diǎn)附近，發(fā)揮過程的潛能，提供一種使過程趨向理想化的實(shí)際方法。本文以日本東海理化株式會(huì)社（Tokai Rika）工廠為例，通過過程行為圖的展示，介紹了該工廠如何利用過程行為圖進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)。

福特汽車公司車身和裝配部門的一群高管在日本訪問東海理化工廠時(shí)，他們注意到8個(gè)生產(chǎn)工人正圍繞一個(gè)過程行為圖進(jìn)行著熱烈討論。這些高管認(rèn)為一定是發(fā)生了什么問題，可能是一個(gè)內(nèi)部生產(chǎn)問題裝配廠問題或太多不良品的問題。他們向工人詢問討論內(nèi)容，了解到這只是一個(gè)對(duì)過去5個(gè)月可預(yù)測(cè)過程的例行審查。為了展示得更具體些，東海理化的員工拍照并提供了他們的圖表。由此，我們得到一張顯示20個(gè)月生產(chǎn)過程的過程行為圖，并了解到東海理化的員工如何使用這些圖表作為持續(xù)改進(jìn)的推動(dòng)力。

東海理化工廠生產(chǎn)的這個(gè)零件是一個(gè)點(diǎn)煙器的外殼。制造中需要進(jìn)行模具沖壓操作，以形成在一端具有凸緣的圓筒，然后再進(jìn)行滾壓操作，在圓筒上形成被稱為止動(dòng)器的凹槽。圖1的左側(cè)顯示了滾壓操作的示意圖，所跟蹤的尺寸是如圖1右側(cè)所示的從凸緣到凹槽的距離。

他們每天收集四個(gè)零件，時(shí)間分別是上午10點(diǎn)、上午11點(diǎn)、下午2點(diǎn)和4點(diǎn)，并測(cè)量每個(gè)零件的定位尺寸。圖2給出了前24天的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，根據(jù)這些數(shù)據(jù)生成了圖3中的平均值和范圍圖。圖2所示的定位尺寸值是用超出15.00mm的兩個(gè)小數(shù)位表示的。因此，目標(biāo)值15.90mm對(duì)應(yīng)于圖1中的記錄值90。通過僅寫入每個(gè)測(cè)量值的兩個(gè)小數(shù)位，簡化了數(shù)據(jù)輸入的作業(yè)。

在東海理化工廠，他們使用前24個(gè)子組計(jì)算限值。對(duì)于這24個(gè)字組，其平均值為89.80，平均范圍為3.04，這些值生成了圖3所示的限值。通過對(duì)這個(gè)基準(zhǔn)期的平均值和范圍圖的解讀，可以得出結(jié)論，這個(gè)過程顯示了合理的可預(yù)測(cè)性程度。此外，在80～100的規(guī)格內(nèi)，該過程的能力比為2.25，中心能力比為2.21。

這些數(shù)據(jù)的均一性意味著所測(cè)量的零件可以作為未測(cè)量零件的代表，并且可以使用這96個(gè)數(shù)據(jù)合理和真實(shí)地表征整個(gè)過程流。他們通過計(jì)算個(gè)體值的限值來做到這一點(diǎn)。將平均移動(dòng)范圍3.04除以偏移校正因子2.059得到西格瑪（X）值為1.48，因此發(fā)現(xiàn)：

圖1 東海理化的點(diǎn)煙器定位尺寸和滾壓操作示意圖

圖2 第1～24天東海理化的點(diǎn)煙器定位尺寸數(shù)據(jù)

圖3 第1～24天東海理化的點(diǎn)煙器定位尺寸數(shù)據(jù)平均值和范圍圖

自然過程限值=平均值±3西格瑪（X）=89.80±3（1.48）=85.4～94.2

有了這樣一個(gè)可預(yù)測(cè)的過程，他們期望在自然過程限值內(nèi)找到所有的個(gè)體值。這些限值的范圍為86～94。雖然他們?cè)诨鶞?zhǔn)期沒有獲得未測(cè)量零件的數(shù)據(jù)，但可以將這些限值與第24天之后從該過程獲得的觀察值進(jìn)行比較。圖4中的直方圖顯示了第25～85天這61天中的244個(gè)數(shù)據(jù)。

正如所預(yù)期的那樣，他們?cè)?6～94的區(qū)間找到了243個(gè)值（共計(jì)244個(gè)）。這里要著重指出的是限值不是從顯示的數(shù)據(jù)獲得的。他們根據(jù)基準(zhǔn)期（第1～24天）內(nèi)生產(chǎn)的產(chǎn)品推斷出基準(zhǔn)期后（第25～85天）生產(chǎn)和測(cè)量的產(chǎn)品的特征。此外，如果可以成功地外推以表征尚未生產(chǎn)的產(chǎn)品，也可以外推以表征未測(cè)量的產(chǎn)品。

因此，以每天17000件的生產(chǎn)率計(jì)算，在第1～85天，東海理化生產(chǎn)了144萬個(gè)零件。幾乎所有零件的尺寸都在15.86～15.94mm。圖4中整個(gè)直方圖僅為1/10mm寬，差不多一張紙的厚度！

為何能使用96個(gè)數(shù)據(jù)來描述144萬個(gè)零件？這種外推的唯一理由是圖3中的基本過程顯示的可預(yù)測(cè)性。當(dāng)過程在過去可預(yù)測(cè)地運(yùn)行時(shí)，就可以合理地假設(shè)除非有任何故意的改變，否則它將在可預(yù)見的未來繼續(xù)可預(yù)測(cè)地運(yùn)行。在圖4中，我們看到這種外推是有意義的。另一方面，當(dāng)過程在過去不可預(yù)測(cè)地運(yùn)行時(shí)，假定它在未來會(huì)自發(fā)地變得更好是不合理的。

過去的行為總是未來行為的最好預(yù)測(cè)者。因此，將過程表征為可預(yù)測(cè)或不可預(yù)測(cè)的是數(shù)據(jù)分析的基本二分法。然而，即使最好的過程仍然會(huì)受到熵的影響。雖然我們希望過程能夠像以前一樣，但我們需要知道可能會(huì)發(fā)生的變化。后面我們將看到東海理化的運(yùn)營商是如何使用平均和范圍圖來跟蹤這個(gè)過程的，并對(duì)過程做出改進(jìn)的。

圖4 第25～85天的244個(gè)定位尺寸值的直方圖

首先，他們需要解決兩個(gè)問題：“在17000個(gè)零件中挑選4個(gè)是否足夠？”和“每天一個(gè)子組是否足夠？”東海理化利用過程行為圖回答了這兩個(gè)問題。我們將看到每天4個(gè)零件足以檢測(cè)在這個(gè)過程中發(fā)生的變化，只要在過程中檢測(cè)到變化，就會(huì)有足夠的數(shù)據(jù)。

此外，由于該過程的變化趨向于在幾天內(nèi)緩慢發(fā)展，每天一個(gè)子組就足夠了，只需要足夠的子組來檢測(cè)過程中的變化。所以關(guān)于子組頻率的關(guān)鍵問題是：“你的過程變化得有多快？”通過將圖3的限值向前延伸并用于跟蹤和評(píng)估生產(chǎn)過程，從圖5可以看出第35天和第36天過程變化的證據(jù)。

圖5 第1～60天東海理化的點(diǎn)煙器定位尺寸數(shù)據(jù)

他們知道在第35天和第36天出現(xiàn)了問題?；仡欁詈笠淮芜^程越過中線的時(shí)間，東海理化的生產(chǎn)工人認(rèn)為這個(gè)問題可能早在第29天就開始了。經(jīng)調(diào)查，他們發(fā)現(xiàn)定位套管已經(jīng)磨損，需要更換（圖1顯示，磨損的套管可能會(huì)導(dǎo)致測(cè)量值增加）。認(rèn)識(shí)到這是一個(gè)工具磨損的問題之后，他們做了兩件事：訂購了一個(gè)新的定位套管；在等待新套管期間將舊套管調(diào)轉(zhuǎn)過來。這表示他們希望盡可能地實(shí)現(xiàn)正確的目標(biāo)值。新套管在第39天安裝完成，他們寫了1號(hào)干預(yù)報(bào)告，詳細(xì)說明了發(fā)現(xiàn)的問題和應(yīng)對(duì)措施。

在實(shí)施干預(yù)之后，他們決定計(jì)算該過程的新限值。第39～49天，他們?cè)跊]有限值的情況下運(yùn)行，并將這一時(shí)期作為他們的新基準(zhǔn)。平均值為90.18，平均范圍為0.91，新限值比以前要大得多。當(dāng)他們使用這些限值來跟蹤過程時(shí)，很快就發(fā)現(xiàn)了另一個(gè)過程變化的證據(jù)。

第57天、第58天和第59天的平均值都低于下限，很清楚地表明過程發(fā)生了變化。此外，與第29～36天的偏移不同，沒有導(dǎo)致第一次超出限值的漸變。因此，他們注意到這是一個(gè)突然的變化，開始尋找是否有損壞之處。他們檢查了滾壓操作，在滾壓中沒有發(fā)現(xiàn)問題后，又開始查看沖模操作。如圖6所示，在生產(chǎn)了兩周較好的零件之后，他們最終發(fā)現(xiàn)了卡位尺寸縮短的原因：由于模具的缺陷，在凸緣上存在非常小的皺紋。因此，他們計(jì)劃在第70天和71天修復(fù)模具。同時(shí)，他們調(diào)整了固定壓力墊的螺栓，因?yàn)槁菟ㄒ呀?jīng)松動(dòng)。此后，他們編寫了第2號(hào)干預(yù)報(bào)告，并著手收集一系列新的限值數(shù)據(jù)。過程平均值上升到90.88，這可能是因?yàn)檫@個(gè)定位套管已經(jīng)在新基準(zhǔn)期之前磨損了32天。

圖6 第39～85天東海理化的點(diǎn)煙器定位尺寸數(shù)據(jù)

圖7 第71～125天東海理化的點(diǎn)煙器定位尺寸數(shù)據(jù)

圖8 第126～185天東海理化的點(diǎn)煙器定位尺寸數(shù)據(jù)

為了了解如何快速有效地跟蹤和響應(yīng)這個(gè)過程中發(fā)生的紊亂，有必要回顧圖4中的直方圖。該直方圖包含了第25～85天的數(shù)據(jù)。在此期間顯示了兩次偏移，原因是一個(gè)工具更改以及一個(gè)過程升級(jí)和修復(fù)。盡管直方圖包含了這些偏移的數(shù)據(jù)，他們還是根據(jù)第1～24天的值計(jì)算得出了幾乎所有的自然過程限值（僅缺少一個(gè)）！變化的信號(hào)在平均圖上非常清楚明確，使操作這一過程的人能夠及時(shí)做出反應(yīng)。最后，盡管過程發(fā)生了變化，他們的干預(yù)措施足以保證產(chǎn)品流基本上均質(zhì)。

還要注意的是，限值的目的是說明過程中發(fā)生的情況。這不是一個(gè)計(jì)算單一的限值和永遠(yuǎn)使用它們的問題，也不是一個(gè)等待計(jì)算限值所需的最少數(shù)據(jù)的問題。第39～49天的基準(zhǔn)期基本上是根據(jù)第49天該表格最后一天的事實(shí)確定的。

圖7顯示了第71～85天的限值。第102～105天的平均值高于上限，并且第95～105天的點(diǎn)作為過程變化的另一個(gè)信號(hào)被圈了出來。該信號(hào)被解釋為定位套管上的工具磨損。第一個(gè)定位套管持續(xù)時(shí)間不足40天，這個(gè)套管持續(xù)了約55天?；诮?jīng)驗(yàn)，他們決定將套管升級(jí)為含鎢鍍層定位套管。

由于含鎢鍍層套管是一個(gè)特制的零件，他們不得不等待了一個(gè)月。由于這個(gè)時(shí)間太長，他們決定在更換新套管之前繼續(xù)使用磨損的定位套管。這個(gè)決定將允許過程在一段有限的時(shí)間內(nèi)偏離目標(biāo)值，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，只要過程平均值不超過95，就不會(huì)有產(chǎn)生任何不合格零件的危險(xiǎn)，結(jié)果所顯示的第123天最高日均值為95.00。

第126天，工廠安裝了含鎢鍍層套管并編寫了第3號(hào)干預(yù)報(bào)告。接下來，他們用第126～140天來計(jì)算新的限值，得到的平均值為90.57，平均范圍為2.13，重新回到正常目標(biāo)值，其限值如圖8所示。

在第1～140天，他們更換了兩次定位套管，第二次使用了升級(jí)的套管,修復(fù)了模具，并改進(jìn)了壓力墊的螺栓。雖然這些聽起來是相當(dāng)常規(guī)的維護(hù)操作，但需要注意的是，他們?cè)谶M(jìn)行維護(hù)的同時(shí)對(duì)過程進(jìn)行了改進(jìn)和升級(jí)。這些改進(jìn)的累積效應(yīng)導(dǎo)致了過程變化的減少。圖8的平均范圍2.13對(duì)應(yīng)于1.03的西格瑪（X）值。使用平均值90.57，他們獲得的自然過程限值為87.5～93.7，比圖4的自然過程限值窄30%。因此，他們實(shí)際上將產(chǎn)品流的方差減少了52%，從0.0219mm2減少到了0.0106 mm2。

圖9顯示的是第126～185天數(shù)據(jù)的直方圖以及基于第126～140天限值的自然過程限值。由于該直方圖包括第172～180天的數(shù)據(jù)，而且該過程發(fā)生了另一次偏移，他們找到了超出自然過程限值的5個(gè)值。然而，圖9中的限值僅為圖4中限值的70%。

這個(gè)過程是可預(yù)測(cè)的。然而，在圖表所顯示的9個(gè)月期間，它經(jīng)受了4次紊亂以及相對(duì)目標(biāo)值三四個(gè)西格瑪（X）的偏移。這些偏移說明你根本不可能在修復(fù)一個(gè)過程之后，期望它能維持下去。過程行為圖使他們注意到這些計(jì)劃外的過程變化，并允許他們對(duì)故意的過程干預(yù)進(jìn)行評(píng)估。他們改進(jìn)并維持了這個(gè)過程，以便充分發(fā)揮其潛能。

圖10顯示的是第186～380天的780個(gè)測(cè)量值的直方圖。在這195天內(nèi)，它們生產(chǎn)了超過330萬個(gè)零件，期間有兩個(gè)以上的過程偏移（其中之一是7西格瑪偏移）。這780個(gè)值中只有10個(gè)超出了根據(jù)第126～140天的基線計(jì)算的自然過程限值！在第140天左右，規(guī)格放寬到75～105，如圖10所示。由于過程改進(jìn)和規(guī)格的放松，這個(gè)過程開始的能力比為2.25，最后的能力比為5.0。

持續(xù)改進(jìn)

圖9 第126～185天的240個(gè)定位尺寸值的直方圖

圖10 世界一流的質(zhì)量：第186～380天東海理化的直方圖

當(dāng)時(shí)，通用汽車的一位副總裁問：“難道不是成本越高，點(diǎn)煙器質(zhì)量越好嗎？”答案是否定的，他們只是充分發(fā)揮了潛能。

此外，由于變化總會(huì)產(chǎn)生成本，并且只有在可預(yù)測(cè)地對(duì)過程進(jìn)行操作時(shí)才能使變化最少，所以他們實(shí)際上是通過充分發(fā)揮過程潛能來減少生產(chǎn)和使用超額成本的。

可預(yù)測(cè)地操作一個(gè)過程并不是不可能的任務(wù)，這樣做的成本也不高。因?yàn)槊刻?7000個(gè)零件能滿足日本所有汽車制造商的綜合需求，因此看上去東海理化是這一零件的唯一供應(yīng)商。東海理化完全擁有點(diǎn)煙器這個(gè)市場(chǎng)，他們沒有競爭對(duì)手，也沒有改進(jìn)這一過程的經(jīng)濟(jì)動(dòng)機(jī)。他們僅僅是通過及時(shí)地注意到異常變化、通過找到非隨機(jī)原因以及通過必要的修復(fù)對(duì)過程進(jìn)行改進(jìn)。

具體來說，圖11中的限值明確了過程潛能。它們明確了你從可預(yù)測(cè)的過程中可能看到的值的范圍，并且它們估計(jì)了當(dāng)你學(xué)會(huì)操作不可預(yù)測(cè)的過程以接近其全部潛能時(shí)可以期望看到的值的范圍。三西格瑪限值明確了當(dāng)它發(fā)揮其全部潛能時(shí)的理想過程，它們明確了你的過程可以完成什么。

運(yùn)行記錄表明了實(shí)際的過程性能，如圖12所示，每當(dāng)一個(gè)點(diǎn)超出三西格瑪限值時(shí)，它就識(shí)別為存在一個(gè)對(duì)常規(guī)的偏離一個(gè)過程的變化以及異常變化的一個(gè)非隨機(jī)原因。通過識(shí)別這些點(diǎn)，過程行為圖告訴我們何時(shí)尋找非隨機(jī)原因。當(dāng)我們可以識(shí)別一個(gè)非隨機(jī)原因并將其從一組不受控制的因素移動(dòng)到可控制的因素中時(shí)，我們將從產(chǎn)品流中移除重要的變化源，從而不僅僅保持了現(xiàn)狀，而且還收緊了過程變化，并且改進(jìn)了過程的可預(yù)測(cè)性和過程結(jié)果的一致性。因此，過程行為圖向我們提供了一種將我們的過程理想化的方法。

圖11 過程潛能

圖12 過程性能

圖13 性能與潛能的比較

最后，在圖13中，通過組合過程潛能和過程性能，我們可以利用過程行為圖判斷過程是否發(fā)揮了全部潛能。限值之外點(diǎn)的缺失說明了可預(yù)測(cè)性的合理程度。對(duì)于不可預(yù)測(cè)的過程，限值之外的點(diǎn)的數(shù)量以及它們落在限值之外的程度將量化不可預(yù)測(cè)性的程度。

因此，過程行為圖說明了如何充分利用任何過程。它提供了一種朝向理想化的方法，它可以判斷過程是如何接近它的經(jīng)濟(jì)平衡點(diǎn)的，這正是過程行為圖成為持續(xù)改進(jìn)推動(dòng)力的原因。

不需要特殊的項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)，也不需要外部專家，東海理化的工人僅僅是聽取了他們過程的聲音，并在問題出現(xiàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)它們，其結(jié)果就是過程變化減少。只有學(xué)習(xí)了如何可預(yù)測(cè)地操作過程，才能充分發(fā)揮過程的潛能，而可預(yù)測(cè)地對(duì)過程進(jìn)行操作的唯一方式是利用過程行為圖。

總結(jié)

一般而言，報(bào)告圖表往往是高度密集和充滿噪音的，它們雖然可以用來講述事實(shí)，但很少能夠促進(jìn)過程改進(jìn)。而過程行為圖作為過程監(jiān)控器，是最好的過程監(jiān)控技術(shù)之一，它們通常勝過PID控制器和其他調(diào)整規(guī)則。然而，我們還發(fā)現(xiàn)，僅僅在擾亂之后調(diào)整過程目標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)比不上學(xué)會(huì)如何可預(yù)測(cè)地對(duì)過程進(jìn)行操作。

盡管過程行為圖有著多種重要的用途，但利用過程行為圖的真正目的是進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)。當(dāng)過程行為圖指示過程中的變化時(shí)，我們尋找該變化的可分配原因。它可以像工具磨損或已知控制變量的一些其他變化那樣簡單，也可以是對(duì)過程具有主導(dǎo)作用的一些被忽視的、不受控制的變量。在你修復(fù)那些需要修復(fù)的東西時(shí)，你將學(xué)習(xí)如何操作你的過程，以充分發(fā)揮其潛能。

（熊英姿 編譯）