Tương tác giữa các công đoạn là lý do khiến các quy tắc điều phối cục bộ, và các công cụ xây dựng trên chúng, thất bại trong các hybrid flowshop

Kế hoạch sản xuất của từng công đoạn đều có thể biện minh được, vậy mà dây chuyền vẫn hoàn thành muộn. Máy trộn chạy các công việc ngắn trước vì chúng giải phóng hàng đợi nhanh nhất. Máy chiết rót áp dụng cùng logic đó trên hàng đợi của riêng nó. Công việc quan trọng của khách hàng phải chờ sau các công việc ngắn ở cả hai công đoạn, và không ai ra một quyết định tồi. Từng quyết định cục bộ đều hợp lý. Kế hoạch sản xuất mà dây chuyền cuối cùng có được thì không.

Đây là khuôn mẫu mà các quy tắc điều phối cục bộ không thể thoát khỏi trong một hybrid flowshop. Quy tắc không hề tồi ở nhiệm vụ của nó. Nó chỉ đơn giản là không nhìn thấy các công đoạn xung quanh công đoạn mà nó phục vụ.

Một quy tắc điều phối cục bộ thực sự quyết định điều gì

Một quy tắc điều phối, đôi khi được gọi là quy tắc ưu tiên, trả lời một câu hỏi tại một hàng đợi: công việc nào công đoạn hay máy này sẽ nhận tiếp theo? Nó có thể dùng thời gian gia công ngắn nhất, thời hạn sớm nhất, thứ tự các công việc đến hàng đợi, hoặc bất kỳ biến thể nào trong tài liệu chuyên ngành. Tài liệu nghiên cứu vận trù đã thống kê hơn một trăm quy tắc như vậy tính đến năm 1977, và danh sách vẫn tiếp tục dài ra kể từ đó.

Điều khiến chúng hữu ích cũng chính là điều giới hạn chúng. Một quy tắc chỉ cần thông tin nhìn thấy được tại hàng đợi mà nó phục vụ. Nó không bao giờ thấy được tắc nghẽn ở các công đoạn phía sau, lượng nguyên liệu sẵn có ở phía trước, hay máy nào ở công đoạn kế tiếp sẽ rảnh khi một công việc đến nơi. Với một máy đơn lẻ với một hàng đợi duy nhất, như vậy thường là đủ. Với một dây chuyền gồm nhiều công đoạn, thì không.

Cơ chế: các công đoạn tương tác, và các quyết định cục bộ không cộng lại được

Trong một flowshop, đầu ra của công đoạn này là nguồn cung của công đoạn kế tiếp. Thứ tự mà các công việc rời khỏi một công đoạn quyết định thời điểm công đoạn kế tiếp nhận chúng và lượng nguyên liệu nó giữ tại mỗi thời điểm. Một hybrid flowshop bổ sung thêm một mối gắn kết thứ hai: mỗi công đoạn có thể giữ nhiều máy song song, nên dây chuyền không chỉ quyết định thứ tự mà còn quyết định máy nào chạy từng công việc. Các quyết định này không độc lập. Chúng truyền tác động cho nhau.

Các nghiên cứu về hiện tượng dị thường trong flow shop nói thẳng ra điều này. Một phân tích năm 2020 của Panwalkar và Koulamas cho thấy rằng trong một flow shop, việc giảm thời gian gia công của một thao tác, bỏ đi một công việc, hay thậm chí bỏ đi một máy có thể khiến kế hoạch sản xuất tổng thể tệ hơn. Các kế hoạch sản xuất không cho phép một máy đứng chờ, một công việc chờ giữa các công đoạn, hay một công đoạn trì hoãn thời điểm bắt đầu khiến những hiện tượng dị thường này dễ xảy ra hơn. Một thay đổi cục bộ truyền tác động của nó qua các công đoạn xung quanh, nên cải thiện một thao tác một cách tách biệt không phải là một bước đi vững chắc.

Một ví dụ cụ thể cho thấy tác động này. Hai công đoạn, một công đoạn cấp liệu cho công đoạn kia. Công đoạn phía sau chạy quy tắc thời gian gia công ngắn nhất, nên nó lấy các công việc ngắn ra khỏi hàng đợi trước. Một công việc dài phải chờ trong khi các công việc ngắn luân phiên chạy qua. Ở phía trước, công đoạn cấp liệu tiếp tục cấp bù những gì hàng đợi phía sau rút đi, vì đó là tất cả những gì quy tắc của nó có thể nhìn thấy. Công việc dài bị đẩy lùi ở mỗi công đoạn, và mọi công việc đứng sau nó cũng bị đẩy lùi theo. Mỗi công đoạn đang làm đúng những gì quy tắc của nó bảo. Dây chuyền đang làm điều sai.

Thời điểm chuyển đổi cũng cho thấy cùng một sự tương tác. Khi thời gian chuyển đổi phụ thuộc vào thứ tự, một công đoạn sắp xếp các công việc của mình để tối thiểu hóa các lần chuyển đổi của riêng nó có thể trao cho công đoạn kế tiếp một thứ tự làm tăng thêm các lần chuyển đổi ở đó. Công đoạn thứ nhất tiết kiệm được khoảng thời gian mà nó không bao giờ thấy lại, còn công đoạn thứ hai phải trả giá cho điều đó. Tối ưu hóa thời gian chuyển đổi của một công đoạn không phải là tối ưu hóa thời gian chuyển đổi của cả dây chuyền.

Cái giá: công cụ bỏ qua sự tương tác thừa hưởng sự mù quáng

Một công cụ lập kế hoạch xây dựng trên các quy tắc điều phối cục bộ không thất bại vì các quy tắc của nó thô sơ. Nó thất bại vì nó cho người lập kế hoạch thấy đúng góc nhìn cục bộ theo hàng đợi đó rồi gọi đó là một kế hoạch sản xuất hoàn chỉnh. Người lập kế hoạch nhìn thấy kế hoạch sản xuất của từng công đoạn, từng cái đều có thể biện minh, và không thấy nơi nào bộc lộ vấn đề thực sự của dây chuyền.

Điều người lập kế hoạch không nhìn thấy chính là cái giá của sự tương tác. Các công đoạn phía sau bị đói nguyên liệu trong khi một công việc quan trọng chờ ở phía trước. Các vùng đệm phình to vì các công đoạn được cấp theo thứ tự mà quy tắc của riêng chúng ưa thích, chứ không phải thứ tự dây chuyền cần. Tổng thời gian sản xuất cứ âm thầm tăng lên, và kế hoạch sản xuất bị chốt trước khi khuôn mẫu đó lộ ra.

Khoảng cách này có thể đo được. Trong một nghiên cứu năm 2020 về một hybrid flow shop thực tế hai công đoạn với các lần chuyển đổi phụ thuộc thứ tự, một cách tiếp cận tối ưu hóa dựa trên mô phỏng tạo ra các kế hoạch sản xuất tốt hơn các quy tắc điều phối chuẩn mà các nhà máy thường vận hành. Kết quả đó phụ thuộc từng trường hợp, và không nên suy ra bất kỳ tỷ lệ phần trăm chung nào từ nó. Hướng đi đó mới là điều quan trọng: trên một hybrid flowshop thực tế, phối hợp các quyết định xuyên suốt dây chuyền đánh bại việc quyết định từng hàng đợi một cách cục bộ.

Lập kế hoạch toàn dây chuyền thay đổi điều gì

Lập kế hoạch toàn dây chuyền làm điều ngược lại với một quy tắc điều phối. Thay vì trả lời từng hàng đợi một, nó quyết định thứ tự sản xuất, phân công máy và thời điểm cùng một lúc, rồi để một mô phỏng của toàn bộ lộ trình phân xử kết quả. Mô phỏng chính là chìa khóa. Nó đưa từng công việc đi qua các công đoạn của nó và nhìn thấy những tương tác mà các quy tắc không thể: khi một công đoạn phía sau cạn nguyên liệu, kế hoạch sản xuất hiện ra một khoảng dừng chờ nguyên liệu thay vì giấu sự ngừng trệ bên trong một hàng đợi trông có vẻ hợp lý.

Điều này thay đổi những gì người lập kế hoạch có thể nhìn thấy và làm được. Tình trạng đói nguyên liệu ở phía sau hiện lên thành các khoảng dừng chờ nguyên liệu trên kế hoạch sản xuất, nên nó không còn vô hình nữa. Việc gom nhóm chuyển đổi giờ phục vụ tổng thời gian sản xuất thay vì thời gian thiết lập của một công đoạn. Phân công máy được phối hợp theo từng công đoạn, và trong một chế độ cố định thứ tự sản xuất, nó vẫn tối ưu hóa việc phân công bên trong thứ tự đó, nên các nhà máy có thứ tự cố định vì lý do vận hành không bị ép phải sắp xếp lại thứ tự để có được trục thứ hai.

Nó không phải một bộ tối ưu hóa nhà máy tổng quát. Góc nhìn toàn dây chuyền nằm trong một tập ràng buộc được mô hình hóa: các công đoạn, máy, lịch làm việc, các lần chuyển đổi và thời gian chuyển công đoạn mà nhà máy thực sự nhập vào. Mục tiêu duy nhất là tổng thời gian sản xuất. Nó không cân nhắc chi phí so với thời gian, không ép buộc các thời hạn, và không mô hình hóa các lộ trình hội tụ hay phân kỳ. Trong dây chuyền được mô hình hóa đó, các quyết định được đưa ra cùng nhau, và các tương tác giữa các công đoạn là một phần của quyết định.

Điểm mấu chốt

Một quy tắc điều phối cục bộ là một câu trả lời tốt cho một hàng đợi duy nhất. Nó không phải là một câu trả lời tốt cho một dây chuyền, vì trong một hybrid flowshop các công đoạn được gắn kết với nhau, và một quyết định cục bộ theo hàng đợi không thể nhìn thấy sự gắn kết đó. Các công cụ xây dựng kế hoạch sản xuất từ những quy tắc này thừa hưởng sự mù quáng đó, và cái giá hiện ra thành tình trạng đói nguyên liệu, các vùng đệm, và tổng thời gian sản xuất dài hơn.

Khi bạn đánh giá một công cụ lập kế hoạch, hãy hỏi một câu: nó nhìn thấy toàn bộ lộ trình, hay chỉ từng công đoạn một? Nếu nó lập kế hoạch cho từng công đoạn dựa trên hàng đợi của riêng công đoạn đó, thì nó đã đưa ra chính quyết định làm hỏng kế hoạch sản xuất. Công cụ phối hợp thứ tự, các máy và thời điểm xuyên suốt dây chuyền mới giải quyết đúng vấn đề mà nhà máy đang có.