DOE(Design of Experiment)试验设计,一种安排实验和分析实验数据的数理统计方法;试验设计主要对试验进行合理安排,以较小的试验规模(试验次数)、较短的试验周期和较低的试验成本,获得理想的试验结果以及得出科学的结论。
试验设计源于1920年代研究育种的科学家Dr.Fisher的研究, Dr. Fisher是大家一致公认的此方法策略的创始者, 但后续努力集其大成, 而使DOE在工业界得以普及且发扬光大者, 则非Dr. Taguchi (田口玄一博士) 莫属。
其中中国学者对DOE的贡献不能轻视:华罗庚在文革时推出《优选法》、大陆学者对正交试验的贡献很大,其特点比田口方法更简单易用。而在《均匀设计》上,大陆和香港学者有相当大贡献和创新。
要为原料选择最合理的配方时(原料及其含量);
要对生产过程选择最合理的工艺参数时;
要解决那些久经未决的“顽固”品质问题时;
要缩短新产品之开发周期时;
要提高现有产品的产量和质量时;
要为新或现有生产设备或检测设备选择最合理的参数时等。
另一方面,过程通过数据表现出来的变异,实际上来源于二部分:一部分来源于过程本身的变异,一部分来源于测量过程中产生的变差,如何知道过程表现出来的变异有多接近过程本身真实的变异呢?这就需要进行MSA测量系统分析。
DOE从上世纪卅年代英国费歇的农业试验开始,至今发展成严密的数理逻辑系统。对连续性函数可建,但对离散性水平的案例无能为力,而田口方法能胜任。又因数学模型是多维空间曲面,往往需求助于专用分析软件 。太依赖软件,对专业不熟悉的单纯统计人士,可能会陷入只见树木不见森林的陷阱。对可计算连续性案例(比如电路设计),传统的DOE有一定的优势。
D0E最简单的用途就是优化设计。有的优化设计可数学模型直接计算,比如园柱体的最大容积是高等于直径。有的问题必须实验才能求知,比如做馒头,用同样材料,不同的人做出馒头差异很大。就在于面粉和水的比例、温度、发酵材料、和面的工艺……。
为何在大陆DOE推广应用远不如日本、欧美?优化设计的简单可操作性,哪怕近似性,是学术界必须重视的问题。
双因素简单问题可用《优选法》,即0.618《黄金分割》法。
而复杂问题必须用正交试验,既能减少试验次数,又能分析出各因素对目标值重要性排列和最佳组合水平。田口方法正交试验用信噪比代方差分析和F检验的简便性,尤其是利用非线性关系的抗干扰的稳健性设计是DOE历史上一次革命。
正交试验也有缺点。正交试验的水平设置非随机性和非均匀性的。在多水平时,试验次数随水平数n-1的平方增加。所以又发展了《均匀设计》。均匀设计不考虑整齐可比,水平均匀分布,每一水平只做一次试验。所以在水平数特多的案例,用均匀设计实验次数远少于正交试验。
在实验之前可策略一:筛选主要因子(X型问题化成A型问题)
实验成功的标志:在ANOVA分析中出现了1~4个显着因子;这些显着因子的累积贡献率在70%以上。
策略二:找出最佳之生产条件(A型问题化成 T型问题)
实验成功的标志:在第二阶段的实验中主要的误差都是随机因素造成的。
因为各因子皆不显着,因此,每一因子之各项水准均可使用,在此情况下岂不是达到了成本低廉且又容易控制之目的。
策略三:证实最佳生产条件有再现性。
田口方法的DOE实验策略的改进(田口方法本身也改进,越来越简单化。):
(一)传统DOE对“交互性”很重视,田口方法认为在试验之前可回避或忽视。
(二)传统DOE用方差分析和F检验删选出显著因子,本质是统计性判别,有“定性化”倾向。F检验田口先生认为精准度差,而方差分析对初入门的人士无疑是个坎,对应用推广DOE是个阻力。而田口方法用因子水平极差表和信噪比判别是“纯量化”判别,只需算术水平。田口方法认为如何减小质量特性值波动最重要,实际上分二步。先用信噪比寻找出因素波动大而质量特性值波动小的因素水平,这时平均数可能偏离目标值很大也没关系。然后用灵敏度指标寻找出对平均水平显著的因素,用于将分布中心调正到目标值,所以信噪比概念是田口先生的重要创新。而传统DOE只反映平均水平。
(三)传统DOE用精确数学模型解出最佳生产组合(在非连续性案例中还不适用。),田口方法尽管是近似的方法,但是能满足用户要求的组合。更重要的是用传统DOE求出的最佳组合是理论性的,在成批生产时产品对外界环境的突变、使用者的“恶劣”使用的冲击时,不一定能保持质量特性值的稳定性。田口方法的稳健性设计指出,利用“非线性关系”设计出能抗御内外波动干扰(噪声)的才是优质产品。所以田口方法是质量管理一次革命:优质产品的抗干扰性首先是设计出来的,然后才是制造出来的。比如设计输出电压110伏目标值的电路,在用低增益晶体管时,当内外因素发生20%波动时,输出电压有正负5伏的波动。如用高增益晶体管时,输出电压仅正负2伏的波动,但均值比目标值大很多,再用电阻把电压校正到目标值。高增益晶体管可靠性高多了。
(四)田口方法的容差设计。容差设计是相当于价值工程手段,利用信噪比和灵敏度判别,对质量特性值影响小的零部件用波动大但价廉的产品。颠覆了优质产品必须用优质零部件的老概念。这也是日本产品性价比总高于欧美产品的秘密武器。田口方法对生产者制定的公差也需质疑,田口方法认为生产者损失和用户损失必须平衡,也就是社会质量损失最小才是合理的合格公差限。由于田口方法是站在用户一边,所以田口方法这思想难推广,但在社会主义社会应是市场准则。
新旧DOE之分
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新DOE一般以沙宁为主,核心是“与零件的对话”,相对来说比较易于理解与实施。
旧DOE一般指田品法,核心是“正交试验表”,实行起来较为复杂。
田口方法不应称为旧DOE,田口认为F检验精度差,田口方法不用方差分析用信噪比定量分析。旧DOE是英国费歇创立的系统,用方差分析、F检验。