- 試驗(yàn)設(shè)計(jì)的五個(gè)步驟
- 第一步確定問(wèn)題
- 第二步流程解析
- 第三步篩選試驗(yàn)
- 第四步析因試驗(yàn)
- 第五步優(yōu)化試驗(yàn)
無(wú)論是在工程技術(shù)、質(zhì)量管理、產(chǎn)品研發(fā)等方面，還是在近來(lái)熱門(mén)的六西格瑪領(lǐng)域，試驗(yàn)設(shè)計(jì)DOE都是我們解決問(wèn)題的好幫手，其應(yīng)用可以說(shuō)涵蓋了包括機(jī)械、電子、化工、汽車(chē)、煙草、醫(yī)藥、食品、銀行、電信、物流等所有的行業(yè)。眾所周知，各類(lèi)高科技公司的產(chǎn)品本身及其制造工藝千差萬(wàn)別，小到英特爾公司生產(chǎn)的CPU芯片，大到喬治亞宇航中心研制的火箭系統(tǒng)。如果說(shuō)這些產(chǎn)品之間有什么共同點(diǎn)的話，其中之一就是都采用了基于JMP統(tǒng)計(jì)軟件的試驗(yàn)設(shè)計(jì)改進(jìn)方案。如果除去各行業(yè)的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，這些知名企業(yè)應(yīng)用試驗(yàn)設(shè)計(jì)的步驟也是類(lèi)似的，基本上可以概括為五大步驟，即試驗(yàn)設(shè)計(jì)的五步曲。
第一步確定問(wèn)題
無(wú)論在什么企業(yè)中，都可能存在一些質(zhì)量問(wèn)題，它可以具體地量化為某個(gè)KPI指標(biāo)不能夠達(dá)到我們事先規(guī)定的要求。針對(duì)這樣的問(wèn)題，一些簡(jiǎn)單的方法很可能無(wú)法解決，這時(shí)我們就會(huì)想到試驗(yàn)設(shè)計(jì)。
對(duì)于運(yùn)用試驗(yàn)設(shè)計(jì)解決的問(wèn)題，首先要定義好試驗(yàn)的目的，也就是解決一個(gè)什么樣的問(wèn)題，問(wèn)題的危害（即嚴(yán)重性）如何，是否有充足的理由來(lái)應(yīng)用試驗(yàn)設(shè)計(jì)，等等。因?yàn)樵囼?yàn)設(shè)計(jì)雖然比盲目的試驗(yàn)分析節(jié)省了很多資源，但畢竟還是要花費(fèi)一定的資源才能進(jìn)行的。特別是對(duì)于生產(chǎn)型企業(yè)，試驗(yàn)設(shè)計(jì)的進(jìn)行必然會(huì)打亂原有的生產(chǎn)穩(wěn)定秩序，所以確定試驗(yàn)?zāi)康暮驮囼?yàn)的可行性是首要的任務(wù)。隨著試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)的確定，還必須明確地定義試驗(yàn)的指標(biāo)和接受的規(guī)格，這樣試驗(yàn)設(shè)計(jì)才有推進(jìn)的方向，試驗(yàn)的成功與否也有檢驗(yàn)的度量尺度。
第二步流程解析
很多人（包括某些領(lǐng)導(dǎo)）常常會(huì)有一個(gè)誤區(qū)：那就是只將關(guān)注點(diǎn)放在結(jié)果上，而忽略了產(chǎn)生結(jié)果的那個(gè)流程。其實(shí)任何一個(gè)問(wèn)題的產(chǎn)生，都有它的原因，特性的欠缺、良率的波動(dòng)、周期的變化等等都有這個(gè)特點(diǎn)。從本質(zhì)上講，真正的原因一定存在于產(chǎn)生問(wèn)題的流程當(dāng)中。有很多的方式來(lái)解析流程，但有一點(diǎn)必須做到，那就是盡可能詳盡地列出可能的因素。其實(shí)對(duì)于流程的剖析和認(rèn)識(shí)，就是我們了解問(wèn)題的開(kāi)始，因?yàn)椴⒉皇敲總€(gè)人都能掌握好我們所關(guān)注的問(wèn)題及其流程的。
第三步篩選試驗(yàn)
流程解析的輸出是使我們能夠了解問(wèn)題的可能因素在哪里，雖然不能確定哪個(gè)是重要的，但至少可以確定一個(gè)總的方向。但是如果我們逐一仔細(xì)調(diào)查，對(duì)于一些微小的影響因素也進(jìn)行全面試驗(yàn)分析，無(wú)疑形成了一種浪費(fèi)，而且還可能導(dǎo)致試驗(yàn)的誤差。
這時(shí)，對(duì)可能的因素進(jìn)行篩選就顯得十分必要。雖然不需要確認(rèn)交互作用、高階效應(yīng)等專(zhuān)業(yè)問(wèn)題，但需要確認(rèn)哪個(gè)因素的影響是顯著的?？梢允褂靡恍┑头纸饴实膬伤皆囼?yàn)或者一系列專(zhuān)門(mén)的篩選試驗(yàn)（如下圖所示）來(lái)完成這個(gè)任務(wù)，這樣的試驗(yàn)成本會(huì)盡可能地達(dá)到最小。而且，對(duì)于這一步任務(wù)的完成，可以應(yīng)用一些歷史數(shù)據(jù)，或者完全可靠的經(jīng)驗(yàn)理論分析，來(lái)減少試驗(yàn)因子。篩選因素的結(jié)果，使得我們掌握了影響指標(biāo)的主要因素，這一步尤為關(guān)鍵。而在現(xiàn)實(shí)中，這樣的結(jié)果卻往往是通過(guò)純粹的經(jīng)驗(yàn)主義，甚至是得過(guò)且過(guò)、不求甚解的態(tài)度得出的。
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第四步析因試驗(yàn)
在篩選試驗(yàn)時(shí)不強(qiáng)調(diào)因素間的交互作用等影響，但給出了主要的影響因素，這時(shí)主要因素的數(shù)量不會(huì)太多，可以進(jìn)一步度量因素的主效應(yīng)和交互作用。
析因試驗(yàn)主要選擇各因素構(gòu)造的幾何體的頂點(diǎn)來(lái)完成（如上圖所示）。這樣的試驗(yàn)構(gòu)造，可以幫助我們確定對(duì)于指標(biāo)的影響：是否存在主效應(yīng)或者哪些主效應(yīng)是顯著的，是否存在交互作用或者哪些交互作用是顯著的，試驗(yàn)的最終是通過(guò)方差分析來(lái)檢定這些效應(yīng)是否顯著，同時(shí)對(duì)以往的篩選試驗(yàn)也是一個(gè)驗(yàn)證。
第五步優(yōu)化試驗(yàn)
在析因試驗(yàn)中，確定了所有因素與指標(biāo)間的主要影響項(xiàng)?？焖俳咏姆椒?，使我們確定了主要因素的大致取值水平。但是考慮到功效問(wèn)題，需要進(jìn)一步地安排一些試驗(yàn)來(lái)最終確定因素的最佳影響水平?？梢哉f(shuō)，此時(shí)的試驗(yàn)是一個(gè)對(duì)析因試驗(yàn)的試驗(yàn)點(diǎn)的補(bǔ)充，也就是利用已有的析因試驗(yàn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)最終優(yōu)化指標(biāo)，或者說(shuō)增加一些試驗(yàn)點(diǎn)來(lái)完成這個(gè)任務(wù)。
試驗(yàn)點(diǎn)一般根據(jù)回歸試驗(yàn)的旋轉(zhuǎn)性來(lái)選取，而且它的水平應(yīng)該根據(jù)功效、因子數(shù)、中心點(diǎn)數(shù)等方面來(lái)合理設(shè)置，確?；貧w模型的可靠性和有效性。這些試驗(yàn)統(tǒng)稱(chēng)為響應(yīng)面試驗(yàn)，可以幫助我們分析和建立起因素和指標(biāo)間的回歸模型，而且還可以用可視化的方式展現(xiàn)模型結(jié)果（如下圖所示），便于我們用優(yōu)化的手段來(lái)確定最終的因子水平設(shè)定。
汽車(chē)輪胎行駛的路面，不可能保證都是優(yōu)質(zhì)的、相同的，那么對(duì)于一些相對(duì)較差的路面，怎樣來(lái)保證輪胎的高性能質(zhì)量呢？這時(shí)我們會(huì)通過(guò)確定抗干擾能力強(qiáng)的關(guān)鍵可控因素、界定關(guān)鍵因素的合理取值范圍等辦法來(lái)緩解干擾因素的影響，這就是近來(lái)應(yīng)用頻率越來(lái)越高的穩(wěn)健設(shè)計(jì)、田口設(shè)計(jì)和容差設(shè)計(jì)的意圖和途徑。通常會(huì)在設(shè)計(jì)和研發(fā)階段就提出這類(lèi)問(wèn)題，目的就是把這些非可控因素的影響降低至最小，保證指標(biāo)的高優(yōu)性能。
實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)。在實(shí)際的操作層面，除了遵循上述的五步曲準(zhǔn)則之外，試驗(yàn)設(shè)計(jì)的成功要素還包括：
1.沒(méi)有一種“放之四海而皆準(zhǔn)”的問(wèn)題解決方案，試驗(yàn)設(shè)計(jì)同樣不能提供解決所有問(wèn)題的途徑，要全面考慮解決問(wèn)題的方式，選取最有效、最經(jīng)濟(jì)的解決途徑。
2.即使決定采用試驗(yàn)設(shè)計(jì)，也不能生搬硬套地使用“試驗(yàn)設(shè)計(jì)五步曲”。跟據(jù)實(shí)際情況和要求，有時(shí)可以省去其中的某幾步，有時(shí)還會(huì)在同一個(gè)項(xiàng)目中重復(fù)循環(huán)地跳幾輪“五步曲”。
3.除了試驗(yàn)設(shè)計(jì)涉及的因素外，要盡量確保所有的環(huán)境因素是穩(wěn)定和符合現(xiàn)實(shí)的。如果條件所限，如果做不到這一點(diǎn)，不妨可以用隨機(jī)化、區(qū)組化、仿行等方法來(lái)盡量避免。
4.保證試驗(yàn)的仿真性，避免一些理想的試驗(yàn)環(huán)境，比如試驗(yàn)室。
5.不要一味地排斥試驗(yàn)設(shè)計(jì)執(zhí)行之前的歷史數(shù)據(jù)。相反，適當(dāng)?shù)乩闷髽I(yè)信息化的成果，從ERP、MES中的海量數(shù)據(jù)中進(jìn)行“數(shù)據(jù)挖掘”，很可能會(huì)減少試驗(yàn)投資，細(xì)化因素水平的選取。這也是當(dāng)前試驗(yàn)設(shè)計(jì)應(yīng)用領(lǐng)域中的新趨勢(shì)之一。
6.為了保險(xiǎn)起見(jiàn)，在得到最終的最佳參數(shù)水平組合后，還要進(jìn)行一些驗(yàn)證試驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)結(jié)果，實(shí)在沒(méi)有條件實(shí)施驗(yàn)證試驗(yàn)的，也要通過(guò)模型的“模擬仿真”來(lái)完成這個(gè)工作。
7.工欲善其事，必先利其器。為了提高試驗(yàn)設(shè)計(jì)的效率和解決問(wèn)題的成功率，選擇合適的專(zhuān)業(yè)工具必不可少。源于全球最大統(tǒng)計(jì)分析軟件公司的JMP軟件是試驗(yàn)設(shè)計(jì)業(yè)界的不二選擇，它不但能很好地實(shí)現(xiàn)篩選試驗(yàn)、析因試驗(yàn)、優(yōu)化試驗(yàn)等傳統(tǒng)手法，而且將數(shù)據(jù)挖掘、模擬仿真等相關(guān)方法也有機(jī)地融合在試驗(yàn)設(shè)計(jì)中，為我們提供了完整的試驗(yàn)設(shè)計(jì)解決方案，本文中的所有圖形就完全是以JMP軟件為載體實(shí)現(xiàn)的，JMP也是目前試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法實(shí)踐者最推崇的專(zhuān)業(yè)軟件之一。
希望你也可以早日跳出優(yōu)美的舞步，在試驗(yàn)設(shè)計(jì)DOE的舞林大會(huì)
