試驗設計戰(zhàn)略培訓

試驗設計與分析戰(zhàn)略培訓培訓老師：張紅亮培訓日期：2012年3月16日概論試驗設計的意義試驗設計的概念和原理試驗設計分析方法試驗設計的意義試驗設計在科學研究中的地位與意義試驗設計的發(fā)展歷程科學研究中不同階段的試驗設計試驗設計的目的試驗設計在科學研究中的地位與意義科學研究是人類對物質世界和社會現象的一種認識活動。世界的物質組成、物質運動和社會發(fā)展總是遵循一定的規(guī)律和原理。人們在探索未知的自然規(guī)律時就要運用一定的研究方法?？茖W試驗不僅是科學理論發(fā)展的動力，而且還是檢驗科學理論的標準，是科學理論的基礎。試驗設計是屬于一般研究方法中的科學試驗方法的范疇，它是由試驗方法和數學方法，特別是統(tǒng)計方法相互交叉而形成的一門科學。世紀更替，知識經濟撲面而來，科研和學習構成了知識經濟的重要活動。一個擁有持續(xù)創(chuàng)新能力和大量高素質的公司，將具備巨大的發(fā)展?jié)摿?。試驗設計的發(fā)展歷程

試驗設計產生于20世紀20年代，至今已有80多年得歷史，整個發(fā)展階段可分為三個階段。第一階段：早期的方差分析法。英國生物統(tǒng)計學家、數學家費希爾（R.A.Fisher）；開始主要應用于農業(yè)、生物學、遺傳學方面，取得了豐碩的成果；用于田間試驗，使農業(yè)大幅增產，費希爾把這種方法定名為“試驗設計”。運用均衡排列的拉丁方，解決了長期未能解決的試驗條件的不均勻問題，提出了方差分析。1935年，Fisher首次提出試驗設計的基本原則。20世紀30年代到40年代，英國、美國、蘇聯等國家都對此進行研究；逐步推廣到工業(yè)生產領域中，在采礦、冶金、建筑、紡織、機械、醫(yī)藥等行業(yè)都有所應用。第二次世界大戰(zhàn)期間，英國、美國采用這種方法在工業(yè)生產中取得了顯著效果。

第二階段：傳統(tǒng)的正交試驗設計法第二次世界大戰(zhàn)后，日本面臨著恢復國民經濟的問題。他們把試驗設計方法作為質量管理技術之一從英國、美國引進。1949年以田口玄一為首的一批研究人員在日本電訊研究所研究電話通訊的系統(tǒng)質量時應用此方法，并發(fā)現了它的不足，他們加以改進，創(chuàng)造了正交試驗設計法，即用正交表安排試驗的方法。據統(tǒng)計，推廣這種方法的前10年，試驗項目超過100萬項，其中有1/3效果十分明顯，獲得極大的經濟效益。在日本，正交表設計技術早已成為企業(yè)界人士、工程技術人員、研究人員和管理人員必備的技術，稱為工程師們共同語言的一部分。第三階段：穩(wěn)?。╮obust）設計。又稱為魯棒性。降低誤差因素的影響，使產品性能對誤差因素的變化不敏感。提高產品質量，又降低成本的設計方法。

1957年，田口玄一把信噪比設計和正交表設計、方差分析相結合，用信噪比作為特征數來衡量質量，用正交表來安排試驗，選擇最佳的參數組合，從而確立了穩(wěn)健設計的基本原理，開辟了更為重要，更為廣泛的應用領域。它可以進行評價與改善計測儀表的計測方法的誤差，解決產品或工序的最佳穩(wěn)定性和最佳動態(tài)特性問題。我國試驗設計發(fā)展60年末期代，華羅庚教授在我國倡導與普及的“優(yōu)選法”，如黃金分割法、分數法和斐波那契數列法等。數理統(tǒng)計學者在工業(yè)部門中普及“正交設計”法。70年代中期，優(yōu)選法在全國各行各業(yè)取得明顯成效。1978年，七機部由于導彈設計的要求，提出了一個五因素的試驗，希望每個因素的水平數要多于10，而試驗總數又不超過50，顯然優(yōu)選法和正交設計都不能用；方開泰教授（中國科學院應用數學研究所）和王元院士提出“均勻設計”法，這一方法在導彈設計中取得了成效。

科學研究中不同階段的試驗設計初期階段的探索試驗：研究初期階段的探索試驗，他們主要有簡單設計試驗，篩選試驗，簡單設計試驗的目的主要是明確某因素的作用，如對照試驗、比較試驗等。篩選試驗的主要目的是在眾多因素中明確關鍵因素或優(yōu)良水平，如單因素試驗；如少量水平的多因素試驗（均勻設計、正交設計、均勻設計等）中期階段的析因試驗：在研究中期階段主要是多因素的析因試驗，以深入分析主要因素的作用及相互關系，如拉丁設計、交替設計、正交設計等。后期階段的優(yōu)化試驗：其目的是深入研究少數關鍵因子及相關作用關系而進行優(yōu)化設計，如模型試驗，建立最優(yōu)模型的回歸設計，如優(yōu)化配方的配方設計，優(yōu)化模型的穩(wěn)健設計等。試驗設計的目的凡事預則立，不預則廢。學習實驗設計與分析，就是要不僅知其然，還要知其所以然，試驗只是一種表象，而原理才是真正的實質性的東西。以最小的代價、成本（人、財、物等）尋求科學的、高效的最佳工藝、最佳產品、最優(yōu)系統(tǒng)、最優(yōu)決策等。為我們提高產量。減少質量的波動，提高產品過程能力。縮短新產品試驗周期。降低成本。延長產品壽命等。試驗設計的概念和原理試驗設計基本概念試驗設計的內容試驗設計的原理試驗設計的種類及其特點試驗設計的基本概念試驗設計：試驗設計是以概率論和數理統(tǒng)計為理論基礎，經濟地、科學地安排試驗的一項技術。試驗因子、水平、處理。精密度：表示試驗結果中隨機誤差的大小程度。精密度高，則分散度小，重復性好。正確度：表示試驗測量結果中系統(tǒng)誤差大小的程度。精確度：表示試驗處理結果與被測量處理真值之間的接近程度。反映了試驗測量結果中系統(tǒng)誤差與隨機誤差的綜合。打靶示意圖精密度高正確度高精確度高試驗設計的內容產品質量的高低主要是由設計決定的，一個好的試驗設計包含幾個方面的內容。第一是明確衡量產品質量的指標，6σ管理強調用數據說話，所以這個質量指標盡量是能夠量化的指標，在試驗設計中稱為試驗指標，也稱為響應變量或輸出變量。第二是尋找影響試驗指標的可能因素，也稱為影響因子和輸入變量。因素變化的各種狀態(tài)稱為水平，要求根據專業(yè)知識初步確定因家水平的范圍。第三是根據實際問題，選擇適用的試驗設計方法。試驗設計的方法有很多，每種方法都有不同的適用條件，選擇了適用的方法就可以事半而功倍，選擇的方法不正確或者根本沒有進行有效的試驗設計就會事倍而功半。第四是科學地分析試驗結果，包括對數據的直觀分析、方差分析、回歸分析等多種統(tǒng)計分析方法，這些工作可以借助Minititab、DPS軟件完成。試驗設計的原理為了控制干擾因子引起的差異，降低試驗誤差，在試驗設計中要遵循如下三條基本原理。重復性：相同處理設置試驗單元的重復進行。有兩方面的作用：1.估計試驗誤差，同一處理在兩個以上的試驗單元實施后可表現一定的差異，這就是隨機干擾因子而引起的試驗誤差。2.降低試驗誤差，提高試驗精確度。隨機性：試驗材料的分配和試驗的各個試驗進行的次序，都是隨機地確定的。隨機可以消除任何人為的主觀偏見性及各種干擾因子的影響，以保證獲得處理效應及誤差變異的有效無偏估計。區(qū)域控制性：將試驗單元按系統(tǒng)干擾因子的環(huán)境控制因子進行區(qū)組劃分，實行區(qū)域控制，使同一區(qū)組內的單元間環(huán)境音保持一致，保證同一區(qū)組中局部范圍內單元間誤差的同質性。常用試驗設計的種類及其特點根據試驗中處理因子的多少可以分為兩大類：單因子試驗及多因子試驗。根據試驗中環(huán)境因子的數目可分為三類，單方向控制，如隨機區(qū)組設計；雙方向控制,如拉丁方設計、雙向隨機區(qū)組設計等；多方向控制，如重疊拉丁方設計，希臘拉丁方設計（很少用）。完全隨機設計；將各處理（不同因子、不同水平的組合）完全隨機地安排到各試驗單元，即各試驗單元接受每個處理的機會相等，沒有區(qū)域控制的限制，試驗容易實施，但不能控制系統(tǒng)干擾因子引起的試驗誤差。前期隨機區(qū)組設計：它是最簡單的一種設計，最初來自于農業(yè)的田間試驗，一般統(tǒng)計術語中的試驗單元在田間試驗表示一定面積的小區(qū)，由于土壤肥力差異的存在，因此將一些條件一致的鄰近小區(qū)安排在一起形成區(qū)組，這樣做僅僅區(qū)組內小區(qū)間的變異會會影響誤差，而區(qū)組間的變異通過統(tǒng)計分析可以消除，不影響誤差，此即“局部控制”原理。前期拉丁方設計：可從兩個方向（行區(qū)組及列區(qū)組）上控制試驗誤差，試驗處理數=行數=列數=重復數。試驗精度高，伸縮性略差，處理數適宜在2-5個。（一般拉丁方、正交拉丁方）中期正交設計：具有均衡分散及整齊可比的特點，因子水平安排較靈活，可進行多因子篩選性試驗，一般可安排3-15個因子的2-3水平試驗，由于采用分式設計僅實施部分處理，因子主效應往往和因子相互作用，幾個因子互作也相互混雜，因此分析和解釋時要慎重。設計試驗時，如果因子間交互作用較強，則不宜用正交試驗設計。中前期均勻設計：具有均衡分散性（無整齊可比）的特點，因子安排較靈活，可進行多音字多睡篩選性試驗，安排3-15個因子的5-20水平試驗。由于各因子間不正交，一般采用回歸分析方法分析。前期回歸設計：回歸設計（也稱為響應曲面設計），目的是尋找試驗指標與各因子間的定量規(guī)律，考察的因子都是定量的。主要用于優(yōu)化回歸模型的設計，在試驗前設計試驗處理以采用不同統(tǒng)計原理特性（正交性、旋轉性、飽和性、方差優(yōu)良性等）獲得優(yōu)化的回歸方程，一般可安排3-5因子，每因子2-5水平。根據建立的回歸方程的次數不同，回歸設計有一次回歸設計、二次回歸設計、三次回歸設計等；根據設計的性質又有正交設計、旋轉設計等后期配方設計：又稱混料設計，主要用于各種成分變量的優(yōu)化配方設計。如食品生產中不同原料配方，家畜不同飼料配方，作物不同配方施肥等，一般可安排3-5個因子，每因子2-5水平。后期穩(wěn)健設計：又稱穩(wěn)健參數設計，在研究前期和中期提出生產工藝參數后，在進行處理設計時，同時對影響波動的因子進行環(huán)境設計。穩(wěn)健設計的目標主要是獲得低成本高質量并且性能穩(wěn)定的產品和工藝。通過穩(wěn)健設計使產品性能對于它的生產和使用環(huán)境的各種變化表現不敏感性或穩(wěn)健性。穩(wěn)健設計在工業(yè)產品質量工程設計中應用廣泛。后期試驗設計分析方法回歸分析：是研究因變量（結果變量）與自變量(可稱原因變量）之間的關系的統(tǒng)計方法；目的1.觀察變量之間是