試驗設(shè)計戰(zhàn)略培訓(xùn)

試驗設(shè)計與分析戰(zhàn)略培訓(xùn)培訓(xùn)老師：張紅亮培訓(xùn)日期：2012年3月16日概論試驗設(shè)計的意義試驗設(shè)計的概念和原理試驗設(shè)計分析方法試驗設(shè)計的意義試驗設(shè)計在科學(xué)研究中的地位與意義試驗設(shè)計的發(fā)展歷程科學(xué)研究中不同階段的試驗設(shè)計試驗設(shè)計的目的試驗設(shè)計在科學(xué)研究中的地位與意義科學(xué)研究是人類對物質(zhì)世界和社會現(xiàn)象的一種認(rèn)識活動。世界的物質(zhì)組成、物質(zhì)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(xué)試驗不僅是科學(xué)理論發(fā)展的動力，而且還是檢驗科學(xué)理論的標(biāo)準(zhǔn)，是科學(xué)理論的基礎(chǔ)。試驗設(shè)計是屬于一般研究方法中的科學(xué)試驗方法的范疇，它是由試驗方法和數(shù)學(xué)方法，特別是統(tǒng)計方法相互交叉而形成的一門科學(xué)。世紀(jì)更替，知識經(jīng)濟(jì)撲面而來，科研和學(xué)習(xí)構(gòu)成了知識經(jīng)濟(jì)的重要活動。一個擁有持續(xù)創(chuàng)新能力和大量高素質(zhì)的公司，將具備巨大的發(fā)展?jié)摿ΑＴ囼炘O(shè)計的發(fā)展歷程

試驗設(shè)計產(chǎn)生于20世紀(jì)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(xué)家、數(shù)學(xué)家費希爾（R.A.Fisher）；開始主要應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、生物學(xué)、遺傳學(xué)方面，取得了豐碩的成果；用于田間試驗，使農(nóng)業(yè)大幅增產(chǎn)，費希爾把這種方法定名為“試驗設(shè)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，F(xiàn)isher首次提出試驗設(shè)計的基本原則。20世紀(jì)30年代到40年代，英國、美國、蘇聯(lián)等國家都對此進(jìn)行研究；逐步推廣到工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中，在采礦、冶金、建筑、紡織、機(jī)械、醫(yī)藥等行業(yè)都有所應(yīng)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(chǎn)中取得了顯著效果。

第二階段：傳統(tǒng)的正交試驗設(shè)計法第二次世界大戰(zhàn)后，日本面臨著恢復(fù)國民經(jīng)濟(jì)的問題。他們把試驗設(shè)計方法作為質(zhì)量管理技術(shù)之一從英國、美國引進(jìn)。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(zhì)量時應(yīng)用此方法，并發(fā)現(xiàn)了它的不足，他們加以改進(jìn)，創(chuàng)造了正交試驗設(shè)計法，即用正交表安排試驗的方法。據(jù)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(jīng)濟(jì)效益。在日本，正交表設(shè)計技術(shù)早已成為企業(yè)界人士、工程技術(shù)人員、研究人員和管理人員必備的技術(shù)，稱為工程師們共同語言的一部分。第三階段：穩(wěn)?。╮obust）設(shè)計。又稱為魯棒性。降低誤差因素的影響，使產(chǎn)品性能對誤差因素的變化不敏感。提高產(chǎn)品質(zhì)量，又降低成本的設(shè)計方法。

1957年，田口玄一把信噪比設(shè)計和正交表設(shè)計、方差分析相結(jié)合，用信噪比作為特征數(shù)來衡量質(zhì)量，用正交表來安排試驗，選擇最佳的參數(shù)組合，從而確立了穩(wěn)健設(shè)計的基本原理，開辟了更為重要，更為廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。它可以進(jìn)行評價與改善計測儀表的計測方法的誤差，解決產(chǎn)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(shè)計發(fā)展60年末期代，華羅庚教授在我國倡導(dǎo)與普及的“優(yōu)選法”，如黃金分割法、分?jǐn)?shù)法和斐波那契數(shù)列法等。數(shù)理統(tǒng)計學(xué)者在工業(yè)部門中普及“正交設(shè)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(jī)部由于導(dǎo)彈設(shè)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(shù)要多于10，而試驗總數(shù)又不超過50，顯然優(yōu)選法和正交設(shè)計都不能用；方開泰教授（中國科學(xué)院應(yīng)用數(shù)學(xué)研究所）和王元院士提出“均勻設(shè)計”法，這一方法在導(dǎo)彈設(shè)計中取得了成效。

科學(xué)研究中不同階段的試驗設(shè)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(shè)計試驗，篩選試驗，簡單設(shè)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(guān)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(shè)計、正交設(shè)計、均勻設(shè)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(guān)系，如拉丁設(shè)計、交替設(shè)計、正交設(shè)計等。后期階段的優(yōu)化試驗：其目的是深入研究少數(shù)關(guān)鍵因子及相關(guān)作用關(guān)系而進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，如模型試驗，建立最優(yōu)模型的回歸設(shè)計，如優(yōu)化配方的配方設(shè)計，優(yōu)化模型的穩(wěn)健設(shè)計等。試驗設(shè)計的目的凡事預(yù)則立，不預(yù)則廢。學(xué)習(xí)實驗設(shè)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(zhì)性的東西。以最小的代價、成本（人、財、物等）尋求科學(xué)的、高效的最佳工藝、最佳產(chǎn)品、最優(yōu)系統(tǒng)、最優(yōu)決策等。為我們提高產(chǎn)量。減少質(zhì)量的波動，提高產(chǎn)品過程能力。縮短新產(chǎn)品試驗周期。降低成本。延長產(chǎn)品壽命等。試驗設(shè)計的概念和原理試驗設(shè)計基本概念試驗設(shè)計的內(nèi)容試驗設(shè)計的原理試驗設(shè)計的種類及其特點試驗設(shè)計的基本概念試驗設(shè)計：試驗設(shè)計是以概率論和數(shù)理統(tǒng)計為理論基礎(chǔ)，經(jīng)濟(jì)地、科學(xué)地安排試驗的一項技術(shù)。試驗因子、水平、處理。精密度：表示試驗結(jié)果中隨機(jī)誤差的大小程度。精密度高，則分散度小，重復(fù)性好。正確度：表示試驗測量結(jié)果中系統(tǒng)誤差大小的程度。精確度：表示試驗處理結(jié)果與被測量處理真值之間的接近程度。反映了試驗測量結(jié)果中系統(tǒng)誤差與隨機(jī)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(shè)計的內(nèi)容產(chǎn)品質(zhì)量的高低主要是由設(shè)計決定的，一個好的試驗設(shè)計包含幾個方面的內(nèi)容。第一是明確衡量產(chǎn)品質(zhì)量的指標(biāo)，6σ管理強(qiáng)調(diào)用數(shù)據(jù)說話，所以這個質(zhì)量指標(biāo)盡量是能夠量化的指標(biāo)，在試驗設(shè)計中稱為試驗指標(biāo)，也稱為響應(yīng)變量或輸出變量。第二是尋找影響試驗指標(biāo)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(jù)專業(yè)知識初步確定因家水平的范圍。第三是根據(jù)實際問題，選擇適用的試驗設(shè)計方法。試驗設(shè)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(jìn)行有效的試驗設(shè)計就會事倍而功半。第四是科學(xué)地分析試驗結(jié)果，包括對數(shù)據(jù)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(shè)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(shè)計中要遵循如下三條基本原理。重復(fù)性：相同處理設(shè)置試驗單元的重復(fù)進(jìn)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(xiàn)一定的差異，這就是隨機(jī)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(jī)性：試驗材料的分配和試驗的各個試驗進(jìn)行的次序，都是隨機(jī)地確定的。隨機(jī)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(yīng)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(jìn)行區(qū)組劃分，實行區(qū)域控制，使同一區(qū)組內(nèi)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(nèi)單元間誤差的同質(zhì)性。常用試驗設(shè)計的種類及其特點根據(jù)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(jù)試驗中環(huán)境因子的數(shù)目可分為三類，單方向控制，如隨機(jī)區(qū)組設(shè)計；雙方向控制,如拉丁方設(shè)計、雙向隨機(jī)區(qū)組設(shè)計等；多方向控制，如重疊拉丁方設(shè)計，希臘拉丁方設(shè)計（很少用）。完全隨機(jī)設(shè)計；將各處理（不同因子、不同水平的組合）完全隨機(jī)地安排到各試驗單元，即各試驗單元接受每個處理的機(jī)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(jī)區(qū)組設(shè)計：它是最簡單的一種設(shè)計，最初來自于農(nóng)業(yè)的田間試驗，一般統(tǒng)計術(shù)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(nèi)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(shè)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(shù)=行數(shù)=列數(shù)=重復(fù)數(shù)。試驗精度高，伸縮性略差，處理數(shù)適宜在2-5個。（一般拉丁方、正交拉丁方）中期正交設(shè)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(jìn)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(shè)計僅實施部分處理，因子主效應(yīng)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(shè)計試驗時，如果因子間交互作用較強(qiáng)，則不宜用正交試驗設(shè)計。中前期均勻設(shè)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(jìn)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(shè)計：回歸設(shè)計（也稱為響應(yīng)曲面設(shè)計），目的是尋找試驗指標(biāo)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(shè)計，在試驗前設(shè)計試驗處理以采用不同統(tǒng)計原理特性（正交性、旋轉(zhuǎn)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(jù)建立的回歸方程的次數(shù)不同，回歸設(shè)計有一次回歸設(shè)計、二次回歸設(shè)計、三次回歸設(shè)計等；根據(jù)設(shè)計的性質(zhì)又有正交設(shè)計、旋轉(zhuǎn)設(shè)計等后期配方設(shè)計：又稱混料設(shè)計，主要用于各種成分變量的優(yōu)化配方設(shè)計。如食品生產(chǎn)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(shè)計：又稱穩(wěn)健參數(shù)設(shè)計，在研究前期和中期提出生產(chǎn)工藝參數(shù)后，在進(jìn)行處理設(shè)計時，同時對影響波動的因子進(jìn)行環(huán)境設(shè)計。穩(wěn)健設(shè)計的目標(biāo)主要是獲得低成本高質(zhì)量并且性能穩(wěn)定的產(chǎn)品和工藝。通過穩(wěn)健設(shè)計使產(chǎn)品性能對于它的生產(chǎn)和使用環(huán)境的各種變化表現(xiàn)不敏感性或穩(wěn)健性。穩(wěn)健設(shè)計在工業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量工程設(shè)計中應(yīng)用廣泛。后期試驗設(shè)計分析方法回歸分析：是研究因變量（結(jié)果變量）與自變量(可稱原因變量）之間的關(guān)系的統(tǒng)計方法；目的1.觀察變量之間是