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今日话题:概说解决问题的真功夫-DOE

试验常有,而设计不常有

实验设计DOE,对多数质量人来说即熟悉又陌生。说起实验,我首先想到爱迪生灯丝的故事,为了一根合适的灯丝,在6000多次的辛苦试验后,最终才选定炭化的竹丝……

这个故事里有太多的试验,但似乎与设计无关;没错,所谓试验常有,而设计不常有

例如,我们为了改善咖啡的醇度,尝试着调高水温;为了提高产量,调高了传送速率等等,这些改变,都是一种尝试和试验;当你为了某种目的和结果,做出变化和改变时,就可以看成是一种试验,试验是改变和打破现状的开始,也是创新和持续改进的起点。

但是,只有当我们对“试验”进行合理的规划,科学的统筹,严谨的量化分析,给它加上“设计”的翅膀,它才能被称为实验设计DOE,才能解决更多问题。

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近100岁的DOE,经历了什么?

20世纪20年代英国的Ronald A.Fisher爵士首次在农业生产中使用DOE,析因实验法即由他提出,至今已近100年的时间,而他也被公认为DOE的创始人,他在开创析因实验的同时,还提出了方差分析,P值原理,某种意义来说,Fisher也是现代统计学的革新者;后来,在方法上,Box & Wilson提出了响应曲面设计;日本田口玄一对于DOE的大众化,普及化有着极大的贡献;我国的华罗庚当时也在积极推动“优选法统筹法”,实质就是简要版的DOE。

尽管DOE最初是为了解决农业实验的问题,但现在已经广泛应用于各行各业,从最初的农业、生物领域发展到化学、物理、工程学、食品科学、医学、社会学等科研领域,以及化工、材料、电气、电子、兵器等工业技术领域。

小小案例:DOE到底是什么?

DOE到底是什么呢?其定义是:按照预定目标制订适当的实验方案,以最少的实验资源,对实验结果进行有效的统计分析,并找出最优解决方案的科学的数学原理和实施方法。

试验本身都带有某种目的,这些目的,可以把它进行量化,这个量化指标就是响应Y;为便于大家理解,我们通过一个生活中的小案例来解释:以日常做菜为例——

  • 我们的目的是做盘美味好菜,可以选定西红柿炒蛋的美味度作为响应Y;
  • 在明确目标后,需要一个载体或过程来进行试验,而西红柿炒蛋就是这个过程
  • 它包含选材–>清洗–>配料–>炒菜–>装盘等小过程,正是这些过程输出了西红柿炒蛋的美味度Y。
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当然,这些过程会受到各方面的影响,例如,西红柿的成熟度,鸡蛋的类型,温度的高低,时间的长短,佐料的用量等等,这些影响因素,我们称为因子X。

只有理解和搞清楚了这些因子X和美味度Y之间的关系,我们才能通过精准的调整和量化控制X,从而提升美味度Y。

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这个过程就像一个黑箱子,原先只是纯粹依靠技术,经验和直觉来进行解析,抽象而粗糙;只有通过合理,科学的实验计划和安排,并结合数字化,统计量化的方法,建立起美味度Y=f(X)的模型,我们才能看得更深,理解得更透,才能精确制导,才能把控现在因子X,预测未来响应Y,才能将看不见摸不着的黑箱子转变为透明可视的白箱子。

实验设计DOE

宝藏工具

实践表明,事先的计划,设计和安排,相对传统的盲目试验而言,时间会大大缩短,成本亦会大幅下降;而实现这一切的过程,我们称之为实验设计DOE。

广泛应用:伴随产品全生命周期

目前,实验设计DOE已经发展到一个崭新的阶段,从最初的经典全因子/部分因子设计,响应曲面设计,田口稳健设计,延展到混料设计,裂区设计,超饱和设计,均匀设计,加上最新的确定性筛选设计,离散选择设计,最大化差异设计,以及加速寿命设计,甚至定制化设计等,已覆盖方方面面,成为统计分支中的一门学科。

更得益于其丰富性,从制造过程的角度看,其应用非常广泛,当前的实验设计可以伴随着产品的全寿命周期进行展开和应用。从市场调研,客户需求开始,到产品的概念设计,产品设计,工艺设计,制造生产,实验检测,以及售后服务,都可以使用不同的实验设计类型来分析,解决,突破各种问题和难题,可谓设计中的战斗机。

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俗话说,万丈高楼平地起,学习还得靠自己,更多精彩技术内容,咱们下回分解。

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