实验设计DOE原版.ppt
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1、1Design Of Experiments(DOE)21.DOE實驗設計介紹實驗設計介紹Ford Motor CompanyAll rights reserved,A.3實驗設計(實驗設計(DOE)序論)序論q實驗設計根源自於農業,它被廣泛使用在:v將X的影響量化v證實一個想法或假設v在給定流程的輸入設定下,去預測流程的輸出v改善種植技術或將種植技術最佳化q在1900年代早期由英國的Ronald Fisher 所發展出來實驗設計是改善或理解任何流程實驗設計是改善或理解任何流程的關鍵工具的關鍵工具Ford Motor CompanyAll rights reserved,A.4實驗設計 設定範
2、例1 mile X 1.5 milesIowa的土地平面圖的土地平面圖Ford Motor CompanyAll rights reserved,A.5實驗設計 設定範例1 2種子種子 21 DOE因子 +產出反應值 種子 1 2Ford Motor CompanyAll rights reserved,A.6實驗設計 設定範例22 DOEFactor +Seed 1 2Fertilizer 1 2Yield1 2種子1 2肥料ResponseFord Motor CompanyAll rights reserved,A.7實驗設計實驗設計 24 DOEFactor +Seed 1 2Fert
3、ilizer 1 2H2O LoHiPlanting Density LoHiResponseYieldLoHiLoHi1種子種子 2肥料肥料LoHiLoHi21水水H2O種植密度種植密度8實驗設計(DOE)計劃Ford Motor CompanyAll rights reserved,A.9目標建立q建立實驗目標v根據實驗你想去發現什麼v你是否試著找出輸入因子及輸出結果之間的關係v你是否嘗試由許多的繁瑣不重要的可能因子中,找出少數的關鍵因子v你想知道,如果一些輸入(X)一起產生作用,是否會影響到輸出(Y)v你是否試著決定出輸入因子的最佳參數設定Ford Motor CompanyAll ri
4、ghts reserved,A.10過程過程可控的輸入可控的輸入 溫度 壓力關鍵流程關鍵流程輸出輸出雜音輸入雜音輸入(離散的離散的)不同的操作者 不同的機台 不同的班別 供應者/部件選擇輸入(Xs)以及輸出(Ys)雜音輸入雜音輸入(連續的連續的)室溫 大氣壓力 相對溼度 原料特性流程繪圖流程繪圖Multi-Vari StudiesCorrelationsScreening DOEsDOEsGage R&R,CapabilityT-Test,ANOVAQuality SystemsSPC,Control Plans量測量測分析分析改善改善控制控制C&E,FMEA20-5015-258-155-8
5、2-5Ford Motor CompanyAll rights reserved,A.11輸入因子輸入因子(xs)的選擇的選擇q一個流程中可控制或不可控制的輸入因子,它對於結果的影響可以由實驗中知道:v可能是數量表示的(變數的資料),例如:溫度的度數,時間的秒數。v有可能是質的(特質上的資料),例如:不同的機台,不同的操作員,乾淨或不乾淨Ford Motor CompanyAll rights reserved,A.12因子選擇因子選擇 減少因子數目減少因子數目q 我們需要包含哪些因子?q 下面的工作可提供我們分析v FMEA/控制計劃 或 DCP(資料蒐集計劃 Data Collection
6、 Plan)v 要因矩陣v 假設檢定v 流程繪圖v 腦力激盪v 文獻探討v 工程知識v 操作者的經驗v 科學理論v 顧客/供應商輸入Ford Motor CompanyAll rights reserved,A.13為每一個因子選擇水準為每一個因子選擇水準q一個輸入因子的水準,是在實驗中需調查的輸入因子(X)的值。(不要跟輸出的(Y)混淆)。v對於一個屬量的因子,例如溫度,如果實驗需要執行兩種溫度,則溫度的因子就有兩個水準。v對於一個屬質的因子,例如潔淨:如果一個實驗必須考慮乾淨與不乾淨,那這潔淨的因子就有兩個水準。Ford Motor CompanyAll rights reserved,A
7、.14設定輸入變數水準的指導方針設定輸入變數水準的指導方針q從大量的的變數中去決定出關鍵少數輸入因子(篩選)v在目前的能力上,設定“顯著”的端點水準v如果有一個輸入因子,當我們改變它的時候我們可以看到結果明顯的改變。q最好去了解因子間的交互作用(數學上的關係)v當關鍵輸入被確認了之後,降低水準間的間隔可用來確認輸入變數間的交互作用 v這個方法通常會形成一系列有順序的實驗q確認輸入變數的操作視窗(流程最佳化)v再次使用接近的設定v依樣使用連續的實驗Ford Motor CompanyAll rights reserved,A.15選擇實驗設計的類別選擇實驗設計的類別q有複製(Replicatio
8、n)的全因子實驗q沒有複製的全因子實驗q篩選或部分因子設計q一次一因子法(OFAT)你所選擇的水準越高,你所學會的也會越多你所選擇的水準越高,你所學會的也會越多!Ford Motor CompanyAll rights reserved,A.16範例一:屬量型的範例一:屬量型的Yq 假設你在看電視上的棒球賽,以及你對所有的有關聲稱可以增進你去打球的距離廣告項目感到興趣。你並不確定為何這些球跟球棒將會增加打擊距離,但是你擔憂任何的改進並且決定根據下面的條件去購買:v 球棒的兩種設定:Shinewood&Cornwallv 球的兩種類別:Fareist&Homerunv 你一般都在兩種場地打球,場
9、地A幾乎都沒有風,它就像是一個室內的場地;場地B的風比較強,它就像是一個戶外的場地。q 你已經有配備了且你已經確認天氣。q 你知道該如何去改進你的打擊嗎?讓我們試著來設計一個實驗讓我們試著來設計一個實驗.Ford Motor CompanyAll rights reserved,A.17距離(Y)是一個屬量的資料型態範例一範例一(1)q定義問題:v打擊距離不夠長q建立目標:v增加打擊距離q選擇反應值(輸出):v距離,量測當球被擊出後落地的位置與本壘版的距離。最長的距離為本壘版到全壘打牆。量測在外野掉落的痕跡的最近距離.Ford Motor CompanyAll rights reserved,
10、A.18範例一範例一(2)q選擇可控的輸入因子:v球棒v球v風的狀況q確認不可控的輸入因子:v溫度v溼度v選手打擊率Ford Motor CompanyAll rights reserved,A.19因子因子 水準一水準一 水準二水準二 球棒球棒 Shinewood Cornwall球球 FareistHomerun風的狀況風的狀況 有風有風 沒風沒風選擇因子水準:選擇因子水準:範例一範例一(3)Ford Motor CompanyAll rights reserved,A.20A.Shinewood Bats Type of Baseballs?Wind?B.Cornwall BatsTyp
11、e of Baseballs?Wind?缺點:資訊非常有限我該如何進行需要實驗我該如何進行需要實驗?什麼事需要檢驗什麼事需要檢驗?選擇實驗設計選擇實驗設計選擇 1:OFAT 一次一因子法範例一範例一(4)選擇選擇 1Ford Motor CompanyAll rights reserved,A.21全部可能的組合有哪些呢?A.Shinewood BatsFareist BallsNo WindB.Cornwall BatsFareist BallsNo WindC.Shinewood BatsHomerun BallsNo WindD.Cornwall BatsHomerun BallsNo
12、WindE.Shinewood BatsFareist BallsHigh WindF.Cornwall BatsFareist BallsHigh WindG.Shinewood BatsHomerun BallsHigh WindH.Cornwall BatsHomerun BallsHigh Wind選擇實驗設計選擇實驗設計選擇 2:全因子設計全因子設計範例一範例一(4)選擇選擇 2 球棒球棒球球風的狀況風的狀況Ford Motor CompanyAll rights reserved,A.22範例二:磁盤範例(屬量型的Y)q瓷器生產小組正在修改磁盤。q生產部門指出,光澤度是顧客最在意的
13、關鍵輸出因子,他們希望盤子能改善10%的光澤度。q原料工程師想測試四種瓷土粉末,他由經驗得知在生產過程時爐灶的溫度,也是產品光澤度的關鍵原因,所以他要去檢定四種瓷土粉末及三種不同的爐灶溫度。q這個實驗的全因子如何設計呢?設計出這個實驗的全因子實驗設計。Ford Motor CompanyAll rights reserved,A.23輸出輸出(Y)的光澤度是屬量型的資料型態的光澤度是屬量型的資料型態範例二:生產策略生產策略(1)q定義問題:v改善磁盤的光澤度,希望能比以前的光澤有超過10%的改善(光澤=10)。q建立目標:v決定哪種瓷土粉末以及爐灶的溫度可以使產出的光澤度較高。q選擇反應值(輸
14、出):v輸出的光澤度為11,以公認的實驗室來量測。Ford Motor CompanyAll rights reserved,A.24範例二:生產策略生產策略(2)q選擇可控制的輸入因子:v瓷土粉末v爐灶溫度q選擇因子的水準:因子 v 瓷土粉末種類:4 個水準 TC6TC5TC4TC3v 爐灶溫度:3 個水準 450500550Ford Motor CompanyAll rights reserved,A.25範例二:生產策略生產策略(3)A.瓷土粉末 TC6爐灶溫度 450B.瓷土粉末 TC6爐灶溫度 500C.瓷土粉末 TC6 爐灶溫度 550D.瓷土粉末 TC5 爐灶溫度 450E.瓷土
15、粉末 TC5 爐灶溫度 500F.瓷土粉末 TC5 爐灶溫度 550G.瓷土粉末 TC4 爐灶溫度 450H.瓷土粉末 TC4 爐灶溫度 500I.瓷土粉末 TC4爐灶溫度 550J.瓷土粉末 TC3 爐灶溫度 450K.瓷土粉末 TC3 爐灶溫度 500L.瓷土粉末 TC3爐灶溫度 550選擇實驗設計選擇實驗設計所有可能的實驗組合為何?這是這是4X3的全因子實驗設計的全因子實驗設計Ford Motor CompanyAll rights reserved,A.26什麼會對統計效度產生威脅什麼會對統計效度產生威脅q低的統計效力:不適當的樣本大小q鬆散的量測系統 擴大量測系統的變異(GR&R)q
16、在實驗的設定上使用隨機的因子 擴大應變數的變異q注意實驗的隨機化及樣本大小就能預防威脅Ford Motor CompanyAll rights reserved,A.27制定企劃的問題制定企劃的問題q量測的目的是什麼?q它需要多少成本?q如何決定樣本大小?q我們的隨機化計劃是什麼?q我們有跟我們的內部客戶談論過這些嗎?q需要多久時間?q我們將如何分析這些資料?q我們已經計劃了先導實驗嗎?q我們的計劃案在哪裡?Ford Motor CompanyAll rights reserved,A.28執行實驗執行實驗q 內部訊息文件q 確定量測系統q 確保實驗中包含最基本的情況q 確定在資料蒐集上能清楚
17、的分配責任q 永遠先執行前導實驗去證實及改善資料蒐集的程序q 等待並紀錄任何外在的變異源q 迅速並徹底的分析資料v 圖解的v 描述的v 推論的q 永遠執行一個或多個驗證去確認你的結果Ford Motor CompanyAll rights reserved,A.29一般的建議一般的建議q 計劃表單會比執行實驗還來的重要(80/20)q 確定專案裡已包含潛在的商業結果q 一次集中於一個實驗q 不要想嘗試一次的研究就能解決所有的問題,試著於多次的研究中發現答案q 及早使用兩個水準的設計q 在第一次的實驗,不要花超過25%的預算q 記得在第二次的實驗時驗證前一次實驗的結果q 放棄一個實驗是可被允許的
18、q 一定要有最後的結報q 最後,將實驗以穩健的水準封住,但是去思考人員與器材的安全性302.一次一因子法一次一因子法(OFAT)Ford Motor CompanyAll rights reserved,A.31內容大綱q討論實驗策略v一次一因子法(OFAT)v保留優勝者策略(Keep the winner)v因子設計q介紹術語v因子 v水準v主效應v交互作用Ford Motor CompanyAll rights reserved,A.32範例範例 問卷調查的回覆率研究問卷調查的回覆率研究q 當我們為發放問卷調查設計一個流程時,我們關心的是盡量增加問卷調查的回覆率 v應變數(Y)是發放問卷後
19、的回覆百分比q 有三個可能的因子v發放的日期日期 星期一或星期五 v發放的時間時間 早上或中午v發放的地點地點 A公司或B公司Ford Motor CompanyAll rights reserved,A.33因子及水準因子及水準q在這個範例中,我們有三個因子:v日期v時間 v地點 q我們每個因子又有兩個水準:v日期 星期一(-1)或星期五(+1)v時間 早上(-1)或中午(+1)v地點 公司A(-1)或公司B(+1)q這些水準被標示為(-1)和(+1),即使用簡略的符號來紀錄 要找到最佳的流程有不同的方法要找到最佳的流程有不同的方法Ford Motor CompanyAll rights r
20、eserved,A.34一次一因子的策略一次一因子的策略敘述敘述標準的 日期的試驗 時間的試驗地點的試驗日子日子 -1+1 -1 -1時間時間 -1 -1 +1 -1地點地點 -1 -1 -1 +1問卷調查的回覆百分比問卷調查的回覆百分比40%星期一早上在公司A38%禮拜五比較不好50%中午是比較好的60%在公司B比較好在這種策略中,你改變其中一個因子而其他因子保持不變。在每一項測試後,將結果與基準值或標準值比較結果結果:在星期一,上午,在星期一,上午,B公司公司Ford Motor CompanyAll rights reserved,A.35一次一因子策略的限制一次一因子策略的限制q這個方
21、法是否考慮到所有的組合了呢?q漏掉了哪一個呢?敘述敘述標準的 日期的試驗時間的試驗地點的試驗日期日期 -1+1 -1 -1時間時間 -1 -1 +1 -1地點地點 -1 -1 -1 +1回覆的百分比回覆的百分比40%38%50%60%遺漏?Ford Motor CompanyAll rights reserved,A.36“保留優勝者保留優勝者”策略策略q既然試驗二沒有超過實驗一,保留“優勝者”,發問卷的日期(星期一),在所有剩下的試驗中,實驗三比實驗一好,所以發放問卷的時間設定為中午(+)敘述敘述標準的 日期的試驗 時間的試驗地點的試驗日期日期 -1+1 -1 -1時間時間 -1 -1 +1
22、 +1地點地點-1-1-1+1回覆的百分比回覆的百分比40%38%50%72%結果結果:在星期一,在星期一,中午,中午,B公司公司Ford Motor CompanyAll rights reserved,A.37回顧q一次一因子策略的限制一次一因子策略的限制Ford Motor CompanyAll rights reserved,A.3823因子的策略因子的策略 q因子策略可看到所有因子的組合狀況q可讓我們瞭解系統如何在所有的組合狀況下執行標準順序因子 日期 時間地點 1-1-1-121-1-13-11-1411-1 5-1-1161-117-11181 1 1因子(-1)水準(+)水準
23、日期星期一星期一星期五星期五時間早上早上中午中午地點公司公司A 公司公司B Ford Motor CompanyAll rights reserved,A.39一個23 因子的設計標準順序12345678日期星期一星期五星期一 星期五 星期一 星期五 星期一 星期五 時間早上早上中午 中午 早上 早上 中午 中午 地點公司 A 公司 A 公司 A 公司 A 公司 B 公司 B 公司 B 公司 B 回覆的百分比40%38%50%34%60%80%72%54%標準順序:第一個變數每一次皆改變+/-(-+-+-+-+)第二次變數每兩次改變一次+/-(-+-+)第三次變數每四次改變一次+/-(-+)等
24、.Ford Motor CompanyAll rights reserved,A.40三因子的實驗設計:立體圖結果結果:在星期五,早上,在星期五,早上,B公司公司-1+1地點地點-1+1日期日期-1+1時間時間4060388054345072Ford Motor CompanyAll rights reserved,A.41比較已取得的資訊一次一因子法是將基準值與其他角度的量測值相比較,來估計A、B、C的效果“保留優勝者策略”則是藉著比較其他的點,來估計A、B、C的效果,但並非由基準值而來這個階乘法可得到更多的訊息BACBACBAC423.主效果與交互作用主效果與交互作用Ford Motor
25、CompanyAll rights reserved,A.43主效果主效果早上早上(-)時間時間 (+)中午中午星期一星期一(-)日期日期 (+)星期星期五五星期一或星期五星期一或星期五“當我將因子的水準由低水準(星期一)改成高水準(高水準)時,它的平均輸出減少了4%”44)72605040()54803438(effectDay4060388054345072()()()()q 主效果主要是在看因子從低水準到高水準時它的輸出的平均改變量q 主效果的計算方式是把因子在高水準的輸出平均值減去因子在低水準的輸出平均值Ford Motor CompanyAll rights reserved,A.4
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