試驗(yàn)設(shè)計(jì)是一種確定影響過(guò)程的因子和過(guò)程輸出之間關(guān)系的動(dòng)態(tài)方法。換句話說(shuō)，試驗(yàn)設(shè)計(jì)常被用來(lái)尋找因果關(guān)系。為優(yōu)化輸出而對(duì)過(guò)程輸入進(jìn)行管理時(shí)，這些信息是必要的。
試驗(yàn)設(shè)計(jì)（DOE）源于20世紀(jì)20年代育種科學(xué)家Dr. Fisher的研究, Dr. Fisher是大家一致公認(rèn)的此方法策略的創(chuàng)始者, 但后續(xù)努力集其大成而使試驗(yàn)設(shè)計(jì)在工業(yè)界得以普及、發(fā)揚(yáng)光大者, 卻非Dr. Taguchi (田口玄一博士) 莫屬。
試驗(yàn)設(shè)計(jì)是一種確定影響過(guò)程的因子和過(guò)程輸出之間關(guān)系的動(dòng)態(tài)方法。換句話說(shuō)，試驗(yàn)設(shè)計(jì)常被用來(lái)尋找因果關(guān)系。為優(yōu)化輸出而對(duì)過(guò)程輸入進(jìn)行管理時(shí)，這些信息是必要的。
試驗(yàn)設(shè)計(jì)的理解首先需要一些統(tǒng)計(jì)工具知識(shí)和試驗(yàn)的概念。雖然可以使用很多軟件程序來(lái)分析試驗(yàn)設(shè)計(jì)，但是對(duì)于試驗(yàn)者來(lái)說(shuō)，理解基本的試驗(yàn)設(shè)計(jì)概念對(duì)于試驗(yàn)設(shè)計(jì)的正確應(yīng)用是很重要的。
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試驗(yàn)設(shè)計(jì)三個(gè)基本原理
實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的3個(gè)基本原理為重復(fù)、隨機(jī)化以及區(qū)組化。
重復(fù)，意思是基本試驗(yàn)的重復(fù)進(jìn)行。重復(fù)有兩條重要的性質(zhì)，即隨機(jī)化和區(qū)組化。
隨機(jī)化，是指試驗(yàn)材料的分配和試驗(yàn)的各個(gè)試驗(yàn)進(jìn)行次序都是隨機(jī)地確定。統(tǒng)計(jì)方法要求觀察值（或誤差）是獨(dú)立分布的隨機(jī)變量。隨機(jī)化通常能使這一假定有效。把試驗(yàn)進(jìn)行適當(dāng)?shù)碾S機(jī)化亦有助于“均 勻”可能出現(xiàn)的外來(lái)因素的效應(yīng)。
區(qū)組化是用來(lái)提高試驗(yàn)的精確度的一種方法。一個(gè)區(qū)組就是試驗(yàn)材料的一個(gè)部分，相比于試驗(yàn)材料全體它們本身的性質(zhì)應(yīng)該更為類似。區(qū)組化牽涉到在每個(gè)區(qū)組內(nèi)部 對(duì)感興趣的試驗(yàn)條件進(jìn)行比較。
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試驗(yàn)設(shè)計(jì)七步驟
第一步?確定目標(biāo)
我們通過(guò)控制圖、故障模式分析、失效分析、因果分析、能力分析等工具的運(yùn)用，或者是直接實(shí)際工作的反映，會(huì)得出一些關(guān)鍵的問(wèn)題點(diǎn)。
對(duì)于運(yùn)用試驗(yàn)設(shè)計(jì)解決的問(wèn)題，我們首先要定義好試驗(yàn)的目的，也就是解決一個(gè)什么樣的問(wèn)題，問(wèn)題給我們帶來(lái)了什么樣的危害，是否有足夠的理由支持試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法的運(yùn)作。
對(duì)于生產(chǎn)型企業(yè)，試驗(yàn)設(shè)計(jì)的進(jìn)行可能會(huì)打亂原有的生產(chǎn)穩(wěn)定次序，所以確定試驗(yàn)?zāi)康暮驮囼?yàn)必要性是首要的任務(wù)。
我們還必須定義試驗(yàn)的指標(biāo)和接受的規(guī)格，這樣我們的試驗(yàn)才有方向和檢驗(yàn)試驗(yàn)成功的度量指標(biāo)。
指標(biāo)和規(guī)格是試驗(yàn)?zāi)康牡难由旌途唧w化，也就是對(duì)問(wèn)題解決的著眼點(diǎn)，指標(biāo)的達(dá)成就能夠意味著問(wèn)題的解決。
第二步?剖析流程
關(guān)注流程，是我們應(yīng)該具備的習(xí)慣，就像我們的很多企業(yè)做水平對(duì)比一樣，經(jīng)常會(huì)有一個(gè)誤區(qū)，就是只將關(guān)注點(diǎn)放在利益點(diǎn)上，而忽略了對(duì)流程特色的對(duì)比，試驗(yàn)設(shè)計(jì)的展開同樣必須建立在流程的深層剖析基礎(chǔ)之上。
任何一個(gè)問(wèn)題的產(chǎn)生，都有它的原因，事物的好壞、參數(shù)的適宜、特性的欠缺等等都有這個(gè)特點(diǎn)，而諸多原因一般就存在于產(chǎn)生問(wèn)題的流程當(dāng)中。
過(guò)短的流程可能會(huì)拋棄掉顯著的原因，過(guò)長(zhǎng)的流程必將導(dǎo)致資源的浪費(fèi)。
我們又很多的方式來(lái)展開流程，但有一點(diǎn)必須做到，那就是盡可能詳盡的列出可能地因素，詳盡的因素來(lái)自于對(duì)每個(gè)步驟的詳細(xì)分解，確認(rèn)其輸入和輸出。
對(duì)于流程的剖析和認(rèn)識(shí)，就是改善人員了解問(wèn)題的開始，因?yàn)椴⒉皇敲總€(gè)人都能掌握好我們關(guān)注的問(wèn)題。這一步的輸出，使我們的改善人員能夠了解問(wèn)題的可能因素在哪里，雖然不能確定哪個(gè)是重要的，但我們至少確定一個(gè)總的方向。
第三步?篩選因素
流程的充分分析，使我們有了非常寶貴的資料，那就是可能影響我們關(guān)注指標(biāo)的因素，但是到底哪個(gè)是重要的呢？
對(duì)一些根本就不影響或微笑影響因素的全面試驗(yàn)分析，其實(shí)就是一種浪費(fèi)，而且還可能導(dǎo)致試驗(yàn)的誤差。
我們的目的是確認(rèn)哪個(gè)因素的影響是顯著的，我們可以使用一些低解析度的水平試驗(yàn)或者專門的篩選試驗(yàn)來(lái)完成這個(gè)任務(wù)，這時(shí)的試驗(yàn)成本也將最小處理。
我們可以應(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)減少我們的試驗(yàn)因子。
要注意的是，只要對(duì)這些數(shù)據(jù)或分析有很小的懷疑，為了試驗(yàn)結(jié)果的可靠，你可以放棄。
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，往往我們?cè)诂F(xiàn)實(shí)中是通過(guò)完全的經(jīng)驗(yàn)分析得出，甚至抱著可能是的態(tài)度。
第四步?快速接近
通過(guò)篩選試驗(yàn)找到了關(guān)鍵的因素，同時(shí)篩選試驗(yàn)還包含一些很重要的信息，那就是主要因素對(duì)指標(biāo)的影響趨勢(shì)，這是我們必須充分利用的信息，它可以幫助我們快速的找到試驗(yàn)?zāi)康牡目赡軈^(qū)域，雖然不是很確定，但我們縮小了包圍圈。
我們一般使用試驗(yàn)設(shè)計(jì)中的快速上升（下降）方法，它是根據(jù)篩選試驗(yàn)所揭示的主要因素的影響趨勢(shì)來(lái)確定一些水平，進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)的目的就像我們?cè)趯ふ易锓敢粯拥目s小嫌疑范圍。
得出的一個(gè)結(jié)論就是，我們的改善最優(yōu)點(diǎn)就在因素的最終反映的水平范圍內(nèi)，我們離成功更近了一步。
第五步?析因試驗(yàn)
我們確定了主要因素的大致取值水平，這時(shí)我們就可以進(jìn)一步的度量因素的主效應(yīng)、交互作用以及高階效應(yīng)。
試驗(yàn)是在快速接近的水平區(qū)間內(nèi)選取得，所以對(duì)于最終的優(yōu)化有顯著的成效，析因試驗(yàn)主要選擇各因素構(gòu)造的幾何體的頂點(diǎn)以及中心點(diǎn)來(lái)完成。
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，是否存在高階效應(yīng)或者哪些高階效應(yīng)。
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、快速接近試驗(yàn)也是一個(gè)驗(yàn)證，但我們不宜就在這樣的試驗(yàn)基礎(chǔ)上就來(lái)描述指標(biāo)與諸主效應(yīng)的詳細(xì)關(guān)系，因?yàn)閷?duì)于3個(gè)水平點(diǎn)的選取，試驗(yàn)功效會(huì)有不足的可能性。
第六步?回歸試驗(yàn)
考慮到功效問(wèn)題，我們需要進(jìn)一步的安排一些試驗(yàn)來(lái)最終確定因素的最佳影響水平，這時(shí)的試驗(yàn)只是一個(gè)對(duì)析因試驗(yàn)的試驗(yàn)點(diǎn)的補(bǔ)充，也就是還可以利用析因試驗(yàn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，只是為了最終能夠優(yōu)化我們的指標(biāo)，或者說(shuō)有效全面的構(gòu)建因素與水平的相應(yīng)曲面和等高線。
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)等方面的合理設(shè)置，以確保回歸模型的可靠性和有效性。
我們可以就分析和建立起因素和指標(biāo)間的回歸模型，而且可以通過(guò)優(yōu)化的手段來(lái)確定最終的因子水平設(shè)定。
為了保險(xiǎn)起見，我們最后在得到最佳參數(shù)水平組合后進(jìn)行一些驗(yàn)證試驗(yàn)來(lái)檢查我們的結(jié)果。
第七步?穩(wěn)健設(shè)計(jì)
現(xiàn)實(shí)中還存在一類這樣的因素，它對(duì)指標(biāo)影響同樣的顯著，但是它很難通過(guò)人為的控制來(lái)確保其影響最優(yōu)，這類因素我們一般稱為噪聲因素，它的存在往往會(huì)使我們的試驗(yàn)成果功虧一簣，所以對(duì)待它的方法，除了盡量的控制之外可以選用穩(wěn)健設(shè)計(jì)的方法，目的是這些因素的影響降低至最小，從而保證指標(biāo)的高優(yōu)性能。
例如我們的汽車行駛的路面，不可能保證都是在高級(jí)公路上，那么對(duì)于一些差的路面，我們?cè)鯓觼?lái)設(shè)計(jì)出高性能呢？這時(shí)我們會(huì)選擇出一些抗干擾的因素來(lái)緩解干擾因素的影響。
穩(wěn)健設(shè)計(jì)通常我們會(huì)經(jīng)常使用在設(shè)計(jì)和研發(fā)階段，但有時(shí)也會(huì)隨著問(wèn)題的產(chǎn)生而暴露出來(lái)，但我們會(huì)提出一個(gè)問(wèn)題了：重新選定主要因素的水平會(huì)不會(huì)帶來(lái)指標(biāo)的震蕩和劣化。
我們可以通過(guò)EVOP等途徑來(lái)重新設(shè)定以保證因素更改后的輸出效果。
試驗(yàn)設(shè)計(jì)在工業(yè)生產(chǎn)和工業(yè)設(shè)計(jì)中能發(fā)揮重要的作用，提高產(chǎn)量，減少質(zhì)量波動(dòng)，提高產(chǎn)品質(zhì)量改水準(zhǔn)、大大縮短新產(chǎn)品試驗(yàn)周期、降低成本等。
試驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法很多，根據(jù)具體的問(wèn)題模型和目的我們可以選擇適當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)方法，如混合設(shè)計(jì)、曲面設(shè)計(jì)、裂區(qū)設(shè)計(jì)、田口設(shè)計(jì)、均勻設(shè)計(jì)等等。
試驗(yàn)設(shè)計(jì)摒棄了以往單個(gè)因子逐步調(diào)整的做法，避免了忽視交互作用等方面的問(wèn)題，從而更加系統(tǒng)有效的解決我們所關(guān)注的指標(biāo)。我們可以在很多的行業(yè)中采用漸進(jìn)的方法來(lái)采用試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，而不期望于一步到位。
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