實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) (DOE) 被定義為應(yīng)用統(tǒng)計(jì)學(xué)的一個(gè)分支，它涉及規(guī)劃、實(shí)施、分析和解釋受控測(cè)試，以評(píng)估控制一個(gè)參數(shù)或一組參數(shù)值的因素。DOE 是一種強(qiáng)大的數(shù)據(jù)收集和分析工具，可用于多種實(shí)驗(yàn)情況。
它允許操縱多個(gè)輸入因素，確定它們對(duì)所需輸出（響應(yīng)）的影響。通過同時(shí)操縱多個(gè)輸入，DOE 可以識(shí)別在一次試驗(yàn)一個(gè)因素時(shí)可能遺漏的重要交互作用?？梢匝芯克锌赡艿慕M合（全階乘）或僅研究部分可能的組合（部分階乘）。
一個(gè)有策略地計(jì)劃和執(zhí)行的實(shí)驗(yàn)可以提供大量關(guān)于一個(gè)或多個(gè)因素對(duì)響應(yīng)變量的影響的信息。許多實(shí)驗(yàn)涉及保持某些因素不變并改變另一個(gè)變量的水平。然而，與同時(shí)改變因素水平相比，這種“一次一個(gè)因素”（OFAT）過程知識(shí)方法效率低下。
當(dāng)前設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的許多統(tǒng)計(jì)方法 都源自 RA Fisher 在 20 世紀(jì)早期的工作。Fisher 展示了在嘗試實(shí)驗(yàn)之前花時(shí)間認(rèn)真考慮實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和執(zhí)行如何幫助避免在分析中經(jīng)常遇到的問題。創(chuàng)建設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵概念包括分塊、隨機(jī)化和復(fù)制。
- 區(qū)組：當(dāng)隨機(jī)化一個(gè)因素不可能或成本太高時(shí)，區(qū)組允許您通過使用一種因素設(shè)置執(zhí)行所有試驗(yàn)然后使用另一種設(shè)置進(jìn)行所有試驗(yàn)來限制隨機(jī)化。
- 隨機(jī)化：指執(zhí)行實(shí)驗(yàn)的試驗(yàn)順序。隨機(jī)序列有助于消除未知或不受控制變量的影響。
- 復(fù)制：重復(fù)完整的實(shí)驗(yàn)處理，包括設(shè)置。
執(zhí)行良好的實(shí)驗(yàn)可以為以下問題提供答案：
- 過程中的關(guān)鍵因素是什么？
- 該過程在什么設(shè)置下會(huì)提供可接受的性能？
- 過程中的關(guān)鍵、主要和交互作用是什么？
- 哪些設(shè)置會(huì)減少輸出的變化？
鼓勵(lì)采用重復(fù)的方法來獲取知識(shí)，通常涉及以下連續(xù)步驟：
- 縮小評(píng)估變量范圍的篩選設(shè)計(jì)。
- “全因子”設(shè)計(jì)研究每個(gè)因子組合和因子水平的響應(yīng)，并嘗試劃分過程接近優(yōu)化的值區(qū)域。
- 設(shè)計(jì)用于對(duì)響應(yīng)建模的響應(yīng)曲面。
何時(shí)使用 DOE
當(dāng)懷疑有多個(gè)輸入因素影響輸出時(shí)，使用 DOE。例如，可能需要了解溫度和壓力對(duì)膠粘強(qiáng)度的影響。
DOE 還可用于確認(rèn)可疑的輸入/輸出關(guān)系，并開發(fā)適用于執(zhí)行假設(shè)分析的預(yù)測(cè)方程。
實(shí)驗(yàn)?zāi)０搴屠拥脑O(shè)計(jì)
設(shè)置 DOE 從流程圖開始。ASQ 已創(chuàng)建 可免費(fèi)下載和使用的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)模板(Excel)。通過三個(gè)步驟開始您的 DOE：
- 全面了解所調(diào)查的輸入和輸出。流程圖 或流程圖可能會(huì)有幫助。必要時(shí)咨詢主題專家。
- 確定輸出的適當(dāng)度量?？勺兇胧┦强扇〉?。應(yīng)避免屬性測(cè)量（通過/失?。?。確保測(cè)量系統(tǒng)穩(wěn)定且可重復(fù)。
-
為正在調(diào)查的因素創(chuàng)建設(shè)計(jì)矩陣 。設(shè)計(jì)矩陣將顯示每個(gè)輸入因素的高水平和低水平的所有可能組合。這些高電平和低電平可以編碼為+1 和-1。例如，一個(gè) 2 因子試驗(yàn)將需要 4 次試驗(yàn)運(yùn)行：
| 輸入水平 | 輸入 B 電平 | |
| 實(shí)驗(yàn) #1 | -1 | -1 |
| 實(shí)驗(yàn)#2 | -1 | +1 |
| 實(shí)驗(yàn)#3 | +1 | -1 |
| 實(shí)驗(yàn)#4 | +1 | +1 |
注意：所需的實(shí)驗(yàn)運(yùn)行次數(shù)可以使用公式 2 n計(jì)算，其中 n 是因子數(shù)。
對(duì)于每個(gè)輸入，確定您希望調(diào)查的極端（但現(xiàn)實(shí)的）高電平和低電平。在某些情況下，極端水平可能會(huì)超出當(dāng)前使用的水平。所選擇的極端水平應(yīng)該是現(xiàn)實(shí)的，而不是荒謬的。例如：
| -1級(jí) | +1 級(jí) | |
| 溫度 | 100度 | 200度 |
| 壓力 | 50磅 | 100磅 |
將實(shí)驗(yàn)的因素和水平輸入到設(shè)計(jì)矩陣中。執(zhí)行每個(gè)實(shí)驗(yàn)并記錄結(jié)果。例如：
| 溫度 | 壓力 | 力量 | |
| 實(shí)驗(yàn) #1 | 100度 | 50磅 | 21磅 |
| 實(shí)驗(yàn)#2 | 100度 | 100磅 | 42磅 |
| 實(shí)驗(yàn)#3 | 200度 | 50磅 | 51磅 |
| 實(shí)驗(yàn)#4 | 200度 | 100磅 | 57磅 |
通過對(duì)在低級(jí)別收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行平均并從在高級(jí)別收集的數(shù)據(jù)的平均值中減去它來計(jì)算一個(gè)因素的影響。例如：
溫度對(duì)強(qiáng)度的影響：
(51 + 57)/2 - (21 + 42)/2 = 22.5 lbs
壓力對(duì)強(qiáng)度的影響：
(42 + 57)/2 - (21 + 51)/2 = 13.5 lbs
兩個(gè)因素之間的相互作用可以用同樣的方式計(jì)算。首先，必須修改設(shè)計(jì)矩陣以顯示交互的高低級(jí)別。水平的計(jì)算方法是將作用于交互作用的輸入因子的編碼水平相乘。例如：
| 輸入水平 | 輸入 B 電平 | 相互作用 | |
| 實(shí)驗(yàn) #1 | -1 | -1 | +1 |
| 實(shí)驗(yàn)#2 | -1 | +1 | -1 |
| 實(shí)驗(yàn)#3 | +1 | -1 | -1 |
| 實(shí)驗(yàn)#4 | +1 | +1 | +1 |
像以前一樣計(jì)算交互作用的效果。相互作用對(duì)強(qiáng)度的影響：(21 + 57)/2 - (42 + 51)/2 = -7.5 lbs
實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以繪制在 3D 條形圖中。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：3D 條形圖
每個(gè)因素的影響都可以繪制在帕累托圖中。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：帕累托圖
當(dāng)壓力設(shè)置為 50 psi 且溫度設(shè)置為 100 度時(shí)，相互作用的負(fù)面影響最為明顯。將溫度保持在 200 度將避免相互作用的負(fù)面影響，并有助于確保牢固的粘合力。
