不懂DOE的工程师只能算半个工程师

不懂DOE的工程师，只能算半个工程师日本的质量管理大师田口玄一博士曾经说过一句话：“不懂DOE的工程师，只能算半个工程师。”工程师只有掌握DOE（实验设计），才能算是一个完整的工程师。本文将从什么是DOE、为什么要学、以及如何学习DOE三个方面来介绍DOE的原理及应用。▲图1田口玄一DOE经典语录—1—什么是DOE在工作中我们经常会面临这样的场景：客户投诉某个问题，让我们用DOE分析一下；做QCC课题对策实施时，要用DOE确认最优参数。听到DOE时，你是一脸茫然，还是从容淡定呢？如果是前者，别担心，DOE并没有大家想象中的那么高深莫测和难以理解，且耐心往下看。DOE是DesignofExperiments的首字母缩写，中文意思是实验设计。DOE是对实验方案进行优化设计，以降低实验误差和生产费用，减少实验工作量，并对实验结果进行科学分析的一种科学方法。从字面意义上说，一次实验（experiment）是一次试验（test）或一系列试验，如图2所示，在实验中通过对某一过程或系统的输入变量作一些有目的的改变，以便能够观测到和识别出可在输出响应中观测到的变化的缘由。实验是科学（或工程）方法的重要组成部分，科学和工程的大多数问题要求对系统进行观测和实验，从而阐明系统运行的原因和方式，DOE是导出系统运行模型的有效方法。▲图2过程或系统的一般模型—2—常用实验方法：OFAT与正交实验OFAT是OneFactorAtaTime首字母缩写，中文意思是一次一因子法，它通常固定所有其他因子，而只变动一个因子进行试验，然后变动第二个因子（固定其他因子），以此类推，这样确定的“最优点”常常有误导性。我们现在知道这是一种低效率的实验设计而且没有考虑交互作用，但是千万不要小看这种方法，两千多年前，它可是被认为世界上最先进的实验方法，而且现在还有很多工程师是这种方法的忠实粉丝呢。▲图3一次一因子法处理多个因子的正确方法是进行析因实验（正交DOE实验），可用2k表示，其中2代表因子取高、低两水平，因子的水平范围要合理，k代表因子的数量。通常情况下k≤5时采用全因子正交实验。正交考虑了交互作用，举个例子：A谢廷峰一个人可以搬50kg的重物；B王非一个人可以搬30kg的重物，A和B两个人合作可以抬起100kg的重物，如下图4所示。如果A、B不存在二阶交互作用（即1+1=2），上述例子A和B两个人合作可以抬起0+30+50=80kg，但实际上A和B可以抬起100kg，存在差距，这意味着A和B有交互作用，这个差距的一半定义为二阶交互作用AB的效应，即：AB=（100-80）/2=10（正数表示AB有相互促进的作用），2因子的正交回归方程可用Y=Y0+aA+bB+kAB表示。▲图4正交实验—3—怎么做钟老师在工程师学园中发表一篇题为“库柏学习圈｜如何通过工作三年，获得十年工作经验”的文章总结了工程师学习的四个阶段，如下图5。其中把经验升华成规律和知识需要跨越“反思和验证”，只有被验证而得到的知识才是真正的智慧，才能正确指导行动。▲图5库柏学习圈法国哲学家，数学家和科学家笛卡尔将科学发展的规律总结为：首先提出问题然后进行实验从实验中得出结论和解释将结论推广并普遍化从实践中找出新问题，如此循环往复。由此可见，实验对于学习和推动了科学技术的发展扮演着极其重要的作用，当你有想法时，需要实验验证想法是否正确，我们在项目开发过程中，大部分时间也是在做实验。既然做实验如此重要，那是否有高效可靠的实验方法呢？答案是有的，DOE的作用就是用较小的试验规模（次数）、较短的试验周期和较短的试验成本，获得更准确的输入变量与输出变量之间的实际关系，得出科学的结论。—4—如何学DOE说实话，DOE的知识内容非常庞大，涉及率论、统计学、假设检验、数据分析及MINITAB软件应用等，很难一下子掌握。结合我自身的学习经历总结出以下由易到难的3个层次的学习过程：1）入门，网上搜索DOE的基础知识，了解DOE的历史及一些重要的概念。2）提高，你可以购买由马逢时、周暐、刘传冰编著，中国人民大学出版社出版的《六西格玛管理统计指南—MINITAB使用指导》及闵亚能著，机械工业出版社出版的《实验设计(DOE)应用指南》等书籍进行研读。3）掌握，在项目中有意识地应用DOE进行实验设计