Эксперимент - это метод научного исследования явлений реально-предметной действительности в заданных и воспроизводимых условиях путем их контролируемого изменения.
Основы планирования и организации экспериментов
В настоящее время вместе с развитием вычислительной техники широкое распространение получил такой метод управления, сбора информации и проверки гипотез как математическое моделирование, которое доказало свою эффективность при решении оптимизационных задач. Однако зачастую математическая модель исследуемого объекта (процесса) неизвестна или ее нахождение представляет собой сложную задачу.
В данных условиях оптимальные параметры процесса могут быть определены в результате использования экспериментальных поисковых методов. Это утверждение также справедливо в части управления качеством, которое может осуществляться с применением методов планирования и организации эксперимента.
Эти методы объединены общей сутью. Сначала проводятся пробные опыты, в ходе которых изучается характер поверхности отклика в окрестности заранее выбранной начальной точки. По результатам пробных опытов определяется направление, в котором далее осуществляется рабочее движение к экстремуму целевой функции.
Таким образом, поиск оптимального значения представляет собой итерационный процесс. Это говорит о последовательном продолжении двух этапов: результаты, которые были достигнуты на текущем этапе поиска, становятся отправной точкой для последующего этапа.
При этом нельзя упускать из внимания тот факт, что поиск оптимального значения путем проведения экспериментов дополнительно осложняется наличием случайных помех, которые оказывают воздействие на объект исследования.
Сущность планирования и организации экспериментов
Планирование эксперимента представляет собой процедуру выбора числа и условий проведения опытов, которые, с одной стороны, необходимы, а с другой стороны, достаточны для решения поставленной задачи с требуемой точностью. Планирование эксперимента может проводиться для решения чрезвычайно разнообразных задач.
К таким задачам относятся:
- поиск оптимальных условий;
- построение интерполяционных формул;
- определение существенных факторов;
- оценка и уточнение констант теоретических моделей;
- выбор наиболее приемлемых гипотез о механизме явлений;
- исследование диаграмм состав-свойство и т. д.
Эксперимент в управлении качеством проводится для того, чтобы создать и проверить математическую модель объекта, которая описывает в количественной форме взаимосвязи между входными и выходными параметрами объекта. Математическая модель объекта управления качеством обычно образуется в результате последовательной реализации следующих этапов планирования эксперимента:
- Определение объекта исследований, параметров оптимизации, факторов, интервалов и уровней варьирования.
- Выбор зависимости (она может быть линейной, квадратичной и т. д.) и полинома для построения математической модели.
- Составление матрицы планирования для проведения эксперимента.
- Непосредственное проведение эксперимента.
- Математическая обработка полученных данных: поиск коэффициентов регрессии и составление математической модели.
- Проверка адекватности составленной математической модели.
При планировании эксперимента объект исследований обычно представляют в виде «черного ящика». Для проведения эксперимента нужно иметь возможность для оказания воздействия на наведение «черного ящика». Все способы такого воздействия называются факторами или входами «черного ящика». А выходом «черного ящика» являются численные характеристики целей исследования, которые также называются параметрами оптимизации.
Напомним, что для большинства организаций целью управления качеством является оптимизация свойств выпускаемой ими продукции. Т.е. требуется достижения оптимальных характеристик продукции с точки зрения ее себестоимости, функциональности, привлекательности для потребителей, соблюдения нормативных требований и т. д.
Параметр оптимизации должен быть количественным и выражаться одним числом, обладать однозначностью в статистическом смысле, позволять эффективно оценивать функционирование системы, иметь физический смысл, быть универсальным и полным, но при этом простым и легко вычисляемым. На объект исследования влияют некоторые факторы, которые бывают количественными (т.е. измеримыми, взвешиваемыми и т. д.) и качественными (в виде различных веществ, технологических способов, приборов, исполнителей и т. п.).
При планировании эксперимента важны:
- управляемость факторов (т. е. значение фактора нужно поддерживать постоянным в течение всего опыта);
- независимость факторов (т. е. фактор может быть установлен на любом уровне вне зависимости от уровней других факторов);
- однозначность факторов (желательно, чтобы факторы не были функцией других факторов);
- совместимость факторов (т. е. все комбинации факторов могут быть осуществимы и безопасны) факторов.
Соблюдение этих требований является обязательным условием для планирования эксперимента. При решении оптимизационных задач управления качеством чаще всего используют математические модели исследования, которые представляют собой уравнения, связывающие параметр оптимизации с факторами. А для планирования эксперимента и математической обработки полученных данных рекомендуется использование различных прикладных пакетов программ.
Планирование и организация эксперимента как способ управления качеством нашел широкое применение на промышленных предприятиях. Особенно это касается предприятий химической промышленности, где достаточно велики возможности не только по теоретическому обоснованию, но и по практическому проведению экспериментов.
