參數(shù)自適應(yīng)型統(tǒng)計(jì)質(zhì)量控制圖的研究.pdf

1、統(tǒng)計(jì)過程控制(Statistical Process Control)是應(yīng)用統(tǒng)計(jì)方法對(duì)過程中的各個(gè)階段進(jìn)行監(jiān)控,從而達(dá)到改進(jìn)與保證質(zhì)量的目的.近些年來,由于高性能計(jì)算機(jī)科技的發(fā)展,現(xiàn)代統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的收集,分析,推斷決策方法逐漸體現(xiàn)出兩個(gè)特點(diǎn)：一是靈活性；二是利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行復(fù)雜計(jì)算獲取最大化信息.作為工業(yè)統(tǒng)計(jì)的重要研究領(lǐng)域的統(tǒng)計(jì)過程控制方向更是顯著地表現(xiàn)出這兩個(gè)特點(diǎn).盡管統(tǒng)計(jì)過程控制經(jīng)過了五十年的發(fā)展,形成了一套特有的研究方法,技術(shù)和評(píng)價(jià)體系

2、,但是得益于高速計(jì)算和大規(guī)模數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存,一些十幾年前不能夠?qū)崿F(xiàn)的模型篩選,自由化建模,模式識(shí)別刻畫以及變化(異常點(diǎn))探查等統(tǒng)計(jì)方法如今可以有效快速地實(shí)施;隨著工業(yè)領(lǐng)域自動(dòng)化的高靈敏度傳感器等設(shè)備的普及應(yīng)用,在線大最數(shù)據(jù)快速收集得以實(shí)現(xiàn),對(duì)統(tǒng)計(jì)方法的靈活性和有效性提出了更高的挑戰(zhàn)。當(dāng)今的工業(yè)生產(chǎn)中的很多問題都涉及到大規(guī)模復(fù)雜數(shù)據(jù)的分析以及南此所帶來的質(zhì)量改進(jìn)與對(duì)生產(chǎn)制造過程的更好的理解.傳統(tǒng)的基于簡(jiǎn)單正態(tài)數(shù)據(jù)所開發(fā)出來的各種技術(shù)方法不能夠

3、很好地處理當(dāng)前這些問題.現(xiàn)在的統(tǒng)計(jì)過程控制研究趨勢(shì)正是要與時(shí)俱進(jìn)地適應(yīng)這些發(fā)展和變化,更好地利用現(xiàn)代的科技資源處理復(fù)雜數(shù)據(jù)問題。統(tǒng)計(jì)質(zhì)量控制發(fā)端于19世紀(jì)20年代,第一張質(zhì)量控制圖是由Shewhart博士于1924年發(fā)表提出。第二次世界大戰(zhàn)的開始,催生了質(zhì)量控制圖在美國和英國的應(yīng)用與發(fā)展,而在其后的和平時(shí)間,尤其是20世紀(jì)50年代后,由Deming博士為主的質(zhì)量專家將此技術(shù)從西方引進(jìn)致日本,并在其于業(yè)制造領(lǐng)域發(fā)揮其重要的作用。日本憑借此

4、項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用使生產(chǎn)的工業(yè)產(chǎn)品以其高精密的性能質(zhì)量和實(shí)惠、的價(jià)格迅速占領(lǐng)了國際市場(chǎng),從而為日本經(jīng)濟(jì)的復(fù)蘇和其后的崛起奠定了工業(yè)基礎(chǔ)。其后各年間,SPC的日本經(jīng)驗(yàn)也被許多業(yè)洲國家紛紛采用,如韓國、臺(tái)灣,同時(shí)這門技術(shù)己不再是單一的應(yīng)用于工業(yè)制造領(lǐng)域,而足廣泛地滲透到了各個(gè)行業(yè),如服務(wù)業(yè)、企業(yè)管理、健康保健。與此同時(shí),中國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展正以前所未有的速度前進(jìn),令世界矚目,但在我國經(jīng)濟(jì)中占有重要地位的制造業(yè)尚還處于勞動(dòng)密集型的生產(chǎn)狀態(tài),生產(chǎn)主要靠的是

5、人力加工的低技術(shù)工藝,產(chǎn)品質(zhì)量和性能較西方發(fā)達(dá)國家上有差距。2009年的經(jīng)濟(jì)危機(jī)告訴世界,點(diǎn)醒了我們,國家應(yīng)該從優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu),走自主創(chuàng)新的現(xiàn)代化工業(yè)國家的道路。SPC在西方國家的成功案例也告訴我們,我國下功夫廣泛地引進(jìn)此類高新技術(shù)能夠幫助我國產(chǎn)業(yè)上走出低端發(fā)展的道路,也能夠幫助國家實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)順利轉(zhuǎn)型的這一宏偉目標(biāo)。
　　 傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)質(zhì)量控制圖有三大圖,分別為Shewhart控制圖,EWMA指數(shù)移動(dòng)平均控制圖,CUSUM累計(jì)和控制圖

6、。這三大控制圖的設(shè)計(jì)主要是針對(duì)過程重要參數(shù)如均值、方差(標(biāo)準(zhǔn)差)進(jìn)行檢測(cè)。一旦發(fā)現(xiàn)相應(yīng)檢測(cè)指標(biāo)在過程運(yùn)行中出現(xiàn)偏離設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(我們稱之為漂移(Shift),控制圖能夠提供報(bào)警(Alarm),提醒工程人員迅速查明出事因?yàn)?幫助過程重新恢復(fù)正常受控狀態(tài)(In-control)。這三大圖在功能上基本是一致的,但在功效上卻略有區(qū)別,前者Shewhart控制圖在檢測(cè)過程參數(shù)發(fā)生較大漂移(一般可認(rèn)為是偏離兩倍標(biāo)準(zhǔn)差以上)的情況較之后兩者有優(yōu)勢(shì),反之,

7、EWMA和CUSUM控制圖均在對(duì)較小漂移的檢測(cè)上具有優(yōu)勢(shì),且功效相當(dāng)。在實(shí)際應(yīng)用中,工程人員可根據(jù)實(shí)際工作中對(duì)過程變化的判斷和以往經(jīng)驗(yàn)來進(jìn)行選擇。隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展,尤其是以精密制造為主的生產(chǎn)加工過程日趨復(fù)雜,有關(guān)產(chǎn)品質(zhì)量的問題已不能被一個(gè)或者幾個(gè)指標(biāo)來完全代表和解釋。傳統(tǒng)的點(diǎn)數(shù)據(jù)指標(biāo)被隨后出現(xiàn)的各種模型所取代,力求對(duì)過程的刻畫更加精細(xì)和完整。對(duì)此類問題的研究首先開始于profile數(shù)據(jù)的控制診斷問題,從線性profile開始到其他

8、非線性profile模型,從單一的工序模塊到多重工序模塊(Multi-stage)的檢測(cè)問題,已成為現(xiàn)今質(zhì)量控制技術(shù)的熱點(diǎn)研究問題。另外,從過程漂移變化類型的角度來看,原來單一假設(shè)漂移是固定的情形已經(jīng)被打破,取代其成為研究的主要情況是漂移隨時(shí)間發(fā)生規(guī)則變化或者更為復(fù)雜的實(shí)時(shí)未知變化。這些研究工作使得原有的技術(shù)被拓展和推廣,更加貼合實(shí)際,對(duì)于更全面細(xì)致的把握過程發(fā)展的情況提供了更強(qiáng)有力的工具。另外,傳統(tǒng)控制圖在實(shí)際應(yīng)用方面還存在一定的局限

9、性,就是需要人為設(shè)定好參數(shù)和運(yùn)行方案,前者在參數(shù)設(shè)定方面涉及到設(shè)置是否恰當(dāng)和其設(shè)置復(fù)雜性問題,相關(guān)問題的研究是為了提供設(shè)置上的方便和保證運(yùn)行的效果。如何能夠讓控制圖在設(shè)置參數(shù)方面更為靈活的問題被稱為控制圖的自適應(yīng)性(Adaptive ControlChart)問題,它的目的是為了減少在實(shí)際應(yīng)用中因工程人員主觀意向所導(dǎo)致的設(shè)置參數(shù)失準(zhǔn)所造成的損失,同時(shí)加大監(jiān)控過程漂移變化的范圍。后一類研究主要設(shè)計(jì)的足控制圖的實(shí)際運(yùn)行方案,其中設(shè)計(jì)了基本的

10、數(shù)據(jù)采樣方法,如時(shí)間間隔(Time Interval),抽樣樣本大小(Sample Size)等問題,此類問題是從過程監(jiān)控的時(shí)間及其成本方面進(jìn)行考慮,目的是盡量貼近過程本身與工程環(huán)境及人員的具體情況,方便更好的實(shí)施控制圖的監(jiān)控同時(shí)在成本和時(shí)間得以允分考慮的情況下保證其監(jiān)控效果。值得一提的是,這兩部分問題的研究也是構(gòu)成為本文的主要內(nèi)容。作者將在期后的章節(jié)中系統(tǒng)介紹其相關(guān)方面的研究結(jié)果。
　　 本研究主要內(nèi)容包括：第一章節(jié)為引言介紹

11、部分,主要介紹質(zhì)量控制圖的發(fā)展歷程和研究方法及熱點(diǎn)問題,并列示出相關(guān)的主要文獻(xiàn),以求給讀者對(duì)于質(zhì)量控制圖技術(shù)有一個(gè)初步的了解。第二章節(jié)內(nèi)容主要給予傳統(tǒng)三大圖中的CUSUM控制圖,針對(duì)控制圖自適應(yīng)性和運(yùn)行方案領(lǐng)域中變化抽樣間隔時(shí)間(Variable Sampling Time Intervals)性兩個(gè)問題進(jìn)行結(jié)合研究,設(shè)計(jì)出一種能夠主動(dòng)根據(jù)過程白身數(shù)據(jù)進(jìn)行自我調(diào)整同時(shí)又能調(diào)節(jié)控制圖運(yùn)行時(shí)間間隔的監(jiān)控方案,力求在設(shè)計(jì)上使得參數(shù)設(shè)定問題變得

12、簡(jiǎn)單,且兼具大范圍變化的穩(wěn)定性檢測(cè),同時(shí)也考慮到工程人員的時(shí)間按等因素,讓工作能具有人性化,這種控制圖方案被稱為帶有變抽樣時(shí)間間隔性的自適應(yīng)CUSUM控制圖(Adaptive CUSUM Control Chart with Variable Sampling Intervals)。整個(gè)研究表明,這種類型的控制方案,極大方便了工程人員操作,其本身的檢測(cè)能力在兼顧了參數(shù)無關(guān)(Parametric free)特性,不僅達(dá)到了主流控制方案的效

13、力。并從時(shí)間成本上大大超越了這些控制方案,并能對(duì)較大范圍的過程變化進(jìn)行穩(wěn)健、均衡的艙控,這是很多控制圖只針對(duì)單一、小范圍變化監(jiān)控所不能達(dá)到的。第三章節(jié)將傳統(tǒng)的一元控制圖推廣到多元情況,成功將參數(shù)自適應(yīng)性結(jié)合到多元過程數(shù)據(jù)檢測(cè)中,擴(kuò)展了應(yīng)用的范圍。同時(shí)在計(jì)算控制圖檢測(cè)能力的指標(biāo)平均運(yùn)行步長(zhǎng)(ARL)方面,本章節(jié)不僅通過計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算出ARL結(jié)果,更為重要的是在相關(guān)領(lǐng)域的理論計(jì)算方面有所突破,通過成功借助隨機(jī)過程、矩陣等方法將ARL的理論計(jì)

14、算方法,推導(dǎo)出了相應(yīng)情形下的ARL計(jì)算公式,填補(bǔ)了相應(yīng)的空白。從結(jié)果中可以看出,此種結(jié)合參數(shù)自適應(yīng)性的控制方案成功在多元情況下成功保持了其在檢測(cè)大范圍的區(qū)間漂移和自由參數(shù)設(shè)定等方面的優(yōu)良特性,在同等的多元控制方案中具有較好的穩(wěn)健性檢測(cè)效果。第四章節(jié)針對(duì)傳統(tǒng)控制圖研究的基本假設(shè)一漂移為固定(step shift)這一局限性展開討論,設(shè)計(jì)出一套更符合實(shí)際當(dāng)中漂移非固定或者具有一定模式(patternedshift)的控制方案,同時(shí)在其中也加

15、入了參數(shù)自適應(yīng)性,力圖使得的此類控制圖更加具有可操作性和多情景適應(yīng)性。這類問題因其更符合實(shí)際情況,已成為了當(dāng)前控制圖研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題。本章節(jié)打破以往過程數(shù)據(jù)獨(dú)立性假設(shè)的局限性,設(shè)計(jì)出一套針對(duì)自相關(guān)過程等常有的過程漂移相關(guān)的檢測(cè)問題,也稱為研究此類問題的一種新方法。第五、第六章節(jié)主要是利用廣義似然比檢驗(yàn)(GLRT)和變點(diǎn)(change-point)思想,結(jié)合參數(shù)自適應(yīng)性控制圖的優(yōu)點(diǎn),設(shè)計(jì)出分別針對(duì)均值和方差檢驗(yàn)的控制方案,特別強(qiáng)調(diào)的是方