參數(shù)自適應型統(tǒng)計質量控制圖的研究.pdf

1、統(tǒng)計過程控制(Statistical Process Control)是應用統(tǒng)計方法對過程中的各個階段進行監(jiān)控,從而達到改進與保證質量的目的.近些年來,由于高性能計算機科技的發(fā)展,現(xiàn)代統(tǒng)計數(shù)據(jù)的收集,分析,推斷決策方法逐漸體現(xiàn)出兩個特點：一是靈活性；二是利用計算機進行復雜計算獲取最大化信息.作為工業(yè)統(tǒng)計的重要研究領域的統(tǒng)計過程控制方向更是顯著地表現(xiàn)出這兩個特點.盡管統(tǒng)計過程控制經過了五十年的發(fā)展,形成了一套特有的研究方法,技術和評價體系

2、,但是得益于高速計算和大規(guī)模數(shù)據(jù)的儲存,一些十幾年前不能夠實現(xiàn)的模型篩選,自由化建模,模式識別刻畫以及變化(異常點)探查等統(tǒng)計方法如今可以有效快速地實施;隨著工業(yè)領域自動化的高靈敏度傳感器等設備的普及應用,在線大最數(shù)據(jù)快速收集得以實現(xiàn),對統(tǒng)計方法的靈活性和有效性提出了更高的挑戰(zhàn)。當今的工業(yè)生產中的很多問題都涉及到大規(guī)模復雜數(shù)據(jù)的分析以及南此所帶來的質量改進與對生產制造過程的更好的理解.傳統(tǒng)的基于簡單正態(tài)數(shù)據(jù)所開發(fā)出來的各種技術方法不能夠

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

4、項技術的應用使生產的工業(yè)產品以其高精密的性能質量和實惠、的價格迅速占領了國際市場,從而為日本經濟的復蘇和其后的崛起奠定了工業(yè)基礎。其后各年間,SPC的日本經驗也被許多業(yè)洲國家紛紛采用,如韓國、臺灣,同時這門技術己不再是單一的應用于工業(yè)制造領域,而足廣泛地滲透到了各個行業(yè),如服務業(yè)、企業(yè)管理、健康保健。與此同時,中國的經濟發(fā)展正以前所未有的速度前進,令世界矚目,但在我國經濟中占有重要地位的制造業(yè)尚還處于勞動密集型的生產狀態(tài),生產主要靠的是

5、人力加工的低技術工藝,產品質量和性能較西方發(fā)達國家上有差距。2009年的經濟危機告訴世界,點醒了我們,國家應該從優(yōu)化產業(yè)結構,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此類高新技術能夠幫助我國產業(yè)上走出低端發(fā)展的道路,也能夠幫助國家實現(xiàn)產業(yè)順利轉型的這一宏偉目標。
　　 傳統(tǒng)的統(tǒng)計質量控制圖有三大圖,分別為Shewhart控制圖,EWMA指數(shù)移動平均控制圖,CUSUM累計和控制圖

6、。這三大控制圖的設計主要是針對過程重要參數(shù)如均值、方差(標準差)進行檢測。一旦發(fā)現(xiàn)相應檢測指標在過程運行中出現(xiàn)偏離設計標準(我們稱之為漂移(Shift),控制圖能夠提供報警(Alarm),提醒工程人員迅速查明出事因為,幫助過程重新恢復正常受控狀態(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控制圖在檢測過程參數(shù)發(fā)生較大漂移(一般可認為是偏離兩倍標準差以上)的情況較之后兩者有優(yōu)勢,反之,

7、EWMA和CUSUM控制圖均在對較小漂移的檢測上具有優(yōu)勢,且功效相當。在實際應用中,工程人員可根據(jù)實際工作中對過程變化的判斷和以往經驗來進行選擇。隨著現(xiàn)代工業(yè)技術的發(fā)展,尤其是以精密制造為主的生產加工過程日趨復雜,有關產品質量的問題已不能被一個或者幾個指標來完全代表和解釋。傳統(tǒng)的點數(shù)據(jù)指標被隨后出現(xiàn)的各種模型所取代,力求對過程的刻畫更加精細和完整。對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)的檢測問題,已成為現(xiàn)今質量控制技術的熱點研究問題。另外,從過程漂移變化類型的角度來看,原來單一假設漂移是固定的情形已經被打破,取代其成為研究的主要情況是漂移隨時間發(fā)生規(guī)則變化或者更為復雜的實時未知變化。這些研究工作使得原有的技術被拓展和推廣,更加貼合實際,對于更全面細致的把握過程發(fā)展的情況提供了更強有力的工具。另外,傳統(tǒng)控制圖在實際應用方面還存在一定的局限

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

10、數(shù)據(jù)采樣方法,如時間間隔(Time Interval),抽樣樣本大小(Sample Size)等問題,此類問題是從過程監(jiān)控的時間及其成本方面進行考慮,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,方便更好的實施控制圖的監(jiān)控同時在成本和時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成為本文的主要內容。作者將在期后的章節(jié)中系統(tǒng)介紹其相關方面的研究結果。
　　 本研究主要內容包括：第一章節(jié)為引言介紹

11、部分,主要介紹質量控制圖的發(fā)展歷程和研究方法及熱點問題,并列示出相關的主要文獻,以求給讀者對于質量控制圖技術有一個初步的了解。第二章節(jié)內容主要給予傳統(tǒng)三大圖中的CUSUM控制圖,針對控制圖自適應性和運行方案領域中變化抽樣間隔時間(Variable Sampling Time Intervals)性兩個問題進行結合研究,設計出一種能夠主動根據(jù)過程白身數(shù)據(jù)進行自我調整同時又能調節(jié)控制圖運行時間間隔的監(jiān)控方案,力求在設計上使得參數(shù)設定問題變得

12、簡單,且兼具大范圍變化的穩(wěn)定性檢測,同時也考慮到工程人員的時間按等因素,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間間隔性的自適應CUSUM控制圖(Adaptive CUSUM Control Chart with Variable Sampling Intervals)。整個研究表明,這種類型的控制方案,極大方便了工程人員操作,其本身的檢測能力在兼顧了參數(shù)無關(Parametric free)特性,不僅達到了主流控制方案的效

13、力。并從時間成本上大大超越了這些控制方案,并能對較大范圍的過程變化進行穩(wěn)健、均衡的艙控,這是很多控制圖只針對單一、小范圍變化監(jiān)控所不能達到的。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)自適應性結合到多元過程數(shù)據(jù)檢測中,擴展了應用的范圍。同時在計算控制圖檢測能力的指標平均運行步長(ARL)方面,本章節(jié)不僅通過計算機模擬計算出ARL結果,更為重要的是在相關領域的理論計算方面有所突破,通過成功借助隨機過程、矩陣等方法將ARL的理論計

14、算方法,推導出了相應情形下的ARL計算公式,填補了相應的空白。從結果中可以看出,此種結合參數(shù)自適應性的控制方案成功在多元情況下成功保持了其在檢測大范圍的區(qū)間漂移和自由參數(shù)設定等方面的優(yōu)良特性,在同等的多元控制方案中具有較好的穩(wěn)健性檢測效果。第四章節(jié)針對傳統(tǒng)控制圖研究的基本假設一漂移為固定(step shift)這一局限性展開討論,設計出一套更符合實際當中漂移非固定或者具有一定模式(patternedshift)的控制方案,同時在其中也加

15、入了參數(shù)自適應性,力圖使得的此類控制圖更加具有可操作性和多情景適應性。這類問題因其更符合實際情況,已成為了當前控制圖研究領域的熱點問題。本章節(jié)打破以往過程數(shù)據(jù)獨立性假設的局限性,設計出一套針對自相關過程等常有的過程漂移相關的檢測問題,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(GLRT)和變點(change-point)思想,結合參數(shù)自適應性控制圖的優(yōu)點,設計出分別針對均值和方差檢驗的控制方案,特別強調的是方