实验设计(DOE)应用指南[按需印刷][图书]

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本书是从流程、技术、经济的视角对流程改善和质量管理的理论与方法进行的创新研究。通过该理论，我们能以最迅速、最经济的实验方法，获得最佳的结果，可广泛应用于优化业务流程、技术开发、产品开发中，发挥立即有效的成果。它是全球追求卓越的企业实施六西格玛战略的核心技术，也是中国赶超世界先进水平、实现崛起的强有力武器。

本书内容力求全面，广泛吸收了最新的实验设计方面的研究成果，并且结合大量的实际案例，提炼归纳出实战技术和设计技巧与读者分享。全书采用循序渐进、由浅入深的系统化方法，秉持全面、简单、实用的原则，并通过对大量真实案例的剖析，推荐几乎程序化的实验计划与分析步骤，使初学者和有经验人士皆能建立完整的理论体系，快速掌握实验设计的实战技术与灵活运用的技巧，从而轻而易举地应用到实际工作中。

闵亚能，上海先进半导体制造股份有限公司（ASMC）六西格玛经理，高级工程师；北京大学质量与竞争力研究中心特聘研究员；ASMC六西格玛黑带/绿带的首席培训师；获得摩托罗拉公司认证的全部核心黑带课程、实验设计（DOE）课程的授课资格。主持工艺改进、优化核心流程及负责公司年度六西格玛推进计划的制定，根据公司的年度战略、外部客户及市场环境的要求做出规划，进一步满足客户的要求。加之高级程序员的技术专长，在近20年的企业一线实践中，现场指导工程技术人员解决了无数的实际问题，优化了大量的系统流程，通过大量长期的实验设计现场指导，系统软件的改进升级及教育培训王作积累了丰富的经验。编写了各种培训教材20余部，在国内外学术刊物上发表学术论文40余篇。

推荐序
前言
作者简介
第1章 实验设计概述1
1.1 什么是实验设计1
1.2 DOE的目的与用途5
1.3 实验设计的策略与实验路径图6
1.4 DOE的操作步骤7
1.5 应用实例10
1.6 传统的实验方法13
1.7 实验设计的发展历程16
练习题17
第2章 实验策略与计划18
2.1 实验策略与计划18
2.2 如何选择实验类型19
2.3 定义目标22
2.4 选择指标的考虑22
2.5 如何选择因子、水平与实验条件26
2.6 实验设计的三个基本原则：重复、区组与随机化31
练习题33

　　作为一项非常实用的技术开发、工艺改进工具，实验设计能够协助企业快速找出工艺环境中最适合的生产条件，追求质量完善与资源利用最大化，并能有效缩短产品设计开发时间，因而受到金融企业、研究单位、工程制造部门的普遍欢迎与肯定。近几年风靡全球企业的六西格玛科学管理方法，其中很重要的一部分就是实验设计，即通过实验设计找到科学的、突破性解决问题的方法，六西格玛方法与实验设计在各个领域的广泛应用已收到了明显的效果。尤其是实验设计在研发领域更是受到高度评价，被当做是将研发周期显著缩短的法宝。
　　当今世界的质量运动经历了质量控制、质量保障、质量管理向质量改善方向的发展，银行、证券、保险等服务业、制造业及其他领域的竞争国际化与需求多样化加剧，其产品更新与服务周期日益缩短。因此如何优化流程，用极短的研发周期源源不断地推出新产品、新服务成为企业成败的关键和市场竞争力强弱的标志。如何运用当今世界工业在质量运动中的积累与最新成果来不断改进工作，成为我们首先要思考的问题。纵观世界发展趋势：一些高科技手段日趋成熟，并广泛被人们所掌握，使得许多企业在同行业的竞争中处于领先地位。而这些高科技的手段就是以实验设计（DOE）为重要代表的统计理论为基础，而发展起来的一系列持续改进工艺、优化核心流程的方法，并且辅以成熟的软件工具加以应用。事实上只有不断改进“研发方法”才能解决根本问题。
　　本书采用循序渐进的系统化方式，以举例的方式，层层分析，力求深入浅出，从中悟出深奥道理。倚借作者近20年研究实验设计的丰富的实际体验，从科学的视角阐述了实验设计知识体系的精髓，讲解了此套质量工程技术，让初学者和有经验人士皆能建立完整的理念体系，轻而易举地应用于实际工作。书中包含了实验设计知识的重要内容，揭示了实际操作中所遇到的各种疑难问题和相应的解决方案。作者一直致力去芜存菁、化繁为简，避开深奥难懂的统计学，使大专程度的工程技术人员都能接受、了解实验设计，并加以应用，唯有如此才有可能让实验设计普及于一般工厂。写一本易懂、实战、系统的实验设计参考书，并与广大读者一起分享作者的学习心得与经验积累，这是作者撰写本书的动机。
　　本书在编写过程中，秉持全面、简单、实用的原则，突出以下四个重点。
　　1. 从实例出发，推导出正确的理论结果。一开始我们就强调以举例的方式，导出实验设计深奥的理论，并用众多实例来解析实验设计的理论结果，为企业高效实施实验设计奠定基础。教材实例丰富，其中来自金融企业、设计或生产一线的实际案例超过百例，希望能起到举一反三、触类旁通之效。这些实例在整个学习过程中是必要的，唯有面对实际问题，才能充分理解实验设计的精髓所在。作为工程领域方面的高级工程师，作者亲临一线现场指导与解决了大量实验设计的具体问题，曾经遇到的大量疑难杂症，经过努力总能一一化解。这些实例绝大多数是对实际工作中解决问题的总结，其结果已经过实践的验证，其中有些已产生了较大的经济效益。本书配有电子版实例原始数据，供读者学习使用。
　　2. 以理论为依据，以应用为重点。本书从实验设计理论中的重点（实验设计的思想、实验的计划、实施、数据分析、验证及推荐方案）出发，全面展开，多方位阐述了实验设计的深奥理论。通过向读者推荐几乎程序化的实验流程与分析步骤模式，使读者能够容易入手，进而快速掌握实验设计的实战技术与灵活运用的实践技巧。本书集实验设计思想、MINITAB软件应用、统计方法及专业知识于一体，案例丰富翔实，是目前质量改善阶段技术要求较高且最有效的工具之一，对于研究实验设计的有心人士来说，容易学会且易于掌握。
　　3. 化复杂为简单。实验设计深奥的理论，一直困扰着工程技术人员在实际生产中的应用。本书利用各种图表来说明和简化理论公式的推导、用各个行业的实例来阐明实验设计中的难点，使读者能够从简单到深入，由直观上升到理性，从而理解实验设计的真正意义，掌握实验设计的实战技术。
　　4. 运用计算机辅助程序，便于所有技术管理人员掌握应用。我们借助于操作方便、容易使用、计算精准的全球六西格玛行业流行的MINITAB 统计软件来帮助我们进行实验设计，既抛弃了繁杂的统计计算，又提高了工作的质量和效率，并且便于在世界范围内进行交流。
　　全书共13章。第1～3章，主要讲述了实验设计的概念与术语、步骤与路径、策略与计划及其发展与历史，其中重点讲解了实验设计的思路与方法，使读者对实验设计初步有个全面而清晰的了解；第4章，针对实验设计中要用到的统计知识与MINITAB统计软件工具进行了介绍，需要读者重点学习相关的统计知识与掌握操作技巧；第5章和第6章，重点讲解了析因实验设计的内容，案例极为丰富，涉及领域广泛；第7章，对数据收集与实验样本的考虑做了简要的介绍，了解实验功效，便于在工作中做到既达到实验要求又尽量节约资金；第8章，详细深入地研究了响应曲面方法（RSM），研究了确定“最陡的上升路径”及寻找最佳工艺窗口的方法，案例精彩，剖析详尽；第9章，简单介绍了优化操作（EVOP/PLEX）；第10～13章，针对工作中经常遇到的较为复杂的实际问题，分别介绍了协方差分析、缺失数据的实验设计考虑、很难改变因子的实验设计及二进制响应（指标）实验设计等，并都给出了完整的案例供大家学习参考，这一部分内容在国内外实验设计书籍中都很少涉及，而本书则对这些问题进行了案例剖析和软件使用指导。
　　特别感谢天津大学数学系教授，全国六西格玛推进委员会专家组成员、顾问，全国优秀六西格玛培训导师，我国著名统计专家马逢时教授提供的大量珍贵资料及给予的关心和支持，使得本书得以顺利出版；特别感谢SBTI大中国区总裁杨承路先生的指点与鼓励；特别感谢MINITAB软件公司及其在中国上海泰珂玛信息技术有限公司的支持。本书的编写过程中得到了六西格玛资深黑带、实验设计专家王晨刚先生的鼎力相助，得到了资深黑带周先生对本书第4章的宝贵意见，得到了材料与实验专家秦银华高级工程师的很大帮助，得到了半导体工艺与质量控制专家庞海舟总监的大力支持，得到了半导体工业与质量专家陈惠明总监的指导与帮助。在本书编写过程中，众多企业高层主管、研发、设计、制造、质量人员提供了许多企业实际经验，让本书的实例得以丰富，在此一并向他们致以最衷心的感谢及最诚挚的祝福。
　　为了更好地配合读者学习，本书所涉及的数据文件请到SBTI中国官方网站：http://www.sbtionline. com.cn/productus_DOE. aspx下载。MINITAB的中文版与英文版（试用版）软件包可到http:/www.minitab.com/en-CN/minitab/free-trial.aspx下载。
　　由于时间仓促，未尽事宜或表达欠缺之处在所难免，请广大读者批评指正。
　　作者联系电子邮箱：minyaneng@126.com
　　闵亚能（Lake Min）
　　于上海天然居
　　

　　DOE分析“七步法”的第五步是判断模型是否要改进。我们考虑采取措施的主要依据是基于数值计算及残差诊断的两方面结果。如果残差诊断的四组图都是正常的，则说明模型是正常的。因此，如果残差诊断提示我们，要对响应变量y做某种变换后才行，或要增加X的平方项或立方项才会使模型拟合更好，那么我们就一定要修改模型。另外，基于各项效应及回归系数计算的显著性分析可以发现，有些主效应项或交互效应项并不显著，那么这些项就应该从模型中删除，模型的拟合要重新进行：总之，凡是发现模型需要修改时，就要返回最初的第二步，重新建立模型，再重复前面所有各步骤。
　　 经过前五步的多次反复，可以获得一个我们认为最满意的方程，我们将它定为选定的模型。DOE分析“七步法”的第六步是“对选定模型进行分析解释”，主要是在拟合选定模型后输出更多的图形和信息，并做出有意义的解释。主要有下列三个方面，而这些要求在一般的计算机软件中都会自动给出。
　　 ……