休哈特控制圖在實(shí)驗(yàn)室中的應(yīng)用

黎楓（佛山市南海區(qū)環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)站，廣東 佛山 528000）

1 背景概述

在檢測(cè)工作中，把涉及檢測(cè)的人員、儀器設(shè)備、使用的材料、試驗(yàn)方法、環(huán)境條件和檢測(cè)過程看成實(shí)驗(yàn)室的測(cè)量系統(tǒng)，則影響檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性的所有要素就是“人、機(jī)、物、法、環(huán)”和檢測(cè)過程6大要素。這些因素造成檢測(cè)工作質(zhì)量具有不穩(wěn)定性原因。理想狀態(tài)下，檢測(cè)過程中只存在隨機(jī)波動(dòng)，則該過程是處于統(tǒng)計(jì)控制的狀態(tài)中的。

實(shí)驗(yàn)室依照準(zhǔn)則和通用要求對(duì)“人、機(jī)、物、法、環(huán)”等因素建成穩(wěn)態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)操作程序。通過對(duì)影響檢測(cè)過程的5M1E因素分析，利用控制圖技術(shù)對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)分析，剔除異常，采取糾正措施，建立處于統(tǒng)計(jì)穩(wěn)態(tài)和技術(shù)穩(wěn)態(tài)的控制用控制圖。

1.1 原理和構(gòu)成

控制圖是由休哈特博士于1924年首次提出。因?yàn)橐话愕臄?shù)據(jù)質(zhì)量的差異具有統(tǒng)計(jì)規(guī)律性。我們了解這種規(guī)律，利用的是我們最常見的正態(tài)分布。兩個(gè)參數(shù)，即平均值(μ)和標(biāo)準(zhǔn)差(σ)是相互獨(dú)立的。無(wú)論μ和σ取值為何，數(shù)據(jù)的質(zhì)量特性值落在[μ-3σ，μ+3σ]范圍內(nèi)的概率為99.73%，而落在區(qū)間外的概率為0.27%。用我們說的純數(shù)學(xué)的角度來看的話，這種如此小概率的事件，在一次實(shí)驗(yàn)中是不會(huì)發(fā)生的。

我們說所的控制圖，由中心線(CL)、控制限（包括:上控制線UCL和下控制線LCL），以及按時(shí)間順序的描述對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)點(diǎn)序列所組成:

1.1.1 數(shù)據(jù)點(diǎn):每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)可以代表單個(gè)的測(cè)量值，也可以是樣本的某個(gè)統(tǒng)計(jì)量（如一組數(shù)據(jù)的均值）

1.1.2 中心線CL:通常指的就是所有數(shù)據(jù)的平均值

1.1.3 控制限（上控制限UCL或下控制限LCL）:以統(tǒng)計(jì)的慣例，多數(shù)是畫在距平均值大約3倍的標(biāo)準(zhǔn)差之處。實(shí)際的控制限是通過現(xiàn)有過程的數(shù)據(jù)套入公式算出來的。

若控制圖中的描述點(diǎn)落在控制限之外或點(diǎn)在控制限之間的排列不隨機(jī)則預(yù)示過程存在異常，即檢測(cè)數(shù)據(jù)不能持續(xù)存在置信度內(nèi)。

1.2 圖制作流程

根據(jù)工作需要，我們所選擇建立的為控制用控制圖。在測(cè)量過程開始時(shí)，不可能是穩(wěn)定狀態(tài)的。如果此非穩(wěn)態(tài)下來建立控制圖，則控制限之間定會(huì)比較寬。待過程穩(wěn)態(tài)后，建立控制圖，延長(zhǎng)控制線作成我們需要的“控制用控制圖”。

制作流程:

1.2.1 收集數(shù)據(jù):重點(diǎn)是去了解如何收集繪制控制圖所需要的數(shù)據(jù)，并按時(shí)間順序標(biāo)明數(shù)據(jù)，以便找出過程何時(shí)失控。

1.2.2 計(jì)算并在圖上標(biāo)出中心線和控制限

1.2.3 解釋統(tǒng)計(jì)控制

1.2.4 延長(zhǎng)控制限以繼續(xù)控制

2 實(shí)驗(yàn)室控制圖應(yīng)用

2.1 在穩(wěn)態(tài)標(biāo)準(zhǔn)操作程序下過程控制

實(shí)驗(yàn)室確定需要監(jiān)控的檢測(cè)項(xiàng)目時(shí)一般應(yīng)考慮以下因素:在日常檢測(cè)工作中出問題概率較高的項(xiàng)目等。根據(jù)我們目前實(shí)驗(yàn)室的實(shí)際情況，按照年度質(zhì)量保證工作計(jì)劃，質(zhì)量控制部門室對(duì)特定檢測(cè)項(xiàng)目的室內(nèi)空白數(shù)值、同一樣品的測(cè)試數(shù)值進(jìn)行連續(xù)統(tǒng)計(jì)，利用有效數(shù)據(jù)建立控制界限，繪制出常規(guī)控制圖。

檢測(cè)過程質(zhì)量控制用樣品，可以是有證標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，也可以是留存的檢驗(yàn)樣品。我們以實(shí)驗(yàn)室空白數(shù)值為例，選擇X-S控制圖，精度高，使用方便。

我們選擇氨氮空白測(cè)試值原始數(shù)據(jù)，連續(xù)20次的氨氮實(shí)驗(yàn)空白值，具體數(shù)據(jù)如下表:

序號(hào)1 2 3 4 5 6 7 8 9 10測(cè)試0.010 0.011 0.012 0.013 0.012 0.012 0.013 0.013 0.013 0.015值序號(hào)11 12 13 14 15 16 17 18 19 20測(cè)試0.016 0.014 0.014 0.016 0.020 0.015 0.013 0.013 0.015 0.014值平均值0.0137標(biāo)準(zhǔn)偏差0.0022

從氨氮測(cè)試空白質(zhì)控圖可以看出，氨氮測(cè)試空白值在其中心線（CL＝0.0137）上下隨機(jī)排列，空白實(shí)驗(yàn)值全部落在其控制限（0.0071-0.0203）內(nèi)，有1點(diǎn)超出警告上限。

判定依據(jù)是否符合沒有出現(xiàn)1個(gè)點(diǎn)位以上落在A區(qū)以外符合沒有出現(xiàn)連續(xù)9點(diǎn)落在中心線同一側(cè)不符合（1～9點(diǎn)連續(xù)在中心線下側(cè)）沒有出現(xiàn)連續(xù)6點(diǎn)遞增或遞減符合沒有出現(xiàn)連續(xù)14點(diǎn)中相鄰點(diǎn)交替上下符合

沒有出現(xiàn)3點(diǎn)中有2點(diǎn)落在中心線同一側(cè)的B區(qū)以外符合沒有出現(xiàn)連續(xù)5點(diǎn)中有4點(diǎn)落在中心線同一側(cè)的C區(qū)符合以外沒有出現(xiàn)連續(xù)15點(diǎn)落在中心線兩側(cè)的C區(qū)內(nèi)符合沒有出現(xiàn)連續(xù)8點(diǎn)落在中心線兩側(cè)且無(wú)一在C區(qū)內(nèi)符合

最終分析:表明氨氮空白值在統(tǒng)計(jì)前期，測(cè)試點(diǎn)位連續(xù)集中于中心線下側(cè)位置，在統(tǒng)計(jì)中后期，測(cè)試點(diǎn)位連續(xù)集中于中心線上側(cè)位置，點(diǎn)位的排列存在異常模式和趨勢(shì)，不符合“沒有出現(xiàn)連續(xù)9點(diǎn)落在中心線同一側(cè)”的判異準(zhǔn)則，檢測(cè)過程存在不穩(wěn)定因素。對(duì)引起這種長(zhǎng)序列空白值偏低的異常現(xiàn)象，應(yīng)引起分析人員的注意，查找出現(xiàn)異常的原因，避免日常工作中重新出現(xiàn)此現(xiàn)象，影響分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2.2 實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備期間核查

我們同時(shí)在實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備期間核查實(shí)施方法中也應(yīng)用控制圖的過程控制。在期間核查中所建立控制圖的數(shù)據(jù)值均應(yīng)滿足儀器設(shè)備送檢計(jì)量檢定部門后的數(shù)據(jù)值。因?yàn)椋瑒偹蜋z的儀器測(cè)量認(rèn)為是在穩(wěn)態(tài)下所測(cè)量得到的數(shù)據(jù)。

在此類方法核查過程中，對(duì)核查對(duì)象有相對(duì)嚴(yán)格的要求，必須是穩(wěn)定試樣。根據(jù)儀器期間核查的特性，選擇控制用控制圖。我們運(yùn)用待核查儀器測(cè)量而獲取數(shù)值，根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來建立控制圖，并按時(shí)間順序描點(diǎn)在圖上。根據(jù)圖中的點(diǎn)落控制限情況，判斷是否合格。如同上一個(gè)例子評(píng)價(jià)要求，當(dāng)任一描點(diǎn)值落在任一控制限之外，或在控制限之間的排列不隨機(jī)，即表示儀器設(shè)備的使用狀態(tài)不可信。

我們以AE-200型電子天平為例，選用X-s控制圖。儀天平送檢質(zhì)檢單位檢定合格送回后，每天用電子天平對(duì)標(biāo)準(zhǔn)砝碼(49.9998g)進(jìn)行稱量，將結(jié)果描點(diǎn)到控制圖中。由根據(jù)《非自動(dòng)天平》JJG998-1990中對(duì)于該天平的最大允許誤差要求可知，3σ取值應(yīng)≤0.001g。中心線CL值為49.9998g，控制上限UCL為50.0008g，控制下限LCL為49.9988g，據(jù)此畫出控制圖，如下。

我們以2013年12月份該天平的核查值為例:

時(shí)間電子天平稱量值50.0007、49.9996、50.0005、49.9996、50.0006、49.9999、50、2013.1249.9994、49.9995、49.9999、50.0001、49.9991、50.0004、49.9995、49.9991、49.9998、50.0002、49.9994、49.9994、50.0001、49.9992、50.0006、49.9992、50.0001、50.0004

最終分析:從上圖可知，數(shù)據(jù)均未出現(xiàn)異常值，該天平在該月均是處于統(tǒng)計(jì)可控制的狀態(tài)的，由此評(píng)定，該天平期間核查合格。

3 結(jié)語(yǔ)

休哈特控制圖應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室中的質(zhì)量保證控制是統(tǒng)計(jì)過程控制(SPC)理論在應(yīng)用上的一次深遠(yuǎn)的探索。利用建立控制圖，分析過程是否處于統(tǒng)計(jì)控制狀態(tài)。若出現(xiàn)異常，分析出產(chǎn)生原因，及時(shí)采取糾正改正措施和預(yù)防措施，保證實(shí)驗(yàn)報(bào)告的質(zhì)量目標(biāo),使監(jiān)測(cè)站在提供為環(huán)境管理提供有更好的技術(shù)依據(jù)。