數(shù)據(jù)分析方法在不同質(zhì)量管理角色中的應(yīng)用

數(shù)據(jù)分析方法在不同質(zhì)量管理角色中的應(yīng)用

王迎1，吳新春2

(1.武漢工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430080；武漢鋼鐵集團(tuán)公司信息與創(chuàng)新部，湖北 武漢 430080)

摘要：鋼鐵產(chǎn)品質(zhì)量管理貫穿產(chǎn)品研發(fā)、制造和使用全過程，影響因素多、管理難度大。根據(jù)企業(yè)不同質(zhì)量管理角色的責(zé)任和要求，針對性設(shè)計了一套質(zhì)量操作人員、質(zhì)量控制人員、質(zhì)量設(shè)計人員的分析方法，并結(jié)合具體案例展示了其良好的應(yīng)用效果，使企業(yè)快速實施基于數(shù)據(jù)的分析方法、提升質(zhì)量管理水平成為可能。

關(guān)鍵詞：鋼鐵產(chǎn)品；數(shù)據(jù)分析；質(zhì)量管理；角色；應(yīng)用

中圖分類號：F273.2

收稿日期：2015-08-15

作者簡介：王迎(1969-)，女，湖北漢川人，武鋼大學(xué)人力資源開發(fā)中心副教授；吳新春(1970-)，男，武漢鋼鐵集團(tuán)公司信息與創(chuàng)新部教授級高工。

一、鋼鐵企業(yè)數(shù)據(jù)分析方法應(yīng)用的背景

鋼鐵產(chǎn)品品種規(guī)格多、生產(chǎn)流程長、工藝復(fù)雜，現(xiàn)場所收集到的原始數(shù)據(jù)，必須加以有效的整理、分類、展示和管理，才能成為有價值的數(shù)據(jù)，進(jìn)而通過數(shù)據(jù)分析，萃取、提煉、挖掘信息，找出內(nèi)在規(guī)律，掌握問題點及其重要原因，指導(dǎo)產(chǎn)品質(zhì)量設(shè)計和質(zhì)量過程控制。

長期以來，由于鋼鐵企業(yè)質(zhì)量數(shù)據(jù)采集困難、數(shù)據(jù)分析方法復(fù)雜、質(zhì)量管理人員應(yīng)用能力欠缺，嚴(yán)重的阻礙了企業(yè)整體質(zhì)量水平的提升。同時，鋼鐵產(chǎn)品質(zhì)量的實現(xiàn)，從研發(fā)到量產(chǎn)，從原材料到成品，需要全體員工的共同參與、相互協(xié)作。不同層次的員工在產(chǎn)品質(zhì)量實現(xiàn)過程中的職責(zé)和所起的作用各不相同，對于數(shù)據(jù)分析方法的掌握，也應(yīng)要求不同、側(cè)重點不同。針對性地選擇并推廣使用科學(xué)、高效、便捷的數(shù)據(jù)分析方法對于提升企業(yè)質(zhì)量管理水平具有十分重要的意義。

本文結(jié)合鋼鐵企業(yè)質(zhì)量操作、質(zhì)量控制、質(zhì)量設(shè)計人員的實際案例，根據(jù)不同質(zhì)量管理角色要求，設(shè)計了一套數(shù)據(jù)分析工具和方法，并展示其卓越的可視化效果，大大降低實施數(shù)據(jù)分析的進(jìn)入門檻，便于使用者迅速學(xué)會基于數(shù)據(jù)的質(zhì)量管理工作方法和思維方式，快速全面展開數(shù)據(jù)分析工作，使企業(yè)快速實施基于數(shù)據(jù)的質(zhì)量管理成為可能。

二、質(zhì)量操作人員的分析方法與應(yīng)用

質(zhì)量操作人員按照技術(shù)操作標(biāo)準(zhǔn)的要求作業(yè)，將設(shè)計好的產(chǎn)品從原材料、半成品加工成成品，是實現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量的操作者，要有良好的執(zhí)行力。操作人員以提高質(zhì)量的穩(wěn)定性為目標(biāo)，考察工藝規(guī)范的執(zhí)行情況，及時快速地發(fā)現(xiàn)質(zhì)量的異常波動，積極采取正確恰當(dāng)?shù)拇胧皶r消除異常波動，并配合專業(yè)技術(shù)人員分析較復(fù)雜的質(zhì)量問題，理解并實施改善措施。

“一圖勝千言”，質(zhì)量操作人員主要是運用分層分析的思想，靈活運用數(shù)據(jù)分析方法中的一些圖形分析工具如排列圖、直方圖、箱線圖、控制圖、散點圖、決策樹等進(jìn)行探索性數(shù)據(jù)分析，來探索不同操作人員、不同設(shè)備、不同的原材料批次、不同工藝設(shè)置等生產(chǎn)條件變化對產(chǎn)品質(zhì)量的影響，以下舉例說明：

1. 排列圖：又稱帕累托圖、八二法則，根據(jù)“關(guān)鍵的少數(shù)和次要的多數(shù)”的原理開發(fā)，用于尋找主要問題或影響質(zhì)量的主要原因，確定應(yīng)該先集中資源解決哪些問題。在實際應(yīng)用中，排列圖的應(yīng)用長期停留在一個非常初級的階段，功效常常沒有被充分發(fā)揮出來，現(xiàn)以下例詳細(xì)說明排列圖的用法：

某產(chǎn)品近期質(zhì)量問題嚴(yán)重，經(jīng)統(tǒng)計，瓦楞狀、夾雜、重皮、探傷不合、裂紋、結(jié)疤等六種質(zhì)量缺陷發(fā)生頻次差異不大，分析到此，很難抓住主要問題，分析缺陷產(chǎn)生的原因也沒有方向(見圖1)。

圖1　缺陷的排列圖

采用用分層分析的思想深入研究，發(fā)現(xiàn)這些產(chǎn)品分別由1#、2#生產(chǎn)線用A、B兩種工藝方案生產(chǎn)，1#生產(chǎn)線用A方案容易產(chǎn)生夾雜，用B方案容易產(chǎn)生重皮，2#生產(chǎn)線用A方案容易產(chǎn)生探傷不合，用B方案容易產(chǎn)生瓦楞狀缺陷(見圖2)，于是，問題得到有效聚焦，便于分析缺陷產(chǎn)生的根本原因，制定針對性強的改善措施。

2.直方圖：是用一系列寬度相等、高度不等的長方形直觀地表現(xiàn)數(shù)據(jù)的分散情況和中心趨勢。可以將質(zhì)量或工藝數(shù)據(jù)的直方圖與要求的分布進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過程的不正常狀態(tài)，分析原因，采取相應(yīng)措施。還可以將不同變量的直方圖放在一起，尋找變量間的相互影響關(guān)系，以下例加以說明：

圖2　分層排列圖

研究某產(chǎn)品的某項性能指標(biāo)是否合格(合格/1，不合格/2)與三個變量(X1、X2、X3)間的關(guān)系，用以下直方圖組來分析，按是否合格分層，發(fā)現(xiàn)只有當(dāng)變量90

圖3　直方圖例

3.分割與決策樹：“分割”平臺可以使用因子X的值有目的地分隔數(shù)據(jù)，來尋找影響結(jié)果的主要原因，產(chǎn)生的分割顯示為決策樹(條件樹)。仍以上例加以說明，當(dāng)90

“性能(合格/1，不合格/2)”分割

4.控制圖：質(zhì)量操作人員應(yīng)該熟練使用控制用控制圖監(jiān)控生產(chǎn)是否穩(wěn)定運行，控制用控制圖上的各控制限應(yīng)由質(zhì)量控制、質(zhì)量設(shè)計人員通過分析用控制圖并結(jié)合過程能力要求得出，納入技術(shù)操作標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)控制用控制圖上出現(xiàn)失控點時，操作人員需要迅速找到失控原因，及時采取對策措施，穩(wěn)定流程。但是，影響流程穩(wěn)定的因素往往較多，分析時容易茫無頭緒，借用控制圖生成器，常常能夠快速得到提示信息。

例如，某生產(chǎn)線監(jiān)控冷軋板的強度，運用控制圖發(fā)現(xiàn)有較多失控點(超上控制限，見圖5)，分析原因時考慮了原料批次、生產(chǎn)班組等多個因素，都被排除。

圖4　分割法與決策樹

圖5　控制用控制圖

運用控制圖生成器尋找失控原因，當(dāng)把“批次”和“卷號”作為分層信息加入到基本圖形上后，很容易看出，“強度”超上控制限的點，都出現(xiàn)在某些批次的第1卷和第5卷(見圖6)，這就為分析問題指明了方向。

圖6　控制圖生成器

在使用圖形工具時需要注意，如果數(shù)據(jù)來源是全數(shù)統(tǒng)計或非常大的樣本，圖形工具得到的結(jié)論有很好的指導(dǎo)作用；如果數(shù)據(jù)來自抽樣檢驗，要基于科學(xué)的抽樣方法，圖形工具得到的結(jié)論可以作為提出假設(shè)的依據(jù)，再運用假設(shè)檢驗、回歸分析等方法進(jìn)行驗證。

三、質(zhì)量控制人員的分析方法與應(yīng)用

質(zhì)量控制人員是銜接質(zhì)量設(shè)計與質(zhì)量操作的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，負(fù)責(zé)產(chǎn)品制造過程各個環(huán)節(jié)的質(zhì)量一貫管理與控制，協(xié)調(diào)原材料及上、下游工序。好的質(zhì)量設(shè)計需要通過組織生產(chǎn)來實現(xiàn)產(chǎn)品的價值，體現(xiàn)產(chǎn)品的設(shè)計質(zhì)量。

質(zhì)量控制人員需要充分考慮銷售合同的執(zhí)行、設(shè)備條件、生產(chǎn)成本、生產(chǎn)節(jié)奏、人員安排等各方面因素，安排好生產(chǎn)時間、數(shù)量、人員及品種切換和過渡，實時監(jiān)控生產(chǎn)實施過程中技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的執(zhí)行情況，產(chǎn)品質(zhì)量及過程控制是否實現(xiàn)了設(shè)計能力，發(fā)現(xiàn)差距，及時研究，查明原因，實施整改，需要時及時調(diào)整修正標(biāo)準(zhǔn)。

尋找質(zhì)量問題的原因和解決方案，驗證改善措施實施效果，常常在用圖形工具進(jìn)行探索性分析的基礎(chǔ)上，用假設(shè)檢驗、回歸分析等進(jìn)行驗證。

質(zhì)量控制人員還需要運用過程能力指數(shù)和過程績效指數(shù)分析，評價過程設(shè)計水平和控制水平，明確改善方向。

1.過程能力指數(shù)：Cp、Cpk、Cpm

Cp：描述過程能力的最重要的指標(biāo)，反映過程的潛在能力，即過程在僅受到隨機因素影響時滿足預(yù)期要求的能力，值越大，潛在能力越強。

Cpk：反映過程中心的偏離程度， Cpk與Cp的差距越大，說明過程均值μ偏離公差中心M越遠(yuǎn)。

Cpm：反映過程中心偏離目標(biāo)造成的質(zhì)量損失，Cpm與Cp的差距越大，質(zhì)量損失越大。

2. 過程績效指數(shù)：Pp、Ppk

Pp：反映過程長期控制水平，從過程總波動的角度考察過程輸出滿足顧客要求的能力。

Ppk：反映過程中心的偏離程度，Ppk與Pp的差距越大，說明過程均值μ偏離公差中心M越遠(yuǎn)。

3.過程能力指數(shù)與過程績效指數(shù)分析

Cp與Pp之間的差距，反映了過程潛在能力與長期運行控制能力之間的差距，即過程是否受到較大異常因素的影響。

4. 評價過程現(xiàn)狀與改進(jìn)方向和目標(biāo)

質(zhì)量控制人員通過對比Cp、Cpk、Pp、Ppk、Cpm之間的差距，以及現(xiàn)狀與設(shè)計能力之間的差距，對照分組原則，可以明確改善方向。

本文以好的過程Cp≥1為參照標(biāo)準(zhǔn)，討論目標(biāo)值m=M時過程能力的各種表現(xiàn)類型，當(dāng)m≠M時，情況更復(fù)雜，需結(jié)合具體問題綜合分析。

表1中插圖用正態(tài)分布(實線)表示過程短期表現(xiàn)，用正態(tài)分布(虛線)表示過程長期表現(xiàn)(實際工作中對長期表現(xiàn)不要求服從正態(tài)分布)，以μ>M為示例。

表1　過程長、短期表現(xiàn)類型(舉例)

類型1：理想狀態(tài),過程控制較好，過程潛在能力較高，且長期控制較好，均值微小偏移或受較小異常因素影響或二者兼而有之，質(zhì)量損失小。最理想狀態(tài)是5個指數(shù)相等并較大，長、短期表現(xiàn)的正態(tài)分布曲線重合，μ=M，說明過程在長期運行中僅受較小的隨機因素影響，潛在能力得到完全發(fā)揮。理想狀態(tài)是質(zhì)量控制追求的目標(biāo)，實際狀態(tài)與理想狀態(tài)之間的差距是改善的方向。

類型2：潛在能力較高，長期運行也較穩(wěn)定，但均值偏移，質(zhì)量損失大。過程受較小隨機因素和較小的異常因素影響，但過程均值偏移較大，改善方向為調(diào)整相關(guān)影響因子的設(shè)置值，使過程均值趨近公差中心M。

類型3：潛在能力較高，均值控制較好，質(zhì)量損失小，但長期運行不穩(wěn)定。過程受到較小的隨機因素和較大的異常因素影響，改善方向為根據(jù)分組信息查明并消除影響較大的異常因素。

類型4：潛在能力較高，但長期運行不穩(wěn)定，均值也偏移。過程受到較大的異常因素影響，均值也發(fā)生偏移，改善方向為不僅要調(diào)整相關(guān)影響因子的設(shè)置值，使過程均值趨近公差中心M，還要查明并消除影響較大的異常因素。

類型5：潛在能力較低，但長期運行穩(wěn)定，均值控制較好。過程僅受到較大的隨機因素影響，改善方向為提高過程的設(shè)計水平，減小隨機因素的干擾。

類型6：最差的狀態(tài)，潛在能力較低，且長期運行不穩(wěn)定，均值偏移較大。隨機因素和異常因素對過程的影響都較大，均值也發(fā)生偏移，改善方向首先要提高設(shè)計水平，減小隨機因素的影響，還要調(diào)整相關(guān)影響因子的設(shè)置值，查明并消除影響較大的異常因素。

5．正確分析計算過程能力指數(shù)和過程績效指數(shù)

要充分發(fā)揮過程能力分析的作用，正確分組收集數(shù)據(jù)，并正確計算過程能力指數(shù)和過程績效指數(shù)是關(guān)鍵，常見的問題及影響有下面幾個方面：

(1)不分層：將不同規(guī)格、不同產(chǎn)品、不同產(chǎn)線的數(shù)據(jù)混在一起討論，結(jié)果常常滿足不了流程穩(wěn)定、數(shù)據(jù)獨立等分析的基本條件，分析結(jié)果也不正確。

(2)忽視分組的作用：如果不根據(jù)合理子組原則分組，并在短期內(nèi)完成子組抽樣，當(dāng)發(fā)現(xiàn)Cp、Pp差距較大時，分析異常原因就會思路不清晰。實際工作中應(yīng)從多角度分組分析，以查明異常原因。

(3)忽視過程能力指數(shù)對過程處于統(tǒng)計控制狀態(tài)的要求：失控的過程中包含異常因素的干擾，將所有收集到的數(shù)據(jù)不經(jīng)判穩(wěn)就計算，得到的Cp值偏低，不能正確反映過程的潛在能力。

(4)忽視過程長期表現(xiàn)應(yīng)包含異常因素的影響：用判穩(wěn)的數(shù)據(jù)在計算過程能力指數(shù)的同時，計算過程績效指數(shù)，得到的Pp值偏高，不能正確反映過程的長期表現(xiàn)，并且由于在判穩(wěn)過程中刪除了異常點，因而漏掉了改善機會。

四、質(zhì)量設(shè)計人員的分析方法與應(yīng)用

質(zhì)量管理大師朱蘭曾經(jīng)說過：歸根到底，質(zhì)量是設(shè)計出來的。這充分說明產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計對產(chǎn)品質(zhì)量的影響最大，決定了產(chǎn)品的固有質(zhì)量。如何高效研發(fā)出適合大規(guī)模生產(chǎn)、滿足甚至超出客戶期望的產(chǎn)品是產(chǎn)品研發(fā)質(zhì)量管理中的一個關(guān)鍵問題。

質(zhì)量設(shè)計人員主要負(fù)責(zé)在產(chǎn)品研發(fā)階段設(shè)計制定產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)、預(yù)測過程能力、篩選關(guān)鍵因子、制定工藝技術(shù)方案，確定對原材料的要求和工藝技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。以前質(zhì)量設(shè)計人員主要依據(jù)技術(shù)分析和經(jīng)驗設(shè)計產(chǎn)品、制定標(biāo)準(zhǔn)，缺乏足夠的數(shù)據(jù)支撐。隨著用戶對產(chǎn)品質(zhì)量及其穩(wěn)定性的要求越來越高，質(zhì)量設(shè)計人員需要運用數(shù)據(jù)分析方法來制定科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)募夹g(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

建立、修正技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)常用的方法是首先運用設(shè)計、實施試驗收集的數(shù)據(jù)或收集的歷史數(shù)據(jù)建立模型、分析模型、設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)及公差，然后小規(guī)模試生產(chǎn)驗證標(biāo)準(zhǔn)，最后將標(biāo)準(zhǔn)下發(fā)到操作崗位。

下面舉例說明建立、分析模型、設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)及工藝控制的工作：經(jīng)前期分析得知，3個自變量X1、X2、X3是影響某產(chǎn)品性能Y的關(guān)鍵因素，收集118組數(shù)據(jù)，分布情況如圖7所示：

圖7　Y與各自變量的直方圖

目前對Y的控制能力較低，長期不合格率達(dá)到99793ppm(見圖8)。希望分析擬合Y與3個自變量的關(guān)系模型，找到各自變量的最佳設(shè)置及允許標(biāo)準(zhǔn)差，提高對Y的控制能力。

圖8　Y的過程績效指數(shù)及缺陷率

1.通過逐步篩選的響應(yīng)曲面回歸，建立分析模型(見圖9)：

2.用預(yù)測刻畫器尋找各自變量的最佳設(shè)置組合(見圖10)：根據(jù)工藝、設(shè)備、成本等限制條件，調(diào)整各自變量的設(shè)置，使Y達(dá)到目標(biāo)值。

3.分析各自變量的允許標(biāo)準(zhǔn)差：響應(yīng)Y的變異與自變量X的變異相關(guān)，為控制誤差傳遞的影響，需要控制各自變量X的允許標(biāo)準(zhǔn)差，過去通常的做法是減小X的公差，會導(dǎo)致成本提高，現(xiàn)在可以利用蒙特卡羅模擬，選擇合適的自變量標(biāo)準(zhǔn)差，降低工藝優(yōu)化成本，同時滿足響應(yīng)Y的能力要求。

圖9　Y與各自變量的關(guān)系模型

可以看到，當(dāng)各自變量按圖11控制時， Y可以達(dá)到目標(biāo)值，且長期不合格率(200ppm)比現(xiàn)狀(99793ppm)大為降低。

模型方案與現(xiàn)狀相比，對標(biāo)準(zhǔn)差的要求并沒有加嚴(yán)，只需控制好分布(類型、均值及標(biāo)準(zhǔn)差)，就能取得滿意的效果。

圖10　預(yù)測刻畫器結(jié)果

圖11　調(diào)整各自變量的波動范圍

參考該分析結(jié)果，可以得到過程的潛在能力和控制用控制圖的控制限。

五、結(jié)束語

隨著鋼鐵行業(yè)面臨越來越嚴(yán)峻的形勢，以質(zhì)量為核心，提升產(chǎn)品質(zhì)量設(shè)計水平、保證過程質(zhì)量穩(wěn)定性、降低劣質(zhì)成本、提升服務(wù)質(zhì)量，已成為企業(yè)應(yīng)對危機、求生存、謀發(fā)展的共識。本文根據(jù)企業(yè)不同質(zhì)量管理角色的責(zé)任和要求，針對質(zhì)量操作人員選擇設(shè)計了運用直方圖、排列圖、控制圖、決策樹為代表的數(shù)據(jù)分析方法，實現(xiàn)分層分析，實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)的方法；針對質(zhì)量控制人員設(shè)計選擇了運用假設(shè)檢驗、回歸分析及過程能力分析控制產(chǎn)品質(zhì)量的方法；針對質(zhì)量設(shè)計人員設(shè)計了基于數(shù)據(jù)建模、響應(yīng)優(yōu)化和蒙特卡羅模擬，設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)、分析工藝方案和控制標(biāo)準(zhǔn)的方法，并分別結(jié)合具體案例展示了其良好的應(yīng)用效果，使企業(yè)實施基于數(shù)據(jù)的分析方法，快速提升質(zhì)量管理水平成為可能。

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責(zé)任編輯：雷三容