淺談試驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理在生產(chǎn)中的重要性

(山東科技大學(xué) 山東 青島 266000)

淺談試驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理在生產(chǎn)中的重要性

鄭欣璐李靜吳興旺李赟

(山東科技大學(xué)山東青島266000)

作為一門應(yīng)用性技術(shù)學(xué)科，試驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理在科學(xué)研究和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著越來越重要的作用。特別是化工類專業(yè)需要通過實驗來觀測和研究最終現(xiàn)象和結(jié)果，實現(xiàn)實驗的最優(yōu)化和最簡化在實際操作中往往起著事半功倍的效果。此時試驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理就顯得尤為重要。

試驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理;化工生產(chǎn);最佳的試驗方案

試驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理是以概率論和數(shù)理統(tǒng)計為理論基礎(chǔ)，經(jīng)濟、科學(xué)地安排試驗的一門應(yīng)用技術(shù)學(xué)科。到目前為止，該學(xué)科經(jīng)歷了80多年的研究和實踐，已成為廣大技術(shù)人員和科學(xué)工作者必備的基礎(chǔ)理論知識[1]。該學(xué)科能幫助實驗者以基本的專業(yè)知識為基礎(chǔ)，科學(xué)地設(shè)計試驗方案，并對所得的試驗數(shù)據(jù)進行分析，以達到縮短試驗周期，在最大程度上優(yōu)化試驗，達到理想的預(yù)期效果的目的，是一種廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究過程中的普遍使用的科學(xué)計算方法，是產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量管理和科學(xué)研究的重要工具。在以實驗為基礎(chǔ)的化工類學(xué)科中，試驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理這門技術(shù)學(xué)科顯得尤為重要。特別是在研究新產(chǎn)品，解決新問題的試驗過程中，未知的工藝因素、操作因素甚至人為因素特別多，需要通過大量的試驗來探索工藝條件。學(xué)會使用科學(xué)的試驗設(shè)計方法設(shè)計試驗并對試驗得到的大量數(shù)據(jù)進行正確的分析和處理可以使試驗次數(shù)盡可能少并能在較短時間內(nèi)達到預(yù)期的試驗?zāi)康?，這樣就能實現(xiàn)試驗的高效率，收獲事半功倍的效果。

一、確定試驗方案

一個理想的試驗設(shè)計應(yīng)該要具備以下三個條件:1、試驗的次數(shù)要盡可能的少，節(jié)省人力物力；2、試驗得到的數(shù)據(jù)要便于分析和處理；3、最終能獲得預(yù)期的結(jié)果，使試驗有效。對于設(shè)計試驗，首先要明確是單因素試驗還是多因素試驗，單因素試驗是指該試驗中只受到一個因素的影響，而與其它可控或不可控因素?zé)o關(guān)。常用的單因素試驗設(shè)計的方法有黃金分割法、分數(shù)法、對分法、交替法等。實驗者可以通過適當(dāng)?shù)姆椒▋?yōu)選出試驗的最佳試驗因素水平，并在實驗中檢驗再優(yōu)化。以黃金分割法為例，兩個試點關(guān)于存優(yōu)范圍的中心對稱，且每次舍去的區(qū)間長度與舍去前的區(qū)間長度成比例，第一個試點確定在因素范圍的0.618處，后續(xù)試點可以用“加兩頭，減中間”來確定。黃金分割法操作簡單實用，是尋找單因素單峰目標(biāo)函數(shù)最佳點的主要方法。

多因素試驗受多種因素的影響，實驗者可采用正交試驗設(shè)計、產(chǎn)品三次設(shè)計、完全隨機化試驗設(shè)計等多種方法科學(xué)地安排和分析多因素試驗，從而確定最佳方案。日本著名的統(tǒng)計學(xué)家田口玄一在正交試驗中作出重大貢獻，他將正交試驗選擇的水平組合列成表格，即正交表。正交表的使用大大減少了工作量，因而在科學(xué)研究中已實現(xiàn)廣泛應(yīng)用。在正交試驗設(shè)計中，實驗者通過明確試驗?zāi)康模_定考核指標(biāo)，確定交互測試中有多少個相互獨立的變量，這映射到表中的因素個數(shù)，再次，確定每個變量可以取值的個數(shù)的最大數(shù)，這映射了表中的水平數(shù)，根據(jù)這些選擇一個次數(shù)最少的、最合適的正交表，把因素和值映射到正交表中，就可以通過最少次試驗以確定科學(xué)的試驗方案。

二、進行數(shù)據(jù)處理

由于試驗中的不確定性，試驗得到的大量數(shù)據(jù)并不全是有用的，對于化工試驗來說，光是誤差來源就具有多方面性，除去系統(tǒng)儀器誤差，還有人為因素造成的偶然誤差。為了使試驗結(jié)果更加可靠，實驗者需要對數(shù)據(jù)進行一定的判斷和分析，對原始數(shù)據(jù)的可靠性加以客觀評定。數(shù)據(jù)分析就是討論如何對這些紛繁復(fù)雜的數(shù)據(jù)進行分析，揭示其中隱含的內(nèi)在規(guī)律、發(fā)掘有用的信息，為決策者的正確決策提供理論依據(jù)[2]。數(shù)據(jù)處理的方法主要有:參數(shù)估計、回歸分析、假設(shè)檢驗和方差分析等。參數(shù)估計是根據(jù)從總體中抽取的樣本估計總體分布中包含的未知參數(shù)的方法，是統(tǒng)計推理的一種基本形式，分為點估計和區(qū)間估計兩部分。點估計是根據(jù)手中的樣本估計總體分布中所含的未知參數(shù)或未知參數(shù)的函數(shù)，其原理就是構(gòu)造一個依賴于樣本的量，作為未知參數(shù)或未知參數(shù)的函數(shù)；而區(qū)間估計是依賴抽取的樣本，根據(jù)一定的正確度和精確度的要求，構(gòu)造出適當(dāng)?shù)膮^(qū)間，作為樣本分布的未知參數(shù)或參數(shù)函數(shù)的真值所在范圍的估計?；貧w分析是確定兩種或兩種以上變量間相互依賴的定量關(guān)系的一種統(tǒng)計分析方法。在很多作圖軟件比如Excel和Origin中都有這種思想和體現(xiàn)，其中最為人熟知的建模技術(shù)就是線性回歸，回歸分析使用最佳的擬合直線，在因變量和一個或多個自變量之間建立一種關(guān)系，以此衡量變量間的相關(guān)程度。

假設(shè)檢驗是判斷各種數(shù)據(jù)處理結(jié)果的可靠程度，其基本原理是先對總體的特征作出一種假設(shè)，然后通過抽樣研究的統(tǒng)計推理，對此假設(shè)應(yīng)該被拒絕還是被接受作出推理和判斷[3]。通過檢驗，對樣本指標(biāo)與假設(shè)的總體指標(biāo)之間是否存在差別作出判斷，是否接受該假設(shè)。這里必須明確的是，進行檢驗的目的并不是懷疑樣本指標(biāo)本身是否計算正確，而是為了分析樣本指標(biāo)與總體指標(biāo)之間是否存在顯著差異。所以在這個意義上，假設(shè)檢驗也稱為顯著性檢驗。是數(shù)據(jù)處理中常用的一種方法。方差分析是從觀測變量的方差入手，根據(jù)各影響因素對考察指標(biāo)影響的顯著性程度，從而找出最佳的實驗條件或生產(chǎn)條件。通常將正交試驗設(shè)計與方差分析有機地結(jié)合加以應(yīng)用，以解決各種實際問題。方差分析包括單因素方差分析和多因素方差分析，其基本思想都是一致的，通過F檢驗判斷某因素對試驗結(jié)果影響的顯著性，這在Excel或Origin等計算機繪圖軟件中都有體現(xiàn)。

三、試驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理對生產(chǎn)的重要性

試驗涉及與數(shù)據(jù)處理是以概率論、數(shù)理統(tǒng)計和專業(yè)技術(shù)知識及經(jīng)驗為基礎(chǔ)，經(jīng)濟、合理地安排試驗，對試驗結(jié)果進行科學(xué)計算和分析，最終達到以較少的試驗次數(shù)、較短的試驗周期、較低的試驗成本，迅速地得到正確的結(jié)論和較好的試驗效果[4]。對于化工、化學(xué)、制藥、食品與材料等需要實驗和觀測的學(xué)科，經(jīng)常需要通過大量實驗研究最佳的工藝條件或生產(chǎn)配方，不管是從經(jīng)濟方面還是從生產(chǎn)效益以及效率問題，都需要實驗者能探索出最合適最經(jīng)濟的實驗條件，以提高生產(chǎn)效益，增強可行性。而試驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理這門技術(shù)性學(xué)科就很好地幫助解決了這一問題，一個周密而完善的試驗設(shè)計能合理地安排各種實驗因素，能嚴(yán)格地控制實驗誤差，從而用較少的人力、物力和時間，最大限度地獲得豐富而可靠的試驗結(jié)果，試驗設(shè)計是實驗過程的依據(jù)，也是實驗數(shù)據(jù)處理的前提，在整個科研工作中起著非常重要的作用，而數(shù)據(jù)處理作為其不可分割的一部分，使大量繁雜冗余的數(shù)據(jù)簡單化，科學(xué)化，為實驗工作者解決問題，呈現(xiàn)最好的實驗結(jié)果。試驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理這門學(xué)科與其它以大量數(shù)據(jù)為支撐的學(xué)科相輔相成，在實驗條件探索和結(jié)果分析中起到顯著的作用，為生產(chǎn)帶來一定的經(jīng)濟效益。

[1]李云雁、胡傳榮 試驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社

[2]梅長林、范金城 數(shù)據(jù)分析方法[M].北京:高等教育出版社，2006

[3]李福民 論衛(wèi)生統(tǒng)計學(xué)中的假設(shè)檢驗 《衛(wèi)生職業(yè)教育》，2003,21(3)

[4]汪中才 高職實訓(xùn)教學(xué)評價體系構(gòu)建初探[J].科技信息，2009 01:649-650

鄭欣璐(1995-)，女，漢族，福建省南平市，本科，山東科技大學(xué)，研究方向：應(yīng)用化學(xué)；李靜(1995-)，女，漢族，山東省聊城市人，山東科技大學(xué)電子通信與物理學(xué)院2014級通信工程專業(yè)在讀本科生；吳興旺(1997-)，男，漢族，山東省單縣，學(xué)生，本科，山東科技大學(xué)，化學(xué)工程與工藝；李赟(1997-)，女，漢族，山東省煙臺市，本科，山東科技大學(xué)，研究方向：測控技術(shù)與儀器。