有時很難讓我的孩子們相信我有一份合適的工作。 我經常在家工作，最近他們看到我建造和駕駛這些紙直升機：
這項工作怎麼樣？ 在聯合管理計劃，我們一直在努力尋找方法讓更多的科學家和工程師參與數據分析。 我最大的熱情是實驗設計（DoE）因為我知道它如何幫助科學家和工程師快速找到難題的最佳解決方案。
我的一位同事提出了舉辦一場競賽的想法，通過真實世界的實驗讓人們親身體驗能源部。 紙直升機實驗是一個經典示例，您可以體驗解決多因素工程問題的挑戰。
工程挑戰及其挑戰不是解決它
目標很簡單：找到能夠提供最長飛行時間的設計。
花一點時間考慮一下你可以如何做到這一點。 我相信您能想到很多影響飛行時間的“因素”：
現在，有了所有這些你可以改變的東西，你將如何找出最好的設計呢？ 您將如何決定因素選擇的最佳組合？
我懷疑你們中的大多數人都會立即投入並製造一架您認為可以使用並駕駛的直升機。 然後你可能會通過改變設計來建造第二個——也許你把機翼做得更長一點——因為你認為這會延長飛行時間。 你嘗試一下，發現它飛行的時間更長一些。 然後，對於下一個版本，您可能會更改不同的因素。
你繼續這樣下去，直到最終你耗盡時間或精力。 在您嘗試過的所有方法中，您會找到最有效的方法。 任務完成！
但你仍然有一些令人不安的疑問：
- 我真的探索過所有的可能性嗎？
- 我了解每個因素的影響嗎？
- 我真的知道為什麼這個設計效果很好嗎？
- 有沒有更好的解決方案我沒有嘗試過？
- 我能否在更短的時間內、更少的麻煩找到解決方案？
我從個人經驗中談起，因為這幾乎就是我在化學工業開發製造工藝時在實驗室工作的方式 - 也就是說，直到我了解能源部。
與能源部合作的更好方法
在紙直升機競賽中，參賽者被引導使用能源部策略來尋找最佳設計。 他們獲得了四架不同直升機的模板以及如何建造它們的說明。
他們被告知用不同重量的紙張製作另一組相同的四架直升機（或者在同一張紙上製作它們並添加一個回形針），總共有八架直升機。 通過建造和測試所有八架直升機，他們將嘗試所有可能的短/長機翼、薄/胖機翼和重/輕紙張類型的組合。 同時改變所有因素可能與您被告知的相反。 當你以這種方式進行實驗時，會有一些很大的好處。
我們從 DoE 學到了什麼
我工作的很大一部分是拜訪客戶參加研討會和講習班，以提高他們對軟件功能的認識。 我們最近在其中一次訪問中對與會者進行了同樣的實驗。 這些是其中一組的結果。 他們測量了每架直升機的飛行時間三次並取平均值：
您可以看到，最佳飛行時間（1.98 秒）是 5 號直升機，它是用紙製成的，機翼又長又薄。 雖然相同但翅膀很厚（#6）幾乎一樣好（1.83 秒）。 機翼又短又薄的卡片直升機（#3）最差（0.51 秒）。 我們可以使用這些結果來估計每個因素的單獨影響。
卡的平均飛行時間為0.78秒。 紙張的平均飛行時間為 1.52 秒。 現在我們可以算出，從卡片換成紙張對飛行時間的影響是 1.52 - 0.78 = 0.74 秒。 我們可以對其他因素做同樣的事情。
更好的是，我們可以使用像這樣的軟件聯合管理計劃擬合一個將所有這些信息結合在一起的模型。 此預測刻畫器是使用 JMP 擬合相同數據的模型的可視化：
單擊並拖動圖中的紅色虛線，以查看更改因子設置時會發生什麼。 此交互式視覺效果發佈於JMP 公共隨著還有一些與這篇博文相關的內容。 您可以看到每個因素對飛行時間的影響。 紙張類型的影響最大。 機翼寬度並不是很重要。 DoE 讓您對您的系統或流程有更深入的了解。
有了這個平衡的數據集，我們還可以了解更複雜的行為。 紙張類型和翼長的影響之間是否存在相互作用？ 即紙型的效果是否受翼長影響？ 這個簡單的數據可視化表明沒有太多交互：
長翼和短翼的卡片和紙張之間的飛行時間差異非常相似。 在其他情況下，這些交互作用非常重要。 如果一次只改變一個因素，您將無法獲得找到重要交互作用所需的數據。
這是一個非常簡單的示例，旨在演示如何通過 DoE 學到更多、更快的知識。 在工業科學與工程的現實世界中，實驗可能會變得更加複雜。 例如，您通常會有更多因素，因此測試所有可能性是不現實的。 您應該知道 DoE 方法可以適應處理這樣的實際約束。 無論實驗面臨什麼挑戰，您都可以通過 DoE 學到更多、更快的知識。
最終獲勝者是…
明天我將在下一篇博客文章中宣布獲勝者，並分享他們報告的一些摘錄。 該競賽是通過英國皇家化學學會雜誌《化學世界》推廣的。 我們將該模板作為雜誌的插頁包含在內，那裡的團隊創建了這個精彩的視頻：
打造最佳直升機挑戰賽從化學世界在維梅奧。
我們要求參賽者向我們發送一份簡短的工作報告，以獲得贏得 DJI Mavic 2 無人機的機會。 我們收到了很多很棒的參賽作品。 作為一名法官，我一直在尋找能夠表現出清晰的思維、努力、學習和樂趣的工作。 所以，明天再來看看誰贏了。
現在，您可能想了解有關 DoE 的更多信息，因此這裡有更多資源：
- 比賽已經結束，但你仍然可以獲得模板和說明親自嘗試直升機挑戰。
- 莊信万豐 (Johnson Matthey) 首席科學家 Pilar Gomez-Jimenez 最近談到瞭如何從 DoE 入手，並在這次網絡研討會與化學世界。
- 去年，我開始撰寫一系列博客文章，對一些剛開始使用時可能令人困惑的術語和概念進行簡單解釋，以揭開能源部的神秘面紗。 你可以找到完整的系列這裡。
