有时很难让我的孩子们相信我有一份合适的工作。 我经常在家工作，最近他们看到我建造和驾驶这些纸直升机：
这项工作怎么样？ 在联合管理计划，我们一直在努力寻找方法让更多的科学家和工程师参与数据分析。 我最大的热情是实验设计（DoE）因为我知道它如何帮助科学家和工程师快速找到难题的最佳解决方案。
我的一位同事提出了举办一场竞赛的想法，通过真实世界的实验让人们亲身体验能源部。 纸直升机实验是一个经典示例，您可以体验解决多因素工程问题的挑战。
工程挑战及其挑战不是解决它
目标很简单：找到能够提供最长飞行时间的设计。
花一点时间考虑一下你可以如何做到这一点。 我相信您能想到很多影响飞行时间的“因素”：
现在，有了所有这些你可以改变的东西，你将如何找出最好的设计呢？ 您将如何决定因素选择的最佳组合？
我怀疑你们中的大多数人都会立即投入并制造一架您认为可以使用并驾驶的直升机。 然后你可能会通过改变设计来建造第二个——也许你把机翼做得更长一点——因为你认为这会延长飞行时间。 你尝试一下，发现它飞行的时间更长一些。 然后，对于下一个版本，您可能会更改不同的因素。
你继续这样下去，直到最终你耗尽时间或精力。 在您尝试过的所有方法中，您会找到最有效的方法。 任务完成！
但你仍然有一些令人不安的疑问：
- 我真的探索过所有的可能性吗？
- 我了解每个因素的影响吗？
- 我真的知道为什么这个设计效果很好吗？
- 有没有更好的解决方案我没有尝试过？
- 我能否在更短的时间内、更少的麻烦找到解决方案？
我从个人经验中谈起，因为这几乎就是我在化学工业开发制造工艺时在实验室工作的方式 - 也就是说，直到我了解能源部。
与能源部合作的更好方法
在纸直升机竞赛中，参赛者被引导使用能源部策略来寻找最佳设计。 他们获得了四架不同直升机的模板以及如何建造它们的说明。
他们被告知用不同重量的纸张制作另一组相同的四架直升机（或者在同一张纸上制作它们并添加一个回形针），总共有八架直升机。 通过建造和测试所有八架直升机，他们将尝试所有可能的短/长机翼、薄/胖机翼和重/轻纸张类型的组合。 同时改变所有因素可能与您被告知的相反。 当你以这种方式进行实验时，会有一些很大的好处。
我们从 DoE 学到了什么
我工作的很大一部分是拜访客户参加研讨会和讲习班，以提高他们对软件功能的认识。 我们最近在其中一次访问中对与会者进行了同样的实验。 这些是其中一组的结果。 他们测量了每架直升机的飞行时间三次并取平均值：
您可以看到，最佳飞行时间（1.98 秒）是 5 号直升机，它是用纸制成的，机翼又长又薄。 虽然相同但翅膀很厚（#6）几乎一样好（1.83 秒）。 机翼又短又薄的卡片直升机（#3）最差（0.51 秒）。 我们可以使用这些结果来估计每个因素的单独影响。
卡的平均飞行时间为0.78秒。 纸张的平均飞行时间为 1.52 秒。 现在我们可以算出，从卡片换成纸张对飞行时间的影响是 1.52 - 0.78 = 0.74 秒。 我们可以对其他因素做同样的事情。
更好的是，我们可以使用像这样的软件联合管理计划拟合一个将所有这些信息结合在一起的模型。 此预测刻画器是使用 JMP 拟合相同数据的模型的可视化：
单击并拖动图中的红色虚线，以查看更改因子设置时会发生什么。 此交互式视觉效果发布于JMP 公共随着还有一些与这篇博文相关的内容。 您可以看到每个因素对飞行时间的影响。 纸张类型的影响最大。 机翼宽度并不是很重要。 DoE 让您对您的系统或流程有更深入的了解。
有了这个平衡的数据集，我们还可以了解更复杂的行为。 纸张类型和翼长的影响之间是否存在相互作用？ 即纸型的效果是否受翼长影响？ 这个简单的数据可视化表明没有太多交互：
长翼和短翼的卡片和纸张之间的飞行时间差异非常相似。 在其他情况下，这些交互作用非常重要。 如果一次只改变一个因素，您将无法获得找到重要交互作用所需的数据。
这是一个非常简单的示例，旨在演示如何通过 DoE 学到更多、更快的知识。 在工业科学与工程的现实世界中，实验可能会变得更加复杂。 例如，您通常会有更多因素，因此测试所有可能性是不现实的。 您应该知道 DoE 方法可以适应处理这样的实际约束。 无论实验面临什么挑战，您都可以通过 DoE 学到更多、更快的知识。
最终获胜者是…
明天我将在下一篇博客文章中宣布获胜者，并分享他们报告的一些摘录。 该竞赛是通过英国皇家化学学会杂志《化学世界》推广的。 我们将该模板作为杂志的插页包含在内，那里的团队创建了这个精彩的视频：
打造最佳直升机挑战赛从化学世界在维梅奥。
我们要求参赛者向我们发送一份简短的工作报告，以获得赢得 DJI Mavic 2 无人机的机会。 我们收到了很多很棒的参赛作品。 作为一名法官，我一直在寻找能够表现出清晰的思维、努力、学习和乐趣的工作。 所以，明天再来看看谁赢了。
现在，您可能想了解有关 DoE 的更多信息，因此这里有更多资源：
- 比赛已经结束，但你仍然可以获得模板和说明亲自尝试直升机挑战。
- 庄信万丰 (Johnson Matthey) 首席科学家 Pilar Gomez-Jimenez 最近谈到了如何从 DoE 入手，并在这次网络研讨会与化学世界。
- 去年，我开始撰写一系列博客文章，对一些刚开始使用时可能令人困惑的术语和概念进行简单解释，以揭开能源部的神秘面纱。 你可以找到完整的系列这里。
