실험계획법(DOE)은 의료, 생명공학, 제약, 첨단제조업 등 산업에서 실험 횟수와 비용을 줄이기 위한 방법으로 흔히 사용되는데, 실험 설계를 할 때 중요한 원칙과 단계는 무엇인가요? 전통적인 실험 방법에서 고전적 선별 설계와 완전 요인 설계의 개념과 적용은 무엇입니까? 이 글에서는 DOE의 기본 원리, 고전적 선별 설계 및 완전요인 설계 방법의 개념과 적용 사례를 소개합니다.
실험계획법(DOE)이란 무엇입니까?
실험 계획법(DOE)은 실험 조건을 선별하고 외부 요인을 줄여 실험에 미치는 영향을 줄임으로써 실험을 설계하는 것입니다. 데이터를 수집하거나 요인 간의 상관관계와 문제 등을 찾아냅니다. 활용 범위가 넓습니다.
실험 설계의 세 가지 주요 동인
1920년대에 로널드 피셔(Ronald Fisher)가 농업에 실험 설계 개념을 도입했으며, 이제 실험 설계 DOE는 농업뿐만 아니라 의료, 생명 공학, 제약, 하이테크 제조 및 기타 산업에서도 사용됩니다. 이후 1950년대 다구치 겐이치가 다구치 방법을 발표하고 직교 배열을 도입했으며, 1970년대 초에는 품질 손실 함수 개념을 발표했고, 1951년 영국 통계학자 조지 EP. 박스와 K. 비. Wilson은 1960년에 George EP라는 반응 표면 방법론을 도입했습니다. Box는 Hunter, J. 스튜어트는 실험과 연구자가 신속하게 영향 요인을 찾아 해결의 개념을 도입할 수 있도록 하는 2단계 부분 요인 설계를 발표했습니다.
전통적인 실험 방법: 시행착오, 한 번에 하나의 요인, 전통적인 설계
- 시행착오 방법: 경험 법칙을 기반으로 하며 단순하거나 덜 가변적인 프로세스로 제한됩니다.
- 한 번에 하나의 요인: 다른 요인은 고정되고 하나의 실험에서 하나의 요인이 테스트됩니다.
- 전통적인 디자인
- Stage1 부분 요인 설계
- 중요한 요인을 선별하고 식별하는 것이 목적이며, 요인이 너무 많거나 과정을 알 수 없는 경우에 주로 사용됩니다.
- Stage2 완전 요인 설계
- 추정 정확도에 영향을 미치는 주효과와 기타 효과가 있는지 고려하고 주효과와 상호작용 효과를 추정하며 시스템 특성을 이해하는 것이 목적입니다.
- Stage3 반응면
- Optimization(최적화): 중요한 프라이머에 대한 최상의 설정 찾기
- 주효과, 상호작용 효과, 비선형 효과 추정
- 예측의 정확성과 정확성에 중점을 둡니다.
실험 설계 지침
- 문제와 목표를 정의하라
- 반응 변수 식별
- * 중요한! 측정 시스템(MSA) 확인 – 오류가 너무 많으면 요인 효과가 미미합니다.
- 요인 수와 수준 번호 식별
- 제한 사항이나 기타 제한 사항이 있는지 확인
- 디자인 만들기
- 실험 전 준비
- 실험 수행
- 데이터 분석
- 결론을 내리고 다음 단계를 결정
실험설계의 목적
화면 --> 탐색 --> 최적화 --> 검증 --> 견고성
- 스크리닝(Screening): 반응 변수에 가장 큰 영향을 미치는 요인을 찾습니다. 일반적으로 요인이 너무 많거나 과정을 알 수 없습니다.
- 탐구: 새로운 요인이나 새로운 수준이 있는지 알아보세요.
- 최적화: 원하는 반응 변수에 해당하는 중요한 요인에 대한 최적의 설정 값을 찾습니다.
- 검증: 시스템이나 프로세스가 예상되는 동작과 일치하는지 확인합니다. 예를 들어, 결과가 동일한 모델인지 확인하기 위해 서로 다른 원자재 배치를 사용하고, 매개변수 설정을 직접 적용할 수 있는지 확인하기 위해 서로 다른 기계를 사용합니다.
- 견고성: 제어 조건 및 요인 설정을 포함한 반응 변수의 변동을 최소화합니다.
JMP 사용 실험을 수행하는 6단계
- 1 단계. 설명 반응, 요인 및 수준 정의
- 2 단계. 지정은 모형에 포함되는 효과 항을 결정합니다.
- 3단계. 설계에서는 실험 횟수에 중심점을 추가할지, 반복을 추가할지 결정하고 관련 실험 평가 항목을 제공합니다.
- 4단계. Collect는 실험 조건과 순서에 따라 데이터를 수집합니다.
- 5단계. 모형 적합(Fit Model) 모형을 적합시키고 핵심 요소를 알아보세요.
- 6단계. Predict는 적합한 모델을 찾아 목표에 따라 최적화합니다.
클래식 스크리닝 디자인 VS 완전 요인 설계
(1) 클래식 스크리닝 디자인 스크리닝 디자인
- 주효과가 유의미한지 선형효과인지 탐지합니다.중심점을 사용하면 표면효과가 있는지 탐지할 수 있지만 어떤 요인인지는 정확히 알 수 없습니다.
- 부분요인설계에서는 교란효과(confounding effect)에 대한 처리가 필요하며, 일반적으로 분해능은 4 이상으로 설정된다.
- 혼선으로 인해 별칭항과 효과항의 유의미한 구별이 불가능할 수도 있으며, 이를 구별하기 위해서는 추가적인 증폭 실험이 필요할 수 있다.
고전적 선별 설계와 주효과 설계를 사용해야 하는 경우
사례 공유: 부분 요인 설계와 주효과 설계 비교
(2) 완전 요인 설계 완전 요인 설계
- 각 조합을 생성하려면 각 요인의 수준을 고려하세요.
- 수준이나 요인이 많을수록 효율성은 낮아지고 비용은 높아집니다.
- 장점: 모든 상호작용 항은 한 번에 하나의 요소를 적용하는 방법과 시행착오 방법보다 더 포괄적으로 추정하고 고려할 수 있습니다.
- 단점: 실험이 너무 많아 비용이 너무 높음
사례 공유: 배터리 수명 실험
수천명의 엔지니어가 참여했습니다. 암사슴 입문과정]
위 내용은 DOE 실험 설계의 고전적 선별 설계와 완전 요인 설계에 대한 간략한 소개입니다.
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