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数据驱动的在线闭环质量设计理论与方法
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数据驱动的在线闭环质量设计理论与方法

作者：欧阳林寒
出版社：科学出版社出版时间：2023-02-01
开本： B5 页数： 344
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数据驱动的在线闭环质量设计理论与方法 版权信息

数据驱动的在线闭环质量设计理论与方法 本书特色

随着国际市场竞争的日趋激烈以及我国制造业的迅速崛起，制造业如何以高质量、低成本、短周期获得竞争优势，已成为\"中国制造\"向\"中国质造\"转变过程中必须面对的问题。

数据驱动的在线闭环质量设计理论与方法 内容简介

随着国际市场竞争的日趋激烈以及我国制造业的迅速崛起，制造业如何以高质量、低成本、短周期获得竞争优势，已成为"中国制造"向"中国质造"转变过程中必须面对的问题。质量设计作为持续质量改进活动的重要支撑技术，主要应用在产品/过程的设计阶段，因此能够从源头上减小和控制产品实现过程中的波动。然而，在实际的生产过程中，由于人员、机器、原料、方法、环境、测试因素将在一定程度上影响试验数据的准确性或影响产品/过程的显著性变量无法准确地获知，故模型不确定性广泛存在于产品/过程的质量设计过程中。组合模型与区间估计作为解决模型不确定下稳健参数设计（包括响应曲面构建及优化策略构建两个问题）的重要手段，不仅能够确保建模的准确性，而且能够提高质量设计的有效性。因此在组合模型与区间估计的框架下实现产品/过程的质量设计具有重要的理论意义和实用价值

数据驱动的在线闭环质量设计理论与方法 目录

目录
第1章　绪论　1
1.1　质量概念的演化　2
1.2　质量控制技术的发展阶段　5
1.3　基于统计模型的质量数据分析　7
1.4　在线闭环产品质量设计面临的挑战　10
1.5　本书的主要内容和逻辑关系　12
参考文献　13
第2章　质量设计理论基础　16
2.1　产生质量问题的根本原因　16
2.2　质量特性分类及影响因素　19
2.3　质量设计　21
2.4　数据驱动的质量模型　26
参考文献　29
第3章　单一模型下的质量设计　32
3.1　模型参数点估计下的质量设计　32
3.2　模型预测区域下的质量设计　41
3.3　多重参数区间下的质量设计　52
参考文献　65
本章附录　67
第4章　组合模型下的质量设计　69
4.1　基于Bootstrap法的模型筛选研究　70
4.2　基于0-1规划的模型筛选研究　82
4.3　高度非线性下的多源组合质量建模　98
参考文献　107
本章附录　110
第5章　基于贝叶斯方法的质量设计　111
5.1　基于贝叶斯层次模型的质量设计　111
5.2　基于贝叶斯模型平均的质量设计　133
5.3　基于稳健贝叶斯的质量设计　144
参考文献　157
本章附录　160
第6章　融入多重效应的质量设计　162
6.1　基于*优化性和稳健性的优化策略　162
6.2　基于*优化性和可靠性的优化策略　175
6.3　基于*优化性和经济性的优化策略　186
参考文献　199
第7章　基于稳健统计的质量设计　202
7.1　数据污染情形下的稳健设计　202
7.2　正态模型偏离下的稳健设计　217
参考文献　231
第8章　多重相关特性的质量设计　234
8.1　正态响应下似不相关的质量设计　234
8.2　非正态响应下似不相关的质量设计　253
参考文献　268
本章附录　271
第9章　闭环视角下的质量更新与风险评估　278
9.1　融入数据质量的在线质量更新　278
9.2　基于区间概率的质量风险评估　298
9.3　考虑稳健特征的质量风险评估　312
参考文献　326
本章附录　328
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数据驱动的在线闭环质量设计理论与方法 节选

第1章 绪论 随着国际市场竞争的日趋激烈以及我国制造业的升级换代，制造业如何以高质量、低成本、短周期而获得竞争优势，进而实现可持续发展，已成为工业界和学术界极为关注的问题。特别是进入21世纪以来，质量得到了前所未有的重视，著名质量专家朱兰曾说过，“21世纪将是质量的世纪”。同时，站在“两个一百年”的历史交汇点，高质量发展成为我国社会发展的主旋律，如何推动实现全面高质量发展成为政府、行业及企业各项工作的重中之重。从现代质量工程的观点来看，产生质量问题的根本原因是波动（variation）。从制造业和服务业来看，推动企业的质量管理工作，提高产品或服务在国际市场上的竞争力，关键在于采用科学、先进的质量思想、工具和方法。2014年6月，中国质量协会调研报告表明，约有33%的被调查企业没有使用或局限性地使用了研发质量工程技术，而能够积极持续应用并有效提升研发质量和效率的企业比例也偏低。同时，实施卓越绩效、六西格玛、精益生产等先进质量管理方法的被调查企业比例为58.5%，该水平远低于欧美发达国家。2015年5月，国务院印发了我国实施制造强国战略的**个十年行动纲领《中国制造 2025》，并明确提出了“创新驱动、质量为先、绿色发展、结构优化、人才为本”的方针，无论是在摆位上，还是在表述内容上，质量元素都得到了凸显[1]。 众所周知，产品质量不仅是企业的生命线，更是在全球市场上赢得顾客的关键，因此持续性质量改进已成为世界各大企业永恒追求的目标。实现产品的持续性质量改进，不仅需要质量管理思想和方法的指导，更需要质量工程技术的支持。例如，在微纳加工过程中，如何精准地构建加工质量与加工参数间的函数关系，并基于该函数关系优化加工参数。因此，实现质量为先的关键之一在于有效地采用先进的质量设计技术。 现代质量管理的主流观点认为：波动是产品产生质量问题的根本原因。尽管人们无法完全消除波动，但是可以减小和控制它。新的质量损失原理表明：只要质量特性偏离其设计目标值，就会造成质量损失，偏离越远，损失越大。因此，为了改进或提高产品质量、降低成本，就必须*大限度地减小和控制围绕设计目标值的波动。如何减小和控制产品实现过程中的波动，已经成为持续性质量改进活动中的核心内容[2，3]。由于质量设计是从源头上查找并消除引起产品质量缺陷的因素，故其能够有效地减少波动并改变以往依靠检验进行事后质量管理的工作方式。因此，在学术界与工业界已形成一个共识：产品质量首先是设计出来的，其次才是制造出来的。 本章将主要介绍质量概念的演化、质量控制技术的发展阶段、基于统计模型的质量数据分析、在线闭环产品质量设计面临的挑战，以及本书的主要内容及逻辑关系。 1.1 质量概念的演化 随着工业的发展和人们对质量管理实践的不断深入，人们对质量的认识也在不断地变化和深化，质量的概念也在不断地发展、丰富和完善。大体上讲，人们对质量的认识经历了以下六个不同阶段[4]。 1）客观质量 人们*早使用的质量概念是通过设计规格（specification）来定义的，即满足规格（落入设计公差）要求的产品为合格/质量产品，不满足规格要求的产品为不合格品。实际上，该定义源于工程背景，通常称为客观质量（objective quality）。这是从生产者角度来定义的产品质量，此外规格有先进和落后之分，对于落后的规格，即使产品满足其规格要求，也不能被认为是质量好的产品。如何确定规格，往往是由生产者决定的，因此，*初的规格要求并不能反映顾客的各种需求和期望。 2）主观质量 随着市场的竞争和发展，顾客已逐渐成为市场的主体，而上述客观质量没有把经营中的市场因素联系起来，由此，产生了主观质量（subjective quality）的概念，即质量就是要满足顾客的需求。20世纪50年代初期，美国著名质量专家戴明（W. E. Deming）在日本进行质量教育和培训时，根据市场竞争的需要，提出了主观质量这一概念，指导日本企业从管理到工程的每个细节都要着手为顾客考虑，实现企业真正地为顾客而存在。这正是20世纪80年代初期日本产品在国际市场上取得主导地位的主要原因之一。 3）动态质量 随着科学技术的快速发展，市场竞争的日趋激烈以及人类期望的不断提高，今天是顾客满意的产品，明天或许被顾客遗忘，于是动态质量（dynamic quality）的概念应运而生，即质量要连续不断地满足顾客需求。这一动态质量概念，正是近年来许多世界*公司所推崇的连续质量改进的企业文化的源泉。从狩野纪昭（Noriaki Kano）提出的顾客需求模型（Kano模型）中，可以清楚地看到这一点，见图1-1。 Kano把顾客需求划分为三个层次：基本需求、期望需求和令人愉悦的需求。基本需求是顾客潜意识的期望，它是明显的，无须表述的需求，如果不能满足这些需求，必然导致顾客的不满意；期望需求是顾客意识到的和期望的需求，满足顾客的期望需求，必将极大地提高顾客的满意度；令人愉悦的需求是指超越顾客期望的需求，往往能够给顾客带来意外的惊喜。我们应充分注意到模型中三要素的动态特性，今天是令人愉悦的质量，明天也许变成期望的质量，后天也许成为*基本的质量要求。同时我们也应该看到：任何一种产品在投放市场初期时，不管多么令人惊喜，*终都会成为一种基本需求。 4）全面质量 要真正做到连续不断地满足顾客的需求，仅仅要求质量是不够的，只有实现高质量和合理的价格“两位一体”才能真正使顾客满意。在合理的价格下要保证企业的利润、生存和发展，必须*大限度地降低成本、减少质量损失，因而西方质量专家把这种低投入下获得的高质量称为全面质量（total quality）。值得注意的是，不能把全面质量误解为产品实现全过程的质量总和，即产品开发、设计、制造、检验、售后服务等阶段的全部质量。全面质量是从质量到价格全面竞争的产物，它强调了经济的含义，反映了当代质量管理哲学，现在所进行的连续质量改进工作实际上正是朝着全面质量的目标而进行的，也就是连续全面质量改进。 5）多维度质量观 哈佛商学院的戴维?加文认为，质量是难以形容的，有的基于产品，有的基于用户，有的基于制造，有的基于价值。产品质量应从8个维度来描述：①性能（performance），是指产品应达到预期的功能目标；②特征（features），是指增加产品基本功能的产品属性，以区别于其他产品；③可靠性（reliability），是指产品在设计的使用寿命周期内一致地完成规定功能的能力；④符合性（conformance），是指产品设计时的规格，如果一个产品的某一维度在规格允许的容差范围之内，则它具有符合性；⑤耐用性（durability），是指产品能忍受压力或撞击而不会出现故障的程度；⑥可服务性（serviceability），是指产品易于修复，如果一个产品可以很容易地修复，则该产品具有很好的可服务性；⑦美感（aesthetics），是指一种主观感觉特征，反映的是顾客的主观偏好；⑧感知质量（perceived quality），是以顾客的感知为准的。尽管加文的多维度质量观被广泛引用，但它也不是没有遗漏，有学者认为质量概念还应该包括其他质量维度，如安全性。 6）国际标准化组织的质量观 为了给质量一个明确而又可操作的定义，国际标准化组织（International Organization for Standardization，ISO）在ISO 9000 2015《质量管理体系——基础和术语》标准中，把质量定义为“客体的一组固有特性满足要求的程度”，并对定义进行详细的解释。这一定义看上去高度抽象而概括，但只要把握了特性和要求这两个关键词就很容易理解。它从特性和要求二者之间的关系来描述质量，即某种事物的特性满足某个群体要求的程度，满足的程度越高，质量也就越好。 固有的：其反义是赋予的，指在某事或某物中本来就有的，尤其是那种永久的特性。它是产品、过程或体系的一部分，而人为赋予的特性（如产品的价格）不是固有特性，不反映在产品的质量范畴中。 特性：指可区分的特征，它可以是固有的或赋予的，定性的或定量的。固有特性的类型包括技术或理化方面的特性（这些特性可以用理化检测仪器精确测定）、心理方面的特性、时间方面的特性、社会方面的特性、安全方面的特性等。 要求：是指明示的、通常隐含的或必须履行的需求或期望。明示的可以理解为规定的要求，是供需双方在业务洽谈和签订合同过程中，用技术规范、质量标准、产品图样、技术要求加以明确规定的内容，在文件中予以阐明。通常隐含的则是指组织、顾客或其他相关方的惯例或一般做法，所考虑的需求是不言而喻的。要求可由不同的相关方提出，可以是多方面的，特定要求可使用修饰词表示，如产品要求、质量管理要求、顾客要求等。 在理解质量术语时，还要注意以下几点内涵。 质量的广义性：质量的载体是实体，实体是可单独描述和研究的事物。实体可以是产品（硬件和软件），也可以是组织、体系或人，以及以上各项的任意组合。质量不仅指产品质量，也可以指某项活动或过程的工作质量，还可以指涉及人的素质、设备的能力、管理体系运行的质量。 质量的时效性：组织的顾客及其他相关方对组织的产品、过程和体系的需求和期望是不断变化的，组织应根据顾客和相关方的需求和期望变化，不断调整对质量的要求，并争取超越他们的期望。 质量的相对性：组织的顾客和相关方对同一产品的功能提出不同的需求；也可能对同一产品的同一功能提出不同的需求；需求不同，质量要求也就不同，但只要满足需求，就应该认为质量是好的。 质量的动态性：随着科学技术的发展，生活水平的提高，人们对产品、过程或质量体系会提出新的质量要求。因此，应定期评价质量要求，修订规范。对于不同顾客、不同地区，因自然环境条件不同，技术水平的不同，消费水平的差异，也会对产品提出不同的要求，产品应具有这种环境的适应性，以满足顾客明示或隐含的需求。 尽管不同的组织和个人对质量的理解和认识有所不同，但在一个组织内部对质量的认识必须统一，以形成共同的语言，这是进行交流、沟通、改进的基础。 随着人类社会的进步，人们对质量的认知也在不断变化，越来越接近事物的本质，并逐步被企业、社会理解和接受。因此，人们对质量的认知过程是永无止境的。 1.2 质量控制技术的发展阶段 ISO 9000 2015《质量管理体系—基础和术语》中明确指出：质量控制是质量管理的一部分，致力于满足质量要求。从狭义上讲，质量控制是一个设定标准（根据质量要求）、分析结果、发现偏差，并采取纠正和预防措施的过程。质量控制通常与质量工程技术密切相关，组织利用这些技术对产品形成和体系实施的全过程进行控制，找出不满足质量要求的因素并予以消除，以减少损失。从广义上讲，质量控制是指在产品实现过程中的不同阶段所采用的质量工程技术，见图 1-2。例如，在产品设计与开发阶段，所采用的质量工程技术称为质量设计（design for quality），也称离线质量控制；在生产制造阶段所采用的质量工程技术称为过程控制（process control），也称在线质量控制。按照时间顺序，质量控制技术在制造业中的应用大体上经历了三个阶段[4]：产品质量检验、过程控制和质量设计。 **个阶段，产品质量检验。抽样检验就是按照规定的抽样方案和程序，从一批产品或一个过程中抽取一部分样本进行检验，根据检验结果来判定产品批次或过程是否合格的活动。它兴盛于第二次世界大战期间，通过产品质量检验来保证产品质量，当时人们认为产品质量是检验出来的。严格地讲，抽样检验并不能提高产品质量。在产品检验过程中，检验所做的工作只是判定产品是否满足规格要求。 第二个阶段，过程控制。过程控制既包括统计过程控制（statistical process control，SPC），也

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