实验设计与分析 ppt课件
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DOE实验设计ppt课件
部分析因实验（正交实验）
由田口博士(Dr.Taguchi)田口玄一所提出的一套实验方法，它在工业上较具有实 际应用性，是以生产力和成本效益，而非困难的统计为依归。
参数
1
2
3
次数
1
1
1
1
2
1
2
2
3
2
1
2
4
2
2
1
L4(23)正交表 总共须做四次实验，最多只能配置三个因子
+
A
-
L4(23)正交表图解
实验设计降低开发成本
The DoE 的方法
Two factors at two levels
A low low high high middle
B low high low high middle
Result ？ ？ ？ ？ ？
• Centerpoint: 检测弯曲相互作用的存在 • Replicated centerpoint: 评估系统噪音
品质源于设计里的工艺空间
Characterized space
特征空间
Design space
设计空间
Operating space
操作空间
在设计空间内的操作不被监管机构认作是工艺改变
5. AKTA avant 25系统
目前金斯瑞所使用的系统。 GE Healthcare历经数年研制，对欧美及亚洲多家知名生物制药公司如 GSK, Amgen, Novo nordisk, Lilly, Wyeth等公司进行调研，开发出的新一代适 合现代工艺开发的AKTA设备，所以AKTATM avant 25 最突出的优点就是 Design of Experiment (DOE)实验条件智能优化，和UNICORN6.0软件配合堪 称是现代纯化工艺优化的最佳搭档。
上海交通大学医学院医学实验设计与分析课程级药22精品PPT课件
N=43 F4 F6 F8 F20 F50 F100 F200 F500 F1000 F2000
理论值
平均值 0.5141 0.5031 0.4983 0.5043 0.504 0.4946 0.4898 0.492 0.4955 0.4963
0.5
SD 0.2825 0.2816 0.2883 0.2801 0.2837 0.2862 0.2886 0.2942 0.2932 0.2931
数据处理
药理 祁红
新药研究 主要药效研究
a) 两种方法以上，包括整体实验或动物模型实验 b) 指标明确，客观，定量 c) 量效关系 d) 对照（空白对照，阳性 e) 给药途径与临床用药途径一致
一般药理研究
新药筛选
a) 筛选：微量‚迅速，准确 b) 方法（用Байду номын сангаас少） c) 尽量小动物 d) 能腹腔给药 e) 尽量降低整体水平，多采用离体，亚细胞水平，
生化实验
实验动物的选择： 种属差异 品系差异 性别差异
实验水平（机体水平）： 整体水平：清醒 麻醉 离体
动物模型： 正常动物模型 病态模型：急性，慢性 手术模型，物理方法形成， 药物诱发，遗传自发
根据在模型形成前或后给药治疗的方式 可分为预防实验和治疗实验
预防实验：抗炎，
治疗实验：镇痛，
药效评价标准： 药物评价的定量方法 量效关系 时效关系 构效关系（QSAR) 靶效关系
0.001
CV 是科研工作中最受人注意的参数。 CV 反映 SD 和平均值的关系。 随机数的理论CV是：
0.288/0.5 ×100%=57.6% 变异系数>60%不是正态分布了。
计量资料统计描述
偏态作为正态 Exp:“0.142 ±0.150”,标准差大于平均数， 呈偏态分布的,不适合用正态分布法来表达,应 该选用中位数描述集中趋势。 标准差与标准误混用
《实验方案设计》课件
REPORT
CATALOG
DATE
ANALYSIS
SUMMAR Y
02
实验目的与问题分析
实验目的
01
02
03
确定实验目标
在开始实验之前，首先需 要明确实验的目标，以便 有针对性地设计实验方案 和收集数据。
指导实验过程
实验目的是实验过程的指 导思想，有助于确保实验 的顺利进行和实验结果的 有效性。
合作研究
与其他研究机构或企业合作，共同推进实验的应用和推广。
培训与交流
组织培训和交流活动，分享实验应用经验和技术成果，促进实验的 普及和应用。
REPORT
《实验方案设计》 ppt课件
CATALOG
DATE
ANALYSIS
SUMMARY
目录
CONTENTS
• 实验方案设计概述 • 实验目的与问题分析 • 实验变量与控制 • 实验操作流程 • 实验结果与结论 • 实验方案设计的优化与改进
REPORT
CATALOG
DATE
ANALYSIS
SUMMAR Y
实验方案设计是科学研究的重要组成 部分，对于推动学科发展和理论创新 具有重要意义。
确保实验结果可靠性
科学的实验方案设计能够保证实验结 果的准确性和可靠性，为后续的数据 分析和结论提供有力支持。
实验方案设计的步骤
明确研究目的和问题
在开始设计实验方案之前，需要明确研究 的目的和要解决的问题，确保实验方案具 有针对性和可行性。
假设的可行性分析
在提出假设之后，应对其可行性进行分析，以确保实验方 案设计的合理性和可行性。这包括对实验条件、资源、技 术等方面的考虑。
REPORT
CATALOG
《实验方案设计》课件
实验方案设计的常见问题和解 决方法
实验方案设计中的常见问题
实验目的不明确 实验步骤不详细 实验材料选择不当 实验操作不规范 实验结果分析不准确 实验结论不严谨
常见问题的解决方法
明确实验目的和要求
设计合理的实验方案
准备必要的实验器材和 试剂
掌握正确的实验操作方 法
及时记录实验数据和结 果
分析实验数据并得出结 论
实验方案设计的实际应用案例 分析
案例一：探究温度对酶活性的影响
• 实验目的：探究温度对酶活性的影响，了解酶促反应的最适温度范围。
• 实验原理：酶是一种生物催化剂，能够加速化学反应的速率。温度对酶活性有着重要影响，过高或过低的温 度都会降低酶的活性。
• 实验步骤： a. 准备实验材料：淀粉酶溶液、可溶性淀粉溶液、碘溶液、水浴装置、温度计等。 b. 将可溶性 淀粉溶液和淀粉酶溶液分别在不同温度下保温，然后混合，观察并记录反应速率。 c. 绘制温度与反应速率的 关系图，找出酶促反应的最适温度范围。
实验方案的调整：根据实验结果和实际情况，对实验方案进行必要的调整和改进
实验数据的记录和分析：详细记录实验数据，并进行分析和整理，为后续的实验结果提 供依据 实验报告的撰写：根据实验结果和数据分析，撰写实验报告，总结实验经验和教训
实验方案设计中的关键要素
实验变量的选择和控制
实验变量的定义和类型 实验变量选择的原则和方法 实验变量控制的方法和技巧 实验变量选择和控制的实例分析
创新性原则：实验方案设计必须具有创新性，能够为解决问题提供新 的思路和方法。
实验方案设计的步骤
明确实验目的和任务
确定实验目的：明确实验的目的和意义，为后续实验设计提供方向。 确定实验任务：根据实验目的，确定实验需要完成的具体任务和目标。 了解实验背景：了解实验相关的背景知识，为实验设计提供理论支持。 收集相关资料：收集与实验相关的资料，包括文献、数据等，为实验设计提供参考。
动物实验设计与结果分析医学PPT
• 动物实验指标一般包括两部分：试验期间活体观察指标和实验结束处死解剖 观察取材测试指标。
• 试验期间活体观察指标包括一般观察、无创伤性测定指标和创伤性测定指标。 一般观察包括动物的精神、行为、营养、被毛、摄食情况、大小便及口鼻耳 阴部分泌物等,一般无需惊动动物；无创伤性测定指标包括心电图、血压、呼 吸、自主活动等测试，有的需要无线遥控设备。无线遥控无创伤观察测试可 避免干扰动物，减少动物应激，因而测试数据准确、可靠。创伤性测定指标 包括手术、取血取材等，对动物长期观察忽多忽少产生影响。实验设计时要 考虑研究团队有无技术基础和实验条件，以及评估创伤性试验对动物试验的 影响。
• 每组的样本量反映了同一处理的重复个数。样本量过小， 抽样误差大，不易发现实际存在的差异，得不出统计学 意义的结论；样本量过大，不符合动物福利的原则，也 浪费人力、物力和财力。一般情况下啮齿类大小鼠实验 分组每组10-20只，雌雄各半即可满足统计学分析的要求。 大动物如兔、犬和猪的实验一般每组6-10只。
（三）药物剂量的设计和换算
• 中医药实验研究中很大一部分是药效学和毒理学研究，实验研究结 果的好坏与剂量设计有很大的关系。一个疗效好的药物剂量过小可 能在实验中显示不出药效，剂量过大可能暴露其毒性作用。因此准 确的剂量设计对试验的成功起着重要的作用。
• 如果研究的是一种新药，没有临床资料和动物试验资料，那么只能 通过设置多个剂量进行预试验摸索。
(1) 可靠性，即方法切实可行、指标稳定可靠，是受大家公认的方法， 也称经典方法。
(2) 客观性，尽量选用仪器设备检测，避免主观描述；能定量的就不要 选用定性指标。
(3) 先进性，当今重大科研成果的出现几乎都利用了先进的仪器设备、 技术和检测指标，将整体动物实验与细胞水平、分子水平检测指标 结合起来进行综合分析。因此充分利用本单位或其它单位的先进仪 器设备为自己的课题服务对于提升课题的级别，提高试验质量有着 重要意义。
• 试验期间活体观察指标包括一般观察、无创伤性测定指标和创伤性测定指标。 一般观察包括动物的精神、行为、营养、被毛、摄食情况、大小便及口鼻耳 阴部分泌物等,一般无需惊动动物；无创伤性测定指标包括心电图、血压、呼 吸、自主活动等测试，有的需要无线遥控设备。无线遥控无创伤观察测试可 避免干扰动物，减少动物应激，因而测试数据准确、可靠。创伤性测定指标 包括手术、取血取材等，对动物长期观察忽多忽少产生影响。实验设计时要 考虑研究团队有无技术基础和实验条件，以及评估创伤性试验对动物试验的 影响。
• 每组的样本量反映了同一处理的重复个数。样本量过小， 抽样误差大，不易发现实际存在的差异，得不出统计学 意义的结论；样本量过大，不符合动物福利的原则，也 浪费人力、物力和财力。一般情况下啮齿类大小鼠实验 分组每组10-20只，雌雄各半即可满足统计学分析的要求。 大动物如兔、犬和猪的实验一般每组6-10只。
（三）药物剂量的设计和换算
• 中医药实验研究中很大一部分是药效学和毒理学研究，实验研究结 果的好坏与剂量设计有很大的关系。一个疗效好的药物剂量过小可 能在实验中显示不出药效，剂量过大可能暴露其毒性作用。因此准 确的剂量设计对试验的成功起着重要的作用。
• 如果研究的是一种新药，没有临床资料和动物试验资料，那么只能 通过设置多个剂量进行预试验摸索。
(1) 可靠性，即方法切实可行、指标稳定可靠，是受大家公认的方法， 也称经典方法。
(2) 客观性，尽量选用仪器设备检测，避免主观描述；能定量的就不要 选用定性指标。
(3) 先进性，当今重大科研成果的出现几乎都利用了先进的仪器设备、 技术和检测指标，将整体动物实验与细胞水平、分子水平检测指标 结合起来进行综合分析。因此充分利用本单位或其它单位的先进仪 器设备为自己的课题服务对于提升课题的级别，提高试验质量有着 重要意义。
实验心理学实验设计与数据统计分析PPT课件
2021
3.实验设计的内容 广义地说，实验设计包括以下几方面： （1）形成统计假设，并为检验假设、搜集和分析 数据制定有效的计划； （2）阐明检验统计假设所遵循的决策； （3）按计划搜集资料； （4）按计划分析资料； （5）对统计假设的真伪作出归纳性推断。
2021
4、分类
（1）依据：实验控制条件严密程度不同，即： ①对内在无效来源和外在无关因素的控制程度； ②能否随机选择和分配被试； ③能否主动操纵实验变量.
真实验设计 准实验设计
非实验设计
2021
（2）依据：每个实验都需要回答三个问题 ①实验采用多少自变量？ ②各自变量内又采用多少处理水平？
③在各自变量和各处理水平中用相同的被试者，还 是用不同的被试者？
根据这三个条件的组合，就可构成许多不同类型的 实验设计。
被试内设计 被试间设计
混合设计
➢这三种设计为实验中的“三大动态因素”（不可并存）
2021
（7）仪器使用 （8）选择和成熟的交互作用及其他
2021
2、影响外部效度的因素
实验的外部效度：指实验研究的结果能被概括到实验 情景以外的程度。即实验结果的普遍代表性和适用性。 （1）测验的反作用 前测增加或降低被试对实验条件的敏感性，使得实验 结果难以推广。 （2） 选择偏差与实验变量的交互作用 抽样或分组没有做到真正的随机化，带来选择偏差 （即以非对等组进行比较）。 （3） 实验安排的反作用
2021
②保障被试退出的自由（这一原则规定，研究者必须 尊重被试的自由，允许被试在任何时候放弃或退出实 验，被试应当被告知自己有权利随时选择放弃实 验。）；
③保护被试免遭伤害（这一原则要求研究者在实验进 行中和完成后，都必须确保被试不会因为实验而产生 任何不良反应）
3.实验设计的内容 广义地说，实验设计包括以下几方面： （1）形成统计假设，并为检验假设、搜集和分析 数据制定有效的计划； （2）阐明检验统计假设所遵循的决策； （3）按计划搜集资料； （4）按计划分析资料； （5）对统计假设的真伪作出归纳性推断。
2021
4、分类
（1）依据：实验控制条件严密程度不同，即： ①对内在无效来源和外在无关因素的控制程度； ②能否随机选择和分配被试； ③能否主动操纵实验变量.
真实验设计 准实验设计
非实验设计
2021
（2）依据：每个实验都需要回答三个问题 ①实验采用多少自变量？ ②各自变量内又采用多少处理水平？
③在各自变量和各处理水平中用相同的被试者，还 是用不同的被试者？
根据这三个条件的组合，就可构成许多不同类型的 实验设计。
被试内设计 被试间设计
混合设计
➢这三种设计为实验中的“三大动态因素”（不可并存）
2021
（7）仪器使用 （8）选择和成熟的交互作用及其他
2021
2、影响外部效度的因素
实验的外部效度：指实验研究的结果能被概括到实验 情景以外的程度。即实验结果的普遍代表性和适用性。 （1）测验的反作用 前测增加或降低被试对实验条件的敏感性，使得实验 结果难以推广。 （2） 选择偏差与实验变量的交互作用 抽样或分组没有做到真正的随机化，带来选择偏差 （即以非对等组进行比较）。 （3） 实验安排的反作用
2021
②保障被试退出的自由（这一原则规定，研究者必须 尊重被试的自由，允许被试在任何时候放弃或退出实 验，被试应当被告知自己有权利随时选择放弃实 验。）；
③保护被试免遭伤害（这一原则要求研究者在实验进 行中和完成后，都必须确保被试不会因为实验而产生 任何不良反应）
实验性研究设计(实验设计)PPT课件
05
实验性研究设计的注意 事项
注意伦理和法律问题
尊重受试者权利
确保受试者在实验过程中的人身安全和隐私权得到保护，遵循伦理原则，避免任何形式的伤害和侵犯。
遵守法律法规
在进行实验性研究时，应遵守相关法律法规，如药品管理法、医疗器械管理法等，确保实验的合法性和合规性。
注意实验的可靠性和有效性
保证实验方法的科学性
评估实验成本和效益
在实验设计时，应对实验成本和效益 进行评估，确保实验的可行性和经济 性，避免不必要的浪费和损失。
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实验性研究设计(实验设计)PPT课 件
目录
• 实验性研究设计概述 • 实验性研究设计的基本原则 • 实验性研究设计的基本类型 • 实验性研究设计的步骤 • 实验性研究设计的注意事项
01
实验性研究设计概述
实验性研究的定义
01
实验性研究是一种科学的研究方 法，通过实验操作来检验假设或 探索变量之间的关系。
总结词
在实验性研究中，应多次重复实验以获取可靠的结论。
详细描述
重复原则是实验性研究设计的重要原则之一。通过多次重复实验，可以减少实验误差和偶然因素的影响，提高实 验结果的稳定性和可靠性。同时，重复实验还可以提供更多的数据支持结论，增强说服力。在实验设计时，应根 据实际情况确定合适的重复次数，以达到良好的统计效果和实际意义。
03
实验性研究设计的基本 类型
单组实验设计
总结词
对单一受试者或一组受试者在实验处理前后的变化进行测量。
详细描述
单组实验设计是指对单一受试者或一组受试者在实验处理前后的变化进行测量的实验设计。这种设计 方法简单易行，适用于探索性实验和初步实验，但无法排除非处理因素的影响，因此结果的可信度较 低。
DOE详细讲解ppt课件
第36页
实现最优化
第37页
实现最优化
第38页
结果验证
第39页
实现最优化
第40页
部分因子实验
第41页
部分因子实验
第42页
第43页
第44页
第45页
第10页
利用Minitab中设计DOE
实验案例
改进热处理工艺提高钢板断裂强度问题。合金钢板经 热处理后将提高其抗断裂性能，但工艺参数的选择是个 复杂问题。影响断裂强度有4个因子，确认哪些因子影响 确实是显著地，进而确定出最佳的工艺条件，这几个因 子及实验水平如下：
A：加热温度，低水平：820，高水平：860（摄氏度） B: 加热时间，低水平：2，高水平：3（分钟） C：转换时间，低水平：1.4，高水平：1.6（分钟） D：保温时间，低水平：50，高水平：60（分钟）
第4页
6) 分析实验结果：将实验结果进行方差分析，确定实验因 子的重要性及各因子对实验结果的影响程度。
7) 重复性实验：将重要因子或影响实验的主要因素进行评 估，重新进行DOE实验，以确定其实验的真实性。
8) 作出结论：对实验结果进行分析后作出结论。
第5页
名词介绍
• 1、试验因素 试验因素指当试验条件变化，试验考核指标也发生变化
考核指标可以是一个，也可以是多个。前者称为单 指标试验设计，后者称为多指标试验设计。在多指标试 验设计中，一般根据指标的重要程度予以加权，确定为 一个综合性考核指标，以便进行计算。
第8页
4、完全因素位级组合
完全因素位级组合指参与试验的全部因素与全部位 级相互之间的全部组合次数，即全部的试验次数。
C1
实验设计（DOE）
• Design of Experiment • 为什么要进行试验设计？
实现最优化
第37页
实现最优化
第38页
结果验证
第39页
实现最优化
第40页
部分因子实验
第41页
部分因子实验
第42页
第43页
第44页
第45页
第10页
利用Minitab中设计DOE
实验案例
改进热处理工艺提高钢板断裂强度问题。合金钢板经 热处理后将提高其抗断裂性能，但工艺参数的选择是个 复杂问题。影响断裂强度有4个因子，确认哪些因子影响 确实是显著地，进而确定出最佳的工艺条件，这几个因 子及实验水平如下：
A：加热温度，低水平：820，高水平：860（摄氏度） B: 加热时间，低水平：2，高水平：3（分钟） C：转换时间，低水平：1.4，高水平：1.6（分钟） D：保温时间，低水平：50，高水平：60（分钟）
第4页
6) 分析实验结果：将实验结果进行方差分析，确定实验因 子的重要性及各因子对实验结果的影响程度。
7) 重复性实验：将重要因子或影响实验的主要因素进行评 估，重新进行DOE实验，以确定其实验的真实性。
8) 作出结论：对实验结果进行分析后作出结论。
第5页
名词介绍
• 1、试验因素 试验因素指当试验条件变化，试验考核指标也发生变化
考核指标可以是一个，也可以是多个。前者称为单 指标试验设计，后者称为多指标试验设计。在多指标试 验设计中，一般根据指标的重要程度予以加权，确定为 一个综合性考核指标，以便进行计算。
第8页
4、完全因素位级组合
完全因素位级组合指参与试验的全部因素与全部位 级相互之间的全部组合次数，即全部的试验次数。
C1
实验设计（DOE）
• Design of Experiment • 为什么要进行试验设计？
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• 经验模型（empirical model） 由实验决定的模型
科学和工程的大多数都是对系统的运行进行观测和实验，
从而阐明系统运行的原因和方式。
案例：高尔夫球
高尔夫球规则：从发球区开始经一次击球或连续击球将球打 入洞内，将每一洞的杆数累计起来，待打完一场(十八洞)后， 把全部杆数加起来，以总杆数最少者胜。 有些因子会影响高尔夫得分，包括： • 1、使用的长打棒的类型（特大尺寸的还是常规尺寸的） • 2、使用的球的类型（树胶的还是三片的） • 3、步行并手提高尔夫球棒还是乘高尔夫球车 • 4、打球时喝的是水还是啤酒 • 5、在上午打球还是在下午打球 • 6、打球时天气是冷还是热 • 7、高尔夫球鞋钉的类型（金属的还是软的） • 8、在有风的日子还是无风的日子打球
实验包括新产品设计和配方、制造过程（process）开发 以及过程改进在内的产品实验（product realization）中 起着重要的作用。多数情况下是为了开发一种稳健的 （robust）过程，即受外部变异性来源影响最小的过程。
• DOE：即实验设计（Design of Experimental）— —是对实验方案进行优化设计、以降低实验误差和生产费
一次一因子法
• 例如，行进模式曲线的斜率是负的，我们可以得出乘车有 助于提高成绩的结论。根据这些一次一因子图形，我们选 择的最优组合是常规长打棒、乘车和喝水。高尔夫球的类 型似乎并不重要。
一次一因子法
• 一次一因子策略的主要缺点在于，它没有考虑因子 间可能存在的交互作用（interaction）。交互作用会
使一个因子与另一个因子的不同水平结合使用难以对 响应产生同样的效应。
• 图1.3说明了高尔夫实验中长打棒 的类型和饮料因子之间的交互作用 。可以看出，如果我使用常规长打 棒，所喝的饮料类型对得分几乎没 有影响，但是如果我使用特大长打 棒，喝水的效果比喝啤酒的效果更 好。
一次一因子法
• 因子间的交互作用是非常普遍的，如果交互作用存在， 那么一次一因子的策略产生的结果往往不理想。许多 人没有意识到这一点，结果在实际中经常采用一次一 因子实验。（有些人确实认为这个策略是一种科学方 法，或者认为它“合乎”工程原理。)然而对设计而
用，减少实验工作量并对实验结果进行科学分析的一种科 学研究方法；是一种籍用实验的手段来决定最佳设计或生 产的方法。
• Minitab软件：是为DOE、质量改善、教育和研究应用
领域提供统计软件和服务的先导。Minitab被许多世界一流 的公司和四千多所院校所采用。
可控制的因子（输入变量）
不可控制的因子（输入变量）
言，一次一因子实验往往比其他基于统计途 径的方法效率更低。
很长一段时间，而且没有成功的保证。
• 第二，假定最初的最佳猜测产生了一个可以接受的结果，
现在虽然不能保证最优解决办法已被发现，但实验
者仍试图终止实验。
一次一因子方法
• 一次一因子（one-factor-at-a-time）方法
• 包括对每个因子选择初始点，或者水平的初始（baseline）组 合，然后在保持其他因子在初始水平不变的条件下（特大长打 棒、树胶球、步行和喝水作为4个因子的初始水平），让每一个 因子在其所允许的范围内进行连续变动。当所有的试验都做完 后，我们就可以做出一系列的图形，来显示响应变量如何受单 个因子变化（即保持其他因子不变）的影响。
• 这种试验策略在实践中经常被工程师和科学家所采用。 因为实验者具有大量关于他们正研究的系统的技术上或 理论上的知识，还有相当丰富的实际经验，所以该方法 的使用效果通常相当好。
最佳猜测法
但是最佳猜测法至少有两点不足。
• 第一，假定最初的最佳猜测没有产生预期的结果，实验者 不得不做另一种关于因子水平正确组合的猜想，这要继续
DOE分类
实验设计（DOE）的分类 • 1、筛选实验（单因子实验设计） • 2、全因子实验设计（析因实验设计，全面实验） • 3、部分因子实验设计（分式析因实验，包含正交
实验） • 4、响应曲面设计 • 5、混料设计 • 6、田口设计
实验与模型
• 机理模型（mechanistic model） 电路中关于电流的著名公式，即欧姆定律：E=IR。
最佳猜测法
• 最佳猜测法（best-guess approach)就是选择这些
因子的任意组合，测试它们，观测发生了什么。例如， 选择使用特大长打棒、橡胶球、乘高尔夫球车和喝水的 组合，结果为87杆。但是在这一轮中，注意到使用特大 长打棒有几杆进球结果并不好，因此决定在另一轮中使 用常规长打棒，其他因子保持不变。基于目前试验的结 果，下次试验改变一个（或两个）因子的水平，这种方 法可以几乎无限期地继续下去。
额定值； • 3、确定有影响的x设置为何值可使得y的变异性较小 • 4、确定有影响的x设置为何值可使得不可控制的变量z1，
z2，···，zq的效应最小。
实验往往包括几个因子。通常进行实验的人的目 的，就是要确定这些因子对系统的输出响应的影
响。设计和进行实验的一般方法称作实验策略。
实验者可以采取多个策略。
实验设计与分析（一）
【美】Douglas C. Montgomery
2015.12.21
教材
“这是实验设计领域最 权威的一本书，全面、 透彻而且非常实用”
一、实验设计 二、实验设计应用 三、基本原理 四、实验设计指南 五、统计设计实简史
• 实验 • periment）是一次试验（test） 或一系列试验，在实验中通过对某一过程或系统的输入变 量作一些有目的的改变，以便能够观测到和识别出可在输 出响应中观测到的变化的缘由。
因子的来源考虑：因果图（鱼骨图），FMEA，柏拉图，头脑风暴法
鱼骨图
鱼骨图
实验设计的意义
• 为什么需要实验设计？
相同 原料
相同 过程
为什么良品率不一样？
更便宜 的原料
相同产品 相同功能
为什么可以做出低成本 高质量的产品？
实验设计的作用
实验目的
实验目的包括：
• 1、确定哪些变量对响应y的影响最大； • 2、确定有影响的x设置为何值可使y几乎接近于所希望的
科学和工程的大多数都是对系统的运行进行观测和实验，
从而阐明系统运行的原因和方式。
案例：高尔夫球
高尔夫球规则：从发球区开始经一次击球或连续击球将球打 入洞内，将每一洞的杆数累计起来，待打完一场(十八洞)后， 把全部杆数加起来，以总杆数最少者胜。 有些因子会影响高尔夫得分，包括： • 1、使用的长打棒的类型（特大尺寸的还是常规尺寸的） • 2、使用的球的类型（树胶的还是三片的） • 3、步行并手提高尔夫球棒还是乘高尔夫球车 • 4、打球时喝的是水还是啤酒 • 5、在上午打球还是在下午打球 • 6、打球时天气是冷还是热 • 7、高尔夫球鞋钉的类型（金属的还是软的） • 8、在有风的日子还是无风的日子打球
实验包括新产品设计和配方、制造过程（process）开发 以及过程改进在内的产品实验（product realization）中 起着重要的作用。多数情况下是为了开发一种稳健的 （robust）过程，即受外部变异性来源影响最小的过程。
• DOE：即实验设计（Design of Experimental）— —是对实验方案进行优化设计、以降低实验误差和生产费
一次一因子法
• 例如，行进模式曲线的斜率是负的，我们可以得出乘车有 助于提高成绩的结论。根据这些一次一因子图形，我们选 择的最优组合是常规长打棒、乘车和喝水。高尔夫球的类 型似乎并不重要。
一次一因子法
• 一次一因子策略的主要缺点在于，它没有考虑因子 间可能存在的交互作用（interaction）。交互作用会
使一个因子与另一个因子的不同水平结合使用难以对 响应产生同样的效应。
• 图1.3说明了高尔夫实验中长打棒 的类型和饮料因子之间的交互作用 。可以看出，如果我使用常规长打 棒，所喝的饮料类型对得分几乎没 有影响，但是如果我使用特大长打 棒，喝水的效果比喝啤酒的效果更 好。
一次一因子法
• 因子间的交互作用是非常普遍的，如果交互作用存在， 那么一次一因子的策略产生的结果往往不理想。许多 人没有意识到这一点，结果在实际中经常采用一次一 因子实验。（有些人确实认为这个策略是一种科学方 法，或者认为它“合乎”工程原理。)然而对设计而
用，减少实验工作量并对实验结果进行科学分析的一种科 学研究方法；是一种籍用实验的手段来决定最佳设计或生 产的方法。
• Minitab软件：是为DOE、质量改善、教育和研究应用
领域提供统计软件和服务的先导。Minitab被许多世界一流 的公司和四千多所院校所采用。
可控制的因子（输入变量）
不可控制的因子（输入变量）
言，一次一因子实验往往比其他基于统计途 径的方法效率更低。
很长一段时间，而且没有成功的保证。
• 第二，假定最初的最佳猜测产生了一个可以接受的结果，
现在虽然不能保证最优解决办法已被发现，但实验
者仍试图终止实验。
一次一因子方法
• 一次一因子（one-factor-at-a-time）方法
• 包括对每个因子选择初始点，或者水平的初始（baseline）组 合，然后在保持其他因子在初始水平不变的条件下（特大长打 棒、树胶球、步行和喝水作为4个因子的初始水平），让每一个 因子在其所允许的范围内进行连续变动。当所有的试验都做完 后，我们就可以做出一系列的图形，来显示响应变量如何受单 个因子变化（即保持其他因子不变）的影响。
• 这种试验策略在实践中经常被工程师和科学家所采用。 因为实验者具有大量关于他们正研究的系统的技术上或 理论上的知识，还有相当丰富的实际经验，所以该方法 的使用效果通常相当好。
最佳猜测法
但是最佳猜测法至少有两点不足。
• 第一，假定最初的最佳猜测没有产生预期的结果，实验者 不得不做另一种关于因子水平正确组合的猜想，这要继续
DOE分类
实验设计（DOE）的分类 • 1、筛选实验（单因子实验设计） • 2、全因子实验设计（析因实验设计，全面实验） • 3、部分因子实验设计（分式析因实验，包含正交
实验） • 4、响应曲面设计 • 5、混料设计 • 6、田口设计
实验与模型
• 机理模型（mechanistic model） 电路中关于电流的著名公式，即欧姆定律：E=IR。
最佳猜测法
• 最佳猜测法（best-guess approach)就是选择这些
因子的任意组合，测试它们，观测发生了什么。例如， 选择使用特大长打棒、橡胶球、乘高尔夫球车和喝水的 组合，结果为87杆。但是在这一轮中，注意到使用特大 长打棒有几杆进球结果并不好，因此决定在另一轮中使 用常规长打棒，其他因子保持不变。基于目前试验的结 果，下次试验改变一个（或两个）因子的水平，这种方 法可以几乎无限期地继续下去。
额定值； • 3、确定有影响的x设置为何值可使得y的变异性较小 • 4、确定有影响的x设置为何值可使得不可控制的变量z1，
z2，···，zq的效应最小。
实验往往包括几个因子。通常进行实验的人的目 的，就是要确定这些因子对系统的输出响应的影
响。设计和进行实验的一般方法称作实验策略。
实验者可以采取多个策略。
实验设计与分析（一）
【美】Douglas C. Montgomery
2015.12.21
教材
“这是实验设计领域最 权威的一本书，全面、 透彻而且非常实用”
一、实验设计 二、实验设计应用 三、基本原理 四、实验设计指南 五、统计设计实简史
• 实验 • periment）是一次试验（test） 或一系列试验，在实验中通过对某一过程或系统的输入变 量作一些有目的的改变，以便能够观测到和识别出可在输 出响应中观测到的变化的缘由。
因子的来源考虑：因果图（鱼骨图），FMEA，柏拉图，头脑风暴法
鱼骨图
鱼骨图
实验设计的意义
• 为什么需要实验设计？
相同 原料
相同 过程
为什么良品率不一样？
更便宜 的原料
相同产品 相同功能
为什么可以做出低成本 高质量的产品？
实验设计的作用
实验目的
实验目的包括：
• 1、确定哪些变量对响应y的影响最大； • 2、确定有影响的x设置为何值可使y几乎接近于所希望的