优化试验设计与数据分析
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科研成果产生流程
❖ 新产品、新工艺、新材料、新品种及其 他科研成果产生流程
多次反复试验
提高产量
试验数据分析 规律研究
提高产品性能 降低成本能耗
科研工作的必要手段——试验
实验和试验
shíyàn
实验
已知某个结论去 验证 已知方法的操作 验证性
shìyàn
试验
未知某个结论去 探索 未知方法的探索 探索性
试验设计方法起源
1980s
1920s
1980s 美国引进田口方法
1920s Fisher用于田间试验
Statistical Experiment Design 1920s Tippett将SED用于棉纺
1924~2012
1949
1935
1935 “Design of Experiments” 试验设计成为应用技术科学 1930~40s 英、美、苏用于工业
这种方法在最糟糕的情况下，可能需要10 次称量才能完成任务。
方案二：
把12个球平均分成六组，把同组的两个球分放在天平两 边，如果不平衡，则较重一边的小球就是要找的。 这种方法在最糟糕的情况下，需要称量6次。
方案三：
❖ 12个球平均分成3组(每组4个)，先把其中两 组分别放到天平两边。如果平衡，则重一点 的球一定在剩余一组中；如果不平衡，那么 较重一边的四个球当中就一定有我们要找的 那个球。
概率论与数理统计
什么叫做优化试验设计方法
❖ 什么叫做优化试验设计方法？
把数学上优化理论、技术应用于试验设计中， 科学的安排试验、处理试验结果的方法。
采用科学的方法去安排试验，处理试验结果， 以最少的人力和物力消费，在最短的时间内取 得更多、更好的生产和科研成果的最有效的技 术方法。
❖ 数理统计
现有数据的分析
方案1：一次漂洗，用20千克水 方案2：分两次漂洗，第一次用5千克水，第二次用15千克水 方案3：分两次漂洗，第一次用15千克水，第二次用5千克水 方案4：分两次漂洗，第一次用10千克水，第二次用10千克水
常见试验方案设计
方案1——一次漂洗
❖ 把衣服一下子放到20千克清水中，连同 衣服上那1千克污水，一共21千克水。 污物均匀分布在这21千克水里。拧“干”
1948 范福仁《田间试验之统计与分析》
1970.4 华罗庚推广优选法、统筹法 1970 1978 优选法用于五粮液获成功
1978
华方罗王开庚元泰11991139004~~01~985
方开泰、王元创建均匀设计法
课程性质与任务
❖ 试验设计方法是一项通用技术，是当代科 技和工程技术人员必须掌握的技术方法。
1940s末 美国Deming传播SED至日本 1949 日本Genichi Taguechi(田口玄一)以 SED为基础建立“正交试验设计”法 1952 应用L27(313)于日本东海电报公司 1952~1962 应用100万项，1/3成效明显 1955~1970 日本借此推行全面质量管理
我国试验设计方法发展
❖ 在开发的早期应用试验设计方法能得出以下成果
1.提高产量； 2.减少变异性，与额定值或目标值更为一致； 3.减少开发时间； 4.减少总成本；
试验设计解决的问题
因素对指标 影响大小
B
因素对指标 影响规律
A
试验设 计效果
因素间是否 C 相互影响
优选最佳条 件，估计指 E
标值
D 估计和控制 试验误差
试验设计方法可以解决以上5个问题
方案2、后3—，—衣二服次上漂还洗有1千克水，所以污物残 存若把量20是千原克水来分的两1次／用2，1比。如第一次用5千克，第二
试验设计一般分三个阶段：
（1）试验：首先要明确试验的目的和要求；其次 是合理选择试验考察的指标和影响因素（即因 子）；最后确定试验中影响因素的具体条件 （即因子的水平）。
（2）设计：根据因子及因子的水平，确定试验方 案；决定试验的顺序，试验的方法，测量的点 数以及重复的次数等。
（3）分析：对试验所得到的数据进行整理，制成易 于计算的表格，建立假设，计算分析用的各种统计 量；确定显著性水平进行检验，得出结论。
❖ 试验设计方法是自然科学研究方法论领域 中Βιβλιοθήκη Baidu一个成熟分支学科。
❖ 让本科生掌握试验设计的基本原理，近代 最常用的正交试验设计方法的原理及其应 用方法，可以用在以后研究过程中。
课程性质与任务
❖ 试验设计方法是国内外许多重点大学化学、 化工、电子、机械、材料包括管理等类专 业的专业技术基础课程。
❖ 试验设计的目的是使要我们用科学的方法 去安排试验，懂得如何处理得到的试验结 果，以最少的人力和物力消耗，在最短的 时间内取得更多、更好的生产和科研成果 的技术方法。
什么是试验设计？
问题1：有12个外表一致的小球，其中11个 的质量都是10克，另一个要重一些(但仅凭 手感无法分辨)，给定一个没有砝码的天平， 请你设计一个试验方案，把这个重一点的小 球挑出来。
方案一：
先把两个球放到天平两边的盘中，如果不 平衡，则较重一边的小球就是要找的；如 果平衡，就把其中一个球(哪个都行)作为 标准，用它称量其它球，与它不同的就是 我们要找的。
❖ 可不见难，看只出，称试量验是一需次要，设计就的排，除如果了试8验个方球案。选择下的面可 以好按，照试方验次法数(就二可)中以减的少办。法，最多再需两次就可 以完成任务。
❖ 这种方法最多只需要称量3次。
什么是试验设计？
问题2：洗衣服一般分为洗涤和漂洗两个阶 段。假设衣服洗涤并拧干以后还残留含有污 物的水1千克，用20千克清水来漂洗。比较 下面四个方法哪一个能洗得更干净一些？
试验研究
试验设计 试验实施 数据整理 数据分析
❖ 优化试验设计在科学研究中的地位与意义 ：
1.试验设计方法是一项通用技术，是当代科技 和工程技术人员必须掌握的技术方法。
2.科学地安排实验，以最少的人力和物力消费， 在最短的时间内取得更多、更好的生产和科研 成果。简称为：多、快、好、省。
如何进行科学合理的试验设计
❖ 如何进行科学合理的试验设计
优良的试验方案 遵循试验设计基本原则，控制试验误差 简单计算获取有价值试验规律 试验研究结果可推广和重复
试验设计的意义
❖ 应用数理统计学的基本知识，讨论如何合理地安 排试验、取得数据，然后进行综合科学分析，从 而尽快获得最优组合方案。在工程学领域是改进 制造过程性能的非常重要的手段。在开发新工序 中亦有着广泛的应用。
❖ 新产品、新工艺、新材料、新品种及其 他科研成果产生流程
多次反复试验
提高产量
试验数据分析 规律研究
提高产品性能 降低成本能耗
科研工作的必要手段——试验
实验和试验
shíyàn
实验
已知某个结论去 验证 已知方法的操作 验证性
shìyàn
试验
未知某个结论去 探索 未知方法的探索 探索性
试验设计方法起源
1980s
1920s
1980s 美国引进田口方法
1920s Fisher用于田间试验
Statistical Experiment Design 1920s Tippett将SED用于棉纺
1924~2012
1949
1935
1935 “Design of Experiments” 试验设计成为应用技术科学 1930~40s 英、美、苏用于工业
这种方法在最糟糕的情况下，可能需要10 次称量才能完成任务。
方案二：
把12个球平均分成六组，把同组的两个球分放在天平两 边，如果不平衡，则较重一边的小球就是要找的。 这种方法在最糟糕的情况下，需要称量6次。
方案三：
❖ 12个球平均分成3组(每组4个)，先把其中两 组分别放到天平两边。如果平衡，则重一点 的球一定在剩余一组中；如果不平衡，那么 较重一边的四个球当中就一定有我们要找的 那个球。
概率论与数理统计
什么叫做优化试验设计方法
❖ 什么叫做优化试验设计方法？
把数学上优化理论、技术应用于试验设计中， 科学的安排试验、处理试验结果的方法。
采用科学的方法去安排试验，处理试验结果， 以最少的人力和物力消费，在最短的时间内取 得更多、更好的生产和科研成果的最有效的技 术方法。
❖ 数理统计
现有数据的分析
方案1：一次漂洗，用20千克水 方案2：分两次漂洗，第一次用5千克水，第二次用15千克水 方案3：分两次漂洗，第一次用15千克水，第二次用5千克水 方案4：分两次漂洗，第一次用10千克水，第二次用10千克水
常见试验方案设计
方案1——一次漂洗
❖ 把衣服一下子放到20千克清水中，连同 衣服上那1千克污水，一共21千克水。 污物均匀分布在这21千克水里。拧“干”
1948 范福仁《田间试验之统计与分析》
1970.4 华罗庚推广优选法、统筹法 1970 1978 优选法用于五粮液获成功
1978
华方罗王开庚元泰11991139004~~01~985
方开泰、王元创建均匀设计法
课程性质与任务
❖ 试验设计方法是一项通用技术，是当代科 技和工程技术人员必须掌握的技术方法。
1940s末 美国Deming传播SED至日本 1949 日本Genichi Taguechi(田口玄一)以 SED为基础建立“正交试验设计”法 1952 应用L27(313)于日本东海电报公司 1952~1962 应用100万项，1/3成效明显 1955~1970 日本借此推行全面质量管理
我国试验设计方法发展
❖ 在开发的早期应用试验设计方法能得出以下成果
1.提高产量； 2.减少变异性，与额定值或目标值更为一致； 3.减少开发时间； 4.减少总成本；
试验设计解决的问题
因素对指标 影响大小
B
因素对指标 影响规律
A
试验设 计效果
因素间是否 C 相互影响
优选最佳条 件，估计指 E
标值
D 估计和控制 试验误差
试验设计方法可以解决以上5个问题
方案2、后3—，—衣二服次上漂还洗有1千克水，所以污物残 存若把量20是千原克水来分的两1次／用2，1比。如第一次用5千克，第二
试验设计一般分三个阶段：
（1）试验：首先要明确试验的目的和要求；其次 是合理选择试验考察的指标和影响因素（即因 子）；最后确定试验中影响因素的具体条件 （即因子的水平）。
（2）设计：根据因子及因子的水平，确定试验方 案；决定试验的顺序，试验的方法，测量的点 数以及重复的次数等。
（3）分析：对试验所得到的数据进行整理，制成易 于计算的表格，建立假设，计算分析用的各种统计 量；确定显著性水平进行检验，得出结论。
❖ 试验设计方法是自然科学研究方法论领域 中Βιβλιοθήκη Baidu一个成熟分支学科。
❖ 让本科生掌握试验设计的基本原理，近代 最常用的正交试验设计方法的原理及其应 用方法，可以用在以后研究过程中。
课程性质与任务
❖ 试验设计方法是国内外许多重点大学化学、 化工、电子、机械、材料包括管理等类专 业的专业技术基础课程。
❖ 试验设计的目的是使要我们用科学的方法 去安排试验，懂得如何处理得到的试验结 果，以最少的人力和物力消耗，在最短的 时间内取得更多、更好的生产和科研成果 的技术方法。
什么是试验设计？
问题1：有12个外表一致的小球，其中11个 的质量都是10克，另一个要重一些(但仅凭 手感无法分辨)，给定一个没有砝码的天平， 请你设计一个试验方案，把这个重一点的小 球挑出来。
方案一：
先把两个球放到天平两边的盘中，如果不 平衡，则较重一边的小球就是要找的；如 果平衡，就把其中一个球(哪个都行)作为 标准，用它称量其它球，与它不同的就是 我们要找的。
❖ 可不见难，看只出，称试量验是一需次要，设计就的排，除如果了试8验个方球案。选择下的面可 以好按，照试方验次法数(就二可)中以减的少办。法，最多再需两次就可 以完成任务。
❖ 这种方法最多只需要称量3次。
什么是试验设计？
问题2：洗衣服一般分为洗涤和漂洗两个阶 段。假设衣服洗涤并拧干以后还残留含有污 物的水1千克，用20千克清水来漂洗。比较 下面四个方法哪一个能洗得更干净一些？
试验研究
试验设计 试验实施 数据整理 数据分析
❖ 优化试验设计在科学研究中的地位与意义 ：
1.试验设计方法是一项通用技术，是当代科技 和工程技术人员必须掌握的技术方法。
2.科学地安排实验，以最少的人力和物力消费， 在最短的时间内取得更多、更好的生产和科研 成果。简称为：多、快、好、省。
如何进行科学合理的试验设计
❖ 如何进行科学合理的试验设计
优良的试验方案 遵循试验设计基本原则，控制试验误差 简单计算获取有价值试验规律 试验研究结果可推广和重复
试验设计的意义
❖ 应用数理统计学的基本知识，讨论如何合理地安 排试验、取得数据，然后进行综合科学分析，从 而尽快获得最优组合方案。在工程学领域是改进 制造过程性能的非常重要的手段。在开发新工序 中亦有着广泛的应用。