智能时代SPC统计分析技术——变化分析，发现过程真实变化

最新推荐文章于 2025-12-04 21:55:31 发布

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#概率论 #SPC #低代码 #制造

作者：Juergen Ude

SPC，统计过程控制是通过统计技术对制造过程关键环节的关键指标进行分析监控，及时发现过程的异常现象和原因，从而预防不合格品的产生，持续改进过程，提升产品和服务的质量。它是由休哈特（Walter A. Shewhart）博士在100年前提出，被誉为质量领域中最重要的质量改进工具之一。

作为最负盛名的改进工具之一，SPC 倡导的理念是持续改进。但是，其核心工具（控制图）自100年前推出以来几乎没有变化，而且在未来几年也似乎看不到改善的迹象。

休哈特控制图以正态分布假设为理论基础，以小概率事件为判异标准。这一经典模型在当时的环境下对质量管理的改进起到了推动作用。但是，这种在非计算机时代提出的理论模型在现代环境已经遇到了一些困境。如，

生产过程中的数据很多不符合正态分布，基于正态假设的控制图误报警风险大，导致应用效果不佳。
大数据生产环境下采样频率高，基于休哈特模型的控制图控制限过窄，导致报警频繁，控制图失去预警意义。

此外，小概率事件判异原则不容易达成共识，即便借助计算机，一图千意的情况时常发生，对生产操作人员的指导价值不高，质量改进的操作性指导意义不足。

幸运的是，借助计算机和信息技术，统计研究方法在很多领域都取得了突破，大数据、智能化时代的制造环境，急需更具应用价值的统计过程控制方法。变化分析就是在休哈特过程控制理念的基础上创新，用于检测时序数据中的变化。通过结合机器驱动算法和统计显著性检验，快速发现过程均值、标准差以及斜率的变化。

变化分析起源于Woodward和Goldsmith博士在上世纪六十年代初提出的Mahattan概念，即过程的变化形态类似于曼哈顿的摩天大楼在天空的投影。但因为他们的研究只是局限于均值的改变，而且其发布算法存在缺陷，此方面的研究未能继续下去。九十年代初，由Jurgen Ude博士领导的国际研究团队以Woodward和Goldsmith博士的Manhattan概念为基础，重新创立了均值变化分析算法，并创立了变异性的Manhattan概念及算法，趋势Slop概念及算法及由此而派生的目标差异性分析、动态过程能力分析、指纹分析和稳定性指数，过程预测等分析方法及算法，并将其命名为Change Analysis（变化分析）和水平变化分析、波动性变化分析，趋势变化分析、目标差异性分析、动态过程能力分析、指纹分析和稳定性指数，过程预测。

变化分析是为促进休哈特控制图的应用而设计：探测变化的开始和持续时间，并检测相对变化。生产过程中的许多过程变化通常都会持续一段时间。如，操作员换班后，新操作员的影响将会持续一段时间；生产批次增加了新原料，包含新原料的批次的影响将会保持一段时间直到新原料用完；过程的参数设置发生变更，变更后带来的影响将持续一段时间，直到过程被修正。变化分析控制图被设计用来展示这种影响，即，开始和持续的时间。经典休哈特控制图很难做到这点。

休哈特控制图和变化分析控制图最重要的区别是休哈特控制图仅提示过程失控，而变化分析控制图能识别出过程均值的统计显著性变化。经典控制限仅是根据假设检验的决策界限，而变化分析技术使用的是更为全面的显著性检验，其决策限对使用者是显而易见（显著的台阶）。使用者仅需要知道每当过程均值发生变化时，就有统计意义上的显著性变化。和经典控制图点超控制限表示不稳定一样，变化分析技术中的台阶变化也表示过程发生变化。如果过程没有变化，即，变化分析控制图是一条平坦的线，表示过程是稳定的。

变化分析运用了现代计算机对大数据量的数字计算能力，是统计技术结合现实场景的统计应用创新。益处如下：

• 对于同一种类的错误，比休哈特控制图更灵敏

• 对于非正态情况更稳健——操作者不再需要区分计量型和计数型图表

• 培训时间从几天减少到15分钟

• 提供一个更现实的过程——这使得确定异常原因更简单，并且可以更好的评价过程不稳定的程度

• 可以叠加在其他图表上用于指纹分析，然而传统的回归分析效果差

• 可用变化分析协助确定异常原因

变化分析主要有五种：

1、水平（均值）变化分析

这是变化分析最常用的一种方法，均值变化可以以台阶的形式展示。

2、波动（标准差）变化分析

尽管标准差中的台阶变化没有那么受欢迎，但他们同样重要，在许多情况下，甚至更重要。在制造业中，标准差影响过程能力，因此也影响不良品。而在健康领域，只靠平均血压值不足以做出医学决策。标准差的陡增可能暗示压力存在极大的波动和起伏，因而需要换一种方法来治疗。

3、趋势（斜率）变化分析

在许多应用中，检测斜率变化很重要。比如，在预测销售额时，我们要看其是否达到了稳定水平，或者如果有下降趋势的话，是否需要采取新的营销活动。另一个应用是节食，节食过程重要的是检测何时需要改变饮食，或检测太慢、太快的体重减轻。

斜率变化的检测是通过使用强大的回归转换检测算法。

4、目标图

目标图以台阶图变化分析为基础。每一个台阶都用来和指定目标相比较。如果没有显著性区别，每一个台阶的均值被认定是达标的。达标的台阶会被标绿，而不达标的则会标红。

5、D图

D图是变化分析的一种高级形式。它们结合了均值和标准差随时间的变化，并以使分析师能够看到对不合格的贡献的方式显示此信息。此图的应用在质量保证，过程控制，健康健身等领域。一般来说，也就是必须落在规定限以内的应用，都可以用D图。

要清晰的看到均值及标准差变化的影响，系统采用了彩色的代码D（如下图所示）。不稳定的影响，即可清晰呈现。

变化分析技术是摆脱僵化的教条思维和方法的一次尝试，也是将统计技术创新应用与质量专业结合的一种尝试。相信这仅仅是个开始。