多指标正交试验设计2
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第三节_多因素正交实验设计第三节多因素正交实验设计引言, 多因素实验存在的矛盾1. 第一是全面实验的次数与实际可行的实验次数之间的矛盾;2. 第二是实际所做的少数实验与全面掌握内在规律的要求之间的矛盾。
, 正交实验设计, 正交实验设计,能帮助我们在实验前借助于事先已制好的正交表科学地设计实验方案,从而挑选出少量具有代表性的实验做,实验后经过简单的表格运算,分清各因素在实验中的主次作用并找出最好的运行方案,最终得到正确的分析结果。
一、正交实验设计的基本原理 (一)正交表1、定义:正交表,是依据数学原理,从大量的全面试验点中,为挑选少量具有代表性的试验点,所制成的排列整齐的规范化表格。
三因素二水平正交表2、正交表符号的含义7常用正交表 L(2) 84常用正交表 L(3) 93、正交表的特点1. 每一列中,不同数字(如:1或2)出现的次数相等;2. 任意两列中,将同一横行的两个数字看成有序数对(如:数对(1,1)、 (1,2) (2,1) 等)时,每种数对出现的次数相等(二)正交表的类型, 同水平正交表:即各因素水平数相等的表格; , 混合水平正交表:即各因素水平数不相等的表格。
41、同水平正交表L(3) 942、混合水平正交表L(4×2) 8 4混合水平正交表L(4×2) 8 (三)正交性原理, 正交性原理是设计正交表的科学依据,主要表现为均衡搭配性。
, 均衡搭配是指用正交表所安排的试验方案,能均衡的分散在水平搭配的各个组合方案中,因而其试验具有代表性。
回顾例题:, 为了提高某化工产品的转化率,试验者选择了3个有关的因素:反应温度A,反应时间B,用碱量C,并且选择如下的试验范围:A:80~90?;B:90~150min;C:5~7%。
要求确定最佳工艺条件(即转化率达到最高时的反应条件)。
1、分析条件2、实验安排抽象形式实验安排3、三因素二水平全面试验点分布直观图4、三因素二水平正交实验安排三因素二水平正交实验法实验点分布二、正交实验设计的基本方法例题:为了提高某化工产品的转化率,试验者选择了3个有关的因素:反应温度A,反应时间B,用碱量C,并且选择如下的试验范围:A:80~90?;B:90~150min;C:5~7%。
在生产和科研中,为了研制新产品,改革生产工艺,寻找优良的生产条件,需要做许多多因素的试验。
在方差分析中对于一个或两个因素的试验,我们可以对不同因素的所有可能的水平组合做试验,这叫做全面试验。
当因素较多时,虽然理论上仍可采用前面的方法进行全面试验后再做相应的方差分析,但是在实际中有时会遇到试验次数太多的问题。
例如,生产化工产品,需要提高收率(产品的实际产量与理论上投入的最大产量之比),认为反应温度的高低、加碱量的多少、催化剂种类等多种因素,都是造成收率不稳的主要原因。
根据以往经验,选择温度的三个水平:800C、850C、900C;加碱量的三个水平:35、48、55(kg);催化剂的三个水平:甲、乙、丙三种。
如果做全面试验,则需33=27次。
如果有3个因素,每个因素选取4个试验水平的问题,在每一种组合下只进行一次试验,所有不同水平的组合有43=64种,如果6个因素,5个试验水平,全面试验的次数是56=15,625次。
对于这样一些问题,设计全面的试验往往耗时、费力,往往很难做到。
因此,如何设计多因素试验方案,选择合理的试验设计方法,使之既能减少试验次数,又能收到较好的效果。
“正交试验法”就是研究与处理多因素试验的一种科学有效的方法。
正交试验法在西方发达国家已经得到广泛的应用,对促进经济的发展起到了很好的作用。
在我国,正交试验法的理论研究工作已有了很大的进展,在工农业生产中也正在被广泛推广和应用,使这种科学的方法能够为经济发展服务。
正交试验法就是利用排列整齐的表-正交表来对试验进行整体设计、综合比较、统计分析,实现通过少数的试验次数找到较好的生产条件,以达到最高生产工艺效果。
正交表能够在因素变化范围内均衡抽样,使每次试验都具有较强的代表性,由于正交表具备均衡分散的特点,保证了全面试验的某些要求,这些试验往往能够较好或更好的达到试验的目的。
正交试验设计包括两部分内容:第一,是怎样安排试验;第二,是怎样分析试验结果。
测试用例设计方法--正交试验法详解正交试验法介绍正交试验法是研究多因素、多水平的一种试验法,它是利用正交表来对试验进行设计,通过少数的试验替代全面试验,根据正交表的正交性从全面试验中挑选适量的、有代表性的点进行试验,这些有代表性的点具备了“均匀分散,整齐可比”的特点。
正交表是一种特制的表格,一般用L n (m k)表示,L 代表是正交表,n 代表试验次数或正交表的行数,k 代表最多可安排影响指标因素的个数或正交表的列数,m 表示每个因素水平数,且有n=k*(m-1)+1。
正交表的特点正交表具有以下两个特点。
正交表必须满足这两个特点,有一条不满足,就不是正交表。
每列中不同数字出现的次数相等。
这一特点表明每个因素的每个水平与其它因素的每个水平参与试验的几率是完全相同的,从而保证了在各个水平中最大限度地排除了其它因素水平的干扰,能有效地比较试验结果并找出最优的试验条件。
在任意2列其横向组成的数字对中,每种数字对出现的次数相等。
这个特点保证了试验点均匀地分散在因素与水平的完全组合之中,因此具有很强的代表性。
使用正交试验法的原因对于单因素或两因素试验,因其因素少,试验的设计、实施与分析都比较简单。
但在实际工作中,常常需要同时考察3个或3个以上的试验因素,若进行全面试验,试验的规模很大,由于时间和成本的限制我们不可能进行全面试验,但是具体挑其中的哪些测试用例进行测试我们心里拿不准,总担心不做不挑选的那些测试用例会遗漏一些严重缺陷。
为了有效的、合理地减少测试的工时与费用,我们利用正交试验法来设计测试用例。
正交试验法就是安排多因素试验、寻求最优水平组合的一种高效率的试验设计方法。
我们用测试实例来进行说明使用正交试验法设计测试用例的好处。
测试需求:某所大学通信系共2个班级,刚考完某一门课程,想通过“性别”、“班级”和“成绩”这三个查询条件对通信系这门课程的成绩分布,男女比例或班级比例进行人员查询: 根据“性别”=“男,女”进行查询 根据“班级”=“1班,2班”查询 根据“成绩”=“及格,不及格”查询按照传统设计——全部测试分析上述测试需求,有3个被测元素,被测元素我们称为因素,每个因素有两个取值,我们称之为水平值,所以全部测试用例个数是2*2*2=8,参见下表利用正交表设计测试用例,我们得到的测试用例个数是n=3*(2-1)+1=4,对于三因素两水平的刚好有L4(23)的正交表可以套用,于是用正交表试验法得出4个测试用例如下:根据实际需要可以在用正交试验法设计用例的基础上补充一些测试用例。
什么是正交试验设计正交试验设计(Orthogonal experimental design)是研究多因素多水平的又一种设计方法,它是根据正交性从全面试验中挑选出部分有代表性的点进行试验,这些有代表性的点具备了“均匀分散,齐整可比”的特点,正交试验设计是分析因式设计的主要方法。
是一种高效率、快速、经济的实验设计方法。
日本著名的统计学家田口玄一将正交试验选择的水平组合列成表格,称为正交表。
例如作一个三因素三水平的实验,按全面实验要求,须进行3^3 = 27种组合的实验,且尚未考虑每一组合的重复数。
若按L9(3)正交表安排实验,只需作9次,按L18(3)正交表进行18次实验,显然大大减少了工作量。
因而正交实验设计在很多领域的研究中已经得到广泛应用。
正交表是一整套规则的设计表格,用L为正交表的代号,n为试验的次数,t为水平数,c为列数,也就是可能安排最多的因素个数。
例如L9(3),它表示需作9次实验,最多可观察4个因素,每个因素均为3水平。
一个正交表中也可以各列的水平数不相等,我们称它为混合型正交表,如L8(4×2),此表的5列中,有1列为4水平,4列为2水平。
正交试验设计表[1]正交试验因素水平表正交试验设计方案及试验结果极差分析表(或指标与因素关系图) 方差分析表(简单分析时可无)正交表的性质(1)每一列中,不同的数字出现的次数相等。
例如在两水平正交表中,任何一列都有数码“1”与“2”,且任何一列中它们出现的次数是相等的;如在三水平正交表中,任何一列都有“1”、“2”、“3”,且在任一列的出现数均相等。
(2)任意两列中数字的排列方式齐全而且均衡。
例如在两水平正交表中,任何两列(同一横行内)有序对子共有4种:(1,1)、(1,2)、(2,1)、(2,2)。
每种对数出现次数相等。
在三水平情况下,任何两列(同一横行内)有序对共有9种,1.1、1.2、 1.3、2.1、2.2、2.3、3.1、3.2、3.3,且每对出现数也均相等。
多指标正交试验分析在科学研究或工程实践中,我们经常需要同时考虑多个因素和指标来优化一个系统或过程。
为了更有效地进行多指标优化,正交试验设计是一种常见的方法。
本文将介绍多指标正交试验的基本概念、设计方法与数据分析,并通过实例说明其应用。
一、多指标正交试验设计正交试验设计是一种基于正交表的试验设计方法,它可以同时考虑多个因素和指标。
通过正交表,我们可以将多个因素和指标的组合安排在一个合理的试验中,以减少试验次数并提高试验效率。
在多指标正交试验中,我们需要考虑的指标可能有很多,而且不同指标之间可能存在相互作用。
为了更好地挖掘最佳方案,我们需要对这些指标进行全面分析。
二、多指标正交试验数据分析在进行多指标正交试验后,我们需要对试验结果进行分析。
常用的多指标正交试验数据分析方法包括综合评分法、权重分析法和多目标决策法等。
综合评分法是通过给每个指标设定一个权重,然后将每个方案的指标值与权重相乘后求和,得到一个综合分数。
最后,根据综合分数对方案进行排序,选择最佳方案。
权重分析法是通过分析每个指标的权重来选择最佳方案。
在权重分析中,我们需要对每个指标进行重要性评估,并给出一个合理的权重。
然后,将每个方案的指标值与权重相乘后求和,得到一个综合分数。
最后,根据综合分数对方案进行排序,选择最佳方案。
多目标决策法是通过建立多个目标函数来选择最佳方案。
在多目标决策中,我们需要对每个方案的不同指标进行分析,并将这些指标转化为一个目标函数。
然后,通过优化这些目标函数来选择最佳方案。
三、应用实例假设我们有一个生产过程,需要考虑三个因素:温度、时间和压力。
我们有两个指标需要优化:产量和产品质量。
在这种情况下,我们可以使用多指标正交试验来找到最佳的生产条件。
首先,我们需要制定一个试验计划,确定每个因素的水平数和试验次数。
然后,按照计划进行试验并记录结果。
最后,对试验结果进行分析,找出最佳方案。
通过本例,我们可以看出多指标正交试验在优化复杂系统方面具有重要作用。