面向连续质量改进的过程能力分析与评价研究

论文摘要

对组织进行过程连续改进是现代质量管理的核心思想，过程能力分析和评价是连续改进的重要一环。通过过程能力分析和评价可以了解过程运行状况、确定改进方向和评价改进成果，从而达到减小和抑制过程波动的目的。本文在国家杰出青年科学基金项目“质量管理”（70125004）国家自然科学基金委资助项目“从基本标准到先进标准体系的实现理论和技术研究”（70072029）和“时变离散过程质量控制实现技术及性能评价”（70572050）的框架内，对过程能力分析和评价的一些难点和热点问题进行了深入研究。主要研究工作集中在以下几方面：1．过程能力指数的理论基础和统计特性从新旧两种质量损失函数的角度研究了几种基本过程能力指数的定义和理论基础，分析比较了几种指数的关系、区别以及与分布特性之间的关系。指出过程能力指数的本质反映了对质量损失理解和质量目标的不同，即合同要求或卓越质量，并提出质量损失指数的概念。针对大量难于确定过程输出分布形式的实际过程，研究了采用非参数的Bootstrap方法估计过程能力指数的置信下限，使用MATLAB编写了过程能力指数的几种Bootstrap置信下限计算程序。以Cpk为例，对不同分布类型、参数和样本含量的组合进行了大量仿真，确定了不同样本含量下最优Bootstrap置信下限的计算方法。针对质量控制人员最关心的过程能力指数的重要特性——与合格率的关系，在讨论Cp及Cpk与合格率关系的基础上，深入研究了Cpm及Cpmk等Taguchi过程能力指数与合格率的关系，建立了对应的函数，从而促进了其在连续过程改进中推广。2．偏态分布过程的能力分析与评价传统SPC和过程能力分析建立在过程输出服从正态分布的假设上，当过程输出不服从正态分布时，如何准确进行过程能力分析与评价一直是该领域的难点。本文在总结偏态过程能力分析方法的基础上，从两个方面进行了研究。针对化工、制药等流程性行业中常见的具有非负零界特点的偏态过程，研究了基于Box-Cox幂转换模型的过程能力分析的数据转化方法。通过大量仿真，验证了对于不同偏斜度和峰度的偏态数据具有较好的转换效果，同时也验证了基于该方法的过程能力分析和评价方法的准确性。针对用于偏态过程的WV过程能力指数所存在的统计缺陷，本文结合SWV方法和Clement偏态过程能力分析的思想，提出了SWV偏态过程能力指数。通过4种偏态分布的29种参数组合的仿真结果显示，SWV过程能力指数优于WV过程能力指数。3．时变过程的过程能力分析由于生产技术的多样性和自动化生产技术的发展，越来越多的过程输出具有时变性，过程能力分析中的时变性研究逐渐为学术界所重视。本文研究了两类具有典型时变特性的过程能力分析。以刀具磨损等情况为背景，针对不可消除的系统因素导致长期过程输出分布均值发生漂移的周期调整过程，分析了过程输出的合成分布特征，并建立了以调整系数为变量的概率密度函数族及其标准形式。在此基础上，提出过程性能计算公式，并分析比较了新的指数形式与传统公式的差别。针对自动化生产导致的越来越多的自相关过程，基于时间序列理论中的稳定随机过程模型，通过仿真方法研究了自相关过程的过程能力分析问题。通过研究抽样和标准差的估计方法及样本含量对自相关过程能力分析的较大影响，指出了过程能力分析时必须考虑过程输出的自相关特性，提出了相应的步骤和方法。4．过程输入对过程能力分析的影响传统的过程能力分析方法没有考虑过程输入对过程能力的影响。事实上，过程输入的波动能够以某种方式传递到过程输出。本文将过程输入的影响引入到过程能力分析中，分析了过程输入与输出可能存在的关系，并通过建立了线性和指数型（非线性）过程波动传递模型研究了过程输入对过程能力的影响。首次研究了非线性过程波动传递模型下的过程输入对输出影响的分布形式以及方差传递关系。研究表明，非线性的输入输出关系会导致过程输出不再服从正态分布，而是重尾的分布。通过仿真发现，对于给定的输入方差，过程输入传递到输出上的方差与指数传递模型的系数呈线性关系。最后指出，在过程能力分析时应讨论过程输入与输出的相关性。5．过程能力评价向过程性能综合评价的扩展过程能力是属于狭义质量的范畴，而过程性能（或效能）则是广义质量的范畴。为更好进行过程的连续质量改进，本文将过程能力评价扩展为过程性能的质量、效率综合评价，使用数据包络分析（DEA）方法进行多过程综合性能的水平比较。此外，讨论了基于DEA排序模型的效率值和松弛变量指导过程改进和调整的方法，并通过一个机械行业的实例加以说明。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 选题背景及意义
• 1.1.1 过程和质量波动
• 1.1.2 过程能力及其评价指数
• 1.1.3 过程能力分析及其步骤
• 1.1.4 研究的背景及意义
• 1.2 过程能力分析的发展和研究现状
• 1.2.1 过程能力分析及其统计特性
• 1.2.2 非正态过程的能力分析
• 1.2.3 具有时变特性的过程能力分析
• 1.2.4 过程输入对过程能力的影响
• 1.2.5 多变量过程能力分析
• 1.2.6 相关的过程质量研究
• 1.3 论文的主要内容与结构安排
• 1.3.1 课题的提出
• 1.3.2 研究内容及论文结构
• 1.4 本章小结
• 第二章 过程能力指数及其统计特性分析
• 2.1 基于两种质量损失函数的过程能力指数
• 2.1.1 两种质量损失函数
• 2.1.2 几种基本过程能力指数及相互关系
• 2.1.3 几种基本过程能力指数的比较
• 2.2 使用Bootstrap方法的过程能力指数估计
• 2.2.1 过程能力指数的点估计与置信区间
• 2.2.2 过程能力指数的Bootstrap置信区间
• 2.2.3 过程能力指数Bootstrap置信下限的选择
• 2.3 过程能力指数的合格率估计
• p、C_pk与合格率的关系'>2.3.1 过程能力指数C_p、C_pk与合格率的关系
• pm与合格率的关系'>2.3.2 过程能力指数C_pm与合格率的关系
• pmk与合格率的关系'>2.3.3 过程能力指数C_pmk与合格率的关系
• pk、C_pm、C_pmk与合格率关系的比较'>2.3.4 C_pk、C_pm、C_pmk与合格率关系的比较
• 2.4 本章小结
• 第三章 偏态分布过程能力分析
• 3.1 非正态分布对过程能力分析的影响及分析方法
• 3.1.1 非正态分布对过程能力分析的影响
• 3.1.2 Clements分位点方法
• 3.1.3 偏态数据的分布模型拟合和正态性转换
• 3.1.4 偏态过程能力指数
• 3.2 基于Box-Cox幂转换模型的偏态分布过程能力分析
• 3.2.1 Box-Cox幂转换模型
• 3.2.2 过程能力分析中Box-Cox幂转换模型性能分析
• 3.2.3 基于Box-Cox幂转换模型的过程能力分析
• 3.2.4 使用Box-Cox幂转换模型的分析实例
• 3.3 基于比例赋权方差方法的偏态过程能力指数
• 3.3.1 赋权方差（WV）过程能力指数的缺陷
• 3.3.2 比例赋权方差（SWV）方法
• 3.3.3 SWV偏态过程能力指数
• 3.3.4 SWV过程能力指数与WV过程能力指数比较
• 3.3.4 SWV过程能力指数的实际运用
• 3.4 本章小结
• 第四章 具有时变特性过程能力分析
• 4.1 周期调整过程的能力分析
• 4.1.1 周期调整过程的过程能力分析
• 4.1.2 输出分布均值线性漂移过程的分布特征
• 4.1.3 分布均值线性漂移过程的能力分析
• 4.1.4 周期调整和性能优化
• 4.2 自相关过程能力分析
• 4.2.1 自相关过程的特点及模型
• 4.2.2 自相关特性对过程能力分析的影响
• 4.2.3 自相关过程的能力分析
• 4.3 本章小结
• 第五章 过程输入对过程能力分析的影响
• 5.1 过程波动传递模型
• 5.2 线性过程波动传递模型中输入对过程能力的影响
• 5.3 非线性过程波动传递模型中输入对过程能力的影响
• 5.4 方差传递关系对过程能力改进的作用
• 5.5 本章小结
• 第六章 过程性能的综合评价及改进
• 6.1 数据包络分析（DEA）
• 6.2 过程性能综合评价的指标选择
• 6.3 过程性能的综合评价方法
• 6.4 过程综合性能的改进
• 6.5 本章小结
• 第七章 结束语
• 7.1 本文的内容总结
• 7.2 本文的主要创新点
• 7.3 研究展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表论文和科研成果
• 致谢