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2024年1月31日星期三

【DOE 實驗設計】 — 淺淺淺談 DOE,讓不屬於研發領域或是相關領域的你,也可以一窺究竟該怎麼使用這有趣的工具

【DOE 實驗設計】 — 淺淺淺談 DOE,讓不屬於研發領域,不屬於相關領域的你,也可以一窺究竟該怎麼使用這有趣的工具-cover


前言 — 我們被客戶要求做 DOE 了...

因為我們公司的產品出包,這次被客戶要求做 DOE 來嘗試改善我們現有的產品。

在此之前,我有聽過 DOE,但沒有真正使用過。這次整個 DOE 的過程,我們跟產線和研發人員熱烈的討論,製作的過程也覺得很有趣,最後我們做出的效果也不錯,實驗結果讓客戶開心,我們也因為有所進展也覺得開心。為了想了解更多,我因此上網爬文想查一查 DOE 的更多細節,才發現… 我們這次做的根本不應該叫 DOE,哈哈哈哈,結果客戶跟我們都是門外漢,胡亂使用專有名詞做實驗 XDD

不過也因為這樣,我們可以一次聊兩種實驗方法,一個是我們這次使用的,一個是 DOE。

附帶一提, DOE 本身不是為了電子或是製造產業而誕生的工具,而是英國的著名統計/生物/遺傳學家 — 費雪爵士(R.A. Fisher )在1920 年代在農業試驗所任職統計員時期構想出來的方法,因此這個方法真的可以用在各種情境,甚至是愛情故事,有興趣可以搜尋「三個羅密歐與一個茱麗葉」。


我們要怎麼使用 DOE?

在使用前,我們先簡單的了解 DOE 的原理。

DOE 最主要的訴求,是減少全因數試驗法的試驗次數,或是避免使用試誤法(Try and Error)。我們先篩選出可以影響結果的顯著因子,盡量固定外在環境的變數,然後以較少的實驗次數,來觀察這些被我們挑出的顯著因子之間的相關性,以及不同組合所帶出的結果,嘗試從實驗中找出最優化的組合。讓我舉個例子。


DOE 的案例

我的阿姨很喜歡烘焙,為了想要製作出漂亮又美味的巧克力花生餅乾,我們開始整理出會影響成品的「顯著因子」。經過討論,影響餅乾品質的因素,包括奶油、麵粉、糖、鹽、蛋、巧克力、和花生的比例、以及烤箱溫度、混合時間。

但為了著重在外觀和味道,我們決定固定奶油、麵粉、糖、鹽、蛋的比例,而把重點放在巧克力的品牌、巧克力和花生的比例、混和時間、以及烤箱溫度,一共四個顯著因子。

巧克力的品牌

屬於類別型的因數,我們就嘗試 A 品牌跟 B 品牌的巧克力塊,一共兩種參數。

巧克力與花生比例

屬於連續型的因數。我們可以測試三種比例,例如巧克力:花生=2:11和 12

混合時間

屬於連續型的因數。我們可以試驗三種混合時間,例如5分鐘、10分鐘和15分鐘。

烤箱溫度

屬於連續型的因數,150°C ~ 190°C 都有人使用過。為了簡化實驗設計,測試不同的烤箱溫度,我們就將這個連續型的因子變成三個參數,比如150°C170°C190°C

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如果我們選擇全因數試驗法,我們會需要至少嘗試 2 * 3 * 3 * 3 = 54 種組合,才可以找出最適合的結果,但是透過組合參數的調整,我們可以簡化成十多個組合。如果因為考量到我們有限的時間、金錢等等實際面限制,可能實驗組合的次數也會再做縮小一點。

當然,以這次的實驗,因為味道的喜好十分主觀,我們就需要有相對客觀的評分方法,並記錄每次實驗的結果,比如餅乾的色澤可以用色卡表;口味需要找家裡面最挑剔的人,請他/她為每一次組合結果甜度、香氣等等環節打分數,最後找出色澤最漂亮 + 綜合味道分數最高的,就可以當作最佳組合,比如組合「品牌 A + 比例 2:1 + 烘培溫度 170°C + 混和時間 10分鐘」。

簡單的 DOE,就差不多到此為止啦。


更多生活中可以用的 DOE 例子,案例一

增加肌肉質量的健身訓練效果最佳化

目標: 通過調整訓練相關因素,最大化肌肉質量的增加。

顯著因子

訓練強度: 研究高強度和低強度訓練對肌肉質量的影響。

休息時間: 探討不同休息時間間隔對肌肉生長的影響。

膳食補充: 研究不同蛋白質和補充品的效果。

實驗計劃

使用DOE設計,將訓練強度分為高、中、低三種參數,休息時間分為短和長兩種參數,膳食補充組合固定四種。

結果評估

測量肌肉質量的變化、記錄參與者的感覺和疲勞程度。


更多生活中可以用的 DOE 例子,案例二

培養孩子自主性的家庭環境

我們想要讓我們的孩子可以更自動自發,所以我們考慮了三個主要因素:

家庭環境佈置

增加一個學習區域、增加一個遊戲區域、增加一個藝術創作區域

時間管理

爸媽提供有組織的時間表、小孩自己先設定時間、完全自由

正面激勵措施

提供小獎勵、給乖寶寶貼紙可以累積成大獎勵、小孩提出需求讓家人共同參與某活動、遊戲時間獎勵

然後我們就可以每兩週換一個組合,看看小孩的自主性有沒有差異。

【DOE 實驗設計】 — 淺淺淺談 DOE,讓不屬於研發領域,不屬於相關領域的你,也可以一窺究竟該怎麼使用這有趣的工具-table2

從上表的結果,我們發現增加學習或是遊戲區域都有「優秀」,爸媽先提供時間表也得到比較多的「優秀」,小獎勵跟給乖寶寶貼紙有「優秀」。

所以我們可以選擇在家裡面安排出一個學習或是遊戲區域,讓爸媽先提供時間表給小朋友,如果小朋友有好好的自動自發收書、收文具、收玩具等等行為,我們可以提供立即的小獎勵,或是提供乖寶寶貼紙讓他們收集完成後換一個比較大的禮物。


是不是滿有趣的? 

其實 DOE 想要了解更多,也會有更多更深的學問, 但我覺得想要簡單的使用,我們可以使用這些入門的方法就能夠幫助到我們很多很多喔!

但為了讓這篇文章可以聚焦一點,我會把這次我們使用的方法,也就是試誤法(Try and Error),留到下一篇再聊嘍~


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