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在科学实验和工农业生产中经常做实验,如何安排试验,使试验次数尽量少,而又能达到好的试验效果呢?这就牵扯到“试验设计”的问题。试验设计有如下几种:
1.1 优选法
优选法即国外的裴波那契方法。60年代华罗庚教授在我国倡导和普及。优选法是单变量的最优调试方法,即假定我们处理的司机问题中只有一个因素在起作用。在实际使用时我们需要突出一个因素,而将其它因素固定,找到解决生产科研最佳方案的一种方法。
1.2正交试验法
正交试验设计使用一套规格化的表格(正交表)来安排试验,正交试验设计的特点是“均匀分散,整齐可比”。例如,L9(34)表示该正交设计需要做9次试验,每个因素取三个水平,最多可安排4个因素,该正交表如下表:
表1 正交表L9(34)
| No. |
1 |
2 |
3 |
4 |
| 1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
| 2 |
1 |
2 |
2 |
2 |
| 3 |
1 |
3 |
3 |
3 |
| 4 |
2 |
1 |
2 |
3 |
| 5 |
2 |
2 |
3 |
1 |
| 6 |
2 |
3 |
1 |
2 |
| 7 |
3 |
1 |
2 |
2 |
| 8 |
3 |
2 |
1 |
3 |
| 9 |
3 |
3 |
2 |
1 |
正交实验设计在安排多因素多水平时,随着因素数和水平数的增加,试验次数以水平数平方的整数倍增加,增加速度很快,试验次数会多得让人无法接受。
1.3均匀设计
均匀设计是一种只考虑试验点在试验范围内均匀散步的试验设计方法。它属于近30年来发展起来的伪蒙特卡洛方法的范畴。
均匀设计适用于多因素多水平的试验设计场合。试验次数等于因素的水平数,是最大幅度减少试验次数的一种优良的试验设计方法。
均匀设计和正交试验设计相似,也是通过一套精心设计的表来进行试验设计的。每一个均匀设计表有一个代号Un(qs)或 Un*(qs),其中U代表均匀设计,N代表要做几次试验,q表示每个因素有q个水平,s表示该表有s列.
每个均匀设计表都附有一个使用表,它指示我们如何从设计表中选用适当的例,以及由这些列所组成的试验方案的均匀度。如U6*(64)均匀设计表示要做6次试验,每个因素有6个水平,该表有4列,见表2。
表2 U6*(64)均匀设计表
| |
1 |
2 |
3 |
4 |
| 1 |
1 |
2 |
3 |
6 |
| 2 |
2 |
4 |
6 |
5 |
| 3 |
3 |
6 |
2 |
4 |
| 4 |
4 |
1 |
5 |
3 |
| 5 |
5 |
3 |
1 |
2 |
| 6 |
6 |
5 |
4 |
1 |
表3是U6*(64))的使用表,他告诉我们,若有两个因素,应该选用1,3两列来安排试验。若有三个因素,应选用1,2,3三列,……,最后一列表示刻划均匀度的偏差,偏差值越小,表示均匀度越好。
表3 U6*(64)的使用表
| S |
列号 |
D |
| 2 |
1 |
3 |
|
|
0.1875 |
| 3 |
1 |
2 |
3 |
|
0.2656 |
| 4 |
1 |
2 |
3 |
4 |
0.2990 |
由于实际情况千差万别,在应用均匀设计时会面临许多新情况。若在一个实验中有两个因素A、B为三个水平,一个因素C为两水平,这就涉及到混合水平的均匀设计问题,如U6(32 x 21),见表4。
表4 U6(32 x 21)均匀设计表
| No. |
A |
B |
C |
| 1 |
(1)1 |
(2)1 |
(3)1 |
| 2 |
(2)1 |
(4)2 |
(6)2 |
| 3 |
(3)2 |
(6)3 |
(2)1 |
| 4 |
(4)2 |
(1)1 |
(5)2 |
| 5 |
(5)3 |
(3)2 |
(4)1 |
| 6 |
(6)3 |
(5)3 |
(3)2 |
随着计算机的普及,数据处理的速度大大提高,现在我们对试验进行设计是完全可以使用软件进行计算,得到分散性更好的均匀设计方案。
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