SPC与统计技术 - 图文

SPC与统计技术应用实务

周卓基 (V9.1)

【内容提要】统计过程控制(Staticstical Process Control,SPC)是制造业的重要活动,它的含义是:“使用控制图等统计技术(statistical techniques)来分析过程或其输出,以便采取必要的措施获得且维持统计控制状态,并提高过程能力”(见QS-9000的术语73)。QCC(Quality Control Circle)等质量改进团队活动也广泛应用统计技术。

本文结合多年实践经验,对已经广泛应用的方法工具介绍其目的、做法并指出注意事项,对其他则按课时容量尽量为读者提供实用资料留供参考。根据公司主管部门提出的要求,本次培训主要内容为:

1. 从控制图和统计抽样检验谈起 2.SPC的由来和发展 3. 管理体系中统计技术应用的要求 4～14为方法工具介绍,包括: 4. SPC常用统计方法工具概述 5. 直观显示图表应用的有关问题;

6. 数据变异的衡量和分析·直方图与过程能力指数; 7. 控制图; 8. 过程能力分析; 9. 区间估计; 10.显著性检验和统计抽样检验; 11. 回归分析; 12. 方差分析; 13.非数字资料方法工具应用的若干问题; 14. 试验设计(DOE)简介

15.国内一些企业应用SPC的一些情况 16.统计技术在企业的应用和建议

全文37页,3.74M。本着“以顾客为关注焦点”的宗旨,本讲义比较详尽,以减少听课人耳听手记的负担,超出课时容量的留作参考资料和下一步深入培训用。

本课程注重:①技术性:突出效率,内容和方式贯彻“学以致用”原则,省略“角色演练、游戏感悟、互动游戏”之类的活动;②严谨性:概念定义力求明确并尽量引用ISO等标准,相关的交代注明出处,避免以讹传讹;尽量设计表格归纳对比;强调基本操作明确要领,避免盲目使用统计软件; ③实用性:教法采用案例分析,旨在实用,避免繁复的数学推导。软件使用中注意尽量运用Excel强大的统计作图功能,部分模块可供学员拷贝;④新颖性:尽量博采众长,如兼顾“6σ管理”及其应用的Minitab;⑤延伸性:课堂教学与后续指导服务相结合,课余及班后指导学员处理自身实际数据或成果论文资料。 讲课人简介: 周卓基,高级工程师,在特大型石化企业从事管理和统计技术应用实践廿多年,1980年起发表QCC活动成果,1981年发表TQM方面的论文,1991年题为《用“概率能力指数”评价工序能力》的论文作为大陆15篇论文之一出席当年《海峡两岸质量研讨会》,并被中国质量协会推荐参加1992年欧洲质量年会。1997年在所述组织指导QCC活动成果出席国际QCC大会发表。系中国质量管理协会统计方法研究委员会委员兼工序控制学组副组长、QCC活动诊断师、《化工质量》杂志常年顾问、原湖南省企业管理现代化成果评审委员会委员、省质量管理协会和系统工程学会理事,现任职业咨询师,曾指导多家企业通过中外认证机构的管理体系认证,并从事ISO 9000、ISO14000、ISO/TS 16949、QCC(QIT)、TQM、统计技术应用等多种培训业务,包括为企业“内训”和应邀为广东省质量协会、珠海市质量协会、BSI等认证机构以及广州、上海多家管理顾问公司等机构举办的公开班讲课和为企业“内训”,还应聘兼任多家优势企业的常年管理顾问。 1 从控制图和统计抽样检验谈起

1.1 等同采用国际标准ISO 8258:1991的GB/T 4091-2001《常规控制图》的12.1有一个例子:某茶叶分装过程要求单包重量(g)平均A0=100.6,类似过程的标准差为s0=1.4,采用子组大小n=5的平均值-极差控制图进行生产控制,25组数据统计结果平均值=100.056,平均极差=4.156(折算

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样本标准偏差s=1.79), “图形表明该过程对于预期 的过程水平失控”。 GB6543-86 中华人民共和国国家标准 QB/T 2341-97中华人民共和国轻工行业标准 1.2 常用的瓦楞纸箱,瓦楞纸箱Corrugated box 纸餐盒Paper tablewares 其检验规则如表所示。第一次抽检 第二次抽检 第一次抽检 第二次抽检 批量N 批量N 表中同时列出了纸餐盒n Ac Rc n Ac Rc n Ac Rc n Ac Rc 的检验规则以供对照。小于500 5 0 3 5 3 4 ≤150 3 0 2 3 1 2 表中Ac合格判定数 Rc501-1200 8 1 3 8 4 5 151～35 000 5 0 3 5 3 4 不合格判定数。 1.3 等同采用ISO 2859-1:1999的GB/T 2828.1:2003《计数抽样检验程序 第1部分:按接收质量控制限(AQL)检索的逐批抽样检验计划》宣贯教材有一例:某厂尼龙11压力管产品属塑料挤出加工,其质量特性“外径和壁厚”(用卡尺测量)工艺稳定性较好。按50根一批打捆为一批,连续编号,按检查水平Ⅱ、AQL=1.5％一次抽检方案,并执行该标准的转移规则。某月份数据如下表: № 1 d 0 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 0 4 0 6 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 4 0 6 1 0 0 2 2 0 判 √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ × √ √ √ × √ × 分 2 d 0 0 0 0 0 1 0 2 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 － － － 2 正常 0 4 2 0 0 1 1 2 0 1 放宽 2 0 0 正常 抽检方案说明 方案 正常 加严 放宽 n Ac Rc 8 3 0 0 1 1 1 13 0 № 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 判 √ √ √ √ √ × √ √ × √ √ × × × √ × × √ √ 分 － － － － － 0 加严 0 － － － － － － － － － － 加严 停 加严 正常 1.4 以上所介绍的控制图和统计抽样检验,是SPC当初发展的起点。 2 SPC的由来和发展

2.1 现代质量管理的发展可分为三个阶段:第二次世界大战前为“(传统的)质量检验阶段”,之后到20世纪50年代为“统计质量控制(SQC)阶段”,60年代起为全面质量管理阶段。

2.2 质量检验阶段

一开始是“操作者的质量管理”。从开始出现质量管理一直到19世纪末资本主义的工厂逐步取代分散经营的家庭手工业作坊为止,这段时期受小生产经营方式或手工业作坊式生产经营方式的影响,产品质量主要依靠工人的实际操作经验,靠手摸、眼看等感官估计和简单的度量衡器测量而定。工人既是操作者又是质量检验、质量管理者,经验就是“标准”。质量标准的实施是靠“师傅带徒弟”的方式口授手教进行的。《考工记》开头就写道“审曲面势，以饬五材，以辩民器”。所谓“审曲面势”，就是对当时的手工业产品作类型与规格的设计，“以饬五材”是确定所用的原材料，“以辩民器”就是对生产出的产品要进行质量检查，合格者才能使用。 之后是“工长的质量管理”:工业革命成功之后,机器工业生产取代了手工作坊式生产,劳动者集中到一个工厂内共同进行批量生产劳动,于是产生了企业管理和质量检验管理,就是通过严格检验来控制和保证出厂或转入下道工序的产品质量。检验工作是这一阶段执行质量职能的主要内容。质量检验所使用的手段是各种各样的检测设备和仪表，它的方式是严格把关，进行百分之百的检验。1918年前后，美国出现了以泰勒为代表的“科学管理运动”，强调工长在保证质量方面的作用，于是执行质量管理的责任就由操作者转移给工长。

继而转变为“检验员的质量管理”:由于企业的规模扩大，检验职能由工长转移给专职的检验人员,大多数企业都设置专职的检验部门并直属厂长领导,负责全厂各生产单位和产品检验工作。它既是从产成品中挑出废品、保证出厂产品质量,又是一道重要的工序,通过检验,反馈质量信息,预防今后出现同类废品。专职检验的特点是“三权分立”，即:有人专职制定标准(立法);有人负责生产制造(执行);有人专职按照标准检验产品质量(执法）。

这种管理有弱点。其一是出现质量问题容易扯皮、推诿,缺乏系统优化的观念;其二是属于“事后检验”，无法在生产过程中完全起到预防、控制的作用,一经发现废品就是“既成事实”,一般很难补救；第三是它要求对成品进行百分之百的检验,这样做增加检验费用、延误出厂交货期限,有时在经济上并不合理;有时从技术上考虑

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也不可能(例如破坏性检验),在生产规模扩大和大批量生产的情况下,这个弱点尤为突出。后有改为“百分比抽样”。所谓“百分比抽样”是指这样的一个对于计件产品的抽样验收规则:不论产品的批量Ｎ大小如何,一律按事先确定的百分比抽取若干件样品,如其中不合格品不超过事先确定的允许件数c则验收,否则拒收。例如,规定按5％抽样、合格判定数c=0,第一批Ｎ=100,第二批Ｎ=2000,读者请判断:按此方法验收,对哪一批要求严一些?(这种方法使相同质量的产品因批量大小不同而受到不同的处理。资料介绍,前苏联40～60年代一直使用此方法) 1924年休哈特(Water Shewhart)博士首先提出控制图,道奇与罗米格(及H.F.Dodge and H.G.Roming)首创统计抽样检验表,一批美国贝尔(Bell)实验室的研究者尝试将这些方法应用于工业生产过程控制,企业产生了统计检验部门。前者1931年发表《The Economic Control of Quality of Manufactured Product》,后者1929年发表《Sampling Inspection Tables》.

2.3 统计质量控制阶段

“制造业的传统方法有赖于检验最终产品并筛选出不符合规范的产品的质量控制。这种检验策略通常是浪费和不经济的,因为它是当不合格品产生以后的事后检验。…控制图是一种将显著性统计原理应用于控制生产过程的图形方法,…首先同来帮助评估一个过程是否已达到、或继续保持在具有适当水平的统计控制状态,然后用来帮助在生产过程中通过保持连续的产品质量记录来获得并保持对重要产品或服务的特性的控制与高度一次性。应用控制图并仔细分析控制图,可以更好地了解和改进过程”(ISO 8258:1991《休哈特控制图》)。

第二次世界大期间,美国国防部向民间采购大量的军需物资及装备，广泛应用于上述统计质量控制方法供货商的生产过程及验收。战后,有些战时使用的标准及培训教材亦延续在民间的企业使用。这些标准包括：AWS Z1.1(1941)《质量管理指南(Guide for Quality Control)》、AWS Z1.2 (1941)《分析数据用的控制图法(Control Chart Method of Analyzing Data)》、AWS Z1.3 (1941)《质量控制用的控制图法(Control Chart Method of Controlling Quality During Production)》、MIL-STD-105D(1963)《Sampling Procedures and Tables for Inspection by Attributes》等。

战后,美国主导西方社会的经济,SPC的理论研究而渐成风潮。1950年日本JUSE邀请戴明(W.E.Deming)举办讲习,对日本工业发展产生了重大影响与贡献。1951年朱兰(J.M.Juran)出版《质量管理手册(Quality Control Handbook》。在这个阶段过分强调质量控制的统计方法，忽视其组织管理工作，使得人们误认为“质量管理就是统计方法”，数理统计方法理论比较深奥，是“质量管理专家的事情”，因而对质量管理产生了一种“高不可攀、望而生畏”的感觉。这在一定程度上限制了质量管理统计方法的普及推广。

2.4 全面质量管理阶段和SPC的发展

1961年菲根堡姆(A.V.Feigenbaum)出版《全面质量管理(Total Quality Control)》,以系统科学的方法首次论述质量管理的思想、原理、理论及方法。1962年日本石川馨主持的JUSE正式出版QCC的月刊,此后QCC活动在日本快速推广,因其属“符合人性的活动”而普及至全世界(《Ishikawa: What is TQC? The Japanese Way》)。

全面质量管理由于日本推行取得举世瞩目的丰硕成果,逐渐由早期的TQC到80年代后期演化为TQM (Total Quality Management)。关于全面质量管理(TQM)的概念,到1994年版ISO 9000标准中定义为“一个组织以质量中心，以全员参与为基础，目的在于通过让顾客满意和本组织所有成员及社会受益而达到长期成功的管理途径”。虽然2000年版ISO9000标准对TQM没有作出新的解释,然而,标准不仅给企业提供了质量管理体系模式,而且带给了企业追求卓越质量和思路,切实反映了全面质量管理（TQM）的精髓。一般的概念有:

(1) 全面的质量概念: 从“符合性”(Conformance)质量到美国朱兰博士提出的“适用性”(Fitness to use)质量。近年又有“魅力质量”的提法。

(2) 基本要求:“三全一多样”即:全过程的质量管理,全员的质量管理,全企业的质量管理;多样化方法的质量管理。

(3) “四大支柱”: 早期指PDCA循环、标准化、质量教育、QC小组(Quality Control Circle)活动,现指卓越领导、顾客导向、全员参与、持续改进。

(4) 五大基础工作:标准化、计量、质量信息、质量责任制、质量教育培训。

(5) “老七种工具”:调查表、因果图、排列图、分层法、直方图、控制图、散布图,前三者称为“质量管理两图一表”,其中两图加上对策表称为“QCC活动两图一表”。70年代推行的“新七种工具”为:系统图(树图)、关联图、矩阵图、亲和图(KJ法)、箭条图、过程决策程序图(PDPC法)、矩阵数据分析法。

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在TQC、TQM阶段,统计技术的应用继续得到发展。1962年日本田口玄一以工程技术与统计方法的结合,应用于产品设计及制程设计的改善技术。日本工业界普遍采用目前所谓“田口品质工程”于产品及制程的设计阶段,以降低成本及改善品质而获得实际的利益,逐渐取代传统的实验设计而变成主流的应用工具。1970年代起,日本松下电子零件公司基于与松下电器产业公司电视事业部之间长期的信赖关系,每年为了提高电子零件的质量而努力,达成了ppm的质量水平。

1980年美国NBC电视台播放了一个电视影片《日本能,我们为什么不能?》,戴明在这节目中以显著的地位出现。此电视节目在美国各界引起推波助澜的功效,SPC重登舞台。

1983年福特汽车向戴明请教提升品质的方法,福特汽车整个高阶管理都参加戴明举办的课程,就此彻底改变了福特。1986年福特汽车66年来首次总收入超过通用汽车。约在同时期,IBM及MOTOROLA提出6σ质量水平提升运动。IBM IPO的专员翁田山称:“1992年后IBM的供货商，品质水准达不到6 的水准，将不能列为IBM的正式供货商”。1991年出席首届“海峡两岸质量研讨会”的台北代表团团长官生平教授于1990年4月率先推出SPC软件《Q1-SPC》。 ISO 9000系列标准1987年公布之后,SPC亦逐渐被业界纳入品质系统,申请认证的公司正式在质量管理体系中以制度化的方式引进SPC。1994年FORD、GM、CHRYSLER三大汽车厂公布QS-9000,更将SPC的应用提升到实际的生产活动中。

当今统计过程控制已经从强调生产制造中的质量控制,拓展到产品质量形成的全过程。在这个意义上,包容在全面质量管理（TQM）内的SPC,已经和当初的SQC有所区别,它的定义“使用控制图等统计技术来分析过程或其输出,以便采取必要的措施获得且维持统计控制状态,并提高过程能力”,所指的“过程process”是“一组将输入转化为输出的相互关联或相互作用的活动”(ISO 9000:2000的3.4.1),“输入”包括了“人机料法环测”等诸因素,管理中注意抓源头:抓设计开发质量保证产品质量(有所谓1:10:1000“法则”),“抓因素保结果”,以人的素质保证工作质量,以工作质量保证产品质量。产品质量控制是从一个点发展到一条线、再延伸到一个面。也就是说产品的质量控制是从一个或几个人的主管控制开始渐渐的变为运用系统的、科学的、全面的有效方法进行控制。

工序质量控制是产品质量过程控制的基础和核心。其中又突出“关键控制点”的控制,它是“为保证过程处于受控状态,在一定的时间和一定的条件下, 需重点监视和控制的质量特性、过程特性、关键部位或薄弱环节”。

以统计技术为基本特征的SPC,已经拓展到一切工作以及所有的组织当中。正如来自《ASQ:未来研究报告》提到的“几乎在所有领域，每个专业人员要取得成功都必须了解先进的质量手段和方法。事实上，每个组织都需要运用质量的原则，否则他们就会被那些成功运用这些原则的人所超越。”

2.5 流程性材料产品制造业的中SPC的应用

ISO 9000:2000的3.4.2 “产品 product”定义为“过程的结果”,“有下述四种通用的产品类别：服务(如运输);软件(如计算机程序、字典);硬件(如发动机机械零件);流程性材料(如润滑油)”。现代流程工业通常是指以从原料到制成品、兼具物理变化和化学变化的连续性生产过程实现增值的工业,将服务业和部分加工行业划分出去。离散行业中,对单件小批生产一般需要检验每个零件、每道工序的加工质量;对批量生产一般采用首检、抽检、SPC分析相结合;流程生产行业中一般采用对生产批号产品进行各工序上的抽样检验。

根据企业生产过程中的物流情况对生产企业进行分类，即能区分不同类型企业，又能在准确反映生产增值状况的过程中实现企业从宏观控制到微观协调的科学管理方法。

右图为以物流特点进行的企业分类。图中“V”型物流情况原材料少、加工路线相似、最终产品种类多，生产过程中“V”型物流占多数的企业如钢铁、炼油等。“A”型物流为主的企业如造船厂,具有原材料多、加工路线繁杂、最终产品较少等特点。介于两者之间就是“T”型物流为主的企业，比如汽车制造厂、装配厂,特点是材料中通用件较多、加工路线、最终产品种类都不算多。

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在对现代流程工业生产的研究，是从分析其物流、资金流和信息流特点开始的。目前流程企业多数都是“V”型物流为主的,其供应链模式特点有:

1．物流特点：多段生产、多段运输、多段存储，物流种类多、工序多且形式不一、并伴有多种原料。钢铁等企业所使用的往往是大型设备,成本高、操作复杂,工序连接紧密、作业的连续性强、对时间要求条件高,不仅存在时间平衡和温度平衡问题，还存在资源能力和物流平衡的问题。

2．资金流特点：企业投资巨大、资金流动频繁、复杂的物流特征，以及为庞大的生产规模做的财务分析，都为资金流的控制增加了难度，必须遵守严格的财会制度并实施灵活的资金管理，才能准确全面和及时地反映企业经营状况，并有效地加以控制。

3．信息流特点：生产经营活动需要大量的特征值来描述,涉及内容从财务、人事等传统信息管理领域延伸到生产管理领域。不仅要根据定单进行生产、制定合理的生产计划、实施全面质量管理,还应以对生产过程进行全面监控、数据采集来满足生产管理的实时性要求,不断更新的人员、物料、产品等信息、全面详尽的统计信息，辅助管理者发布最合理的控制信息,从而尽善尽美地实现企业经营目标。

有文章评价说:目前我国流程企业普遍存在的一些弱点主要是规模经济实现程度很低、技术装备仍旧比较落后、产能相对需求过剩，以及产品中高附加值部分所占比例小等等,需要从管理方法和技术层面上改进现状。

流程性材料制造业有的已在尝试“制造执行系统MES (Manufacturing Execution System)”。它在工厂综合自动化系统中起着中间层的作用,其下层是底层生产控制系统,上层则是高层管理计划系统,包括ERP、MRP Ⅱ。如果把MES与ERP集成起来,不仅能充分发挥它们各自的优势,同时可使MES系统的生产计划更合理,使ERP系统的数据更及时有效,工作效率更高。

3 管理体系中统计技术应用的要求

3.1 ISO 9000:2000标准2.10《统计技术的应用》:使用统计技术可帮助组织了解变异,从而有助于组织解决问题并提高有效性和效率。这些技术也有助于更好地利用可获得的数据进行决策。统计技术有助于对这类变异进行测量、描述、分析、解释和建立模型, 甚至在数据相对有限的情况下也可实现。这种数据的统计分析能对更好地理解变异的性质、程度和原因提供帮助,从而有助于解决,甚至防止由变异引起的问题,并促进持续改进。

※ 注意:2000版标准将“统计技术”从1994版的一个质量体系“要素”，提升为质量管理体系的一个“基础”。而且，强调的不是统计技术本身，而是“统计技术的作用” 3.2 ISO 9001:2000第8章《测量、分析和改进》

8.1总则:组织应策划并实施以下方面所需的监视、测量、分析和改进过程:…这应包括对统计技术在内的适用方法及其应用程度的确定。

8.4数据分析(Analysis of data)要求: 组织应确定(determine)、收集(collect)和分析适当的数据,以证实质量管理体系的适宜性和有效性,并评价在何处可以持续改进质量管理体系的有效性。

ISO 14001:1996《环境管理体系──规范及使用指南》的4.5.1条款和OHSAS 18000:1999《职业健康和安全管理体系──规范》的4.5.1条款也有类似规定,要求“有足够的检测和测量数据、结果的记录,有利于其后纠正和预防措施的分析”。

3.3 ISO 9004:2000《业绩改进指南》中的有关规定:

5.4.2:有效和高效策划的输入包括──对产品性能数据的评价;对过程性能数据的评价;相关风险的评估及减轻的数据。

7.1.3.3:应当通过风险评估来评价过程中可能产生的故障和失效及其影响。…风险评估的方法可包括: 故障模式和影响分析;故障树分析;关联图;模拟技术;可靠性预计。

8.1.1:最高管理者应当确保有效和高效地测量、收集和确认数据,以确保组织的业绩和相关方满意。…组织的过程业绩测量可包括: 产品的测量和评价;过程能力;项目目标的实现;顾客和其他相关方的满意程度。 8.1.2j)使用适宜的统计技术或其它技术有助于了解过程和测量变差,因此可通过控制变差来提高过程和产品的性能。

附录B:持续改进应当包括:a)改进的原因;b目前的状况;c)分析:识别并验证产生问题的根本原因;d)选择并实施能消除产生问题的根本原因以及防止其再发生的解决办法;e)评价效果;f)实施新的解决办法并规范化,用改进的过程替代老过程; g)评价过程的有效性和效率。

3.4 ISO/TS 16949:2002《质量管理体系 汽车行业供应商应用ISO 9001:2000的特别要求》涉及大量统计分

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