大鍛件生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法與概念的探討

齊作玉

(上海重型機(jī)器廠有限公司，上海200245)

1 統(tǒng)計(jì)學(xué)在大鍛件生產(chǎn)領(lǐng)域里的重要性及面臨的挑戰(zhàn)

統(tǒng)計(jì)學(xué)是以概率論為根據(jù)，對(duì)收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，透過帶有偶然性的數(shù)據(jù)來認(rèn)識(shí)事物的本質(zhì)，說明各個(gè)事物間的關(guān)系，論證事物的發(fā)展規(guī)律。所以，有時(shí)統(tǒng)計(jì)學(xué)也稱概率統(tǒng)計(jì)的理論與方法。

概率統(tǒng)計(jì)的理論與方法在應(yīng)用上是很廣泛的，目前它已幾乎遍及所有科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)部門之中。例如，使用概率統(tǒng)計(jì)方法可以進(jìn)行氣象和水文預(yù)報(bào)，產(chǎn)品的抽樣驗(yàn)收；在研制新產(chǎn)品時(shí)，為尋求最佳生產(chǎn)方案可以進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)處理；在可靠性工程中使用概率統(tǒng)計(jì)方法可以給出器件或裝置的使用可靠程度及平均壽命的估計(jì)等等。在許多專業(yè)領(lǐng)域，統(tǒng)計(jì)學(xué)應(yīng)用的理論都已經(jīng)形成了完整的體系和方法并出版了大量的書籍。

統(tǒng)計(jì)學(xué)不僅在科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域里廣泛應(yīng)用，還延伸到企業(yè)管理的領(lǐng)域。6西格瑪?shù)母拍顏碜杂诮y(tǒng)計(jì)學(xué)，后來卻被摩托羅拉發(fā)展為質(zhì)量控制和改進(jìn)的方法，被通用電氣發(fā)展成為一種現(xiàn)代的企業(yè)管理思想方法和體系，并廣泛應(yīng)用于企業(yè)內(nèi)部管理的各個(gè)方面。管理咨詢后來又針對(duì)6西格瑪?shù)慕逃嘤?xùn)和實(shí)施應(yīng)用，發(fā)展出了藍(lán)帶、黃帶、黑帶不同等級(jí)和大師，等等。

相比之下，統(tǒng)計(jì)學(xué)在大鍛件生產(chǎn)科研領(lǐng)域里的應(yīng)用還非常薄弱，甚至很少見到大鍛件統(tǒng)計(jì)學(xué)應(yīng)用實(shí)例的報(bào)告和論文。這并非統(tǒng)計(jì)學(xué)方法在大鍛件領(lǐng)域不重要、不需要。隨著社會(huì)和經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，冶金、機(jī)械、電力、石油、化工、造船、航空、國(guó)防工業(yè)以及某些輕工業(yè)的設(shè)備都在向大容量、大功率、高性能的方向發(fā)展，為這些行業(yè)服務(wù)的大型鍛件質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)也隨之越來越高，重量和尺寸也越來越大。一旦一件報(bào)廢就會(huì)給生產(chǎn)企業(yè)和使用企業(yè)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。而我國(guó)大鍛件生產(chǎn)企業(yè)還面臨著一些大的問題和挑戰(zhàn)[1]。如精益生產(chǎn)、能力平衡、質(zhì)量穩(wěn)定、技術(shù)創(chuàng)新與增值和信息化等問題。這些問題都有可能通過統(tǒng)計(jì)學(xué)方法得到極大的改進(jìn)或解決。有些問題如質(zhì)量穩(wěn)定、技術(shù)創(chuàng)新，則必須通過統(tǒng)計(jì)學(xué)方法才能得到實(shí)現(xiàn)或驗(yàn)證。統(tǒng)計(jì)學(xué)作為一種重要的科學(xué)方法，它在防止大鍛件報(bào)廢，保證大鍛件生產(chǎn)良性發(fā)展和質(zhì)量持續(xù)穩(wěn)定的戰(zhàn)略上將是不可缺少的。

之所以統(tǒng)計(jì)學(xué)在大鍛件領(lǐng)域里的應(yīng)用較少，主要有三個(gè)困難：(1)大鍛件的生產(chǎn)特點(diǎn)是產(chǎn)品品種多，單件、小批量生產(chǎn)，產(chǎn)品生產(chǎn)周期長(zhǎng)，工藝影響因素多，這為有效開展統(tǒng)計(jì)分析帶來一定的困難；(2)國(guó)內(nèi)大鍛件生產(chǎn)大都還沒有建立定量的和參數(shù)化的過程(工序)能力的控制[2]，一些工藝細(xì)節(jié)還沒有定量化或參數(shù)化[3]的設(shè)計(jì)，生產(chǎn)過程細(xì)節(jié)也沒有定量或參數(shù)化的記錄，無法開展統(tǒng)計(jì)分析；(3)概率論統(tǒng)計(jì)學(xué)本身不太容易被理解和掌握，在大鍛件領(lǐng)域里，成功應(yīng)用的方法和實(shí)例也非常少，沒有經(jīng)驗(yàn)可以借鑒和引用。在早年(20世紀(jì)80年代前)一些高校的鍛壓工藝及設(shè)備專業(yè)的本科教育中，教學(xué)計(jì)劃和安排中就沒有概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)這門課程，只是在后來的研究生課程中才會(huì)有這樣一門課。這說明，統(tǒng)計(jì)學(xué)在大鍛件領(lǐng)域的應(yīng)用基礎(chǔ)還比較薄弱。

困難往往是挑戰(zhàn)，更是一種機(jī)遇。就像通用電氣前總裁率先推廣了6西格瑪方法，使得企業(yè)飛速發(fā)展一樣，也許誰先在大鍛件企業(yè)里成功普及統(tǒng)計(jì)學(xué)方法的應(yīng)用，誰就有可能成為大鍛件生產(chǎn)行業(yè)里穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量，推進(jìn)大鍛件生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展和大鍛件科學(xué)研究飛躍的領(lǐng)先者。

另一方面，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展普及、大鍛件生產(chǎn)設(shè)備的更新?lián)Q代、數(shù)字控制技術(shù)和自動(dòng)數(shù)據(jù)顯示記錄的大量應(yīng)用，也是開創(chuàng)大鍛件統(tǒng)計(jì)學(xué)應(yīng)用的天賜良機(jī)。

本文首次從大鍛件生產(chǎn)的角度，深入淺出的論述了統(tǒng)計(jì)學(xué)在大鍛件生產(chǎn)領(lǐng)域里的重要性及挑戰(zhàn)，給出了大鍛件統(tǒng)計(jì)學(xué)中的一些基本概念與認(rèn)識(shí)，探討了大鍛件統(tǒng)計(jì)上應(yīng)注意的問題，為進(jìn)一步介紹和探討大鍛件生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)方法、科研設(shè)計(jì)方法、計(jì)算方法和應(yīng)用實(shí)例拋磚引玉。目的是推動(dòng)大鍛件工藝過程的定量細(xì)化，建立大鍛件工序能力、提升大鍛件質(zhì)量控制水平。

2 大鍛件統(tǒng)計(jì)學(xué)中的一些基本概念與認(rèn)識(shí)

2.1 統(tǒng)計(jì)資料或變量

不少從事大鍛件生產(chǎn)的工藝人員被大鍛件生產(chǎn)過程的復(fù)雜性和質(zhì)量的不穩(wěn)定性所困擾，這一定程度上影響了他們對(duì)資料或變量的認(rèn)識(shí)。許多人認(rèn)為，一些工藝過程是沒法用具體定量的單位來表述和記錄的。筆者認(rèn)為，這是一個(gè)誤區(qū)。事實(shí)是這樣的，許多工藝過程和記錄只是“沒有”用具體定量的或參數(shù)化的單位來表述，而不是“沒法”表述。當(dāng)然，用具體定量或參數(shù)化的單位來表述和記錄以前“沒有”的工藝過程，不是一件容易的事。它是基礎(chǔ)工作，需要科學(xué)的分析歸納和創(chuàng)新、需要標(biāo)準(zhǔn)化和最優(yōu)化，有時(shí)還需要應(yīng)用新的測(cè)量?jī)x器和方法。

統(tǒng)計(jì)資料或變量在大鍛件領(lǐng)域里指的是在實(shí)驗(yàn)、試驗(yàn)、測(cè)量、調(diào)查、記錄、觀察研究中所收集的數(shù)據(jù)或資料。其分類如下：

2.1.1 計(jì)量資料

計(jì)量資料就是對(duì)每個(gè)觀察單位用定量的方法測(cè)定某項(xiàng)指標(biāo)所得的資料。這類資料大都是用測(cè)量工具或儀器測(cè)得的。帶有度、量或其它單位，所以叫測(cè)量或計(jì)量資料。如力學(xué)性能Rm、Re、A5、Z、ak、硬度等。

2.1.2 計(jì)數(shù)資料

計(jì)數(shù)資料就是按觀察單位的某些特征(或?qū)傩?分類，再清點(diǎn)各類中觀察單位的個(gè)數(shù)所得到的資料。如鍛件探傷檢查結(jié)果以有沒有超標(biāo)分開，鋼錠加熱后以有無開裂現(xiàn)象分開，熱處理后晶粒度和力學(xué)性能是否合格等，然后統(tǒng)計(jì)出各自的數(shù)目。

2.1.3 等級(jí)資料

有些資料既具有計(jì)數(shù)資料特征，又兼有半定量性質(zhì)，稱為半定量資料或等級(jí)分組資料。它是按觀察單位、按某種指標(biāo)的等級(jí)順序分組，再清點(diǎn)各組觀察單位的個(gè)數(shù)所得的資料。例如，分析鍛件35SiMn鋼調(diào)質(zhì)后的力學(xué)性能合格數(shù)，先按截面尺寸≤100 mm，>100 mm～300 mm，>300 mm～400 mm，>400 mm～500 mm分組，然后清點(diǎn)各組的合格數(shù)。

2.2 個(gè)體

個(gè)體是統(tǒng)計(jì)分析時(shí)根據(jù)研究目的所確定的最基本的研究對(duì)象單位，所以個(gè)體又稱為觀察單位。根據(jù)不同的研究目的，個(gè)體可以是一個(gè)鋼錠、一個(gè)鍛件、一個(gè)試樣。例如，觀察單位是一個(gè)鍛件，則100個(gè)觀察單位就是100個(gè)鍛件。

2.3 同質(zhì)與異質(zhì)

具有相同性質(zhì)的觀察單位稱為同質(zhì)，否則稱為異質(zhì)。例如，調(diào)查某企業(yè)1990年真空澆注一錠多件鍛造管板的探傷檢查結(jié)果，則研究對(duì)象是該企業(yè)1990年真空澆注一錠多件鍛造的管板，觀察單位是每個(gè)管板，觀察指標(biāo)是探傷檢查結(jié)果，觀察值是每個(gè)管板探傷缺陷的最大尺寸與面積，同一企業(yè)、同一年份、同為真空澆注和同為一錠多件鍛造構(gòu)成了研究對(duì)象同質(zhì)的要素。調(diào)查某企業(yè)1990年某一鍛造方法對(duì)鍛造管板探傷檢查結(jié)果的影響，盡管同一企業(yè)、同一年份、同為一種鍛造方法，由于真空澆注與大氣澆注對(duì)探傷結(jié)果有一定影響，如果把兩種澆注方法的研究對(duì)象混合起來，不加區(qū)分，則對(duì)于該鍛造方法下探傷結(jié)果的研究而言，這些對(duì)象顯然是異質(zhì)的。

2.4 總體

總體是根據(jù)研究目的而確定的相同性質(zhì)、相同類型(同質(zhì))事物和現(xiàn)象的某種變量值的全部?？傮w分為有限總體和無限總體。有限總體的個(gè)體總數(shù)是有限的；無限總體的個(gè)體總數(shù)是無限的。在大鍛件研究中，往往總體是有限的。

科研的目的就是通過每個(gè)觀察單位的調(diào)查來了解總體的規(guī)律，所以在科研中必須注意在同質(zhì)的基礎(chǔ)上對(duì)每個(gè)個(gè)體的某些特征進(jìn)行分析和研究。

在大鍛件研究中，確定一個(gè)科學(xué)的總體(也就是科研對(duì)象是否同質(zhì))并不是一件容易的事，要具有較深的大鍛件專業(yè)知識(shí)和嚴(yán)格的科學(xué)態(tài)度才能正確地確定被研究總體的含義。

2.5 樣本

樣本就是從總體內(nèi)隨機(jī)抽取的一部分個(gè)體。

2.6 頻率

在相同的條件下進(jìn)行n次重復(fù)試驗(yàn)，事件A發(fā)生數(shù)a(a≤n)。則a與n的比(a/n)為事件A的頻率。頻率是某事件出現(xiàn)的可能性大小的度量。如果n逐漸增大，則事件A的頻率就越來越接近一個(gè)常數(shù)，這個(gè)常數(shù)被定義為隨機(jī)事件A發(fā)生的概率。

2.7 概率

概率(幾率)是事件發(fā)生的可能性大小的度量。其取值介于0和1之間，以符號(hào)P表示?？梢园盐覀兘?jīng)常遇到的事件分為三種類型：(1)必然事件：指的是必然發(fā)生的事件。必然事件的概率P=1。(2)不可能事件：指必定不會(huì)發(fā)生的事件，不可能事件的概率P=0。(3)隨機(jī)事件：指的是在一定條件下可能發(fā)生，也可能不發(fā)生的事件。隨機(jī)事件的概率P在0與1之間。

2.8 個(gè)體變異

個(gè)體變異是觀察單位本身的變異，它表現(xiàn)為即使條件相同的個(gè)體(觀察單位)，各項(xiàng)特征在個(gè)體間仍存在著差異。例如，同一工藝生產(chǎn)出來的鍛件，他們的確切尺寸、重量、力學(xué)性能和探傷結(jié)果各不相同。個(gè)體變異的原因在于個(gè)體與外界環(huán)境的關(guān)系極為復(fù)雜，影響個(gè)體特征的內(nèi)外因素很多，不同因素對(duì)于個(gè)體的影響偶然地結(jié)合在一起，使個(gè)體間表現(xiàn)出差異。

2.9 隨機(jī)測(cè)量變異

隨機(jī)測(cè)量變異表現(xiàn)為同一個(gè)體(觀察單位)多次測(cè)量結(jié)果不完全相同。例如，同一試樣，用分析天平多次稱重，各次所得測(cè)量值不完全相同。我們把這種由于觀測(cè)手段或條件在種種偶然因素影響下引起的輕微波動(dòng)叫做隨機(jī)測(cè)量變異。

2.10 資料分布

由于觀察或測(cè)量前都不能事先確定個(gè)體變異的大小，因此這些個(gè)體變異是隨機(jī)的。個(gè)體變異在概率意義下是有規(guī)律的，這種隨機(jī)變異的規(guī)律性表現(xiàn)為觀察值出現(xiàn)在不同范圍中的概率，所以稱這種隨機(jī)變異的規(guī)律性為該觀察指標(biāo)(變量)取值的概率分布。簡(jiǎn)稱為資料分布。

2.11 誤差

統(tǒng)計(jì)上所說的誤差，包括測(cè)得值(觀察值)與真實(shí)值之差和樣本指標(biāo)與總體指標(biāo)之差。變異是個(gè)體觀察值間的差異，而誤差是觀察值與真實(shí)值或總體指標(biāo)的差異。

誤差又分為偶然誤差和系統(tǒng)誤差。偶然誤差又分為抽樣誤差和隨機(jī)測(cè)量誤差。系統(tǒng)誤差是由確定的原因引起的測(cè)量值與真實(shí)值的較大偏差。產(chǎn)生系統(tǒng)誤差的原因很多，其中之一的是試驗(yàn)條件不同。比如試驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)方法不同。又比如，在統(tǒng)計(jì)鍛件熱處理溫度時(shí)，測(cè)溫儀有了很大誤差卻沒有及時(shí)校正。

3 大鍛件統(tǒng)計(jì)上應(yīng)注意的問題

3.1 注重要解決的主題

大鍛件統(tǒng)計(jì)學(xué)是解決大鍛件生產(chǎn)科研中某些問題的手段，所以它的使用要服從于要解決的主題。根據(jù)主題要求選用適當(dāng)?shù)慕y(tǒng)計(jì)學(xué)指標(biāo)和統(tǒng)計(jì)處理方法，并與生產(chǎn)科研的實(shí)際情況結(jié)合起來分析才有意義。無目的的單純?yōu)榻y(tǒng)計(jì)而統(tǒng)計(jì)則是毫無意義的浪費(fèi)時(shí)間。

3.2 注重通過實(shí)例學(xué)習(xí)概念

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，統(tǒng)計(jì)計(jì)算已經(jīng)不成問題，而常容易犯的錯(cuò)誤是統(tǒng)計(jì)指標(biāo)或數(shù)理統(tǒng)計(jì)公式選用的不正確。主要是對(duì)基本概念理解不深透。所以，在學(xué)習(xí)和應(yīng)用上要注重通過實(shí)例學(xué)習(xí)概念，認(rèn)識(shí)使用條件和應(yīng)用要求。尤其是要通過前人的實(shí)際例子進(jìn)行練習(xí)和參透概念。

3.3 注重科研設(shè)計(jì)

大鍛件統(tǒng)計(jì)學(xué)科研設(shè)計(jì)需要綜合統(tǒng)計(jì)學(xué)概念、方法和工具，生產(chǎn)科研實(shí)際要解決的問題目的和條件，進(jìn)行項(xiàng)目設(shè)計(jì)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)。尤其是確定如何正確收集科學(xué)的原始數(shù)據(jù)、確定同質(zhì)條件，這些需要綜合的理論知識(shí)和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，是一個(gè)循序漸進(jìn)的過程。需要高度重視、鍥而不舍。

3.4 注重科學(xué)的原始數(shù)據(jù)

統(tǒng)計(jì)學(xué)中各種數(shù)據(jù)處理公式都需要科學(xué)的原始數(shù)據(jù)?？茖W(xué)的原始數(shù)據(jù)是統(tǒng)計(jì)處理的關(guān)鍵。對(duì)一份不科學(xué)、不準(zhǔn)確的資料(例如系統(tǒng)誤差很大)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理不但不能解決問題，反而給人以錯(cuò)誤結(jié)論和誤導(dǎo)。所以，收集大鍛件的統(tǒng)計(jì)資料必須是嚴(yán)肅認(rèn)真、實(shí)事求是，嚴(yán)格按科學(xué)設(shè)計(jì)的方案去進(jìn)行，確保統(tǒng)計(jì)處理的科學(xué)性和可靠性。

3.5 注重統(tǒng)計(jì)學(xué)研究與新工藝研究的關(guān)系

新工藝研究不能被統(tǒng)計(jì)學(xué)研究所替代。但是，統(tǒng)計(jì)學(xué)研究可以科學(xué)驗(yàn)證新工藝研究的效果。統(tǒng)計(jì)學(xué)研究還可以為把握新工藝研究的正確方向提供指導(dǎo)。

3.6 注重基礎(chǔ)工作

根據(jù)大鍛件生產(chǎn)的特征，一些工藝細(xì)節(jié)還沒有實(shí)現(xiàn)定量化和參數(shù)化設(shè)計(jì)。因此，一些實(shí)際生產(chǎn)過程細(xì)節(jié)也沒有定量或參數(shù)化的記錄，當(dāng)然，對(duì)這些關(guān)鍵的細(xì)節(jié)就無法開展統(tǒng)計(jì)分析。為此，在開展統(tǒng)計(jì)學(xué)分析研究之前，我們需要研究開發(fā)一些關(guān)鍵工藝細(xì)節(jié)和生產(chǎn)過程細(xì)節(jié)的定量和參數(shù)化的控制，開發(fā)和建立新的關(guān)鍵生產(chǎn)過程細(xì)節(jié)的記錄。這是基礎(chǔ)工作，沒有它，大鍛件生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)就成了無源之水、無本之木。

[1] 齊作玉.大鍛件生產(chǎn)企業(yè)面臨的問題與挑戰(zhàn).大型鑄鍛件，2009(6)：36-39.

[2] 聶微，編著.2002版ISO TS16949實(shí)施指南.1版. 廣州：廣東經(jīng)濟(jì)出版社，2003：134-138.

[3] 齊作玉.大鍛件鍛壓工藝參數(shù)化的研究.大型鑄鍛件，2010(1)：9-29.