Koesuunnittelu tarkoittaa menetelmien ja strategioiden kehittämistä tieteellisiin kokeisiin tai tutkimuksiin. Se on prosessi, jossa suunnitellaan koejärjestely, joka mahdollistaa luotettavien tulosten saamisen tutkittavasta ilmiöstä tai hypoteesista. Koesuunnittelun tavoitteena on optimoida kokeen toteutus siten, että se tarjoaa mahdollisimman vahvan ja luotettavan näytön ilmiön tai hypoteesin tueksi. Hyvin suunniteltu koejärjestely auttaa tutkijoita analysoimaan dataa ja tekemään päätelmiä tutkimuskysymyksen tai hypoteesin pohjalta. (ChatGPT 2023)
Characterization DOE eli karakterisointi kokeessa arvioidaan prosessiin vaikuttavia päätekijöitä ja niiden keskinäisvaikutuksia. Lisäksi luodaan ennustemalli prosessin toiminnalle. Yleensä karakterisointikokeessa kokeessa on mukana useita muuttujia, joita muutetaan useampaa kerrallaan. Yhdellä muuttujalla on tyypillisesti kaksi eri tasoa. Prosessissa olevien muuttujien ajatellaan olevan vaikutukseltaan lineaarisia. (GOAL/QPC 2002, 185)
Confimation DOE eli vahvistuskoe suoritetaan aiemmissa kokeista saadulle ennustemallille koe, jossa vahvistetaan ennustemallin antaman prosessin ennuste ja sitä varten asetettavien muuttujien arvojen toimivuus käytännössä. Käytännössä siis ennustemallin ja käytännön pitäisi vastata toisiaan. (GOAL/QPC 2002, 186)
Minitab-ohjelmisto on tilastollinen ohjelmisto, jonka avulla voidaan opetella tilastotieteeseen, laadun parantamiseen, tuotteen kehittämiseen ja prosessien kehittämiseen liittyviä asioita. Data-analyysien avulla voidaan optimoida ja ennustaa prosessien tuottamien tuloksia ja tuotoksia paremmalle tasolle. Minitab ohjelmiston avulla voidaan myös suorittaa prosessin koesuunnittelun järjestely. (Minitab 2023)
DOE-Golfer -laitetta käytetään Design of Experiments (DOE) eli koesuunnittelun opetteluun ja havainnollistamiseen. DOE-Golfer -laitteessa on mahdollista vaihdella kuuden muuttujan arvoja; mailan pituutta, heilahduskulmaa, mailan painoa, pallon tyyppiä, käytettävää alustaa ja lyöntisuuntaa. Näistä kolmea eli mailan pituutta, heilahduskulmaa ja mailan painoa voidaan käyttää, jos alusta on aina sama ja se on tasainen joka suuntaan. Koesuunnittelun opettelu laitteen kanssa suoritetaan ryhmätyönä 3-5 hengen ryhmissä. Laitteen toimintaan ja muuttujien säätöihin pitää tietysti ensin tutustua. Laitteella voidaan suorittaa yleisimpiä DOE koesuunnitteluun liittyviä harjoituksia. (Lye 2006, 1)
Koejärjestelyt
Hyödynsimme Minitab-ohjelmistoa DOE koesuunnittelun koejärjestelyn suunnittelussa, kokeiden tulosten analysoimisessa ja DOE-Golferin tulosten ennustamisessa. Testasimme DOE-Golferia tekemällä karakterisointikokeen täystekijäkokeena kolmella muuttujalla eli muuttamalla mailan pituutta, heilahduskulmaa ja mailan painoa, kutakin kahdella tasolla. Ennen kokeilua suoritettiin muutamia testilyöntejä ja totesimme, että kova alusta kuten betonilattia tai kampuksen käytävä on alustana liian pienellä vierintävastuksella oleva ja pallo saa pienelläkin heilahduksella pitkän vierintämatkan lähtöpisteestä. Koesuunnittelun opettelua varten olikin hankittava terassimattoa parin metrin pituinen pätkä.
Laadimme koejärjestelyn Minitab-ohjelmistolla. Laitteessa tehtävien säätöjen tekemisen helpottamiseksi kirjasimme ohjelmistoon mailan pituuden mailankorkeudeksi, koska mailan korkeutta säädetään vaihtamalla kuvan 1 mukaisesta reikärivistä säädettävän akselinpaikkaa. Korkeussäätönä paikkoihin oli yksi ja kolme. Heilahduskulma kirjattiin muuttujaksi kulma, jonka arvoina olivat 20° ja 40°. Paino kirjattiin muuttujaksi prikka, koska mailan painoa muutettiin asentamalla painoksi joko yksi tai kaksi prikkaa. Koejärjestelyssä on mukana siis kolme muuttujaa, joilla kullakin on kaksi säätöarvoa ja kaikille testiajoille on mukana kaksi toistoa. Yhteensä koeajoja on kokeessa mukana 23 = 8 koetta ja kun kokeet suoritetaan kahdella toistolla, saadaan kokeiden kokonaismääräksi 16 kpl.
Kokeen eteneminen ja tulokset
Kokeeseen saatiin koematriisiksi taulukon 1 mukainen järjestely Minitab-ohjelmistoa hyödyntäen. Tämän jälkeen rivi kerrallaan suoritimme laitteella golfpallolle heilurilla lyöntejä ja mittasimme, kuinka kauaksi pallo vieri lähtöpisteestä. Kirjasimme tulokset samaan taulukkoon tulos-sarakkeeseen.
Analysoimalla tulokset Minitabilla saimme tietoa DOE-Golferin pallon vierintämatkaan vaikuttavista tekijöistä ja keskinäisvaikutustekijöistä. Minitab-analyysi antoi tiedoksi mitkä tekijät vaikuttavat tilastollisesti melkein merkittävästi (p-arvo<0,05) pallon vierintämatkaan lähtöpisteestä. Minitabin analyysin tuloksena saatiin myös regressioyhtälö golferin toiminnasta. Minitab analyysin perusteella selvisi mitkä tekijät ovat tilastollisesti merkitseviä. Tilastollisesti merkitsevät tekijät ylittävät punaisen katkoviivan kuvan 2 Pareto-kaaviossa.
Kuvasta 3 nähdään päätekijöiden vaikutukset pallon vierintämatkaan. Suurin vaikutus vierintämatkaan on lähtökulmalla, sekä Pareto-kuvaajan, että päätekijäkuvan perusteella. Päätekijöistä vähiten vierintämatkaan vaikuttaa prikkojen lukumäärä.
Toiminnan optimoitiin Minitabissa on käytettävissä myös Response Optimizer, jonka avulla voidaan optimoida ja hakea esim. millä muuttujien arvolla pallon etäisyydeksi lyönnillä saadaan 110 cm. Tähän Minitab-ohjelmisto antoi yhdeksi ratkaisuksi mailan korkeus yksi, kulma 33,3° ja painoksi kaksi prikkaa. Varmistimme muutamalla näillä arvoilla tehdyillä testillä pallon vierintämatkaksi lukemia 98 cm ja 117 cm väliltä
DOE-Golferin käyttö koesuunnittelun opettamisessa ja opiskelussa
Kokeilun perusteella totesimme, että laitteisto sopii hyvin koesuunnittelun opettamiseen ja opiskeluun. Lisäksi laitetta voidaan hyödyntää hypoteesitestien tekemiseen ja prosessin data-analytiikan tarkasteluun. Aikaa koesuunnittelun tekemiseen pitäisi varata parisen tuntia. Ennen itse kokeen tekemistä pitää Minitab-ohjelmistolla luoda koejärjestely ja varata välineet: DOE-Golfer, alustamatto, mittanauhaa ja työskentelytilaa. Myös ryhmän jäsenten työtehtävistä on hyvä sopia ennen kokeen aloittamista. DOE-Golferin lyöntien tekeminen vie aikaa, koska lyöntien suorittaminen huolellisesti koejärjestelyn ja järjestelyssä tehtävien muuttujien säätöjen mukaisesti vaati tekemiseltä tarkkuutta ja huolellisuutta.
Kirjoittajat:
Jarno Mertanen, lehtori, Karelia-ammattikorkeakoulu
Jani Kangas, lehtori, Karelia-ammattikorkeakoulu
Lähteet:
ChatGPT. 2023. Mitä koesuunnittelu tarkoittaa?. Open AI. https://chat.openai.com/. 12.5.2023
GOAL/QPC. 2002. The Black Belt Memory Jogger. GOAL/QPC.
Lye, L. 2003. Teaching DOE with the DOE-Golfer. Memorial University, Canada.
Minitab. 2023. Minitab Statistical Software. https://www.minitab.com/en-us/products/minitab/#tabs-463bc46f9e-u7TUHzLjXM-tab-1 . 17.5.2023.
Artikkelikuva: Steve Johnson / Pexels
