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Design of Experiment (DOE, 실험계획법)

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2017. 7. 21. 16:20

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Design of Experiment (DOE, 실험계획법)

DOE란 어떤 문제에 대해 실험을 통해 해결하고자 할 때, 그 실험을 계획하는 방법을 뜻한다. 어떤 방식으로 실험을 할 것인지, 데이터는 어떻게 수집할 것인지, 어떤 통계적 기법을 활용하여 데이터를 분석할 것인지를 계획한다. 이 때 중요한 점은 '최소 실험횟수'로 '최대의 정보'를 얻는 것을 목적으로 한다는 점이다.

DOE에서 사용되는 주요한 용어는 다음과 같다.
1)특성치(Characteristic value)
특성치는 실험에서 데이터의 형태로 측정되는 모든 결과치(출력변수 Y)를 의미한다.

2)인자(Factor)
인자란 특성치에 영향을 준다고 생각되는 원인들 중에서 실제 실험에서 취급되는 원인(입력 변수 X)를 말한다. 이는 통제되거나 그렇지 않은 변수로서, 실험을 할 때 반응에 영향을 주는 모든 것을 말하기도 한다. 인자는 정량적일 뿐만아니라 정성적 데이터로 표현할 수 있다. 예를 들면 온도나 시간은 정량적 데이터로 표현되지만, 청결함이나 사람의 심리상태 같은 부분은 정성적 데이터로 표현되기도 한다.

3)수준(Level)
수준은 실험에서 '인자의 정도나 값'을 의미한다. 예를 들면 온도와 같은 정량적인 인자의 경우에는 반응에 영향을 주는 모든 온도값이 온도라는 인자의 수준으로 볼 수 있다.


DOE의 구체적인 목적은 다음과 같다.

1)어떤 요인이 특성치 변화에 유의한 영향을 주고있는가를 파악하고, 그 영향이 양적으로 어느정도인지 알아내기 위해(분산분석 및 검정과 추정의 문제)

2)어떤 인자 수준에서 가장 목표 값에 근사한 특성치를 얻을 수 있는가를 파악하기 위해

3)취급한 인자들로는 설명이 안되는 오차와 그 변동이 어느정도인지 파악하기 위해(오차항 추정의 문제)

사진출처: http://www.whatissixsigma.net/design-of-experiments-planning/

DOE의 단계와 기본 원리

단계
1.실험의 목적 설정
2.특성치의 선택(무엇을 어떻게 어느 수준까지 측정할 것인가?)
3.인자(Factor)와 수준(Level)의 선택 (Flow chart, Cause and effect diagram)
4.실험계획법 선정
5.실험 수행
6.분석
7.결론 및 제안

기본 원리
1.랜덤화(Randomization)
실험 순서를 무작위로 결정하는 것을 랜덤화라고 한다. 선택된 인자 외의 기타 원인들이 실험에 영향을 주는것에 대해 방지하기 위해 사용된다.

2.반복(Replication)
인자의 동일한 수준 내에서 실험을 최소 두 번 이상 수행
-통제 불가능한 요인에 의해 실험결과가 매 시행마다 달라질 가능성이 있기 때문
-반복실험을 통해 실험 간의 오차 추정이 가능하고, 이는 관측된 인자의 효과가 통계적으로 유의미한지 판단하게 해줌

3.블록화(Blocking)
전체 실험에서 동일한 조건을 가진 여러가지 경우들로 나누는것을 블록화라고 한다. 이 때, 각 블록 내에서의 인자들의 효과를 관찰한다. 만일 블록화가 하기 어려운 경우에는 랜덤화가 차선책으로 많이 쓰인다.

DOE의 종류

1.요인배치법(Factorial design)
인자들의 모든 수준 조합에 대해서 실험을 하는 방법이다. 예를들어 3개의 인자가 있고 각인자마다 3개의 수준이 있다면 총 실험횟수는 3X3X3=27회가 된다.
인자의 개수에 따라 일원배치법, 이원배치법, 다원배치법등으로 분류할 수 있다.

2.분할법(Split-plot design)
요인배치법 중 실험 순서를 완전히 무작위로 하지 않고 몇 단계로 나누어 순서를 무작위화 하는 실험 계획법이다. 주로 실험에 취급되는 인자가 완전 랜덤화 하기 어려운 인자일 경우에 사용된다.

3.교락법(Confounding method)
실험을 능률적으로 하기 위해 교락(두개 이상의 요인 효과가 혼합되어 분리할 수 없는 것)을 적극적으로 도입하는 방법이다. 교락을 시키는 이유는 불필요한 효과를 최대한 배제하기 위해서이다. 불필요한 효과를 교락시켜 필요한 효과만을 최대한 적은 횟수의 실험으로 구하기 위해 적극적으로 교락을 도입하는 실험 계획법을 교락법이라 한다.

사진출처: http://www.blueoceands.com/home/training/courses-offered/bo-202/