测量系统分析理论与方法研究

摘要：测量系统分析（MSA，MeasurementSystemAnalysis）是一种关于检验的分析工具，是ISO/TS16949汽车行业质量管理体系中的五大工具之一。测量系统分析源于国外，但现在已经越来越被国内制造型企业所重视，因为它是一种比较系统，比较全面的客观数据分析工具，是质量管理的重要手段之一。

关键词：测量系统分析，质量管理，计数型，计量型

1、引言

近年来，产品质量已经成为企业核心竞争力之一。质量源于数据，数据源于测量，所以合格率、不良率等反映产品质量存在问题的数据的真实性至关重要，而且数据和测量贯穿在整个生产过程中，不管是在进货质量控制中、过程质量控制中、还是在质量改进过程中都离不开数据支持和分析。测量系统分析是一种数据分析工具，通过有目的、有规律的系统的采集大量数据后，对数据进行可靠性、置信度、概率学分析研究，测算出此系统偏差的水平，及可能产生的原因（系统的、随机的），综合判定测量系统的状态，评估测量系统的能力，根据计算结果，分析是否需要采取措施减小或消除误差，从而保证数据的真实性和稳定性。

2、测量系统分析的理论与方法

2.1、测量系统分析的相关概念。测量被定义为“对某具体事物赋予数字（或数值），以表示它们对于特定特性之间的关系”。测量过程被定义为这个对某具体事物赋予数字（或数值）的过程。测量值被定义为通过测量过程所得到的数值。测量设备是指用来获得测量值的设备，一般是指在企业中的检测仪器或设备。测量系统是指在测量过程中，为了得到测量结果，所使用的操作者、设备、软件、环境等因素的集合，包括所有测量过程中的影响因素。测量系统分析是指通过统计学的方法，对测量数据进行误差或标准差等计算，通过数据波动情况来分析整个测量过程中存在的问题，找到误差来源并进行消除，从而保证所得到的测量结果的准确性。测量系统分析实际上是分析测量系统所带入的变异相对于工序过程总变异的大小。其有五大特性，偏倚、线性和稳定性属于位置变差；重复性和再现性属于宽度变差。通过测量过程能得到准确数值的测量系统称为计量型测量系统；通过测量过程不能得到准确数值，只能定性的得到合格或不合格判定的测量系统称为计数型测量系统。偏倚、线性、稳定性、重复性和再现性的分析方法属于计量型测量系统；假设检验分析法（KAPPA）属于计数型测量系统。在实际生产应用过程中，根据生产现场中测量系统的特性特点及应用情况，需选用不同的分析方法来进行判定。2.2、测量系统分析的特性。从理论上来说，测量系统测试出来的数据应该是0偏差、0偏倚、错误概率为0的统计特性，是绝对准确和稳定的数值。但是在现实中，由于各类影响因素的影响，根本做不到0变差。识别变差源的工具有因果图等。变差源各式各样，例如：产品清洁度、人员态度、温湿度、检验设备维护保养等。每一个变差对测量系统都会产生影响，且影响唯一。在实际应用中，如果测量系统是在受控的条件下，大多数测量过程的变差都应该呈现为正态分布，或是说是接近正态分布。如果测量系统是在不受控的条件下，则不适合用统计学的方法对其进行研究和分析，会得出错误的结论，因为统计学方法是以正态分布为前提假设的。对不同变差源的影响应经过短期和长期的分析：短期分析是指短时间内测量系统随机误差。由偏倚、线性、重复性和再现性所得的误差所合成。长期分析指在一定时间内测量系统随机误差。由稳定性所得的误差所组成。测量系统变差的特性是指过程在受控条件下，标准的正态分布曲线主要包括两种变差因素：位置变差和宽度变差。位置偏差一般用偏倚、线性和稳定性来表示；宽度变差一般用重复性和再现性来表现。再加上分辨力，就形成通常所说的测量系统能力的“六性”。2.2.1、分辨力。分辨力是指一个测量设备能够检测并显示相对于参考值的变化量。也被称为解析度。通常是指测量设备上的最小刻度值。测量设备的分辨力一般要至少等于被测物体的值的十分之一。例如要测量一个盒子的长度大概是10cm，就必须找一把最小刻度在1mm的尺子去进行测量，才能保证基本的精度，如果找一把最小刻度在1cm的尺子去进行测量，精度就会很差，测量偏差就会增大。如果找一把最小刻度在1um的尺子去进行测量，精度会很高，但可能会精度过剩，造成浪费。2.2.2、偏倚。偏倚是指对于同一产品上的同一特性的多次测量平均值与真值（参考值）的差异。偏倚也可以被称为是“准确度”。偏倚是测量系统的系统误差。偏倚和变差经常被用来形容一组数据的好坏，偏倚小和变差小的数据是高质量数据；偏倚大和变差大的数据是低质量数据。由于各因素的影响，测量系统不可能为0偏倚，所以对于每个测量系统来说，或多或少都会存在偏倚。2.2.3、稳定性。稳定性是指偏倚随时间的变化程度，在一定的监控时间范围内，用同一个操作人员用同一台检测设备对同一个样品的同一特性进行多次测量所获得的总变差。如图1所示。稳定性反映出测量系统的过程受控，印象因素中只有普通原因没有特殊原因，只有受控条件下对其进行研究才有意义。2.2.4、线性。线性可以被理解为对于不同量程的偏倚的变化。理想状态下，量程大和量程小对偏倚不造成影响，但是由于量具的做工问题、老化问题、人员操作问题等，在实际应用的时候，量程大和量程小的部分都会产生偏倚，这个偏倚我们可以用校准的方法进行有效地修正。如图2所示。2.2.5、重复性。重复性是指一个操作人员用同一台检测设备对同一个样品的同一特性进行多次测量而得到的测量变差，是设备本身的固有变差，也可以被理解为是一种普遍原因的变差，就是指在其他条件（测量人员、测量设备、测量环境、测量方法等）都被限定住的情况下，系统内部的变差。图3表示了测量系统的重复性。2.2.6、再现性。再现性是指不同的操作人员使用同一台检测设备对同一个样品的同一特性进行多次测量而得到的测量变差，手动检测设备受不同操作者的操作手法的影响比较大，但不代表自动检测设备不存在此类影响，环境的微小变化、产品的摆放位置等都会对结果产生影响，而且在再现性的计算中还会包括重复性。2.2.7、GRR或量具的重复性和再现性（GageR&R）GRR指的是重复性和再现性的联合估算值。2.3、测量系统分析的方。法2.3.1、计量型测试系统的分析方法。计量型测试系统主要针对的是能测量出具体数值的测量系统，分析方法主要有：极差法、均值‐极差法和方差分析法。极差法最为简单，用于快速判定系统是否有变差，但无法分辨出变差来源。均值‐极差法在极差法的方法上更进一步，能体现出重复性和再现性，但对两者的关系不进行评价；方差分析法是统计学标准方法，计算比较复杂，估算值比较准确，能体现出各因素之间的交互作用等。在实际应用的过程中，需要根据现场情况选择适用的分析方法来进行分析。2.3.2、计数型测量系统的分析方法。计数型测量系统分析方法是一种针对只能进行合格与否判定的，无法测量出具体数值的测量方式而进行的统计学分析，常用的分析方法有假设实验分析‐交叉表法。由于其没有计量型测量系统准确，故能选用计量型方法的，还是需要选用计量型分析方法。

3、结论

测量系统分析（MSA）是一种对大量测量数据进行统计学分析的手段。是一种数据分析工具，通过有目的、有规律的系统的采集大量数据后，对数据进行可靠性、置信度、概率学分析研究，测算出此系统偏差的水平，及可能产生的原因（系统的、随机的），综合判定测量系统的状态，评估测量系统的能力，根据计算结果，分析是否需要采取措施减小或消除误差，从而保证数据的真实性和稳定性。

参考文献：

[1]叶卫民、赵德勇、刘沃野、高翠娟，测量系统分析方法评述及应用[J]，统计与决策，2013.1，83-85.

[2]MeasurementSystemsAnalysis(MSA)WorkGroup.MeasurementSystemAnalysis（Version3.0）[M].AIAG，2002.

[3]马林，六西格玛管理，北京：中国人民大学出版社，2004.

[4]马逢时，六西格玛管理统计指南—MINITAB使用指导，北京：中国人民大学出版社，2007.

作者:孙晨光 吕莹 李诺 张晋会 刘琦 单位:天津中环领先材料技术有限公司