107 專技高考高等考試 工業工程技師 工程統計與品質管理 考古題詳解

107 年・專技高考・高等考試・工業工程技師
試題代碼 工程統計與品質管理

第 一 題20 分

請回答以下幾個與重要的品質管理概念或改善方法有關的問題:

(一) 請詳述何謂蕭華得循環(Shewhart cycle,又稱戴明循環 Deming cycle)。(5 分)

(二) 請詳述何謂柏拉圖分析(Pareto analysis),並說明柏拉圖分析的原理。(5 分)

(三) 請詳述何謂品質機能展開(quality function deployment),並說明其設計原理。(10 分)

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核心觀念

本題評量品質管理系統與全面品質管理(TQM)的三大核心管理工具與改善手法:

  1. 蕭華得循環(Shewhart Cycle / Deming Cycle, PDCA):科學化持續改善(Continuous Improvement, Kaizen)的基礎管理邏輯,強調透過閉迴路的反覆運作使品質水準螺旋向上。
  2. 柏拉圖分析(Pareto Analysis):品管七大手法(QC 7 Tools)之一,依據「80/20 法則」將有限資源集中於關鍵少數問題,為界定改善優先順序之決策工具。
  3. 品質機能展開(Quality Function Deployment, QFD):源流管理與同步工程(Concurrent Engineering)核心技術,運用「品質屋」(House of Quality, HOQ)與多階段矩陣,將顧客聲音(Voice of Customer, VOC)層層轉換為具體工程特性與製程參數。

解題方法

本題為專技高考標準之申論問答題,各小題配分分別為 5 分、5 分、10 分。作答時採「定義明確 →\rightarrow 核心架構 →\rightarrow 原理/管理意涵」的三層次架構鋪陳:

  • 第 (一) 小題(5 分):點出提出者與發展脈絡,明確定義「計畫(Plan)、執行(Do)、查核(Check/Study)、處置(Act)」四步驟之內涵與循環演進的動態特性。
  • 第 (二) 小題(5 分):精確定義圖形構成(次數長條圖+累計百分比折線圖),闡述由經濟學轉用品管領域的「80/20 原理」,並點出朱蘭(J. M. Juran)「關鍵的少數與次要的多數」之決策依據。
  • 第 (三) 小題(10 分):配分最高,作答須涵蓋 QFD 定義、品質屋(HOQ)之六大組成維度,以及產品開發生命週期的「四階段瀑布式展開」設計原理,方能爭取滿分。

各子題詳解

(一) 蕭華得循環(Shewhart cycle,又稱戴明循環 Deming cycle)

  1. 定義與沿革: 蕭華得循環最早由美國貝爾實驗室的統計品管先驅華特・蕭華得(Walter A. Shewhart)於 1930 年代提出(原為規格、生產、檢驗三階段),後經威廉・愛德華・戴明(W. Edwards Deming)引介至日本並發揚光大,演變為現代管理學廣泛採用的 PDCA 循環(戴明本人更偏好稱為 PDSA 循環,即 Plan-Do-Study-Act)。

  2. 四大階段內涵:

  • P(Plan,計畫):設定品質目標、界定問題範圍、分析根本原因,並制定具體行動對策與衡量指標。
  • D(Do,執行):依據計畫推行改善措施。通常採取先「小規模試行」的方式,以降低全面推動之風險,同時詳細蒐集實驗與作業數據。
  • C / S(Check / Study,查核/研究):蒐集試行後的實際數據,與原訂計畫目標進行比對,評估執行成效、落差及副作用。
  • A(Act,處置/行動):依查核結果採取處置措施。成效良好的方案予以「標準化」(Standard Operating Procedure, SOP)並固化推廣;未達標或新浮現的問題,則回饋至下一個 PDCA 循環中持續解決。
  1. 核心精神:
  • 螺旋式持續改善:PDCA 並非單次封閉的圓圈,而是如同螺栓一般,每運轉一個循環,組織的品質與績效基準即向上推升一個層次。
  • 維持與改善並進(SDCA 與 PDCA):透過標準化維持現狀(Standardize-Do-Check-Act),再透過 PDCA 尋求突破。

(二) 柏拉圖分析(Pareto analysis)及其原理

  1. 定義: 柏拉圖分析是一種將製程或服務中所發生的缺陷、客訴、不良品項或成本損失,依其發生頻率或損失金額大小,由左至右遞減排列的雙軸複合圖表。左縱軸表示頻率(次數或金額),右縱軸表示累計百分比(0%∼100%0\% \sim 100\%),橫軸為各分類項目;由柱狀長條圖與一條累計百分比折線(洛倫茲曲線概念)組合而成。

  2. 設計原理:

  • 80/20 法則(Pareto Principle):源於 19 世紀義大利經濟學家維弗雷多・柏拉圖(Vilfredo Pareto)研究財富分配所得出的「少數人佔有大部分財富」現象。品質大師約瑟夫・朱蘭(Joseph M. Juran)將此概念引入品質管理領域。
  • 關鍵的少數與次要的多數(Vital Few and Useful/Trivial Many):原理指出在品質問題中,往往「約 80%80\% 的缺陷或損失,是由僅佔 20%20\% 的關鍵原因所導致」。
  • 管理意涵:在企業資源有限(人力、預算、時間)的情況下,不應平均分配資源解決所有問題,而必須透過柏拉圖分析辨識出累計貢獻度達 70%∼80%70\% \sim 80\% 的前少數幾項關鍵不良原因,優先投入資源進行根本對策,即可獲得立竿見影的顯著改善效益。

(三) 品質機能展開(Quality Function Deployment, QFD)及其設計原理

  1. 定義: 品質機能展開是由日本學者赤尾洋二(Yoji Akao)與水野滋(Shigeru Mizuno)於 1960 年代後期所創立的一種結構化、跨功能團隊的產品開發與品質保證系統。
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第 二 題10 分

設 X1,X2,…,XnX_1,X_2,\ldots,X_n 為抽樣自同一指數分配(exponential distribution)的一組隨機樣本,試求該指數分配參數 θ\theta 的最大概似估計(maximum likelihood estimator)。

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核心觀念

本題評量點估計中「最大概似估計法」(Maximum Likelihood Estimation, MLE)的推導程序與指數分配(Exponential Distribution)的機率模型架構。

  1. 最大概似估計(MLE)的操作步驟:
  • 根據隨機樣本的獨立同分配(i.i.d.)性質,建立樣本之聯合機率密度函數,即概似函數(Likelihood Function)L(θ)L(\theta)。
  • 取自然對數建立對數概似函數(Log-Likelihood Function)ln⁡L(θ)\ln L(\theta)。
  • 對參數 θ\theta 微分並令其為零(一階必要條件,First-Order Condition),求得臨界點 θ^\hat{\theta}。
  • 進行二階微分檢驗(二階充分條件,Second-Order Condition),確認在 θ^\hat{\theta} 處二階導數小於零(凸性/凹性驗證),以確保極大值成立。
  1. 指數分配的母體模型定義: 在統計學與可靠度工程教材中,指數分配之參數 θ\theta 常見兩種定義方式:
  • 定義一(尺度參數型,Scale Parameter):θ\theta 代表母體平均數(Mean Time Between Failures, MTBF),即 E[X]=θE[X] = \theta。
  • 定義二(率參數型,Rate Parameter):θ\theta 代表單位時間發生率/失效率(Hazard/Failure Rate),即 E[X]=1θE[X] = \frac{1}{\theta}。 因題目未指明機率密度函數形式,國考標準解法必須將此兩種主流定義均完整推導作答,以求周延完備。

解題方法

情況一:參數 θ\theta 為尺度參數(即 θ\theta 為母體平均數,代表平均壽命)

  1. 機率密度函數(PDF): f(x;θ)=1θe−xθ,x>0, θ>0f(x; \theta) = \frac{1}{\theta} e^{-\frac{x}{\theta}}, \quad x > 0, \, \theta > 0

  2. 建立概似函數: 由於 X1,X2,…,XnX_1, X_2, \ldots, X_n 為 i.i.d. 隨機樣本,聯合機率密度函數為: L(θ)=∏i=1nf(xi;θ)=∏i=1n(1θe−xiθ)=θ−nexp⁡(−1θ∑i=1nxi)L(\theta) = \prod_{i=1}^n f(x_i; \theta) = \prod_{i=1}^n \left( \frac{1}{\theta} e^{-\frac{x_i}{\theta}} \right) = \theta^{-n} \exp\left( -\frac{1}{\theta} \sum_{i=1}^n x_i \right)

  3. 取對數概似函數: ln⁡L(θ)=−nln⁡θ−1θ∑i=1nxi\ln L(\theta) = -n \ln \theta - \frac{1}{\theta} \sum_{i=1}^n x_i

  4. 一階微分求臨界點: 對 θ\theta 微分並令其為 0: dln⁡L(θ)dθ=−nθ+1θ2∑i=1nxi=0\frac{d \ln L(\theta)}{d\theta} = -\frac{n}{\theta} + \frac{1}{\theta^2} \sum_{i=1}^n x_i = 0 兩邊同乘 θ2\theta^2: −nθ+∑i=1nxi=0  ⟹  θ^=1n∑i=1nxi=Xˉ-n\theta + \sum_{i=1}^n x_i = 0 \implies \hat{\theta} = \frac{1}{n} \sum_{i=1}^n x_i = \bar{X}

  5. 二階充分條件檢驗: d2ln⁡L(θ)dθ2=nθ2−2θ3∑i=1nxi\frac{d^2 \ln L(\theta)}{d\theta^2} = \frac{n}{\theta^2} - \frac{2}{\theta^3} \sum_{i=1}^n x_i 將 θ^=Xˉ=1n∑i=1nxi\hat{\theta} = \bar{X} = \frac{1}{n} \sum_{i=1}^n x_i 代入: d2ln⁡L(θ)dθ2∣θ=Xˉ=nXˉ2−2(nXˉ)Xˉ3=nXˉ2−2nXˉ2=−nXˉ2<0\left. \frac{d^2 \ln L(\theta)}{d\theta^2} \right|_{\theta = \bar{X}} = \frac{n}{\bar{X}^2} - \frac{2(n\bar{X})}{\bar{X}^3} = \frac{n}{\bar{X}^2} - \frac{2n}{\bar{X}^2} = -\frac{n}{\bar{X}^2} < 0 由於樣本觀測值均為正數,Xˉ>0\bar{X} > 0,二階導數恆小於 0,確認 θ^=Xˉ\hat{\theta} = \bar{X} 為全域極大值點。

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第 三 題20 分

為了評估三個不同的客戶關係管理系統的功能及操作界面的優劣,某公司選出五位負責相關業務的員工,分別針對三個系統進行測試及評分,並得到以下的分數:

員工系統 A系統 B系統 C
1809565
2758565
3657555
4707565
5607050

(一) 假設系統與員工之間無交互作用,請根據上述資料建立變異數分析表。(10 分)

(二) 請建立假設並檢定不同的系統之間的平均分數有無差異(α=0.05\alpha=0.05)。(3 分)

(三) 請建立假設並檢定不同員工給予的平均分數有無差異(α=0.05\alpha=0.05)。(3 分)

(四) 本題中員工可以視為集區(block),請問和完全隨機設計(complete randomized design)相較下,使用隨機集區設計(randomized block design)有什麼優點?(4 分)

註:作答時請參閱附表。

🖼️ 本題原卷含圖表。基於試題來源之版權考量,本站不轉載原卷影像; 題目文字已完整轉錄,圖表請自行參閱考選部公告之試題原檔。

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核心觀念

本題屬於實驗設計(Design of Experiments, DOE)中的隨機完全集區設計(Randomized Complete Block Design, RCBD)之雙因子變異數分析(Two-way ANOVA without interaction)。

  1. 統計模型: yij=μ+τi+βj+εij,i=1,…,k;j=1,…,by_{ij} = \mu + \tau_i + \beta_j + \varepsilon_{ij}, \quad i = 1, \dots, k; \quad j = 1, \dots, b 其中:
  • yijy_{ij} 為第 jj 位員工對第 ii 個系統之評分。
  • μ\mu 為總平均。
  • τi\tau_i 為處理效應(系統效應,共有 k=3k = 3 個水準)。
  • βj\beta_j 為集區效應(員工效應,共有 b=5b = 5 個水準)。
  • εij∼i.i.d.N(0,σ2)\varepsilon_{ij} \overset{i.i.d.}{\sim} N(0, \sigma^2) 為獨立隨機誤差項。
  • 假設系統與員工之間無交互作用(τβij=0\tau\beta_{ij} = 0)。
  1. 平方和分解公式:
  • 總和 G=∑i=1k∑j=1byijG = \sum_{i=1}^k \sum_{j=1}^b y_{ij},總樣本數 N=k×bN = k \times b
  • 校正項(Correction Factor, CFCF): CF=G2NCF = \frac{G^2}{N}
  • 總平方和(Total Sum of Squares, SSTSST): SST=∑i=1k∑j=1byij2−CFSST = \sum_{i=1}^k \sum_{j=1}^b y_{ij}^2 - CF
  • 處理(系統)平方和(Treatment Sum of Squares, SSTrSSTr): SSTr=1b∑i=1kTi2−CFSSTr = \frac{1}{b}\sum_{i=1}^k T_i^2 - CF
  • 集區(員工)平方和(Block Sum of Squares, SSBSSB): SSB=1k∑j=1bBj2−CFSSB = \frac{1}{k}\sum_{j=1}^b B_j^2 - CF
  • 誤差平方和(Error Sum of Squares, SSESSE): SSE=SST−SSTr−SSBSSE = SST - SSTr - SSB

解題方法

基本數據彙整與計算

設處理數 k=3k = 3(系統 A, B, C),集區數 b=5b = 5(員工 1 至 5),總觀測數 N=3×5=15N = 3 \times 5 = 15。

  1. 各系統總分(處理總和 TiT_i):
  • 系統 A:T1=80+75+65+70+60=350T_1 = 80 + 75 + 65 + 70 + 60 = 350
  • 系統 B:T2=95+85+75+75+70=400T_2 = 95 + 85 + 75 + 75 + 70 = 400
  • 系統 C:T3=65+65+55+65+50=300T_3 = 65 + 65 + 55 + 65 + 50 = 300
  • 總和 G=350+400+300=1050G = 350 + 400 + 300 = 1050
  1. 各員工總分(集區總和 BjB_j):
  • 員工 1:B1=80+95+65=240B_1 = 80 + 95 + 65 = 240
  • 員工 2:B2=75+85+65=225B_2 = 75 + 85 + 65 = 225
  • 員工 3:B3=65+75+55=195B_3 = 65 + 75 + 55 = 195
  • 員工 4:B4=70+75+65=210B_4 = 70 + 75 + 65 = 210
  • 員工 5:B5=60+70+50=180B_5 = 60 + 70 + 50 = 180
  • 檢驗總和:240+225+195+210+180=1050240 + 225 + 195 + 210 + 180 = 1050(確認無誤)
  1. 各平方和計算:
  • 校正項 CFCF: CF=1050215=110250015=73500CF = \frac{1050^2}{15} = \frac{1102500}{15} = 73500
  • 總平方和 SSTSST: ∑i=13∑j=15yij2=(802+952+652)+(752+852+652)+(652+752+552)+(702+752+652)+(602+702+502)\sum_{i=1}^3 \sum_{j=1}^5 y_{ij}^2 = (80^2 + 95^2 + 65^2) + (75^2 + 85^2 + 65^2) + (65^2 + 75^2 + 55^2) + (70^2 + 75^2 + 65^2) + (60^2 + 70^2 + 50^2) =19650+17075+12875+14750+11000=75350= 19650 + 17075 + 12875 + 14750 + 11000 = 75350 SST=75350−73500=1850SST = 75350 - 73500 = 1850
  • 處理(系統)平方和 SSTrSSTr: SSTr=3502+4002+30025−73500=122500+160000+900005−73500=3725005−73500=74500−73500=1000SSTr = \frac{350^2 + 400^2 + 300^2}{5} - 73500 = \frac{122500 + 160000 + 90000}{5} - 73500 = \frac{372500}{5} - 73500 = 74500 - 73500 = 1000
  • 集區(員工)平方和 SSBSSB: SSB=2402+2252+1952+2102+18023−73500=57600+50625+38025+44100+324003−73500=2227503−73500=74250−73500=750SSB = \frac{240^2 + 225^2 + 195^2 + 210^2 + 180^2}{3} - 73500 = \frac{57600 + 50625 + 38025 + 44100 + 32400}{3} - 73500 = \frac{222750}{3} - 73500 = 74250 - 73500 = 750
  • 誤差平方和 SSESSE: SSE=SST−SSTr−SSB=1850−1000−750=100SSE = SST - SSTr - SSB = 1850 - 1000 - 750 = 100
  1. 自由度(Degrees of Freedom, dfdf):
  • 系統自由度:df系統=k−1=3−1=2df_{\text{系統}} = k - 1 = 3 - 1 = 2
  • 員工自由度:df員工=b−1=5−1=4df_{\text{員工}} = b - 1 = 5 - 1 = 4
  • 誤差自由度:df誤差=(k−1)(b−1)=2×4=8df_{\text{誤差}} = (k - 1)(b - 1) = 2 \times 4 = 8
  • 總自由度:df總和=N−1=15−1=14df_{\text{總和}} = N - 1 = 15 - 1 = 14
  1. 平均平方和(Mean Squares, MSMS)與檢定統計量(FF):
  • MSTr=SSTrdf系統=10002=500MSTr = \frac{SSTr}{df_{\text{系統}}} = \frac{1000}{2} = 500
  • MSB=SSBdf員工=7504=187.5MSB = \frac{SSB}{df_{\text{員工}}} = \frac{750}{4} = 187.5
  • MSE=SSEdf誤差=1008=12.5MSE = \frac{SSE}{df_{\text{誤差}}} = \frac{100}{8} = 12.5
  • F系統=MSTrMSE=50012.5=40F_{\text{系統}} = \frac{MSTr}{MSE} = \frac{500}{12.5} = 40
  • F員工=MSBMSE=187.512.5=15F_{\text{員工}} = \frac{MSB}{MSE} = \frac{187.5}{12.5} = 15

(一) 建立變異數分析表(ANOVA Table)

變異來源 (Source)平方和 (SS)自由度 (df)平均平方和 (MS)檢定統計量 (FF)pp 值 / 臨界值 (F0.05F_{0.05})
系統(處理,Treatment)1000.02500.040.0F0.05(2,8)=4.46F_{0.05}(2, 8) = 4.46
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第 四 題20 分

某一家電公司希望針對公司生產的吸塵器管制其缺點數或不合格數(number of nonconformity)。假設每次檢驗的單位是 9 部吸塵器,在抽樣了 30 次的樣本後(每次都檢驗 9 部吸塵器),得到總共的缺點數是 54 個。

(一) 請建構單位缺點數管制圖(uu chart)。(10 分)

(二) 若每次檢驗的單位改為 5 部吸塵器,請問單位缺點數管制圖的管制中心線及管制上下界限會有什麼變化?(5 分)

(三) 請說明在什麼情況下使用單位缺點數管制圖比使用缺點數管制圖(cc chart)更合適?(5 分)

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核心觀念

本題評量計數值管制圖(Attribute Control Charts)​中缺點數管制圖的建構與應用,主要涵蓋以下核心觀念:

  1. 機率分配基礎: 管制產品上的缺點數(Nonconformities)通常遵循卜瓦松分配(Poisson Distribution),其特性為平均數與變異數相等。
  2. uu 管制圖(單位缺點數管制圖): 用以管制「每檢驗單位之平均缺點數(Average nonconformities per unit)」。
  • 樣本大小(檢驗單位數)為 nn,各組缺點數為 cc,則各組單位缺點數為 u=cnu = \frac{c}{n}。
  • 樣本平均單位缺點數(中心線估計值): uˉ=∑i=1kci∑i=1kni\bar{u} = \frac{\sum_{i=1}^{k} c_i}{\sum_{i=1}^{k} n_i}
  • uu 之標準差: σu=uˉn\sigma_u = \sqrt{\frac{\bar{u}}{n}}
  • 3-Sigma 管制界限: CL=uˉCL = \bar{u} UCL=uˉ+3uˉnUCL = \bar{u} + 3\sqrt{\frac{\bar{u}}{n}} LCL=max⁡(0,  uˉ−3uˉn)LCL = \max\left(0, \; \bar{u} - 3\sqrt{\frac{\bar{u}}{n}}\right) (註:缺點數不可能為負值,若計算之 LCL<0LCL < 0,實務上直接設為 00)
  1. cc 管制圖 vs. uu 管制圖:
  • cc 管制圖:適用於檢驗單位大小固定(n=1n=1 或固定常數)時的缺點「總數」管制。
  • uu 管制圖:適用於檢驗單位大小變動或需標準化為單位平均時的缺點數管制。

解題方法

(一) 建構單位缺點數管制圖(uu chart)

  1. 整理樣本基本數據:
  • 抽樣組數 k=30k = 30
  • 每組檢驗單位數 n=9n = 9 部
  • 總檢驗單位數 ∑ni=30×9=270\sum n_i = 30 \times 9 = 270 部
  • 總缺點數 ∑ci=54\sum c_i = 54 個
  1. 計算平均單位缺點數(uˉ\bar{u}): uˉ=∑ci∑ni=54270=0.2 (個/部)\bar{u} = \frac{\sum c_i}{\sum n_i} = \frac{54}{270} = 0.2 \text{ (個/部)}

  2. 計算中心線(CLCL)與管制界限(UCL,LCLUCL, LCL):

  • 中心線: CL=uˉ=0.2CL = \bar{u} = 0.2
  • 標準差: σu=uˉn=0.29=0.23≈0.44723≈0.1491\sigma_u = \sqrt{\frac{\bar{u}}{n}} = \sqrt{\frac{0.2}{9}} = \frac{\sqrt{0.2}}{3} \approx \frac{0.4472}{3} \approx 0.1491
  • 管制上限(UCLUCL): UCL=uˉ+3uˉn=0.2+3×0.23=0.2+0.2≈0.2+0.4472=0.6472UCL = \bar{u} + 3\sqrt{\frac{\bar{u}}{n}} = 0.2 + 3 \times \frac{\sqrt{0.2}}{3} = 0.2 + \sqrt{0.2} \approx 0.2 + 0.4472 = 0.6472
  • 管制下限(LCLLCL): LCL計算值=uˉ−3uˉn=0.2−0.4472=−0.2472LCL_{\text{計算值}} = \bar{u} - 3\sqrt{\frac{\bar{u}}{n}} = 0.2 - 0.4472 = -0.2472 因每單位缺點數不可為負,故取: LCL=0LCL = 0

(二) 檢驗單位改為 5 部吸塵器時的變化分析

若檢驗單位改為 n′=5n' = 5 部吸塵器,其管制圖各參數變化如下:

  1. 中心線(CLCL):
  • 不變。中心線代表製程本身的平均品質水準(每部吸塵器的平均缺點數 uˉ\bar{u}),製程條件未改變的情況下,uˉ\bar{u} 仍維持為 0.20.2。 CL′=0.2CL' = 0.2
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第 五 題15 分

為了要檢驗量測系統的能力,某公司的品質部門進行了量規的重複性與再現性(gauge R & R)的研究。該公司從生產線上抽取了 20 個零件,並且讓 3 個檢測員中的每一位都針對每一個零件重複量測 2 次。該公司透過隨機效應模型變異數分析(random effects model analysis of variance),得到了變異數分析表如下:

SourceDFSSMSF
零件193800.00200.00200.00
檢測人員242.0021.0021.00
零件 ×\times 檢測人員3838.001.003.33
誤差6018.000.30—
總和1193898.00——

(一) 請估算量規重複性的變異數成分(σRepeatability\sigma_{\mathrm{Repeatability}})、再現性的變異數成分(σReproducibility\sigma_{\mathrm{Reproducibility}}),以及量規的變異數(σGauge\sigma_{\mathrm{Gauge}})。(10 分)

(二) 若該公司某產品的規格上限是 220,規格下限是 180,根據量規的重複性與再現性的研究結果,請評估並說明量測系統的能力是否足夠?(5 分)

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核心觀念

本題評量量測系統分析(Measurement System Analysis, MSA)​中以變異數分析法(ANOVA Method)​評估量規重複性與再現性(Gauge R&R)​之能力。核心觀念包含:

  1. 雙因子隨機效應模型(Two-Way Random Effects Model with Interaction): 設量測值模式為: Yijk=μ+Pi+Oj+(PO)ij+ϵ(ij)kY_{ijk} = \mu + P_i + O_j + (PO)_{ij} + \epsilon_{(ij)k} 其中 Pi∼N(0,σP2)P_i \sim N(0, \sigma_P^2) 為零件隨機效應、Oj∼N(0,σO2)O_j \sim N(0, \sigma_O^2) 為檢測人員隨機效應、(PO)ij∼N(0,σPO2)(PO)_{ij} \sim N(0, \sigma_{PO}^2) 為兩者之交互作用效應、ϵ(ij)k∼N(0,σ2)\epsilon_{(ij)k} \sim N(0, \sigma^2) 為量測重複誤差(設備變異)。
  2. 期望均方(Expected Mean Squares, EMS):
  • E(MSE)=σ2E(MS_E) = \sigma^2
  • E(MSPO)=σ2+nσPO2E(MS_{PO}) = \sigma^2 + n \sigma_{PO}^2
  • E(MSO)=σ2+nσPO2+pnσO2E(MS_O) = \sigma^2 + n \sigma_{PO}^2 + p n \sigma_O^2
  • E(MSP)=σ2+nσPO2+onσP2E(MS_P) = \sigma^2 + n \sigma_{PO}^2 + o n \sigma_P^2
  1. 變異數成分分解(Variance Components):
  • 重複性(Repeatability, 設備變異):σRepeatability2=σ2\sigma_{\mathrm{Repeatability}}^2 = \sigma^2
  • 再現性(Reproducibility, 人員與交互作用變異):σReproducibility2=σO2+σPO2\sigma_{\mathrm{Reproducibility}}^2 = \sigma_O^2 + \sigma_{PO}^2
  • 量規總變異(Gauge R&R):σGauge2=σRepeatability2+σReproducibility2\sigma_{\mathrm{Gauge}}^2 = \sigma_{\mathrm{Repeatability}}^2 + \sigma_{\mathrm{Reproducibility}}^2
  1. 量測系統能力指標(Precision-to-Tolerance Ratio, P/T Ratio): P/T=k⋅σGaugeUSL−LSL×100%P/T = \frac{k \cdot \sigma_{\mathrm{Gauge}}}{USL - LSL} \times 100\% (工程統計主流採 k=6k = 6;傳統 AIAG 規範亦有採 k=5.15k = 5.15)。
  • P/T<10%P/T < 10\%:量測系統能力優良(Acceptable)。
  • 10%≤P/T≤30%10\% \le P/T \le 30\%:量測系統能力尚可/邊際可接受(Marginal),視應用關鍵度決定是否接受。
  • P/T>30%P/T > 30\%:量測系統能力不足(Unacceptable),必須改善。

解題方法

根據題意,實驗參數如下:

  • 零件數 p=20p = 20
  • 檢測人員數 o=3o = 3
  • 每位檢測員對每個零件量測次數(重複數)n=2n = 2
  • 總觀測數 N=p×o×n=20×3×2=120N = p \times o \times n = 20 \times 3 \times 2 = 120

由題目變異數分析表已知:

  • MSP=200.00MS_P = 200.00
  • MSO=21.00MS_O = 21.00
  • MSPO=1.00MS_{PO} = 1.00
  • MSE=0.30MS_E = 0.30

(一) 估算量規重複性、再現性之變異數成分與量規變異數

  1. 重複性變異數成分(σRepeatability2\sigma_{\mathrm{Repeatability}}^2): 重複性源自試驗內部誤差(機差),由誤差均方估計: σRepeatability2=MSE=0.30\sigma_{\mathrm{Repeatability}}^2 = MS_E = 0.30 其標準差為: σRepeatability=0.30≈0.5477\sigma_{\mathrm{Repeatability}} = \sqrt{0.30} \approx 0.5477

  2. 零件與檢測員交互作用變異數成分(σPO2\sigma_{PO}^2): 由 E(MSPO)=σ2+nσPO2E(MS_{PO}) = \sigma^2 + n \sigma_{PO}^2 可得: σPO2=MSPO−MSEn=1.00−0.302=0.702=0.35\sigma_{PO}^2 = \frac{MS_{PO} - MS_E}{n} = \frac{1.00 - 0.30}{2} = \frac{0.70}{2} = 0.35

  3. 檢測人員變異數成分(σO2\sigma_O^2): 由 E(MSO)=σ2+nσPO2+pnσO2=E(MSPO)+pnσO2E(MS_O) = \sigma^2 + n \sigma_{PO}^2 + p n \sigma_O^2 = E(MS_{PO}) + p n \sigma_O^2 可得: σO2=MSO−MSPOp×n=21.00−1.0020×2=20.0040=0.50\sigma_O^2 = \frac{MS_O - MS_{PO}}{p \times n} = \frac{21.00 - 1.00}{20 \times 2} = \frac{20.00}{40} = 0.50

  4. 再現性變異數成分(σReproducibility2\sigma_{\mathrm{Reproducibility}}^2): 在含交互作用的模型中,再現性包含人員間變異及人員與零件之交互作用變異: σReproducibility2=σO2+σPO2=0.50+0.35=0.85\sigma_{\mathrm{Reproducibility}}^2 = \sigma_O^2 + \sigma_{PO}^2 = 0.50 + 0.35 = 0.85 其標準差為: σReproducibility=0.85≈0.9220\sigma_{\mathrm{Reproducibility}} = \sqrt{0.85} \approx 0.9220 (註:若依僅考慮作業員主效應之保守定義,則 σReproducibility2=σO2=0.50\sigma_{\mathrm{Reproducibility}}^2 = \sigma_O^2 = 0.50,σReproducibility≈0.7071\sigma_{\mathrm{Reproducibility}} \approx 0.7071)。

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第 六 題15 分

請回答以下二個與允收抽樣有關的問題:

(一) 請從平均樣本數或者平均樣本數曲線(average sample number curve)的觀點,說明單次抽樣計畫(single sampling plan)與雙次抽樣計畫(double sampling plan)在允收抽樣中的適用時機。(5 分)

(二) 假設抽樣計畫之樣本大小為 n=100n=100,允收數 c=2c=2,且已知檢驗前的不合格率為 p=0.02p=0.02,在批量很大的假設下,請計算允收機率及平均出廠品質(average outgoing quality, AOQ)。(請使用 Poisson 分配逼近二項分配計算近似機率值。)(10 分)

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核心觀念

  1. 平均樣本數(Average Sample Number, ASN)曲線:
  • 衡量在特定送驗批不合格率 pp 下,抽樣計畫作出允收或拒收判定平均所需的檢驗樣本個數。
  • 單次抽樣計畫(Single Sampling Plan, SSP):每批皆固定抽取 nn 個樣本進行檢驗,其 ASN 不隨品質水準 pp 改變,曲線恆為一條水平直線: ASNSSP=nASN_{SSP} = n
  • 雙次抽樣計畫(Double Sampling Plan, DSP):先抽第一組樣本 n1n_1。若累積不合格數 d1≤c1d_1 \le c_1 則允收;若 d1≥r1d_1 \ge r_1 則拒收;若介於其間(c1<d1<r1c_1 < d_1 < r_1)才抽取第二組樣本 n2n_2。若不考慮退檢(curtailment),其平均樣本數為: ASNDSP=n1+n2⋅P(需抽第二組樣本)ASN_{DSP} = n_1 + n_2 \cdot P(\text{需抽第二組樣本}) 其曲線呈倒「U」字型(單峰),在品質極佳(p→0p \to 0)或極差(p→1p \to 1)時 ASN 接近 n1n_1;在品質模糊的中間區域達到峰值。
  1. Poisson 逼近二項分配:
  • 當批量 NN 很大、樣本大小 n≥100n \ge 100 且不良率 p≤0.1p \le 0.1 時,抽樣不合格品數 D∼B(n,p)D \sim B(n, p) 可良好逼近為參數 λ=np\lambda = np 的卜瓦松(Poisson)分配: P(D=x)≈e−λλxx!P(D = x) \approx \frac{e^{-\lambda}\lambda^x}{x!}
  1. 允收機率(Probability of Acceptance, PaP_a):
  • 不合格品數不超過允收數 cc 之累積機率: Pa=P(D≤c)=∑x=0ce−λλxx!P_a = P(D \le c) = \sum_{x=0}^{c} \frac{e^{-\lambda}\lambda^x}{x!}
  1. 平均出廠品質(Average Outgoing Quality, AOQ):
  • 假設對拒收批進行整批篩檢(Rectifying Inspection,將檢驗出的不合格品全數換為良品或剔除): AOQ=Pa⋅p⋅(N−n)NAOQ = \frac{P_a \cdot p \cdot (N - n)}{N}
  • 在題目給定「批量 NN 很大」(N≫nN \gg n 即 N−nN≈1\frac{N-n}{N} \approx 1)的條件下,公式簡化為: AOQ≈Pa×pAOQ \approx P_a \times p

解題方法

(一) 從 ASN 觀點說明單次與雙次抽樣計畫之適用時機

  1. ASN 曲線特徵比較:
  • 雙次抽樣計畫(DSP):其 ASN 是不合格率 pp 的函數。
  • 當 pp 非常低(品質優良):第一階段合格機率極高,d1≤c1d_1 \le c_1 直接允收。
  • 當 pp 非常高(品質劣質):第一階段不合格數易達拒收標準,d1≥r1d_1 \ge r_1 直接拒收。
  • 在上述兩種情況下,DSP 僅需檢驗第一階段樣本 n1n_1(通常 n1<nSSPn_1 < n_{SSP}),平均檢驗量顯著低於單次抽樣計畫。
  • 唯有在品質處於臨界/灰色地帶(邊界不合格率)時,才常需抽第二階段樣本,使得 ASNDSPASN_{DSP} 增加甚至可能略高於 nSSPn_{SSP}。
  • 單次抽樣計畫(SSP):不論來料品質優劣,檢驗樣本數恆固定為 nn。
  1. 適用時機:
  • 雙次抽樣計畫之適用時機:
  • 送驗批品質穩定處於極佳或極差之環境:此時絕大多數批次在第一階段即能結案,能發揮顯著節省檢驗人力、測試成本與檢驗時間的優勢(平均可節省 25%~33% 樣本量)。
  • 具心理緩衝效應之情境:雙次抽樣提供送驗批「第二次機會」,在商業合作談判上較易被供應商接受。
  • 單次抽樣計畫之適用時機:
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工業工程技師《工程統計與品質管理》其他年度