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
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:
- 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。
- 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。
- 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 核心架構 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)
-
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)。
-
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。
- 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
-
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(),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。
-
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 的缺陷或損失,是由僅佔 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 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
- 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。
第 二 題10 分
設 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 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。
- 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)。
- 取自然對數建立對數概似函數(Log-Likelihood Function)。
- 對參數 微分並令其為零(一階必要條件,First-Order Condition),求得臨界點 。
- 進行二階微分檢驗(二階充分條件,Second-Order Condition),確認在 處二階導數小於零(凸性/凹性驗證),以確保極大值成立。
- 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 常見兩種定義方式:
- 定義一(尺度參數型,Scale Parameter): 代表母體平均數(Mean Time Between Failures, MTBF),即 。
- 定義二(率參數型,Rate Parameter): 代表單位時間發生率/失效率(Hazard/Failure Rate),即 。 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 為尺度參數(即 為母體平均數,代表平均壽命)
-
機率密度函數(PDF):
-
建立概似函數: 由於 為 i.i.d. 隨機樣本,聯合機率密度函數為:
-
取對數概似函數:
-
一階微分求臨界點: 對 微分並令其為 0: 兩邊同乘 :
-
二階充分條件檢驗: 將 代入: 由於樣本觀測值均為正數,,二階導數恆小於 0,確認 為全域極大值點。
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 |
|---|---|---|---|
| 1 | 80 | 95 | 65 |
| 2 | 75 | 85 | 65 |
| 3 | 65 | 75 | 55 |
| 4 | 70 | 75 | 65 |
| 5 | 60 | 70 | 50 |
(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()。(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()。(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。
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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)。
- 統計模型: 其中:
- 為第 位員工對第 個系統之評分。
- 為總平均。
- 為處理效應(系統效應,共有 個水準)。
- 為集區效應(員工效應,共有 個水準)。
- 為獨立隨機誤差項。
- 假設系統與員工之間無交互作用()。
- 平方和分解公式:
- 總和 ,總樣本數
- 校正項(Correction Factor, ):
- 總平方和(Total Sum of Squares, ):
- 處理(系統)平方和(Treatment Sum of Squares, ):
- 集區(員工)平方和(Block Sum of Squares, ):
- 誤差平方和(Error Sum of Squares, ):
解題方法
基本數據彙整與計算
設處理數 (系統 A, B, C),集區數 (員工 1 至 5),總觀測數 。
- 各系統總分(處理總和 ):
- 系統 A:
- 系統 B:
- 系統 C:
- 總和
- 各員工總分(集區總和 ):
- 員工 1:
- 員工 2:
- 員工 3:
- 員工 4:
- 員工 5:
- 檢驗總和:(確認無誤)
- 各平方和計算:
- 校正項 :
- 總平方和 :
- 處理(系統)平方和 :
- 集區(員工)平方和 :
- 誤差平方和 :
- 自由度(Degrees of Freedom, ):
- 系統自由度:
- 員工自由度:
- 誤差自由度:
- 總自由度:
- 平均平方和(Mean Squares, )與檢定統計量():
(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 () | 值 / 臨界值 () |
|---|---|---|---|---|---|
| 系統(處理,Treatment) | 1000.0 | 2 | 500.0 | 40.0 |
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( 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( 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:
- 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。
- 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 ,各組缺點數為 ,則各組單位缺點數為 。
- 樣本平均單位缺點數(中心線估計值):
- 之標準差:
- 3-Sigma 管制界限: (註:缺點數不可能為負值,若計算之 ,實務上直接設為 )
- 管制圖 vs. 管制圖:
- 管制圖:適用於檢驗單位大小固定( 或固定常數)時的缺點「總數」管制。
- 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( chart)
- 整理樣本基本數據:
- 抽樣組數
- 每組檢驗單位數 部
- 總檢驗單位數 部
- 總缺點數 個
-
計算平均單位缺點數():
-
計算中心線()與管制界限():
- 中心線:
- 標準差:
- 管制上限():
- 管制下限(): 因每單位缺點數不可為負,故取:
(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 部吸塵器,其管制圖各參數變化如下:
- 中心線():
- 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 ),製程條件未改變的情況下, 仍維持為 。
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:
| Source | DF | SS | MS | F |
|---|---|---|---|---|
| 零件 | 19 | 3800.00 | 200.00 | 200.00 |
| 檢測人員 | 2 | 42.00 | 21.00 | 21.00 |
| 零件 檢測人員 | 38 | 38.00 | 1.00 | 3.33 |
| 誤差 | 60 | 18.00 | 0.30 | — |
| 總和 | 119 | 3898.00 | — | — |
(一) 請估算量規重複性的變異數成分()、再現性的變異數成分(),以及量規的變異數()。(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:
- 雙因子隨機效應模型(Two-Way Random Effects Model with Interaction): 設量測值模式為: 其中 為零件隨機效應、 為檢測人員隨機效應、 為兩者之交互作用效應、 為量測重複誤差(設備變異)。
- 期望均方(Expected Mean Squares, EMS):
- 變異數成分分解(Variance Components):
- 重複性(Repeatability, 設備變異):
- 再現性(Reproducibility, 人員與交互作用變異):
- 量規總變異(Gauge R&R):
- 量測系統能力指標(Precision-to-Tolerance Ratio, P/T Ratio): (工程統計主流採 ;傳統 AIAG 規範亦有採 )。
- :量測系統能力優良(Acceptable)。
- :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。
- :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
- 檢測人員數
- 每位檢測員對每個零件量測次數(重複數)
- 總觀測數
由題目變異數分析表已知:
(一) 估算量規重複性、再現性之變異數成分與量規變異數
-
重複性變異數成分(): 重複性源自試驗內部誤差(機差),由誤差均方估計: 其標準差為:
-
零件與檢測員交互作用變異數成分(): 由 可得:
-
檢測人員變異數成分(): 由 可得:
-
再現性變異數成分(): 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: 其標準差為: (註:若依僅考慮作業員主效應之保守定義,則 ,)。
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 ,允收數 ,且已知檢驗前的不合格率為 ,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)
登入後即可作答並保存紀錄。
核心觀念
- 平均樣本數(Average Sample Number, ASN)曲線:
- 衡量在特定送驗批不合格率 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 個樣本進行檢驗,其 ASN 不隨品質水準 改變,曲線恆為一條水平直線:
- 雙次抽樣計畫(Double Sampling Plan, DSP):先抽第一組樣本 。若累積不合格數 則允收;若 則拒收;若介於其間()才抽取第二組樣本 。若不考慮退檢(curtailment),其平均樣本數為: 其曲線呈倒「U」字型(單峰),在品質極佳()或極差()時 ASN 接近 ;在品質模糊的中間區域達到峰值。
- Poisson 逼近二項分配:
- 當批量 很大、樣本大小 且不良率 時,抽樣不合格品數 可良好逼近為參數 的卜瓦松(Poisson)分配:
- 允收機率(Probability of Acceptance, ):
- 不合格品數不超過允收數 之累積機率:
- 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):
- 在題目給定「批量 很大」( 即 )的條件下,公式簡化為:
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
- ASN 曲線特徵比較:
- 雙次抽樣計畫(DSP):其 ASN 是不合格率 的函數。
- 當 非常低(品質優良):第一階段合格機率極高, 直接允收。
- 當 非常高(品質劣質):第一階段不合格數易達拒收標準, 直接拒收。
- 在上述兩種情況下,DSP 僅需檢驗第一階段樣本 (通常 ),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 增加甚至可能略高於 。
- 單次抽樣計畫(SSP):不論來料品質優劣,檢驗樣本數恆固定為 。
- 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: