編者按

《從加速數(shù)字化轉(zhuǎn)型，到建設(shè)質(zhì)量強(qiáng)國(guó)》一文為宗福季教授2022年5月至7月發(fā)表于香港科大內(nèi)地辦“教授專欄”上的文章。經(jīng)作者授權(quán)，本刊分三期刊載，本期為該文第二部分。

在質(zhì)量4.0發(fā)展下，工業(yè)大數(shù)據(jù)隱含著眾多機(jī)遇。我們可以基于數(shù)字化轉(zhuǎn)型趨勢(shì)對(duì)許多舊方法進(jìn)行改良。六西格瑪（6 Sigma）是上世紀(jì)80年代末進(jìn)行質(zhì)量管理的一個(gè)常用工具，里面有很多統(tǒng)計(jì)方法。雖然它是三四十年前發(fā)展出來(lái)的工具，但即使在今天仍然非常有效，只是其中有一些方法需要加以更新。

比如，DMAIC方法是六西格瑪管理中流程改善的工具，其中有很多步驟可以根據(jù)現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展加以更新。DMAIC方法主要包含五個(gè)階段。

1.定義階段（Define）：在該階段定義所需要解決的問(wèn)題。有時(shí)候找出、厘清、確認(rèn)真正的問(wèn)題，比如何解決更為重要。

2.測(cè)量階段（Measure）：在該階段對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集。在數(shù)據(jù)收集階段，并不是一開(kāi)始就直接收集數(shù)據(jù)，而是需要花費(fèi)大量精力決定收集什么數(shù)據(jù)。在大數(shù)據(jù)時(shí)代，我們有很多方法獲得海量且各式各樣的數(shù)據(jù)，如傳感器數(shù)據(jù)、不同數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)等。但是，我們并不是盲目收集所有可以獲得的數(shù)據(jù)，而是收集那些與目標(biāo)密切相關(guān)的數(shù)據(jù)。

3.分析階段（Analyze）：通過(guò)數(shù)據(jù)分析方法找到影響產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵參數(shù)。在質(zhì)量4.0時(shí)代，工具可以隨著機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的發(fā)展而不斷改善升級(jí)，比如使用愈發(fā)強(qiáng)大的Python和R 軟件。我們可以各取所長(zhǎng)，從而使建模方法更加多樣。

4.改善階段（Improvement）：尋找優(yōu)化生產(chǎn)的方法，使得流程缺陷降低到最小程度。在質(zhì)量4.0下，除了對(duì)以前的一些工具進(jìn)行改善之外，流程的智能化是重點(diǎn)。我們的目標(biāo)并不在于解決某一個(gè)問(wèn)題，而是當(dāng)再遇到類似問(wèn)題時(shí)可以做到某種程度的智能化，以減少人的反復(fù)參與。這也是目前的一個(gè)研究方向。

5.控制階段（Control）：使改進(jìn)后的流程程序化，并通過(guò)有效的監(jiān)測(cè)手段（如控制圖等），確保流程改進(jìn)的結(jié)果可持續(xù)進(jìn)行。在質(zhì)量4.0下，可以在該階段利用許多改進(jìn)的可視化工具。

采集數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)并不意味著問(wèn)題的完全解決，幫助客戶完成決策才是最終目的，為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)際應(yīng)用需要擁有提升質(zhì)量的創(chuàng)新工具。

一為突破式創(chuàng)新，運(yùn)用創(chuàng)意解決問(wèn)題，要求具有同理心、以人為本的設(shè)計(jì)，通過(guò)觀察、采訪等，發(fā)現(xiàn)用戶深層次的需求，對(duì)問(wèn)題重新進(jìn)行深入的定義。同時(shí)需要通過(guò)發(fā)散性思維，提出眾多解決方案，將一個(gè)好的創(chuàng)意點(diǎn)子用具體的原型來(lái)呈現(xiàn)，將原型通過(guò)情景模擬來(lái)測(cè)試可用性。

二為漸進(jìn)式創(chuàng)新，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)思維解決問(wèn)題不是從無(wú)到有，而是從好到更好；不是從零開(kāi)始，而是以數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)來(lái)創(chuàng)新。根據(jù)定義、測(cè)量、分析、改善、控制這個(gè)流程，以客戶為中心，用嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)、系統(tǒng)方法提高績(jī)效并減少對(duì)客戶而言至關(guān)重要的缺陷。

在工業(yè)大數(shù)據(jù)的框架下，依據(jù)數(shù)據(jù)的運(yùn)用程度可以將工業(yè)大數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用分成9個(gè)層次。

· Level 1：不用數(shù)據(jù)，只依賴經(jīng)驗(yàn)，比如制衣行業(yè)早期；

· Level 2：收集數(shù)據(jù)，但只研究數(shù)據(jù)本身；

· Level 3：將收集的數(shù)據(jù)用圖表進(jìn)行展示；

· Level 4：收集普查數(shù)據(jù)并進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)分析；

· Level 5：收集抽樣數(shù)據(jù)并進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)分析；

· Level 6：收集抽樣數(shù)據(jù)并進(jìn)行推斷性統(tǒng)計(jì)分析；

· Level 7：收集實(shí)時(shí)異構(gòu)傳感器數(shù)據(jù)并進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)分析與可視化；

· Level 8：收集實(shí)時(shí)異構(gòu)傳感器數(shù)據(jù)并進(jìn)行推斷性統(tǒng)計(jì)分析，給出決策建議；

· Level 9：使用工業(yè)人工智能的自主過(guò)程控制，將數(shù)據(jù)分析階段智能化，減少人為參與。

以上九個(gè)層次，需要補(bǔ)充說(shuō)明幾點(diǎn)。

首先，并不是按照從差到好的順序進(jìn)行排序的。比如日本的一些百年老店，完全不用數(shù)據(jù)，而是靠自己的手藝打敗全世界。當(dāng)然他們不使用數(shù)據(jù)也有一些缺陷，比如因?yàn)闆](méi)有數(shù)據(jù)支撐很難去別的城市開(kāi)分店。從Level 2到Level 3涉及到數(shù)據(jù)的可視化，這是一個(gè)很大的進(jìn)步。大家可能覺(jué)得單看數(shù)據(jù)與單看圖是一回事，但其實(shí)很不一樣。人的眼睛通常較難接受數(shù)據(jù)，而較易接受色彩跟圖案。因此，人直接看數(shù)字和看一幅圖的記憶點(diǎn)是完全不一樣的。目前數(shù)據(jù)的可視化已經(jīng)形成一門(mén)學(xué)科。由于人只能看到2D的圖表，所以早期的可視化只是畫(huà)一些簡(jiǎn)單的圖。而大數(shù)據(jù)時(shí)代的數(shù)據(jù)維度非常高，如何將高維實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化是非常重要的一個(gè)課題。

其次，在質(zhì)量4.0框架下（Level 7～9），可以獲得海量實(shí)時(shí)異構(gòu)傳感器數(shù)據(jù)。這些工業(yè)數(shù)據(jù)往往是基于傳感器的高頻率采樣獲得的，并且形式多樣，不僅包括連續(xù)型數(shù)據(jù)，還包含文字、圖像、聲音等多種類型數(shù)據(jù)。如何應(yīng)用實(shí)時(shí)異構(gòu)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析、機(jī)器學(xué)習(xí)、建立模型，并最終給出決策建議，是質(zhì)量4.0繞不開(kāi)的一個(gè)重要議題。

第三，真正的工業(yè)大數(shù)據(jù)分析，必須要做到統(tǒng)計(jì)推斷和統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)，要建立模型，要能夠預(yù)測(cè)未來(lái)的情況或是進(jìn)行描述推斷，其中的確定性、不確定性，都要進(jìn)行分析，因此，描述性統(tǒng)計(jì)和推斷性統(tǒng)計(jì)處于不同的層面。

第四，隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來(lái)，采集數(shù)據(jù)的傳感器價(jià)格越來(lái)越便宜，快速采集數(shù)據(jù)不成難事，難的是如何使用實(shí)時(shí)傳感器數(shù)據(jù)并進(jìn)行描述性的總結(jié)、可視化，也就是工業(yè)大數(shù)據(jù)的Level 7。目前，大部分企業(yè)還停留在Level 7。Level 8是使用實(shí)時(shí)傳感器數(shù)據(jù)并建立統(tǒng)計(jì)模型，進(jìn)行推斷、預(yù)測(cè)并用于決策，這是目前大部分人都希望實(shí)現(xiàn)的。對(duì)數(shù)據(jù)運(yùn)用的最終目的是達(dá)到Level 9，即使用工業(yè)人工智能的自主過(guò)程控制。也就是說(shuō)，在之前的例子中使用數(shù)據(jù)分析幫助商業(yè)決策還不是終點(diǎn)，而如何在下次進(jìn)行同樣決策時(shí)、在無(wú)人力介入的情況下，自動(dòng)給出智能決策建議才是我們想要達(dá)成的目標(biāo)。

從以上內(nèi)容中可以發(fā)現(xiàn)，在質(zhì)量4.0時(shí)代，我們面臨許多機(jī)遇。而工業(yè)大數(shù)據(jù)隱含的機(jī)遇具有兩面性：一方面，很多工具已經(jīng)存在并得到了廣泛應(yīng)用，由于在數(shù)據(jù)不復(fù)雜時(shí)并不需要使用機(jī)器學(xué)習(xí)以及統(tǒng)計(jì)建模這些工具，大家對(duì)他們并不是很重視。例如，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)雖然很早就被提出，但當(dāng)時(shí)沒(méi)有適用的數(shù)據(jù)。因此，單有方法沒(méi)有數(shù)據(jù)是沒(méi)有意義的。另一方面，只有數(shù)據(jù)沒(méi)有方法也不行?，F(xiàn)在，我們可以收集到大量實(shí)時(shí)傳感器數(shù)據(jù)，但如果沒(méi)有方法依然無(wú)法分析建模，這些數(shù)據(jù)仍然不能被完全應(yīng)用。例如，在前面提到的實(shí)例中（見(jiàn)上期“PartⅠ源起”），目前采集到的數(shù)據(jù)只能做到可視化，并沒(méi)有發(fā)揮數(shù)據(jù)的全部作用。當(dāng)前，我們處于數(shù)字化轉(zhuǎn)型階段，數(shù)據(jù)能夠被輕易采集，用于分析預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)的工具也很多。在DMAIC方法中的測(cè)量、分析、改善、控制階段，我們可以在如下方面將機(jī)器學(xué)習(xí)與統(tǒng)計(jì)建模相結(jié)合，對(duì)質(zhì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析建模。

測(cè)量階段：利用分布式傳感器系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)收集，也包括對(duì)機(jī)器運(yùn)行和數(shù)據(jù)進(jìn)行維護(hù)、環(huán)境數(shù)據(jù)等類型數(shù)據(jù)的收集、異構(gòu)數(shù)據(jù)融合與可視化；基于物聯(lián)網(wǎng)的質(zhì)量數(shù)據(jù)整合、分析與監(jiān)控。

分析階段：對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行描述、診斷與預(yù)測(cè)；使用機(jī)器學(xué)習(xí)構(gòu)建過(guò)程變量與產(chǎn)品質(zhì)量之間的關(guān)系；強(qiáng)化隱形因素、關(guān)聯(lián)性和因果性的挖掘。

改善階段：根據(jù)分析結(jié)果提出過(guò)程實(shí)時(shí)優(yōu)化方案；過(guò)程變量的智能動(dòng)態(tài)調(diào)整；自適應(yīng)檢測(cè)。

控制階段：基于大數(shù)據(jù)流的實(shí)時(shí)過(guò)程監(jiān)測(cè)、跟蹤、預(yù)警；基于人工智能的異常檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)智能決策輔助及反饋閉環(huán)。

工業(yè)大數(shù)據(jù)是信息量豐富的資源，同時(shí)，分析數(shù)據(jù)才能指導(dǎo)人們更好地決策。因此，運(yùn)用數(shù)據(jù)分析技術(shù)統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)與機(jī)器學(xué)習(xí)很有必要，采集數(shù)據(jù)并建模，分析哪些特定的預(yù)測(cè)因子（X）實(shí)際影響了回應(yīng)（Y）、屬于正相關(guān)還是負(fù)相關(guān)關(guān)系、簡(jiǎn)單的線性關(guān)系還是復(fù)雜關(guān)系等。如今，大數(shù)據(jù)發(fā)展迅猛，傳感器數(shù)據(jù)到位，系統(tǒng)整合成為可能。系統(tǒng)整合之后才能進(jìn)行分析，而這些分析又可以借助機(jī)器學(xué)習(xí)。以前做不到數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地收集，現(xiàn)在做得到。在數(shù)據(jù)分析、質(zhì)量提升、質(zhì)量控制等方面現(xiàn)在都有提升，以前可能只是停留在學(xué)術(shù)論文層面，現(xiàn)在技術(shù)到位了，以前的學(xué)術(shù)研究到實(shí)踐應(yīng)用時(shí)間周期比較長(zhǎng)，而現(xiàn)在這個(gè)時(shí)間變得比較短了，一些學(xué)術(shù)研究將可以很快在質(zhì)量4.0中得到應(yīng)用。

（部分內(nèi)容已刊登 Tsung,F.,"The Application of Industrial Big Data in Quality Innovation in the Context of Digital Transformation",Journal of Macro-Quality Research,Vol.9,No.3,2021.）