怎樣進行試驗設計?

2020-06-10科學

一、寫在前面

試驗設計其實是1個 通用的統計學工具 ， 不受具體學科的限制 。

答主這裏只 對試驗設計進行科普性的講解 ， 讓小夥伴們對試驗設計有個基礎的了解 ，方便小夥伴們在後期看論文時，知道試驗設計到底是想幹啥。

二、試驗設計目的

做試驗設計之前，首先需要知道試驗設計的目的 。

不同學科領域進行試驗設計的目的都可以用1句話概況： 得到試驗物件的特性規律，即試驗因變量隨試驗自變量的變化規律 。

比如，一杯500ml 奶茶的甜度和它所含的糖分有關 ，加的糖越多，奶茶甜度越大。這裏的 「糖」是自變量 ， 「奶茶甜度」是因變量 。

奶茶店之所以知道「三分甜」、「五分甜」等需要加多少糖，也全靠試驗設計的功勞： 首先需要得到「奶茶甜度」和「糖」之間的關系 ，然後就可以 反算得到「三分甜」、「五分甜」等不同甜度需要多少糖 。

三、試驗設計流程

知道試驗設計的目的後，就可以開始進行試驗設計。

步驟1：確定試驗自變量和試驗因變量

如果連試驗自變量和試驗因變量都無法確定的話，試驗設計無從談起。

試驗因變量其實很好確定 ，但是 自變量的確定很惱火 ，特別是對於那種復雜關系的特性規律。

答主後來自己在用試驗設計時， 總結了2個方法確定試驗自變量 。

第1個是從規律機理上分析試驗自變量 ，畢竟任何1個學科都有很多科學先鋒做了大量的研究，所以從他們的研究中或多或少地都能進行規律機理上的分析；

第2個是透過顯著性分析方法進行自變量的篩選 ，這個是統計學中的1個常用方法，感興趣的小夥伴可以自己搜尋，這裏不做過多贅述。

步驟2：采用合適的試驗設計方法

試驗規律也分為定性和定量 ，如果只是 定性地得到試驗規律 ，那麽有太多方法可以選擇，比如 均勻設計[1] 、 正交設計[2] 等等很多方法。這些方法建議小夥伴直接搜尋相關的論文，論文中的介紹其實是更深入的。

想 得到定量的試驗規律 ，可以采用 中心復合設計[3][4] 等方法；如果想進一步得到更好的試驗設計結果，可以采用 D-最優[5]等方法 進行最佳化。

答主在進行試驗設計的時候 ，采用的是 D-最優和遺傳演算法結合的方式[6] 進行，取得的效果也還不錯，感興趣的小夥伴可以看下，有什麽問題也可以批評指正。

步驟3：執行試驗點並獲取試驗數據，得到試驗規律

試驗設計得到相關試驗點後，剩下的就是 獲取試驗數據 ，並進行試驗數據後處理， 得到試驗規律 。

答主采用多項式模型[6]來反映試驗規律 ，如果是 定性分析，其實也就不用采用什麽模型了 。文主的 試驗設計流程基本可以用下面這張圖表 示。

以上是答主從自己做試驗設計研究過程中總結的一些經驗，歡迎小夥伴們批評指正。

參考文獻