DOE   Design of Experiment, Experimental Design   실험 계획법, 실험 설계, 실험 계획

(2024-01-02)

실험설계방법, 통계학자 피셔


1. 실험 계획법 이란?

  ㅇ 생산 제품이나 서비스 품질 등에 대해,
     - 영향을 미치는 (중요한) 요인수준들을 찾아내고,
     - 그 영향을 파악하기 위해 (요인 효과),
     - 효율적실험의 계획,시행 및 결과의 분석을 위한, 일련의 통계적 방법론

  ※ 1925년 영국 통계학자 피셔(Ronlad Aylmer Fisher,1890~1962)가, 
     - 영국의 로담스테드 농업실험소에서, 농학 실험과 관련하여, 밀의 품종개량을 위해, 
        . 수확량의 차이를, 통계적인 실험 방법을 통해 결과를 평가한 것이 시초
     - 피셔의 업적 : 실험계획법, 분산분석, 가설검정(유의성검정), p값, 자유도, 최대우도법 등 창안


2. 실험 계획의 수행 목적 및 이유

  ㅇ 목적
     - 이론 및 가설효율적으로 검증하기 위한 계획,분석 수단
     - 원인-결과의 인과 관계(요인 효과)를 객관적으로 파악하기 위한 수단
        . 주로, 반응변수에 영향을 미치는, 유의한 요인효과를 찾아내려는 것
        . 즉, 중요한 요인,수준의 조합을 찾아내려고 함  ☞ 실험계획법 종류 참조
     - 최적 조건의 결정 

  ㅇ 이유 (의도)
     - 입력 변수와 출력 변수와의 관계를 규명키 위함  :  (영향력 정도, 검정추정)
     - 중요 요인을 선별하기 위함  :  (핵심 요인 선별)
     - 공정의 최적조건을 결정하기 위함  :  (최적반응 조건의 결정)

  ※ 사실상, 최소의 실험 회수(비용)로 최대의 정보를 얻기 위함
     - 즉, 실험의 성공을 위한 규칙들의 모음


3. 실험 계획의 지향점

  ㅇ 주요 지향점 2가지
     - 어떻게 효과적으로 실험을 할 것인가 ? 
        . 실험 관리 방법론
           .. 실험의 효율적 시행, 실험 데이터효율적 수집 등
     - 오차가 포함되는 실험결과를 어떻게 분석하는 것이 좋은가 ? 
        . 결과 데이터의 분석방법론
           .. 주요 분석방법 : 분산분석(ANOVA), 상관분석, 회귀분석4. 실험 계획의 순서/절차

  ㅇ 실험 목적의 설정
  ㅇ 실험 계획의 수립
     - 반응변수 선택, 요인수준의 선택, 실험계획 구체화
  ㅇ 실험의 수행
     - 단계별 수행, 조건 유지, 기록 등
  ㅇ 결과 자료 분석 및 검토
     - 주로, 분산분석을 통해 분석 수행
  ㅇ 결론


5. 실험 계획의 용어

  ※ ☞ 실험계획용어 참조
     - 인자,요인(Factor), 인자 배치, 수준(Level), 처리(Treatment), 블록(Block) 등
     - 교호 작용(Interaction), 교락 작용(Confounding) 등


6. 실험 계획의 원리 (피셔의 3 원칙) 

  ※ 실험의 성공(요인 효과의 정확한 검출)을 위한 주요 3 원칙
  
  ㅇ 랜덤화, 무작위 (Randomization) 원리
     - 실험의 시간(순서),공간(장소) 배치를 무작위로 재배정하는 것
     - 즉, 확률적 해석이 가능(즉, 무작위)하게 함
     - 피할 수 없는 외부 요인의 영향을 어느 정도 상쇄시킬 수 있음

  ㅇ 반복화 (Replication) 원리
     - 같은 수준(집단,처리) 내 독립된 실험을 반복하는 것 
     - 즉, 오차 분산이 좋게 추정되게 함으로써 실험 결과의 신뢰성을 높임

  ㅇ 블록화 (Blocking) 원리, 국소 관리 (Local Control) 원리
     - 시간,공간을, 가능하면 동질하게 작게 나눠, 각각의 요인 효과를 보기위해, 실험하는 것
        . 블록 내 동질성을 유지하고,
        . 블록 간 이질적이게 하여,
        . 요인 효과 차이를, 더 뚜렷히 드러내게 함
     - 즉, 균질하고 효과적인 실험을 가능하게 함
        . 직교화 (Orthogonality) 원리
           .. 요인들 간에 직교성을 갖도록 함
        . 교락화 (Confoundng) 원리
           .. 검출 필요가 없는 교호 작용을, 의도적으로 블록과 교락(상쇄)시켜, 실험 효율성을 높임
     - 층화/층별(stratification)와 유사한 개념 임    ☞ 품질관리 도구 참조
        . 산포의 원인이 되는 인자(요인)들을 나누는 것
        . 집단 데이터를 특징에 따라 여러 부분 집단으로 나누는 것


7. 실험 인자의 분류모수 인자 (Fixed Factor) : 실험자 스스로가 실험 수준을 적절히 선택하는 것
     - 기술적 의미를 지니고, 그 수준이 정해짐 (재현성이 요구됨)
        . 제어인자 : 수준을 자유로이 제어 가능
        . 표시인자 : 제어인자의 수준을 조절하기 위해 채택되는 인자
        . 신호인자 : 출력을 변화시키는 입력신호
     - 例) 미리 정해진 작업방법 등

  ㅇ 변량 인자 (Random Factor) : 특정 범위 내에서 임의로(무작위로) 선택되게 하는 것
     - 기술적 의미 보다는, 랜덤하게 수준이 정해지는 인자 (확률변수로 취급됨)
        . 블록인자 : 실험 환경을 균일하게 만들기 위한 인자
        . 보조인자 : 분석시에 만 이용되는 인자
        . 잡음인자 : 특성값에 영향을 미치는 우연정보 인자의 산포들
     - 例) 랜덤하게 샘플링된 시료, 랜덤하게 택해진 시험 날짜 등

  ㅇ 또한, 실험 목적과의 직접성에 따라서, 다음 2개로도 구분 가능
     - 실험 인자
     - 환경 인자


8. 실험 방식의 종류

  ※ [참고] ☞ 실험계획법 종류 참조
     * 제3의 변수를 통제하기 위한 여러 실험설계 방법들의 종류
     - 완전 확률화 계획법 (일원배치, 이원배치 등), 난괴법, 라틴방격법 등

실험계획
   1. 실험계획법   2. 실험 계획 용어   3. 실험계획법 종류  


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