UpTech-hanke testasi koesuun­nit­te­lua DOE-Golfer -laitteella

Koesuun­nit­telu tarkoit­taa mene­tel­mien ja stra­te­gioi­den kehit­tä­mistä tieteel­li­siin kokei­siin tai tutki­muk­siin. Se on prosessi, jossa suun­ni­tel­laan koejär­jes­tely, joka mahdol­lis­taa luotet­ta­vien tulos­ten saami­sen tutkit­ta­vasta ilmiöstä tai hypo­tee­sista. Koesuun­nit­te­lun tavoit­teena on opti­moida kokeen toteu­tus siten, että se tarjoaa mahdol­li­sim­man vahvan ja luotet­ta­van näytön ilmiön tai hypo­tee­sin tueksi. Hyvin suun­ni­teltu koejär­jes­tely auttaa tutki­joita analy­soi­maan dataa ja teke­mään päätel­miä tutki­mus­ky­sy­myk­sen tai hypo­tee­sin pohjalta. (ChatGPT 2023)

Charac­te­riza­tion DOE eli karak­te­ri­sointi kokeessa arvioi­daan proses­siin vaikut­ta­via pääte­ki­jöitä ja niiden keski­näis­vai­ku­tuk­sia. Lisäksi luodaan ennus­te­malli proses­sin toimin­nalle. Yleensä karak­te­ri­soin­ti­ko­keessa kokeessa on mukana useita muut­tu­jia, joita muute­taan useam­paa kerral­laan. Yhdellä muut­tu­jalla on tyypil­li­sesti kaksi eri tasoa. Proses­sissa olevien muut­tu­jien ajatel­laan olevan vaiku­tuk­sel­taan line­aa­ri­sia. (GOAL/QPC 2002, 185)

Confi­ma­tion DOE eli vahvis­tus­koe suori­te­taan aiem­missa kokeista saadulle ennus­te­mal­lille koe, jossa vahvis­te­taan ennus­te­mal­lin antaman proses­sin ennuste ja sitä varten asetet­ta­vien muut­tu­jien arvojen toimi­vuus käytän­nössä. Käytän­nössä siis ennus­te­mal­lin ja käytän­nön pitäisi vastata toisi­aan. (GOAL/QPC 2002, 186)

Minitab-ohjel­misto on tilas­tol­li­nen ohjel­misto, jonka avulla voidaan opetella tilas­to­tie­tee­seen, laadun paran­ta­mi­seen, tuot­teen kehit­tä­mi­seen ja proses­sien kehit­tä­mi­seen liit­ty­viä asioita. Data-analyy­sien avulla voidaan opti­moida ja ennus­taa proses­sien tuot­ta­mien tulok­sia ja tuotok­sia parem­malle tasolle. Minitab ohjel­mis­ton avulla voidaan myös suorit­taa proses­sin koesuun­nit­te­lun järjes­tely. (Minitab 2023)

DOE-Golfer -laitetta käyte­tään Design of Expe­ri­ments (DOE) eli koesuun­nit­te­lun opet­te­luun ja havain­nol­lis­ta­mi­seen. DOE-Golfer -lait­teessa on mahdol­lista vaih­della kuuden muut­tu­jan arvoja; mailan pituutta, heilah­dus­kul­maa, mailan painoa, pallon tyyppiä, käytet­tä­vää alustaa ja lyön­ti­suun­taa. Näistä kolmea eli mailan pituutta, heilah­dus­kul­maa ja mailan painoa voidaan käyttää, jos alusta on aina sama ja se on tasai­nen joka suun­taan. Koesuun­nit­te­lun opet­telu lait­teen kanssa suori­te­taan ryhmä­työnä 3-5 hengen ryhmissä. Lait­teen toimin­taan ja muut­tu­jien säätöi­hin pitää tietysti ensin tutus­tua. Lait­teella voidaan suorit­taa ylei­sim­piä DOE koesuun­nit­te­luun liit­ty­viä harjoi­tuk­sia. (Lye 2006, 1)

Koejär­jes­te­lyt

Hyödyn­simme Minitab-ohjel­mis­toa DOE koesuun­nit­te­lun koejär­jes­te­lyn suun­nit­te­lussa, kokei­den tulos­ten analy­soi­mi­sessa ja DOE-Golfe­rin tulos­ten ennus­ta­mi­sessa. Testa­simme DOE-Golfe­ria teke­mällä karak­te­ri­soin­ti­ko­keen täys­te­ki­jä­ko­keena kolmella muut­tu­jalla eli muut­ta­malla mailan pituutta, heilah­dus­kul­maa ja mailan painoa, kutakin kahdella tasolla. Ennen kokei­lua suori­tet­tiin muuta­mia testi­lyön­tejä ja tote­simme, että kova alusta kuten beto­ni­lat­tia tai kampuk­sen käytävä on alus­tana liian pienellä vierin­tä­vas­tuk­sella oleva ja pallo saa pienel­lä­kin heilah­duk­sella pitkän vierin­tä­mat­kan lähtö­pis­teestä. Koesuun­nit­te­lun opet­te­lua varten olikin hankit­tava teras­si­mat­toa parin metrin pitui­nen pätkä.

Laadimme koejär­jes­te­lyn Minitab-ohjel­mis­tolla. Lait­teessa tehtä­vien säätö­jen teke­mi­sen helpot­ta­mi­seksi kirja­simme ohjel­mis­toon mailan pituu­den mailan­kor­keu­deksi, koska mailan korkeutta sääde­tään vaih­ta­malla kuvan 1 mukai­sesta reikä­ri­vistä säädet­tä­vän akse­lin­paik­kaa. Korkeus­sää­tönä paik­koi­hin oli yksi ja kolme. Heilah­dus­kulma kirjat­tiin muut­tu­jaksi kulma, jonka arvoina olivat 20° ja 40°. Paino kirjat­tiin muut­tu­jaksi prikka, koska mailan painoa muutet­tiin asen­ta­malla painoksi joko yksi tai kaksi prikkaa. Koejär­jes­te­lyssä on mukana siis kolme muut­tu­jaa, joilla kulla­kin on kaksi säätö­ar­voa ja kaikille testia­joille on mukana kaksi toistoa. Yhteensä koea­joja on kokeessa mukana 2³ = 8 koetta ja kun kokeet suori­te­taan kahdella tois­tolla, saadaan kokei­den koko­nais­mää­räksi 16 kpl.

Kokeen etene­mi­nen ja tulokset

Kokee­seen saatiin koemat­rii­siksi taulu­kon 1 mukai­nen järjes­tely Minitab-ohjel­mis­toa hyödyn­täen. Tämän jälkeen rivi kerral­laan suori­timme lait­teella golf­pal­lolle heilu­rilla lyön­tejä ja mitta­simme, kuinka kauaksi pallo vieri lähtö­pis­teestä. Kirja­simme tulok­set samaan tauluk­koon tulos-sarakkeeseen.

Analy­soi­malla tulok­set Mini­ta­billa saimme tietoa DOE-Golfe­rin pallon vierin­tä­mat­kaan vaikut­ta­vista teki­jöistä ja keski­näis­vai­ku­tus­te­ki­jöistä. Minitab-analyysi antoi tiedoksi mitkä tekijät vaikut­ta­vat tilas­tol­li­sesti melkein merkit­tä­västi (p-arvo<0,05) pallon vierin­tä­mat­kaan lähtö­pis­teestä. Mini­ta­bin analyy­sin tulok­sena saatiin myös regres­sio­yh­tälö golfe­rin toimin­nasta. Minitab analyy­sin perus­teella selvisi mitkä tekijät ovat tilas­tol­li­sesti merkit­se­viä. Tilas­tol­li­sesti merkit­se­vät tekijät ylit­tä­vät punai­sen katko­vii­van kuvan 2 Pareto-kaaviossa.

Kuvasta 3 nähdään pääte­ki­jöi­den vaiku­tuk­set pallon vierin­tä­mat­kaan. Suurin vaiku­tus vierin­tä­mat­kaan on lähtö­kul­malla, sekä Pareto-kuvaa­jan, että pääte­ki­jä­ku­van perus­teella. Pääte­ki­jöistä vähiten vierin­tä­mat­kaan vaikut­taa prik­ko­jen lukumäärä.

Toimin­nan opti­moi­tiin Mini­ta­bissa on käytet­tä­vissä myös Response Opti­mizer, jonka avulla voidaan opti­moida ja hakea esim. millä muut­tu­jien arvolla pallon etäi­syy­deksi lyön­nillä saadaan 110 cm. Tähän Minitab-ohjel­misto antoi yhdeksi ratkai­suksi mailan korkeus yksi, kulma 33,3° ja painoksi kaksi prikkaa. Varmis­timme muuta­malla näillä arvoilla tehdyillä testillä pallon vierin­tä­mat­kaksi lukemia 98 cm ja 117 cm väliltä

DOE-Golfe­rin käyttö koesuun­nit­te­lun opet­ta­mi­sessa ja opiskelussa

Kokei­lun perus­teella tote­simme, että lait­teisto sopii hyvin koesuun­nit­te­lun opet­ta­mi­seen ja opis­ke­luun. Lisäksi laitetta voidaan hyödyn­tää hypo­tee­si­tes­tien teke­mi­seen ja proses­sin data-analy­tii­kan tarkas­te­luun. Aikaa koesuun­nit­te­lun teke­mi­seen pitäisi varata parisen tuntia. Ennen itse kokeen teke­mistä pitää Minitab-ohjel­mis­tolla luoda koejär­jes­tely ja varata väli­neet: DOE-Golfer, alus­ta­matto, mitta­nau­haa ja työs­ken­te­ly­ti­laa. Myös ryhmän jäsen­ten työteh­tä­vistä on hyvä sopia ennen kokeen aloit­ta­mista. DOE-Golfe­rin lyön­tien teke­mi­nen vie aikaa, koska lyön­tien suorit­ta­mi­nen huolel­li­sesti koejär­jes­te­lyn ja järjes­te­lyssä tehtä­vien muut­tu­jien säätö­jen mukai­sesti vaati teke­mi­seltä tark­kuutta ja huolellisuutta.

---

Kirjoit­ta­jat:

Jarno Merta­nen, lehtori, Karelia-ammattikorkeakoulu

Jani Kangas, lehtori, Karelia-ammattikorkeakoulu

---

Lähteet:

ChatGPT. 2023. Mitä koesuun­nit­telu tarkoit­taa?. Open AI. https://chat.openai.com/. 12.5.2023

GOAL/QPC. 2002. The Black Belt Memory Jogger. GOAL/QPC.

Lye, L. 2003. Teac­hing DOE with the DOE-Golfer. Memo­rial Univer­sity, Canada.

Minitab. 2023. Minitab Statis­tical Software. https://www.minitab.com/en-us/products/minitab/#tabs-463bc46f9e-u7TUHzLjXM-tab-1 . 17.5.2023.

Artik­ke­li­kuva: Steve Johnson / Pexels