R EVUE DE STATISTIQUE APPLIQUÉE
J. C. S ISSON
S. T OURBIER G ERMAIN
Mise au point d’une cartouche de chasse avec l’aide de Magic Plan
Revue de statistique appliquée, tome 37, n
o2 (1989), p. 87-101
<http://www.numdam.org/item?id=RSA_1989__37_2_87_0>
© Société française de statistique, 1989, tous droits réservés.
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MISE AU POINT D’UNE CARTOUCHE DE CHASSE
AVEC L’AIDE DE MAGIC PLAN
J.C. SISSON
Adjoint
au directeur del’Ingénierie Qualité
d’ALSTHOM S. TOURBIER GERMAINDirection de la Recherche
Régie
RENAULTRESUME
Cet article
présente
unexemple
d’utilisation dulogiciel Magic
Plan, à travers la miseau
point
d’une cartouche de chasse.Nous
appliquons
ainsi deuxpoints importants
de laméthodologie Taguchi (l’optimisa-
tion de la
réponse,
et l’étude d’un rapportSignal/Bruit)
aux résultats d’unplan d’expériences original,
construit parMagic
Plan, et nonrépertorié
dans les tablesTaguchi.
Mots-clés : Construction de
plans d’expérience orthogonaux,Plans produits, Rapport Sig-
nal/Bruit,Optimisation,
VariabilitéPlan Introduction
1.
Description
duproblème
1.1 Choix des
réponses
àanalyser
1.2
Description
desparamètres
de l’étude1.3
Listage
des variablessusceptibles d’agir
sur laréponse
1.4 Choix des niveaux ou modalités pour les facteurs sélectionnés 1.5 Détermination des
objectifs
del’expérimentation
2. Formulation de la
requête
3.
Analyse
de larequête,
calcul des nombres d’essais parMagic
Plan3.1
Principe
de calcul des nombres d’essais 3.2 Liste des nombres d’essais4. Construction du Plan par
Magic
Plan5. Réalisation des essais et
analyse
desrésultats
5.1
Analyse
de la vitesse desplombs
sur 30 mètres5.2 Etude du
rapport Signal/Bruit
6.
L’optimisation
Introduction
MAGIC PLAN est un
logiciel
construisant etanalysant
desplans d’expériences orthogonaux.
Son
originalité
repose sur le faitqu’il
ne les propose pasaprès
recherchedans un
catalogue
deplans (tel
que les tablesTaguchi),
mais il les calcule àpartir
d’un
algorithme
basé surl’orthogonalité.
Ainsipeut-on
lui demander tous lestypes
deplans orthogonaux,
et enparticulier,
ceuxprésentés
dans les tablesTaguchi.
L’analyse
de variance effectuée parMagic
Plan estl’analyse classique
desplans orthogonaux.
Celogiciel permet
de calculer le modèlebrut,
le modèle net,et le tableau
d’analyse
de variance(indiquant
les actionssignificatives
et nonsignificatives).
On aégalement
lapossibilité
d’étudier lesrapports Signal/Bruit présentés
parTaguchi.
Nous
allons,
à travers un caspratique,
montrer commentMagic
Plan réaliseune
étude,
etquelle
est la marche à suivre parl’expérimentateur
pour déclarer ses données.1.
Description
duproblème
Le cas traité par
Magic
Plan que nous avons choisi deprésenter
ici est celuid’un fabricant de cartouches de chasse cherchant à
optimiser
la vitesse desplombs.
Avant toute
manipulation
dulogiciel,
ildoit procéder
à uneanalyse approfondie
de son
système.
1.1. Choix des
réponses
àanalyser
Un
plan peut
être construit en vue d’étudierplusieurs réponses,
si celles-cise
rapportent
aux mêmes variables. Par lasuite, Magic
Plan fera uneanalyse
devariance
réponse
parréponse.
La
réponse
àlaquelle
s’intéresse notre fabricant de cartouches est la vitesse desplombs
de chasse à une distance de 30 mètres.1.2.
Description
desparamètres
de l’étudeReprésentation
d’une cartouche de chasse :1.3.
Listage
des variablessusceptibles d’agir
sur laréponse
Ces variables sont
appelées
"Actions" .Les actions sont
généralement découpées
en deux groupes : facteurs et interactions. Une interaction étant une liste de facteurs(on
rencontre leplus
souvent des interactions entre 2
facteurs) n’agissant
pas defaçon indépendante
sur la
réponse.
Les facteurs sont eux-mêmes classés en deux
catégories :
- Les facteurs "bien
maîtrisés",
dits"Principaux"
dansMagic
Plan- Les facteurs "mal
maîtrisés",
dits "Bruits" dansMagic
Plan.Le schéma du
paragraphe
1.2. met en évidence un certain nombre deparamètres
intervenant dans la fabrication de notreproduit.
Ainsi,
le fabricant de cartouches a-t-il choisi de faireporter
sesexpériences
sur
cinq
facteurs bien maîtrisés :- Hauteur des culots de douilles
(Douilles)
- Fournisseur d’amorces
(Amorces)
- Poids de
poudre (Poudre)
-
Type
de bourres(Bourres)
- Fournisseur de
plombs (Plombs)
et trois facteurs mal maîtrisés :
- Diamètre des douilles
(Ddouilles)
- Diamètre de bourres
(Dbourres)
- Hauteur de bourres
(Hbourres).
La déclaration de facteurs bruits va entraîner la construction d’un
plan
pro- duit entre leplan généré
pour les facteursprincipaux
et celui réalisé pour les facteurs bruits. Ceplan
permettra ensuite l’étude d’unrapport Signal/Bruit. L’expérimentateur
pourra définir un
objectif
visant à minimiser la variabilité de la cartouche.1.4. Choix des niveaux ou modalités pour les
facteurs
sélectionnés Les actions déclarées dansMagic
Plan doivent être discrétisées. Deux caspeuvent
seprésenter :
- Soit le facteur est par nature
qualitatif (donc discret),
etl’expérimentateur
doit déclarer ses modalités.
Par
exemple,
le facteur "Fournisseur deplombs"
estqualitatif.
Si deuxfournisseurs entrent en
jeu,
le fabricant doit lui affecter deux modalités : Fal etFa2.
- Soit le facteur est de
type
continu. Pour construire unplan orthogonal l’expérimentateur
doit le discrétiser.Par
exemple,
les facteurs "Hauteur du culot" et "Poids depoudre"
sontcontinus. Combien de niveaux devront-ils
comporter?
Pour
répondre
à cettequestion
il faut avoir une connaissancepréalable
deleur effet sur la vitesse des
plombs.
Si
l’expérimentateur
soupçonne une influencelinéaire,
deux niveaux suffiront pour détecter l’effet(Y =
m + a X+ ’ ").
C’est le cas du facteur "Hauteur de culots" dont le fabricant choisit deux niveaux
(10
mm, 20mm).
Si au contraire on soupçonne une influence non
linéaire,
deux niveaux serontinsuffisants. Pour une influence
quadratique (Y
= m + aX 2 + ···)
trois niveauxsont
nécessaires;
avec deux niveaux onrisque
de conclure à la non influence du facteur alorsqu’il
estsignificatif.
C’est pour cette raison que le facteur "Poids de
poudre"
a étédécoupé
en troisniveaux 1 g;
1,2 g ; 1,4
g .Le fabricant choisit donc les niveaux suivants :
- Hauteur des culots de douilles : 10 mm ; 20 mm
- Fournisseur d’amorces :
Fal ;
Fa2- Poids de
poudre :
1 g;1,2
g;1,4
g-
Type
de bourres : nouveau; standard- Fournisseur de
plombs : Fpl ; Fp2
- Diamètre des douilles :
20,76
mm;20,90
mm- Diamètre des bourres :
20,74
mm;20,82
mm- Hauteur des bourres :
16,1
mm ;16,7
mm.1.5. Détermination des
objectifs
del’expérimentation
Un
expérimentateur peut poursuivre
des buts de nature diverse(trouver
un modèle pouroptimiser
ou atteindre une valeurnominale;
rechercher les facteurssignificatifs ...).
Leproblème
du fabricant de cartouches consiste à atteindre unevaleur nominale de la
réponse,
tout en minimisant sa variabilité. La vitesse desplombs
recherchée doit être au moinségale
à 300m/s.
2. Formulation de la
requête
Tous les éléments définis au cours de
l’analyse préalable
doivent être saisisdans
Magic
Plan dans une zone destinée à larequête
rassemblant tous lesparamètres
d’une étude. Les informations
indispensables
à la construction duplan
et àl’analyse
sont : les noms de
facteurs,
les noms de modalités dechaque facteur,
la nature dechaque
facteur(principal
oubruit),
les interactions(fact 1
*fact2),
les noms deréponses.
Les autres informations ne servent
qu’aux rapports d’analyse
et auxgraphiques.
3.
Analyse
de larequête,
calcul des nombre d’essais parMagic
PlanLe fabricant désire connaître combien d’essais lui coûtera cette étude. Pour
cela,
il demande àMagic
Plan de donner une liste de nombres d’essaiscompatibles
avec ses données.
3.1.
Principe
de calcul des nombres d’essaisLes
plans
construits sontanalysables;
il doit donc leur rester desdegrés
deliberté
(ddl)
au résidu.(Le
nombre de ddl résiduels est le nombre d’essais duplan
moins la somme des ddl des actions moins un pour le terme
constant).
Les nombres d’essais nerespectant
pas cette condition ne seront pasproposés.
Outre cette
contrainte,
le calcul est basé sur leprincipe
del’orthogonalité.
Pourque deux actions soient
orthogonales
il faut que leplan
ait un nombre d’essaisstrictement
multiple
duproduit
de leurs nombres de niveaux. Enprenant
les multi-ples
communs desproduits
des actions deux àdeux,
on obtient une liste de nombres d’essaisqui
sont conditionsnécessaires,
mais non suffisantes à l’existence deplans.
Afin de réduire la
quantité d’opérations,
on élimine de la liste des actions servant aux calculs desproduits
deux àdeux,
les facteurs entrant dans desinteractions. En
effet,
si on a comme modèle Y = m + aA +/?J5
+03B4C
+03BCAB,
le nombre d’essais nécessaire pour
qu’il
yait orthogonalité
duplan s’exprime simplement
par leproduit
du nombre de niveaux AB par celui de C. Car si le nombre d’essais estmultiple
de nAB *nC,
il est aussimultiple
de nA *nB,
nB *
nC,
et nA *nC (rappelons
que nAB = nA *nB).
nA est le nombre de niveaux de
A ;
nAB est le nombre de niveaux de AB ...S’il existe des interactions non
disjointes,
leproduit
de leurs nombres deniveaux est
corrigé
par le nombre de niveaux des actions communes.Exemple :
Si l’on a dans le modèle les interactions AB et
AC;
leurproduit
se traduitpar
(nAB
*nAC)/nA.
3.2. Liste des nombres d’essais
Lorsque Magic
Plan a calculé les nombres d’essaiscompatibles
avec larequête,
ils sont affichés à l’écran et l’utilisateurpeut
demander celuiqui
luiconvient. Ce choix déclenche
l’algorithme
de construction deplan.
Le nombre d’essais choisi par le
fabricant
de cartouches est lepremier
de laliste,
ilcorrespond
auplus petit plan possible
soit 12*4 = 48.Lorsque
des facteurs bruits sontdéclarés,
leplan
recherché est unplan produit,
donc son nombre d’essaiss’exprime
par leproduit
du nombre d’essaisdu
plan principal (ici, 12)
et de celui duplan
bruit(ici, 4).
Nous remarquons que le
plan
Bruitpeut
êtresaturé, puisque l’objet
de l’étuden’est pas de
l’analyser (ainsi
ilpeut
contenir 3 facteurs bruits à 2 niveaux en 4essais,
alors que le nombre de ddl résiduels estnul);
cequi
n’est pas le cas pour leplan Principal qui lui,
laisse 5 ddl au résidu.4. Construction du
plan
parMagic
PlanLa création d’un
plan
parMagic
Plan reposesimplement
sur lesprincipes
del’orthogonalité.
En effet leplan
est construit colonne par colonne de manière à ce quechaque
modalité dechaque
facteur se trouve associée à toutes les modalités des autres facteurs(ceci
un même nombre defois).
Dans notre cas, deux
plans
seront construits :- Un
plan Principal
en 12 essaispermettant
l’étude de 4 facteurs à 2 niveaux et d’un facteur à 3 niveaux(plan
nonrépertorié jusqu’alors).
- Un
plan
Bruit en 4 essais(carré
latin de 3 facteurs à 2niveaux, saturé).
Le
plan produit
sera affiché dans le tableur sous forme d’unplan atomique
où
chaque
essai duplan
Bruit estrépété
autant de foisqu’il
y a d’essais dans le PlanPrincipal (cf
pagesuivante).
5. Réalisation des essais et
analyse
des résultatsLe fabricant de cartouches a réalisé ses essais et a saisi ses résultats dans la colonne "Vitesse" réservée à cet effet à la suite du
plan.
Un ensemble de commandespermet
d’obtenir les résultatsd’analyse
de variance.Magic
Plan effectuel’analyse
de
chaque réponse
defaçon séparée.Un rapport Signal/Bruit (SIN)
étant considérécomme une
réponse,
on pourra étudier successivement lesréponses
"Vitesse" et"S/N(vitesse)".
5.1.
Analyse
de la vitesse desplombs
sur 30 mètresMagic
Plan utilise unalgorithme
derégression
propre auxplans orthogonaux permettant
de calculer les coefficients dumodèle,
et d’établir un tableaud’analyse
de variance.
L’orthogonalité présente l’avantage
desimplifier
les calculs de larégression qui pourraient
être effectués à la main. Ellepermet
en outre de déterminer les coefficients defaçon indépendante
etdonc,
de construire un tableaud’analyse
de
variance,
de manière à classer les actions de laplus significative
à la moinssignificative.
Analyse
de laréponse
Vitesse enm/s
Vitesse = 280.917 +
[-
10.479 - 5.29215.771] [Poudre]
+
[-4.167 4.167] [Douilles]
+[-
6.1676.167] [Amorces]
+
[17.500 - 17.500] [Bourres]
+[2.333 - 2.333] [Plombs]
+
[3.917 - 3.917] [Ddouilles]
+[7.250 - 7.250] [Dbourres]
+
[-
0.7500.750] [Hbourres]
Tableau
d’analyse
de varianceLes Facteurs
significatifs
sontmarqués
d’un S dans la dernière colonne. Tests de Snedecor au seuil a = 0.05 .Retirant les facteurs non
significatifs,
on a :Vitesse = 280.917 +
[-
10.479 - 5.29215.771] [Poudre]
+
[-
4.1674.167] [Douilles]
+[-
6.1676.167] [Amorces]
+
[17.500 - 17.500] [Bourres]
+[3.917 - 3.917] [Ddouilles]
+
[7.250 - 7.250] [Dbourres]
Lecture du modèle brut :
Magic
Planprésente
les modèles sous formematricielle,
on a ainsi défini unereprésentation
claire de l’effet dechaque
action.- y est la
réponse
- m est la moyenne
générale
-
[al
03B12···03B1i···]vecteur
des coefficients de A-
[A]
matrice des modalités de A(sous
formedisjonctive).
Pour connaître l’effet d’une modalité d’une
action,
il suffitd’ajouter
à lamoyenne
générale
le coefficientcorrespondant
à l’ordre de la modalité. L’effet de la ième modalité de A s’obtient donc en calculant m + ai - Ainsi onpeut
donner facilement l’effet des modalités du facteur "Poudre" :- 1 ère modalité
(1 g) : 280,917 - 10,479
=270,438
- 2ème modalité
(1,2 g) : 280,917 - 5,292
=275,625
- 3ème modalité
(1,4 g) : 280,917
+15,771
=296,688
En raison des conditions de
centrage équipondérées,
nous obtenons des coefficients dont la somme est nulle.Calcul des
coefficients
Lorsque
leplan
estorthogonal,
le calcul des coefficients se réduit à dessommes et des moyennes sur la
réponse
Y ·(Ceci
estexpliqué
dans l’article de M.Vigier,
cf réf N°5).
Le tableau
d’analyse
de varianceOn
peut
établir un tableaud’analyse
de variance àpartir
des coefficients trouvésplus haut,
du fait de leurindépendance
obtenuegrâce
àl’orthogonalité
du
plan.
Eneffet,
dans ce cas, les résultats des tests nedépendent
pas de l’ordre d’introduction des actions dans le modèle.Composition du tableau :
N = Nombre d’essais
n = Nombre de ddl consommés par les actions et le terme constant.
nA, nB... = nombre de modalités des actions
ai, 03B2i...
= ième coefficient deA,
B ...g2
= somme des carrés résiduelsChaque ligne représente
uneaction,
la dernière contient les résidus.Le tableau
comporte
7 colonnes. La colonne servant de base pour déclarerune action
significative
est l’avantdernière,
la colonne "seuil".Celle-ci contient laprobabilité
du Fratio calculéegrâce
à la fonction derépartition
de la loi de Snedecor. La dernière colonne contient un "S"lorsque
l’action estsignificative,
etne contient rien sinon.
Le test :
On teste
l’hypothèse Ho :
l’action n’a pas d’influence sur laréponse (la
somme des carrés des coefficients associés à cette action ne diffère passignificativement
de0).
Contre
l’hypothèse Hl :
l’action a une influence sur laréponse (la
sommedes carrés des coefficients de cette action est
significativement
différente de0).
Le test se fait par
comparaison
avec la somme des carrés des résidus.Lerisque
a de décider que l’action est
significative
alorsqu’elle
ne l’est pas estgénéralement
fixé à 5 %
(mais peut
être modifié dansMagic Plan).
La
règle
de décision :- Si Proba
(Fratio)
> 1 - a alors on conclut que l’action estsignificative.
- Si Proba
(Fratio)
1 - a alors on conclut que l’action n’est passignificative.
Pour une action A
ayant
nAniveaux,
laprobabilité
est lue sur la table de Fisher Snedecor à(nA - 1,
N -n) degrés
de liberté.nA - 1 est le nombre de ddl consommés par
A, N - n
est le nombre de ddl résiduels.Ainsi dans notre
étude,
deux facteurs sont nonsignificatifs :
- "Plombs"
(Fournisseur
deplombs)
car Fratio =1,698
et Proba
(Fratio)
=0,804
- "Hbourres"
(Hauteur
desbourres)
car Fratio= 0,175
et Proba
(Fratio) = 0,317
.Ecriture du modèle net
Il suffit de retirer du modèle brut les actions non
significatives
pour obtenir le modèle net. Celui-ci sert à calculer les estimations de laréponse (E(Vitesse))
affichées à la suite du
plan.
5.2. Etude du
rapport Signal/Bruit
La
réponse S/N(Vitesse)
est calculée àpartir
des résultats de laréponse principale (Vitesse) grâce
auxrépétitions
des essais duplan principal
créées par leplan produit.
Magic
Plan propose trois formules derapport S/N
selon lesobjectifs
del’utilisateur :
- Pour minimiser la
réponse : S/N
= - 10log
10[1/n (03A3i Yi2)]
- Pour maximiser la
réponse : S/N
= - 10log
10[1/n (Ei 1/Yi2)]
- Pour atteindre une valeur nominale :
S/N
= 10log
10[1/n(Sn - Ve)/Ve]
avec Sn =
(EiYi2)/n
et n = nombre de
répétitions
dechaque
essai duplan principal (nombre
d’essaisdu
plan bruit).
L’objectif
de notre fabricant de cartouches étant d’atteindre au moins 300m/s
à 30mètres,
il choisit la 3ème formule cequi permet
àMagic
Plan de calculer laréponse S/N (Vitesse).
Parl’analyse
de cetteréponse,
on modélisera la variabilité de la vitesse desplombs
à 30 mètres. Le but du rapportSignal/
Bruit est de trouverla
configuration
des actionsprincipales qui
donne uneréponse
stablequelles
que soient les valeursprises
par les facteurs bruits(de
manière à réduire la variabilité duproduit).
On nepeut
évidemment pas inclure dans ce modèle les facteursbruits, puisqu’ils
servent àgénérer
lesrépétitions. (On
se contenterad’analyser
leplan principal).
On obtient les modèles et le tableau
d’analyse
de variance suivants :Analyse
de laréponse
SIN(Vitesse)
en mlsS/N(Vitesse)
= 30.193 +[3.770
5.225 -8.994] [Poudre]
+
[-1.169 1.169] [Douilles]
+[-1.746 1.746] [Amorces]
+
[1.526 - 1.526] [Bourres]
+[2.235 - 2.235] [Plombs]
Tableau
d’analyse
de varianceLes Facteurs
significatifs
sontmarqués
d’un S dans la dernière colonne.Tests de Snedecor au seuil a = 0.05
S/N(Vitesse)
= 30.193 +[3.770
5.225 -8.994] [Poudre]
On constate que pour cette
réponse,
seul le facteur Poids depoudre
estinfluent. C’est donc sur lui que
portera
la maximisation de la stabilité duproduit.
Après
écriture des modèles pourchaque réponse,
MAGIC PLAN calculeleurs estimations
(cf.
tableau pagesuivante).
6.
L’optimisation
Pour
optimiser
on doit utiliser les deux modèles.- du modèle
représentant S/N(Vitesse),
on déduit lesconfigurations qui
maxi-misent le
rapport Signal/Bruit (sur
les facteurssignificatifs).
- dans le modèle
représentant
la vitesse desplombs,
on sélectionne cellesqui
permettent
d’atteindrel’objectif
tout en tenantcompte
desconfigurations
précédentes.
L’écriture matricielle du modèle facilite la recherche des combinaisons intéressantes. Sachant que seul le facteur Poudre
agit
sur laréponse S/N (Vitesse),
on cherche
quelle
est sa modalité maximisant le rapportSignal/Bruit.
Pour cela il faut choisir celle dont le coefficient est leplus
élevé. On retient donc le second niveau du facteur Poudre :1,2
g.Cette modalité étant
fixée,
il reste à définir la combinaison des autres facteurspermettant
d’atteindre une vitesse minimale de 300m/s.
Il suffit deprendre
dansle modèle
représentant
lavitesse,
les modalités des facteurs dont les coefficients sont lesplus élevés,
engardant
lepoids
depoudre
à1,2
g.La
configuration optimale
de la cartouche de chassepeut
doncs’exprimer
ainsi :
facteurs Douilles Amorces Poudre Bourres Vitesse estimée modalités 20 mm Fa2
1,2
g nouveau303,5 m/s
Cette solution est satisfaisante car, non seulement on minimise la variabilité de la
réponse,
maisaussi,
ondépasse
la vitesse minimale desplombs imposée
par le fabricant.Essais de confirmation :
Pour confirmer
l’optimum
trouvé sur laréponse
et sur lerapport Signal/Bruit,
on réalise
quatre
fois laconfiguration précédente.
Les valeurs mesurées sont alors : 315m/s
313
m/s
309m/s
303m/s
soit une vitesse moyenne de 310
m/s
et unrapport Signal/Bruit
de35,36.
Cequi
est
proche
de l’estimation trouvée par le modèle.Bibliographie
[1]
BENOIST, D.(1974) :
Notions sur lesplans d’expériences
Publication de l’InstitutFrançais
du Pétrole, Ste des EditionsTechnip.
[2]
BENOIST, D.(1970) :
Relations entreplans d’expériences,
Thèse de doctorat ès-sciences,(N°
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Traitement des DonnéesStatistiques, Dunod.
[4]
TAGUCHI, G. :System
ofexperimental design. Unipub
Krans International Publications Whith Plains New York. AmericanSupplier
Institute.[5]
VIGIER, M.(1987) :
Plansd’expériences :
une nouvelle méthodesimple
etgénérale
pour la détermination du modèle et