MSA在快捷式身高測量系統(tǒng)設計中的應用

武文慧

（天津工業(yè)大學 管理學院，天津 300380）

身高還為各種工業(yè)設計、機械設備、建筑家具、空間安排提供了設計的基礎，其中心思想就是滿足人的需求，在保證安全的情況下，提高生產(chǎn)效率或進行藝術(shù)創(chuàng)造。因此，對于如何快速準確的獲取測量對象的身高，人們開始研發(fā)各種各樣的身高測量儀器。

根據(jù)對A實驗室深入研究和探索，以及各類傳感器的特點的了解，發(fā)現(xiàn)可以利用F傳感器來測量人體身高，以達到將A實驗室用到實際中去的目的，從而設計了便捷式身高測量系統(tǒng)。通過對便捷式身高測量系統(tǒng)進行測量系統(tǒng)分析，得出該測量系統(tǒng)是可用的，雖然測量距離與實際距離之間存在一些偏差，但是可通過回歸方程來糾正這一偏差，使其線性偏倚變得可接受。最后進行實用性分析，發(fā)現(xiàn)快捷式身高測量儀器在實際使用過程中，能夠準確有效的獲取的人體身高數(shù)據(jù)。并且此測量系統(tǒng)更簡單，快捷，方便，彌補了傳統(tǒng)身高測量儀測量過程存在的麻煩、消耗時間長等不足。

一、快捷式身高測量系統(tǒng)的設計

（一）設計方案

將A實驗室應用于實踐，而不是局限于實驗教學。在對其進行探索研究的過程中，發(fā)現(xiàn)可以利用F傳感器的原理及特點來測量人的身高。因此利用C計算器、B盒子和F傳感器制作一個人體身高測量系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 身高測量儀模擬圖

（二）原理及過程

本次制作的模型，出于方便，直接將F傳感器固定在傳統(tǒng)的身高測量儀器上，如圖2所示。一側(cè)為傳統(tǒng)的身高測量儀，一側(cè)為用A實驗室的器材制作的高度測量儀器，可方便采集數(shù)據(jù)，以及對比。原理：將F傳感器固定在一定的高度上，系統(tǒng)準確的測量F傳感器到人頭頂?shù)木嚯x，再由這個一定高度計算出人體身高。傳統(tǒng)身高測量儀的標注刻度最大為2米，實際高度為2.15米，考慮到F傳感器的測量范圍是0.2至10米，這個一定的高度選取2.127米，即可滿足絕大多數(shù)人的身高測量需求。

圖2 身高測量儀器實物圖

設備安裝：

1.F傳感器連接B盒子通道1。2.B盒子的插頭連接到C計算器上。打開計算器。3.打開B盒子。4.按開始鍵，使用方向鍵。為了便于收集數(shù)據(jù)，在電腦上安裝了D虛擬軟件。將C計算器上的USB接口直接連接到電腦上。使用E系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)，如圖3所示。

圖3 E系統(tǒng)

身高測量儀器設計制造完成后，主要任務就是來分析這個量具是否可用，以及其精密度與準確度，還有與傳統(tǒng)的身高測量儀器相比，是否存在優(yōu)勢。那么首先對量具進行測量系統(tǒng)分析。

二、測量系統(tǒng)分析

測量系統(tǒng)分析（MSA），用于評估測量系統(tǒng)的質(zhì)量，是運用統(tǒng)計方法來分析研究測量系統(tǒng)中的各個變差源以及它們對測量結(jié)果的貢獻，并根據(jù)可接受的判斷方法判斷測量系統(tǒng)的符合性。

（一）試驗方案制定

圖4 測量高度

我們小組三人作為本次試驗的操作員，并編號為A、B、C。每個操作人員對每個高度測量3次，設計一個3310的試驗。測量過程如圖4。

1.用Minitab制作隨機表，由主持人按照隨機表的順序，安排操作人員進行盲測。

2.記錄測得的數(shù)據(jù)和整個測量過程，進行線性和偏倚分析并得出相應結(jié)論。

（二）試驗數(shù)據(jù)采集和測量系統(tǒng)分析

針對測量系統(tǒng)分析的數(shù)據(jù)采集，主要使用C計算器讀取數(shù)據(jù)，便于直觀的讀出某個點的數(shù)據(jù)。

采集的數(shù)據(jù)導入Minitab中，并進行計算得出相關結(jié)果。

圖5 線性偏移分析圖

由線性偏移分析圖可看出，如圖5所示，量具偏倚平均的P值為0，小于0.05，根據(jù)測量系統(tǒng)分析判定標準可知存在顯著的偏倚問題。回歸線性的斜率為0.031111，P值為0，小于0.05，根據(jù)測量系統(tǒng)分析判定標準可知存在顯著的線性問題。認為該測量系統(tǒng)的線性偏倚是不可接受的。究其原因，排除量具故障的可能性，主要就是量具自身缺乏穩(wěn)健性，所以要對其測量結(jié)果進行線性回歸分析，以彌補量具自身的不足。

（三）回歸分析

測量系統(tǒng)存在明顯的線性偏倚，對其進行回歸分析并得出相應結(jié)果。將線性偏倚研究中的數(shù)據(jù)導入Minitab中，進行分析。如圖6所示。

圖6 回歸分析

通過回歸方程，根據(jù)測量數(shù)據(jù)計算出實際距離′（實際距離′=0.969測量距離-0.0496），重新收集數(shù)據(jù)導入Minitab中，并進行計算得出相應結(jié)果。

圖7 實際距離′的線性偏移分析圖

由實際距離′的線性偏倚分析圖可看出，如圖7所示，量具偏倚平均的P值為0.304，遠大于0.05，根據(jù)測量系統(tǒng)分析判定標準可知不存在顯著的偏倚問題。回歸線性的斜率為0.000853，接近于零，P值為0.886，遠大于0.05，根據(jù)測量系統(tǒng)分析判定標準可知不存在顯著的線性問題。故認為經(jīng)過引入回歸方程，該測量系統(tǒng)的線性偏倚變得可接受。

三、測量系統(tǒng)的實用性分析

（一）身高測量儀的使用及分析

經(jīng)過對制作的身高測量儀器進行的測量系統(tǒng)分析，該測量系統(tǒng)是可用的，雖然測量距離與實際距離之間存在較大的偏差，但是可通過回歸方程來糾正這一偏差，使其線性偏倚變得可接受。

為了再次驗證高度測量儀器的實用性，對本組成員A、B、C三人進行身高測量。在數(shù)據(jù)收集過程中，為了便于觀察，采用電腦上安裝的MCL虛擬軟件中的“探世界”實驗室系統(tǒng)-傅氏系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)收集。如圖8所示，是對A同學進行測量時，用電腦收集的圖形。

圖8 軟件收集數(shù)據(jù)

采集數(shù)據(jù)，經(jīng)過回歸方程計算，得到測量高度，與A、B、C三人實際身高相比（實際高度是由傳統(tǒng)的身高測量儀器測得的數(shù)據(jù)），誤差僅在1-2毫米內(nèi)。如表1所示。

表1 身高測量數(shù)據(jù)

由以上所示，快捷式身高測量儀器在實際使用過程中，能夠準確有效的獲取的人體身高數(shù)據(jù)。被測者只需站在F傳感器下方一秒的時間，就能用E系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，將其導入到EXCEL中，通過公式計算，得出被測者的身高。這種方法簡單，快捷，方便，其最大的有點就是節(jié)省時間。

（二）存在的問題及解決方案

在測量過程中，發(fā)現(xiàn)了一系列的問題。

1.測量身高的過程中，頭發(fā)對測量結(jié)果有一定程度的影響。F傳感器主要是靠超聲波來測量被測對象到傳感器的距離，頭發(fā)的松散程度影響了測量結(jié)果，這個影響因素屬于不可避免的，也是因人而異的。所以在此次測量身高的過程中，我選擇在被測對象的頭頂上放一張薄紙，可以保持頭頂?shù)囊粋€水平高度，其次因為紙薄，基本上對測量結(jié)果不會有較大的影響。

2.E系統(tǒng)或者C計算器收集數(shù)據(jù)時，從圖形中明顯可以看出測量得到的數(shù)據(jù)并不是一個穩(wěn)定的數(shù)值，而是有一定的上下波動范圍。經(jīng)多次測量發(fā)現(xiàn)，這個波動為上下1厘米。本文中，在進行測量系統(tǒng)分析中收集的數(shù)據(jù)，使用的C計算器，操作者根據(jù)自己的選擇讀取一個數(shù)據(jù)。在身高測量過程中，使用的是E系統(tǒng)，如圖4-1所示，收集的數(shù)據(jù)呈上下波動狀態(tài)，通過對數(shù)據(jù)的觀察，選取眾數(shù)（出現(xiàn)頻率最大的數(shù)）作為測量結(jié)果進行分析。

結(jié) 語

通過對A實驗室的探索及其研究，將其運用到設計身高測量系統(tǒng)中，以解決傳統(tǒng)身高測量系統(tǒng)的不足。從而設計了快捷式身高測量系統(tǒng)，制作出人體身高測量儀。

通過對測量系統(tǒng)的分析，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)存在線性偏倚問題，對此，進行了回歸分析，矯正測量數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)之間的偏差，確定了身高的測量計算公式，實際身高=2.127（傳感器固定高度）-0.969測量距離+0.0496（固有誤差）。實際系統(tǒng)在長時間運行中測量誤差小于3毫米，確保了系統(tǒng)的準確性和測量數(shù)據(jù)的有效性。

雖然做出了身高測量儀的模型，但是這個模型仍有不足之處。例如為求方便，模型的制作主要借助了傳統(tǒng)的身高測量儀，沒有做出模擬圖中的效果。因此，本文作者對未來工作有以下幾點展望：

1.能做出模擬圖中的效果，并將其真正用于實踐中。2.通過更有效的方法來校正測量儀器的準確度。3.針對數(shù)據(jù)過多，能夠在不穩(wěn)定的數(shù)據(jù)中更準確的選擇一個有效數(shù)據(jù)。4.再選取一個能夠測量壓力的傳感器，設計一個可以同時測量身高和體重的測量儀。