油气集输中原油处理质量特性的多变量工序能力评价.docx
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油气集输中原油处理质量特性的多变量工序能力评价
2013年油气集输大队
技术管理座谈会
油气集输中原油处理质量特性的多变量工序能力评价
完成单位：
集输大队管理办
撰稿人：
马腾祥
完成时间：
2013年6月21日
油气集输中原油处理质量特性的多变量工序能力评价
前言
随着对油气集输原油含水指标标准的提高，对油气集输原油处理过程的稳定性提出了更高的要求，原油含水指标是否稳定将直接影响油气集输大队的发展及内在质量观念。
过程性能指数Pp、Ppk是QS-9000标准中提出的，能够反映系统当前的实际状态，而并不要求在过程稳态条件下进行计算。
Pp和Ppk是对过程能力和管理能力的反映，因其具有不同于过程能力指数Cp、Cpk的特点，反映了实时过程的性能，利用Pp和Ppk两数值，可对桩西联合站当前的过程性能有更多的了解。
在进行工序能力评价时，需对原油集输的多个质量特性进行综合评价。
一、常规过程能力指数
过程是一组输入转为输出的相互关联或作用的活动，具备三个条件：
（1）任何过程必须是有效过程；
（2）任何过程必须是稳定受控过程；
（3）任何过程都不是孤立的，应形成过程网络。
1、过程能力
过程能力指在正常状态下，加工产品质量能够满足技术质量标准的能力。
过程能力记为：
B=6σ=6s
过程能力实际是考核过程的99.73%的能力。
用于衡量过程加工产品质量的内在一致性，是稳定受控状态下的最小波动，要求其数值越小越好。
它取决于影响质量的因素，如人、机、料、法、环等，即组织的技术水平和管理水平，与产品公差无关。
2、过程能力指数
过程能力指数指过程能力满足质量要求的程度，记为Cp：
Cp=T/B=（TU-TL）/6σ=（TU-TL）/6s
式中：
T——质量特性的公差范围；
TU——上公差界限；
TL——下公差界限；
B——过程能力；
σ——质量特性值总体分布的标准差；
s——质量特性值样本分布的标准差。
3、过程能力指数的计算
根据质量特性的类别不同，过程能力指数的计算有以下四种形式：
（1）望目值质量特性当X=M时，
Cp=T/6σ=（TU-TL）/6S
*注：
望目值质量特性当X=M时，
Cp=CPU=（TU-X）/3σ=（TU-X）/3S
Cp=CPL=（X-TL）/3σ=（X-TL）/3S
（2）望目值质量特性当X≠M时，此时有偏移量ε=|X-M|
相对偏移量：
k=ε/（T/2）=2ε/T
修正的过程能力指数为：
CPK=（1-k）CP=（T-2ε）/6σ=（T-2ε）/6S
*注：
望目值质量特性当X≠M时，有
CPK=min（CPU，CPL）
（3）望小值质量特性
CPU=（TU-X）/3σ=（TU-X）/3s
（4）望大值质量特性
CPL=（X-TL）/3σ=（X-TL）/3s
4、过程能力的等级评定
表1常规过程能力等级评定表
等级
特级
一级
二级
三级
四级
Cp
≥1.67
≥1.33~1.67
≥1.00~1.33
≥0.67~1.00
<0.67
评价
过高
充分
尚可
不充分
不足
注：
1.认为Cp=1.33最佳，不符合现代高科技对高质量的要求；
2.没有考虑产品质量特性重要度分级的不同情况不同对待。
表2产品——过程综合能力等级评定表
Cp
等级
特性
过程能力指数范围
≥1.67
≥1.33~1.67
≥1.00~1.33
≥0.67~1.00
<0.67
A类质量特性
Ⅲ
Ⅳ
Ⅴ
Ⅵ
Ⅶ
B类质量特性
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
Ⅴ
Ⅵ
C类质量特性
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
Ⅴ
注：
1.表中等级评定以Ⅲ级为最适宜的过程能力。
2.A类质量特性：
关键质量特性；B类质量特性：
重要质量特性；C类质量特性：
一般质量特性。
表3产品——过程综合特性能力等级评定及措施表
（1）
关键质量特性
等级
过程能力
判断
措施
Ⅲ级
Cp≥1.67
理想状态
Ⅳ级
1.67>Cp≥1.33
低风险
Ⅴ级
1.33>Cp≥1.00
中等风险
Ⅵ级
1.00>Cp≥0.67
高风险
Ⅶ级
Cp<0.67
极高风险
表4产品——过程综合特性能力等级评定及措施表
（2）
重要质量特性
等级
过程能力
判断
措施
Ⅱ级
Cp≥1.67
能力富余
Ⅲ级
1.67>Cp≥1.33
理想状态
Ⅳ级
1.33>Cp≥1.00
低风险
Ⅴ级
1.00>Cp≥0.67
中等风险
Ⅵ级
Cp<0.67
高风险
表5产品——过程综合特性能力等级评定及措施表（3）
一般质量特性
等级
过程能力
判断
措施
Ⅰ级
Cp≥1.67
能力过剩
Ⅱ级
1.67>Cp≥1.33
能力富余
Ⅲ级
1.33>Cp≥1.00
理想状态
Ⅳ级
1.00>Cp≥0.67
低风险
Ⅴ级
Cp<0.67
中等风险
二、多元质量特性过程能力指数
1、过程性能指数（P系列）
过程能力的评价对象是某个服从正态分布的质量特性，通常用6倍标准差表示过程能力。
过程性能指数用Pp和Ppk来表示，Pp为无偏移过程性能指数，Ppk为有偏移过程性能指数：
USL—LSL
Pp=----------
6σ
USL—μμ—LSL
Ppk=min（---------，---------）
3σ3σ
式中：
USL——技术要求的上规范限；
LSL——技术要求的下规范限；
σ———工序数据的标准差；
μ———工序数据的均值。
2、主要素分析
主要素分析的基本思想是通过线性变换，将原始数据投影到相互正交的新空间中，达到降维和消除相关性的目的。
计算过程如下：
计算样本的协方差矩阵S：
S11S12S13……S1m
S=S21S22S23……S2m（3）
………………
Sm1Sm2Sm3……Smm
S是一个m×m对称的非奇异矩阵，其中Sii是xi的标准差，Sij是xi与xj的协方差。
1n_
Sii=——Σ（xik-xi）×（xjk-xj）（4）
n-1k=1
1n
xi=——Σxij（5）
nj=1
通过标准正交处理D=ETx·SEx，得到对角矩阵D，D中的对角元素λ1，λ2，…，λm，（λ1>λ2>…>λm）是矩阵S的特征值，E1，E2，…,Em是这些特征值所对应的特征向量。
Ei就是各变量在第i个因子上的载荷。
计算每个因子的贡献率：
Ri=λi/Σλi（i=1，2，…，m）（6）
则因子分析的载荷矩阵L为：
√λ100
L=E1，E2，…，Em000（7）
00√λm
3、综合过程性能指数的计算
要全面评价油气集输多个质量特性的综合过程能力，可通过主要素分析，构造相互独立且服从正态分布的新变量，根据各个新变量的过程性能指数及其权重综合计算过程性能指数。
（1）对原始数据矩阵X进行标准化处理，消除量纲影响，得到矩阵Xst。
（2）对矩阵Xst进行主要素分析，计算出载荷矩阵L，得分矩阵T，计算每个因子的贡献率，并依据累积方差贡献率≥90%的原则，确定主因素个数l。
（3）将各质量特性规范限按照步骤
（1）的方法标准化后，转化为对应各因子的规范限。
（4）依据Pp和Ppk的计算公式，计算各元素的Pp、Ppk值。
（5）计算综合过程性能指数：
l
Ppr=ΣWiPpi，
i=1
l
Ppkr=ΣWiPpk,i
i=1
其中，l为主因素个数，
l
Wi=λi/Σλn为权重值。
i=1
三、原油处理质量特性的多变量工序能力评价
随机抽取桩西联合站30天的生产数据作为样本，见表6。
表6桩西联合站原油含水指标检测结果
序号
进站含水率%
一级高效分水器%
原油沉降罐%
原油稳定率%
交油含水率%
1
73
9.9
0.23
82
0.53
2
81
9.5
0.18
79
0.46
3
82
10.2
0.16
88
0.44
4
79
9.8
0.27
92
0.57
5
76
10.5
0.23
85
0.51
6
88
10.3
0.21
79
0.49
7
76
9.7
0.20
84
0.52
8
74
10.1
0.18
81
0.41
9
77
10.2
0.20
91
0.55
10
84
10.4
0.18
90
0.51
11
82
9.9
0.24
94
0.53
12
80
9.7
0.23
89
0.48
13
83
10.1
0.19
88
0.43
14
78
9.8
0.20
79
0.52
15
77
10.4
0.18
92
0.44
16
82
10.2
0.26
93
0.43
17
79
10.1
0.19
89
0.47
18
88
9.8
0.21
87
0.58
19
71
9.9
0.25
88
0.53
20
79
9.8
0.22
92
0.49
21
81
10.1
0.17
88
0.46
22
77
9.9
0.21
78
0.52
23
83
10.0
0.16
79
0.50
24
86
10.1
0.18
84
0.46
25
79
9.8
0.27
92
0.45
26
75
9.7
0.22
83
0.56
27
78
10.2
0.11
87
0.55
28
80
10.3
0.19
90
0.47
29
81
9.8
0.24
85
0.49
30
84
10.1
0.17
88
0.48
各项指标规范要求为：
原油进站含水率80%；一级高效分水器10%；原油沉降罐≥0.1%；原油稳定率≥75%；交油含水率≤0.6%。
对表6数据进行标准化处理。
计算标准化后原始数据各项指标之间的相关系数，结果如表7所示。
表7标准化后原始数据各项指标之间的相关系数
进站含水率
一级高效分水器
原油沉降罐
原油稳定率
一级高效分水器
0.5181**
原油沉降罐
0.3114*
0.1280
原油稳定率
0.1910
0.2859
-0.2981
交油含水率
0.1180
-0.2287
-0.0163
-0.1728
注：
**表示在α=0.05水平下显著相关；
*表示在α=0.10水平下显著相关。
对标准化后数据进行主成分分析，得出载荷矩阵L：
0.6034-0.28050.30960.0378-0.6781
0.64980.0581-0.0643-0.57210.4929
L=0.2241-0.6612-0.36000.51870.3375
0.35660.59010.26610.63320.2299
-0.1904-0.36400.8364-0.03620.3610
载荷矩阵的特征值为：
1.7491、1.3779、1.0133、0.5188、0.3409，各因子方差贡献率分别为：
34.98%、27.56%、20.27%、10.38%、6.82%，由于前三个因子累积贡献率为93.18%>90%，确定为主成分。
将原油进站含水率、一级高效分水器、原油沉降罐、原油稳定率、交油含水率规范限及分布中心标准化后投影到新空间，得到主成分规范限、规格中心、分布中心，其规格限为：
PC1（-8.727，7.9143）、PC2（-3.0800，3.6643）、PC3（-2.9932，3.8002）、PC4（-1.6950，2.2853）。
规格中心为：
-0.4064、0.2923、0.4034、0.2952。
由于原始数据经过了标准化处理，分布中心均为0。
经检验，四个主成分均符合正态分布，由此得PC1（0，1.3226）、PC2（0，1.1739）、PC3（0，1.0066）、PC4（0，0.7202）。
计算PP、PPK值。
根据上述公式，求得主成分的PP、PPK值：
PP，PC1=2.10，PP，PC2=0.96，PP，PC3=1.12，PP，PC4=0.92；PPK，PC1=2.04，PPK，PC2=0.91，PPK，PC3=1.05，PPK，PC4=0.85。
计算综合过程性能指数P’P、P’PK。
首先确定各主成分权重：
l
Wi=λi/Σλn
i=1
由此得到，W1=37.54%，W2=29.57%，W3=21.75%，W4=11.13%。
从而求得：
Ppr=1.42；Ppkr=1.36。
由于1.33＜Ppr＜1.67，说明过程能力充分，且Ppkr与差异不大，说明“管理能力”较好。
四、结果与讨论
计算原油脱水样本进站含水率、一级高效分水器、原油沉降罐、原油稳定率、交油含水率各质量指标单变量过程性能指数PP、PPK，结果如表8所示。
表8原油脱水样本各质量指标单变量过程性能指数
进站含水率
一级高效分水器
原油沉降罐
原油稳定率
交油含水率
PP
1.58
1.86
1.69
1.31
1.22
PPK
1.44
1.76
1.64
1.18
1.09
从表8中看出，各单变量过程性能指数计算结果差距较大，不能反映工序的综合过程能力。
与之相比，综合过程性能指数充分利用各单变量的质量信息，能够较全面地反映工序的过程能力。
本文将过程性能指数与主成分分析相结合，对工序能力进行综合评价，从而有效解决了由于质量特性相关性和多质量特性带来的无法有效计算过程性能指数的问题。
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