Definiciones Diseño de Experimentos: La experimentación

Definiciones
Diseño de Experimentos: La experimentación es una técnica utilizada para encontrar el
comportamiento de una variable a partir de diferentes combinaciones de factores o
variables de entrada de un proceso, que al cambiar afectan la respuesta. Para entrar a
experimentar es necesario pasar primero por el diseño de experimentos, esta técnica
busca la manipulación sistemática de las variables de entrada de un proceso para entender
el efecto que estas pueden causar en la variable respuesta. Es ampliamente utilizado en
las empresas debido a que éste permite visualizar situaciones que pueden suceder a partir
de la realización de un proceso. En la industria se utiliza principalmente para buscar el
mejoramiento del rendimiento de un proceso, para reducir la variabilidad y permitir que
haya un mayor acercamiento a los parámetros de la empresa, para reducir tiempos de
procesamiento y reducir costos. Cualquier problema experimental incluye: diseño del
experimento y análisis de los datos.
Diseño del Experimento: Se refiere al proceso de planear el experimento que se desea.
Es la adquisición de los datos apropiadamente para analizarlos de manera estadística.
Cuando se tiene un proceso para análisis, es importante definirlo correctamente y
proceder a buscar el mejor diseño de experimentos, de manera que se le pueda sacar el
mejor provecho a los datos colectados por medio del análisis estadístico. Las bases de un
diseño de experimentos son: replicación, aleatoriedad y bloqueo.
Replicación o Repetición: Es el número de ocasiones que se efectúa una misma
condición experimental en la prueba o experimento que se esta haciendo. Si por ejemplo
se desea probar el efecto que produce el cambio de temperatura (100 oC y 200 oC) y el
cambio de presión (3 PSI y 6 PSI)
en un componente, se tendría una condición
experimental al establecer la prueba con 100 oC de temperatura y 3 PSI de presión; si
bajo esta condición experimental se hacen dos pruebas, entonces se están realizando dos
replicas o repeticiones. La siguiente figura ilustra la situación:
Factor 1: Temperatura
Factor 2: Presión
Nivel 1 del factor
Nivel 2 del factor
temperatura:
temperatura:
100 oC
200 oC
Nivel 1 del factor Presión:
X1
Respuestas bajo la
Y1
3 PSI
X2
condición 100 oC y 3 PSI
Y2
Nivel 2 del factor Presión:
W1
Z1
6 PSI
W2
Z2
Las letras de color rojo, indican las respuestas a la primera réplica bajo las condiciones
allí mostradas. Las letras de color negro, indican las respuestas a la segunda replica bajo
las condiciones allí mostradas.
Aleatoriedad: Es el orden en que se ejecutan las condiciones experimentales en el
experimento. Bajo la aleatoriedad todos los tratamientos tiene la misma oportunidad de
ser seleccionados. Es usada con el propósito de cancelar efectos de variables que no se
están
controlando
(como
efectos
del
ambiente
en
el
que
se
realiza
el
experimento → humedad). La aleatoriedad cancela el efecto de factores que quizá no
conocemos que están allí, incluso estos pueden estar cambiando sus niveles a medida que
corremos el experimento. Cuando se conoce la fuente de variabilidad y se puede
controlar, se usa una técnica llamada bloqueo.
La figura muestra dos bolsas que representan el factor, dentro de cada una se encuentran
4 papeles que están etiquetados con los niveles para cada factor. Una forma de hacer un
procedimiento aleatorio, para el caso del ejemplo mencionado en la definición de
replicación, seria tomar de cada bolsa sin mirar, un papelito. Allí se ilustra una mano
tomando un papelito de cada bolsa, la misma persona entonces toma un papel de la bolsa
de temperatura y luego otro papel de la bolsa de presión y se establece entonces la
primera condición experimental. Una vez establecida estos papeles se dejan afuera de las
bolsas y se prosigue con la siguiente condición experimental. Una vez no hayan papeles
en la bolsa se ha terminado de establecer la primera réplica; si se desea tener más de una
réplica, entonces se ingresan los papeles a las bolsas y se repite el procedimiento hasta
completar la segunda replica.
Bloqueo: Es una técnica utilizada con el fin de aumentar la precisión del experimento. Se
usa cuando se conoce la fuente de variabilidad y se puede controlar. Al controlarla se
reduce la variabilidad introducida por esta fuente y se evita que esta influya en la
respuesta cuando no se esta interesado en el efecto de la misma. Un bloque es una
porción del material experimental que debe ser más homogénea que el conjunto completo
del material.
Factores: Los factores son las variables de interés para las cuales se quiere estudiar el
impacto que tienen las mismas en la respuesta. Las variables temperatura y presión
utilizadas para el ejemplo descrito en la definición de replica, son los factores de interés
en la experimentación. Estos se puede clasificar como variables controlables: que pueden
a su vez clasificarse en variables cualitativas (tipo de material sujeto) y cuantitativas
(temperatura y presión). Las variables no controlables afectan el experimento y en
ocasiones no son tenidas en cuenta; estas son medibles mas no están bajo el control del
experimentador (humedad, la cual se mide mas no se controla). Los factores también
pueden ser clasificados de manera fija o aleatoria. Se clasifican de manera fija cuando los
niveles del factor (en el caso de factor temperatura antes mencionado, sus niveles son 2:
100 oC y 200 oC) son los únicos niveles de interés; es decir que el rango experimental se
abarca por completo con esos niveles. Los factores se clasifican de manera aleatoria,
cuando los niveles del factor son una muestra que salen de una población mayor y se
desea hacer inferencia en la población a partir de los niveles seleccionados.
Niveles: Es el número de alternativas o ajustes para cada factor. La figura mostrada en la
definición de replicación, ilustra los niveles para cada factor. En el caso de ese ejemplo
en particular se tienen dos niveles para cada uno de los factores.
Variables de salida: Son las variables respuesta del experimento. La respuesta puede ser
univariada (una sola salida de interés) o multivariada (múltiples salidas de interés). Estas
pueden clasificarse en variables cualitativas y cuantitativas. Se clasifican como
cualitativas cuando por ejemplo: se refiere a características, donde la respuesta es un si o
un no (cuando se desea saber si un producto es aceptable o no de acuerdo a características
observadas, o cuando se tienen en cuenta las características de una persona para tomar
una decisión). Se clasifican como cuantitativas cuando se mide algo numérico como la
viscosidad, el lead time de los procesos, el tiempo, el peso etc.
Modelos según las variables analizadas
Variable de entrada o factor (X)
Variable de
salida
Cuantitativa
Cualitativa
o Cuantitativa Diagramas de dispersión, Análisis de varianza
respuesta(Y)
Cualitativa
Regresión
(ANOVA)
Regresión Logística
Tablas
contingencia
de
Pasos a seguir en el diseño de experimentos:
1. Reconocimiento y establecimiento del problema
2. Selección de los factores y niveles de cada uno de estos
3. Selección de la variable respuesta
4. Determinación del diseño experimental que debe llevarse a cabo
5. Realización del experimento para la obtención de los datos de la respuesta
6. Análisis de los datos
7. Conclusiones y recomendaciones
8. Estudio de confirmación
Grados de libertad: Estos se refieren al número de términos independientes en un test
particular. Teniendo n como el número de términos, los grados de libertad se calculan
mediante n-1.