六西格玛管理在高锰酸盐指数测量系统分析中的应用

2021-07-22杨丽

青海环境 2021年2期

杨丽

(辽宁省鞍山生态环境监测中心中心分析室，辽宁鞍山 114000)

环境监测系统目前普遍采用《检验检测机构资质认定能力评价检验检测机构通用要求》(RB/T 214-2017)和《检验检测机构资质认定生态环境监测机构评审补充要求》的方法进行实验室测量系统的管理。在日常监测活动中，这种质量管理方式能基本满足监测任务，使数据可溯源且结果准确，但对系统整体的控制、改进甚至质量提升方面相对薄弱。与此同时，随着质量管理方法的不断创新，我国很多行业包括航空、电子、机械、化工等也逐渐关注跨国企业并学习使用六西格玛管理。因此本研究试将这种质量管理方法应用于环境监测分析项目的测量和改进等方面，研究其在高锰酸盐指数测量系统应用的效果。

六西格玛是一套系统的业务改进方法体系，持续指导业务改进流程，实现管理目标的方法。对现有过程进行过程界定(define)、测量(measure)、分析(analyze)、改进(improve)、控制(control)——简称DMAIC流程，消除过程缺陷和无价值操作，从而提高质量。最初其由摩托罗拉和美国通用电气在管理上应用并取得了巨大成功。之后，包括福特、卡特彼勒、道化学、杜邦、ABB、3M、东芝、惠而浦、三星、LG、西门子、爱立信、洛克希德-马丁、庞巴迪、花旗银行、J.P.摩根、美国运通、英特尔、微软等跨国公司大力推进。西格玛统计学含义为标准差，用来表征输出结果的离散程度，是一种评估监测结果和操作过程波动大小的参数。西格玛水平越高，过程满足质量要求的能力越强。通常管理目标是使测量系统接近或达到六西格玛水平，意味着100万次出错机会中不超过3.4个缺陷[1]。

以高锰酸盐指数测量系统为项目源，进行六西格玛管理方法研究。就是用统计的方法来了解测量系统中的各个波动源，以及它们对测量结果的影响，最后给出该测量系统是否合乎使用要求的判断。在日常监测中，发现高锰酸盐指数系统经常出现质控样不容易做准确的现象，结果波动较大，即使在“大比武”活动中也经常将其列为实际操作考核项目。较大的波动影响测量系统数据质量，因此用六西格玛方法设计测量系统水平分析实验，主要考查系统测量能力、测量系统分辨力。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

酸式滴定管(50.00ml); 电子天平(0.01mg, 德国SARTORIUS, BP211D)

高锰酸钾滴定溶液标准物质(1/5 KMnO4)(0.1004 mol/L, 上海市计量测试技术研究院)；草酸钠摩尔粉剂(Na2C2O4)(0.1000 mol/L，天津傲然精细化工研究所); 硫酸(H2SO4)(化学纯，北京化工厂)；氢氧化钠(NaOH)(优级纯，国药集团化学试剂有限公司)；高锰酸盐指数环境标准样品(203175, 203179, 203176，环境保护部标准样品研究所)。

1.2 标准溶液配制

高锰酸钾溶液、草酸钠溶液、硫酸溶液和氢氧化钠溶液的配制参见中华人民共和国国家环境保护标准《水质高锰酸盐指数的测定》(GB11892-89)[2]。

2 结果与讨论

测量能力和测量系统分辨力分析。测量能力，用来评价测量过程是否有能力准确可靠地反映被测对象的波动。研究变异(%GageR&R)是测量系统波动占整体波动的百分比，可作为测量能力的判据。这个指标小于10%说明测量系统能力良好，在10%～30%之间说明测量系统能力处于临界状态,勉强可接受，大于30%说明测量系统能力不足，误差太大，必须加以改进[1,3]。测量系统分辨力，是指测量系统识别并反映被测量的最微小变化的能力。在六西格玛管理中，可区分类别数可作为分辨力的判断依据，具体判断标准如表1所示。

表1 系统分辨力六西格玛水平的判别准则[3]

实验设计1：选取编号为203179的高锰酸盐指数环境标准样品安瓿瓶5支(保证值为7.76±0.62 mg/L)，测定者3人，测定方法按照《水质高锰酸盐指数的测定》(GB 11892-89)进行测定, 将标准样品打乱顺序重复测定3次。利用MINITAB量具R&R研究(交叉)方差分析，得出分析结果见图1。

图1 高锰酸盐指数测量系统量具分析结果

图1显示高锰酸盐指数(CODMn)的测量系统能力分析结果。可以看到重复性方差为0.0006283；检验员方差为0.0000000；再现性方差为0.000000；重复性方差与再现性方差求和为0.0006283(此即为测量过程波动)；过程方差为0.0022688；总过程波动为0.0028971；研究变异(%GageR&R)为46.57%，测量系统波动与被测对象的容差之比为12.13%。指标在10%～30%之间，说明测量系统能力处于临界状态，勉强可接受。研究变异超过30%说明系统能力较低。可区分类别数为2，表明CODMn测量系统分辨力不足。应进行CODMn系统改进分析。应用头脑风暴中的鱼骨图进行原因识别，如图2所示。

图2 高锰酸盐指数测量系统的失效分析

上图中所列原因均造成CODMn测定系统分辨力不足，CODMn的系统问题主要原因集中在两方面，一方面是加热设备不统一，加热温度不均匀，加热时没有配重设施；另一方面是酸式滴定管没有滴定仪分辨力充足，在加热设备改进的情况下可查看系统是否达标，最后再考虑更换滴定设备。实施方案如下：(1)将加热的烧杯更换为多孔恒温加热装置；(2)加热时，锥形瓶套上配重环；(3)使用计时器，具备提醒功能；(4)统一操作手法；(5)统一环境，如窗户的开闭、空调的参数。

在未更换滴定设备的情况下，验证CODMn测量系统改进方案的有效性。重新选择CODMn标准样品进行测定，按照实验设计1的方法进行测定，结果见表2。

表2 系统改进后CODMn标准样品测定结果

利用MINITAB量具R&R研究(交叉)方差分析，得出分析结果，重复性方差为0.0004827；检验员方差为0.0000075；检验员与标准样品交互作用方差为0.003942；再现性方差为0.0000075；重复性方差与再现性方差求和为0.0004902；过程方差为0.0070554；合计变异为0.0075456；%研究变异(%GageR&R)为25.49%，%P/T=10.71%，这两个指标均属于10%～30%之间，说明测量统能力勉强可接受。可区分类别数为5，表明测量系统分辨力合格可接受。

根据六西格玛检验理论，P值代表显著性值，实验员间P值为0.348，大于0.05，表明实验员间差异不明显，主要差异来源于样本差异。实验员与标准溶液交互作用P值为0.438，大于0.05，表明交互作用不明显。改进后得出高锰酸盐指数方差分析报告，控制图中全部数据都在控制界限内，运行图均值附近的散点集中，A实验员波动性比较小，B实验员波动性最大，人与部件交互作用越小，标准样品1、3使得测量员间分歧较大。