很多工程師習慣使用田口實驗因為其實驗的次數可以大為縮小，節省了很多操作與分析的時間與資源，但是田口實驗有其缺點，使用上不可不慎。
很多企業在產品開發、製程設計和改進的過程中，均不約而同地選擇了試驗設計（DOE）。但試驗設計的方法很多，比較主流是因子實驗、RSM方法和田口方法。本文將為大家重點講述這三種實驗設計方法。
近年來，國內外著名公司，如：摩托羅拉、通用電器、鴻海、台積電、聯電、廣達、緯創等大企業都非常重視產品開發、製程設計和製程改進。在此過程中，大家都會選擇使用試驗設計（DOE）。但試驗設計的方法很多，比較主流是源於西方的經典試驗方法,主要包括比較試驗、全因子試驗(或析因試驗)、部分因子試驗、響應曲面模型(Response Surface Modeling)和D—最優化試驗，其次就是日本品質管制專家田口玄一博士于50年代提出的田口方法。本文將為大家詳細介紹因子試驗、RSM方法和田口方法三種主流試驗設計(DOE)方法。
1.因子試驗
因子試驗主要分為全因子試驗與部分因子試驗。根據試驗所選的位元級不同又分為兩水準因子試驗和三水準因子試驗。兩水準因子試驗基於線性假設,當設計者關心響應擬合過程中是否存在曲面(二次曲面)時，可採用三水準因子試驗。但實際上，三水準因子試驗並不是擬合二次模型的最好方法,響應曲面模型在許多方面都比三水準因子試驗方法更好。因此在實際應用中，因子試驗多指兩水準因子試驗。
在進行因子試驗時,應盡可能選擇中心點進行試驗。選擇中心點的好處在於,一是可以根據模型擬合誤差檢驗模型是否是正態；二是可在中心點處進行若干次試驗,得到試驗誤差項,便於方差分析；三是增加中心點並不破壞試驗的平衡性和正交性。
全因子試驗與部分因子試驗都採用方差分析與繪製正態圖法，以找出重要影響因素(主因素與交互作用)。因子試驗是最傳統的試驗方法，也是其它方法發展的基礎。
2.響應曲面模型（Response Surface Modeling ,簡稱RSM）
由於產品/製程品質特徵與變數間可能不存在線性關係，若僅利用因子試驗進行線性回歸，會在很大程度上偏離真實輸出值，造成誤差。GEP Box等人提出了能夠擬合二次曲面的方法———響應曲面模型(RSM)。
RSM包括兩階段設計。第一階段設計包括進行因子試驗設計(篩選設計和全因子試驗)，擬合一階數學模型，確定模型及最速上升(或下降)方向並求取該階段最優值。根據最速上升或下降方向，可以確定下次試驗各控制變數的變化範圍。其中,在因子試驗中要增加試驗中點，它用於估計模型擬合誤差,並有助於估計二次項係數。第二階段設計主要工作是當發現模型擬合誤差顯著時，擬合二次回歸方程,繪製出響應曲面與等值線圖。RSM的具體設計方法很多，其中最常用的方法是中心複合設計(Central Composite Design,簡記CCD)，即在因子試驗的基礎上增加中點與軸心點。軸心點用於估計二次項係數。大量經驗表明,利用二次模型解決響應曲面問題的效果很好。
為同時考慮均值與方差,RSM方法常用雙響應曲面擬合過程，即一個曲面擬合均值，另一個曲面擬合方差。試驗者可根據響應曲面與等值線尋找適合實際情況的水準組合，達到一種均衡。
注意到僅利用二次模型找出駐點不一定能為試驗者提供足夠的資訊或達到試驗目的。有時工程師必須利用某些限制條件進行優化，從而符合實際作業情況。更特殊的是響應曲面存在鞍點或最大/小值位於試驗區域之外。在這些情況下應用等值曲線會説明試驗者得出正確結論。尤其是出於經濟或技術考慮，需計算一下因素水準變化的響應敏感程度時，應借助等值曲線。
RSM的特點是：(1)它是循序漸進的連續過程，各階段的結果會引導下一步所取方向；(2)它將試驗問題用現成易懂的幾何學術語表達出。等值線與輪廓線的表示清晰易懂；(3)用一階模型條件去靠近響應面,當發現模型擬合誤差顯著時，增加幾個軸點的試驗，使用二階模型進行擬合。
3.田口方法
50年代初，日本電訊研究所中，以田口玄一為首的一批研究人員在費歇爾多元配置法試驗設計基礎上開發了正交試驗技術，並利用一套規格化正交表安排試驗。該方法將工程經驗與統計原理相結合,以經濟效益出發進行資料分析。田口方法將試驗設計成功地與成本結合起來,提出三次設計、損失函數、信噪比、內外表等新概念。
田口方法的第一個特點是採用了三次設計,即系統設計、參數設計與容差設計，其核心是參數設計。即運用正交試驗設計的方法選擇影響系統品質特性的各元部件參數的最佳值及最適宜組合，使系統的品質波動最小，穩定性最好。田口方法理論認為產品的目的特性與原因特性參數水準組合間存在的是非線性關係。利用這一特性，充分利用各元件的組合及調整,即使採用特徵值波動大的三級品元件，仍可得到較穩定的品質特性。在容差設計中,田口又提出了品質損失函數，為選擇元件品級提供了很好的數學評價方法。
第二特點是在進行參數設計和容差設計時,田口採用了內表、外表,分別安排考察因素與誤差波動、信號因素。田口博士認為，試驗設計主要目的是以最低成本獲得系統及產品的穩健性能,它重點解決：(1)如何有效地減少顧客環境下的產品性能的波動且費用最小。 (2)如何保證在試驗中求出的最優條件同樣在加工過程和顧客環境下也最優。在試驗中考察雜訊因素、信號因素，試驗產生的波動更接近於生產、使用過程中的波動，而參數設計主要用於控制此類波動。若需考察內表因素的誤差波動時，田口使用內、外表法,即在內表中安排各信號因素，再將按不同水準組合雜訊因素列於外表中。
第三個特點是正交表規格化。田口方法用點線圖安排主因素及交互作用。其原理與因子試驗中交互作用表頭安排一致,只是點線圖提供了一種便利的方法，簡化表頭安排過程，便於無經驗或不懂原理者使用。
第四個特點是利用信噪比SN作為衡量因素重要性的標準。田口認為方差往往隨平均值變化而變化，僅考慮絕對誤差會忽略這一情況。因此，田口建議使用方差的相對變化量。田口試驗方法及資料分析方法也並非完美的。雖然他的內外表方法設計思想獨特，但在很多情況下，
採用部分因子試驗往往比田口方法更有效。其信噪比指標從統計意義上也是不完善的。
以上三類試驗設計方法都利用統計方法實現產品/製程穩健性設計及製程優化，但過程和原理卻不同。其中，儘管田口方法有不足之處，但其主要思想,尤其是穩健性設計的思想，越來越受到重視並為西方一些品質專家所承認。
這裡整理了一張比較表，說明各種實驗的優劣以使用時機供大家作為參考比較。
因子試驗、RSM 與田口方法的比較表
