Общая причина и особая причина (статистика)

Тип вариации	Синонимы
Общая причина	Случайная причина Неопределяемая причина Шум Естественный узор Случайные эффекты Случайная ошибка
Особая причина	Назначаемая причина Сигнал Неестественный узор Систематические эффекты Систематическая ошибка

Общие и особые причины — это два различных источника изменений в процессе, как они определены в статистическом мышлении и методах Уолтера А. Шухарта и У. Эдвардса Деминга . Короче говоря, «общие причины», также называемые естественными закономерностями , представляют собой обычные, исторические, поддающиеся количественному измерению изменения в системе, тогда как «особые причины» представляют собой необычные, ранее не наблюдавшиеся, не поддающиеся количественному измерению изменения.

Это различие является фундаментальным в философии статистики и философии вероятности , причем различная трактовка этих вопросов является классической проблемой интерпретации вероятности , признанной и обсуждаемой еще в 1703 году Готфридом Лейбницем ; На протяжении многих лет использовались различные альтернативные названия. Это различие было особенно важным в мышлении экономистов Фрэнка Найта , Джона Мейнарда Кейнса и Г.Л.С. Шекла .

Истоки и концепции

В 1703 году Якоб Бернулли написал Готфриду Лейбницу, чтобы обсудить их общий интерес к применению математики и теории вероятности в азартных играх. Бернулли размышлял, можно ли собрать данные о смертности по надгробиям и таким образом вычислить, используя существующую практику, вероятность того, что мужчина в возрасте 20 лет переживет мужчину в возрасте 60 лет. Лейбниц ответил, что сомневается в возможности этого:

Природа установила закономерности, возникающие в результате повторения событий, но только по большей части. Новые болезни наводняют род человеческий, так что сколько бы опытов вы ни ставили на трупах, вы не наложили тем самым предел на природу событий, чтобы в будущем они не могли меняться.

Это отражает основную идею о том, что некоторые вариации предсказуемы, по крайней мере, приблизительно по частоте. Это изменение по общей причине очевидно из опыта. Однако новые, непредвиденные, возникающие или ранее игнорированные явления (например, «новые болезни») приводят к изменениям, выходящим за рамки исторического опыта. Шухарт и Деминг утверждали, что такие изменения по особым причинам принципиально непредсказуемы по частоте возникновения и тяжести.

Джон Мейнард Кейнс подчеркивал важность вариаций по особым причинам, когда писал:

Под «неопределенным» знанием… я не имею в виду просто отличать то, что известно наверняка, от того, что лишь вероятно. В этом смысле игра в рулетку не подвержена неопределенности ... Я использую этот термин в том смысле, что перспектива европейской войны неопределенна, или цена меди и процентная ставка двадцать лет спустя или устаревание нового изобретения... В этих вопросах нет никакой научной основы, на которой можно было бы сформировать какую-либо вычислимую вероятность. Мы просто не знаем!

Определения

Варианты по общей причине

Вариации по общей причине характеризуются:

Явления, постоянно действующие внутри системы;
Изменение предсказуемо вероятностно ;
Нерегулярные вариации в базе исторического опыта; и
Отсутствие значимости отдельных высоких или низких значений.

Результаты идеально сбалансированного колеса рулетки являются хорошим примером вариаций по общей причине. Общей причиной отклонения является шум внутри системы.

Уолтер А. Шухарт первоначально использовал термин «случайная причина» . ^[1] Термин «общее дело» был придуман Гарри Альпертом в 1947 году. Western Electric Company использовала термин « естественная закономерность» . ^[2] Шухарт назвал процесс, в котором наблюдаются только вариации по общей причине, находящимся под статистическим контролем . Этот термин не одобряется некоторыми современными статистиками, которые предпочитают фразу « стабильный и предсказуемый» .

Вариант по особой причине

Вариации по особым причинам характеризуются:

Новые, непредвиденные, возникающие или ранее игнорируемые явления внутри системы;
Вариация по своей сути непредсказуема, даже вероятностно;
Вариации, выходящие за рамки исторического опыта; и
Свидетельство некоторых внутренних изменений в системе или наших знаний о ней.

Вариации по особым причинам всегда становятся неожиданностью. Это сигнал внутри системы.

Уолтер А. Шухарт первоначально использовал термин «определяемая причина» . ^[3] Термин «особая причина» был придуман У. Эдвардсом Демингом . Western Electric Company использовала термин «неестественный образец» . ^[2]

Примеры

Распространенные причины

Неподходящие процедуры
Плохой дизайн
Плохое обслуживание машин
Отсутствие четко определенных стандартных операционных процедур.
Плохие условия труда, например, освещение, шум, грязь, температура, вентиляция.
Некачественное сырье
измерения Ошибка
контроля качества Ошибка
Вибрация в промышленных процессах
Температура окружающей среды и влажность
Нормальный износ
Вариативность настроек
компьютера Время отклика

Особые причины

Неправильная регулировка оборудования
Оператор засыпает
Неисправные контроллеры
Неисправность машины
Падение земли
Компьютерный сбой
Недостаточная партия сырья
Скачки напряжения
Высокий спрос на медицинскую помощь со стороны пожилых людей
Сломанная часть
Недостаточная осведомленность
Аномальный трафик ( мошенничество с кликами ) в веб-объявлениях
Чрезвычайно длительное время выполнения лабораторных испытаний из-за перехода на новую компьютерную систему.
Оператор отсутствует ^[4]

Значение для экономики

В экономике этот круг идей анализируется под рубрикой « неопределенность Найта ». Джон Мейнард Кейнс и Фрэнк Найт в своих работах обсуждали присущую экономическим системам непредсказуемость и использовали ее для критики математического подхода к экономике с точки зрения ожидаемой полезности , разработанного Людвигом фон Мизесом и другими. Кейнс, в частности, утверждал, что экономические системы не стремятся автоматически к равновесию полной занятости из-за неспособности их агентов предсказывать будущее. Как он заметил в «Общей теории занятости, процента и денег» :

... как живые и движущиеся существа, мы вынуждены действовать... [даже когда] наши существующие знания не обеспечивают достаточной основы для расчетного математического ожидания.

Идеи Кейнса расходились с классическим либерализмом австрийской школы экономистов, но Г. Л. С. Шекл признавал важность идей Кейнса и стремился формализовать их в рамках философии свободного рынка .

В финансовой экономике теория черного лебедя основана на значимости и непредсказуемости особых причин.

Важность для производства и управления качеством

Отказ по особой причине — это отказ, который можно исправить путем изменения компонента или процесса, тогда как отказ по общей причине эквивалентен шуму в системе, и для предотвращения отказа невозможно предпринять конкретные действия.

Гарри Альперт заметил:

В одной тюрьме происходит бунт. Чиновники и социологи публикуют подробный отчет о тюрьме с полным объяснением того, почему и как это произошло здесь, игнорируя тот факт, что причины были общими для большинства тюрем и что бунт мог произойти где угодно.

Альперт признает, что существует искушение отреагировать на экстремальный результат и считать его значимым, даже если его причины являются общими для многих ситуаций, а особые обстоятельства, окружающие его возникновение, являются результатом простой случайности. Такое поведение имеет множество последствий для руководства, часто приводя к специальным вмешательствам, которые просто увеличивают уровень вариаций и частоту нежелательных результатов.

Деминг и Шухарт выступали за контрольную диаграмму как средство управления бизнес-процессом экономически эффективного .

Значение для статистики

Деминг и Шухарт

В рамках теории частотной вероятности не существует процесса, посредством которого вероятность могла бы быть связана с будущим возникновением особой причины. ^{[ нужна ссылка ]} Можно наивно спросить, позволяет ли байесовский подход указать такую вероятность. Существование вариаций по особым причинам привело Кейнса и Деминга к интересу к байесовской вероятности , но в результате их работы не возникло формального синтеза. Большинство статистиков школы Шухарта-Деминга придерживаются точки зрения, что особые причины не заложены ни в опыте, ни в текущем мышлении (вот почему они становятся неожиданностью; их априорной вероятностью пренебрегали - по сути, ей присвоили нулевое значение), так что любая субъективная вероятность обречена на безнадежно плохую калибровку на практике.

сразу становится ясно Из приведенной выше цитаты Лейбница имеет значение , что выборка . Деминг заметил, что в любой деятельности по прогнозированию популяция представляет собой совокупность будущих событий, в то время как основа выборки неизбежно представляет собой некое подмножество исторических событий. Деминг считал, что непересекающийся характер генеральной совокупности и основы выборки по своей сути является проблематичным, как только было признано существование вариаций по особым причинам, отвергая общее использование теории вероятности и традиционной статистики в таких случаях.ситуации. Он сформулировал трудность как различие между аналитическими и перечислительными статистическими исследованиями .

Шухарт утверждал, что, поскольку процессы, подверженные изменениям по особым причинам, по своей сути непредсказуемы, обычные методы вероятности не могут быть использованы для отделения изменений по особым причинам от изменений по общим причинам. Он разработал контрольную диаграмму как статистическую эвристику, позволяющую различать два типа вариаций. И Деминг, и Шухарт процесса выступали за контрольную диаграмму как средство оценки состояния статистического контроля и как основу для прогнозирования.

Кейнс

Кейнс выделил три области вероятности: ^[5]

частотная вероятность;
субъективная или байесовская вероятность ; и
события, лежащие за пределами возможности какого-либо описания с точки зрения вероятности (особые причины)

и стремился основать на этом теорию вероятностей .

Синфазный отказ в технике

Синфазный отказ имеет более конкретное значение в технике. Это относится к событиям, которые не являются статистически независимыми . Отказы в нескольких частях системы могут быть вызваны одной ошибкой, особенно случайными сбоями из-за условий окружающей среды или старения. Примером может служить случай, когда все насосы спринклерной системы пожаротушения расположены в одном помещении. Если в помещении станет слишком жарко для работы насосов, все они выйдут из строя практически одновременно по одной причине (жара в помещении). ^[6] Другим примером является электронная система, в которой неисправность источника питания создает помехи в линии питания, вызывая сбои в нескольких подсистемах.

Это особенно важно в критически важных для безопасности системах, использующих несколько резервных каналов. Если вероятность отказа в одной подсистеме равна p , то можно было бы ожидать, что N- канальная система будет иметь вероятность отказа p. ^Н. Однако на практике вероятность неудачи намного выше, поскольку они не являются статистически независимыми; например, ионизирующее излучение или электромагнитные помехи (ЭМП) могут повлиять на все каналы. ^[7]

Принцип избыточности гласит, что, когда события отказа компонента статистически независимы, вероятности их совместного возникновения многократно увеличиваются. ^[8] Так, например, если вероятность отказа компонента системы составляет один из тысячи в год, вероятность совместного отказа двух из них составляет один из миллиона в год, при условии, что эти два события статистически независимы. . Этот принцип благоприятствует стратегии резервирования компонентов. Одним из мест реализации этой стратегии является RAID 1 , где два жестких диска избыточно хранят данные компьютера.

Но даже в этом случае система может иметь множество распространенных режимов отказа. Например, рассмотрим распространенные способы отказа RAID1, когда два диска приобретены в интернет-магазине и установлены на компьютер:

Скорее всего, диски одного производителя и одной модели, поэтому у них одни и те же конструктивные недостатки.
Диски, скорее всего, будут иметь одинаковые серийные номера, поэтому они могут иметь любые производственные дефекты, влияющие на производство одной и той же партии.
Диски, вероятно, были отправлены в одно и то же время, поэтому они, вероятно, получили одинаковые повреждения при транспортировке.
При установке оба диска подключены к одному и тому же источнику питания, что делает их уязвимыми к одним и тем же проблемам с источником питания.
При установке оба диска находятся в одном корпусе, что делает их уязвимыми к одним и тем же перегревам.
Оба они будут подключены к одной и той же карте или материнской плате и будут управляться одним и тем же программным обеспечением, которое может иметь одинаковые ошибки.
Из-за самой природы RAID1 оба диска будут подвергаться одинаковой рабочей нагрузке и очень похожим шаблонам доступа, что приведет к одинаковой нагрузке на них.

При этом, если события отказа двух компонентов максимально статистически зависимы, вероятность совместного отказа обоих идентична вероятности отказа их по отдельности. В таком случае преимущества резервирования сводятся на нет. Стратегии предотвращения сбоев общего режима включают физическую изоляцию резервных компонентов.

Ярким примером резервирования с изоляцией является атомная электростанция . ^[9]^[10] Новый ABWR имеет три подразделения систем аварийного охлаждения активной зоны , каждое из которых имеет свои собственные генераторы и насосы и каждое изолировано от других. Новый европейский реактор под давлением имеет два защитных сооружения , одно внутри другого. Однако и здесь возможно возникновение синфазного отказа (например, на АЭС «Фукусима-дайити» было отключено сетевое питание в результате землетрясения в Тохоку , затем все тринадцать резервных дизель-генераторов были одновременно выведены из строя последовавшим цунами, которое затопило подвалы машинных залов).

См. также

Библиография

Деминг, WE (1975) О вероятности как основе действий, Американский статистик , 29 (4), стр. 146–152.
Деминг, МЫ (1982) Выход из кризиса: качество, производительность и конкурентная позиция ISBN 0-521-30553-5
Кейнс, Дж. М. (1936) Общая теория занятости, процента и денег ISBN 1-57392-139-4
Кейнс, Дж. М. (1921) ^[5]
Найт, Ф.Х. (1921) Риск, неопределенность и прибыль ISBN 1-58798-126-2
Шакл, GLS (1972) Эпистемика и экономика: критика экономических доктрин ISBN 1-56000-558-0
Шухарт, Вашингтон (1931) Экономический контроль качества производимой продукции ISBN 0-87389-076-0
Шухарт, Вашингтон (1939) Статистический метод с точки зрения контроля качества ISBN 0-486-65232-7
Уиллер, DJ и Чемберс, DS (1992) Понимание статистического управления процессами ISBN 0-945320-13-2

Ссылки

^ Шухарт, Уолтер А. (1931). Экономический контроль качества выпускаемой продукции . Нью-Йорк: Компания Д. Ван Ностранд, Inc., с. 7. ОСЛК 1045408 .
^ Jump up to: ^а ^б Западная электрическая компания (1956). Введение в по статистическому контролю качества справочник (1-е изд.). Индианаполис , Индиана: Western Electric Co., стр. 23–24. OCLC 33858387 .
^ Шухарт, Уолтер А. (1931). Экономический контроль качества выпускаемой продукции . Нью-Йорк: Компания Д. Ван Ностранд, Inc., с. 14. ОСЛК 1045408 .
^ «Статистический вывод» . Архивировано из оригинала 7 октября 2006 года . Проверено 13 ноября 2006 г.
^ Jump up to: ^а ^б Кейнс, Дж. М. (1921). Трактат о вероятности . ISBN 0-333-10733-0 .
^ Томсон, Джим (февраль 2012 г.). «Аспекты синфазных отказов в высокоинтегральных системах C&I» (PDF) . Безопасность в технике . Проверено 21 ноября 2012 г.
^ Рэнделл, Брайан Дизайн отказоустойчивости в эволюции отказоустойчивых вычислений , Авизиенис, А.; Копец, Х.; Лапри, Ж.-К. (ред.), стр. 251–270. Спрингер-Верлаг, 1987. ISBN 3-211-81941-X .
^ «SEI Framework: механизмы отказоустойчивости» . Управление резервированием . Гарантия высокой целостности программных систем NIST. 30 марта 1995 года. Архивировано из оригинала 24 ноября 2012 года . Проверено 21 ноября 2012 г.
^ Эдвардс, GT; Уотсон, Айова (июль 1979 г.). Исследование синфазных отказов . Управление по атомной энергии Великобритании: Управление безопасности и надежности. СРД Р146.
^ Борн, Эй Джей; Эдвардс, GT; Хуннс, Д.М.; Поултер, доктор медицинских наук; Уотсон, Айова (январь 1981 г.). Защита от синфазных отказов в системах резервирования – Руководство для руководителей, проектировщиков и операторов . Управление по атомной энергии Великобритании: Управление безопасности и надежности. СРД Р196.

[1] Шухарт, Уолтер А. (1931). Экономический контроль качества выпускаемой продукции . Нью-Йорк: Компания Д. Ван Ностранд, Inc., с. 7. ОСЛК 1045408 .

[Western_Electric_Company_1956,_23–24-2] Jump up to: ^а ^б Западная электрическая компания (1956). Введение в по статистическому контролю качества справочник (1-е изд.). Индианаполис , Индиана: Western Electric Co., стр. 23–24. OCLC 33858387 .

[3] Шухарт, Уолтер А. (1931). Экономический контроль качества выпускаемой продукции . Нью-Йорк: Компания Д. Ван Ностранд, Inc., с. 14. ОСЛК 1045408 .

[siscc-4] «Статистический вывод» . Архивировано из оригинала 7 октября 2006 года . Проверено 13 ноября 2006 г.

[keynes1921-5] Jump up to: ^а ^б Кейнс, Дж. М. (1921). Трактат о вероятности . ISBN 0-333-10733-0 .

[6] Томсон, Джим (февраль 2012 г.). «Аспекты синфазных отказов в высокоинтегральных системах C&I» (PDF) . Безопасность в технике . Проверено 21 ноября 2012 г.

[7] Рэнделл, Брайан Дизайн отказоустойчивости в эволюции отказоустойчивых вычислений , Авизиенис, А.; Копец, Х.; Лапри, Ж.-К. (ред.), стр. 251–270. Спрингер-Верлаг, 1987. ISBN 3-211-81941-X .

[8] «SEI Framework: механизмы отказоустойчивости» . Управление резервированием . Гарантия высокой целостности программных систем NIST. 30 марта 1995 года. Архивировано из оригинала 24 ноября 2012 года . Проверено 21 ноября 2012 г.

[9] Эдвардс, GT; Уотсон, Айова (июль 1979 г.). Исследование синфазных отказов . Управление по атомной энергии Великобритании: Управление безопасности и надежности. СРД Р146.

[10] Борн, Эй Джей; Эдвардс, GT; Хуннс, Д.М.; Поултер, доктор медицинских наук; Уотсон, Айова (январь 1981 г.). Защита от синфазных отказов в системах резервирования – Руководство для руководителей, проектировщиков и операторов . Управление по атомной энергии Великобритании: Управление безопасности и надежности. СРД Р196.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]