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摘要:以环境监测中铜和铅的测定为例,详细介绍了如何使用SPSS软件对环境监测中的数据制作X-Bar,R,S(均值,极值,标准差)控制图以及Individuals,Moving Range(单个值,移动极差)控制图。结果表明:利用SPSS软件对环境监测有关的数据制作的质量控制图能很好的反映检验分析过程是否处于控制状态;软件使用方便快捷,计算精确,结论可靠,并能避免大量人工计算。因此,软件值得在环境监测中推广使用。
关键词: SPSS 质量控制图 环境监测
DOI:10.3969/j.issn.1672-8289.2010.10.051
1.引言
在环境监测实验工作中每一项分析工作都由许多操作步骤组成, 得到大量的实验数据测定结果的可信度受到许多因素的影响。对这些数据往往要通过误差分析、计算、绘制图表等大量的工作,才能得到最终结果。由于计算和绘图比较复杂,如果靠手工操作,既费时又费力,难以保证质量。我们可以利用SPSS统计软件对数据进行,处理绘制质量控制图来控制与检验数据产生的过程中是否处于受控状态。
SPSS是Statistical Package for the Social Sciences的简称即“社会科学统计软件包”是世界3大统计软件之一,在国际学术界上享有很高的声誉(在国际学术界有条不成文的规定即在国际学术交流中凡是用SPSS软件完成的计算和统计分析可以不必说明算法)广泛应用于自然科学、技术科学、社会科学等各个领域中涉及统计、经济、教育、心理、化学、林业、管理、医学、生物、气象、水文、机械、土木工程、地质遗迹、社会科学等行业。近年来,我国的医疗、体育和经济等领域的科学工作者开始使用该软件,如SPSS在医学科研中的应用(王乐三,2007),但在环境监测分析方面的应用还不多见。
2.SPSS的质量控制图制作方法
2.1质量控制图
质量控制图简称QCC(Quality Control Chart),主要反映分析质量的稳定性情况,以便及时发现某些偶然的异常现象,随时采取相应的校正措施,因而对经常性的分析项目常用控制图来控制质量。质量控制图是一种最简单最有效的统计方法可用于工业产品的质量控制,也可用于环境监测中日常监测数据的有效性检验(陈玲,2004)。质量控制图的基本原理由W.A.Shewart提出的他指出:每一个方法都存在着变异都受到时间和空间的影响即使在理想的条件下获得的一组分析结果,也会存在一定的随机误差。但当某一个结果超出了随机误差的允许范围时,运用数理统计的方法,可以判断这个结果是异常的、不足信的,质量控制图可以起到这种监测的仲裁作用。因此实验室内质量控制图是监测常规分析过程中可能出现误差,控制分析数据在一定的精密度范围内,保证常规分析数据质量的有效方法。在环境数据的产生过程中特别是实验室分析测试工作中通常用质量控制图的方法来控制与检验数据产生的过程中是否处于受控状态(奚旦立,2004)。
2.2 SPSS的质量控制图的构成和类型
SPSS的质量控制图用于区分观测值的波动是正常的还是异常的,并以图的形式表达的一种质量控制工具。一般有三条线中心线CL(Center Line)、上控制限UCL(Upper center line),下控制限LCL(Lower Center Line)构成。中心线用实心线表示,上下控制限用虚线表示。控制图的控制限是根据概率统计的3σ原则按照一定公式计算出来的,是判断环境监测实验中质量控制稳定性的基准。SPSS给出了4中常用的质量控制图,即X-Bar,R,S(均值,极值,标准差)控制图;Individuals,Moving Range(单个值,移动极差)控制图;p,np是不合格品率或者不合格品数控制图;c,u是缺陷数或缺陷率控制图。本文介绍前两种控制图在环境监测实验中的应用。
2.3质量控制图的制作过程
2.3.1制作X-bar.R.s控制图
以下面的数据为例制作X-bar.R.s控制图。浓度为0.05mg/l的铅标准溶液,每天分析平行样一次,连续20次,数值如表1(奚旦立,2004)。
表1铅标准溶液测定值(mg/l)
第一步:打开SPSS,进入SPSS的Date Edit(数据编辑)窗口。
第二步:点击数据编辑窗口Variable View(变量视图)选项卡,进入定义变量窗口,对变量进行定义。
第三步:在定义变量窗口Name下的单元格中输入变量名。本例分别平行样、样品1、样品2。在Type下选择变量类型,单击该单元格,出现图标,再单击该这个图标中的按钮,打开Variable Type(变量类型)对话框。从中选择变量类型。本例序号选择String(字符串);样本1和样本2选择Numetic(数值型),在Decimal(小数)中选择3。输入结果如图1所示。
图1 SPSS的定义变量窗口的输入结果
第四步:选择定义变量窗口下的Date View选项卡,转换到数据编辑窗口,输入平行样的测定值。
第五步:点击数据编辑窗口的Analyze按钮,选择Quality Control中的Control Charts选项。选择X-bar.R.s选项,Date organization选项中选择Cases are subgroups,点击Difine,从源变量中选择样品1和样品2移入Sample框内,选择变量序号移入Subgroups Defined by框内。Charts选项中选择X-bar using standard deviation,选择Titles(标题)在对话框内的Line1内输入标题——铅测定控制图,单击Continue,再单击OK按钮生成铅测定控制图(图2,图3)。
其中图2为均值(Mean)控制图。从图上我们可以看出,中心线Average=0.12158,用实线表示,他是全部观测值的总平均数;上控制线UCL=0.13032,用虚线表示;下控制线LCL=0.11283,用虚线表示;Sigma Level(σ水平)为3,即中心线至上下控制线之间的根据正态分布计算的标准差数值是3,也就是中心线至上、下控制线之间的距离为3σ;图3为标准差(Standard Deviation)控制图,中心线Average=0.00329,是标准差的平均值;上控制线UCL=0.01074;下控制线LCL=0.00000;Sigma Level(σ水平)为3,Charts选项中选择X-bar using range则生成均值和极差图。其中均值控制图与前一种一样,极差控制图如图4所示,中心线Average=0.00465,是极差的平均值;上控制线UCL=0.01519;下控制线LCL=0.00000;Sigma Level(σ水平)为3。从这3个控制图不难看出,铅的测定值在控制范围之内。
图2 均值控制图 图3 标准差控制图
图4 极差控制图
2.3.2单值控制图
如果测定值只有一组,也可作出单值控制图。如用某种标准方法对含铜0.250mg/l的水质标准物做20次测定{程子峰,2006}。测定结果如表2。
表2 含铜的水质标准物测定值(mg/l)
第一步:建立数据编辑窗口操作步骤同上例。点击数据编辑窗口上的Analyze按钮,选择Quality Control中的Control Charts选项。选择Individuals,Moving Range(单值,移动极差控制图)。在选择此选项时,在Date Oganization栏里只允许选择Cases are units。单击Define按钮打开对话框。
第二步:从源变量框中选择变量测定值移入Process Measurement框,这个变量的观测值是被测量的实测值。
第三步:选择变量序号移入Subgroups Defined by 框中。
第四步:在Charts(图形)栏里选择控制图的显示模式。选择Individuals and Moving Range,生成单个值控制图和移动极差控制图。选择Individuals则仅仅生成单个值控制图。单个值控制图每个点代表一个观测值;移动极差控制图上的每个点代表观测值与前一个观测值的差。Span(间距)栏内的值用于计算移动极差,系统默认值为2.。如果设其值为3,则是从第三个观测量开始计算前3个观测值的极差,以后均为以3为间隔。
第五步:选择Individuals and Moving Range,单击OK按钮,生成单个值控制图5和移动极差控制图6,从控制图中的散布状况来看,测定结果都分布在上下控制限之间,可以断定测定过程处于受控状态。
3.结论
通过实例发现, SPSS软件使用方便快捷, 计算精确, 结论可靠, 并能避免大量人工计算,作出的质量控制图值得在环境监测中推广。具有良好的用户界面,完全摆脱了命令行的操作方式,使用者不用记住复杂的过程和选择项,只需通过鼠标的点取和选择,就可以完成在SAS 中需要调用若干过程,输入许多语句才能完成的任务,而且不用担心会犯语法错误,对非统计专业的人士来说,是一个功能强大、容易上手的统计分析利器。
参考文献:
1、王乐三,SPSS在医学科研中的应用[M], 2007,北京:化学工业出版社.
2、陈玲,赵建夫.环境监测[M],北京:高等教育出版社,2004.367-370
3、程子峰,徐富春编著.环境数据统计分析基础[M],北京:化学工业出版社,2006. 117
4、奚旦立,孙裕生,刘秀英合编.环境监测(第三版)[M],北京:高等教育出版社,2004.418
作者简介:
康瑞琴,女,汉族,河南安阳人。硕士毕业。主要研究方向:污染生态学,环境监测,室内环境监测与治理。
关键词: SPSS 质量控制图 环境监测
DOI:10.3969/j.issn.1672-8289.2010.10.051
1.引言
在环境监测实验工作中每一项分析工作都由许多操作步骤组成, 得到大量的实验数据测定结果的可信度受到许多因素的影响。对这些数据往往要通过误差分析、计算、绘制图表等大量的工作,才能得到最终结果。由于计算和绘图比较复杂,如果靠手工操作,既费时又费力,难以保证质量。我们可以利用SPSS统计软件对数据进行,处理绘制质量控制图来控制与检验数据产生的过程中是否处于受控状态。
SPSS是Statistical Package for the Social Sciences的简称即“社会科学统计软件包”是世界3大统计软件之一,在国际学术界上享有很高的声誉(在国际学术界有条不成文的规定即在国际学术交流中凡是用SPSS软件完成的计算和统计分析可以不必说明算法)广泛应用于自然科学、技术科学、社会科学等各个领域中涉及统计、经济、教育、心理、化学、林业、管理、医学、生物、气象、水文、机械、土木工程、地质遗迹、社会科学等行业。近年来,我国的医疗、体育和经济等领域的科学工作者开始使用该软件,如SPSS在医学科研中的应用(王乐三,2007),但在环境监测分析方面的应用还不多见。
2.SPSS的质量控制图制作方法
2.1质量控制图
质量控制图简称QCC(Quality Control Chart),主要反映分析质量的稳定性情况,以便及时发现某些偶然的异常现象,随时采取相应的校正措施,因而对经常性的分析项目常用控制图来控制质量。质量控制图是一种最简单最有效的统计方法可用于工业产品的质量控制,也可用于环境监测中日常监测数据的有效性检验(陈玲,2004)。质量控制图的基本原理由W.A.Shewart提出的他指出:每一个方法都存在着变异都受到时间和空间的影响即使在理想的条件下获得的一组分析结果,也会存在一定的随机误差。但当某一个结果超出了随机误差的允许范围时,运用数理统计的方法,可以判断这个结果是异常的、不足信的,质量控制图可以起到这种监测的仲裁作用。因此实验室内质量控制图是监测常规分析过程中可能出现误差,控制分析数据在一定的精密度范围内,保证常规分析数据质量的有效方法。在环境数据的产生过程中特别是实验室分析测试工作中通常用质量控制图的方法来控制与检验数据产生的过程中是否处于受控状态(奚旦立,2004)。
2.2 SPSS的质量控制图的构成和类型
SPSS的质量控制图用于区分观测值的波动是正常的还是异常的,并以图的形式表达的一种质量控制工具。一般有三条线中心线CL(Center Line)、上控制限UCL(Upper center line),下控制限LCL(Lower Center Line)构成。中心线用实心线表示,上下控制限用虚线表示。控制图的控制限是根据概率统计的3σ原则按照一定公式计算出来的,是判断环境监测实验中质量控制稳定性的基准。SPSS给出了4中常用的质量控制图,即X-Bar,R,S(均值,极值,标准差)控制图;Individuals,Moving Range(单个值,移动极差)控制图;p,np是不合格品率或者不合格品数控制图;c,u是缺陷数或缺陷率控制图。本文介绍前两种控制图在环境监测实验中的应用。
2.3质量控制图的制作过程
2.3.1制作X-bar.R.s控制图
以下面的数据为例制作X-bar.R.s控制图。浓度为0.05mg/l的铅标准溶液,每天分析平行样一次,连续20次,数值如表1(奚旦立,2004)。
表1铅标准溶液测定值(mg/l)
第一步:打开SPSS,进入SPSS的Date Edit(数据编辑)窗口。
第二步:点击数据编辑窗口Variable View(变量视图)选项卡,进入定义变量窗口,对变量进行定义。
第三步:在定义变量窗口Name下的单元格中输入变量名。本例分别平行样、样品1、样品2。在Type下选择变量类型,单击该单元格,出现图标,再单击该这个图标中的按钮,打开Variable Type(变量类型)对话框。从中选择变量类型。本例序号选择String(字符串);样本1和样本2选择Numetic(数值型),在Decimal(小数)中选择3。输入结果如图1所示。
图1 SPSS的定义变量窗口的输入结果
第四步:选择定义变量窗口下的Date View选项卡,转换到数据编辑窗口,输入平行样的测定值。
第五步:点击数据编辑窗口的Analyze按钮,选择Quality Control中的Control Charts选项。选择X-bar.R.s选项,Date organization选项中选择Cases are subgroups,点击Difine,从源变量中选择样品1和样品2移入Sample框内,选择变量序号移入Subgroups Defined by框内。Charts选项中选择X-bar using standard deviation,选择Titles(标题)在对话框内的Line1内输入标题——铅测定控制图,单击Continue,再单击OK按钮生成铅测定控制图(图2,图3)。
其中图2为均值(Mean)控制图。从图上我们可以看出,中心线Average=0.12158,用实线表示,他是全部观测值的总平均数;上控制线UCL=0.13032,用虚线表示;下控制线LCL=0.11283,用虚线表示;Sigma Level(σ水平)为3,即中心线至上下控制线之间的根据正态分布计算的标准差数值是3,也就是中心线至上、下控制线之间的距离为3σ;图3为标准差(Standard Deviation)控制图,中心线Average=0.00329,是标准差的平均值;上控制线UCL=0.01074;下控制线LCL=0.00000;Sigma Level(σ水平)为3,Charts选项中选择X-bar using range则生成均值和极差图。其中均值控制图与前一种一样,极差控制图如图4所示,中心线Average=0.00465,是极差的平均值;上控制线UCL=0.01519;下控制线LCL=0.00000;Sigma Level(σ水平)为3。从这3个控制图不难看出,铅的测定值在控制范围之内。
图2 均值控制图 图3 标准差控制图
图4 极差控制图
2.3.2单值控制图
如果测定值只有一组,也可作出单值控制图。如用某种标准方法对含铜0.250mg/l的水质标准物做20次测定{程子峰,2006}。测定结果如表2。
表2 含铜的水质标准物测定值(mg/l)
第一步:建立数据编辑窗口操作步骤同上例。点击数据编辑窗口上的Analyze按钮,选择Quality Control中的Control Charts选项。选择Individuals,Moving Range(单值,移动极差控制图)。在选择此选项时,在Date Oganization栏里只允许选择Cases are units。单击Define按钮打开对话框。
第二步:从源变量框中选择变量测定值移入Process Measurement框,这个变量的观测值是被测量的实测值。
第三步:选择变量序号移入Subgroups Defined by 框中。
第四步:在Charts(图形)栏里选择控制图的显示模式。选择Individuals and Moving Range,生成单个值控制图和移动极差控制图。选择Individuals则仅仅生成单个值控制图。单个值控制图每个点代表一个观测值;移动极差控制图上的每个点代表观测值与前一个观测值的差。Span(间距)栏内的值用于计算移动极差,系统默认值为2.。如果设其值为3,则是从第三个观测量开始计算前3个观测值的极差,以后均为以3为间隔。
第五步:选择Individuals and Moving Range,单击OK按钮,生成单个值控制图5和移动极差控制图6,从控制图中的散布状况来看,测定结果都分布在上下控制限之间,可以断定测定过程处于受控状态。
3.结论
通过实例发现, SPSS软件使用方便快捷, 计算精确, 结论可靠, 并能避免大量人工计算,作出的质量控制图值得在环境监测中推广。具有良好的用户界面,完全摆脱了命令行的操作方式,使用者不用记住复杂的过程和选择项,只需通过鼠标的点取和选择,就可以完成在SAS 中需要调用若干过程,输入许多语句才能完成的任务,而且不用担心会犯语法错误,对非统计专业的人士来说,是一个功能强大、容易上手的统计分析利器。
参考文献:
1、王乐三,SPSS在医学科研中的应用[M], 2007,北京:化学工业出版社.
2、陈玲,赵建夫.环境监测[M],北京:高等教育出版社,2004.367-370
3、程子峰,徐富春编著.环境数据统计分析基础[M],北京:化学工业出版社,2006. 117
4、奚旦立,孙裕生,刘秀英合编.环境监测(第三版)[M],北京:高等教育出版社,2004.418
作者简介:
康瑞琴,女,汉族,河南安阳人。硕士毕业。主要研究方向:污染生态学,环境监测,室内环境监测与治理。