تحلیل تلفیقی داده‌محور در پایش فرآیندهای تولیدی با استفاده از تحلیل مؤلفه‌های اصلی و نمودارهای کنترلی چندمتغیره (مطالعه موردی شرکت فولاد مبارکه اصفهان)

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه مهندسی صنایع، دانشکده صنایع، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، تهران، ایران

2 گروه مهندسی صنایع، دانشکده صنایع، دانشگاه صنعتی مالک اشتر،اصفهان، ایران

10.48308/jimp.2025.239426.1634

چکیده

این پژوهش با هدف طراحی و پیاده‌سازی یک چارچوب نوین و ترکیبی برای پایش و کنترل فرآیندهای تولیدی پیچیده در صنعت فولاد انجام گرفته است. با توجه به ویژگی‌های ذاتی فرآیندهای تولیدی در صنایع سنگین، نظیر چندمتغیره بودن، هم‌وابستگی متغیرها، نوسانات طبیعی، و حجم بالای داده‌های جمع‌آوری‌شده از سنسورها و تجهیزات خطوط تولید، استفاده از رویکردهای پایش سنتی مانند نمودارهای I-MR یا EWMA به‌تنهایی پاسخ‌گوی نیازهای کنونی صنایع نیست. این روش‌های تک‌متغیره معمولاً قادر به تحلیل هم‌زمان اثرات متقابل میان متغیرهای فرآیندی نبوده و در بسیاری موارد منجر به بروز هشدارهای کاذب یا عدم شناسایی به‌موقع تغییرات جزئی اما مهم در وضعیت فرآیند می‌شوند. از این‌رو، بهره‌گیری از روش‌های آماری چندمتغیره و ترکیبی به‌عنوان یک نیاز اساسی برای بهبود دقت، سرعت و کارایی نظارت بر کیفیت در این صنایع مطرح است.



در این تحقیق، با بهره‌گیری از تحلیل مؤلفه‌های اصلی (PCA)، داده‌های خام جمع‌آوری‌شده از فرآیند تولید فولاد ابتدا کاهش بعد یافته و مؤلفه‌های اصلی که بیشترین واریانس موجود در داده‌ها را پوشش می‌دهند، استخراج شدند. تحلیل‌ها نشان داد که سه مؤلفه اصلی اول (PC1، PC2 و PC3) قادر به توضیح بخش عمده‌ای از ساختار داده‌ها هستند. سپس، این مؤلفه‌ها به‌عنوان متغیرهای کلیدی وارد فرآیند پایش شدند و با استفاده از نمودار کنترلی چندمتغیره MEWMA مورد ارزیابی قرار گرفتند. مدل MEWMA به‌دلیل ماهیت تطبیقی و حساسیت بالای خود به تغییرات تدریجی در متغیرها، ابزاری مؤثر برای پایش متغیرهای استخراج‌شده از PCA محسوب می‌شود.



به‌منظور اعتبارسنجی مدل ترکیبی پیشنهادی، خروجی‌های نمودار MEWMA با نمودارهای کنترلی تک‌متغیره EWMA و I-MR مقایسه شد. داده‌های واقعی از یکی از خطوط تولید شرکت‌های بزرگ فولاد کشور به‌عنوان مطالعه موردی مورد استفاده قرار گرفتند. تحلیل نتایج نشان داد که بیش از ۹۵ درصد از نقاط خارج از کنترل شناسایی‌شده در EWMA در MEWMA نیز قابل ردیابی بوده‌اند، که نشان از دقت بالای مدل ترکیبی دارد. همچنین، با انجام بهینه‌سازی بر روی پارامتر حساسیت λ در مدل MEWMA، تطابق با نتایج حاصل از I-MR به بیش از ۸۲ درصد افزایش یافت. این یافته‌ها بیانگر آن است که MEWMA نه‌تنها در شناسایی نوسانات چندمتغیره عملکرد مطلوبی دارد، بلکه توانایی بالایی در تشخیص الگوهای تک‌متغیره نیز از خود نشان می‌دهد.



یکی از دستاوردهای مهم این پژوهش، کاهش تعداد نمودارهای مورد نیاز برای پایش فرآیند است. در حالی‌که در روش‌های سنتی لازم است برای هر متغیر یک نمودار جداگانه طراحی و بررسی شود، در مدل پیشنهادی تنها با استفاده از چهار نمودار (سه نمودار تک‌متغیره برای مؤلفه‌های اصلی و یک نمودار چندمتغیره MEWMA) امکان پایش مؤثر کل فرآیند فراهم شده است. این موضوع منجر به کاهش پیچیدگی، کاهش بار محاسباتی، تسهیل تحلیل داده‌ها توسط کارشناسان کنترل کیفیت و در نهایت کاهش هزینه‌های نظارت بر فرآیند شده است. همچنین، به‌کارگیری PCA باعث حذف نویزهای غیرمعنادار و تمرکز بر متغیرهای بحرانی شده که دقت و اثربخشی پایش را افزایش داده است.



از نظر کاربرد صنعتی، مدل پیشنهادی در یک دوره آزمایشی در یکی از خطوط تولید یک مجتمع بزرگ فولاد به کار گرفته شد و بازخوردهای مثبت متعددی از سوی مدیران تولید و کارشناسان کنترل کیفیت دریافت شد. آن‌ها اظهار داشتند که این روش باعث کاهش زمان واکنش به تغییرات فرآیندی، کاهش توقف‌های غیرضروری، و بهبود تصمیم‌گیری در زمینه نگهداری پیشگیرانه شده است.



در جمع‌بندی، این پژوهش نشان داد که ترکیب تکنیک‌های تحلیل آماری چندمتغیره مانند PCA و MEWMA با رویکردهای سنتی تک‌متغیره، می‌تواند بستری مناسب برای توسعه سامانه‌های هوشمند پایش فرآیند فراهم آورد. چارچوب پیشنهادی نه‌تنها برای صنعت فولاد، بلکه برای سایر صنایع با فرآیندهای پیچیده و داده‌محور نیز قابل تعمیم است و می‌تواند نقش مهمی در بهبود کیفیت، کاهش ضایعات، افزایش بهره‌وری و کاهش هزینه‌ها ایفا نماید.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Data-Driven Integrated Analysis in Monitoring Manufacturing Processes Using Principal Component Analysis and Multivariate Control Charts (Case Study: Mobarakeh Steel Company, Isfahan)

نویسندگان [English]

  • Mahsa Jafari 1
  • Sadegh Shahbazi 2
  • Mahdi Karbasian 1
1 Department of Industrial Engineering, Faculty of Industry, Malek Ashtar University of Technology, Tehran, Iran
2 Department of Industrial Engineering, Faculty of Industry, Malek Ashtar University of Technology, Isfahan, Iran
چکیده [English]

This research aims to design and implement a novel and integrated framework for effective monitoring and control of complex production processes in the steel industry. Given the inherent characteristics of such processes—namely their multivariate nature, strong interdependencies among variables, natural process fluctuations, and the high volume of data collected from sensors and equipment—traditional quality monitoring approaches such as I-MR and EWMA control charts often fall short. These univariate methods are typically incapable of simultaneously capturing variable interactions and frequently result in false alarms or delayed detections of subtle but significant process shifts. Consequently, leveraging multivariate and hybrid statistical approaches has become a fundamental necessity to enhance the precision, speed, and efficiency of quality monitoring systems in modern manufacturing environments.



To address these challenges, the study employed Principal Component Analysis (PCA) as a data reduction technique to transform the raw high-dimensional data into a smaller set of uncorrelated variables (principal components) that retain the majority of the data’s variability. The analysis revealed that the first three principal components (PC1, PC2, and PC3) explained most of the variance in the original dataset. These components were subsequently used as key monitoring variables and analyzed using a Multivariate Exponentially Weighted Moving Average (MEWMA) control chart. MEWMA, due to its exponential weighting mechanism and sensitivity to gradual shifts, proved to be an appropriate tool for monitoring the behavior of principal components derived from PCA.



To validate the effectiveness of the proposed hybrid model, the MEWMA outputs were compared with those of traditional univariate control charts, specifically EWMA and I-MR. Real-world process data from a major steel production line were utilized for this purpose. The comparative analysis showed that over 95% of the out-of-control points identified in the EWMA charts were also captured by the MEWMA chart, highlighting the accuracy and reliability of the hybrid approach. Furthermore, after optimizing the λ sensitivity parameter within the MEWMA model, the overlap with I-MR chart results increased to over 82%, further supporting the model’s robustness in detecting both multivariate and univariate anomalies.



One of the key innovations of this study lies in significantly reducing the number of control charts required to effectively monitor the process without compromising detection accuracy. Whereas traditional methods often necessitate the monitoring of each individual variable separately, the proposed model enables comprehensive process monitoring using only four charts—three univariate charts for the principal components and one multivariate MEWMA chart. This simplification reduces system complexity, computational burden, and analysis time for quality control teams, ultimately lowering the operational costs associated with process supervision. Additionally, the PCA component acts as a noise filter, focusing analysis on critical process features and improving the signal-to-noise ratio in monitoring systems.



From an industrial application perspective, the proposed model was implemented on a pilot basis in one of the major steel manufacturing plants. Feedback collected from production managers and quality control experts indicated a high level of satisfaction with the model’s performance. They reported reduced reaction times to process changes, fewer unnecessary production halts due to false alarms, and improved decision-making in predictive maintenance activities. The combination of early detection and actionable insight provided by the model contributed to tangible gains in process stability and product quality.



In summary, this research demonstrates that integrating advanced multivariate statistical techniques such as PCA and MEWMA with conventional univariate monitoring tools can lead to a highly effective and scalable framework for process quality control. The hybrid system not only improves monitoring precision and reduces false alarms but also streamlines data analysis and enhances the responsiveness of quality control operations. The proposed framework is not limited to the steel industry; it is highly transferable to other sectors that manage complex, data-intensive production environments—such as chemical processing, automotive manufacturing, and electronics assembly. Its adoption could pave the way for the next generation of smart quality monitoring systems, fostering higher productivity, reduced waste, and more agile industrial operations.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Multivariate Quality Control
  • Principal Component Analysis (PCA)
  • Monitoring of Production Processes
  • MEWMA Control Chart
  • Mobarakeh Steel Company