上海閔行出入境檢驗(yàn)檢疫局 王健 張革
摘要:統(tǒng)計(jì)過程控制(SPC)是質(zhì)量管理的重要內(nèi)容。本文介紹了SPC的概況,并運(yùn)用SPC的核心工具——控制圖,對(duì)生產(chǎn)過程中的微生物監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行了分析,其結(jié)論可為建立相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)提供科學(xué)參考。SPC與HACCP相結(jié)合形成預(yù)防為主的管理體系,在食品質(zhì)量管理領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞:SPC,控制圖,HACCP,微生物監(jiān)控
危害分析和關(guān)鍵控制點(diǎn)(Hazard Analysis and Critical Control Point,HACCP)是一種全面分析食品狀況、保證食品安全的體系。HACCP作為科學(xué)的預(yù)防性的食品安全體系,不是一個(gè)孤立的體系,而是建立在現(xiàn)行的食品安全計(jì)劃如GMP和SSOP的基礎(chǔ)上的體系。同時(shí),HACCP作為一個(gè)開放性的體系,也可以和其他質(zhì)量體系相互結(jié)合,取長(zhǎng)補(bǔ)短,從而更全面、更科學(xué)地保證食品安全。提高HACCP體系效力的一個(gè)科學(xué)、有效的辦法就是將傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析技術(shù)和統(tǒng)計(jì)質(zhì)控技術(shù)相結(jié)合,例如統(tǒng)計(jì)過程控制(SPC)技術(shù)。
SPC概述
統(tǒng)計(jì)過程控制(Statistical Process Control,SPC),是指用控制圖等統(tǒng)計(jì)技術(shù)來分析過程和其輸出,通過適當(dāng)?shù)拇胧﹣磉_(dá)到并保持過程穩(wěn)定,從而實(shí)現(xiàn)改進(jìn)和保證產(chǎn)品質(zhì)量的目的[1]。
SPC源于美國(guó)質(zhì)量大師休哈特(W.A.Shewhart)博士于20世紀(jì)20年代發(fā)明的控制圖方法。其基本原理是統(tǒng)計(jì)學(xué)中的小概率事件原理。預(yù)先假定過程處于某一穩(wěn)定狀態(tài),一旦出現(xiàn)偏離這一狀態(tài)的極大可能性就是過程失控,需要及時(shí)調(diào)整。
SPC自創(chuàng)立以來,在工業(yè)和服務(wù)業(yè)等行業(yè)得到推廣應(yīng)用。二戰(zhàn)中美國(guó)將其定為戰(zhàn)時(shí)質(zhì)量管理標(biāo)準(zhǔn);50年代引入日本,被廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè);80年代開始在美國(guó)汽車、鋼鐵工業(yè)中大規(guī)模推行,ISO9000族質(zhì)量體系和我國(guó)GB4091質(zhì)量體系均將SPC作為一項(xiàng)重要內(nèi)容[2]。
2.控制圖
2.1控制圖理論
控制圖是對(duì)選定的過程質(zhì)量特性加以測(cè)定、記錄,從而進(jìn)行控制管理的一種用統(tǒng)計(jì)方法設(shè)計(jì)的圖[3],是SPC的核心工具。圖上有中心線(CL)、上控制界限(UCL)和下控制界限(LCL),并有按時(shí)間順序抽取的樣本統(tǒng)計(jì)量數(shù)值的描點(diǎn)序列,如圖1所示。
圖1 控制圖示例
控制圖理論認(rèn)為過程存在2種變異。第一種為隨機(jī)變異,由“偶然原因”造成。這種變異由自始至終存在的、不易識(shí)別的原因所造成。其中每一種原因的影響只構(gòu)成總體變異的一個(gè)很小的分量,而且無一構(gòu)成顯著的分量,然而這些不可識(shí)別的“偶然原因”的影響總和是可以度量的,并假設(shè)為過程所固有。第二種變異為表征過程中實(shí)際的改變。這種改變可歸因于某些可識(shí)別的、非過程所固有的、并且至少在理論上可加以消除的原因。這些可識(shí)別的原因稱為“可查明原因”。它們可以歸結(jié)為原材料不均勻、溫度和濕度的變化、工藝或操作的問題、生產(chǎn)加工或包裝設(shè)備的性能不穩(wěn)定等等[4]。
當(dāng)過程變異僅由“偶然原因”造成時(shí),過程處于統(tǒng)計(jì)控制狀態(tài)。這種變異的可接受水平一經(jīng)確定,則一旦出現(xiàn)對(duì)此可接受水平的任何偏離都可以假定為由“可查明原因”造成的。對(duì)這些“可查明原因”的變異應(yīng)加以識(shí)別、消除或減輕。
2.2控制界限
利用控制圖來分析過程狀態(tài)容易出現(xiàn)兩類錯(cuò)誤。第1類錯(cuò)誤是誤判,即生產(chǎn)正常情況下,因“偶然原因”點(diǎn)出界判為異常,判誤概率記為α。第二類錯(cuò)誤是漏判,判誤概率記為β。因此在選擇控制界限時(shí),應(yīng)使兩種錯(cuò)誤造成的總損失最小。
當(dāng)過程僅受相互獨(dú)立的隨機(jī)因素影響時(shí),在采樣中進(jìn)行n次測(cè)量,稱為一個(gè)子組,n稱樣本容量。根據(jù)中心極限定理,子組樣品均值 將隨著子組量的增大而趨近服從正態(tài)分布。由3σ原理:
P(μ-3σ< <μ+3σ)=99.73%
μ為樣本平均數(shù),σ為樣本標(biāo)準(zhǔn)差。
上述公式表明子組樣品均值 落在μ±3σ范圍內(nèi)的概率是99.73%。休哈特就是根據(jù)3σ原理發(fā)明了控制圖,此時(shí)犯第1類錯(cuò)誤概率α=0.0027。
長(zhǎng)期實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)證明,CL=μ,UCL=μ+3σ,LCL=μ-3σ是兩種錯(cuò)誤造成的總損失較小的控制界限。美國(guó)、日本和我國(guó)等大多數(shù)國(guó)家都采用3σ方式的控制圖,而英國(guó)和北歐少數(shù)國(guó)家采用α=0.001的概率界限方式的控制圖。
2.3控制圖的種類
國(guó)標(biāo)GB/T 4091-2001常規(guī)控制圖如表1所示,表中計(jì)件控制圖與計(jì)點(diǎn)控制圖又稱為計(jì)數(shù)控制圖。這些控制圖的用途各異,應(yīng)根據(jù)控制對(duì)象的情況和數(shù)據(jù)性質(zhì)分別加以選擇。
數(shù)據(jù)
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分布
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控制圖
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簡(jiǎn)記
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備注
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計(jì)量值
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正態(tài)分布
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均值-極差控制圖
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-R控制圖
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樣本量n<10
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均值-標(biāo)準(zhǔn)差控制圖
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-s控制圖
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樣本量n>10
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中位數(shù)-極差控制圖
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Me-R控制圖
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樣本量n>10
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單值-移動(dòng)極差控制圖
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X-RS控制圖
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樣本量n=1
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計(jì)件值
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二項(xiàng)分布
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不合格品率控制圖
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p控制圖
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不合格品數(shù)控制圖
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np控制圖
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計(jì)點(diǎn)值
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泊松分布
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不合格數(shù)控制圖
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c控制圖
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單位不合格數(shù)控制圖
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u控制圖
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表1 常規(guī)控制圖(休哈特控制圖)
-R控制圖: -R控制圖是最常用最基本的控制圖,應(yīng)用于樣本量n<10的情況,極差計(jì)算簡(jiǎn)單,因此得到廣泛應(yīng)用。它用于控制對(duì)象為長(zhǎng)度、重量、強(qiáng)度、純度、時(shí)間、收率和生產(chǎn)量等計(jì)量值的場(chǎng)合。 控制圖用于觀察正態(tài)分布均值μ的變化,R控制圖用于觀察正態(tài)分布標(biāo)準(zhǔn)差σ的變化, -R控制圖用于觀察正態(tài)分布的變化。
-s控制圖:當(dāng)樣本量n>10時(shí), -R控制圖估計(jì)標(biāo)準(zhǔn)差效率降低,需要應(yīng)用 -s控制圖,用標(biāo)準(zhǔn)差s代替極差R。
Me-R控制圖:由于其精度比 -s控制圖小20%,所以不推薦使用。
X-RS控制圖:多用于取樣費(fèi)時(shí)、昂貴的場(chǎng)合,不能考慮重復(fù)觀測(cè),所以只有一個(gè)可能的數(shù)值。單值控制圖判斷過程變化的靈敏度比平均值控制圖要差一些,而且若過程的分布不是正態(tài)的,則對(duì)于單值控制圖的解釋應(yīng)特別慎重。
p控制圖:用于控制不合格品率或者合格品率等計(jì)件質(zhì)量指標(biāo)和場(chǎng)合。例如廢品率、交貨延遲率、缺勤率、差錯(cuò)率等。
np控制圖:用于控制不合格品數(shù)的場(chǎng)合,n為樣本大小,p為不合格率,則np為不合格品個(gè)數(shù)。
c控制圖:用于控制一定的單位中出現(xiàn)的不合格數(shù)目。例如布匹上的疵點(diǎn)數(shù)、每頁印刷錯(cuò)誤數(shù)等,適用于樣品大小不變的場(chǎng)合。
u控制圖:當(dāng)樣品大小不一時(shí),應(yīng)用u控制圖,u圖為平均每單位上的不合格數(shù)。
2.4控制圖的判穩(wěn)準(zhǔn)則和判異準(zhǔn)則
一開始建立控制圖時(shí),幾乎不會(huì)出現(xiàn)恰巧過程就正處于穩(wěn)定狀態(tài)的情況,在這樣的情況下建立的控制用控制圖,會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的結(jié)論。因此要將過程調(diào)整到穩(wěn)定的狀態(tài),等到過程調(diào)整穩(wěn)定,就可以延長(zhǎng)控制圖的控制線來進(jìn)行控制。
判穩(wěn)準(zhǔn)則:
在點(diǎn)隨機(jī)排列的情況下,符合下列各條之一,判穩(wěn):
連續(xù)25個(gè)點(diǎn),界外點(diǎn)數(shù)d=0;
連續(xù)35個(gè)點(diǎn),界外點(diǎn)數(shù)d≤1;
連續(xù)100個(gè)點(diǎn),界外點(diǎn)數(shù)d≤2。
這3條判穩(wěn)準(zhǔn)則的可靠性依次提高,同時(shí)所需要的樣本數(shù)也依次提高,取樣的成本也依次提高。因此,應(yīng)該從判穩(wěn)準(zhǔn)則(1)開始進(jìn)行判斷,如果不能判穩(wěn)再依次使用下一條[5]。
判異準(zhǔn)則:
SPC的基準(zhǔn)是穩(wěn)態(tài),若過程顯著偏離穩(wěn)定則稱為異常。常規(guī)控制圖的國(guó)標(biāo)GB/T4091-2001引用了西方電氣公司統(tǒng)計(jì)質(zhì)量手冊(cè)中的8條判異準(zhǔn)則。
1點(diǎn)出界就判異;
連續(xù)9點(diǎn)落在中心線一側(cè);
連續(xù)6點(diǎn)遞增或者遞減;
連續(xù)14點(diǎn)中相鄰點(diǎn)上下交替;
連續(xù)3點(diǎn)落在中心線同一側(cè)的2σ以外;
連續(xù)5點(diǎn)中有4點(diǎn)落在中心線同一側(cè)的σ以外;
連續(xù)15點(diǎn)在中心線±σ以內(nèi);
連續(xù)8點(diǎn)在中心線2側(cè),但無一點(diǎn)在中心線±σ以內(nèi)。
3.SPC在食品企業(yè)微生物監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)處理中的應(yīng)用
3.1微生物監(jiān)控的目的
在食品生產(chǎn)企業(yè)中,產(chǎn)品的微生物檢測(cè)通常是在產(chǎn)品生產(chǎn)結(jié)束后對(duì)成品進(jìn)行的一項(xiàng)檢測(cè),其結(jié)果會(huì)作為企業(yè)廠檢報(bào)告中的一部分,表明產(chǎn)品的安全性。在實(shí)施HACCP的食品企業(yè)中,產(chǎn)品微生物檢測(cè)是作為HACCP運(yùn)行是否有效的一項(xiàng)驗(yàn)證。目前,越來越多的食品企業(yè)在產(chǎn)品微生物檢測(cè)的基礎(chǔ)上,更加廣泛地開展了生產(chǎn)過程中的微生物監(jiān)控,包括對(duì)生產(chǎn)車間的空氣、傳送帶、周轉(zhuǎn)箱、生產(chǎn)人員、包裝材料以及其它可能與食品接觸表面的檢測(cè)。生產(chǎn)過程中的微生物監(jiān)控,可以對(duì)HACCP體系基礎(chǔ)計(jì)劃之一的SSOP計(jì)劃的有效性進(jìn)行監(jiān)控,從而加強(qiáng)整個(gè)食品安全體系的效力。
產(chǎn)品微生物檢測(cè)的要求基本上在產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中都有明確的說明,例如GB7100—2003規(guī)定非夾心餅干的細(xì)菌總數(shù)標(biāo)準(zhǔn)為≤750 CFU/g。然而,生產(chǎn)過程中的微生物監(jiān)控還沒有明確的標(biāo)準(zhǔn),各食品生產(chǎn)企業(yè)往往根據(jù)經(jīng)驗(yàn)對(duì)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)定,或者參照產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行判斷,這樣顯然在數(shù)據(jù)的處理上缺乏充足的科學(xué)依據(jù)。以下嘗試運(yùn)用SPC對(duì)生產(chǎn)過程中的微生物監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行處理,從統(tǒng)計(jì)學(xué)角度探討企業(yè)生產(chǎn)過程中的微生物標(biāo)準(zhǔn)。
3.2 運(yùn)用SPC處理某家糖果廠生產(chǎn)過程中的微生物監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)
食品企業(yè)進(jìn)行生產(chǎn)過程中的微生物監(jiān)控時(shí),通常選用細(xì)菌總數(shù)、大腸菌群和致病菌作為其監(jiān)控項(xiàng)目。一般對(duì)于大腸菌群和致病菌,只要檢出即判為不合格,而細(xì)菌總數(shù)沒有明確的判斷標(biāo)準(zhǔn)。因此,運(yùn)用SPC對(duì)細(xì)菌總數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。表2是某家糖果廠生產(chǎn)過程抽樣中細(xì)菌總數(shù)的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù),均采自員工手部。
樣本號(hào)
|
細(xì)菌總數(shù)(CFU/g)
|
樣本號(hào)
|
細(xì)菌總數(shù)(CFU/g)
|
樣本號(hào)
|
細(xì)菌總數(shù)(CFU/g)
|
1
|
4
|
19
|
105
|
37
|
0
|
2
|
19
|
20
|
8
|
38
|
1
|
3
|
10
|
21
|
13
|
39
|
6
|
4
|
3
|
22
|
17
|
40
|
7
|
5
|
147
|
23
|
3
|
41
|
1
|
6
|
25
|
24
|
36
|
42
|
0
|
7
|
3
|
25
|
33
|
43
|
23
|
8
|
5
|
26
|
5
|
44
|
21
|
9
|
15
|
27
|
10
|
45
|
3
|
10
|
31
|
28
|
8
|
46
|
38
|
11
|
4
|
29
|
3
|
47
|
11
|
12
|
2
|
30
|
7
|
48
|
15
|
13
|
20
|
31
|
106
|
49
|
2
|
14
|
3
|
32
|
13
|
50
|
27
|
15
|
4
|
33
|
8
|
51
|
43
|
16
|
7
|
34
|
5
|
52
|
32
|
17
|
5
|
35
|
29
|
53
|
8
|
18
|
10
|
36
|
2
|
54
|
10
|
表2 54個(gè)樣本的細(xì)菌總數(shù)原始數(shù)據(jù)
由于微生物水平可能會(huì)隨著時(shí)間發(fā)生變化,其在對(duì)象上的空間分布也有其隨機(jī)性,因此微生物檢測(cè)具有不可重復(fù)性,對(duì)于一個(gè)樣本只有一個(gè)檢測(cè)值,存在“偶然原因”的變異。根據(jù)概率統(tǒng)計(jì)學(xué)處理數(shù)據(jù)的方法,對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,把數(shù)據(jù)按照0-4,5-9,10-14依次類推進(jìn)行分組,統(tǒng)計(jì)細(xì)菌總數(shù)在每組出現(xiàn)的頻數(shù),如表3所示。
組號(hào)
|
細(xì)菌總數(shù)(CFU/g)
|
頻數(shù)
|
組號(hào)
|
細(xì)菌總數(shù)(CFU/g)
|
頻數(shù)
|
1
|
0-4
|
16
|
16
|
75-79
|
0
|
2
|
5-9
|
12
|
17
|
80-84
|
0
|
3
|
10-14
|
7
|
18
|
85-89
|
0
|
4
|
15-19
|
4
|
19
|
90-94
|
0
|
5
|
20-24
|
3
|
20
|
95-100
|
0
|
6
|
25-29
|
3
|
21
|
101-104
|
0
|
7
|
30-34
|
3
|
22
|
105-109
|
2
|
8
|
35-39
|
2
|
23
|
110-114
|
0
|
9
|
40-44
|
1
|
24
|
115-119
|
0
|
10
|
45-49
|
0
|
25
|
120-124
|
0
|
11
|
50-54
|
0
|
26
|
125-129
|
0
|
12
|
55-59
|
0
|
27
|
130-134
|
0
|
13
|
60-64
|
0
|
28
|
135-139
|
0
|
14
|
65-69
|
0
|
29
|
140-144
|
0
|
15
|
70-74
|
0
|
30
|
145-149
|
1
|
表3 分組數(shù)據(jù)頻數(shù)表
根據(jù)表3的數(shù)據(jù)做頻數(shù)圖,如圖2所示。
圖2 頻數(shù)圖
從圖2中可以發(fā)現(xiàn),細(xì)菌總數(shù)分組后,每組出現(xiàn)的頻數(shù)趨近于服從泊松分布,因此結(jié)合數(shù)據(jù)的特性選擇c控制圖?刂葡薰饺缦拢
CL=
UCL= +3
LCL= -3
為平均組值。
根據(jù)上述公式經(jīng)過計(jì)算得:
由于下控制界限不可能為負(fù)值,所以不設(shè)下控制界限。得到的控制圖,如圖3所示。
圖3 控制圖
從圖3中可以發(fā)現(xiàn),54個(gè)點(diǎn)中有3個(gè)點(diǎn)超出上控制界限,根據(jù)判穩(wěn)準(zhǔn)則(2),控制圖不穩(wěn)定,需要進(jìn)行調(diào)整。剔除超出上控制界限的3個(gè)點(diǎn)后,重新計(jì)算得:
同理,不設(shè)下控制界限,調(diào)整后的控制圖,如圖4所示。
圖4 調(diào)整后的控制圖
從圖4中可以發(fā)現(xiàn),51個(gè)點(diǎn)中只有1個(gè)點(diǎn)出界,符合判穩(wěn)準(zhǔn)則(2),因此過程判穩(wěn)。控制圖的統(tǒng)計(jì)對(duì)象為細(xì)菌總數(shù)所對(duì)應(yīng)的組號(hào),通過計(jì)算出組號(hào)的上下控制界限,找出組號(hào)對(duì)應(yīng)的細(xì)菌總數(shù)區(qū)間,可以得到細(xì)菌總數(shù)控制標(biāo)準(zhǔn)。該案例的上控制界限為8.5,表明從第9組開始就超出上控制界限,其對(duì)應(yīng)的細(xì)菌總數(shù)值的范圍是40~44 CFU/g,也就是當(dāng)細(xì)菌總數(shù)超過40 CFU/g時(shí),生產(chǎn)過程中細(xì)菌總數(shù)超標(biāo),應(yīng)當(dāng)及時(shí)查找原因,采取糾正措施,使生產(chǎn)過程處于受控狀態(tài)。
4.結(jié)論與展望
本文運(yùn)用SPC對(duì)某糖果廠生產(chǎn)過程中的微生物監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行處理,得出以下結(jié)論:
HACCP體系的基本思想就是在危害發(fā)生之前對(duì)其加以控制和消除,一旦成品到檢測(cè)環(huán)節(jié)才發(fā)現(xiàn)問題,不僅無法分析不合格的原因,還會(huì)給企業(yè)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失,SPC結(jié)合生產(chǎn)過程中的微生物監(jiān)控,可以直觀地反映生產(chǎn)環(huán)境的微生物水平,分析不合格產(chǎn)生原因,形成預(yù)防為主的管理體系。
微生物數(shù)據(jù)受到自身特點(diǎn)以及一些其他因素的影響,例如實(shí)驗(yàn)室操作人員、取樣面積、取樣對(duì)象的性質(zhì)、溫度等因素,單個(gè)數(shù)據(jù)具有一定的偶然性。然而當(dāng)取得大量數(shù)據(jù)時(shí),則顯示出一定的趨勢(shì)性,可以通過統(tǒng)計(jì)學(xué)原理對(duì)其進(jìn)行分析處理。
運(yùn)用SPC對(duì)微生物監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行處理,可以對(duì)微生物水平是否處于受控狀態(tài)做出判斷。當(dāng)出現(xiàn)數(shù)據(jù)偏離時(shí),可以及時(shí)查找原因,采取糾正措施,使生產(chǎn)過程處于受控狀態(tài)。
本文運(yùn)用SPC,為某家糖果廠建立了生產(chǎn)過程中員工手部細(xì)菌總數(shù)的標(biāo)準(zhǔn),該技術(shù)可以繼續(xù)推廣應(yīng)用到車間空氣、傳送帶等其他食品接觸表面,為將來建立食品企業(yè)生產(chǎn)過程中的微生物監(jiān)控標(biāo)準(zhǔn)提供科學(xué)參考。
SPC在產(chǎn)品生產(chǎn)過程質(zhì)量控制穩(wěn)定性的定性分析、生產(chǎn)狀況預(yù)測(cè)、防止由變異引起的質(zhì)量問題等方面具有很好的效果,隨著研究的進(jìn)一步深入,SPC在食品質(zhì)量管理領(lǐng)域的應(yīng)用也將越來越廣泛。
[1](美)Uyless Blsck. VOIP:IP 語音技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2000
[6]劉浩,卓黎陽 統(tǒng)計(jì)過程控制與HACCP 中國(guó)釀造 2005 No.12
原文下載: 《SPC在食品企業(yè)微生物監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)處理中的應(yīng)用》