ISO 24185:2022 定常自己相関過程からの測定値の不確かさの評価 | ページ 2

※一部、英文及び仏文を自動翻訳した日本語訳を使用しています。

序文

ISO (国際標準化機構) は、各国の標準化団体 (ISO メンバー団体) の世界的な連合です。国際規格の作成作業は、通常、ISO 技術委員会を通じて行われます。技術委員会が設立された主題に関心のある各会員団体は、その委員会に代表される権利を有します。 ISOと連携して、政府および非政府の国際機関もこの作業に参加しています。 ISO は、電気技術の標準化に関するすべての問題について、国際電気標準会議 (IEC) と緊密に協力しています。

この文書の開発に使用された手順と、今後の維持のために意図された手順は、ISO/IEC 指令で説明されています。 1. 特に、さまざまなタイプの ISO 文書に必要なさまざまな承認基準に注意する必要があります。この文書は、ISO/IEC 指令の編集規則に従って作成されました。 2 ( www.iso.org/directives を参照)

このドキュメントの要素の一部が特許権の対象となる可能性があることに注意してください。 ISO は、そのような特許権の一部または全部を特定する責任を負わないものとします。ドキュメントの開発中に特定された特許権の詳細は、序文および/または受信した特許宣言の ISO リストに記載されます ( www.iso.org/patents を参照)

このドキュメントで使用されている商号は、ユーザーの便宜のために提供された情報であり、保証を構成するものではありません。

規格の自発的な性質の説明、適合性評価に関連する ISO 固有の用語と表現の意味、および技術的貿易障壁 (TBT) における世界貿易機関 (WTO) の原則への ISO の準拠に関する情報については、以下を参照してください。 www.iso.org/iso/foreword.html .

この文書は、技術委員会 ISO/TC 69, 統計的手法の応用、小委員会 SC 6, 測定方法および結果によって作成されました。

序章

計量学では、反復測定の平均の分散または標準偏差、すなわちサンプル平均の標準不確かさは、サンプルサイズの平方根で割った測定のサンプル標準偏差によって計算されるのが一般的です。計算された標準不確かさは、反復測定の平均と分散が同じで相関がない場合のサンプル平均の標準偏差の推定量です。ただし、測定値が相関していることがよくあります。化学産業などの連続生産では、品質特性に関するほとんどのプロセス データは、時間の経過とともに自己相関するか、自己相関します。一般に、自己相関は、測定システム、プロセスのダイナミクス、またはその両方によって発生する可能性があります。多くの場合、データはドリフト動作を示します。生物学では、ランダムな生物学的変動、たとえば、血圧に影響を与える何らかの物質の分泌におけるランダムなバーストが持続的な影響を与える可能性があるため、いくつかの連続した測定はすべて同じランダムな現象の影響を受けます。データ収集では、サンプリング間隔が短い場合、自己相関、特にデータの正の自己相関が懸念されます。

測定値が自己相関過程からのものである場合、上記のように標本平均の標準不確かさを評価することは不適切です。 ISO/IEC Guide 98-3:2008 の 4.2.7 で述べられているように、「入力量の観測値のランダムな変動が、たとえば時間で相関している場合、平均値と平均値の実験標準偏差は、 4.2.1 および 4.2.3 は、望ましい統計 (C.2.23) の不適切な推定値 (C.2.25) である可能性があります。

自己相関プロセスは、定常か非定常かに基づいて、2 種類のプロセスに分類できます。

  • a)定常プロセス – 独立した同一分布 (iid) シーケンスの直接拡張。 「統計的平衡」の状態にある場合、自己相関プロセスは静止しています。これは、プロセスの基本的な動作が時間とともに変化しないことを意味します。特に、定常プロセスには、時間の経過とともに一定である平均と分散があります。
  • b)非定常プロセス - 定常でないプロセス。

このドキュメントの目的は、定常プロセスからの測定値の平均値の標準不確かさを評価する方法を提供することです。

1 スコープ

このドキュメントでは、連続する可能性のある自己相関測定値の観察可能な変動から生じる、プロセス平均の標準不確実性を評価する方法について説明します。このドキュメントでは、連続測定は定常プロセスに限定されています。このドキュメントには、仮定の有効性に関するテストも含まれています。結果として生じる不確実性は、観察可能な測定から生じる不確実性に関連していますが、他の不確実性の原因も考慮されます。

2 規範的参照

以下のドキュメントは、その内容の一部またはすべてがこのドキュメントの要件を構成するように、テキスト内で参照されています。日付のある参考文献については、引用された版のみが適用されます。日付のない参照については、参照文書の最新版 (修正を含む) が適用されます。

  • ISO 3534-2, 統計 — 語彙と記号 — 2: 応用統計

3 用語と定義

このドキュメントの目的のために、ISO 3534-2 および以下に記載されている用語と定義が適用されます。

ISO および IEC は、次のアドレスで標準化に使用する用語データベースを維持しています。

3.1 規約

3.1.1

共分散定常過程

弱定常過程

定常プロセス

一定のプロセス平均、一定のプロセス分散、およびプロセス指標の差のみに依存し、プロセス指標には依存しない自己共分散関数によって特徴付けられる確率過程

3.1.2

自己共分散

順序付けられた一連の観測値のメンバー間の内部共分散

3.2 略語と記号

3.2.1 略語

イイド独立して同一に分散
ACF自己相関関数

3.2.2 アイコン

確率過程の指標セット
確率変数
のタイプ A 不確実性成分を持つ成分
の成分は平均が 0 であり、タイプ B の不確実性成分は
の真の平均
定常プロセスの真のプロセス平均
の真のデフォルト偏差
定常工程の真の工程標準偏差
定常過程の真の標準偏差
定常過程の真の標準偏差
の標準不確かさのタイプ B 評価
平均と分散を持つ正規分布
と の間の自己共分散
と の間の自己相関
2 つのプロセス インデックス間のインデックス ラグ
ラグにおける定常過程の自己共分散
の推定量
ラグでの定常プロセスの自己相関
の推定量
の標準偏差の推定量
インデックスの値
のシーケンスの算術平均値
のシーケンスのサンプル標準偏差

参考文献

[1]ISO/IEC Guide 98-3:2008, 測定の不確実性 — 3: 測定における不確かさの表現の手引き (GUM:1995)
[2]ISO 7870-9, 管理図 — 9: 定常プロセスの管理図
[3]Woodward WA, Grey HL, Ellicott AC, Applied time series analysis.、2012 年、フロリダ州ボカラトン: CRC Press
[4]Priestley MB, スペクトル分析と時系列、1981 年ロンドン: Academic Pres
[5]Box GEP, Jenkins GM, Reinsel GC, Time Series Analysis: Forecasting and Control, 1994 年 (第 3 版)、ニュージャージー州エングルウッド クリフ: プレンティス ホール
[6]Brockwell PJ, Davis RA, 時系列: 理論と方法、1991 年 (第 2 版)ニューヨーク:スプリンガー出版社
[7]Winkel P., Zhang NF, Statistical development of quality in Medicine., 2007 イギリス、チチェスター: John Wiley & Sons, Ltd.
[8]Zhang NF, 自己相関測定の平均値の不確かさの計算、2006 年 Metrologia, 43, S276-281
[9]A. Possolo, NIST 測定結果の不確実性を評価および表現するための簡単なガイド。 NIST テクニカル ノート 1900, 国立標準技術研究所、例 E2, 2005 ページ66.1 、メリーランド州ゲーサーズバーグ

Foreword

ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards bodies (ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out through ISO technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical committee has been established has the right to be represented on that committee. International organizations, governmental and non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work. ISO collaborates closely with the International Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of electrotechnical standardization.

The procedures used to develop this document and those intended for its further maintenance are described in the ISO/IEC Directives, 1. In particular, the different approval criteria needed for the different types of ISO documents should be noted. This document was drafted in accordance with the editorial rules of the ISO/IEC Directives, 2 (see www.iso.org/directives ).

Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of patent rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights. Details of any patent rights identified during the development of the document will be in the Introduction and/or on the ISO list of patent declarations received (see www.iso.org/patents ).

Any trade name used in this document is information given for the convenience of users and does not constitute an endorsement.

For an explanation of the voluntary nature of standards, the meaning of ISO specific terms and expressions related to conformity assessment, as well as information about ISO's adherence to the World Trade Organization (WTO) principles in the Technical Barriers to Trade (TBT), see www.iso.org/iso/foreword.html .

This document was prepared by Technical Committee ISO/TC 69, Applications of statistical methods, Subcommittee SC 6, Measurement methods and results.

Introduction

In metrology, it is common practice that the dispersion or standard deviation of the average of repeated measurements, i.e., the standard uncertainty of the sample mean, is calculated by the sample standard deviation of the measurements divided by the square root of the sample size. The calculated standard uncertainty is an estimator of the standard deviation of the sample mean when the repeated measurements have the same mean and variance and are uncorrelated. However, it often happens that the measurements are correlated. In continuous productions such as in the chemical industry, most process data on quality characteristics are self-correlated over time or autocorrelated. In general, autocorrelation can be caused by the measuring system, the dynamics of the process, or both. In many cases, the data can exhibit a drifting behaviour. In biology, random biological variation, for example, the random burst in the secretion of some substance that influences the blood pressure, can have a sustained effect so that several consecutive measurements are all influenced by the same random phenomenon. In data collection, when the sampling interval is short, autocorrelation, especially positive autocorrelation of the data, is a concern.

When the measurements are from an autocorrelated process, it is inappropriate to evaluate the standard uncertainty of the sample mean as described above. As stated in ISO/IEC Guide 98-3:2008, 4.2.7, “If the random variations in the observations of an input quantity are correlated, for example, in time, the mean and experimental standard deviation of the mean as given in 4.2.1 and 4.2.3 may be inappropriate estimators (C.2.25) of the desired statistics (C.2.23).”

Autocorrelated processes can be classified to be two kinds of processes based on whether they are stationary or nonstationary:

  • a) Stationary process – a direct extension of an independent and identically distributed (i.i.d.) sequence. An autocorrelated process is stationary if it is in a state of “statistical equilibrium”. This implies that the basic behaviour of the process does not change in time. In particular, a stationary process has a mean and variance that are constants over time;
  • b) Nonstationary process – a process that is not stationary.

The aim of this document is to provide a method to evaluate the standard uncertainty of the mean of measurements from a stationary process.

1 Scope

This document describes a method to evaluate the standard uncertainty for a process mean, arising from observable variation in successive possibly autocorrelated measurements. In this document, the successive measurements are restricted to stationary processes. This document also includes tests for validity of assumptions. The resulting uncertainty is related to that arising from observable measurements while other sources of uncertainty are also considered.

2 Normative reference

The following documents are referred to in the text in such a way that some or all of their content constitutes requirements of this document. For dated references, only the edition cited applies. For undated references, the latest edition of the referenced document (including any amendments) applies.

  • ISO 3534-2, Statistics — Vocabulary and symbols — 2: Applied statistics

3 Terms and definitions

For the purposes of this document, the terms and definitions given in ISO 3534-2 and the following apply.

ISO and IEC maintain terminology databases for use in standardization at the following addresses:

3.1 Terms

3.1.1

covariance stationary process

weakly stationary process

stationary process

stochastic process characterized by a constant process mean, a constant process variance and an autocovariance function which only depends on the difference of the process indices and does not depend on the process index

3.1.2

autocovariance

internal covariance between members of a sequence of ordered observations

3.2 Abbreviated terms and symbols

3.2.1 Abbreviated terms

i.i.d.independent and identically distributed
ACFautocorrelation function

3.2.2 Symbols

index set for a stochastic process
random variable at time
component of which has the Type A uncertainty component of
component of which has zero mean and the Type B uncertainty component of
true mean of
true process mean of a stationary process
true standard deviation of
true process standard deviation of a stationary process
true standard deviation of for a stationary process
true standard deviation of for a stationary process
Type B evaluation of the standard uncertainty of
normal distribution with mean and variance
autocovariance between and
autocorrelation between and
index lag between two process indices
autocovariance of a stationary process at lag
estimator of
autocorrelation of a stationary process at lag
estimator of
estimator of standard deviation of
a value of at index
arithmetic mean value of a sequence of
sample standard deviation of a sequence of

Bibliography

[1]ISO/IEC Guide 98-3:2008, Uncertainty of measurement — 3: Guide to the expression of uncertainty in measurement (GUM:1995)
[2]ISO 7870-9, Control charts — 9: Control charts for stationary processes
[3]Woodward W. A., Gray H. L., Ellicott A. C., Applied time series analysis., 2012 Boca Raton, FL: CRC Press
[4]Priestley M. B., Spectral Analysis and Time Series, 1981 London: Academic Press.
[5]Box G. E. P., Jenkins G. M., Reinsel G. C., Time Series Analysis: Forecasting and Control, 1994 (3rd ed.), Englewood Cliffs, NJ: Prentice Hall
[6]Brockwell P. J., Davis R. A., Time Series: Theory and Methods, 1991 (2nd ed.). New York: Springer-Verlag
[7]Winkel P., Zhang N. F., Statistical development of quality in medicine., 2007 Chichester, UK: John Wiley & Sons, Ltd.
[8]Zhang N. F., Calculation of the uncertainty of the mean of autocorrelated measurements, 2006 Metrologia, 43, S276-281
[9]Possolo A., Simple guide for evaluating and expressing the uncertainty of NIST measurement results. NIST Technical Note 1900, National Institute of Standards and Technology, Example E20 (Thermal Bath), 2005 Page 66. 1 , Gaithersburg, MD