品質管理

CUSUM管理図とEWMA管理図|小さな変化の検出

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この記事でわかること

  • 3σ管理図が1σのずれを見逃す理由
  • CUSUM管理図の計算手順とパラメータk・hの決め方(Excel対応)
  • EWMA管理図の計算手順と管理限界の求め方(Excel対応)
  • 同じデータで3つの方法が何点目に反応するかの比較

📌 前提知識:管理図(X-R管理図)の作り方と見方を読んでいると理解しやすくなります

射出成形の寸法を管理図で見ています。点はすべて管理限界の内側にあり、異常判定ルールにも引っかかっていません。それなのに、後工程からは「最近どうも寸法が上寄りだ」と言われます。グラフを眺めると、確かに中心線より上に張り付いている気がする。でも管理図は何も教えてくれません。 これは管理図の使い方が間違っているわけではなく、3σ管理図が苦手とする種類の変化だからです。工具の摩耗や材料ロットの切り替わりのように、じわじわと小さく平均がずれる変化は、1点1点を見る管理図ではほとんど捕まりません。 この記事では、そうした小さなシフトを狙って検出する2つの管理図、CUSUM管理図とEWMA管理図の作り方を、同じ15点のデータで比較しながら解説します。

CUSUM・EWMA管理図を使う場面

この2つを使うのは、次のような変化を早く見つけたいときです。
  • 工具やドリルの摩耗で寸法がじわじわ動くとき。1回あたりの変化は小さくても、方向が一定です
  • 材料ロットや作業者が替わって平均が少し動いたとき。ばらつきは変わらず中心だけがずれます
  • 1個ずつしか測れず群が組めないとき。個々の測定値の管理図は感度が低いので、補う目的で使います
逆に、突発的な大きな異常を捕まえるのは3σ管理図のほうが得意です。CUSUMとEWMAは過去のデータを引きずるので、大きく飛んだ1点への反応はむしろ遅くなります。NG例(△)として、この2つで3σ管理図を置き換えるのは避けてください。併用するのが実務の使い方です。 どの管理図を選ぶかの全体像は管理図の選び方にまとめています。CUSUMとEWMAは、そこで選んだ管理図に足す位置づけです。

例題|3σ管理図が反応しないデータ

工程平均 \( \mu_0 = 50.0 \)、標準偏差 \( \sigma = 1.0 \) で安定していた工程があります。15点を1個ずつ測定しました。7点目から工程平均が1σ(=1.0)だけ上にずれています。
No. 測定値 No. 測定値 No. 測定値
1 50.2 6 49.7 11 51.6
2 49.5 7 51.2 12 51.1
3 50.4 8 50.8 13 51.3
4 49.8 9 51.4 14 50.7
5 50.1 10 50.9 15 51.5
まず普通の管理図で見ます。1個ずつの測定値なので管理限界は次のとおりです。 \[ UCL = \mu_0 + 3\sigma = 50.0 + 3 \times 1.0 = 53.0 \] Excelでは中心線に3σを足すだけです。
=50 + 3*1  → 53.0
最大値は11点目の51.6です。53.0には遠く、15点すべてが管理限界の内側に収まります。3σ管理図は最後まで何も警報を出しません。工程平均が1σずれているにもかかわらずです。 理由は単純で、1σのずれが起きても1点が3σ線を超える確率は約2.3%しかないからです。平均して40点ほど待たないと1点も超えません。3シグマの法則が持つ「めったに外れない」という性質が、ここでは裏目に出ます。

CUSUM管理図の作り方

CUSUM(Cumulative Sum・累積和)は、基準値からのずれを足し込んでいく方法です。1点ごとの大小ではなく、ずれが同じ向きに続いているかを見ます。 上振れを見る片側CUSUMは次の式で計算します。 \[ C_i^{+} = \max\left[\,0,\ C_{i-1}^{+} + (x_i – (\mu_0 + k))\,\right] \] \( k \) は参照値(slack)と呼び、検出したいシフト量の半分に取ります。今回は1σのシフトを狙うので \( k = 0.5\sigma = 0.5 \) です。つまり50.5を引いた残りを足し込み、マイナスになったら0に戻します。0に戻すのは、下振れの記憶を持ち越さないためです。 Excelでは、C2に初期値0を入れ、C3から次の式を下へコピーします。
=MAX(0, C2 + (B3 - 50.5))
計算結果です。
No. C⁺ No. C⁺ No. C⁺
1 0 6 0 11 3.4
2 0 7 0.7 12 4.0
3 0 8 1.0 13 4.8
4 0 9 1.9 14 5.0
5 0 10 2.3 15 6.0
判定は決定間隔 \( h \) と比べます。慣行として \( h = 5\sigma = 5.0 \) を使います。 6点目までは0のままです。工程が安定している間はずれが打ち消し合うので、累積和は溜まりません。7点目から値が増え始め、14点目で5.0に達して警報となります。シフトの発生が7点目なので、8点で検出できた計算です。

EWMA管理図の作り方

EWMA(Exponentially Weighted Moving Average・指数重み付き移動平均)は、直近のデータを重く、古いデータを軽く扱いながら平均を更新していく方法です。 \[ z_i = \lambda x_i + (1 – \lambda) z_{i-1} \] \( \lambda \) は0〜1の重みで、小さいほど過去を長く引きずり、小さなシフトをよく拾います。実務では0.2前後がよく使われます。初期値 \( z_0 \) には工程平均50.0を入れます。
=0.2*B3 + 0.8*C2
管理限界は点ごとに変わります。最初のうちは平均するデータが少ないので幅が狭く、点が増えるにつれ一定値に近づきます。 \[ UCL_i = \mu_0 + L\sigma\sqrt{\frac{\lambda}{2-\lambda}\left[1-(1-\lambda)^{2i}\right]} \]
=50 + 3*1*SQRT(0.2/1.8*(1-0.8^(2*A3)))
\( L = 3 \) とすると、十分に点が溜まったときの管理限界は次の値に落ち着きます。 \[ UCL_\infty = 50 + 3 \times 1.0 \times \sqrt{\frac{0.2}{1.8}} = 50 + 3 \times 0.3333 = 51.0 \]
=50 + 3*1*SQRT(0.2/1.8)  → 51.0
3σ管理図の53.0に対して51.0です。幅が半分以下になっているぶん、小さなずれに反応します。
No. z UCL No. z UCL
6 49.944 50.965 11 50.805 50.996
7 50.195 50.978 12 50.864 50.998
8 50.316 50.986 13 50.951 50.999
9 50.533 50.991 14 50.901 50.999
10 50.606 50.994 15 51.021 50.999
7点目から z が上がり続け、15点目で51.021となり管理限界50.999を超えて警報です。14点目の50.901は惜しいところで止まっています。

⭐ 同じデータで4つの方法を比べる

同一データに対して、何点目で気づけたかをまとめます。
方法 警報が出た点 シフトからの遅れ
3σ管理図(個々の値) 警報なし —
連続9点ルール 15点目 9点
EWMA(λ=0.2, L=3) 15点目 9点
CUSUM(k=0.5σ, h=5σ) 14点目 8点
差をどう読むかがポイントです。3σ管理図だけが最後まで沈黙しているのに対し、他の3つは検出できています。CUSUMが1点だけ早いものの、EWMAや連続9点ルールとの差は実務的にはわずかです。 つまり導入の価値は「CUSUMかEWMAか」の選択より、1点ごとの判定だけに頼るのをやめることにあります。管理図の異常判定ルールの連続9点ルールを真面目に運用しているだけでも、かなりの部分は拾えます。そのうえで、より早い検出が要るならCUSUMやEWMAを足す、という順序で考えてください。 警報が出たあとの調査の進め方は管理限界を超えたときの対応手順と同じです。CUSUMやEWMAで警報が出たときは、突発ではなく持続的なずれなので、4Mのうち「じわじわ変わるもの」から先に当たると早く見つかります。工具の摩耗、治具のゆるみ、材料ロットの切り替わりなどです。

パラメータの決め方

CUSUMの \( k \) は、検出したいシフト量 \( \delta\sigma \) の半分に取るのが基本です。1σのシフトを狙うなら \( k = 0.5\sigma \)、0.5σなら \( k = 0.25\sigma \) です。\( h \) は4σまたは5σがよく使われ、大きくするほど誤報が減り検出は遅くなります。 EWMAの \( \lambda \) は0.05〜0.25の範囲で選びます。小さくするほど小さなシフトに強くなりますが、大きな変化への反応は鈍くなります。0.2は「小さいシフトも見たいが、大きい変化も見逃したくない」という中庸の設定です。
狙うシフト CUSUMのk EWMAのλ
0.5σ(かなり小さい) 0.25σ 0.05〜0.10
1.0σ(標準的) 0.5σ 0.2
2.0σ以上(大きい) 1.0σ 0.4以上、または3σ管理図
いずれの場合も、\( \mu_0 \) と \( \sigma \) は工程が安定していた期間のデータから推定した値を使ってください。異常が混ざった期間から求めた σ を使うと、幅が広がって検出力が落ちます。

よくある質問

Q. CUSUMとEWMA、どちらを選べばよいですか?

A. 検出性能はほぼ互角なので、運用しやすいほうで構いません。EWMAは「平滑化した線をそのままグラフに描く」ので現場の人が直感的に読みやすく、CUSUMは累積和という抽象的な量を見るため説明が要ります。一方でCUSUMはシフトの発生時点を推定しやすいという利点があります。見せる相手が現場ならEWMA、解析するのが技術者ならCUSUM、という選び方で実用上は困りません。

Q. 下振れも見たい場合はどうしますか?

A. CUSUMは下側の累積和 C⁻ を別に計算します。式は \( C_i^{-} = \max[0,\ C_{i-1}^{-} + ((\mu_0 – k) – x_i)] \) で、同じ h と比べます。上下2本を並べて描くのが一般的です。EWMAは管理限界を上下対称に引くだけなので、下側限界を追加すれば済みます。

Q. 群を組んだデータにも使えますか?

A. 使えます。個々の値 \( x_i \) を群平均 \( \bar{x}_i \) に置き換え、σ を \( \sigma/\sqrt{n} \) に置き換えてください。群を組むと1点あたりの感度が上がるため、そもそも3σ管理図でも検出しやすくなります。CUSUMやEWMAの恩恵が大きいのは、群が組めず1個ずつ測るしかない場合です。

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まとめ

  • 3σ管理図は1σ程度の小さなシフトをほとんど検出できない。今回の例では15点すべて管理限界内だった
  • CUSUMは基準値からのずれを累積し、決定間隔hを超えたら警報。k=0.5σ・h=5σが標準
  • EWMAは直近を重く見た移動平均で、λ=0.2なら管理限界は3σ管理図の半分以下に狭まる
  • 同一データでCUSUMは14点目、EWMAと連続9点ルールは15点目に反応した
  • 突発的な異常は3σ管理図が得意なので、置き換えではなく併用する
まとめると、工具摩耗のようにじわじわ動く工程にはCUSUMかEWMAを足し、突発的な飛びを見る役割は3σ管理図に残す、という使い分けです。そしてどちらを入れる前にも、連続9点ルールが実際に運用されているかをまず確認してください。そこが抜けたまま新しい管理図を足しても効果は限定的です。 この記事の前提となる管理限界の引き方はX-s管理図とは|作り方とX-R管理図の使い分けで、工程のばらつきそのものの評価は工程能力指数(Cp・Cpk)で解説しています。あわせてご確認ください。
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