DE102021212157A1 - Process for improving the statistical description of measured values - Google Patents

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DE102021212157A1
DE102021212157A1 DE102021212157.8A DE102021212157A DE102021212157A1 DE 102021212157 A1 DE102021212157 A1 DE 102021212157A1 DE 102021212157 A DE102021212157 A DE 102021212157A DE 102021212157 A1 DE102021212157 A1 DE 102021212157A1
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Abstract

Vorgeschlagen wird ein Verfahren zur Verbesserung der statistischen Beschreibung von Messwerten von Teilen oder Vorrichtungen mit einem gleichen Merkmal, aufweisend:- Bereitstellen von Messwerten von einer Mehrzahl der Teile oder Vorrichtungen, wobei sich die Messwerte auf das gleiche Merkmal beziehen;- Aufstellen einer Dichtefunktion einer Gaußschen Mischverteilung auf Basis der Messwerte;- Anpassung der Dichtefunktion der Gaußschen Mischverteilung mithilfe einer iterativen Anwendung des Expectation-Maximization-Algorithmus; wobeidie Dichtefunktion derart verändert wird, dass eine Komponente der Dichtefunktion entfernt wird, sobald bei der iterativen Anwendung des Expectation-Maximization-Algorithmus die Varianz dieser Komponente unter einen vordefinierten Schwellwert fällt.Weiterhin wird eine Recheneinrichtung, ausgestaltet zur Durchführung des Verfahrens, vorgeschlagen.A method is proposed for improving the statistical description of measured values of parts or devices with the same characteristic, comprising:- providing measured values from a plurality of the parts or devices, the measured values relating to the same characteristic;- establishing a density function of a Gaussian Mixture distribution based on the measured values;- Fitting the density function of the Gaussian mixture distribution using an iterative application of the Expectation Maximization algorithm; wherein the density function is changed in such a way that a component of the density function is removed as soon as the variance of this component falls below a predefined threshold value during the iterative application of the expectation maximization algorithm.

Description

Bei der statistischen Beschreibung von Messwerten - insbesondere bei der statistischen Prozesskontrolle und der Vorhersage von zu erwartenden Messwertverteilungen mit statistischen Mitteln - ist das Anpassen von statistischen Verteilungen an die Messwerte ein grundlegender Schritt. Messwerte können zum Beispiel Abmessungen, Radien oder andere geometrische oder konstruktive oder physikalische Eigenschaften von Teilen oder Vorrichtungen sein. Teile können hierbei zum Beispiel Bauteile oder Halbzeuge sein. Wenn von „Teilen“ gesprochen wird, können baugleiche Teile gemeint sein oder Teile, die zumindest ein baugleiches Merkmal aufweisen.In the statistical description of measured values - especially in statistical process control and the prediction of expected measured value distributions with statistical means - the adaptation of statistical distributions to the measured values is a fundamental step. Measured values can be, for example, dimensions, radii or other geometric or structural or physical properties of parts or devices. Parts can be, for example, components or semi-finished products. When “parts” are spoken of, they can mean structurally identical parts or parts that have at least one structurally identical feature.

Im einfachsten Fall folgen Messwerte eines bestimmten (baugleichen) Merkmals der Teile einer eingipfligen Verteilung und sind typischerweise durch eine Gauß-Verteilung (Normalverteilung) darstellbar. In der Praxis ist es jedoch häufig der Fall, dass die Messwerte Verteilungen folgen, die mehrere Gipfel aufweisen. Eine Mehrgipfligkeit kann zum Beispiel darin begründet liegen, dass Teile, an denen die Messwerte gemessen worden sind, Unterschieden in der Fertigung unterliegen. Unterschiede können sich zum Beispiel zwischen Fertigungen während Frühschichten und Spätschichten oder aufgrund verschiedener Chargen von Grundmaterialien oder Grundbestandteilen der Teile ergeben. Teile, die insoweit gleiche Eigenschaften aufweisen, zum Beispiel also Teile aus der Frühschicht oder Teile, die auf derselben Charge eines Grundbestandteils basieren, können jeweils einer eingipfligen Verteilung folgen. Werden jedoch nun Teile aus unterschiedlichen Schichten oder Teile, die Grundbestandteile verschiedener Chargen aufweisen, zusammen betrachtet, können sich komplexere, insbesondere mehrgipflige Verteilungen ergeben, da sich Überlagerungen der eingipfligen Verteilungen bilden.In the simplest case, measured values of a certain (structurally identical) feature of the parts follow a unimodal distribution and can typically be represented by a Gaussian distribution (normal distribution). In practice, however, it is often the case that the measured values follow distributions that have multiple peaks. A multi-peak can, for example, be due to the fact that parts on which the measured values have been measured are subject to differences in production. Differences can arise, for example, between production during early shifts and late shifts or due to different batches of basic materials or basic components of the parts. Parts that have the same properties, for example parts from the early shift or parts that are based on the same batch of a basic ingredient, can each follow a unicodal distribution. If, however, parts from different layers or parts that have basic components from different batches are considered together, more complex, in particular multi-peak distributions can result, since the unimodal distributions are superimposed.

Ein häufig verwendetes Modell für solche mehrgipfligen Verteilungen ist die Gaußsche Mischverteilung. Sie besteht aus einer Anzahl n von Normalverteilungen, die überlagert werden und jeweils Gewichtungen aufweisen. Hierzu wird im Folgenden zur Veranschaulichung ein Beispiel gegeben:

  • • Messwerte von Teilen aus Frühschichten folgen einer Normalverteilung N 0 ( μ 0 , σ 0 2 ) ;
    Figure DE102021212157A1_0001
  • • Messwerte von Teilen aus Spätschichten folgen einer Normalverteilung N 1 ( μ 1 , σ 1 2 ) ;
    Figure DE102021212157A1_0002
wobei 2/3 der Teile in Frühschichten hergestellt werden. Die Dichtefunktion der Gaußschen Mischverteilung ergibt sich zu: ƒ ( x ) = 2 3 ƒ N ( μ 0 , σ 0 2 ) ( x ) + 1 3 ƒ N ( μ 1 , σ 1 2 ) ( x ) ,
Figure DE102021212157A1_0003
wobei ƒ N ( μ , σ 2 )
Figure DE102021212157A1_0004
eine Dichtefunktion einer Gauß-Verteilung (Normalverteilung) mit den Parametern µ, σ2 ist. µ bezeichnet den jeweiligen Erwartungswert, σ2 die jeweilige Varianz. Die einzelnen Dichtefunktionen ƒ N
Figure DE102021212157A1_0005
der Gauß-Verteilungen (Normalverteilungen) werden als Komponenten der Dichtefunktion der Gaußschen Mischverteilung bezeichnet. Das Funktionsargument x ist eine Eingangsgröße und stellt praktisch einen Messwert dar, für den die Dichtefunktion der Gaußschen Mischverteilung ausgeführt werden soll. Die Dichtefunktion der Gaußschen Mischverteilung ergibt eine Kurve. Für ein vorgegebenes Intervall ergibt die Fläche unter der Kurve (das Integral) in diesem Intervall eine Wahrscheinlichkeit, dass ein Messwert in diesem Intervall liegt.A frequently used model for such multi-peak distributions is the Gaussian mixed distribution. It consists of a number n of normal distributions that are superimposed and each have weightings. An example is given below to illustrate this:
  • • Measured values from parts from early shifts follow a normal distribution N 0 ( μ 0 , σ 0 2 ) ;
    Figure DE102021212157A1_0001
  • • Measured values from parts from late shifts follow a normal distribution N 1 ( μ 1 , σ 1 2 ) ;
    Figure DE102021212157A1_0002
2/3 of the parts are produced in early shifts. The density function of the Gaussian mixed distribution results from: ƒ ( x ) = 2 3 ƒ N ( μ 0 , σ 0 2 ) ( x ) + 1 3 ƒ N ( μ 1 , σ 1 2 ) ( x ) ,
Figure DE102021212157A1_0003
whereby ƒ N ( μ , σ 2 )
Figure DE102021212157A1_0004
is a density function of a Gaussian distribution (normal distribution) with the parameters µ, σ 2 . µ denotes the respective expected value, σ 2 the respective variance. The individual density functions ƒ N
Figure DE102021212157A1_0005
of the Gaussian distributions (normal distributions) are called components of the density function of the Gaussian mixed distribution. The function argument x is an input variable and practically represents a measured value for which the density function of the Gaussian mixed distribution is to be carried out. The density function of the Gaussian mixed distribution gives a curve. For a given interval, the area under the curve (the integral) in this interval gives a probability that a measured value lies in this interval.

Allgemein lautet die Formel einer Dichtefunktion einer Gaußschen Mischverteilung: f ( x ) = i = 1 N ( α i ƒ N ( μ i , σ i 2 ) ( x ) ) ,

Figure DE102021212157A1_0006
mit den Gewichtungsfaktoren αi. Im obigen Beispiel ist α0 = 2/3 und α1 = 1/3. Der Metaparameter N gibt die Anzahl der Komponenten vor. Im obigen Beispiel ist N = 2.In general, the formula for a density function of a Gaussian mixed distribution is: f ( x ) = i = 1 N ( α i ƒ N ( μ i , σ i 2 ) ( x ) ) ,
Figure DE102021212157A1_0006
with the weighting factors α i . In the example above, α 0 = 2/3 and α 1 = 1/3. The meta parameter N specifies the number of components. In the example above, N = 2.

Für ein bestimmtes, fixes N, also für eine bestimmte Anzahl an Komponenten, kann ein Parameter Θ aufgestellt werden mit Θ = [ μ 1 , μ N , σ 1 2 , , σ N 2 , α 1 , , α N ] .

Figure DE102021212157A1_0007
For a certain, fixed N, i.e. for a certain number of components, a parameter Θ can be set up with Θ = [ μ 1 , ... μ N , σ 1 2 , ... , σ N 2 , α 1 , ... , α N ] .
Figure DE102021212157A1_0007

Die Dichtefunktion der Gaußschen Mischverteilung kann nun besonders einfach formuliert werden als ƒ(x; Θ).The density function of the Gaussian mixed distribution can now be formulated particularly simply as ƒ (x; Θ).

Um die Messwerte statistisch zutreffend zu beschreiben - zum Beispiel zum Zwecke der Prozesskontrolle oder der Vorhersage von Prozessen und zu erwartenden Messwerten - ist ein passender Wert des Metaparameters N (Anzahl der Komponenten) zu finden und ein passender Parameter Θ zu bestimmen. „Passend“ heißt insoweit, dass die Dichtefunktion der Gaußschen Mischverteilung ƒ(x; Θ) die realen Messwerte möglichst realitätsgetreu wiederspiegelt, die Dichtefunktion der Gaußschen Mischverteilung ƒ(x; Θ) also gut an die realen Messwerte und deren Häufigkeiten angepasst ist.In order to describe the measured values in a statistically accurate way - for example for the purpose of process control or the prediction of processes and expected measured values - a suitable value of the metaparameter N (number of components) must be found and a suitable parameter Θ must be determined. "Suitable" means that the density function of the Gaussian mixed distribution ƒ (x; Θ) reflects the real measured values as realistically as possible, the density function of the Gaussian mixed distribution ƒ (x; Θ) is therefore well adapted to the real measured values and their frequencies.

Im Folgenden seien S = {s1,...,sK} eine Menge von Messwerten (insgesamt K Messwerte), an die eine Dichtefunktion der Gaußschen Mischverteilung angepasst werden soll. Zunächst wird ein Kriterium definiert, um zu quantifizieren wie gut eine ermittelte Dichtefunktion der Gaußschen Mischverteilung zu der Menge von Messwerten passt. Hierzu wird üblicherweise eine sogenannte Likelihood-Funktion (teilweise auch Plausibilitätsfunktion genannt) verwendet. Sie lautet: L ( S ; Θ ) = i = 1 K ƒ ( s i ; Θ ) .

Figure DE102021212157A1_0008
In the following, let S = {s 1 , ..., s K } be a set of measured values (total of K measured values) to which a density function of the Gaussian mixed distribution is to be adapted. First, a criterion is defined to quantify how well a determined density function of the Gaussian mixed distribution fits the set of measured values. A so-called likelihood function (sometimes also called plausibility function) is usually used for this purpose. It is: L. ( S. ; Θ ) = i = 1 K ƒ ( s i ; Θ ) .
Figure DE102021212157A1_0008

Ein höherer Wert der Likelihood-Funktion wird als bessere Anpassung interpretiert. Aus numerischen Gründen wird in der Praxis häufig die Log-Likelihood verwendet. Sie hat dieselbe Eigenschaft, dass ein höherer Wert der Log-Likelihood-Funktion mit einer besseren Anpassung einhergeht.A higher value of the likelihood function is interpreted as a better fit. For numerical reasons, the log-likelihood is often used in practice. It has the same property that a higher value of the log-likelihood function is associated with a better fit.

Eine übliche Vorgehensweise zur Anpassung einer Dichtefunktion einer Gaußschen Mischverteilung an eine Menge von Messwerten (die Menge von Messwerten kann z. B. auch als „Stichprobe“ bezeichnet werden, sofern zutreffend) ist ein iteratives Verfahren. Der Ausgangspunkt ist ein Parameter zum Iterationsschritt P: Θ ( P ) = [ μ 1 ( P ) , , μ N ( P ) , σ 1 2 ( P ) , , σ N 2 ( P ) , α 1 ( P ) , , α N ( P ) ]

Figure DE102021212157A1_0009
A common procedure for adapting a density function of a Gaussian mixed distribution to a set of measured values (the set of measured values can also be referred to as a “random sample”, if applicable) is an iterative method. The starting point is a parameter for iteration step P: Θ ( P. ) = [ μ 1 ( P. ) , ... , μ N ( P. ) , σ 1 2 ( P. ) , ... , σ N 2 ( P. ) , α 1 ( P. ) , ... , α N ( P. ) ]
Figure DE102021212157A1_0009

Es sei angemerkt, dass zur Ermittlung eines Startwerts des Parameters - als Basis eines ersten iterativen Schritts - eine Schätzung und/oder eine Anwendung bekannter Heuristiken verwendet werden kann.It should be noted that an estimate and / or an application of known heuristics can be used to determine a starting value of the parameter - as the basis of a first iterative step.

Zunächst werden aus dem aktuellen Parameter Informationen über die erwarteten Häufigkeiten der Messwerte berechnet. Sie berechnen sich aus: h j ( t ) = α j ƒ N ( s t ; μ j , σ j 2 ) u = 1 N ( α u ƒ N ( s t ; μ j , σ j 2 ) ) ,     t = 1,..., K ; j = 1,..., N

Figure DE102021212157A1_0010
First, information about the expected frequencies of the measured values is calculated from the current parameter. They calculate from: H j ( t ) = α j ƒ N ( s t ; μ j , σ j 2 ) u = 1 N ( α u ƒ N ( s t ; μ j , σ j 2 ) ) , t = 1,..., K ; j = 1,..., N
Figure DE102021212157A1_0010

Mithilfe der Formel (6) werden die Bestandteile des Parameters im Folgenden so angepasst, dass der Wert der Likelihood-Funktion steigt. So ergibt sich im Iterationsschritt P + 1, basierend auf den erwarteten Häufigkeiten in Bezug auf den Iterationsschritt P: α j ( P + 1 ) = 1 K t = 1 K h j ( P ) ( t ) ,

Figure DE102021212157A1_0011
μ j ( P + 1 ) = t = 1 K ( h j ( P ) ( t ) x t ) t = 1 K h j ( P ) ( t ) ,
Figure DE102021212157A1_0012
σ j 2 ( P + 1 ) = t = 1 K h j ( P ) ( t ) ( x t μ j ( P ) ) 2 t = 1 N h j ( P ) ( t ) ,
Figure DE102021212157A1_0013
woraus sich der neue Parameter ergibt: Θ ( P + 1 ) = [ μ 1 ( P + 1 ) , , μ N ( P + 1 ) , σ 1 2 ( P + 1 ) , , σ N 2 ( P + 1 ) , α 1 ( P + 1 ) , , α N ( P + 1 ) ]
Figure DE102021212157A1_0014
With the help of formula (6), the components of the parameter are adjusted below in such a way that the value of the likelihood function increases. In iteration step P + 1, based on the expected frequencies in relation to iteration step P: α j ( P. + 1 ) = 1 K t = 1 K H j ( P. ) ( t ) ,
Figure DE102021212157A1_0011
μ j ( P. + 1 ) = t = 1 K ( H j ( P. ) ( t ) x t ) t = 1 K H j ( P. ) ( t ) ,
Figure DE102021212157A1_0012
σ j 2 ( P. + 1 ) = t = 1 K H j ( P. ) ( t ) ( x t - μ j ( P. ) ) 2 t = 1 N H j ( P. ) ( t ) ,
Figure DE102021212157A1_0013
from which the new parameter results: Θ ( P. + 1 ) = [ μ 1 ( P. + 1 ) , ... , μ N ( P. + 1 ) , σ 1 2 ( P. + 1 ) , ... , σ N 2 ( P. + 1 ) , α 1 ( P. + 1 ) , ... , α N ( P. + 1 ) ]
Figure DE102021212157A1_0014

Zusammengefasst also wird zunächst die Anzahl N der Komponenten gewählt. Hierzu kann eine Vorgabe oder ein Schätzwert genutzt werden. Dann wird ein Startwert für den Parameter Θ nach bekannten Verfahren (Schätzung, Heuristik) initialisiert. Dann wird Θ iterativ geändert, um den Wert der zugehörigen Likelihood-Funktion zu verbessern, also zu erhöhen.In summary, the number N of components is selected first. A specification or an estimated value can be used for this purpose. A start value for the parameter Θ is then initialized according to known methods (estimation, heuristics). Then Θ is changed iteratively in order to improve the value of the associated likelihood function, i.e. to increase it.

Diese beschriebene und hier verkürzt dargestellte Vorgehensweise wird Expectation-Maximization-Algorithmus („EM-Algorithmus“) genannt. Die gezeigten Iterationsvorschriften bewirken allgemein, dass der Wert der zugehörigen Likelihood-Funktion in jeder Iteration besser wird oder zumindest gleichbleibt.This procedure described and shown here in abbreviated form is called the expectation maximization algorithm (“EM algorithm”). The iteration rules shown generally have the effect that the value of the associated likelihood function becomes better or at least remains the same in each iteration.

Eine Voraussetzung für eine korrekte Funktion des EM-Algorithmus ist allerdings, dass die Anzahl der Komponenten N der Dichtefunktion der Gaußschen Mischverteilung passend zu den (realen) Messwerten gewählt wurde. Dies kann insbesondere bedeuten, dass die Anzahl der Komponenten N der Anzahl an Gipfeln der realen Verteilung entspricht, die Gipfel also durch die Dichtefunktion der Gaußschen Mischverteilung korrekt dargestellt werden können. Wurden zu wenige Komponenten angesetzt, so besitzt die Dichtefunktion der Gaußschen Mischverteilung nicht die notwendige Flexibilität, um eine Verteilung der Messwerte gut und realitätsgetreu darstellen zu können.A prerequisite for the correct functioning of the EM algorithm is, however, that the number of components N of the density function of the Gaussian mixed distribution has been selected to match the (real) measured values. This can mean in particular that the number of components N corresponds to the number of peaks of the real distribution, that is to say that the peaks can be correctly represented by the density function of the Gaussian mixed distribution. If too few components were used, the density function of the Gaussian mixed distribution does not have the necessary flexibility to be able to represent a distribution of the measured values well and realistically.

Werden hingegen zu viele Komponenten angesetzt, so kann der EM-Algorithmus zu sogenannten degenerierten Komponenten führen. Bei der Anpassung der Dichtefunktion der Gaußschen Mischverteilung kann es so zum Beispiel passieren, dass, wenn die realen Messwerte einer Verteilung entsprechen, die durch zwei Komponenten gut darstellbar wäre, zwei Komponenten der Dichtefunktion der Gaußschen Mischverteilung die (reale) Verteilung gut nachempfinden, eine dritte Komponente jedoch „frei“ ist. Wenn der EM-Algorithmus einen Wert der Likelihood-Funktion (bzw. die Log-Likelihood-Funktion) maximiert, wird eine solche freie Komponente auf einen einzelnen Messwert oder eine Menge von sehr wenigen Messwerten angepasst. Dies führt konkret dazu, dass die Varianz der freien Komponente bei jedem Iterationsschritt weiter gegen 0 läuft. So läuft eine zugewiesene Wahrscheinlichkeit für einen Bereich um den Messwert herum gegen unendlich. Dies führt einerseits zu einem unrealistischen Verlauf der Dichtefunktion der Gaußschen Mischverteilung und andererseits zu numerischen Problemen und zu letztendlich einer Nicht-Auswertbarkeit und somit Nicht-Nutzbarkeit der Dichtefunktion der Gaußschen Mischverteilung.If, on the other hand, too many components are used, the EM algorithm can lead to so-called degenerate components. When adapting the density function of the Gaussian mixed distribution, it can happen, for example, that if the real measured values correspond to a distribution that could be easily represented by two components, two components of the density function of the Gaussian mixed distribution emulate the (real) distribution well, and a third one Component is "free". If the EM algorithm maximizes a value of the likelihood function (or the log-likelihood function), such a free component is adapted to a single measured value or to a set of very few measured values. Specifically, this means that the variance of the free component continues to approach 0 with each iteration step. Thus, an assigned probability for a range around the measured value approaches infinity. This leads, on the one hand, to an unrealistic course of the density function of the Gaussian mixed distribution and, on the other hand, to numerical problems and ultimately to a non-evaluability and thus non-usability of the density function of the Gaussian mixed distribution.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das beschriebene Problem degenerierender Komponenten zu vermeiden, sodass die beschriebenen Konsequenzen - ein unrealistischer Verlauf und eine Nicht-Auswertbarkeit und eine Nicht-Nutzbarkeit der Dichtefunktion der Gaußschen Mischverteilung - vermieden werden können.It is an object of the present invention to avoid the described problem of degenerating components so that the described consequences - an unrealistic course and non-evaluability and non-usability of the density function of the Gaussian mixed distribution - can be avoided.

Vorgeschlagen wird ein Verfahren zur Verbesserung der statistischen Beschreibung von Messwerten von Teilen oder Vorrichtungen mit einem gleichen Merkmal, aufweisend:

  • - Bereitstellen von Messwerten von einer Mehrzahl der Teile oder Vorrichtungen, wobei sich die Messwerte auf das gleiche Merkmal beziehen;
  • - Aufstellen einer Dichtefunktion einer Gaußschen Mischverteilung auf Basis der Messwerte;
  • - Anpassung der Dichtefunktion der Gaußschen Mischverteilung mithilfe einer iterativen Anwendung des Expectation-Maximization-Algorithmus;
gekennzeichnet dadurch, dass
die Dichtefunktion derart verändert wird, dass eine Komponente der Dichtefunktion entfernt wird, sobald bei der iterativen Anwendung des Expectation-Maximization-Algorithmus die Varianz dieser Komponente unter einen vordefinierten Schwellwert fällt.A method is proposed for improving the statistical description of measured values of parts or devices with the same characteristic, having:
  • Providing measured values from a plurality of the parts or devices, the measured values relating to the same feature;
  • - Establishing a density function of a Gaussian mixed distribution on the basis of the measured values;
  • - Adaptation of the density function of the Gaussian mixed distribution with the aid of an iterative application of the expectation maximization algorithm;
characterized in that
the density function is changed in such a way that a component of the density function is removed as soon as the variance of this component falls below a predefined threshold value during the iterative application of the expectation maximization algorithm.

Die Messwerte können insbesondere Abmessungen (z. B. in m, cm, mm, µm oder nm) oder Radien (z. B. in m, cm, mm) oder Winkel (z. B. in Grad oder rad) sein. Die Messwerte können im Vorfeld messtechnisch ermittelt worden sein. Die Messwerte können auch Temperaturen (z. B. in ° Celsius oder Kelvin), chemische und/oder werkstofftechnische Zusammensetzungen der Teile (z. B. einen Metallgehalt innerhalb einer Legierung) oder weitere konstruktive Eigenschaften (z. B. eine Oberflächenrauheit), weitere physikalische Eigenschaften (z. B. Dichte; elektrische oder magnetische Eigenschaften, beispielsweise Widerstand, Leitfähigkeit, Induktivität, Kapazität; thermodynamische Eigenschaften, beispielsweise Wärmekapazität; Geschwindigkeiten; Beschleunigungen; optische Eigenschaften) sein.The measured values can in particular be dimensions (for example in m, cm, mm, μm or nm) or radii (for example in m, cm, mm) or angles (for example in degrees or rad). The measured values can have been determined in advance using measurement technology. The measured values can also include temperatures (e.g. in ° Celsius or Kelvin), chemical and / or material composition of the parts (e.g. a metal content within an alloy) or other structural properties (e.g. a surface roughness), others physical properties (e.g. density; electrical or magnetic properties, e.g. resistance, conductivity, inductance, capacitance; thermodynamic properties, e.g. heat capacity; speeds; accelerations; optical properties).

Die Teile können zum Beispiel Werkstücke, Bauteile oder Halbzeuge sein. Die Teile weisen ein gleiches (z. B. baugleiches) Merkmal auf, also zum Beispiel eine Abmessung, einen Radius oder einen Winkel. Es kann sich alternativ oder zusätzlich um gleiche oder baugleiche Teile handeln. Die Messwerte beziehen sich auf das baugleiche Merkmal. Dies kann zum Beispiel heißen, dass die Messwerte jeweils an der gleichen Stelle der einzelnen Teile oder an dem gleichen konstruktiven und/oder geometrischen Merkmal ermittelt werden, sodass sich - wären die Teile exakt übereinstimmend - ein identischer Wert ergäben würde.The parts can be, for example, workpieces, components or semi-finished products. The parts have the same (e.g. structurally identical) feature, for example a dimension, a radius or an angle. As an alternative or in addition, identical or structurally identical parts can be involved. The measured values refer to the structurally identical feature. This can mean, for example, that the measured values are determined at the same point of the individual parts or at the same structural and / or geometric feature, so that - if the parts were exactly the same - an identical value would result.

Die Vorrichtungen können zum Beispiel Geräte sein, zum Beispiel medizintechnische Geräte, optische Geräte (Mikroskope, Kameras, Ferngläser), optoelektronische Geräte, messtechnische Geräte (z. B. Koordinatenmessgeräte), halbleitertechnische Geräte (z. B. in der Halbleiterproduktion verwendete Geräte).The devices can be, for example, devices, for example medical devices, optical devices (microscopes, cameras, binoculars), optoelectronic devices, metrological devices (e.g. coordinate measuring devices), semiconductor devices (e.g. devices used in semiconductor production).

Es sei erwähnt, dass das beschriebene Verfahren auch bei anderen Anwendungen des Expectation-Maximization-Algorithmus anwendbar ist. Andere Anwendungen müssen sich nicht auf Messwerte von Teilen oder Vorrichtungen beziehen. Andere Anwendungen können sich auch auf Messwerte von Teilen oder Vorrichtungen beziehen, die jedoch nicht baugleich sind.It should be mentioned that the method described can also be used in other applications of the expectation maximization algorithm. Other applications need not relate to measurements from parts or devices. Other applications can also relate to measured values from parts or devices that are, however, not structurally identical.

Das beschriebene Verfahren kann automatisiert, insbesondere mithilfe einer Recheneinrichtung, zum Beispiel einem Computer (insbesondere aufweisend einen Prozessor, eine Stromversorgung, einen Arbeitsspeicher, ein Eingabe- und ein Ausgabegerät und ein Speichermedium) ausgeführt werden. Die beanspruchten Schritte können in der Reihenfolge „Bereitstellen der Messwerte...“; „Aufstellen der Dichtefunktion...“; „Anpassung der Dichtefunktion...“ ausgeführt werden, insbesondere nacheinander ausgeführt werden, sodass der jeweils nächste Schritt nach dem Ende des vorherigen Schritts beginnt.The described method can be carried out in an automated manner, in particular with the aid of a computing device, for example a computer (in particular having a processor, a power supply, a main memory, an input and an output device and a storage medium). The claimed steps can be carried out in the order: "Providing the measured values ..."; "Setting up the density function ..."; "Adaptation of the density function ..." are carried out, in particular carried out one after the other, so that the next step begins after the end of the previous step.

Das Verändern der Dichtefunktion durch Entfernen einer Komponente bedeutet praktisch, dass in der Formel (2) eine Dichtefunktion einer Gauß-Verteilung (Normalverteilung), also ein Summand, entfernt wird.Changing the density function by removing a component means in practice that a density function of a Gaussian distribution (normal distribution), i.e. a summand, is removed from formula (2).

Vergleichbar ist eine Dichtefunktion mit zu vielen Komponenten mit einem mechanischen System, das einen Freiheitsgrad zu viel aufweist - also einen freien Freiheitsgrad, der zum Beispiel eine unkontrollierte Bewegung oder Verschiebung eines Teils des mechanischen Systems ermöglicht.A density function with too many components can be compared to a mechanical system that has one degree of freedom too much - that is, a free degree of freedom that, for example, enables uncontrolled movement or displacement of a part of the mechanical system.

Der vordefinierte Schwellwert kann insbesondere ein Erfahrungswert sein. Er kann zum Beispiel einer Varianz entsprechen, die ein zu starkes Ansteigen einer Wahrscheinlichkeit, zum Beispiel ein Ansteigen auf mehr als das Anderthalbfache oder mehr als das Doppelte eines Gipfelwerts der Messwerte, verursachen würde. Andere Verfahren sind denkbar. Für die vorliegende Erfindung ist es hauptsächlich und im Wesentlichen relevant, dass eine Komponente der Dichtefunktion überhaupt entfernt wird. Das Entfernen kann insbesondere vorgenommen werden, sobald sich erste Anzeichen einer Degenerierung der Komponente ergeben, die Degenerierung aber noch nicht so weit fortgeschritten ist, dass sich numerische Probleme und/oder ein völlig unrealistischer Verlauf der Dichtefunktion ergibt/ergeben.The predefined threshold value can in particular be an empirical value. For example, it can correspond to a variance that would cause a probability to increase too sharply, for example an increase to more than one and a half times or more than double a peak value of the measured values. Other methods are conceivable. For the present invention it is mainly and essentially relevant that a component of the density function is removed at all. In particular, the removal can be carried out as soon as the first signs of degeneration of the component appear, but the degeneration has not yet progressed so far that numerical problems and / or a completely unrealistic course of the density function results.

Ein Überprüfen der Varianzen kann in Bezug auf alle Komponenten vor oder nach jeder Anwendung (also vor oder nach jedem Iterationsschritt) des EM-Algorithmus erfolgen.The variances can be checked for all components before or after each application (that is, before or after each iteration step) of the EM algorithm.

Das vorgestellte Verfahren stellt eine einfache Möglichkeit dar, das Problem der degenerierenden Komponenten bei Anwendungen des Expectation-Maximization-Algorithmus zu vermeiden. So kann die Zuverlässigkeit, Güte und Realitätstreue von statistischen Beschreibungen der Messwerte, insbesondere mithilfe einer Dichtefunktion einer Gaußschen Mischverteilung, verbessert werden. Der Rechenaufwand und der programmiertechnische Aufwand sind gering. Vorhersagen über Eigenschaften der Messwerte können verbessert werden, eine statistische Prozesskontrolle wird verbessert.The method presented represents a simple way of avoiding the problem of degenerating components in applications of the expectation maximization algorithm. In this way, the reliability, quality and realism of statistical descriptions of the measured values can be improved, in particular with the aid of a density function of a Gaussian mixed distribution. The computing effort and the programming effort are low. Predictions about the properties of the measured values can be improved, statistical process control is improved.

In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nach dem Entfernen der Komponente die iterative Anwendung des Expectation-Maximization-Algorithmus auf die veränderte Dichtefunktion fortgeführt oder erneut durchgeführt.In one embodiment of the method according to the invention, after the component has been removed, the iterative application of the expectation maximization algorithm to the changed density function is continued or carried out again.

Das heißt, die nun in ihrer Komponentenanzahl reduzierte Dichtefunktion bildet die Basis für weitere Anwendungen des Expectation-Maximization-Algorithmus. Diese Ausgestaltung erlaubt eine einfache Nutzung der Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens. Ein Programmcode, der eine iterativen Anwendung des EM-Algorithmus mit der ursprünglichen Anzahl an Komponenten erlaubt, ist leicht änderbar oder bedarf keiner Änderung, um eine Anwendung EM-Algorithmus für die reduzierte Komponentenanzahl umzusetzen.This means that the density function, which has now been reduced in its number of components, forms the basis for further applications of the expectation maximization algorithm. This refinement allows the advantages of the method according to the invention to be used easily. A program code that allows an iterative application of the EM algorithm with the original number of components can be easily changed or does not require any change in order to implement an application of the EM algorithm for the reduced number of components.

In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die iterative Anwendung des Expectation-Maximization-Algorithmus derart fortgeführt, dass eine Zählung der Iterationsschritte der iterativen Anwendung des Expectation-Maximization-Algorithmus fortgesetzt wird, wobei eine vordefinierte maximale Anzahl an Iterationsschritten beibehalten wird.In one embodiment of the method according to the invention, the iterative application of the expectation maximization algorithm is continued in such a way that a counting of the iterative steps of the iterative application of the expectation maximization algorithm is continued, a predefined maximum number of iteration steps being maintained.

Zur Begrenzung von rechentechnischem Aufwand und Komplexität des Verfahrens kann eine vordefinierte maximale Anzahl an erlaubten Iterationsschritten vorgesehen sein. Die vordefinierte maximale Anzahl kann beibehalten werden, wenn der EM-Algorithmus mit der veränderten Dichtefunktion fortgesetzt wird. Das Fortsetzen kann dann derart vorgenommen werden, dass nur noch die nach dem Verändern der Dichtefunktion verbleibende Anzahl an erlaubten Iterationsschritten verbleibt. Wenn beispielsweise die vordefinierte maximale Anzahl an Iterationsschritten 15 beträgt und das Verändern der Dichtefunktion (also das Entfernen einer Komponente) nach dem 7. Iterationsschritt erfolgt, verbleiben noch 8 Iterationsschritte, um eine Anpassung der nunmehr veränderten Dichtefunktion mithilfe des EM-Algorithmus zu erreichen.To limit the computational effort and complexity of the method, a predefined maximum number of allowed iteration steps can be provided. The predefined maximum number can be retained if the EM algorithm is continued with the modified density function. The continuation can then be carried out in such a way that only the number of allowed iteration steps remaining after the change in the density function remains. If, for example, the predefined maximum number of iteration steps is 15 and the change in the density function (i.e. the removal of a component) takes place after the 7th iteration step, there are still 8 iteration steps left in order to adapt the now changed density function using the EM algorithm.

Die veränderte Dichtefunktion basiert bei dieser Ausgestaltung auf der Dichtefunktion in dem Zustand vor dem Entfernen der einen Komponente. Das heißt insbesondere, dass die nicht von dem Entfernen betroffenen Teilparameter in Formel (3) (µ, σ, α) mindestens teilweise beibehalten werden können.In this embodiment, the changed density function is based on the density function in the state before the removal of the one component. This means in particular that the partial parameters in formula (3) (μ, σ, α) that are not affected by the removal can be at least partially retained.

Die vorgestellte Ausgestaltung ist vom programmiertechnischen Aufwand schnell umsetzbar und vom Rechenaufwand her gering.The design presented can be implemented quickly in terms of programming effort and is low in terms of computing effort.

In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die iterative Anwendung des Expectation-Maximization-Algorithmus derart fortgeführt, dass eine Zählung der Iterationsschritte der iterativen Anwendung des Expectation-Maximization-Algorithmus neu begonnen wird, wobei eine vordefinierte maximale Anzahl an Iterationsschritten beibehalten wird.In one embodiment of the method according to the invention, the iterative application of the expectation maximization algorithm is continued in such a way that a count of the iterative steps of the iterative application of the expectation maximization algorithm is restarted, a predefined maximum number of iteration steps being maintained.

Ein Fortsetzen kann bei dieser Ausgestaltung derart vorgenommen werden, dass die nach dem Verändern der Dichtefunktion verbleibende Anzahl an erlaubten Iterationsschritten wieder auf die vordefinierte maximale Anzahl an Iterationsschritten gesetzt wird. Wenn beispielsweise die vordefinierte maximale Anzahl an Iterationsschritten 15 beträgt und das Verändern der Dichtefunktion (also das Entfernen einer Komponente) nach dem 9. In this embodiment, a continuation can be undertaken in such a way that the number of allowed iteration steps remaining after the change in the density function is set again to the predefined maximum number of iteration steps. If, for example, the predefined maximum number of iteration steps is 15 and changing the density function (i.e. removing a component) after the 9th

Iterationsschritt erfolgt, verbleiben dann wieder 15 Iterationsschritte, um eine Anpassung der nunmehr veränderten Dichtefunktion mithilfe des EM-Algorithmus zu erreichen.Iteration step takes place, there are then again 15 iteration steps in order to achieve an adaptation of the now changed density function with the aid of the EM algorithm.

Die veränderte Dichtefunktion basiert bei dieser Ausgestaltung auf der Dichtefunktion in dem Zustand vor dem Entfernen der einen Komponente. Das heißt insbesondere, dass die nicht von dem Entfernen betroffenen Teilparameter in Formel (3) (µ, σ, α) mindestens teilweise beibehalten werden können.In this embodiment, the changed density function is based on the density function in the state before the removal of the one component. This means in particular that the partial parameters in formula (3) (μ, σ, α) that are not affected by the removal can be at least partially retained.

Die vorgestellte Ausgestaltung ist vom programmiertechnischen Aufwand schnell umsetzbar und vom Rechenaufwand her aufgrund der Beschränkung auf die vordefinierte maximale Anzahl von Iterationsschritten noch gering und bietet eine gute Anpassung der veränderten Dichtefunktion.The presented embodiment can be implemented quickly in terms of programming effort and is still low in terms of computing effort due to the restriction to the predefined maximum number of iteration steps and offers good adaptation of the changed density function.

In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die iterative Anwendung des Expectation-Maximization-Algorithmus derart erneut durchgeführt wird, dass eine Zählung der Iterationsschritte der iterativen Anwendung des Expectation-Maximization-Algorithmus neu begonnen wird, wobei eine vordefinierte maximale Anzahl an Iterationsschritten beibehalten wird.In one embodiment of the method according to the invention, the iterative application of the expectation maximization algorithm is carried out again in such a way that a counting of the iterative steps of the iterative application of the expectation maximization algorithm is restarted, a predefined maximum number of iteration steps being maintained.

Die veränderte Dichtefunktion basiert bei dieser Ausgestaltung nicht auf der Dichtefunktion in dem Zustand vor dem Entfernen der einen Komponente. Das heißt insbesondere, dass alle Teilparameter in Formel (3) (µ, σ, α) erneut ermittelt werden, wobei Startwerte anhand bekannter Verfahren (Schätzung, Anwendung bekannter Heuristiken) vorgegeben werden können.In this embodiment, the changed density function is not based on the density function in the state before the removal of the one component. That means in particular that all partial parameters in formula (3) (µ, σ, α) can be determined again, whereby starting values can be specified using known methods (estimation, application of known heuristics).

Die vorgestellte Ausgestaltung ist vom programmiertechnischen Aufwand schnell umsetzbar und vom Rechenaufwand her aufgrund der Beschränkung auf die vordefinierte maximale Anzahl von Iterationsschritten noch gering und bietet eine gute Anpassung der veränderten Dichtefunktion.The presented embodiment can be implemented quickly in terms of programming effort and is still low in terms of computing effort due to the restriction to the predefined maximum number of iteration steps and offers good adaptation of the changed density function.

In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Standardisierung der Messwerte derart vorgenommen, dass der Mittelwert der Messwerte gleich 0 und/oder die Varianz der Messwerte gleich 1 ist/sind.In one embodiment of the method according to the invention, the measured values are standardized in such a way that the mean value of the measured values is / are equal to 0 and / or the variance of the measured values is / are equal to 1.

Eine derartige Standardisierung kann mithilfe der folgenden Formeln vorgenommen werden: μ s = 1 K i = 1 K s i ,

Figure DE102021212157A1_0015
σ s = 1 K 1 i = 1 K ( s i μ s ) 2 ,
Figure DE102021212157A1_0016
S s t d . : = ( S μ s ) σ s ,
Figure DE102021212157A1_0017
Such a standardization can be done using the following formulas: μ s = 1 K i = 1 K s i ,
Figure DE102021212157A1_0015
σ s = 1 K - 1 i = 1 K ( s i - μ s ) 2 ,
Figure DE102021212157A1_0016
S. s t d . : = ( S. - μ s ) σ s ,
Figure DE102021212157A1_0017

Hierbei entspricht Sstd. der Menge an Messwerten S (siehe oben), nunmehr in standardisierter Form. Die Standardisierung ist sinnvoll, damit sich die Varianzen der Komponenten der Dichtefunktion während Anwendungen des EM-Algorithmus immer auf einer übereinstimmenden Skala befinden, unabhängig von einer Skalierung oder einer Größenordnung der Messwerte. So ist eine Vergleichbarkeit der (dann standardisierten) Messwerte und auch eine Vergleichbarkeit des vordefinierten Schwellwerts bei mehreren Anwendungen des erfindungsgemäßen Verfahrens für unterschiedliche Messwerte möglich. Falls sich die Messwerte mehrerer Anwendungen des erfindungsgemäßen Verfahrens immer in derselben Größenordnung befinden, dann kann ggf. auf eine Standardisierung verzichtet werden.Here S corresponds to std. the set of measured values S (see above), now in standardized form. Standardization makes sense so that the variances of the components of the density function are always on a matching scale during applications of the EM algorithm, regardless of a scaling or an order of magnitude of the measured values. It is thus possible to compare the (then standardized) measured values and also to compare the predefined threshold value in several applications of the method according to the invention for different measured values. If the measured values of several applications of the method according to the invention are always in the same order of magnitude, then a standardization can possibly be dispensed with.

In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Standardisierung nach der Anwendung des Expectation-Maximization-Algorithmus rückgängig gemacht.In one embodiment of the method according to the invention, the standardization is reversed after the application of the expectation maximization algorithm.

Hierzu kann insbesondere die folgende Formel genutzt werden: ƒ ( x ) = ƒ ( x μ s σ s ; Θ ) 1 σ s .

Figure DE102021212157A1_0018
The following formula in particular can be used for this purpose: ƒ ( x ) = ƒ ( x - μ s σ s ; Θ ) 1 σ s .
Figure DE102021212157A1_0018

Das Rückgängig-Machen erlaubt eine Nutzung der Dichtefunktion mit direktem Bezug auf die Messwerte in realer Größenordnung.Undoing allows the density function to be used with direct reference to the measured values on a real scale.

Weiterhin wird eine Recheneinrichtung vorgeschlagen, die ausgestaltet, ist, das erfindungsgemäße Verfahren (insbesondere in einer der vorgestellten Ausgestaltungen) auszuführen. Die Schritte des Verfahrens können insbesondre in Form eines Programms (z. B. Programmcodes) in einer Programmierumgebung und/oder in kompilierter Form auf der Recheneinrichtung vorliegen. Auch die Messwerte können ggf. vorliegen, zum Beispiel als Tabelle oder csv.-Datei.Furthermore, a computing device is proposed which is designed to carry out the method according to the invention (in particular in one of the embodiments presented). The steps of the method can in particular be in the form of a program (for example program code) in a programming environment and / or in compiled form on the computing device. The measured values can also be available, for example as a table or csv. File.

Die Recheneinrichtung kann insbesondere einen Computer (insbesondere aufweisend einen Prozessor, eine Stromversorgung, einen Arbeitsspeicher, ein Eingabe- und ein Ausgabegerät und ein Speichermedium) aufweisen.The computing device can in particular have a computer (in particular having a processor, a power supply, a working memory, an input and an output device and a storage medium).

In Bezug auf Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Recheneinrichtung wird vollinhaltlich Bezug genommen auf Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens in seinen Ausgestaltungen.With regard to configurations of the computing device according to the invention, reference is made in full to configurations of the method according to the invention in its configurations.

Ausgestaltungen der Erfindung werden nun unter Verweis auf die beigefügte Zeichnung vorgestellt. Die einzelnen Figuren der beigefügten Zeichnung zeigen:

  • 1 eine schematische Ansicht einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
  • 2a beispielartige Verteilungen zweier Komponenten (zwei Normalverteilungen) und zugehörige Messwerte;
  • 2b beispielartige überlagerte Verteilungen der beiden in 2a dargestellten Komponenten (zwei überlagerte Normalverteilungen), die eine Dichtefunktion einer Gaußschen Mischverteilung (häufig auch einfach „Dichtefunktion“ genannt) ergeben, und zugehörige Messwerte;
  • 3a eine beispielartige Dichtefunktion mit geringem Wert einer zugehörigen Likelihood-Funktion (erst wenige Iterationsschritte des EM-Algorithmus sind vorgenommen worden) und zugehörige Messwerte;
  • 3b eine beispielartige Dichtefunktion mit höherem Wert einer zugehörigen Likelihood-Funktion, basierend auf der Dichtefunktion, die in 3a dargestellt wird, und zugehörige Messwerte, die den in 3a dargestellten Messwerten entsprechen;
  • 4a eine beispielartige Dichtefunktion zu Beginn einer Anwendung des EM-Algorithmus, und zugehörige Messwerte, die den in 3a dargestellten Messwerten entsprechen;
  • 4b beispielartige Dichtefunktion bei einer fortgeschrittenen Anwendung des EM-Algorithmus, basierend auf der Dichtefunktion, die in 4a dargestellt wird, und zugehörige Messwerte, die den in 3a dargestellten Messwerten entsprechen;
  • 4c eine beispielartige Dichtefunktion nach einer abgeschlossenen Anwendung des EM-Algorithmus, basierend auf der Dichtefunktion, die in 4b dargestellt wird, und zugehörige Messwerte, die den in 3a dargestellten Messwerten entsprechen;
  • 5a eine beispielartige Dichtefunktion zu Beginn einer Anwendung des EM-Algorithmus, und zugehörige Messwerte,
  • 5b eine beispielartige Dichtefunktion bei einer fortgeschrittenen Anwendung des EM-Algorithmus, basierend auf der Dichtefunktion, die in 5a dargestellt wird, und zugehörige Messwerte, die den in 5a dargestellten Messwerten entsprechen;
  • 5c eine beispielartige Dichtefunktion nach einer abgeschlossenen Anwendung des EM-Algorithmus, basierend auf der Dichtefunktion, die in 5a dargestellt wird, und zugehörige Messwerte, die den in 5a dargestellten Messwerten entsprechen, wobei eine Degenerierung (siehe linker Bereich des Diagramms) einer Komponente der Dichtefunktion stattgefunden hat;
  • 6a eine beispielartige Dichtefunktion bei einer fortgeschrittenen Anwendung des EM-Algorithmus, wobei die Anzahl der Komponenten gegenüber den Dichtefunktionen in 5a-5c erfindungsgemäß um eine Komponente reduziert worden ist, und zugehörige Messwerte, die den in 5a dargestellten Messwerten entsprechen;
  • 6b eine beispielartige Dichtefunktion bei einer abgeschlossenen Anwendung des EM-Algorithmus, basierend auf der Dichtefunktion, die in 6a dargestellt wird, wobei die Anzahl der Komponenten gegenüber den Dichtefunktionen in 5a-5c erfindungsgemäß um eine Komponente reduziert worden ist, und zugehörige Messwerte, die den in 5a dargestellten Messwerten entsprechen;
  • 7a eine beispielartige Dichtefunktion, während einer fortgeschrittenen Anwendung des EM-Algorithmus, wobei eine Komponente der Dichtefunktion sich (im linken Bereich des Diagramms) in einem Vorstadium einer Degenerierung befindet, und zugehörige Messwerte, die den in 5a dargestellten Messwerten entsprechen;
  • 7b eine beispielartige Dichtefunktion, während einer weiter fortgeschrittenen Anwendung des EM-Algorithmus, basierend auf der Dichtefunktion, die in 7a dargestellt ist, wobei die Komponente der Dichtefunktion, die sich in 7a in einem Vorstadium einer Degenerierung befand, erfindungsgemäß entfernt worden ist, und zugehörige Messwerte, die den in 5a dargestellten Messwerten entsprechen;
  • 7c eine beispielartige Dichtefunktion, während einer noch weiter fortgeschrittenen Anwendung des EM-Algorithmus, basierend auf der Dichtefunktion, die in 7b dargestellt ist, wobei die Komponente der Dichtefunktion, die sich in 7a in einem Vorstadium einer Degenerierung befand, nach wie vor entfernt ist, und zugehörige Messwerte, die den in 5a dargestellten Messwerten entsprechen.
Refinements of the invention will now be presented with reference to the accompanying drawing. The individual figures in the attached drawing show:
  • 1 a schematic view of an embodiment of the method according to the invention;
  • 2a example distributions of two components (two normal distributions) and associated measured values;
  • 2 B exemplary superimposed distributions of the two in 2a shown components (two superimposed normal distributions), which result in a density function of a Gaussian mixed distribution (often also simply called “density function”), and associated measured values;
  • 3a an exemplary density function with a low value of an associated likelihood function (only a few iteration steps of the EM algorithm have been carried out) and associated measured values;
  • 3b an exemplary density function with a higher value of an associated likelihood function based on the density function shown in 3a is displayed, and associated measured values that correspond to the in 3a correspond to the measured values shown;
  • 4a an exemplary density function at the beginning of an application of the EM algorithm, and associated measured values that correspond to the in 3a correspond to the measured values shown;
  • 4b exemplary density function in an advanced application of the EM algorithm, based on the density function described in 4a is displayed, and associated measured values that correspond to the in 3a correspond to the measured values shown;
  • 4c an exemplary density function after a completed application of the EM algorithm, based on the density function described in 4b is displayed, and associated measured values that correspond to the in 3a correspond to the measured values shown;
  • 5a an exemplary density function at the beginning of an application of the EM algorithm, and associated measured values,
  • 5b an exemplary density function in an advanced application of the EM algorithm, based on the density function described in 5a is displayed, and associated measured values that correspond to the in 5a correspond to the measured values shown;
  • 5c an exemplary density function after a completed application of the EM algorithm, based on the density function described in 5a is displayed, and associated measured values that correspond to the in 5a the measured values shown correspond, with a degeneration (see left-hand area of the diagram) of a component of the density function having taken place;
  • 6a an exemplary density function in an advanced application of the EM algorithm, where the number of components versus the density functions in 5a-5c has been reduced by one component according to the invention, and associated measured values that correspond to the in 5a correspond to the measured values shown;
  • 6b an exemplary density function in a completed application of the EM algorithm, based on the density function described in 6a is shown, with the number of components versus the density functions in 5a-5c has been reduced by one component according to the invention, and associated measured values that correspond to the in 5a correspond to the measured values shown;
  • 7a an exemplary density function, during an advanced application of the EM algorithm, with a component of the density function (in the left-hand area of the diagram) being in a preliminary stage of degeneration, and associated measured values corresponding to the in 5a correspond to the measured values shown;
  • 7b an exemplary density function, during a more advanced application of the EM algorithm based on the density function presented in 7a is shown, where the component of the density function, which is in 7a was in a preliminary stage of degeneration, has been removed according to the invention, and associated measured values that correspond to the in 5a correspond to the measured values shown;
  • 7c an exemplary density function, during an even more advanced application of the EM algorithm, based on the density function presented in 7b is shown, where the component of the density function, which is in 7a was in a preliminary stage of degeneration, is still removed, and associated readings that correspond to the in 5a correspond to the measured values shown.

Die Diagramme, die in den 2a bis 7c gezeigt werden, weisen auf der Abszisse (x-Achse) standardisierte Messwerte auf. Die Ordinate (y-Achse) weist standardisierte Häufigkeiten bzw. Wahrscheinlichkeiten auf.The diagrams included in the 2a until 7c are shown have standardized measured values on the abscissa (x-axis). The ordinate (y-axis) shows standardized frequencies or probabilities.

1 zeigt eine schematische Ansicht einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens. In einem ersten Schritt S1 werden Messwerte bereitgestellt. Es kann sich zum Beispiel jeweils um eine Abmessung zwischen zwei Kanten handeln. Beispielsweise liegen 100 Messwerte baugleicher Teile vor. Eine Standardisierung der Messwerte kann optional vorgenommen werden, zum Beispiel mithilfe der Formen 11-13. Dies ist in 1 mit einem umklammerten „S“ angedeutet. 1 shows a schematic view of an embodiment of the method according to the invention. In a first step S1 measured values are provided. For example, it can each be a dimension between two edges. For example, there are 100 measured values for identical parts. The measured values can optionally be standardized, for example using forms 11-13. This is in 1 indicated with a bracketed "S".

In einem zweiten Schritt S2 wird eine Dichtefunktion einer Gaußschen Dichtefunktion auf Basis der standardisierten Messwerte aufgestellt (Formel 2). Zum Beispiel können die Messwerte einen dreigipfligen Verlauf, wenn man sie in einem Diagramm (Abszisse: Messwerte, Ordinate: Häufigkeiten) darstellt. Dies liegt beispielsweise darin begründet, dass die Teile, wenngleich sie baugleich ausgestaltet sind, aus drei verschiedenen Werken stammen. 50 Teile stammen aus einem ersten Werk, 30 Teile aus einem zweiten Werk, 20 Teile aus einem dritten Werk. Es wäre (zur Veranschaulichung) möglich, dass sich hierdurch drei Normalverteilungen ergeben mit Gewichtungsfaktoren von 0,5, 0,3 und 0,2. Die Dichtefunktion weist jedoch zu Beginn vier Komponenten auf. Im folgenden Verlauf wird sich zeigen, dass eine Komponente überflüssig ist und sich degenerierend verhält.In a second step S2 a density function of a Gaussian density function is set up on the basis of the standardized measured values (formula 2). For example, the measured values can have a three-peak curve if they are shown in a diagram (abscissa: measured values, ordinate: frequencies). This is due, for example, to the fact that the parts, although they are structurally identical, come from three different plants. 50 parts come from a first work, 30 parts from a second work, 20 parts from a third work. It would be possible (for illustration) that this results in three normal distributions with weighting factors of 0.5, 0.3 and 0.2. However, the density function initially has four components. In the following course it will be shown that one component is superfluous and behaves in a degenerative manner.

In einem dritten Schritt S3 erfolgt eine iterative Anpassung der Dichtefunktion mithilfe des EM-Algorithmus (Formeln 3-10). Hierbei wird die bekannte Likelihood-Funktion genutzt (Formel 4). Nach jedem Iterationsschritt erfolgt eine Überprüfung in Schritt 4, ob eine Komponente eine Varianz aufweist, die unterhalb eines vordefinierten Schwellwerts ε liegt. Der vordefinierte Schwellwert kann von Beginn an starr vorgegeben sein oder kann alternativ vor einer oder jeder Überprüfung separat vordefiniert werden. Die Schritte S3 und S4 werden iterativ mehrmals in Abfolge ausgeführt, wie durch runde Pfeile in den 3 und 4 symbolisiert wird.In a third step S3 an iterative adaptation of the density function is carried out using the EM algorithm (formulas 3-10). The known likelihood function is used here (formula 4). After each iteration step, there is a check in step 4 as to whether a component has a variance that is below a predefined threshold value ε. The predefined threshold value can be rigidly specified from the start or, alternatively, can be predefined separately before one or each check. The steps S3 and S4 are executed iteratively several times in sequence, as indicated by round arrows in the 3 and 4th is symbolized.

Beispielsweise nach dem 13. Iterationsschritt (die maximale Anzahl an Iterationsschritten beträgt beispielsweise 30) unterschreitet eine Varianz einer Komponente den Schwellwert ε In diesem Fall wird die Komponente entfernt (angedeutet durch ein „X“ in 1), sodass nur noch drei Komponenten vorhanden sind, und das Iterationsverfahren mit dem dritten Schritt S3 mit der dann veränderten Dichtefunktion fortgeführt, bis der 25. Iterationsschritt erreicht wird (also 12-mal). Alternativ könnten auf Basis der veränderten Dichtefunktion 25 Iterationsschritte folgen. Alternativ könnten auf Basis einer neuen Dichtefunktion mit nur drei Komponenten 25 Iterationsschritte folgen.For example, after the 13th iteration step (the maximum number of iteration steps is 30, for example) a variance of a component falls below the threshold value ε. In this case, the component is removed (indicated by an “X” in 1 ), so that there are only three components left, and the iteration process with the third step S3 continued with the then changed density function until the 25th iteration step is reached (i.e. 12 times). Alternatively, 25 iteration steps could follow on the basis of the changed density function. Alternatively, based on a new density function with only three components, 25 iteration steps could follow.

Hiernach wird die Standardisierung rückgängig gemacht, z. B. mithilfe von Formel 14, in 1 angedeutet durch ein umklammertes „S“. Die nun erhaltene Dichtefunktion ist das Resultat des erfindungsgemäßen Verfahrens (angedeutet durch einen Haken in 1).The standardization is then reversed, e.g. B. Using Formula 14, in 1 indicated by an "S" in brackets. The density function now obtained is the result of the method according to the invention (indicated by a tick in 1 ).

Als Algorithmus dargestellt könnte eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens lauten wie folgt:Represented as an algorithm, an embodiment of the method according to the invention could be as follows:

Erforderlich: S = [ s 1 , , s k ] ,   ε ,   Θ ( 0 ) = [ μ 1 ( 0 ) , , μ n ( 0 ) , σ 1 2 ( 0 ) , , σ n 2 ( 0 ) , α 1 ( 0 ) , , α n ( 0 ) ]

Figure DE102021212157A1_0019
erster Iterationsschritt: Θ = Θ(0) Standardisierung: μ s = 1 K i = 1 K s i ,   σ s = 1 K 1 i = 1 K ( s i μ s ) 2 ,   S : = ( S μ s ) / σ s ,
Figure DE102021212157A1_0020
while (maximale Anzahl Iterationsschritte oder sonstige Endbedingung nicht erreicht):
for j = 1, ..., N do:
Hj = [hj(1; Θ), ..., hj(K; Θ)]
μ j ( P + 1 ) = update _ μ ( H j )
Figure DE102021212157A1_0021
σ j 2 ( P + 1 ) = update _ σ 2 ( H j , μ ( k ) )
Figure DE102021212157A1_0022
α j ( P + 1 ) = update _ α ( H j )
Figure DE102021212157A1_0023
end for
for j = 1, ..., N do:
if σ j 2 ( P + 1 ) < ε
Figure DE102021212157A1_0024
then
Entferne Komponente j : ( μ j ( P + 1 ) , σ j 2 ( P + 1 ) , α j ( P + 1 ) )
Figure DE102021212157A1_0025
end if
end for Θ = [ μ 1 ( P + 1 ) , , μ n ( P + 1 ) , σ 1 2 ( P + 1 ) , , σ n 2 ( P + 1 ) , α 1 ( P + 1 ) , , α n ( P + 1 ) ]
Figure DE102021212157A1_0026
(wobei die entfernte Komponente fehlt)
end while
return ΘNecessary: S. = [ s 1 , ... , s k ] , ε , Θ ( 0 ) = [ μ 1 ( 0 ) , ... , μ n ( 0 ) , σ 1 2 ( 0 ) , ... , σ n 2 ( 0 ) , α 1 ( 0 ) , ... , α n ( 0 ) ]
Figure DE102021212157A1_0019
first iteration step: Θ = Θ (0) standardization: μ s = 1 K i = 1 K s i , σ s = 1 K - 1 i = 1 K ( s i - μ s ) 2 , S. : = ( S. - μ s ) / σ s ,
Figure DE102021212157A1_0020
while (maximum number of iteration steps or other end condition not reached):
for j = 1, ..., N do:
H j = [h j (1; Θ), ..., h j (K; Θ)]
μ j ( P. + 1 ) = update _ μ ( H j )
Figure DE102021212157A1_0021
σ j 2 ( P. + 1 ) = update _ σ 2 ( H j , μ ( k ) )
Figure DE102021212157A1_0022
α j ( P. + 1 ) = update _ α ( H j )
Figure DE102021212157A1_0023
end for
for j = 1, ..., N do:
if σ j 2 ( P. + 1 ) < ε
Figure DE102021212157A1_0024
then
Remove component j : ( μ j ( P. + 1 ) , σ j 2 ( P. + 1 ) , α j ( P. + 1 ) )
Figure DE102021212157A1_0025
end if
end for Θ = [ μ 1 ( P. + 1 ) , ... , μ n ( P. + 1 ) , σ 1 2 ( P. + 1 ) , ... , σ n 2 ( P. + 1 ) , α 1 ( P. + 1 ) , ... , α n ( P. + 1 ) ]
Figure DE102021212157A1_0026
(with the removed component missing)
end while
return Θ

Eine erfindungsgemäße Recheneinrichtung, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgestaltet ist, kann in einem Speicher einen Programmcode aufweisen, der einen derartigen Algorithmus aufweist.A computing device according to the invention which is designed to carry out the method according to the invention can have a program code in a memory which has such an algorithm.

In 2a werden zwei Normalverteilungen als Verläufe (durchgezogene Linie) gezeigt, die auf ebenfalls (balkenartig) dargestellten standardisierten Messwerten basieren. In 2b wird eine Dichtefunktion aus den in 2a gezeigten Verläufen gezeigt, wobei der Gewichtungsfaktor der in 2a weiter links angeordneten Normalverteilung einen Gewichtungsfaktor von 2/3 aufweist, und die weiter rechts angeordnete Normalverteilung einen Gewichtungsfaktor von 1/3.In 2a two normal distributions are shown as gradients (solid line), which are based on standardized measured values that are also shown (bar-like). In 2 B becomes a density function from the in 2a shown, the weighting factor of the in 2a The normal distribution arranged further to the left has a weighting factor of 2/3, and the normal distribution arranged further to the right has a weighting factor of 1/3.

In 3a wird eine beispielartige, dreigipflige Dichtefunktion gezeigt, bei der erst eine geringe Anzahl an Iterationsschritten des EM-Algorithmus zur Anpassung vollzogen worden sind. 3b zeigt einen Zustand der Dichtefunktion, bei dem bereits einige Iterationsschritte vollzogen worden. Der Wert der zugehörigen Likelihood-Funktion ist erhöht. In den 3a und 3b werden die zugrundeliegenden standardisierten Messwerte ebenfalls gezeigt.In 3a an exemplary, three-peaked density function is shown in which only a small number of iteration steps of the EM algorithm for adaptation have been carried out. 3b shows a state of the density function in which some iteration steps have already been carried out. The value of the associated likelihood function is increased. In the 3a and 3b the underlying standardized measured values are also shown.

In 4a wird eine beispielartige, dreigipflige Dichtefunktion gezeigt, bei der noch kein Iterationsschritt des EM-Algorithmus zur Anpassung vollzogen worden ist. 4b zeigt einen Zustand der Dichtefunktion, bei dem bereits einige Iterationsschritte vollzogen worden. 4c zeigt den Zustand der Dichtefunktion, wenn alle Iterationsschritte vollzogen worden sind. In 4a an exemplary, three-peaked density function is shown in which no iteration step of the EM algorithm for adaptation has yet been carried out. 4b shows a state of the density function in which some iteration steps have already been carried out. 4c shows the state of the density function when all iteration steps have been carried out.

In den 4a-4c werden die zugrundeliegenden standardisierten Messwerte ebenfalls gezeigt.In the 4a-4c the underlying standardized measured values are also shown.

In 5a wird eine beispielartige Dichtefunktion gezeigt, bei der erst sehr wenige Iterationsschritte des EM-Algorithmus zur Anpassung vollzogen worden sind. 5b zeigt einen Zustand der Dichtefunktion, bei dem bereits einige Iterationsschritte vollzogen worden. Im linken Bereich des Diagramms bildet sich aufgrund nur eines einzigen Messwerts eine beginnende Degeneration einer Komponente aus. 5c zeigt den Zustand der Dichtefunktion, wenn weitere Iterationsschritte vollzogen worden sind. Im linken Bereich des Diagramms ist eine degenerierte Komponente zu erkennen, die einen sehr stark umgrenzten, sprunghaften Verlauf hin zu sehr hohen Funktionswerten aufzeigt. Die Varianz dieser Komponente ist sehr hoch. Das erfindungsgemäße Verfahren wurde hier nicht genutzt. In den 5a-5c werden die zugrundeliegenden standardisierten Messwerte ebenfalls gezeigt.In 5a an exemplary density function is shown in which very few iteration steps of the EM algorithm for adaptation have been carried out. 5b shows a state of the density function in which some iteration steps have already been carried out. In the left-hand area of the diagram, due to just a single measured value, an incipient degeneration of a component is developing. 5c shows the state of the density function when further iteration steps have been carried out. A degenerate component can be seen in the left-hand area of the diagram, which shows a very strongly delimited, abrupt course towards very high function values. The variance of this component is very high. The method according to the invention was not used here. In the 5a-5c the underlying standardized measured values are also shown.

Wird hingegen, wie in den 6a und 6b gezeigt, in Bezug auf die vorher thematisierten Messwerte von vornherein eine um eine Komponente reduzierte Dichtefunktion genutzt, tritt das in 5c gezeigte Problem nicht auf. In den 6a und 6b werden die zugrundeliegenden standardisierten Messwerte ebenfalls gezeigt. Wird das erfindungsgemäße Verfahren auf die Situation, wie sie in 5b gezeigt ist, angewendet, wird sich allerhöchstens eine beginnende Degeneration herausbilden, wie in 7a gezeigt. Aufgrund des erfindungsgemäßen Entfernens einer Komponente, also der erfindungsgemäßen Veränderung der Dichtefunktion erfolgt jedoch, wie in 7b gezeigt, eine Vermeidung von Degenerationseffekten der Dichtefunktion. Eine weitere Anwendung des EM-Algorithmus führt zu dem in 7c gezeigten Verlauf. In den 7a-7c werden die zugrundeliegenden standardisierten Messwerte ebenfalls gezeigt.On the other hand, as in the 6a and 6b shown, a density function reduced by one component is used from the outset in relation to the previously discussed measured values, this occurs in 5c shown problem does not occur. In the 6a and 6b the underlying standardized measured values are also shown. If the method according to the invention is applied to the situation as described in 5b is shown, applied, at most an incipient degeneration will develop, as in 7a shown. Due to the removal of a component according to the invention, that is to say the change in the density function according to the invention, however, as in FIG 7b shown an avoidance of degenerative effects of the density function. Another application of the EM algorithm leads to the in 7c shown course. In the 7a-7c the underlying standardized measured values are also shown.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

S1S1
erster Schrittfirst step
S2S2
zweiter Schrittsecond step
S3S3
dritter SchrittThird step
S4S4
vierter Schrittfourth step

Claims (8)

Verfahren zur Verbesserung der statistischen Beschreibung von Messwerten von Teilen oder Vorrichtungen mit einem gleichen Merkmal, aufweisend: - Bereitstellen von Messwerten von einer Mehrzahl der Teile oder Vorrichtungen, wobei sich die Messwerte auf das gleiche Merkmal beziehen; - Aufstellen einer Dichtefunktion einer Gaußschen Mischverteilung auf Basis der Messwerte; - Anpassung der Dichtefunktion der Gaußschen Mischverteilung mithilfe einer iterativen Anwendung des Expectation-Maximization-Algorithmus; gekennzeichnet dadurch, dass die Dichtefunktion derart verändert wird, dass eine Komponente der Dichtefunktion entfernt wird, sobald bei der iterativen Anwendung des Expectation-Maximization-Algorithmus die Varianz dieser Komponente unter einen vordefinierten Schwellwert fällt.Method for improving the statistical description of measured values of parts or devices with the same characteristic, comprising: Providing measured values from a plurality of the parts or devices, the measured values relating to the same feature; - Establishing a density function of a Gaussian mixed distribution on the basis of the measured values; - Adaptation of the density function of the Gaussian mixed distribution with the aid of an iterative application of the expectation maximization algorithm; characterized in that the density function is changed in such a way that a component of the density function is removed as soon as the variance of this component falls below a predefined threshold value during the iterative application of the expectation maximization algorithm. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Entfernen der Komponente die iterative Anwendung des Expectation-Maximization-Algorithmus auf die veränderte Dichtefunktion fortgeführt oder erneut durchgeführt wird.Procedure according to Claim 1 , characterized in that after the component has been removed, the iterative application of the expectation maximization algorithm to the changed density function is continued or carried out again. Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die iterative Anwendung des Expectation-Maximization-Algorithmus derart fortgeführt wird, dass eine Zählung der Iterationsschritte der iterativen Anwendung des Expectation-Maximization-Algorithmus fortgesetzt wird, wobei eine vordefinierte maximale Anzahl an Iterationsschritten beibehalten wird.Procedure according to Claim 2 , characterized in that the iterative application of the expectation maximization algorithm is continued in such a way that a counting of the iterative steps of the iterative application of the expectation maximization algorithm is continued, a predefined maximum number of iteration steps being maintained. Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die iterative Anwendung des Expectation-Maximization-Algorithmus derart fortgeführt wird, dass eine Zählung der Iterationsschritte der iterativen Anwendung des Expectation-Maximization-Algorithmus neu begonnen wird, wobei eine vordefinierte maximale Anzahl an Iterationsschritten beibehalten wird.Procedure according to Claim 2 , characterized in that the iterative application of the expectation maximization algorithm is continued in such a way that a count of the iterative steps of the iterative application of the expectation maximization algorithm is restarted, a predefined maximum number of iteration steps being maintained. Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die iterative Anwendung des Expectation-Maximization-Algorithmus derart erneut durchgeführt wird, dass eine Zählung der Iterationsschritte der iterativen Anwendung des Expectation-Maximization-Algorithmus neu begonnen wird, wobei eine vordefinierte maximale Anzahl an Iterationsschritten beibehalten wird.Procedure according to Claim 2 , characterized in that the iterative application of the expectation maximization algorithm is carried out again in such a way that a count of the iterative steps of the iterative application of the expectation maximization algorithm is restarted, a predefined maximum number of iteration steps being maintained. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Standardisierung der Messwerte derart vorgenommen wird, dass der Mittelwert der Messwerte gleich 0 und/oder die Varianz der Messwerte gleich 1 ist/sind.Method according to one of the Claims 1 - 5 , characterized in that the measured values are standardized in such a way that the mean value of the measured values is / are equal to 0 and / or the variance of the measured values is / are equal to 1. Verfahren gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Standardisierung nach der Anwendung des Expectation-Maximization-Algorithmus rückgängig gemacht wird.Procedure according to Claim 6 , characterized in that the standardization is reversed after the application of the expectation maximization algorithm. Recheneinrichtung, ausgestaltet zur Durchführung des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1-7.Computing device designed to carry out the method according to one of the Claims 1 - 7th .
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