ASIAN JOURNAL OF MANAGEMENT RESEARCH Exponentially ...

1 downloads 0 Views 382KB Size Report
ABSTRACT. The exponentially weighted moving average (EWMA) control chart was introduced by Roberts in 1959, which is a good alternative to the Shewhart ...
ASIAN JOURNAL OF MANAGEMENT RESEARCH  Online Open Access publishing platform for Management Research  © Copyright 2010 All rights reserved Integrated Publishing association 

Research Article 

ISSN 2229 – 3795

Exponentially weighted moving average control chart 

Kalgonda A.A 1 , Koshti.V.V 2 , Ashokan. K. V 3  1­ Department of Statistics, New College, Kolhapur, Maharashtra  2­ Department of Statistics, P. V. P. College, Kavathe Mahankal, Sangli, Maharashtra  3­Department of Biological science, P. V. P. College, Kavathe Mahankal, Sangli, Maharashtra  [email protected] 

ABSTRACT  The exponentially weighted moving average (EWMA) control chart was introduced by Roberts  in 1959, which is a good alternative to the Shewhart control chart when one is interested in small  shifts.  Several  studies  were  made  for  the  properties  of  ARL  of  EWMA  control  chart.  Roberts  (1959), using simulation developed monographs of ARL s for normally distributed observations.  Robinson  and  Ho  (1978)  used  a  numeric  procedure  to  determine  the  ARL,  presenting  several  combinations of L and  λ  for change  in the process  mean with the  help of an Edgeworth series  expansion. Crowder (1987, 1989), presented tables  for  ARL of the EWMA chart, by solving  a  system of integral equations. Crowder (1987) has given a computer program that calculates the  ARL  of  the  EWMA  chart  for  controlling  the  mean  of  a  normal  process.  Lucas  and  Saccucci  (1990)  presented  table  and  graph  of  ARL  values  for  different  values  of  L  and  λ.  They  have  evaluated  the  run  length  properties  of  EWMA  control  schemes  by  representing  the  EWMA  statistic as a continuous Markov chain. In the present paper, simulation is carried out to calculate  the  ARL  values  using  C­programs.    Observing  these  values  it  is  seen  that  approximately  the  same  values  of  ARL  are  obtained  by  simulation  method  using  C­  programming.  That  is,  the  Markov chain approach by Lucas, Saccucci and the present simulation technique yields the same  ARL results.  Keywords: Average run length, CUSUM control chart, EWMA control chart, Statistical process  control, simulation.  1. Introduction  The control charts are classified according whether to use or not to use the past values of control  statistic. Shewhart control charts are based on the information about the process contained in the  current observation only and  it  ignores any  information given  by the entire sequence of points.  Hence  Shewhart  control  chart  is  classified  as  control  chart  without  memory.  Consequently,  Shewhart  control  chart  are  found  to  be  less  sensitive  in  detecting  smaller  shifts,  particularly  smaller  than      1.5  times  standard  deviation.    (Montgomery  2001).When  the  small  shifts  are  of  interest,  the  effective  alternatives  to      Shewhart  control  chart  are  Cumulative  Sum  (CUSUM)  control chart and Exponentially  Weighted Moving Average (EWMA) control chart. Both these  charts  are  based  on  memory  and  perform  better  than  Shewhart  chart  while  detecting  smaller  shifts. In these charts, information from the past samples are cumulated up to the current sample ASIAN JOURNAL OF MANAGEMENT RESEARCH  Volume 2 Issue 1, 2011 

253 

Exponentially weighted moving average control chart  Kalgonda A.A, Koshti.V.V, Ashokan. K. V

and then the decision about the process  is taken.  Cumulative  sum (CUSUM) control chart was  first  proposed  by  Page  (1954)  for  detecting  small  shifts  in  the  process  mean.  Some  authors  namely Duncan (1974), Lucas (1976), Hawkins (1990) stated that the CUSUM control chart is  much  more  efficient  than  the  usual  X  control  chart  for  detecting  smaller  variations  in  the  average. Robert (1959) introduced the EWMA control chart along with its ARL properties using  simulation. Further it has been shown that the EWMA chart is useful for detecting small shifts in  the  process  mean.  Other  authors  namely,  Crowder  (1987,  1989),  Lucas  and  Saccucci  (1990)  presented EWMA chart as a better alternative to detect smaller changes in the process average.  2.  Control Chart with Memory  In the Shewhart control chart, the control statistic is always a function g(x) of the present sample  say X1  , X2  ,­­­­ , Xn. There are good arguments in favor of using the result of previous samples.  If the control statistic of the control chart considers all the previous sample information, then the  control  chart  is  said  to  have  an  unlimited  length.    In  moving  average  control  chart;  the  test  statistic only regards the last k samples (k>1). Such control chart has memory of limited length.  If k=1, that is only most recent sample unit is considered, the control chart is said to be without  memory. The control charts with memory are further subdivided into two categories according to  uniform and non uniform memory. The chart with uniform memory, assigns the equal weights.  In  charts  with  non  uniform  memory,  weights  go on  decreasing  as  the  observation  proceeds.  In  this situation; the general form of the control statistic is given below.  Let j be the time point, which takes integer values 1,2, ….,t. The first sampling point is denoted  by j =1 and the most recent sampling point by j = t.  The observation vector Xj be defined as,  Xj = ( Xj1, Xj2, ……….. ,  Xjn)  , j = 1,2,……..,t.  Where  for  every  time  point  j,    Xj1,  Xj2,  ………..  ,  Xjn  is  the  sample  subgroup.  Let  g(Xj)  be  a  suitable statistic which can be used in control chart without memory.( Mittag H.J. and  Rinne H.,  (1993)).  Define general linear scalar test statistic as,  t 

Yt = a t  +  å  b j  g( Xj )  ­­­­­­­­­­­­­  ( 1.1 )  i=1 

Where a t  and  b 1  , b 2,………….., bt  are constants to be chosen .  The  performance  of  memory  control  chart    depends  on  the  choice  of  the  coefficients  at  and  b1,b2,…………..,  bt. The various special cases of the control statistic in  ( 1.1) for selected values of  at  and  b1, b2,………….., bt  are considered as below.  Case ( i ) : By setting  a t  = 0  and  b j =          1  ,           j = t.  0  ,          j = 1,2,………,t­1.  ( 1.1 ) becomes,    Yt  = g( Xt )  ­­­­­­­­­­­  ( 1.2 ).  This gives the test statistic for Shewhart control chart. If the function g(Xt  ) is sample mean of the  sample drawn at time t, then one gets Shewhart  X  chart.  Case (ii): Let Y0 is given target value for process mean or dispersion.  Substituting  a t  = ­t Y0  and  b j = 1 for j = 1,2,….,t  in equation ( 1.1 ) gives the control statistic of  CUSUM chart as , ASIAN JOURNAL OF MANAGEMENT RESEARCH  Volume 2 Issue 1, 2011 

254 

Exponentially weighted moving average control chart  Kalgonda A.A, Koshti.V.V, Ashokan. K. V t 

Yt  =  ­t Y0  + 



å  i=1 

b j  g( Xj )  =  å  [ b j  g( Xj )­ Y0 ]  ­­­­­­­ ( 1.3 ).  i=1 

That is the cumulative sum of the deviations from target value Y0,  where accumulation procedure  to  all  preceding  samples.  Since  the  coefficients  bj’  s  are  constants,  CUSUM  chart  has  uniform  memory. If g( Xj ) =  X ,  then such  CUSUM   chart can be used  to monitor process mean.  Case (iii ) :  The  EWMA control chart operates with recursively defined control statistic,  Yt  = (1 ­ l ) Yt­1  + l  g( Xt) ,  0< l £ 1  …….. ( 1.4 ).  Where  Y0  is  given  target  value  for  process  mean  or  dispersion.  This  control  statistic  is  an  exponentially weighted moving average of all samples drawn until time t. By reverse substitution,  Y1  = (1 ­ l ) Y0  + l  g( X1)  Y2  = (1 ­ l ) Y1  + l  g( X2)  =  (1 ­ l ) [(1 ­ l ) Y0  + l  g( X1) ] + l  g( X2)  =   (1 ­ l ) 2  Y0  + l [ (1 ­ l ) g( X1) +    g( X2)  ]  =   (1 ­ l ) 2  Y0  + l 



å 

(1 ­ l ) 2­j  g( Xj ) 

j =1 

In general,  Yt  = (1 ­ l ) t  Y0+ l 



å 

(1 ­ l ) t­j  g( Xj) , 

­­­­­­­­­­­­­­  ( 1.5 ). 

j =1 

This test statistic Yt , of the EWMA control chart  results from ( 1.1 ) by putting,  a t  =  (1 ­ l ) t  Y0  and  bj  = l  (1 ­ l ) t­j  for  j =  1,2,….,t  The  EWMA  chart  has  memory  of  unlimited  length.  Since    bj’s  are  non  zero  and  non  uniform  decreasing  geometric  sequence  ,  EWMA  is  a  chart  with  non  uniform  memory.  If l =1,  the  EWMA control statistic  ( 1.4 ) is identical to the Shewhart  chart with test statistic Yt  =  g( Xt) .  If g( Xj) is sample mean  X , then one get  EWMA  X ­ chart where  0< l £ 1. In the next section,  EWMA chart is introduced.  3. Exponentially Weighted Moving Average (EWMA) control chart  A quality control chart based on Exponentially Weighted Moving Average ( EWMA ) was first  developed  by  Roberts  in  1959.    The  EWMA    chart  uses  the  most  recent  and  the  past  observations.  The  performance  of  the  EWMA  control  chart  is  similar  to  that  of  the  CUSUM  chart and  it  is easier to set up and operate, in some way than the CUSUM.  The EWMA  is an  exponentially  weighed  moving  average  of  current  and  past  observations.  The  EWMA  control  procedure can be made sensitive to a small shift by choosing the weighing factor.  The EWMA statistic is defined as,  Zi = λ Xi + ( 1­λ ) Zi­1  ­­­­­­­­­­ (1.6)  where    0