INFORMATION AND MANAGEMENT

Integration of statistical process control and machine learning methods in quality assurance engineering practice on highly variable production lines

Authors

  • Shoven Feng South Ural State University, 454080, Chelyabinsk, Lenin Avenue, 76

How to cite

GOST Feng S. Integration of statistical process control and machine learning methods in quality assurance engineering practice on highly variable production lines // Environmental Management Issues. 2025. Vol. 4. No. 6. P. 60-68. DOI: 10.25726/x3057-0583-3684-h
APA Feng, S. (2025). Integration of statistical process control and machine learning methods in quality assurance engineering practice on highly variable production lines. Environmental Management Issues, 4(6), 60-68. https://doi.org/10.25726/x3057-0583-3684-h

Abstract

The article addresses the challenge of ensuring product quality on high-variability production lines under increasing complexity of cyber-physical manufacturing systems and the limitations of classical statistical process control methods. The aim of the study is to develop and experimentally validate a hybrid approach that integrates SPC tools and machine learning methods for proactive quality management in the production of carbon-fiber-and-epoxy-based prepregs. The object of the study is a real aerospace-grade production line, for which a high-frequency dataset (45 parameters, over 2 TB) was collected over 12 months, including both process parameters and final quality indicators with defect labels. At the first stage, traditional SPC tools (XmR charts, Cp and Cpk indices) were applied to assess process stability and identify critical parameters; it was shown that several variables, in particular binder viscosity and carbon-fiber tension, exhibit low reproducibility and serve as major sources of variability. At the second stage, data preprocessing and analysis were performed using machine learning methods: outliers were removed using Isolation Forest, normalization was carried out, and a random forest model was used to rank the 45 parameters by importance, which revealed non-obvious effects of shop-floor humidity and calender-roll temperature. To predict defects, logistic regression, SVM, and XGBoost models were trained and compared, with gradient boosting demonstrating the best performance (F1-score 0.959 with high precision and recall), confirming the pronounced nonlinearity of the process under study. Additionally, the DBSCAN algorithm made it possible to identify hidden clusters of operating regimes associated with both quality degradation and measurement-equipment deterioration, opening opportunities for predictive maintenance. Based on the obtained results, a three-level quality-management architecture is proposed, in which SPC ensures basic monitoring, predictive ML models provide proactive defect-risk control, and cluster analysis performs the function of detecting new anomalous states, forming a data-driven foundation for implementing the Industry 4.0 concept on high-variability production lines.

Keywords

statistical process control machine learning quality assurance high-variability production lines carbon-fiber-based prepregs

References

Анцыферов С.С., Фазилова К.Н., Муравьев Д.С. Интеллектуальные системы контроля качества высокотехнологичных производственных процессов и оборудования // Проблемы искусственного интеллекта. 2025. № 2(37). С. 60-65.

Анцыферов С.С., Фазилова К.Н., Муравьев Д.С. Управление качеством технологических процессов и оборудования интеллектуального наукоемкого производства // Качество и жизнь. 2025. № 2 (46). С. 26-28.

Анцыферов С.С., Фазилова К.Н., Русанов К.Е. Методика контроля качества технологических процессов интеллектуального машиностроительного производства // Наукоемкие технологии. 2023. Т. 24. № 7. C. 39-43.

Дмитриев А.Я., Филиппова Т.С. Введение в онтологию инжиниринга качества. Часть 2. Методы, инструменты и применение // Качество и жизнь. 2022. № 4 (36). С. 3-10.

Дудник М.Д., Суханов М.Б. Управление качеством продукции в машиностроении на основе методов математической статистики и машинного обучения // Наука и бизнес: пути развития. 2025. № 2(164). С. 84-89.

Конев К.А. Использование методов машинного обучения в задачах принятия решений при обеспечении качества в приборостроении // Экономика. Информатика. 2022. Т. 49. № 4. C. 820-832.

Мартышкин А.П., Майоров А.М. Статистические методы в системе управления качеством продукции машиностроения // Эпоха науки. 2024. № 37. С. 56-61.

Миндлина О.И. Прогнозирование показателя качества технологического процесса // Автоматизация в промышленности. 2022. № 1. С. 7-12.

Пашеева Т.Ю., Сенецкая Л.Б. Управление качеством в судоремонте: акцент на соответствие со студенческой скамьи // Транспортное дело России. 2020. № 4. С. 26-32.

Рыжкова Е.В., Шабурова А.В. Управление качеством наукоемкой продукции с использованием ИПИ-технологий // Компетентность. 2025. № 2. С. 24-28.

Рябчиков П.В., Круглов И.А., Круглова Ю.В., Лобастов М.М. Направление подготовки научных кадров по специальности «Стандартизация и управление качеством продукции» // Вестник «НПО «Техномаш»«. 2022. № 2(19). С. 67-71.

Турутина Т.Ф., Третьяков Д.В. Обучение как педагогическое управление учебным процессом в инженерном вузе // Современное педагогическое образование. 2023. № 1. С. 41-43.

Фаюстов А.А. Внедрение машинного обучения в СМК металлургических производств // Качество. Инновации. Образование. 2025. № 2(196). С. 3-10.

Чуновкина А.Г., Ястребов А.П., Чабаненко А.В., Рассыхаева М.Д. Качество технологических процессов в аддитивном приборостроении: модели машинного обучения // Компетентность. 2024. № 6. С. 46-50.

Юрков Д.А., Сокольчик П.Ю., Сташков С.И. Применение ансамблевых методов для прогнозирования качества продукции // Химия. Экология. Урбанистика. 2024. Т. 3. С. 390-394.

Issue

Section

INFORMATION AND MANAGEMENT
Want to publish with us?
Submit an article

Machine-readable metadata

Similar Articles

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 > >> 

You may also start an advanced similarity search for this article.