A process-based approach to computer-supported engineering design

Year: 1994
Author: Blessing, Luciënne Theresia Maria
Supervisor: van den Kroonenberg, Harry; Mars, Koos; Terlouw, Cees; van Harpen, Theo
Institution: University of Twente, Enschede
Page(s): 369
ISBN: 0 9523504 0 8

Abstract

In this century, in the field of mechanical engineering, both products and the processes of their creation have undergone major changes. In order to remain competitive, new approaches to product development are needed for effective and efficient projects that are able to cope with the new characteristics of, and increasing pressures on, product and process. This dissertation proposes an approach to improve the mechanical engineering design process, i.e. to increase its effectiveness and efficiency, in the light of the identified changes. Various means to improve the design process have been investigated. These are: (1) prescriptive models of the design process; (2) handbooks and catalogues containing knowledge needed for design; (3) methods to support specific design activities; and (4) computer-based tools. The first conclusion was that these means have not had the expected impact on the effectiveness and efficiency of the design process. The reasons for this include: inadequate exploitation of existing prescriptive models; poor access to knowledge and methods; and, the limited range of application and focus of computer-based tools. The second conclusion was that a focus on the design activity rather than on its deliverables, i.e. on the process rather than on the product, would be the most promising approach to improve design. A focus on the design process can increase the impact of the existing means; it enables the process to be monitored, increases the accessibility of knowledge, methods and tools, and opens ways to extend computer support to the entire process. This dissertation proposes a solution to the need to improve design through an emphasis on the process and through a combination of the means listed above. Its implementation is a computer-based design supp0t1 system developed around a model of design in which the process is the core. The development consisted of four stages: (1) determination of the characteristics of design; (2) specification of the type of support; (3) development of a set of requirements and functions for the support system; (4) development of the model and the support system; and (5) evaluation of the core of the system. Both prescriptive and descriptive sources were consulted to find characteristics of design that could be important to the development and use of the envisaged design support system. Prescriptive literature provided the characteristics of design that are considered to typify improved design processes. Because a system to improve design would be introduced in processes that still need improvement, publications of descriptive studies were consulted to find the characteristics of design as it actually happens. The number of detailed studies in industry is low, and therefore a design project was observed for 16 months to identify the characteristics that can be found in an industrial context. In the frrst part of this dissertation (chapters 1 to 4) an extensive overview and a comparison is given of the three consulted Sources. The middle part of the dissertation (chapters 5 and 6) focuses on the process-based computer support system and the model of design on which it is based. It describes how a set of requirements and main functions for the support system have been derived from the identified characteristics of design and a personal view on design support. The main functions are:
• Supporting a methodical design activity;
• Supporting structured documentation of project data;
• Supporting retrieval of project data for reuse;
• Structuring knowledge, methods, tools and design history;
• Providing context-sensitive advice: assistance (suggesting relevant knowledge, methods, tools, design history); guidance (suggesting relevant steps in the design process); Supporting communication and teamwork. The formulated requirements and functions were used to develop a model of design. The model suggests how designers could design, by providing a framework for the activities of a designer or design team. On the basis of this model a PROcess-based Support System (PROSUS) is proposed that is considered to fulfill the aforementioned functions. PROSUS combines the advantages of computer processing, the knowledge and capabilities of human designers and the potentials of a methodical approach. The basic building block of PROSUS is the design matrix which represents the design process as a structured set of issues and activities. The design matrix is the working area for the designer or design team and enables the system to suggest relevant knowledge, methods, tools and design histories. The design matrix contains a description of the design process. The description is structured around Ole rationale applied and may not be chronological: the matrix structures the (intermediate) results of the process independently of the sequence in which they are generated. The data describing the final product can be found in the product model, an other element of PROSUS. The product model contains the results of the issues addressed and therefore describes the product, its elements and their relations in terms such as their requirements, functions, and geometry. It thus extends the official documentation of design projects beyond current practice. Other elements of PROSUS include me procedure matrices to deal with the issues of responsible team member, time and means; and the strategy matrix to aid in finding the current most promising strategy. The third part of this dissertation (chapter 7) presents the results of a first evaluation of PROSUS focusing on the applicability and usefulness of its core, the design matrix. The evaluation consisted of an experiment in which experienced designers were asked to think aloud while solving a design problem. Half of the designers used the design matrix. A comparative analysis of the design processes showed that, although the use of the matrices required more time, it also encouraged me designers to address more issues, generate more concepts, evaluate their solutions more often and document more of their process. The results of the evaluation justified further development and implementation of PROSUS. In the concluding chapter (chapter 8) the research approach applied in this dissertation has been generalized into a methodology for design research. This methodology and the further development and implementation of PROSUS have become me current focus of attention for the author in her work as design researcher.
Samenvattings
In de.ze eeuw hebben werktuigbouwkundige producten en de processen waannee ze lot stand komen, grote veranderingen ondergaan. Om concurrerend te blijven, is het noodzakelijk de productontwikkeling nieow te benaderen met het doel ptojecten te realiseren die een antwoord vonnen op de veranderde karakteristieken van en de toenemende druk op producten en processen. Dit proefscbrift stelt een aanpak voor om het werktuigbouwkundig ontwerpprocess te verbeteren, d.w.z. het verbereren van de effectiviteit en efficientie, met het oog op de gei'dentificeerde veranderingen. Verscheidene middelen om het ontwerpproces le verbeteren zijn onderzocht: (1) prescriptieve modellen van het ontwerpproces, (2) handboeken en catalogi die de kennis bevatten die noodzakelijk is om te kunnen ontwerpen, (3) methoden voor specifieke ontwerpactiviteiren, en (4) computerprogramma's: De eerste conclusie was dar deze middelen niet het verwachte effect badden op de effectiviteit en efficientie van het process. Onder andere omdat bestaande prescriptieve modellen onvoldoende worden gebruikt, kennis en methoden slechl toegankelijk zijn. en computerprograrnma's beperkt zijn in hun toepassingsgebied en focus. De tweede conc1usie was dat de aandacht zich moet concentreren op de ontwerpactiviteit in plants van het resultaat; procesgerichlheid, en niel productgerichtbeid, is de meest belovende aanpak om het ontwerpproces te verbeteren. Gerichtheid op het oDtwerpproces kan het effect van de bestaande middelen vergroten; het maakt her procesbeheer mogelijk, verhoogt de toegankelijk:heid van kennis, methoden en compulerprogramma's, en het maakt bet mogelijk het gehele ontwerpproces te ondersteunen met behulp van de oomputer. De oplossing die in dit proefschrift wordt voorgesteld om het ontwerpprocess te verbeteren, is een computersysteem ler ondersteuning van het ontwerpen dat is opgezet rondom een model van het ontwerpen waarin de kern gevormd wordt door het proces. De ontwikkeling bestond Uil vijf fasen: (1) vastlegging van de karakteristieken van her ontwerpen, (2) specificatie van het .soorl ondersteuning, (3) ontwikkeling van een verzameling eisen en funeries voor het computersysteem. (4) ontwikkeling van hel model en het computer systeem, en (5) evaluatie van de kern van het systeem. Zowel prescriptieve als descriprieve bronnen zijn gernadpleegd om die karakteristieken van hel ontwerpen te vinden die belangrijk zouden kunnen zUn voor de ontwikkeling en her gebruik van het beoogde systeem. Preseriptieve Hteratuur bevat karakteristieken die worden geacht typiseh te zijn voor verbeterde onlwerpprocessen. Eehler een compmersysteeOl dar geriehl is op het verbeteren van het onrwerpproces, zal worden gei'ntroduceerd in processen die nog moeten worden verbeterd. Derhnlve zijn ook de publikaties van descriptieve studies geraadpleegd. Deze leveren de karakrerisliekcn van het Olllwerpen zoals het in werkelijkheid plaats vindL. Vanwege het geringe aantal gedetailleerde studies van industriele projecten, is gedurende 16 maanden een onlwerpprojeet geobserveerd om karakteristieken te vinden van het ontwerpen in een industriele ongeving. Het eerste gedeelte van dit proefschrift geefl een uitgebreid overzicht en een vergelijking van de drie geraadpleegde bronnen.Het volgende gedeelte van het proefschrift rich I zich op het proces-gebaseerde computer-sysfeem en het model van het ontwerpen waarop her is gebaseerd. Bescbreven word! hoe de verzameling eisen en de hoofdfuncties van het systeem zjjn afgeleid van de gevonden karakteristieken van het ontwerpen en van cen persoonlijk visie op ontwerpondersteulling. De hoofdfuncties zijn:
• het ondersteunen van een mdhodisch ontwerpproces,
• het ondersteunen van het gestructureerd documenteren van projectgegevens,
• het ondersteunen van het terugvinden van projectgegevens voor hergebruik,
• het structureren van kennis, methoden, computcrprogramma's en oude ontwerpen,
• het geven van context-afhankelijk advies:
• assistentie (het voorstellen van relevante kennis, methoden, eomputerprogramma's en oude ontwerpen voor een speeifieke stap),
• begeleiding (het voorstellen van relevante stappen in het ontwerpproces),
• het ondersteunen van eomrnunieatie en samenwerking.
De geformuleerde eisen en funeties zijn gebruikt om een model van het ontwerpen te ontwikke1en. Dit model suggereert een bepaalde ontwerpaanpak door een raamwerk te geven voor de activiteiten van een ontwerper of een groep ontwerpers. Gebaseerd op dit model wordt een procesgebaseerd computersysteem beschreven ter ondersteuning van de omwerper, genaamd PROSUS, dal de eerder genoemde functies zou kunnen vervullen. PROSUS combineert de voordeJen van computerverwerking met de kennis en kllnde van menselijke ontwerpers en de mogelijkheden van een methodische aanpak. De elementaire bouwsteen van PROSUS is de ontwerpmatrix. Deze matrix representeert het ontwerpproees als een gestrlletureerde verzameling probleemgebieden (issues) en activiteiten. De ontwerpmatrix is het werkgebied van de ontwerper of het ontwerpteam en stelt het systeem in staat advies te geven over relevante kennis, methoden, computer-programma's en oude ontwerpen. Een matrix beval een beschrijving van bet onLwerpproces. Deze beschrijving is gestructureerd rond de toegepaste redenering en is niet noodzakelijkerwijs chronoJogisch: de matrix struetureert de (tussen)resulaten van het proces onafhankelijk van de volgorde waarin deze werden gegenereerd. De gegevens van het uiteindelijke product zijn terug te vinden in het productmodel, een ander element van PROSUS. Het productmodel bevat de oplossingen voor de probleemgebieden die zijn behandeld, en beschrijft dus het product, de productelementen en hun relaties op verschillende manieren, bijvoorbeeld door middel van bUD eisen, functies en/of geometrie. Dit betekent een"" uilbreiding van de huidige officiele documentatie van ontwerpprojecten. Andere elementen van PROSUS zijn, onder andere: de procedurematrices voor het toedelen van verantwoordelijkheden, tijd en middelen, en de strategiematrix die hulp biedt bij het bepalen van de meest belovende strategie op el:n bepaald moment. Het laatste gedeelte van het proefschrift beschrijft de resultaten van een eerstc evaluatie van PROSUS die zich richt op de toepasbaarheid en het nut van de kern van PROSUS, de ontwerpmatrix. De evaluatic bestond Uil een experiment waarln ervaren ontwerpers werd gevraagd hardop te denken tijdens het oplossen van een ontwerpprobleem. De helft van de ontwerpers werkte met de ontwerpmatrix. Een vergelijking van de ontwerpprocessen toonde aan dat, of schoon het gebruik van de matrices meer tijd vergde, bet de ontwerpers aanmoedigde meer probleemgebieden te behandelen, meer concepten te genereren, hun oplossingen vaker te evalueren, en meer van hun proces te documenteren. De resultaten van de evaluatie rechtvaardigden de verdere ontwikkeling en implementatie van PROSUS. In het laatste hoofdstuk (boofdstuk 8) wordt een algemene methodologie voorgesteld voor onderzoek in het ontwerpen, gebaseerd op de aanpak die ten grondslag ligt aan dit proefschrift. Dese melhodoiogie en de verdere ontwikkeling en implementatie van PROSUS vormen het bllidige aandachtsgebied van de auteur in haar werk als onderzoeker in het ontwerpen.