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Please use this identifier to cite or link to this thesis: http://hdl.handle.net/10589/74123

Author: BECATTINI, NICCOLO'
Supervisor: CASCINI, GAETANO
Coordinator: COLOSIMO, BIANCA MARIA
Department : DIPARTIMENTO DI MECCANICA
PhD course: INGEGNERIA MECCANICA
Cycle: 25
Scientific Disciplinary Sector: ING-IND/15 DISEGNO E METODI DELL'INGEGNERIA INDUSTRIALE
Date: 27-Mar-2013
Title: Requirements identification and characterization in innovation processes
Italian abstract: La tesi presenta un lavoro di ricerca finalizzato a definire nuovi strumenti per supportare i processi di progettazione attraverso l'identificazione di obiettivi e requisiti da soddisfare per rispondere ai bisogni industriali o del mercato con un’idea progettuale. Questo aspetto riveste particolare importanza nei casi in cui le industrie competono attraverso l'innovazione dei propri prodotti, servizi o processi. A questo proposito, i metodi sistematici sono considerati la migliore alternativa per guidare la progettazione con efficienza ed efficacia, evitando di perdere opportunità di sviluppo che, senza una appropriata definizione degli obiettivi da raggiungere, potrebbero venire trascurate o, addirittura, ignorate. Questi metodi, quindi, riducono i rischi derivanti da scelte sbagliate che, conseguentemente, impattano su investimenti e ricavi a danno della competitività. La conoscenza gioca un ruolo prevalente nella definizione di questi obiettivi: gli strumenti che consentono questo passaggio dalla sfera individuale (tacita) verso il mondo esterno -dove può essere discussa, sfruttata e condivisa per un suo futuro riutilizzo (esplicita)- hanno una rilevanza strategica nel supporto dei processi di progettazione. Gli strumenti esistenti per la definizione di obiettivi e requisiti nei processi di progettazione sono efficaci in molti ambiti. Tuttavia, questi strumenti sono anche caratterizzati da un'apparente contraddizione: quelli che supportano la definizione di un ampio numero di requisiti sono principalmente adatti a specifici ambiti tecnologici (e.g. standard e checklist) e mostrano alcune carenze in termini di flessibilità d'uso in funzione del contesto dell'analisi. Dall'altra parte, i metodi capaci di rispondere alle esigenze di diversi ambiti tecnologici sono orientati principalmente al soddisfacimento di un solo "meta-obiettivo" per volta (e.g. Linee guida di Design for X). L'attività di ricerca, pertanto, si è posta l'obiettivo di superare questa situazione dicotomica. L'autore ha sviluppato un nuovo set di criteri, ad un più alto livello di astrazione, per la definizione di requisiti ed obiettivi. Questi criteri possono essere contestualizzati in funzione delle situazioni, andando così ad affrontare più obiettivi nei diversi ambiti tecnologici. I criteri sono organizzati secondo i principali elementi che guidano l'evoluzione dei sistemi tecnici secondo la teoria TRIZ (acronimo russo per "Teoria per la Soluzione di Problemi Inventivi"): il miglioramento delle prestazioni, la riduzione degli effetti collaterali indesiderati e del consumo di risorse. L'efficacia e la validità di questi criteri sono state testate su diversi casi di prova riguardanti sia prodotti che processi industriali, attraverso esperimenti mirati alla valutazione qualitativa e quantitativa degli obiettivi. Più nel dettaglio, quattordici diverse tecnologie per processi produttivi sono state esaminate nel corso di tre applicazioni con partner industriali, operanti nel campo della produzione di elettrodomestici e nell'applicazione di tecnologie a letto fluido. Anche la definizione e la classificazione dei requisiti di prodotto per mezzo dei criteri è stata oggetto di analisi. Prodotti a diversa complessità sono stati analizzati al fine di dimostrare che l'uso dei criteri aumenta radicalmente la capacità di definire una specifica di progetto maggiormente accurata e completa. Inoltre, un'ulteriore analisi ha esplorato qualitativamente la possibilità di applicare i criteri per descrivere i bisogni dell'utente/cliente attraverso una caratterizzazione a posteriori di nuovi requisiti di prodotto o servizio, come documentati da letteratura in ambito scientifico e imprenditoriale. La nuova proposta di criteri per supportare l'identificazione e la caratterizzazione dei requisiti e definire specifiche di progetto ha dimostrato di poter essere utilizzabile con flessibilità in diversi contesti riguardanti lo sviluppo sia di prodotti che di processi. I criteri soddisfano l'obiettivo di realizzare una specifica di progetto capace di esplorare quanto più possibile la gamma di possibili alternative (completezza), permettendo così una distinzione tra aspetti più o meno rilevanti (sinteticità). L'applicazione dei criteri permette anche di prendere in esame i requisiti una sola volta ciascuno, riducendo le ambiguità trai vari requisiti, che sono potenziali cause di scelte progettuali fuorvianti (non-ridondanza). Inoltre, il loro uso permette di definire delle specifiche di progetto su cui valutare la capacità delle diverse idee solutive di generare soddisfazione o insoddisfazione secondo gli obiettivi prefissati (validità). Le diverse applicazioni hanno dimostrato che queste caratteristiche si ottengono con buona ripetibilità, indipendentemente dalla capacità degli individui di esternalizzare la propria conoscenza. Ulteriori miglioramenti possono essere orientati ad una maggiore facilità d'uso, così da ridurre o eliminare la necessità di fare affidamento ad un facilitatore metodologico che supporti la definizione di specifiche di progetto. Per raggiungere l'obiettivo di rendere più semplice ed immediato l'utilizzo dei criteri, è stato sviluppato un algoritmo da implementare in una interfaccia computerizzata basata sul dialogo, con lo scopo di assistere l'analisi di problemi inventivi. L'algoritmo si preoccupa di definire lo spazio di progettazione (design space) ed identificare requisiti tra loro non mutuamente compatibili da cui cominciare l'attività di sintesi di soluzioni progettuali. Questo algoritmo si articola in diversi percorsi attraverso cui l'analisi del problema può indirizzarsi, coerentemente con i concetti alla base dei criteri per l'identificazione dei requisiti. La validazione dell'algoritmo ha puntato ad indicare la capacità dell'algoritmo di supportare la definizione di requisiti configgenti, ma anche la definizione dello spazio di design, così da permettere il recupero di informazioni da sorgenti di conoscenza esplicita come brevetti, libri e qualsiasi altra fonte codificata ed accessibile attraverso strumenti informatici. Il primo step di sviluppo ha definito la struttura generale dell'algoritmo (7 blocchi logici e circa 150 nodi con uno o più domande ciascuno), anche in termini di variabili/concetti da analizzare ed estrarre dalla conoscenza di esperti, del loro riuso nell'algoritmo, così come le connessioni tra nodi e concetti. I relativi test hanno dato risultati soddisfacenti per quel che concerne la capacità di assistere l'analisi di problemi, anche se sono emerse criticità nella capacità di guidare l'esplorazione dello spazio di progettazione (design space). La seconda versione dell'algoritmo (8 blocchi logici e circa 200 nodi), affronta le limitazioni emerse a valle della prima fase di test. Questa versione include un nuovo blocco, avente l'obiettivo di estendere l'esplorazione e fornire scorciatoie per l'analisi di soluzioni più immediate, che possono non essere immediatamente evidenti all'inizio dell'analisi. Sono stati ottenuti risultati soddisfacenti con entrambe le versioni dell'algoritmo, suggerendo ulteriori sviluppi orientati ad integrare un modulo che, dalla sola analisi, preveda anche il supporto per i processi di sintesi di idee progettuali. Alla luce dei risultati ottenuti, questa ricerca contribuisce a strutturare metodi di progettazione in maniera più robusta. Inoltre estende il supporto dei sistemi di progettazione assistita dal calcolatore verso le prime fasi dei processi di sviluppo in contesti di innovazione.
English abstract: The thesis presents a research aimed at identifying new instruments capable to support the engineering design processes by pointing out objectives and requirements to be satisfied by a design proposal, which has to address the emergence of needs from both the industry and the market. This issue is of greater importance in all the circumstances where industries have to face the challenge of competition by innovating their products, processes or services. In this perspective, systematic design methods have emerged as the best alternative to steer the design process with effectiveness and efficiency, thus stopping to miss opportunities that, without the appropriate definition of objectives, will not be taken nor even recognized. Such methods reduce the risks due to wrong choices dramatically impacting on investments and revenues and compromising competitiveness. Knowledge plays a paramount role in the definition of such objectives: means to externalize it from the individual sphere (tacit) to the external world, where it has to be discussed and used and also shared for future reuse (explicit), have a strategic relevance in supporting the design processes. Existing tools to support the definition of objectives and requirements during the engineering design process are effective in a wide range of cases. However, they are characterized by an apparent contradiction: the ones that support the definition of a wide number of requirements are mostly suited for specific fields of technology (e.g.: standards and checklists) and show lacks in terms of their flexible use in different industrial contexts. On the other hand, methods capable to answer to the exigencies of different domains of technique are mostly tailored to address the satisfaction of an overall objective at a time (e.g.: Design for X guidelines). The research activity, therefore, has been carried out with the objective of overcoming such dichotomous situation. The author has developed a new set of criteria, having a higher level of abstraction, for the definition of requirements and objectives. They can be contextualized according to diverse situations, thus addressing multiple objectives in a wide range of different applications. The criteria are organized according to the main drivers suggested by the TRIZ (Russian acronym for Theory of Inventive Problem Solving) theory about the evolution of technical systems: improvement of performances, reduction of side effects and resources consumptions. The effectiveness and the validity of these criteria has been tested on several test cases concerning both products and industrial processes through experiments tailored to verify specific objectives both in a qualitative and quantitative way. In more details, fourteen different manufacturing technologies have been examined along three different process applications with industrial partners in the field of household appliances and fluid-bed technologies. The investigation has been also carried out on the definition of requirements for products of different complexity, demonstrating that the criteria dramatically shift the capabilities of individuals in producing more accurate and complete design specifications. Moreover, a further investigation qualitatively explored the capability of the criteria to describe also the needs of customers, through an ex-post characterization of a set of newly appeared product/service requirements as mentioned in scientific and business literature. The new proposal of criteria for supporting the definition and the characterization of requirements to populate the design specification achieves the objective to be flexibly used in different context concerning the development and the innovation of both products and processes. The criteria achieve the objective of producing a design specification capable of exploring the range of potential alternatives at the maximum extent (completeness), without neglecting relevant aspects and noting useless ones (conciseness). They support considering the collected requirements just once, without introducing ambiguities that could be misleading for driving the design process (non-redundancy). Moreover their use make it possible to build a design specification according to which the different design proposal can be depicted with reference to their capability to generate satisfaction or dissatisfaction according to the objectives (validity). Moreover, the criteria satisfy the goal of producing the above results with good repeatability, thus releasing from the individual capabilities in externalizing the owned knowledge. Potential improvements concern the ease of use, in terms of releasing from the need of carrying out analysis with a facilitator. At last, for achieving the purpose of easing the use of the criteria, an algorithm to be embedded into a dialogue-based computer interface for supporting the analysis of inventive problems has been developed. It aims at depicting the design space and pointing out non-mutually compatible requirements from which starting the conceptual stages of design. Such an algorithm has been developed in the diverse paths through which the analysis can be carried out, according to the concepts highlighted by the criteria. Tests for validation aim at pointing out the capability of the developed algorithm in supporting the identification of conflicting requirements, as well as in defining the design space so as to support the retrieval of information and knowledge from explicit sources, such as patents, books and whatever codified and retrievable through the world wide web. The first step of development has defined the overall structure of the algorithm (7 logical blocks and about 150 questioning nodes), also in terms of variables to be investigated and elicited from experts’ knowledge, opportunities for their reuse as well as connections among nodes and concepts. Test produced satisfactory results in terms of support to the problem analysis, even if presenting some lacks in terms of adequate exploration of the design space. The second release of the algorithm (8 logical blocks and more than 200 questioning nodes), addresses the limitations emerged within the first testing session. It includes a new block aimed at widening the boundaries of exploration and providing shortcuts for the investigation of trivial solutions that were not immediately evident at the beginning of the analysis. Satisfactory results have been obtained with both the versions of the algorithm, showing room for extending this kind of computer-aided support also to the synthesis of solution concepts. Such a research has an impact in both the structuring of more robust design methods and in extending the support of computer-aided systems to the first phases of the development cycles in innovation contexts.
Italian keywords: requisiti di sistema; innovazione di prodotto; innovazione di processo; innovazione assistita dal calcolatore; TRIZ
English keywords: system requirements; product innovation; process innovation; computer aided innovation; TRIZ
Language: eng
Publisher: Politecnico di Milano
Type of document: Tesi di dottorato
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