Upravljanje konstrukcijskim parametrima u procesu razvoja proizvoda

Engineering designers in product development organisations face the increasing complexity of engineering design activities. To accomplish the assigned activities, they reach for various tools and methods in their daily work that support them in developing products, managing data and communicating with other designers within a team or outside the team. Thus, design team members need enhanced software support for design team collaboration, including the management of design process dynamics, especially in critical situations. The research reported in the thesis aims to improve a designer's working experience through enhancements in computer supported collaborative work (CSCW). A more concrete research aim has been formed as follows: to develop a model and software support that would enable consistent updating and propagation of design information in teamwork in a manner that the improvement does not require additional effort for engineering designers while performing design activities. The research has been conducted in line with Design Research Methodology stages and in such a way is reported in this thesis. The literature review provided several major issues of current techniques and support systems used in engineering design processes. The two most significant for this work are that design activities are sometimes performed with outdated product information and that critical situations burden the whole system, from a designer to management. The research continued with the analysis of the empirical dataset. The dataset consists of over 800 records that originate from meeting reports obtained from three longlasting product development projects in an automotive company. The analysis results have shown what types of design activities are most frequent, what types are most critical and how designers are dealing with design activities. Based on the recognised activity type, an engineering design activities taxonomy has been proposed. The next natural step in the research was to use the knowledge obtained from the previous phase and propose a novel CSCW enhancement. The goal of the enhancement has been set to semiautomatically execute defined engineering design activities and thus support engineering designers in their work. The enhancement is based on Coloured Petri Nets modelling language (CPN). One CPN model has been created for each engineering design activity type. CPN models are executed as part of the proposed framework for semi-automated execution of engineering design activities. The framework manages an activity life cycle and thus a CPN model life cycle, communication with designers and all processes beneath the proposed enhancement. The proposed framework and all belonging processes have been validated using two different case studies. The case studies showed that the proposed enhancement has significant potential to provide real-time updating and propagation of design information in teamwork. The main contributions of the thesis are: 1. Definition of engineering design activity taxonomy, 2. Proposal of the framework and process for semi-automatic execution of engineering design activities, 3. CPN models that should enhance CSCW and design communication, and 4. MDM modification for indicating necessary communication.Timski rad je ključan, ali i neizbježan element tijekom razvoja kompleksnih proizvoda. Kako bi timski rad bio efikasan, komunikacija između članova tima, ali i između timova mora biti uvijek na visokoj razini promatrano s više aspekata. Nažalost, to u velikom broju slučajeva nije moguće ostvariti, a potvrda za to pronađena je kroz diskusiju s razvojnim inženjerima u automobilskoj industriji kao i tijekom pregleda znanstvene i stručne literature. Loše organizirana i nepravodobna komunikacija često u praksi uzrokuje znatna kašnjenja i dodatne troškove te umanjuje kvalitetu rješenja. Takvi problemi dolaze do izražaja tijekom procesa rasuđivanja i donošenja odluka u dugotrajnim razvojnim projektima koji uključuju velike distribuirane timove. Istraživanje je ostvareno u području koje se fokusira na probleme upravljanja parametrima u procesu razvoja arhitekture vozila. Cilj je istraživanja razviti model i računalnu podršku koji će omogućiti dosljedno ažuriranje i propagiranje informacija u timskom radu na način da se ne ostvaruje dodatno opterećenje za konstruktore. Ponavljajući uzorci komunikacijskih situacija i dijelova procesa konstruiranja ekstrahirat će se iz analize procesiranja informacija te tokova informacija u kompleksnom okruženju razvoja proizvoda. Predloženim istraživanjem verificira se sljedeća hipoteza: Računalna realizacija i praktična implementacija dosljednog dinamičkog ažuriranja i propagiranja informacija o konstrukcijskim parametrima osnovni su preduvjet za razvoj modela djelomične automatizacije obrade i transfera konstrukcijskih informacija, što bi značajno smanjilo broj nepotrebnih iteracija i dodatne troškove u projektima. Metodologija Istraživanje je metodološki utemeljeno na općoj metodologiji istraživanja u znanosti o konstruiranju te je provedeno u četiri osnovna koraka: preliminarno istraživanje (raščišćavanje zahtjeva na istraživanje), pregled literature i analiza prikupljenog skupa podataka (deskriptivno istraživanje I), razvoj modela i okvira za poluautomatsko izvršavanje konstrukcijskih aktivnosti (preskriptivno istraživanje I), vrednovanje modela i razvijenih procesa za izvršavanje aktivnosti (deskriptivno istraživanje II). Preliminarno istraživanje uključuje pregled postojeće znanstvene i stručne literature unutar područja istraživanja s ciljem inicijalnog opisa postojeće situacije, željenih doprinosa te definiranja osnovnih pretpostavki. Pregledom literature dan je uvid na trenutna dostignuća na području procesa konstruiranja na najvišoj razini, no pregled je uključivao i napretke na nižim razinama granularnosti kao što su iteracije tijekom konstruiranja koje su sve prisutne u procesu konstruiranja, kritične situacije koje se događaju tijekom razvoja proizvoda, mogućnosti koje pruža računalom podržan kolaborativni rad te upravljanje konstrukcijskim parametrima. Nadalje, pregled je usmjeren ka metodama na bazi matrica s obzirom da se one redovito upotrebljavaju tijekom razvoja proizvoda te tijekom upravljanja konstrukcijskim parameterima. Predloženi okvir za procesiranje konstrukcijskih aktivnosti u pozadini je temeljen na metodologiji Obojenih Petrijevih mreža tako da su Petrijeve mreže kao i sva glavna proširenja metodologije detaljno istraženi. Ishod ove faze istraživanja su formulirana istraživačka pitanja čime je usmjeren daljnji tijek istraživanja. Kako bi se mogli ponuditi odgovori na istraživačka pitanja, bilo je potrebno sakupiti te analizirati podatke iz industrijskog radnog okruženja. Prikupljeni podaci pretežito su zapisnici s projektnih sastanaka održanih tijekom provedbe tri dugotrajna razvojna projekta u automobilskoj industriji. Konstrukcijske aktivnosti prepoznate u zapisima okupljene su u predloženu taksonomiju konstrukcijski aktivnosti koja je prilagođena aktivnostima tvrtke u kojoj su podaci prikupljeni. Paralelno je razvijen model te procesi koji uz pomoć definiranih modela konstrukcijskih aktivnosti (modeliranih pomoću Obojenih Petrijevih mreža) podržavaju konstruktore tijekom razvojnih procesa. Model i pripadajući procesi evaluirani su kroz dvije različite studije slučaja. Nakon studija slučaja dolazi se do rasprave o rezultatima, doprinosima ovog rada te potencijalima predloženog rješenja. Analiza prikupljenog seta podataka Nakon izvršenog pregleda literature i definiranih istraživačkih pitanja, postalo je očito da predloženo poboljšanje računalom podržanom timskog rade neće biti dovoljno efikasno ako se ne posegne za podacima iz realnog okruženja koji će upotpuniti saznanja proizašla iz pregleda literature. Podaci su prikupljeni u suradnji s istraživačkim odjelom partnerske tvrtke iz automobilske industrije. S obzirom na pravila privatnosti i izrazito snažan sindikat, nije bilo moguće prikupiti podatke o procesu konstruiranja koji nisu nastali tijekom formalne komunikacije (npr. emailovi, razgovori među konstruktorima). Stoga, prikupljeni su zapisi (izvješća) s formalnih projektnih sastanaka nastalih tijekom višemjesečnog procesa razvoja vozila. Prikupljeni podaci sadrže preko 800 zapisa proizašlih iz tri različita razvojna projekta. Prije analize podataka, podaci su anonimizirani. Izvješća sa sastanaka su strukturirani tekstualni dokumenti koji sadrže osnovne podatke o održanom sastanku te detalje i prepisku diskusije za svaku točku na dnevnom redu. Upravo te prepiske diskusije su se koristile kao ulazni podaci tijekom analize podataka. Prvi korak u analizi uključivao je pretraživanje podataka kako bi se odredila učestalost ponavljanja pojmova koji se koriste tijekom razvoja proizvoda (npr. parametar, udaljenost, masa, kut, visina, materijal). Drugi korak analize se odnosio na prepoznavanje konstrukcijskih aktivnosti. Nakon prepoznavanja i generaliziranja aktivnosti, one su bile osnovni elementi za definiranje taksonomije konstrukcijskih aktivnosti. Uz pomoć elemenata taksonomije, skup podataka je ovaj put kodiran kako bi se odredila učestalost pojavljivanja određenih konstrukcijskih aktivnosti i time definiralo koje vrste aktivnosti bi bilo najvrjednije procesirati uz pomoć rješenja razvijenog u sklopu ovog rada. Model unaprjeđenja računalne podrške konstruiranju Podaci prikupljeni u tvrtki poslužili su kao temelj za koncipiranje modela za unaprjeđenja računalne podrške tijekom izvršavanja konstrukcijskih zadataka. Temeljem spoznaja iz pregledane literature i promatranih procesa u tvrtki napravljena je sinteza okvira za modeliranje i praćenje izvršavanja timskih aktivnosti u složenim i dugotrajnim razvojnim projektima. Tijekom ove faze istraživanja definirana je arhitektura predloženog sustava i detaljno je razrađen permanentan ciklički proces koji primarno treba osigurati postavljene ciljeve konzistentnog ažuriranja vrijednosti spregnutih parametara u timskom radu. Nastavno na arhitekturu modela definirane su i detaljno opisane programske komponente razvijenog sustava. Razmotreni su izazovi koji se mogu pojaviti pri gradnji pojedinačnih modela prema predloženoj arhitekturi i metodologiji koja se temelji na Obojenim Petrijevim mrežama. U sklopu razvoja modela i pripadajućih procesa, detaljno su opisana dva primjera CPN modela konkretnih konstrukcijskih aktivnosti u timskom procesu upravljanja konstrukcijskim parametrima. Vrednovanje istraživanja Vrednovanje predložene taksonomije konstrukcijskih aktivnosti, teoretskog okvira, razvijenih procesa i modela Obojenih Petrijevih mreža provedeno je pomoću dvije studije slučaja. U prvoj studiji slučaja korištene su konstrukcijske aktivnosti iz taksonomije kako bi se definirao mali skup aktivnosti koji je procesiran pomoću predloženog rješenja. Izabrani su različiti tipovi aktivnosti, te su za svaku aktivnost izabrane različite vrste parametara koje je potrebno procesirati. Za svaku aktivnost definirano je procijenjeno vrijeme trajanja te su aktivnosti simulirane kako bi se dobilo ukupno vrijeme trajanja aktivnosti i to za dva načina rada. Prvi način je ustaljeni način na koji inženjeri izvršavaju aktivnosti, a drugi način koristeći model za processiranje aktivnosti koji je predložen u ovom radu. U drugoj studiji slučaja analiziran je kompleksan projekt razvijen od strane studenata. Ključni parametri izdvojeni su u matricu koja je pružila uvid u različite relacije između parametara te između parametara i konstruktora. Fokus je bio postavljen na relacije spregnutih parametara te se je krenulo u smjeru prepoznavanja potencijalnih situacija u kojima konstruktori moraju komunicirati kako bi mogli odrediti vrijednosti spregnutih parametara. U sklopu ove studije slučaja predstavljena je i modifikacija više-domenskih matrica koje se odnosi na prepoznavanje potencijalnih situacija komuniciranja među konstruktorima. Prepoznate situacije procesirane su pomoću modela Obojenih Petrijevih mreža. Na temelju vrednovanja istraživanja naglašeno je nekoliko osnovnih aspekata znanstvenog doprinosa. Prvi aspekt obuhvaća definiranje taksonomije konstrukcijskih aktivnosti. Nakon analize prikupljenog skupa podataka, 26 konstrukcijskih aktivnosti je klasificirano na tri razine hijerarhije. Glavni razlog definiranja taksonomije leži u potrebi se definiranjem aktivnosti na najmanjoj razini granularnosti, na razini gdje se procesiraju konstrukcijski parametri. Tek na takvoj razini granularnosti je moguće napraviti automatizirano izvršavanje aktivnosti koje je i napravljeno pomoću modela Obojenih Petrijevih mreža. Drugi aspekt doprinosa očituje se u prijedlogu modela i procesa za polu-automatsko izvršavanje konstrukcijskih aktivnosti. Novina u tom pristupu je način procesiranja aktivnosti gdje se izvršavanje provodi u ciklusima te u svakom ciklusu model aktivnosti se pokreće, učitava prethodno pohranjeno stanje, procesuira se do točke u kojoj više nema dostupnih podataka, gdje se stanje ponovo pohranjuje kako bi se procesiranje moglo nastaviti u sljedećem ciklusu. Treći aspekt doprinosa se nadovezuje na prethodno spomenuti a to su modeli Obojenih Petrijevih mreža koji poboljšavaju mogućnosti računalom podržanog timskog rada i timske komunikacije naročito vezane za rješavanje pitanja spregnutih parametara. Modeli su definirani unaprijed te se oni koriste kao predlošci koji se tijekom procesiranja popunjavaju s podacima specifičnim za svaku konkretnu konstrukcijsku aktivnost. Kao zadnji glavni aspekt doprinosa navodi se modifikacija metode matričnog prikaza relacija između parametara, arhitekture proizvoda i konstruktora. Modifikacija na originalan način unapređuje planiranje projekta predviđanjem kritičnih komunikacijskih situacija