Model procesa obrade informacija i interakcija u timskom razvoju tehničkih sustava

Abstract

Teamwork is often regarded as a critical operation element of product development organisations, whereas an efficient team-based approach to engineering design activities is a prerequisite for the success of technical systems development projects. Design team members thus need assistance in the form of methods and tools that will facilitate collaboration during team design activities, inasmuch as researchers and project managers require support in developing and prescribing the most appropriate and efficient methods and tools for the particular design tasks. The research reported in the thesis aims at improving the understanding of designing in teams, primarily in the stage of conceptual design and from the perspective of information processing. A more specific research aim has been formed as follows: to review, develop and test models of team design activity in the development of technical systems, which will build on information processing and interactions appearing in team design activities in the conceptual design stage of the development. The main purpose of these models is to enhance decision-making and planning of technical systems development, by enabling both capturing and generating data sets that reflect process patterns distinctive for specific team compositions and working processes. A state-transition-based theoretical and mathematical models have been developed and used to experimentally investigate the patterns of design operations performed during two types of team conceptual design activities – ideation and concept review – as well as two types of engineering design projects – adaptive and innovative. The presented work builds on the perception of design problems as ill-defined and implies that conceptual design activities involve the simultaneous development of problems and solutions through the usage of three distinctive design operations: analysis, synthesis, and evaluation. The three design operations have been defined as fine-grain design information-processing acts performed by design teams when exploring the content of both the problem space and the solution space. Moreover, design operations have been conceptualised as transitions between states of the explored design space, thus providing a basis for the state-transition model. The developed models and the accompanying computational tool fulfilled the purpose of supporting research activity. The results of the protocol analysis and computational simulation studies indicate that the model can be used to identify, analyse and simulate sequences of design operations which are distinctive for specific working processes, such as divergent and convergent team conceptual design activities, as well as for a systematic approach to conceptual design. The experimental findings which could have been compared to the insight from the available literature have been found aligned with the current understanding of designing in teams. Based on the listed findings, it can be argued that the developed state-transition model provides more flexibility when it comes to capturing and comparing the patterns of analysis, synthesis and evaluation design operations in the problem and the solution space and offers the potential of improving design process understanding through either protocol analysis or computational studies of team conceptual design activity.Timski rad ključan je element djelovanja gotovo svake organizacije, a učinkovit timski pristup razvojnim aktivnostima jedan je od preduvjeta za uspjeh inovativnih razvojnih projekata. Inovacije nisu specifično vezane samo za izvanredne pojedince već su i doprinos svih ljudi u organizaciji i njihovih zajedničkih aktivnosti. To su potvrdila i istraživanja posvećena formalnim procesima razvoja i nastanka inovacija te njihovom doprinosu uspješnom razvoju novih proizvoda, gdje su proučavanjem najboljih primjera iz prakse definirane smjernice koje je potrebno uključiti u razvojne procese organizacije kako bi se potaknula inovativnost. Uz to, u literaturi je primjetan značajan porast interesa za proučavanje ponašanja inženjera u postojećim procesima i timskim aktivnostima kao što su generiranje ideja, donošenje odluka, rješavanje problema ili pregled konstrukcije. Istraživanja također pokazuju da još uvijek postoji potreba da se članovima razvojnih timova osigura bolja metodološka podrška i podrška u alatima za koncipiranje i konstruiranje tijekom timskih aktivnosti razvoja tehničkih sustava, a voditeljima projekata alati i metode uz pomoć kojih će se lakše nositi s izazovima koji proizlaze iz kompleksnosti upravljanja timskim radom. Kako bi se to omogućilo, potrebno je razviti formalne modele obrade informacija i interakcija za uobičajene timske aktivnosti u kontekstu razvoja tehničkih sustava. Implementacijom takvih modela u simulacijama timskog rada moguće je generirati skupove podataka potrebne za analizu utjecaja promjena u kompoziciji timova i načinu izvođenja radnih procesa, kao i donošenja odluka pri realizaciji razvojnih projekata. Cilj je istraživanja osmisliti, formulirati i testirati teoretske i matematičke modele aktivnosti timskog rada u razvoju tehničkih sustava. Istraživanjem se modeliraju procesi obrade informacija i interakcije tijekom timskih aktivnosti. Svrha modela i njihove primjene u eksperimentalnim studijama jest prikupljanje i generiranje skupova podataka relevantnih za analizu obrazaca obrade informacija za različite kompozicije timova i različite radne procese, a koji se mogu koristiti za donošenje odluka pri planiranju i upravljanju razvojnim projektima. Predloženim istraživanjem verificira se hipoteza da modeliranje i simulacija obrade informacija i interakcija pojedinaca koji sudjeluju u izvođenju timskih aktivnosti omogućuje razumijevanje značajki inovativnih i adaptivnih projekata razvoja tehničkih sustava te time unaprjeđuje planiranje i upravljanje razvojnim 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 (deskriptivno istraživanje I), razvoj teoretskog i matematičkog modela (preskriptivno istraživanje) te provedba eksperimentalnih studija i validacije modela (deskriptivno istraživanje II). Preliminarno istraživanje uključuje pregled postojeće znanstvene i stručne literature unutar područja istraživanja s ciljem inicijalnog opisa postojeće situacije, željenih rezultata te definiranja osnovnih pretpostavki. Definirani su ciljevi, hipoteza i doprinosi istraživanja. Pregledom literature dan je uvid u vrste postojećih modela razvojnih procesa, s posebnim naglaskom na aspekte dekompozicije, obrade informacija i vrste razvojnih projekata. Pregled je uključio modele različitih razina granuliranosti, od modela koji opisuju faze razvoja novih proizvoda do modela timskih aktivnosti koji opisuju korake obrade informacija i interakciju članova tima. Ishod toga koraka jest formulacija istraživačkih pitanja, čime je usmjeren daljnji tijek istraživanja. Razvijena su dva modela. Teoretski model kao dio teoretskog okvira razvijen je na temelju saznanja iz pregleda literature. Drugi, matematički model kreiran je na temelju statističke analize podataka prikupljenih prvom eksperimentalnom studijom. Uz modele su razvijene pripadajuće vizualizacije procesa obrade informacija te računalni alat za simulaciju procesa koncipiranja proizvoda. Eksperimentalne studije provedene su primjenom razvijenih modela u svrhu analize i generiranja podataka relevantnih za procesuiranje informacija u timskim aktivnostima razvoja tehničkih sustava. Rasprava o rezultatima eksperimentalnih studija ujedno je i evaluacija razvijenih modela, posebice u odnosu na formulirana istraživačka pitanja te prema kriterijima postavljenih ciljeva i hipoteze istraživanja. Teoretske osnove Preliminarnim pregledom literature istraživanje je fokusirano fazu koncipiranja proizvoda, gdje se tijekom razvoja tehničkih sustava javlja velika potreba za timskim radom. Za dekompoziciju i modeliranje procesa obrade informacija odabrana je paradigma operacija konstruiranja. Operacije konstruiranja osnovni su mehanizmi obrade informacija kojima se članovi tima koriste kako bi manipulirali sadržaj dviju dimenzija prostora konstruiranja – prostora problema i prostora rješenja. Formulirane su definicije triju temeljnih operacija, odnosno skupina operacija obrade informacija u kontekstu timskog koncipiranja proizvoda: analize, sinteze i evaluacije. Timovi analiziraju kako bi unaprijedili razumijevanje pojedinih konstrukcijskih entiteta u istraženom prostoru konstruiranja. Analizom prostora problema raste razumijevanje potreba, zahtjeva i ograničenja dok se analizom prostora rješenja povećava razumijevanje ideja, koncepata i koncepcijskih alternativa. Nadalje, timovi sintetiziraju kako bi stvorili nove entitete u prostoru konstruiranja. Sintezom rješenja nastaju novi entiteti, ideje i rješenja za zadane probleme dok sintezom problema nastaju entiteti koji opisuju nove potrebe, zahtjeve i ograničenja. Naposljetku, evaluacijom se ocjenjuje korisnost pojedinih entiteta u istraženom prostoru konstruiranja. Za razliku od analize i sinteze, evaluacija uključuje i entitet kriterija u odnosu na koji se provodi ocjenjivanje. Tri temeljne operacije u prostoru konstruiranja objedinjene su u teoretski model prijelaza stanja, kao tranzicije između stanja razvijanog tehničkog sustava, odnosno stanja procesa konstruiranja. Tako koncipiran model omogućuje preslikavanje i analizu udjela operacija konstruiranja, njihovih sekvenci i vjerojatnosti prijelaza iz jedne operacije u drugu tijekom timskih razvojnih aktivnosti. Uz model prijelaza stanja razvijene su i pripadajuće vizualizacije udjela operacija konstruiranja te su definirane varijable i mjere za analizu procesa pomoću eksperimentalnih studija. Eksperimentalna studija analize protokola Testiranje teoretskog modela i pripadajućih vizualizacija provedeno je eksperimentalnim studijama. Prva studija provedena je korištenjem analize protokola, a s ciljem identifikacije obrazaca analize, sinteze i evaluacije u prostoru problema i rješenja za dvije različite vrste timskih aktivnosti u konceptualnoj fazi razvoja tehničkih sustava – generiranja ideja i pregleda koncepata. Analiza protokola provedena je za četiri razvojna tima sastavljenih od studenata viših godina strojarstva. Svaki je tim sudjelovao u jednoj aktivnosti generiranja ideja i jednoj aktivnosti pregleda razvijenih koncepata. Proces obrade informacija analiziran je metrikama i vizualizacijama predloženim u okviru teoretskih osnova modela prijelaza stanja. Primjena teoretskog modela omogućila je identifikaciju obrazaca obrade informacija i interakcija karakterističnih za dvije analizirane aktivnosti, poput divergentnih ciklusa sinteze problema i rješenja tijekom aktivnosti generiranja ideja ili konvergentnih ciklusa analize i evaluacije rješenja za vrijeme aktivnosti pregleda koncepata. Nadalje, primjena modela omogućila je identifikaciju obrazaca koji su bili učestali u obje aktivnosti, poput obrazaca sekvenci operacija analize, sinteze i evaluacije rješenja te primjene sinteze kao sredstva za prebacivanje iz prostora problema u prostor rješenja i obratno. Potvrđeno je da se odmicanjem faze koncipiranja smanjuje udio operacija konstruiranja u prostoru problema. Rezultati prve eksperimentalne studije također otkrivaju da timovi na sličan način pristupaju istraživanju prostora problema i rješenja, koristeći se sličnim sekvencama analize, sinteze i evaluacije. Posebno je zanimljivo da ni aktivnost generiranja ideja ni aktivnost pregleda koncepata ne održavaju mikroobrasce sekvenci operacija konstruiranja kao što su analiza – sinteza – evaluacija ili sinteza – analiza – evaluacija, na kojima se temelje neki od modela aktivnosti konstruiranja razmatranih pregledom literature. Matematički model i eksperimentalne studije Rezultati i saznanja o obrascima obrade informacija iz prve eksperimentalne studije iskorišteni su za razvoj matematičkog modela. Identificirane su i statistički modelirane veze između udjela i sekvenci operacija konstruiranja. Te su veze, vodeći računa o teoretskim osnovama prijelaza stanja, objedinjene i formalizirane unutar matematičkog modela. Validacija matematičkog modela provedena je repliciranjem rezultata prve eksperimentalne studije (analize protokola). Matematički je model zatim računalno implementiran simulatorom aktivnosti obrade informacija i interakcija u konceptualnoj fazi razvoja tehničkih sustava te su razvijeni novi eksperimenti s ciljem istraživanja obrazaca obrade informacija u inovativnim i adaptivnim razvojnim projektima. Postavke simulacija inovativnih i adaptivnih projekata definirane su na temelju saznanja proizašlih iz pregleda literature. Niz simulacija adaptivnih i inovativnih projekata omogućio je prikupljanje veće količine podataka o udjelima, redoslijedu i vjerojatnostima primjene operacija konstruiranja u različitim stadijima koncipiranja tehničkih sustava. Identificirani su prijelazi stanja karakteristični za dvije vrste projekata, poput konvergentnih ciklusa analize i evaluacije te divergentnih ciklusa sinteze i evaluacije unutar i između prostora problema i rješenja. Nadalje, takvi se prijelazi stanja mogu direktno povezati s koevolucijom prostora problema i rješenja, odnosno epizodama u procesu gdje istraživanje jedne dimenzije prostora konstruiranja izaziva stvaranje novih entiteta u drugoj dimenziji. Više potencijalnih epizoda koevolucije identificirano je za inovativne projekte. S druge strane, u simulacijama procesa adaptivnih projekata uočena je viša razina sistematičnosti, ponajviše u obliku dobro uočljivih konvergentnih i divergentnih stadija konceptualne faze. Formulirana je tvrdnja da su sistematičnost i epizode koevolucije usko povezani s dekompozicijom zadanog konstrukcijskog problema u potprobleme, ali i s neizvjesnošću u planiranju sljedećih koraka procesa razvoja. Adaptivne projekte karakteriziraju niža razina neizvjesnosti i eksplicitna dekompozicija problema na početku konceptualne faze, a inovativne projekte visoka razina neizvjesnosti i implicitna dekompozicija problema. Vrednovanje istraživanja Vrednovanje teoretskog i matematičkog modela, kao i podataka prikupljenih analizom protokola i računalnim simulacijama provedeno je raspravom kojom se adresiraju hipoteza, ciljevi i istraživačka pitanja. Rasprava se također oslanja na saznanja iz dostupne literature. Razvijeni teoretski i računalni modeli te popratne vizualizacije ispunili su svrhu podrške istraživanju timskih aktivnosti u razvoju tehničkih sustava. Rezultati eksperimentalnih studija ukazuju da se modeli mogu koristiti za identifikaciju, analizu i simulaciju obrazaca operacija konstruiranja, poput sekvenci analize, sinteze i evaluacije u prostorima problema i rješenja, a koji su karakteristični za različite razvojne procese, poput divergentnih i konvergentnih timskih aktivnosti te sistematičnog pristupa konceptualnoj fazi razvoja tehničkih sustava. Rezultati analize protokola i računalnih simulacija u skladu su s trenutnim saznanjima u području znanosti o konstruiranju. Štoviše, u usporedbi s postojećim modelima, razvijeni teoretski i matematički modeli, koji se koriste paradigmom prijelaza stanja, nude veću fleksibilnost proučavanja i opisivanja obrazaca operacija konstruiranja i time unaprjeđuju razumijevanje timskog konstruiranja. Razvijene vizualizacije prijelaza stanja na tri načina dodatno proširuju razumijevanje identificiranih obrazaca. Prvo, kao svojevrsni sažetak svih prijelaza između operacija konstruiranja unutar i između prostora problema i prostora rješenja, koji odražava frekventnost prijelaza iz jedne operacije konstruiranja u drugu. Drugo, vizualizacije se mogu koristiti kao predlošci za zapisivanje i prikaz učestalih obrazaca sekvenci operacija konstruiranja, ali i obrazaca koji su specifični za pojedine timske aktivnosti u konceptualnoj fazi razvoja tehničkih sustava. Treće, vizualizacije promjene udjela pojedinih operacija konstruiranja tijekom timskih aktivnosti omogućuju intuitivnu analizu, usporedbu i karakterizaciju procesa konstruiranja za različite timove te mogu pomoći u analizi pojava poput iteracije, neizvjesnosti, istraživanja prostora konstruiranja i sistematičnog pristupa konstruiranju. Na temelju vrednovanja istraživanja naglašena su tri osnovna aspekta znanstvenog doprinosa. Prvi aspekt obuhvaća razvoj teoretskog modela procesa obrade informacija te interakcija između pojedinaca u timskim aktivnostima razvoja tehničkih sustava te niz novih saznanja o timskim aktivnostima dobivenih primjenom teoretskog modela i paradigme prijelaza stanja za analizu protokola aktivnosti generiranja ideja i pregleda koncepata. Drugi aspekt uključuje pripadajuće originalne načine vizualizacije udjela i uzoraka tranzicija među analizom, sintezom i evaluacijom u prostoru problema i rješenja za timske aktivnosti u razvoju proizvoda. Treći aspekt znanstvenog doprinosa obuhvaća razvoj matematičkog modela i računalnog alata za simulaciju timskih aktivnosti temeljem predloženog teoretskog modela, u svrhu boljeg razumijevanja, planiranja i upravljanja razvojnim projektima, kao i stvaranja novih saznanja o timskom radu u konceptualnoj fazi adaptivnih i inovativnih projekata razvoja tehničkih sustava