Early management of uncertainty and variability during the design process

Lara Rapp, Óscar (2017). Early management of uncertainty and variability during the design process. Tesis (Doctoral), E.T.S.I. Aeronáuticos (UPM) [antigua denominación]. https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.47139.

Descripción

Título: Early management of uncertainty and variability during the design process
Autor/es:
  • Lara Rapp, Óscar
Director/es:
  • Moreno Benavides, Efrén
Tipo de Documento: Tesis (Doctoral)
Fecha: 2017
Materias:
Escuela: E.T.S.I. Aeronáuticos (UPM) [antigua denominación]
Departamento: Mecánica de Fluidos y Propulsión Aeroespacial
Licencias Creative Commons: Reconocimiento - Sin obra derivada - No comercial

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Resumen

El principal objetivo de la tesis es estudiar desde diferentes perspectivas cómo la incertidumbre y la variabilidad pueden ser gestionadas en las etapas tempranas de los procesos de diseño en ingeniería. Primero, proporcionando a los diseñadores una herramienta para tratar esta incertidumbre y variabilidad durante las etapas preliminares del proceso de diseño y segundo, evaluando cómo las herramientas de toma de decisiones preliminares, tales como la presentada, pueden afectar al proceso de diseño y a la incertidumbre y variabilidad asociadas a éste. La tesis está dividida en cuatro partes. El objetivo de la primera parte es proponer una serie de condiciones suficientes y necesarias para la robustez en escenarios de diseño donde la incertidumbre y la variabilidad están presentes junto a interval requirements. Para ese fin, se presenta un conjunto de definiciones y un postulado acerca de la incertidumbre y la variabilidad impredecible, probando que el minimizar el número y la fuerza de las dependencias es una condición suficiente y necesaria para la robustez. Este resultado caracterizará el Ideal Output como la meta utópica del proceso de diseño. Así mismo se propone una definición de valor y, basado en ésta, el estudio muestra como la minimización del número y la fuerza de las dependencias aumenta el valor. Este resultado nos permite proporcionar nuevas definiciones de needs y constraints. En la última parte se demuestra cómo los axiomas de independencia y de información del Diseño Axiomático pueden obtenerse como teoremas dentro del marco de este estudio. Finalmente, se prueba cómo el Diseño Axiomático es una condición necesaria pero no suficiente para la robustez. La segunda parte de la tesis presenta una metodología basada en los resultados de la parte anterior. El objetivo de esta metodología es proponer un número de pasos que puedan ayudar al diseñador a reducir de una forma sistemática el número y la fuerza de las dependencias. Esta metodología propone los Black Box Items como el ladrillo básico que se ha de emplear para construir las diferentes soluciones. Estos entes son elementos en los cuales incide un estímulo y de los cuales surgen reacciones, y cuya constitución y estructura es totalmente irrelevante. La utilidad de la metodología se ilustra con un caso práctico que representa el diseño de un calentador eléctrico. La tercera parte de la tesis introduce un conjunto de definiciones y propiedades con el objetivo de caracterizar el Ideal Design Process y los recursos asociados a éste. Esta caracterización se aplica al estudio del impacto de las herramientas de toma de decisiones preliminares en el consumo de recursos y en la incertidumbre y variabilidad asociadas a éstos, obteniendo finalmente las condiciones que una herramienta de toma de decisiones preliminar ha de presentar para mejorar el proceso de diseño. Se asume que el proceso de diseño mejora cuando el mejor ouptut se obtiene con un menor consumo de recursos (tiempo y dinero) y con una incertidumbre y variabilidad más baja, ambos conceptos asociados a la complejidad adquirida y al riesgo. El Diseño Axiomático se estudia bajo este marco, mostrando evidencias que indican que estas propiedades se satisfacen. Así mismo también se encuentran escenarios de diseño donde las herramientas de toma de decisiones preliminares pueden empeorar el proceso de diseño. Finalmente se evalúa cómo la metodología de diseño presentada en la segunda parte de la tesis puede afectar al valor total del diseño, entendido como la unión del valor del output y el valor del proceso. El valor de esta metodología se comparara con el obtenido por medio del Diseño Axiomático. La cuarta parte de la tesis estudia el valor que pueden proporcionan los anteriores resultados en una organización dispuesta a implementarlos. En este proceso se identifican los puntos clave de mejora así como diversas áreas de interés en las industrias actuales para, a continuación, mostrar cómo los resultados de este trabajo pueden ayudar en su evaluación y mejora. ABSTRACT This thesis studies from different perspectives how uncertainty and variability can be managed in the early stages of engineering design processes. Firstly, providing designers with a tool for dealing with this uncertainty and variability in the preliminary stages of the design process and secondly, evaluating how preliminary decision-making tools such as the one presented can impact on the design process and its associated uncertainty and variability. The thesis is divided into four sections. The aim of the first section is to propose necessary and sufficient conditions for robustness under uncertainty and variability in design scenarios where interval requirements are present. To this end, a set of definitions and a postulate about unpredictable variability and uncertainty are presented, proving that minimizing the number and strength of dependences is a sufficient and necessary condition for robustness. This will characterize the Ideal Output as the utopic target of the design process. A definition of value is introduced and, based on it, the study shows how minimizing the number and strength of dependences increases value. This result lets us present new definitions of needs and constraints. Finally it is proved how Axiomatic Design’s Independence and Information Axioms can be derived as theorems in the frame of this work. In addition, it is shown how Axiomatic Design is a necessary but not sufficient condition for robustness. The second section presents a methodology based on the results of the previous section. The objective of this methodology is to propose a number of steps which help the designer to reduce in a systematic way the number and strength of dependences. This methodology proposes Black Box Items as the basic brick for building solutions, which are items into which a given stimuli impinge and out of which reactions emerge whereas their constitution and structure are altogether irrelevant. The usefulness of the methodology is illustrated with a practical case representing the design process of an electrical heater. The third section of the thesis introduces a set of definitions and properties to characterize the Ideal Design Process and the resources associated to it when variability and uncertainty are present. Both characterizations let determine the impact of preliminary decision-making tools, such as the one presented in the first section, on the consumption of resources and its uncertainty. The section ends deriving the conditions that a preliminary decision-making tool needs to satisfy to improve the design process. It is assumed the design process ameliorates when the best output is obtained with a lower consumption of resources (time and money) and with a lower uncertainty and variability, both concepts related to acquired complexity and risk. Axiomatic Design is studied under this framework, showing evidences that indicate the satisfaction of this set of properties. Design scenarios where the preliminary decision-making tool deteriorates the design process are also found. The last part of this section assesses how the design methodology presented in the second section of the thesis can affect the overall value of the design, understood as the conjunction of the output value plus the process value. The value obtained by this methodology is compared to the one of Axiomatic Design. The fourth section of the thesis assesses how the results obtained in the previous sections can impact on an organization implementing them and on a real business environment. In this process, key points of improvement and areas of interest in the current business practices are identified for subsequently showing how the results of this work can cope with them.

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ID de Registro: 47139
Identificador DC: http://oa.upm.es/47139/
Identificador OAI: oai:oa.upm.es:47139
Identificador DOI: 10.20868/UPM.thesis.47139
Depositado por: Archivo Digital UPM 2
Depositado el: 10 Jul 2017 10:14
Ultima Modificación: 03 Ene 2018 23:30
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