FunKey Architecting: an integrated approach to system architecting using functions, key drivers and system budgets
Gerrit Maarten Bonnema · 2008
Present state of the art products consist of integrated electronic, mechanical and software modules.Integration is present both within and between modules; even more so for complex systems like wafer steppers, aircraft, and medical imaging systems.Designing such systems requires close cooperation of electrical, mechanical and software engineers.However, these engineers speak different languages, and are presently ever more spread around the world.These specialist engineers often have a view of their own task only.The computer tools they use stimulate the build-up of the design in a bottom-up approach (from detail to assembly to system).Therefore the context information the specialists have is too limited or even lacking.The system designer, on the other hand, lacks the detail information needed to supervise the system integrity during the entire process.In this thesis a method is developed that helps the designer to acquire context information, and the system designer to track the detail information.The goal is threefold: achieve insight, create and maintain overview, and stimulate innovation. SamenvattingProducten die vandaag de dag op de markt komen bevatten elektronica, mechanica en software die nauw moeten samenwerken.Integratie is nodig tussen modules, maar ook binnen modules.Deze integratie is nog veel nauwer bij complexe systemen als verkeersvliegtuigen, wafer steppers en medische diagnosesystemen.Het ontwerpen van dergelijke systemen vergt een intensieve samenwerking tussen de elektrotechnische en werktuigbouwkundige ingenieurs en de software-ontwikkelaars.Door hun opleiding en ervaring gebruiken deze mensen verschillend jargon.Bovendien zijn organisaties tegenwoordig verspreid over de wereld.Hierdoor hebben de specialisten vaak slechts een beeld van hun eigen taak.Samen met de manier waarop computergereedschappen werken (van detail naar samenstelling naar geheel) levert dit te weinig informatie over de context van de taak.De systeemontwerper aan de andere kant, mist juist vaak detailinformatie die hij nodig heeft om de integriteit van het systeem te waarborgen.In dit proefschrift wordt een methode ontwikkeld die de detailontwerper van contextinformatie voorziet en die de systeemontwerper helpt bij het verkrijgen van overzicht en het toezicht houden op de detailontwerpen.Het doel is driedelig: inzicht verkrijgen, overzicht verkrijgen en behouden en innovatie stimuleren.Het eerste deel van de dissertatie onderzoekt het ontwerpen van complexe systemen.Verschillende zienswijzen op het ontwerpen in het algemeen, en het conceptontwerpen in het bijzonder worden behandeld.Er is overeenstemming tussen de verschillende auteurs dat het proces is onder te verdelen in specificaties opstellen, conceptueel ontwerpen, embodiment ontwerpen en detail ontwerpen.De systeemarchitectuur, de ruggengraat van het ontwerp, wordt ontwikkeld in de conceptuele fase.Uit interviews met ontwerpers werkzaam in de conceptuele fase is een lijst met gebruikte productmodellen opgesteld.In de vroege fase van het ontwerpen worden systeembudgetten, analyses van fysisch gedrag met de bijbehorende wiskundige modellen, blokdiagrammen en schetsen gebruikt.In de computerprogramma's die voor de conceptuele fase ontwikkeld zijn, komen deze modellen niet of nauwelijks voor.Vervolgens is op basis van de geïnventariseerde modellen en de kennis van het ontwerpproces een referentiemodel voor concept-en systeemontwerpen gemaakt.Dit model bestaat uit een kubus langs de assen simplex ↔ samengesteld, abstract ↔ concreet, en mentaal ↔ reëel.Ook wordt het onderscheid tussen formeel en informeel gemaakt.Dit relateert aan hoe de kubus doorkruist wordt en is dus geen extra as.In het tweede deel van de dissertatie wordt de FunKey architecting methode ontwikkeld.Deze methode koppelt Functies aan Key drivers met behulp van een koppelmatrix C. Dit levert inzicht in het probleem, een directe verbinding met TRIZ (de Theorie van het Inventief Probleemoplossen) en een manier om de voortgang van het ontwerpproject op verschillende lagen van de hiërarchie te monitoren.De procedure die bij FunKey hoort is als volgt.De functies die het systeem moet volbrengen worden in kaart gebracht (in de rijen van de koppelmatrix C), evenals de key drivers (in de kolommen).De cellen van de matrix wor-X den van een kruisje (×) voorzien als er een bijdrage van de functie aan de key driver is.Als meer informatie over het systeem wordt verkregen, kunnen de kruisjes vervolgens vervangen worden door getallen.Daarvoor kunnen gewone getallen gebruikt worden maar ook, als de informatie minder exact is, symmetrische driehoekige fuzzy getallen (STFNs).Deze STFNs gebruiken een driehoekige lidmaatschapsfunctie rond een centrale waarde.Ze kunnen worden opgeteld, afgetrokken, vermenigvuldigd en ook RMS worden opgeteld.Met de koppelmatrix kunnen verschillende systeemarchitecturen gemaakt worden, waarvoor met de ingevulde koppelmatrix ook systeembudgetten voor alle key drivers kunnen worden afgeleid.Ook kan op basis van de ingevulde koppelmatrix een verbinding met de contradictiematrix van TRIZ gemaakt worden.Tevens kan TRIZ direct worden toegepast met de positieve en negatieve prioriteitsmatrices.De op deze wijze gevonden TRIZ principes kunnen op het systeem, het subsysteem en/of de functie worden toegepast.Het derde en laatste deel beschrijft de toepassing en evaluatie van FunKey architecting.Ten eerste is FunKey toegepast op de ontwikkeling van een nauwkeurig positioneersysteem voor een wafer stepper.Al meewerkend is FunKey gebruikt om het probleem te onderzoeken, nieuwe concepten te vinden en om systeembudgetten op te zetten voor overlay en throughput.Ten tweede is gepoogd om nieuwe concepten voor afvalpersen te ontwikkelen.Samen met TRIZ leverde FunKey verschillende interessante concepten op en is een architectuur ontwikkeld.Tenslotte hebben studenten Industrieel Ontwerpen FunKey kunnen toepassen in een ontwerpproject over een computergestuurd tafelvoetbalspel.Vijf teams hebben FunKey leren kennen en al dan niet kunnen toepassen op het project.De resultaten van de drie toepassingen laten zien dat het doel behaald is.In het geval van de wafer stepper en de afvalpers heeft het gebruik van FunKey snel geleid tot inzicht en overzicht.Uit de gevonden concepten is duidelijk dat de innovatie ook gestimuleerd is.In het geval van de studenten verkregen de teams die FunKey gebruikten om inzicht te krijgen en overzicht te houden betere resultaten dan de teams die FunKey niet gebruikten.Het laatste hoofdstuk bevat de conclusies en aanbevelingen.De belangrijkste conclusie is dat het doel van inzicht verkrijgen, overzicht verkrijgen en behouden en innovatie stimuleren gehaald is.Bovendien kan FunKey gebruikt worden om de voortgang van het systeemontwerpen in de gaten te houden.Omdat FunKey gebruikt kan worden voor het maken van decomposities op elk hiërarchisch niveau, kan het ook gebruikt worden om de gevolgen van beslissingen op één niveau op andere niveaus te onderzoeken.De eerder genoemde STFNs zijn hierin behulpzaam.Het ontwerpproces kan op een hogere frequentie bemonsterd worden dan mogelijk is met het reviewen van documenten.Op deze wijze wordt verwacht dat risico's verkleind kunnen worden. XIIThe Master student that contributed most directly to this research, Willem Alink, deserves to be mentioned here.The stimulating discussions and feedback both ways were great.I still think it a pity that I never had the chance to hear you sing. . .Also the students from the DMS project in 2007 are thanked for their work.Maaike Nijkamp has lent her talent in creating the cover image of the thesis.It was a very vague question I asked: Can you make a "nice" drawing from two very schematic line drawings.You have taken it seriously and this has resulted in the artist impression of the FunKey method on the cover.I thank you for helping me in designing the cover, too.Some parts of the thesis have been checked for the English by John Cornelius.John, you are very busy, therefore your time is much appreciated.If it wasn't for my parents, this thesis would not have existed.You have raised me and taught me the most important things in life.And you also supported me in going to Australia for my practical training; to Delft for broadening my knowledge; to Eindhoven for my first job; to Switzerland for marrying Lilian; and finally back to Twente to step in my father's footsteps.It is therefore tragic that my father passed away so short before I could finish the promotion.I hope to honour my wise and loving father by dedicating this thesis to him; and with him I honour my mother