Objective of the present study is the development of design methods for the control of products’ architecture in order to obtain modular designs. Towards this target, an integrated approach is proposed, investigating the design architecture from two aspects: the -functions to parts- mapping as well as the point of view related to parts’ interactions. For the first aspect, an approach utilizing Axiomatic Design Theory is described in order to control the design architecture with regards to the -functions to parts- mapping. As far as the second aspect is concerned, two indexes are developed quantifying the design architecture in terms of the parts’ interactions perspective. Furthermore, an algorithm for clustering of product’s parts into clusters/modules is introduced. The algorithm utilizes Artificial Neural Networks (ANNs) and Design Structure Matrices (DSMs). The aforementioned developments were incorporated into a CAD based software tool, having as objective the support of modular design. Its main functions are: (a) DSM generation from product CAD model, (b) calculation of the aforementioned indexes, (c) facilitation of clustering and (d) representation of clustered DSM in CAD form. Application of the tool to real case studies from the automotive industry, provide an evaluation of the developed methods. The main outcome of the present work is the integrated approach that was proposed and realized through the software tool, which integrates methods for the handling of a product’s design architecture. This process assists in real time (during the design process) design engineers to the generation of modular designs. The evaluation of the case studies reveals the efficiency of the proposed approach to produce such designs and validates its applicability to industry. / Το αντικείμενο της παρούσας διατριβής είναι η ανάπτυξη μεθόδων για τον έλεγχο της σχεδιαστικής αρχιτεκτονικής των προϊόντων. Για το σκοπό αυτό προτείνεται μια ολοκληρωμένη προσέγγιση η οποία διερευνά τη σχεδιαστική αρχιτεκτονική και από τις δύο της διαστάσεις: την αντιστοίχιση των λειτουργιών του προϊόντος στα μέρη από τα οποία αποτελείται καθώς και την αλληλεπίδραση που έχουν τα μέρη αυτά μεταξύ τους. Για τη πρώτη διάσταση, προτείνεται ένας τρόπος χρησιμοποίησης της Θεωρίας του Αξιωματικού Σχεδιασμού (Axiomatic Design Theory) ώστε να γίνεται έλεγχος της σχεδιαστικής αρχιτεκτονικής ως προς την αντιστοίχιση των λειτουργιών στα μέρη του προϊόντος. Όσον αφορά τη δεύτερη διάσταση, αναπτύσσονται δύο δείκτες οι οποίοι ποσοτικοποιούν την σχεδιαστική αρχιτεκτονική που αφορά τη δομή των αλληλεπιδράσεων των τμημάτων του προϊόντος. Επίσης, εισάγεται ένας αλγόριθμος για την ομαδοποίηση (clustering) των μερών ενός προϊόντος. Ο αλγόριθμος αυτός χρησιμοποιεί Τεχνητά Νευρωνικά Δίκτυα και πίνακες DSM (Design Structure Matrix). Οι παραπάνω μέθοδοι ενσωματώθηκαν σε ένα λογισμικό εργαλείο που αναπτύχθηκε. Το εργαλείο αυτό συνεργάζεται με προγράμματα CAD και έχει ως στόχο την στήριξη του ομαδοποιημένου σχεδιασμού. Οι βασικές του λειτουργίες είναι η δημιουργία του πίνακα DSM ενός προϊόντος χρησιμοποιώντας το αντίστοιχο σχέδιο CAD, ο υπολογισμός των προαναφερθέντων δεικτών, η διευκόλυνση της διαδικασίας ομαδοποίησης καθώς και η αναπαράσταση σε CAD ενός ομαδοποιημένου πίνακα DSM. Μέσω της εφαρμογής του εργαλείου αυτού σε πραγματικές περιπτώσεις της αυτοκινητοβιομηχανίας, πραγματοποιήθηκε αξιολόγηση των μεθόδων που αναπτύχθηκαν. Το κυριότερο αποτέλεσμα της εργασίας είναι η ολοκληρωμένη λύση που προτάθηκε και υλοποιήθηκε μέσω ενός λογισμικού εργαλείου, η οποία ενσωματώνει μεθόδους ελέγχου της σχεδιαστικής αρχιτεκτονικής προϊόντων. Η λύση αυτή βοηθάει σε πραγματικό χρόνο (κατά τη διάρκεια της σχεδιαστικής διαδικασίας) τους σχεδιαστές μηχανικούς, στη δημιουργία καινοτόμων σχεδιασμών. Η αξιολόγηση των περιπτώσεων της αυτοκινητοβιομηχανίας έδειξε την δυνατότητα της προτεινόμενης λύσης να παράγει τέτοιους σχεδιασμούς και επικύρωσε την εφαρμοσιμότητά της σε βιομηχανικό περιβάλλον.

This paper proposes and investigates a metaheuristic tabu search algorithm (TSA) that generates optimal or near optimal solutions sequences for the feedback length minimization problem (FLMP) associated to a design structure matrix (DSM). The FLMP is a non-linear combinatorial optimization problem, belonging to the NP-hard class, and therefore finding an exact optimal solution is very hard and time consuming, especially on medium and large problem instances. First, we introduce the subject and provide a review of the related literature and problem definitions. Using the tabu search method (TSM) paradigm, this paper presents a new tabu search algorithm that generates optimal or sub-optimal solutions for the feedback length minimization problem, using two different neighborhoods based on swaps of two activities and shifting an activity to a different position. Furthermore, this paper includes numerical results for analyzing the performance of the proposed TSA and for fixing the proper values of its parameters. Then we compare our results on benchmarked problems with those already published in the literature. We conclude that the proposed tabu search algorithm is very promising because it outperforms the existing methods, and because no other tabu search method for the FLMP is reported in the literature. The proposed tabu search algorithm applied to the process layer of the multidimensional design structure matrices proves to be a key optimization method for an optimal product development. / Ce mémoire présente un nouvel algorithme métaheuristique de recherche taboue pour trouver des solutions optimales ou sous-optimales au problème de minimisation de la longueur des dépendances d’une matrice de conception (FLMP). Ce problème comporte une fonction économique non-linéaire et il appartient à la classe NP-ardu. Il s’ensuit qu’il est très difficile à trouver une solution optimale exacte en temps réel pour les problèmes de taille moyenne ou grande. D’abord, on présente le problème et une revue de la littérature associée. Ensuite, on analyse le problème, et on présente les détails du nouvel algorithme de recherche taboue produisant des solutions au problème de réduction de l’effet de retour en utilisant deux voisinages différents, le premier basé sur l’échange des positions de deux activités ("swap"), et le second sur le déplacement d’une activité à une position différente ("shift"). Des résultats numériques permettent d’analyser le comportement de l’algorithme et de comparer les deux voisinages. La première étape consiste à déterminer de bonnes valeurs pour les paramètres en utilisant des problèmes générés aléatoirement. Ensuite nos résultats sont comparés avec ceux obtenus dans la littérature. On conclut que l’algorithme de recherche taboue proposé est très prometteur, car nos résultats sont meilleurs que ceux publiés dans la litérature. D’autant plus que la recherche taboue semble avoir été utilisée pour la première fois sur ce problème.

Ce mémoire constitue une synthèse de nos activités de recherche, d'animation scientifique, d'enseignement et de responsabilité pédagogique entre 1998 et 2008. <br />Depuis une dizaine d'années, les concepteurs de systèmes mécatroniques doivent satisfaire des exigences de plus en plus sévères et nombreuses. Pour cela, ils doivent créer des solutions qui tendent à se complexifier, pour porter de multiples fonctions de service ou intégrer les dernières technologies innovantes. La conception d'un système mécatronique passe par la conception architecturale qui réalise l'identification de l'architecture du système. Cette activité requiert l'implication d'un métier émergent et stratégique : l' "architecte système". En même temps que l'ingénierie technique, l'architecte système doit assurer l'ingénierie organisationnelle de la conception, c'est-à-dire, définir une organisation adéquate du système de conception. Ce double rôle est critique lors de la phase de conception préliminaire, car les décisions prises auront un impact fort sur les performances de l'ensemble du projet.<br />La finalité de nos travaux est de développer des modèles, méthodes et outils d'aide à la décision permettant de supporter les activités à la fois technique et organisationnelle d'un architecte système. L'originalité majeure de notre projet réside dans le couplage que nous recherchons entre les architectures du système-produit, du système-projet et du système de compétences de conception.<br />Nous avons structuré nos contributions selon trois thématiques et répondu aux questions suivantes :<br />T1 - Identification d'une architecture modulaire du produit : comment identifier une architecture modulaire ? Comment modéliser l'architecture d'une famille de produits et générer la diversité ?<br />T2 - Organisation du système de conception : comment constituer des équipes compétentes ? Comment piloter les systèmes de compétences ? <br />T3 - Co-conception des architectures produit-projet : Comment propager des évolutions des modules du produit vers l'organisation du système de conception ? Comment coupler l'architecture du produit et l'organisation du système de conception ?<br />Des perspectives sont proposées propres aux deux thématiques majeures de notre projet (T1 et T2), ainsi que quatre extensions possibles : <br />1) Vers une conception collaborative consciente,<br />2) Vers une performance durable du système de conception,<br />3) Vers un système agile de systèmes de conception,<br />4) Vers une conception intégrée de systèmes micro-mécatroniques.

Στην παρούσα διατριβή γίνεται μία μεθοδολογική συστηματική προσέγγιση του σχεδιασμού που βασίζεται στη χρήση τεχνικών της υπολογιστικής νοημοσύνης και στην εκμετάλλευση της προϋπάρχουσας διαθέσιμης σχεδιαστικής γνώσης. Προσδιορίζονται τα βασικά στοιχεία που οφείλει να ενσωματώνει η προτεινόμενη μεθοδολογία (αναπαράσταση και διαχείριση σχεδιαστικής γνώσης, αναζήτηση της βέλτιστης σχεδιαστικής λύσης και μάθηση και επαναχρησιμοποίηση σχεδιαστικής γνώσης), τα οποία σχηματίζουν τους πυρήνες γύρω από τους οποίους αναπτύσσονται αλγόριθμοι που βασίζονται στην χρήση τεχνικών υπολογιστικής νοημοσύνης (ασαφής λογική, τεχνητά νευρωνικά δίκτυα και γενετικοί αλγόριθμοι). Καθώς αναπτύσσεται η διατριβή, αναπτύσσεται η μαθηματική βάση για τη διατύπωση του παραμετρικού σχεδιαστικού προβλήματος και παρουσιάζεται ο συνεργατικός τρόπος βάσει του οποίου σχηματίζονται ασαφείς πίνακες δομής σχεδιασμού, βάσει των οποίων η διαθέσιμη σχεδιαστική γνώση οργανώνεται σε εύχρηστες ιεραρχικές δομές. Στη συνέχεια, εισάγεται ένα πλαίσιο ασαφούς συλλογιστικής για τη μοντελοποίηση από την πλευρά του σχεδιαστή των σχεδιαστικών στόχων/απαιτήσεων/περιορισμών υπό τη μορφή ασαφών προτιμήσεων. Προτείνεται επίσης το μέτρο της μέγιστης συνολικής ασαφούς προτίμησης ως κριτήριο βελτιστότητας των σχεδιαστικών λύσεων και προσαρμόζεται στην προτεινόμενη δομή οργάνωσης της σχεδιαστικής γνώσης. Η βέλτιστη σχεδιαστική λύση εξάγεται είτε μέσω μίας διαδικασίας βελτιστοποίησης που βασίζεται σε γενετικούς αλγόριθμους ή, εναλλακτικά, μέσω άλλων τεχνικών βελτιστοποίησης, ή χρησιμοποιώντας σχεδιασμό αναλογικής συλλογιστικής με ανάκτηση προηγούμενων σχεδιαστικών λύσεων. Οι σχεδιαστικές λύσεις είναι καταχωρημένες σε μία βάση και ανακτώνται χρησιμοποιώντας ένα εκπαιδευμένο ανταγωνιστικό τεχνητό νευρωνικό δίκτυο, το οποίο ομαδοποιεί τις λύσεις κατάλληλα και αποδίδει την ομάδα λύσεων που συγκλίνει προς τις τρέχουσες ασαφείς προτιμήσεις του σχεδιαστή. Στη διατριβή αναπτύσσονται και εισάγονται αρχιτεκτονικές, μέσω των οποίων οι διαδικασίες βελτιστοποίησης και ανάκτησης σχεδιαστικών περιπτώσεων συνδυάζονται υβριδικά, επιτυγχάνοντας αποτελέσματα ανώτερα σε ποιότητα και ταχύτητα επίτευξης σε σχέση με περιπτώσεις χρήσης μεμονωμένων (μη υβριδικών) τεχνικών. Εισάγεται επίσης μια μεθοδολογία σύμφωνα με την οποία οι σχεδιαστικές λύσεις που υπάρχουν στη βάση λύσεων χρησιμοποιούνται για τη νευρο-ασαφή προσέγγιση του αρχικού σχεδιαστικού προβλήματος και την απλοποιημένη μοντελοποίησή του. Αποδεικνύεται ότι η προσέγγιση αυτή είναι ιδιαίτερα κατάλληλη για σχεδιαστικά προβλήματα που παρουσιάζουν σημαντικό υπολογιστικό κόστος. Στα πλαίσια της συστημικής προσέγγισης για την υλοποίηση των προτεινόμενων μεθοδολογιών και αρχιτεκτονικών και για την αξιολόγηση αυτών, αναπτύχθηκε το σύστημα παραμετρικού σχεδιασμού Case-DeSC (Case-based design with Soft-Computing), το οποίο δοκιμάστηκε σε τρία διαφορετικά σχεδιαστικά προβλήματα. Τα αποτελέσματα εφαρμογής των προτεινόμενων μεθοδολογιών, οι προοπτικές εξέλιξης αυτών, καθώς και μια γενικότερη τοποθέτηση περί σχεδιασμού συνοψίζονται στο τέλος της παρούσας διατριβής. / The current Ph.D. thesis introduces a methodogical and systematic approach in order to perform engineering design by utilizing methods and techniques of computational intelligence as well as past design knowledge. Important issues and processes, such as representation and manipulation of design knowledge, extraction of optimal design solution, learning and reuse of design knowledge etc. are analytically discussed. Each one of the aforementioned elements is considered as core around which integrated algorithms are developed that combine various computational intelligence (soft-computing) techniques such as fuzzy logic, artificial neural networks and genetic algorithms. The parametric design problem is formulated on a mathematical basis, whereas the collaborative formation of fuzzy design structure matrices (DSM) is introduced as a basis on which the available design knowledge is organized in convenient hierarchical structures. Furthermore, in order to model the design objectives/requirements/constraints, a fuzzy inference framework is introduced that facilitates the expression of fuzzy preferences on various design parameters. The metric of the total maximum fuzzy preference is introduced as optimality criterion for the design solutions and then it is integrated in the proposed design knowledge organizational structure. The optimal solution is extracted either through an optimization process basically using a genetic algorithm or -alternatively- other optimization techniques, or through deploying analogical reasoning design with retrieval of past design solutions. The design solutions are preserved in a case base and they are retrieved by a trained competitive artificial neural network, which classifies the solutions into clusters and extracts the cluster that converges to the current designer’s preferences. Multiple options are provided for the extraction of optimal solutions. These options include: a) an optimization process that utilizes genetic algorithms, b) other evolutionary optimization techniques and c) analogical reasoning with retrieval of past design solutions. The design solutions are preserved in a case (solution) base and they are retrieved by a trained competitive artificial neural network that classifies the solutions into clusters and extracts the cluster that suits best to the current designer’s preferences. Architectures are developed and introduced, based on which the optimization and case-based retrieval processes are combined. This combination provides more efficient results in terms of quality and speed, if a comparison is made versus the implementation of individual (non-hybrid) techniques. Additionally, a methodology is proposed, according to which the design solutions located in the case base can be retrieved and utilized for a simplified neuro-fuzzy approximation of the initial design problem. It is proved that this approximation is suitable in case of design problems with high computational cost. In the context of a systemic approach of implementing the proposed methodologies and architectures and their evaluation, a system named Case-DeSC (Case-based design with Soft-Computing) is developed and tested against overall performance in three different design problems. The results from the implementation of the proposed methodologies, their future enhancements and evolution, as well as a general discussion about engineering design conclude the present dissertation.

A formal framework is developed and implemented in this research for preliminary rotorcraft design using IPPD methodology. All the technical aspects of design are considered including the vehicle engineering, dynamic analysis, stability and control, aerodynamic performance, propulsion, transmission design, weight and balance, noise analysis and economic analysis. The design loop starts with a detailed analysis of requirements. A baseline is selected and upgrade targets are identified depending on the mission requirements. An Overall Evaluation Criterion (OEC) is developed that is used to measure the goodness of the design or to compare the design with competitors. The requirements analysis and baseline upgrade targets lead to the initial sizing and performance estimation of the new design. The digital information is then passed to disciplinary experts. This is where the detailed disciplinary analyses are performed. Information is transferred from one discipline to another as the design loop is iterated. To coordinate all the disciplines in the product development cycle, Multidisciplinary Design Optimization (MDO) techniques e.g. All At Once (AAO) and Collaborative Optimization (CO) are suggested. The methodology is implemented on a Light Turbine Training Helicopter (LTTH) design. Detailed disciplinary analyses are integrated through a common platform for efficient and centralized transfer of design information from one discipline to another in a collaborative manner. Several disciplinary and system level optimization problems are solved. After all the constraints of a multidisciplinary problem have been satisfied and an optimal design has been obtained, it is compared with the initial baseline, using the earlier developed OEC, to measure the level of improvement achieved. Finally a digital preliminary design is proposed. The proposed design methodology provides an automated design framework, facilitates parallel design by removing disciplinary interdependency, current and updated information is made available to all disciplines at all times of the design through a central collaborative repository, overall design time is reduced and an optimized design is achieved.