Semantics and knowledge engineering for requirements and synthesis in conceptual design: Towards the automation of requirements clarification and the synthesis of conceptual design solutions

Abstract

This thesis suggests the use of tools from the disciplines of Computational Linguistics and Knowledge Representation with the idea that such tools would enable the partial automation of two processes of Conceptual Design: the analysis of Requirements and the synthesis of concepts of solution. The viewpoint on Conceptual Design developed in this research is based on the systematic methodologies developed in the literature. The evolution of these methodologies provided precise description of the tasks to be achieved by the designing team in order to achieve successful design. Therefore, the argument of this thesis is that it is possible to create computer models of some of these tasks in order to partially automate the refinement of the design problem and the exploration of the design space. In Requirements Engineering, the definition of requirements consists in identifying the needs of various stakeholders and formalizing it into design specifications. During this task, designers face the problem of having to deal with individuals from different expertise, expressing their needs with different levels of clarity. This research tackles this issue with requirements expressed in natural language (in this case in English). The analysis of needs is realised from different linguistic levels: lexical, syntactic and semantic. The lexical level deals with the meaning of words of a language. Syntactic analysis provides the construction of the sentence in language, i.e. the grammar of a language. The semantic level aims at finding about the specific meaning of words in the context of a sentence. This research makes extensive use of a semantic atlas based on the concept of clique from graph theory. Such concept enables the computation of distances between a word and its synonyms. Additionally, a methodology and a metric of similarity was defined for clarifying requirements at syntactic, lexical and semantic levels. This methodology integrates tools from research collaborators. In the synthesis process, a Knowledge Representation of the necessary concepts for enabling computers to create concepts of solution was developed. Such, concepts are: function, input/output flow, generic organs, behaviour, components. The semantic atlas is also used at that stage to enable a mapping between functions and their solutions. It works as the interface between the concepts of this Knowledge Representation.

Tämä väitöskirja esittää laskennallisen kielentutkimuksen sekä tiedon esittämisen tieteenaloilla käytettyjen työkalujen hyödyntämistä kahdessa eri tuotekehityksen konseptisuunnittelun prosessissa; tuotteiden vaatimusten analyysissä sekä konseptuaalisten suunnitteluratkaisujen synteesissä. Konseptisuunnittelun näkökulma, jota käytetään tässä väitöskirjassa, perustuu kirjallisuudesta tuttuihin systemaattisiin tuotekehitysmenetelmiin. Näiden menetelmien kehitys tarjoaa tarkan kuvauksen prosessin tehtävistä, jotka suunnittelutyöryhmän tulee suorittaa onnistuakseen tuotesuunnittelussa. Tästä syystä tämä väitöskirja esittää, että on mahdollista osittain automatisoida tuotekehitysprosessia luomalla laskennallisia malleja tietyistä tuotekehitysprosessin tehtävistä, kuten suunnitteluongelman tarkentamisesta sekä suunnitteluavaruuden tutkimuksesta. Tuotekehityksessä tuotteiden vaatimukset määritellään identifioimalla ensin eri sidostahojen tarpeet tuotteen osalta, ja sen jälkeen formalisoimalla nämä vaatimusmäärittelyksi. Tämän vaiheen aikana suunnittelijat kohtaavat usein ongelmia erilaisten käyttäjien eritasoisten tarvemääritelmien kanssa. Tutkimus tässä väitöskirjassa keskittyy luonnollisella kielellä (ja erityisesti englannin kielellä) ilmaistuihin tuotevaatimuksiin. Tarpeiden analyysi on toteutettu eri kielentutkimuksen tasoilla; sanastollisella, lauseopillisella sekä semanttisella tasolla. Sanastollisella tasolla käsitellään sanojen merkitystä kielessä, lauseopillisella tasolla käsitellään lauseen rakennetta, eli kielen kielioppia, ja semanttisella tasolla päämääränä on löytää sanojen nimenomainen merkitys kunkin lauseen kontekstissa. Tällaiset käsitteet mahdollistavat etäisyyden laskemisen sanan itsensä sekä sen eri synonyymien välillä. Lisäksi sanojen samankaltaisuuden määrittämiseen kehitettiin metodologia sekä mitta, jotka edelleen selventävät tuotevaatimuksia sekä sanastollisella, lauseopillisella että semanttisella tasolla. Tämä metodologia hyödyntää tutkimusyhteistyökumppaneiden kehittämiä työkaluja. Tuotekehitysprosessin synteesivaiheessa kehitettiin tiedollinen esitys tarvittavista käsitteistä, jotka mahdollistavat suunnittelukonseptien tuottamisen tietokoneilla. Näihin käsitteisiin lukeutuvat mm. tuotteen toiminnallisuudet, input/output-virta, geneeriset toimielimet, tuotteen käyttäytyminen sekä tuotteen rakenneosat. Myös semanttista atlasta hyödynnetään tässä vaiheessa mahdollistamaan toiminnallisuuksien yhdistäminen niihin teknisiin ratkaisuihin, joilla kyseiset toiminnallisuudet toteutetaan. Semanttinen atlas toimii rajapintana tiedollisen esityksen eri käsitteiden välillä.