A Model-Based Approach to Requirements Analysis for Complex Products in Engineering Design

Abstract

The requirements analysis process has been identified as a core design activity for a successful product development. However, the process continues to pose significant challenges. It is challenging for many companies, because requirements are typically managed either manually using documents, or in special-purpose systems that are disconnected from the rest of the product design data. There is the lack of a collaborative attribute and the requirements analysis process is not defined with the precision and uniformity with computer-based tools as in, for instance, software engineering. Engineering design projects has become multifaceted and product complexity has increased and this demand more rigorous and formalized design practices. Modeling as well as simulation is indispensable when designing complex products. This thesis investigates requirement development practices and methodologies with the social aim to improve the requirements analysis process in engineering design. Thereby, a comprehensive requirements analysis framework is developed and evaluated based on which a model-based computer support is built using formalized models of design to support the described task of requirements analysis. The work is based on the design research methodology which reflects and addresses the scientific rigor necessary and the systematic validation of knowledge in design research. A case study research is used as a supplement to identify additional characteristics and information of the requirements analysis process as it happens. The main result of this dissertation can be summarized as a model-based requirements analysis process contributing to an improved requirements analysis process in engineering design. In addition, the study highlights the potential of the use of requirement checklist to ensure a conscious process to arrive at a complete collection of requirements and to improve traceability. The requirements analysis process is developed as a set of identifiable and repeatable actions, which are followed to derive, validate, manage and maintain quantifiable requirements. Therefore, providing a modeling scheme, which are easy to validate through simulation. One essential aspect highlighted is the importance of information in developing requirements. The support model creates an important basis for information system management and integration. It will also act as an information search portal and as a valuable communication source.

Vaatimusanalyysi on tunnistettu keskeiseksi osaksi onnistunutta tuotekehitysprosessia. Analyysiin liittyy kuitenkin edelleen merkittäviä haasteita, ja sen suorittaminen on vaativa tehtävä useille yrityksille, sillä tuotteille asetettavia vaatimuksia käsitellään tavallisimmin joko manuaalisesti erilaisten dokumenttien avulla tai erilaisilla räätälöidyillä sovelluksilla, joilla ei ole yhtymäkohtaa muuhun tuotesuunnittelutietoon. Sen lisäksi, että vaatimusanalyysin ja muun tuotesuunnittelutiedon välinen yhteys puuttuu, ongelmana on myös se, ettei yleiseen tuotekehitykseen liittyvää vaatimusanalyysia ole määritelty tietokonepohjaisten työkalujen vaatimalla tarkkuudella ja johdonmukaisuudella, toisin kuin on tehty esimerkiksi ohjelmistotekniikan tuotekehityksessä. Konetekniikan puolella tapahtunut tuotteiden monimutkaisuuden kasvu on johtanut siihen, että tuotekehitys on muuttunut yhä monitahoisemmaksi prosessiksi, joka edellyttää yhä tarkemmin määritettyjä ja formalisoituja suunnittelukäytäntöjä. Samalla mallintaminen ja simulointi ovat tulleet välttämättömäksi osaksi tuotekehitystä. Tässä väitöskirjassa tutkitaan vaatimuskehittämisen käytäntöjä ja menetelmiä, joiden sosiaalisia tavoitteena on parantaa vaatimusten analysointiprosessia teknisessä suunnittelutoiminnassa. Väitöskirjassa kehitetään ja arvioidaan kattava vaatimusten analysointikehys, jonka perusteella ja suunnittelun formaaleja malleja hyödyntäen rakennetaan mallipohjainen tietokoneistettu tukijärjestelmä vaatimuskehittämisen tueksi. Työ perustuu suunnittelun tutkimuksen metodologiaan, joka mahdollistaa vaadittavan tieteellisen tarkkuuden ja tiedon systemaattisen validoinnin. Vaatimusten analysointiprosessin aikana syntyvän lisäinformaation tunnistamisen tukena käytetään tapaustutkimusta. Väitöskirjan tärkein tulos voidaan tiivistää mallipohjaiseksi vaatimusten analysointiprosessiksi, joka auttaa parantamaan vaatimusanalyysia teknisessä suunnittelutoiminnassa. Lisäksi tutkimus korostaa mahdollisuuksia käyttää tarkistuslistoja varmistamaan vaatimusten täydellinen tunnistaminen ja parantamaan jäljitettävyyttä. Vaatimusten analysointiprosessi on kehitetty joukoksi tunnistettavissa olevia ja toistettavia toimintaohjeita, joita noudattamalla saadaan johdettua, validoitua, hallittua ja ylläpidettyä kvantifioitavissa olevia vaatimuksia. Saatu mallinnusjärjestelmä on helppo validoida simulaatioilla. Yksi olennainen, tutkimuksen korostama piirre on informaation tärkeys vaatimusten kehittämisessä. Tukijärjestelmä muodostaa tärkeän lähtökohdan informaatiojärjestelmän hallinnalle ja integroinnille. Se toimii myös tiedonetsintäkanavana ja arvokkaana viestinnän välineenä.