UNIVERSITE PARIS IXDAUPHINE U.F.RSCIENCES DES ORGANISATIONS
LABORATOIRE D’ANALYSE ET DE MODELISATION DE SYSTEMES POUR L’AIDE A LA DECISION
LAMSADE
La théorie CKE comme fondement théorique pour les assistants de conception
DesigNAR, un assistant de synthèse de concept basé sur la théorie CKE
THÈSE
pour l’obtention du titre de DOCTEUR EN INFORMATIQUE
Spécialisé en Théorie de Conception et Intelligence Artificielle présentée et soutenue publiquement par
Akin Osman KAZAKCI JURY
Directeur de thèse : Monsieur Alexis TSOUKIAS Directeur de Recherche CNRS Rapporteurs : Monsieur Armand HATCHUEL
Directeur de Recherche CNRS Madame Pascale ZARATE
Maître de Conférence, HDR, à INPT Suffragants : Monsieur Alberto COLORNI
Professeur à Politecnico di Milano
Madame Camille ROSENTHAL-SABROUX Professeur à l’Université Paris IX Dauphine
Monsieur Pavlos MORAITIS
Professeur à l’Université René Descartes Paris V 25 septembre 2007
L’université n’entend donner aucune approbation ni improbation aux opinons émises dans cette thèse : ces opinions doivent être considérées comme propres à leur auteur.
A ma mère Canım Anneme Annelerin hakkı ödenmez, ben seninkini
yüz yıl yaşasam ödeyemem
A mon père Đçemedik o rakıyı Şimdi tam zamanıydı oysa…
Votre père est-il jamais mort ? Le mien l’a fait une fois, je suis aveuglé Ils l’ont lavé et ils l’ont enlevé Je n’attendais pas ça de mon père, je suis aveuglé Cemal Süreyya
L’espace d’Einstein n’est pas plus proche de la réalité que le ciel de Van Gogh. La gloire de la science ne réside pas dans une vérité plus absolue que celle de Bach ou de Tolstoï, mais dans l’acte de création lui-même. Le savant impose son ordre propre au chaos, comme le ferait un compositeur ou un peintre; un ordre qui se réfère toujours à des aspects limités de la réalité, basés sur le cadre de référence de l’observateur, qui diffère d’une période à l’autre tout comme un nu de Rembrandt diffère d’un nu de Manet.
Arthur Koestler L’acte de création, 1964
Remerciements
Je voudrais remercier un certain nombre de personnes qui m’ont particulièrement aidé, soutenu et inspiré durant ce projet de thèse. J’espère toutefois que j’ai su exprimer ma gratitude à ces gens convenablement bien avant la finalisation de ce projet, à travers les années et pendant les moments partagés.
Je tiens à remercier aux membres du jury pour avoir accepté de juger ce travail. Je tiens à remercier particulièrement Armand Hatchuel pour m’avoir encouragé pour travailler sur la théorie C – K, pour avoir partagé ses idées et pour m’avoir inspiré.
Je tiens aussi remercier John S. Gero et les gens de Key Center of Design pour m’avoir accueilli à l’Université de Sydney, m’avoir présenté leurs travaux et leurs idées, m’avoir fait réaliser de nouvelles horizons et de nombreuses perspectives sur la recherche en conception.
Je remercie Alexis Tsoukiàs pour m’avoir soutenu le long de cette thèse. Tu as été aussi aventureux et curieux que moi, si ce n’est qu’un peu plus « ensommeillé » !
Au fil des années, de nombreuses personnes du Lamsade m’ont fait preuve de l’amitié et de la solidarité. Je les remercie tous du cœur. En particulier, je dois préparer un document à part pour remercier Jean-Paul Fourmas convenablement. Combien de lettres as-tu fait à ma place ? Combien de dossiers as-tu préparé « en dernière minute » sans aucune caprice, sans aucun proteste et sans aucune obligation pour me sauver des fatalités de l’administration française ? J’en suis très reconnaissant et je te remercie.
Je remercie à Bernard Fillion DuFouleur et à Bernard Roy ; ils m’ont fait confiance et ils ont convaincu d’autres pour que j’aie ma Bourse d’Excellence et mon Allocation de Recherche.
Je voudrais exprimer ma gratitude à Ender Üstüngel et à Yasemin Claire Erensal pour avoir veillé sur moi et parce qu’il se sont souciés autant que ma famille pour mon avenir pendant toutes ses années. Ils me sont de la famille.
Les amis, c’est tout ce que nous avons. Et moi, j’ai la chance d’avoir des amis exceptionnels avec des cœurs gros comme des montagnes et des intelligences solides comme des cailloux. Ces gens ont partagé avec moi la plus grande richesse du monde ; leurs temps. Ils m’ont soutenu et, à en croire à leurs dires, ils m’ont supporté ! Mert, Ulaş, Burçkin, Savaş;
Dostlarım. Hakkınız ödenmez.
Le 13/09/1999. Nous avons mis pieds ensemble sur cette terre étrange et étrangère.
Tellement nous avons appris, tellement de vécu. Mert, benim için bir kardeşten farkın yok.
Kardeşliğimizin daim olsun. Hatta devir daim olsun. Dilerim aynı coğrafyada tekrardan buluşuruz, tekila, grenadine ve portakal suyu eşliğinde satranç oynamaya devam ederiz.
Table de matières
Remerciements ... IV Table des Matières ...V Table des Matières Detaillée ... VI Liste des Figures... XI
I
NTRODUCTIONChapitre 1. Introduction ... 2
P
ARTIEI - L
AT
HEORIE Chapitre 2. La Conception...13Chapitre 3. La Theorie C – K de Conception ...36
Chapitre 4. L’environnement et la Theorie C/K/E...57
Chapitre 5. Assistants Personnels de Conception...76
P
ARTIE2 - L
E SYSTEME Chapitre 6. DesigNAR ; Un Assistant de Conception ...95Chapitre 7. Langage et Inference ...115
Chapitre 8. Memoire et Contrôle ...140
Chapitre 9. Designar; Exemples d’Inference et de Suggestion ...159
Chapitre 10. Le Domaine « Gathering Machines » ...190
C
ONCLUSION Chapitre 11. Conclusions et Perspectives ...206Bibliographie ...221
Table de matières détaillée
REMERCIEMENTS ... IV TABLE DE MATIERES ...V TABLE DE MATIERES DETAILLEE ... VI LISTE DES FIGURES... XI
CHAPITRE 1. INTRODUCTION... 2
1.1 INTRODUCTION... 2
1.2 APPROCHE METHODOLOGIQUE... 5
1.2.1 Démarche générale ... 5
1.2.2 Niveau de l'étude... 6
1.2.3 Quelle perspective d’aide à la conception ? ... 6
1.3 PLAN ET RESULTATS... 6
CHAPITRE 2. LA CONCEPTION...13
2.1 TERMINOLOGIE...13
2.2 L'IMPORTANCE DES ACTIVITES DE CONCEPTION...14
2.2.1 Importance économique des activités de conception... 14
2.2.2 Le Triptyque Qualité-Coût-Délais... 15
2.3 MODELES DU PROCESSUS DE CONCEPTION...18
2.3.1 Le modèle Analyse-Synthèse-Évaluation ... 19
2.3.2 Les trois logiques d’actions: Convergence-Transformation-Divergence... 20
2.3.3 L'arbre de conception de Marples... 21
2.3.4 Le modèle FBS de Gero ... 22
2.3.5 Le modèle de Pahl et Beitz ... 25
2.4 METAPHORES POUR DECRIRE LA CONCEPTION...26
2.4.1 Conception et résolution des problèmes ... 26
2.4.2 Conception et Logique ... 27
2.4.3 Conception et Langage... 28
2.5 CARACTERISTIQUES DES ACTIVITES DE CONCEPTION...28
2.5.1 Nature des problèmes de conception ... 29
2.5.2 Conception et connaissance... 30
2.5.3 Concevoir et rechercher... 32
2.5.4 Conception et décision ... 33
CHAPITRE 3. LA THEORIE C – K DE CONCEPTION...36
3.1 APERÇU DE LA THEORIE...36
3.2 LES ESPACES C DES CONCEPTS ET K DES CONNAISSANCES...37
3.2.1 La distinction C – K ... 37
3.2.2 Ensemble associé à un concept... 38
3.3 OPERATIONS DE BASE...39
3.3.1 Disjonction C – K : Point de départ d'une conception... 39
3.3.2 Conjonction C – K : Fin d'une conception ... 39
3.3.3 Partition restrictive versus partition expansive... 40
3.3.4 K-expansion ... 41
3.4 RAISONNEMENT ET DEPLACEMENT ENTRE LES ESPACES : OPERATEURS DE LA THEORIE C–K ...42
3.4.1 Déplacements de C vers K ... 42
3.4.2 Déplacements de K vers C ... 42
3.4.3 Déplacements de K vers K... 42
3.4.4 Déplacements de C vers C ... 43
3.5 PROPRIETES DES PROCESSUS DE CONCEPTION...43
3.5.1 Créativité et le rejet de l’axiome de choix... 43
3.5.2 Co-évolution des espaces C et K ... 43
3.5.3 K-Relativité de l’espace C... 44
3.5.4 K-validation ... 44
3.5.5 Nécessité de distinction entre les espaces ... 44
3.6 EXEMPLES ET DISCUSSION...45
3.6.1 Un aspirateur sans sac ... 45
3.6.2 Déchiffrement des hiéroglyphes... 48
3.7 DISCUSSION...54
3.7.1 Concepts et connaissances... 54
3.7.2 Opérateurs et activations ... 55
3.7.3 Mécanisme de contrôle ... 55
3.7.4 Concepteurs et leurs environnements... 55
CHAPITRE 4. L’ENVIRONNEMENT ET LA THEORIE C/K/E ...57
4.1 LE ROLE DE L’ENVIRONNEMENT...57
4.1.1 Le concepteur et l’environnement ... 58
4.1.2 Interaction de faire et voir ... 58
4.1.3 S-inventions et découvertes inattendues... 60
4.1.4 Environnement comme moyen de réconceptualisation ... 60
4.1.5 Environnement comme moyen de communication ... 61
4.1.6 L’environnement et la théorie C – K ... 61
4.2 LA NATURE SITUEE DE LA COGNITION...62
4.2.1 La Cognition Située : une réaction au Cognitivisme ... 63
4.2.2 Perception, conceptualisation, action ... 64
4.2.3 La mémoire constructive ... 66
4.2.4 Ancrage des concepts ... 67
4.2.5 Trois mondes pour un agent située ... 68
4.3 MODIFIER LA THEORIE C–K : UN ESPACE E DE L'ENVIRONNEMENT.69 4.3.1 Les espaces de concepts, de connaissances et de l’environnement ... 70
4.3.2 Conceptualisation au cœur de la conception ... 71
4.3.3 Conceptualisation comme construction de sens... 72
4.3.4 Concepts et connaissances... 72
4.3.5 E-relativité de K et E-validation... 73
4.3.6 L’axiome de choix et la théorie C/K/E... 73
4.3.7 Opérateurs C/K/E... 74
CHAPITRE 5. ASSISTANTS PERSONNELS DE CONCEPTION ...76
5.1 OUTILS INFORMATIQUES D’AIDE A LA CONCEPTION...76
5.1.1 Historique du CAO ... 76
5.1.2 Outils d'aide à la conceptualisation – OACs ... 78
5.1.3 Agents de conception comme OAC... 79
5.2 ASSISTANTS PERSONNELS DE CONCEPTION...81
5.2.1 OAC basé sur la théorie C/K/E ... 81
5.2.2 Paradigmes traditionnels pour OACs... 81
5.2.3 Enrichir la conversation du concepteur avec son environnement ... 82
5.2.4 Assistants Personnels de Conception - APCs... 83
5.2.5 Modes d'assistance d'un APC... 84
5.2.6 Concepteurs créatifs, outils qui inspirent ... 85
5.2.7 Adaptation d'un APC ... 86
5.2.8 Société d'APCs... 88
5.3 COMPATIBILITE D'UN APC AVEC LA THEORIE C/K/E ...88
5.3.1 E-réactivité ... 88
5.3.2 K-expansivité ... 89
5.3.3 C-expansivité ... 89
5.3.4 La distinction C – K – E... 90
5.3.5 Le couplage C/ K /E ... 90
5.3.6 Assistants CKE... 90
5.4 REPRESENTATIONS FLUIDES DES CONCEPTS POUR LES APCS...91
5.4.1 La fluidité des concepts... 91
5.4.2 Inséparabilité du raisonnement et de la représentation ... 92
5.4.3 Parallélisme, interaction et émergence ... 92
5.4.4 Sens et fluidité des concepts... 93
CHAPITRE 6. DESIGNAR ; UN ASSISTANT DE CONCEPTION ...95
6.1 DESIGNAR ; UN ASSISTANT DE SYNTHESE...96
6.2 REPRESENTATION DES CONNAISSANCES EN CONCEPTION...97
6.3 CONCEPTS FLUIDES ET COMPUTATION EMERGENTE...99
6.3.1 Copycat... 99
6.3.2 Système à comportement émergent... 102
6.3.3 Emergence et systèmes hybrides ... 104
6.4 UNE DESCRIPTION GLOBALE DU SYSTEME DESIGNAR...106
6.4.1 Concepts et Connaissances du système ... 106
6.4.2 Mémoire constructive et ancrage des concepts... 107
6.4.3 Distinction C – K – E ... 108
6.4.4 E-réactivité ... 110
6.4.5 C-expansivité ... 110
6.4.6 K-expansivité ... 112
6.4.7 Couplage C/K/E... 113
CHAPITRE 7. LANGAGE ET INFERENCE ...115
7.1 SENS DES LIENS, BUT DE L’INFERENCE...115
7.2 LE LANGAGE...119
7.2.1 Les relations d’héritage et de similarité... 119
7.2.2 Relation d’héritage pour modéliser les relations qualitatives causales... 120
7.2.3 NAL-0 ... 121
7.2.4 NAL ... 124
7.2.5 Relation de similarité dans NAL... 127
7.2.6 Termes composés ... 128
7.2.7 La structure interne des termes dans DesigNAR ... 130
7.3 INFERENCE...131
7.3.1 Inférence vers l’avant – la relation d’héritage ... 131
7.3.2 Inférence vers l’avant – la relation de similarité ... 135
7.3.3 Choix et inférence vers l’arrière ... 138
CHAPITRE 8. MEMOIRE ET CONTROLE ...140
8.1 LA STRUCTURE DE MEMOIRE...140
8.1.1 Concepts et connaissances... 140
8.1.2 Notion de tâche... 142
8.1.3 Urgence et durabilité d’une tâche ... 143
8.2 ACTIVITE DU DESIGNAR ...145
8.2.1 Cycle de fonctionnement ... 145
8.2.2 Sensation... 147
8.2.3 Activation externe et propagation de l’activation ... 149
8.2.4 Sélection et compétition des tâches... 152
8.2.5 Activation interne ... 154
8.2.6 DesigNAR et NAR... 155
8.2.7 DesigNAR, concepts fluides et SCE ... 156
CHAPITRE 9. DESIGNAR; EXEMPLES D’INFERENCE ET DE
SUGGESTION...159
9.1 PRESENTATION DU LOGICIEL...160
9.1.1 L’interface graphique du DesigNAR... 160
9.1.2 Acquisition des connaissances ... 163
9.2 INFERENCES ET EVOLUTION DES CONNAISSANCES DU DESIGNAR....165
9.2.1 Exemple d’utilisation du logiciel ... 165
9.2.2 La réception de l’information et la mémoire du DesigNAR... 167
9.2.3 Les premiers cycles ; la manque de connaissances... 170
9.2.4 Inférences et graphe de connaissance ... 174
9.2.5 Apprentissage et ancrage des connaissances... 175
9.2.6 Formation de termes composés et C/K/E ... 179
9.3 SUGGESTIONS...183
9.3.1 Inférence en arrière menant à une suggestion inattendue... 183
9.3.2 Suggestions à partir des schémas ... 185
9.3.3 Coopération du DesigNAR avec l’utilisateur... 186
CHAPITRE 10. LE DOMAINE « GATHERING MACHINES » ...190
10.1 BUT DE L’EXPERIMENTATION...190
10.2 LE DOMAINE...191
10.3 PRESENTATION DU MODELE FBS ET LE DESIGNAR AUX SUJETS.192 10.4 LES SPECIFICATIONS DE L’EXPERIMENTATION...193
10.4.1 Sujet 1 – se servir de la base de donnée ... 194
10.4.2 Sujet 2 – partir du même concept... 195
10.4.3 Sujet 3 – bactéries et déchets... 197
10.4.4 Sujet 4 – blocage total ... 200
10.4.5 Sujet 5 – concepteurs créatifs, outils qui inspirent ... 200
10.4.6 Discussion ... 202
CHAPITRE 11. CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES ...206
11.1 PRODUITS PRIMAIRES...206
11.2 PRODUITS SECONDAIRES...210
11.3 PRODUITS FUTURS ; LA THEORIE...212
11.3.1 C/K/E et multiples concepteurs ... 212
11.3.2 Décision et conception ... 214
11.3.3 Mathématiques et conception... 216
11.3.4 Assistants de conception ... 217
11.4 PRODUIT FUTURS ; LE SYSTEME...217
11.4.1 DesigNAR et exploitation de structure interne des concepts ... 218
11.4.2 DesigNAR et contraintes ... 218
11.4.3 DesigNAR et analyse ... 219
11.4.4 DesigNAR et préférences sur les concepts... 220
BIBLIOGRAPHIE ...221
Liste des Figures
Figure 1.1 Un résumé C – K de la première partie de la thèse ...10
Figure 1.2 Un résumé C – K de la deuxième partie de la thèse ...11
Figure 2.1 Les coûts dérivés en développement ...16
Figure 2.2 Facteurs influant le bénéfice des projets de conception ...17
Figure 2.3 Les coûts engagés lors de la conception. ...18
Figure 2.4 Les possibilités de réduction des coûts. ...19
Figure 2.5 L'arbre de conception de Marples...22
Figure 2.6 Modèle de triangulation de Lemoigne pour définir un objet...23
Figure 2.7 Modèle F-B-S du processus de conception. ...24
Figure 2.8 Le processus de conception, d'après Pahl et Beitz ...26
Figure 3.1 Les espaces C et K, reproduit de Hatchuel et Weil ...37
Figure 3.2 Disjonction sémantique pouvant mener à plusieurs conjonctions sémantiques...40
Figure 3.3 Un aspirateur sans sac ...46
Figure 3.4 Un aspirateur sans sac (continué). ...47
Figure 3.5. Le raisonnement dans le déchiffrement des hiéroglyphes. ...48
Figure 3.6. Pierre de la Rosette dont une partie est connue, l’autre à déchiffrer. ...49
Figure 3.7 Le raisonnement dans le déchiffrement des hiéroglyphes (continué). ...50
Figure 3.8. « Hiéroglyphes » forme-t-il un concept en soi ? ...51
Figure 4.1 Les différents mondes interdépendants pour un agent situé. ...68
Figure 4.2 Espaces C, K, E d’un agent de conception situé...70
Figure 4.3 Les espaces C, K et E ...71
Figure 5.1 Un assistant personnel de conception collaborant avec le concepteur. ...82
Figure 6.1 Un concept d’aspirateur exprimé comme un graphe FBS...97
Figure 6.2 Une vue partielle du Slipnet de Copycat. ...100
Figure 6.3 Illustration de la mémoire active du Copycat...101
Figure 6.4 Illustration d’un système hybride...104
Figure 6.5 Différents agent locaux actifs dans deux contextes (a) et (b) variés. ...105
Figure 6.6 Une illustration de certains agents locaux du DesigNAR ...108
Figure 7.1 Deux schémas FBS décrivant deux aspirateurs ...116
Figure 7.2 Un exemple de graphe de connaissance sur les deux aspirateurs ...117
Figure 7.3 Règles d’inférences pour la relation d’héritage...132
Figure 7.4 Formation des termes composés par à partir de deux prémisses. ...135
Figure 7.5 Règles d’inférences pour la relation de similarité ...136
Figure 8.1 Un concept et les connaissances reliées ...141
Figure 8.2 Le cycle de fonctionnement du DesigNAR...144
Figure 8.3 Propagation de l’activation ...150
Figure 8.4 Le graphe de la fonction F pour des valeurs d’urgence variant entre 0 et 1 . ...153
Figure 9.1 DesigNAR et son interface graphique ...160
Figure 9.2 Le graphe FBS modifié...161
Figure 9.3 Création d’un nouveau schéma de structure...162
Figure 9.4 Création d’un nouveau concept...165
Figure 9.5 Les étapes de la création du concept d’aspirateur...166
Figure 9.6 Les liens observés ...167
Figure 9.7 Le fichier d’output du DesigNAR. ...168
Figure 9.8 Le fichier d’output du DesigNAR ; itérations 1-4 ...171
Figure 9.9 Le fichier d’output du DesigNAR ; itérations 5-9 ...173
Figure 9.10 Illustrations des étapes d’inférences 5, 7 et 8 et l’état du graphe résultant ...175
Figure 9.11 Quelques étapes d’inférences sur le concept Separation_1 ...176
Figure 9.12 L’évolution du sens du concept Separation_1 ...177
Figure 9.13 Le contenu du concept Separation_1...178
Figure 9.14 Les deux termes composés crées par DesigNAR...179
Figure 9.15 Formation de termes composés: Une disjonction sémantique ...180
Figure 9.16 La construction du sens de B : Filtration_1Vacuum_1 ...181
Figure 9.17 Le sens du concept B : Filtration_1Vacuum_1 à l’itération 237 ...182
Figure 9.18 Suggestion de F : Separation_1 par DesigNAR...184
Figure 9.19 Une inférence en arrière menant à une suggestion. ...185
Figure 9.20 Suggestion de DesigNAR pour F : Separation...186
Figure 9.21 Coopération du DesigNAR lorsque la conception avance ...187
Figure 9.22 Coopération du DesigNAR lorsque la conception avance (continué) ...188
Figure 9.23 Un deuxième aspirateur...189
Figure 10.1 F, B et S principaux pour le domaine Gathering Machines. ...191
Figure 10.2 Un concept de ramasseuse de pétrole par le sujet expérimenté. ...194
Figure 10.3 Le concept élaboré par le premier sujet...195
Figure 10.4 Le concept élaboré par le deuxième sujet...196
Figure 10.5 Le concept élaboré par le troisième sujet ...198
Figure 10.6 Le concept élaboré par le quatrième sujet...199
Figure 10.7 Le concept élaboré par le cinquième sujet………200
Figure 11.1 Le travail de deux concepteurs décrit par le cadre C/K/E...213
Introduction
L’ingénierie, la médecine, l’architecture, la peinture, ne sont pas concernées par le nécessaire
mais par le contingent – non pas par la façon dont les choses sont, mais par la façon dont elles pourraient être
- en bref, par la conception.
Herbert SIMON
Chapitre 1. Introduction
1.1 Introduction
Tout objet créé est aussi conçu. D'une étendue si générale, la conception est partout; les bijoux, l'électroménager, les bâtiments, les vêtements, les peintures, les logiciels, les villes, les satellites, les pages web sont tous sujets à la conception. Mais qu'est-ce que c'est la conception ? Comment est-elle effectuée l'acte de concevoir ? Sans doute, il peut y avoir autant de réponses que de pratiques et de domaines différents. Les réponses, sans exception, vont concerner les caractéristiques propres à l'homme de ne pas se contenter de ce qu'il a, sa volonté à apprendre et son aptitude de créer des connaissances à partir de ce qu'il connaît déjà.
Bien que pratiquées depuis les débuts de l'humanité, l'importance (surtout économique) des activités de conception a commencé à être réalisée qu'à partir de la deuxième moitié du vingtième siècle. La qualité dans les activités de conception n'a pas tardé à s'imposer comme une condition de survie pour toute sorte d'organisation. De différentes disciplines de conception, telles que l'architecture, l'ingénierie, la planification urbaine, le textile, etc., qui, jusque là, ont créé et se sont servi de leurs propres paradigmes, ont commencé à rechercher à s'en affranchir pour rechercher un cadre unique qui permettra de rendre compte des variétés de situations de conception et de les gérer et de produire des outils pour faciliter l’acte de concevoir.
Dans le cadre de notre travail, nous sommes principalement intéressés par ce dernier aspect, à savoir, des outils d'aide à la conception. Plus spécifiquement, nous allons nous intéresser à des outils « informatiques » pour supporter les phases initiales du processus de conception où l'enjeu est de créer de nouveaux concepts. Nous parlerons de la conceptualisation ou de la création de concept.
La littérature sur les outils informatiques d'aide à la conceptualisation est abondante. Cependant, les principes d'une telle démarche, des interrogations quant à sa pertinence, ses modalités et ses caractéristiques sont totalement absents. Une théorie d’outils d’aide à la conceptualisation n’existe pas, bien que la littérature témoigne des centaines de propositions d’outils. En particulier, la question suivante, d'une importance capitale, n'a pas attiré l'attention des chercheurs qui travaillent dans ce domaine : quels sont les caractéristiques qu’un outil de conceptualisation peut ou doit avoir ?
Signalons d’or et déjà que la phase de création de concept est particulièrement difficile à aider par des moyens informatiques. L’impact économique et social d’un produit est largement déterminé durant la conceptualisation. Pendant cette phase, il est explicitement recherché à faire du nouveau, à produire une connaissance qui n’existait pas. Pour cette raison même, c’est un processus ouvert aux surprises, qui nécessite l’utilisation des connaissances multiples et variées.
Dans ces conditions, il serait inopiné d’espérer qu’un outil informatique puisse accomplir des résultats émerveillant, quelque soit le domaine et dans n’importe quel projet. Cependant, pour ces mêmes raisons, il faut continuer à explorer comment mieux supporter cette activité. Selon nous, ceci n’est possible que par l’élaboration d’un cadre théorique quant à la nature et aux caractéristiques des outils d’aide à la conceptualisation. Ce cadre doit fournir un fondement théorique pour les outils en question ; il doit offrir un ensemble de principes directeurs pour leur construction et permettre leur analyse et leur validation et même l’évaluation de leur impact.
L’absence d’une telle théorie d’outil est liée en grande partie à l'absence d'une théorie de conception universellement reconnue qui peut fournir le fondement théorique souhaité. Les théories les plus influentes et qui ont été exploitées dans des systèmes informatiques pour l'aide à la conception datent de plus de trente ans, et par conséquent, elles manquent à rendre compte de notre connaissance actuelle des processus de conception. Aussi, sont-elles empruntées à d’autres domaines telles que l’intelligence artificielle et l’optimisation. Des théories plus récentes existent, ainsi que des modèles associés, mais ceux-ci ne se prêtent pas à la construction d’un cadre général puisqu'ils ont été créés par des soucis locaux relevant d'un seul domaine ou même d'un seul problème. Pour ces raisons, ces théories et modèles ne sont pas appropriés pour dégager les principes à respecter dans la construction d’outils informatiques d'aide à la conceptualisation.
Incontournablement, le cadre théorique recherché sera lié à une théorie de conception qui prend en compte la nature du raisonnement des concepteurs.
Dans ce projet de thèse, pour un premier pas dans l’élaboration d’un fondement théorique pour les outils d’aide à la conceptualisation, nous reprenons et étudions la théorie C – K. Celle-ci est une théorie décrivant le type de raisonnement que nous rencontrons dans les activités de conception.
C’est une théorie fondée aussi bien sur des observations empiriques des pratiques de conception que sur des démarches formelles. Elle se base sur la distinction entre deux espaces ; l’espace C des concepts et l’espace K des connaissances. Cette théorie permet de rendre compte de la genèse des concepts et de leur évolution en définissant la conception comme la co- évolution des espaces C et K. Elle permet d'expliquer comment il est possible de faire l'inconnu avec du connu, c'est-à-dire, des processus menant à la créativité et à l'apprentissage dans la conception. Un accent particulier est mis sur la création des concepts, cette phase étant la plus critique pour le succès d’un processus de conception. Compte tenu de ces caractéristiques, l’étude et l’analyse de la théorie C – K peut procurer un fondement théorique pour les outils informatiques d’aide à la conceptualisation. Par le même biais, il deviendrait possible pour nous de contribuer au développement de cette théorie.
Nous sommes désormais prêts à énoncer les questions de recherche de notre travail.
• Quelles sont les pistes de développement potentielles pour la théorie C – K, en particulier, vis-à-vis de son utilisation comme fondement théorique pour les outils d’aide à la conceptualisation?
• La théorie C – K permet-elle de cerner les principes à respecter pour une démarche informatique d'aide à la conceptualisation ? Quels principes permettront de bâtir un outil informatique supportant l'acte de conceptualisation ? Comment sont-ils reliés à la théorie C – K ?
• Est-il possible d’opérationnaliser ces principes sous forme d’un outil informatique ? Par quelles approches?
Comme nous pouvons le constater avec le plan de ce document, le texte est structuré autour de ces trois groupes de questions. D’abord, nous allons analyser la théorie C – K et nous allons proposer une extension, la théorie C/K/E qui prend en compte l’environnement du concepteur. Un concept d’assistant personnel de conception sera alors introduit et sa relation avec le cadre C/K/E sera discutée. Finalement, DesigNAR, un outil basé sur cette notion et le cadre théorique proposé sera présenté.
1.2 Approche méthodologique
1.2.1 Démarche générale
Dans notre travail, nous adoptons une perspective cognitive. Cette perspective s'impose puisque nos questions de recherches sont toutes liées au raisonnement de conception, et donc aux mécanismes cognitives utilisés lors de cet acte. Dans une première partie, la théorie C – K est analysée sous cette perspective cognitive par une « méthode interprétative qualitative. » Dans une deuxième partie, nous adoptons comme méthode la
« modélisation » dans une perspective de validation par une implémentation informatique. Les enseignements que nous dégageons de notre analyse seront utilisés comme base pour proposer un modèle informatique compatible avec la théorie C – K et bâtir et tester l’outil correspondant.
1.2.2 Niveau de l'étude
L'organisation et la conduite d'un processus de conception peuvent être étudiées à plusieurs niveaux. Pour notre part, nous nous plaçons à un niveau individuel, par contraste à un niveau collectif ou organisationnel. Ce choix se justifie par le fait que nous sommes intéressé aux mécanismes générant le processus de raisonnement dans la conception pour nous en inspirer dans le but de proposer des outils informatiques capables, dans la mesure du possible, de simuler ce processus ou de l’assister.
1.2.3 Quelle perspective d’aide à la conception ?
Nous nous plaçons dans une optique constructiviste d'aide à la conception.
Dans cette optique, l'aide prend la forme d'une « assistance » dans la construction d'une « représentation externe d'un concept de produit », en utilisant des démarches « qui se veulent scientifiques ». Dans notre cas, cette assistance utilise un modèle formel et son implantation informatique.
1.3 Plan et résultats
A part les chapitres d’introduction et de conclusion, le document est composé de deux parties distinctes. La partie Théorie (chapitres 2 – 5) concernent la littérature sur la théorie et les outils de conception en générale et la théorie C – K, en particulier. La partie Système (chapitres 6 – 10) est consacrée à la présentation du DesigNAR, l’outil informatique proposé. Un dernier chapitre est réservé aux conclusions et aux perspectives de recherches.
Dans le chapitre 2, pour donner une première compréhension du processus de conception, nous présentons quelques modèles, théories et caractéristiques à propos des activités de conception qui ont marqué la littérature.
Dans le chapitre 3, la théorie C – K est présentée et analysée. Deux exemples détaillés, la conception d’un aspirateur sans sac par Dyson et le déchiffrement des hiéroglyphes par Champollion, sont construits pour illustrer les notions de la théorie et discuter les possibles pistes de développement. Les questions que nous dresserons à la fin de ce chapitre nous serviront de direction pour développer ces notions dans le chapitre suivant. En particulier, il est signalé
que la théorie ne prend pas en compte la relation du concepteur avec son environnement.
Dans le chapitre 4, la théorie C/K/E, une extension de la théorie C – K qui prend en compte l’environnement E du concepteur, sera élaborée. Nous commençons par une synthèse de la littérature sur la relation du concepteur avec son environnement. Nous avançons que la théorie C – K ne peut former une base pour un outil informatique d’aide à la conceptualisation que si un espace E de l’environnement est introduit dans la théorie. Nous suggérons que, la théorie C – K étant dans son essence une théorie de raisonnement, la littérature sur la Cognition Située peut être utilisées à cette fin. D’abord, les idées et les notions de base de la littérature sur la Cognition Située sont présentées. Ensuite, nous les utilisons pour bâtir la théorie C/K/E.
Dans le chapitre 5, nous commençons par une revue de la littérature sur les outils informatiques d’aide à la conception, en général, et des outils d’aide à la conceptualisation, en particulier. Nous verrons alors que, pour ces derniers, les propositions existantes exploitent des modèles ou des théories empruntées à d’autres disciplines tels que l’intelligence artificielle ou l’optimisation. Par ailleurs, les propositions ne tiennent pas compte de la nature située des concepteurs, c'est-à-dire, leurs relations avec l’environnement. Pour créer des outils qui tirent partie de cette nature située, nous proposons la notion d’assistant personnel de conception (APC). Un APC est un agent de conception situé qui aide son utilisateur par des suggestions. Son but est essentiellement d’enrichir la conversation du concepteur avec l’environnement, de faciliter ainsi le travail et de provoquer la créativité.
Nous discutons les propriétés essentielles qu’un APC peut avoir. Pour contribuer à l’élaboration d’un fondement théorique pour les outils d’aide à la conceptualisation en général, et les APCs en particulier, nous faisons un premier pas en proposant un ensemble de propriétés pour les APCs basées sur la théorie C/K/E. Un APC respectant ces propriétés est appelé un assistant C/K/E. Finalement, nous allons proposer qu’un APC peut utiliser les représentations de concept fluides pour une implantation informatique compatible avec la théorie C/K/E.
A partir du chapitre 6, nous présenterons un assistant C/K/E, DesigNAR.
C’est un système d’aide à la conceptualisation compatible avec la théorie C/K/E. DesigNAR permet à l’utilisateur d’élaborer une représentation symbolique d’un concept de produit et une base de donnée pour les symboles utilisés. En observant le travail de l’utilisateur, il apprend et il fait des suggestions. Nous commençons le chapitre en présentant quelques décisions de conception. L’assistant que nous proposons est un assistant de synthèse (par contraste à l’analyse ou à l’évaluation) comme la synthèse de concepts est le point central de la théorie C – K et de sa version C/K/E. L’assistant utilise des graphes FBS où figurent des concepts de fonctions de comportements, de structures et leurs relations. Une discussion des principes pour appliquer une approche des concepts fluides sur une telle représentation qui serait compatible avec la théorie C/K/E fait apparaître que le système doit être un système hybride (à caractère symbolique et connexionniste) à comportement émergent. Après avoir exposé ces décisions de conception de notre système, nous donnons une description globale du système en termes des propriétés C/K/E énoncées dans le chapitre 5.
Les chapitres 7 et 8 décrivent les aspects formels et informatiques du DesigNAR. Durant le chapitre 7, le langage du DesigNAR, qui consiste en une logique de termes, NAL, sera présenté. NAL permet de représenter la relation entre des concepts par des relations d’héritage ce qui rend possible de préserver la nature hiérarchique de l’information contenue dans les graphes FBS. Il offre aussi plusieurs règles d’inférences permettant le raisonnement sur les concepts et sur leurs relations les uns avec les autres. Après avoir décrit la nature de la représentation et le type d’inférence dont nous avons besoin, nous présentons la logique de termes NAL.
Dans le chapitre 8, le mécanisme de control du DesigNAR et la structure de sa mémoire seront présentés. Le mécanisme applique des principes de contrôle proposés par l’approche des concepts fluides (présentés dans les chapitres 5 et 6). DesigNAR est non-déterministe et il est géré par un mécanisme d’activation. Les concepts que DesigNAR connaît ont des activations externes qui proviennent de l’environnement et des activations internes qui
proviennent de l’inférence. Les concepts à considérer, les relations (entre les concepts) à étudier, les règles d’inférence à utiliser sont sélectionnés aléatoirement sur la base de ces valeurs d’activations (et certains autres paramètres). La propagation de l’activation externe qui donne la nature connexionniste au système permet de simuler une mémoire constructiviste. Le mécanisme d’inférence permet au système d’ancrer ses concepts les uns sur les autres et de construire un sens pour ceux-ci. Par son activité d’inférence et par son interaction avec l’environnement DesigNAR mène des processus de conceptualisation continuels pour les concepts qu’il a observés ou qu’il a créés, suivant les principes énoncés dans le chapitre 5.
Dans le chapitre 9, nous présentons le logiciel DesigNAR et nous illustrons son fonctionnement par des exemples. Après avoir décrit l’interface, l’utilisation du logiciel est brièvement expliquée. Ensuite, des exemples sur les inférences, sur la construction de sens pour un concept et son ancrage, sur la formation de termes composés sont présentés. La coopération du système avec son utilisateur et ses suggestions sont discutées.
Dans le chapitre 10, nous décrivons une expérimentation que nous avons conduite à l’aide des enseignants-chercheurs de la Faculté de Génie Mécanique de l’Université Technique d’Istanbul. Le but de cette expérimentation était une première confrontation du DesigNAR avec des utilisateurs et d’avoir une première idée de la pertinence du cadre élaboré et de la viabilité de la notion d’un assistant de conception. Un domaine d’expérimentation, Gathering Machines, a été construit à l’aide d’un sujet expérimenté ce qui a permis DesigNAR d’apprendre certains concepts relevant de ce domaine. Ensuite, il a été demandé à d’autres sujets de construire des concepts de produits dans le domaine en question. En général, les utilisateurs ont été capables de travailler avec DesigNAR et ils ont exploité ses suggestions. Dans certains cas, cette coopération a provoqué des effets de créativité chez les concepteurs mais aussi d’autres effets imprévus.
Dans le dernier chapitre, nous récapitulons le travail réalisé par rapport aux questions de recherche posées et les perspectives de recherches dégagées.
Figure 1.1 Un résumé C – K de la première partie de la thèse
Il est possible de récapituler schématiquement les concepts que nous introduisons dans notre thèse par références aux espaces de la théorie C – K ; Figure 1.1 et Figure 1.2. La connaissance de la théorie va certainement faciliter l’interprétation de ces figures ; cependant, ce n’est pas un prérequis,
Figure 1.2 Un résumé C – K de la deuxième partie de la thèse
comme il suffit de suivre les flèches du schéma pour suivre le déroulement du document, les concepts proposés par notre travail et les connaissances utilisées ou créées.
Partie I
- Théorie -
Si j'ai vu plus loin que les autres, c'est parce que j'étais assis sur les épaules des géants
Isaac NEWTON
Chapitre 2. La conception
2.1 Terminologie
Comme remarqué par Love (2000), la multiplicité de concepts dans la littérature sur la conception et la diversité des significations qui leurs sont attribuées peuvent devenir une source de confusion. Il serait donc utile de clarifier la terminologie que nous employons. Une multitude de définition du processus de conception existe dans la littérature (cf. Perrin (2001), Evbuomwan et al. (1996) pour des revues). Nous adaptons la définition générale suivante pour le processus de conception basé sur le noyau commun de ces définitions :
« Le processus de conception est un ensemble d'activités et de processus qui commencent par la réalisation des besoins et une intention de proposer une solution répondant à ces besoins où le problème initial (et l'idée de solution associée) est continuellement transformé, raffiné et détaillé en créant et/ou utilisant des connaissances pour fournir les informations nécessaires pour l'implémentation de cette solution. »
Ici, une solution peut être un produit, un service ou un processus ; une entité plus ou moins concrète : une voiture, un bâtiment, un processus chimique, un logiciel, un programme, etc... La conception est une activité où la personne qui l'entreprend (le concepteur) doit élaborer une description d'une solution à partir d'une description de problème initiale en employant ses capacités (mentales ou physiques). Une conception est une description (représentation externe) « achevée » (prête pour l'implémentation). Un concept est une
représentation (interne ou externe) de solution incomplète où le niveau de détail (ou d'abstraction) peut varier. D'un point de vue général, nous admettons qu'une description peut être vue comme ensemble de propriétés (ou d'éléments) et de relations entre ces propriétés. Nous employons également le terme « artéfact » pour parler d'une représentation externe de ce qui est en train d'être conçu.
2.2 L'importance des activités de conception
2.2.1 Importance économique des activités de conception
De nos jours, plus que jamais, la compétitivité est une condition de survie et de croissance pour les entreprises, et donc, elle constitue un souci incontournable et omniprésent pour celles-ci. Ainsi, durant les années 70, lorsque les entreprises anglaises ont constaté une chute importante dans leurs exportations, tout comme les entreprises américaines dont les industries ont reconnu un déclin dans les années 80, ils ont du s'interroger sur les raisons de cette baisse de compétitivité et de pertes de part de marché (Perrin 2001).
Plusieurs hypothèses avancées telles que la non-compétitivité des prix, les pertes de productivité, la manque d'habileté dans les relations industrielles ont été rejetées au profit de mauvaises performances dans les activités de conception (Perrin 2001). Une étude menée par une centaine de chercheurs, à Massachusetts Institute of Technology a montré que, bien qu'ils soient encore les plus forts en matière de recherche fondamentale, les entreprises américaines ont du mal à transformer ses inventions en produits (Dertouzos et al. 1990; Perrin 2001). En Grande Bretagne, le Corfield Report a avancé des arguments allant dans le même sens (Perrin 2001) : la baisse de performance des entreprises anglaises provenait de la qualité du travail fournie et non de la quantité ou le volume des outputs finaux ; le problème était dans la valeur ajoutée aux matières premières ; cette valeur ajoutée est déterminée plus par la qualité de conception et par la manière dont celle-ci est mise en oeuvre pour prendre en compte les besoins des consommateurs que par d'autres facteurs (Perrin 2001).
2.2.2 Le Triptyque Qualité-Coût-Délais
En effet, le consommateur de nos jours est le plus exigeant qui fût : il demande une très grande variété de produits et de services, avec la plus grande qualité, au prix le plus bas et le plus vite possible. Dans ces conditions, le triptyque Qualité-Coût-Délais a gagné en importance et est devenu prédominant (Ciavaldini 1996):
L'importance de la qualité
Le vingtième siècle fût marqué, pour les entreprises, par la devise
« rationalisation des systèmes de production ». Beaucoup d'efforts ont été consacrés dans cette voie autour du vocable « qualité », surtout à partir de la deuxième moitié du siècle : Kanban, juste à temps, les cercles de qualités, la qualité totale, etc. Sur ce plan, un point de saturation est atteint dans la mesure où les entreprises ont excellé dans la pratique de mesures des qualités (Ciavaldini 1996). Alors, l'attention s'est tournée progressivement vers les activités de conception où restaient encore des espaces de progrès non explorés et où la plus grande partie des coûts et des délais était déterminée (Ciavaldini 1996) : « Nous avons déjà dépassé un jalon, celui de la qualité : sur ce point, nos modèles sont comparables aux meilleures voitures allemandes ou japonaises (...) Cependant, il ne faut pas dormir sur ces lauriers (...) il faut, de plus, redoubler d'énergie dans l'offensive engagée contre les délais et les coûts , où la bataille est loin d'être gagnée. » [Savoye, Directeur du Projet Laguna, Collection R&D, no. 13, dans Ciavaldini (1996)].
Importance des Délais
Stalk et Hout (1993) revendiquent que l'avantage gagné par la réactivité emporte sur tout autre sorte d'avantage. Donc, le chrono-competition (la compétition par le temps) est la variable stratégique majeure (Navarre 1993) : « le raccourcissement du cycle de développement est un outil qu'aucune entreprise ne peut se permettre d'ignorer si elle veut rester viable » (Reinertsen 1983). L'exemple de compétition entre Honda et Yamaha est illustratif à cet égard (Perrin 2001): Quand en 1981, Yamaha déclara la guerre à Honda pour déloger cette firme de sa position de leader sur le marché de la moto, Honda utilisa comme principale arme de défense l'augmentation du nombre de ses nouveaux modèles.
Figure 2.1 Les coûts dérivés en développement Seifert et Steiner (1995) dans Ciavaldini (1996)
Au début du conflit, Honda avait 60 modèles de moto sur ses lignes de productions : après 18 mois, cette firme avait introduit ou remplacé 113 modèles. Yamaha qui avait également 60 modèles, ne fut capable de gérer que 17 changements de modèles durant ces 18 mois. A cotés des Honda les Yamaha paraissaient vieilles, démodées. Yamaha se retrouva avec un an de stock chez les revendeurs et dût se rendre (Stalk et Hout 1993).
Nous voyons donc que les délais de conception sont parmi les coûts les plus pénalisants. D'après Garel (1994), non seulement développer rapidement a ses avantages (augmentation de la durée de vie des ventes, de la part de marché, des marges, etc.), mais, a contrario, un développement lent a les inconvénients des plus graves : perte de part de marché, de rentabilité de R&D, ruine de l'image commerciale, etc.). Seifert et Steiner (1995) et Reinertsen (1983) apportent des arguments dans le même sens que Garel (1994). Nous constatons, par exemple, que si les coûts de production sont 10% plus élevés que prévu, la diminution des gains totaux d'un projet est de 4%, par contre si la production commence 6 mois en retard, on a un perte de gain totaux de 30%. [Seifert et Steiner (1995) après une étude sur plus de 600 entreprises productives internationales]. A son tour, Reinertsen (1983) donne les évaluations suivantes dans le cadre d'une étude sur le développement d'imprimante laser :
Figure 2.2 Facteurs influant le bénéfice des projets de conception, Reinertsen (1983) dans Ciavaldini (1996)
Coûts engagés et coûts effectifs des activités de conception
Les activités de conception sont déterminantes des coûts à deux titres. D'une part, ces activités ont leurs propres coûts, d'autre part, et beaucoup plus important encore, c'est pendant ces activités que la plus grande partie des coûts d'un projet de développement est engagée suite aux décisions prises.
Ainsi, par exemple, « General Motors déclare que 70 % des coûts de fabrication des transmissions de camion sont déterminés durant la conception. Rolls-Royce a révélé que les activités de conception déterminent 80 % des coûts finaux de 2000 composants des produits fabriqués par cette entreprise » Corbett (1986) dans Perrin (2001)).
Aussi, au fur et à mesure que le projet avance, les possibilités d'agir sur les coûts du projet se réduisent. D'un côté, la réduction des coûts possibles devient moins évidente, de l'autre côté, les coûts des modifications s’alourdissent, avec l'avancement du projet. En fait, les grandes orientations d'un projet sont fixées au début, et les phases ultérieures sont consacrées à élaborer les détails de ces orientations qui donnent les traits essentiels. Ainsi, pour donner un exemple caricaturale, c'est au départ qu'il est décidé si « une voiture sympa » est « une petite voiture pas chère avec un look mignon » ou bien c'est « une voiture rapide et luxueuse ». Une fois cette décision prise, les concepteurs vont avancer en déterminant en fonction de leur ressources et disponibilités (budget, connaissances, contrats internes/externes, délais) ce que va être le produit final.
Figure 2.3 Les coûts engagés lors de la conception; d'après Perrin (2001).
A l'évidence, revenir sur cette décision initiale, pour la modifier, sera d'autant plus coûteux à la fin des activités de conception qu'au départ, comme le travail déjà effectué, disons, pour la petite voiture pas chère, ne pourra pas contribuer aux nouvelles orientations une voiture rapide et luxueuse, du fait de changement majeur dans les traits essentiels du produit. La réduction des coûts possibles aussi est en grande partie déterminée par les décisions prises au départ.
Dans ces conditions, augmenter sa part de marché devient équivalent à lancer un modèle avant les concurrents et vendre le plus possible jusqu'à ce que les équilibres de marché s'établissent et que les prix baissent (Perrin 2001, Ciavaldini 1996). A cet égard, raccourcir le temps de transition de la recherche au développement, afin de réduire les délais, devient une des préoccupations principales des entreprises. D'où l'importance et la nécessité de construire des outils et démarches pour aider à la conception.
2.3 Modèles du processus de conception
Compte tenu de l'impact économique des activités de conception, le besoin de
« rationaliser » ces processus s’est progressivement imposé dans les communautés professionnelles depuis la deuxième partie du vingtième siècle.
Figure 2.4 Les possibilités de réduction des coûts; d'après Perrin (2001).
Parallèlement, au sein de la communauté scientifique, les théories et les méthodologies de conception pour mieux comprendre et gérer ces activités se sont multipliées. Bien que leurs importances aient commencé à être reconnue de plus en plus durant les années 80, les travaux de recherche relevant des activités de conception remontent plus loin, vers les années 60. Comme il est dans la nature des choses, certaines des modèles, des lignes d'idées, des théories se sont avérées plus influents que d'autres. Dans la suite, nous allons présenter certaines modèles classiques, sur lesquelles ont été bâties bien des recherches, pour donner une première compréhension de ce que c'est la conception et afin de fonder de bases nécessaires pour mieux appréhender la théorie C – K.
2.3.1 Le modèle Analyse-Synthèse-Évaluation
Le modèle Analyse-Synthèse-Évaluation (ASE) à trois étapes est dû à Asimow (1962). L'étape « Analyse » consiste à la clarification et au recensement des objectifs, à la formulation du projet de conception en termes précis et neutres. Il est sous-entendu par « termes précis » et « neutres » une formulation du projet de conception par des spécifications de performance d'une manière qui ne fait intervenir, a priori, aucune idée de solution. Dans l'étape « Synthèse », des solutions partielles sont trouvées
pour chacune des spécifications de performances, pour ensuite combiner les solutions partielles compatibles entre elles pour proposer de diverses conceptions. A la dernière étape, une « Évaluation » de ces propositions est faite, afin de choisir celles qui sont convenables. Le cycle peut ensuite être répété pour réexaminer ou améliorer les solutions trouvées. Dans ce cas, chaque cycle apporte plus de précision sur la solution que les précédents.
Le modèle décrit le processus de conception à un niveau d’abstraction élevé.
Par ailleurs, certains éléments fondamentaux ne sont pas représenté : les concepts en cours d’élaboration, les connaissances utilisés, les concepteurs.
Cependant, les idées sous-jacentes ont leurs marques dans la littérature et contiennent certainement une part de vérité de ce que les concepteurs font dans la réalité. Parallèlement, le modèle a servi de base à la création de plusieurs modèles et instruments d'aide à la conception (Coyne et al. 1990).
Tel que nous l'avons décrit, le modèle omet le fait que ces trois étapes ne sont jamais sans interactions et complètement disjointes. Par exemple, la synthèse peut éclairer des éléments qu'il faut reprendre en compte dans la phase Analyse.
Remarquons, en dernier, que le modèle semble être proche du fameux modèle Renseignement-Conception-Choix de Simon (1955). Ainsi, dans l'étape Analyse, le concepteur se renseigne sur la situation problématique et les possibilités qui s'ouvrent devant lui ; en suite, tenant compte du résultat de cette étape, il conçoit des alternatives, par une Synthèse. Les concepts ainsi crée sont évalués pour choisir le plus prometteur.
2.3.2 Les trois logiques d’actions: Convergence-Transformation-Divergence Jones (1970) propose un modèle tout à fait proche à ASE, en reformulant les trois étapes d'une autre manière : Divergence, Transformation, Convergence (DTC) :
• Divergence : On tente de « forcer » les frontières de la situation de conception pour élargir l'espace des recherches de solutions.
• Transformation : On construit, à partir des résultats de la logique de divergence, une structure, un modèle, une solution, d'une manière la plus astucieuse et créative possible.
• Convergence : L'incertitude due à la multiplicité des solutions possibles est réduite en évaluant celles-ci afin de sélectionner la solution la plus satisfaisante.
Nous remarquons immédiatement une similarité entre les étapes respectifs de DTC et ASE. Cependant, posé de cette manière, de nouvelles nuances apparaissent. Nous voyons cette fois-ci, que dans l'étape Analyse, il y a une certaine tentative de se diverger pour rechercher de nouvelles perspectives pour poser le problème de conception. Dans le modèle DTC, nous voyons donc plus explicitement l'intérêt de ne pas penser au projet de conception comme unique et objectivement défini. Aussi, le mot divergence fait penser immédiatement à une recherche d’inspiration, sinon d'information, qui permettra, durant la phase transformation, de construire d'une manière la plus créative possible des solutions pouvant répondre au projet de conception.
Le modèle DTC étant similaire au modèle ASE, ses points faibles se ressemblent. Le modèle DTC n'indique pas « comment » ces étapes sont conduites et de quelles manières elles sont reliées. Il se place à un niveau très général et ne rend pas compte de la relation entre les étapes proposées.
2.3.3 L'arbre de conception de Marples
Marples (1960) a proposé un modèle du processus de conception à partir des études de cas en conception. Ses observations le mènent à représenter le processus de conception par un « arbre » où la racine correspond aux spécifications initiales. Ensuite, le projet de conception est décomposé en sous-projets. Pour chaque sous-projet il peut y avoir plusieurs alternatives.
Alors les concepteurs font des choix à chaque noeud quant aux sous-projets qu’ils vont utiliser pour mener à bien le projet de conception. L'ensemble des sous-projets finalement retenus forme ensemble la solution retenue. Cette façon de procéder peut être représentée par un arbre sur laquelle les décisions prises ainsi que les alternatives considérées apparaissent. Dans ce modèle, nous voyons apparaître une « hiérarchie » de projets de conception. Aussi, pouvons-nous localiser les moments où les décisions sont prises. Cependant, une lacune que nous pourrions reprocher à ce modèle concerne la non- visibilité des interrelations entre différents sous-projets.
Figure 2.5 L'arbre de conception de Marples.
Plus spécifiquement, les contraintes qu’un sous-projet imposent sur un autre.
Par exemple, lors de la conception d’une voiture, les décisions de conception prises pour le moteur vont irrémédiablement avoir des implications sur le châssis et vice versa.
Le modèle pourra être exploité pour enregistrer l'historique du processus de conception et le raisonnement suivi durant le processus en termes des problèmes considérés, des solutions proposées et des décisions prises.
2.3.4 Le modèle FBS de Gero
Dans son travail sur la théorie générale de système, Lemoigne (1977) remarque que n'importe quel objet peut être défini comme une triangulation de trois pôles ; Figure 2.7. A part le pôle ontologique qui énonce ce que l'objet est, il y a le pôle fonctionnel qui énonce ce que fait l'objet et le pôle génétique qui énonce ce que sera l'objet ou comment il va évoluer.
Figure 2.6 Modèle de triangulation de Lemoigne (1977) pour définir un objet
Gero (1990) a proposé un schéma de représentation quelque peu semblable pour représenter des concepts. Selon ce schéma, des concepts peuvent être décrits en utilisant trois groupes de variables : F, la fonction (le téléologie de l'objet, pour quoi l'objet est fait), S, la structure (de quoi l'objet est fait), B, le comportement (comment se comporte l'objet ou quelles sont ses performances). Les variables de structure incluent des composants, des attributs de ces composants et des relations entre ceux-ci.
Considérant la similarité entre le modèle de Lemoigne et le modèle de Gero, nous pouvons constater que le schéma proposé par Gero revient en son essence à considérer un concept comme un système. Il est acclamé que le schéma FBS est suffisamment général pour représenter toute sorte d'objets, même des agents (Gero et Kannengiesser 2002). Dans les chapitres ultérieurs, nous verrons que le système que nous proposons fait usage de ce schéma de représentations pour les concepts.
Basé sur le schéma de représentation de FBS, Gero (1990) propose un modèle du processus de conception ; Figure 2.7. Selon ce modèle, la conception est la production d'une description D d'une structure S qui accomplira un ensemble de fonctions F en exhibant un ensemble de comportements B.
Figure 2.7 Modèle F-B-S du processus de conception.
Dans un processus de conception, F, B et S sont liés par certains processus.
Les concepteurs formulent des comportements ciblés qui vont implémenter ou réaliser les spécifications fonctionnelles (processus 1). Puis, ils essayent de synthétiser une structure qui est supposée exhiber ce comportement ciblé (processus 2). L'analyse est effectuée pour dériver le comportement actuel de la représentation structurale (processus 3). Les comportements ciblés et dérivés sont alors comparés pour évaluer le concept (processus 4). Cette évaluation peut mener à une reformulation de S, de Be ou de F (processus 5, 6, 7, respectivement). Si la représentation du concept est jugée satisfaisante, une description D de celle-ci est produite.
Ce modèle peut être interprété sur la base du modèle ASE ; le concepteur analyse le projet de conception et formule des fonctions que l’artefact doit remplir pour répondre au besoin. A partir de ces fonctions, les comportements que l’artefact doit exhiber pour réaliser ces fonctions vont être formulés (e.g. « B : taux de transmission lumière de t unité»). Puis, il procède à une synthèse pour obtenir des solutions (e.g. « S : vitre de dimension de XxY ». Les structures ainsi obtenues vont être évaluées pour continuer le processus. Dans le cas où celle-ci est satisfaisante le processus
s’arrête, sinon une reformulation de structure ou de comportements ciblés ou de fonctions est nécessaire. Cependant, le modèle FBS donne un compte rendu plus riche du processus en distinguant la fonction, les comportements et la structure d'un objet de conception. Cette distinction est importante puisque les travaux empiriques mettent en évidence que les concepteurs distinguent en effet entre ces caractéristiques d'un objet à concevoir (Suwa et al. 1999, Bilda 2003). En outre, en posant cette distinction, des nuances apparaissent, telles que la reformulation du problème peut se produire à plusieurs niveaux.
2.3.5 Le modèle de Pahl et Beitz
Pahl et Beitz (1984) ont proposé une synthèse de l'approche allemande en ingénierie mécanique. La méthodologie proposée se base sur un modèle du processus de conception illustré par la Figure 2.8. La phase de création de concept se réfère, dans ce modèle, à une étude de l'espace de fonctions et de sous-fonctions. Un ensemble de fonctions est construit à ce stade, traditionnellement, à partir d'une analyse fonctionnelle (e.g., en combinant de différentes fonctionnalités à partir d’un catalogue de fonctions). La conception morphologique fait intervenir le choix de formes et des dimensions de l'objet à concevoir. Conception en détail consiste à déterminer les paramètres de l'objet d'une manière détaillée, permettant de préparer des documents nécessaires pour l'achat de matériel ou de fabrication de l'objet.
Le travail de Pahl et Beitz a été diffusé très largement et la méthodologie et les outils qu’ils ont proposé autour de ce modèle ont eu un vaste impact tant dans la recherche en conception que dans la formation des ingénieurs autour du monde. Plusieurs modèles dérivés de leurs résultats ont été proposé et appliqué (Perrin 2001). En réalité, ce travail a tellement façonné la compréhension et la pratique de l’activité de conception qu’il a causé une stagnation ! En présence d’une méthodologie, qui marchait, apparemment, très bien, il devenait difficile de proposer des alternatives et les propositions tendaient à raffiner la méthodologie existante. Ceci a entraîné un découpage du processus très décisifs, parallèlement aux phases suggérées par le modèle, où les solutions partielles préfabriquées existaient pour chaque phase et le travail de conception consistait à leur combinaisons et ajustements.
