Théorie C K - Cours de conception innovante

Cours Conception de Produits et Innovation
22-26 novembre 2010
Cours 3. Conception innovante :
Théorie C-K
Pascal LE MASSON
Benoît WEIL
Ecole des Mines
Tél : 01 40 51 92 21 – 91 06
lemasson@ensmp.fr
bweil@ensmp.fr
La théorie C-K
1.! Cahier des charges d’une théorie du
raisonnement de conception innovante.
2.! Principales notions : C, K, opérateurs,
expansion
3.! Propriétés du formalisme
4.! Quelques exemples : maths, MgCO2.
Le Masson Weil, CPI, cours 3
2
1

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1- Cahier des charges d’un raisonnement de
conception innovante
1.1 le cahier des charges du formalisme
1.2 les limites des théories existantes
3
L’effet de ciseaux de la compétition par l’innovation :
établir un nouveau rapport expansion / ressources ?
Croissance des
dimensions à
concevoir : concevoir
l’identité de l’objet, ie
valeur, business model,
fonctions, technologies,
…
Effectif BE Renault
mulitpliés par 20 entre
1955 et 1995
Enjeu = maîtrise des
coûts de conception
Nombre d’ingénieurs
en BE en France
multiplié par 19 entre
1958 et 2002
Le Masson Weil, CPI, cours 3
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2

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Notions pour analyser les
transformations contemporaines
•! On considèrera que l’identité d’un objet (à concevoir) est
incertaine lorsque, pour cet objet, il y a incertitude sur l’un
des quatre langages de la conception systématique et/ou
sur la valeur pour le client et/ou le business model.
•! Conséquence : la conception systématique ne permet pas
de concevoir l’identité des objets
•! En situation d’identité des objets instables, quel régime de
conception pour instaurer un nouveau rapport entre
expansion et ressources ?
Le Masson Weil, CPI, cours 3
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Les attendus d’une théorie du
raisonnement de conception innovante
•! Les attendus :
–! Rendre compte de la mobilisation de connaissances existantes
–! Rendre compte de la création de connaissances nouvelles
–! Rendre compte des alternatives
–! Rendre compte des « surprises »
•! Limites des théories existantes (voir partie 3 pour une
approche formelle) :
–! Plus que de l’optimisation
–! Plus qu’une théorie de la décision (cf. théorie de la décision dans
l’incertain)
–! Plus qu’une théorie de la résolution de problème (cf. SEP, Simon 1969)
–! Plus qu’une théorie de la créativité (cf. Guilford 1959)
•! Limites des théories du raisonnement de conception réglée
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3

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2- Principales notions
2.1 Les espaces C et K
2.2 Les opérateurs
2.3 Les partitions
7
Les origines de la théorie C-K ou
théorie unifiée de la conception
•! Hatchuel 1996, Hatchuel et Weil 1999, 2002, 2003.
•! Origines :
–! inspirée de l'IA et SEP
–! éviter la restriction sur l'espace des connaissances
–! effort pour se dégager du langage des objets dans le
processus : indispensable pour aborder des problématiques
de conception innovante
•! Une théorie du raisonnement : ne traite pas des
organisations
Le Masson Weil, CPI, cours 3
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4

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Le modèle canonique
•! Notion d’ «espace de conception» (design space) : (X, K, D, P) :
(Objets, connaissances, décisions, objectifs)
•! X un espace d’objets = collection d’ensembles {x}, incluant les
relations R (règles…) entre ces objets :
•! K(X)= { l’ensemble des propositions connues ou vraies de (X, R) }
(espace des connaissances)
•! D (X) = {di} un espace de décisions sur X une « décision » est une proposition
de K(x) à paramètres libres, donc que nous avons le pouvoir de rendre vraie par action sur
ces paramètres

•! On appelle «conception de x » une réponse à la question :
trouver {d1, d2,..dk}, non vide, fini, ! D(X) :
{d1, d2,..dk} ! (" x ! X tel que P1(x)..Pl(x) vraies dans K(X))
Les {Pi} = P(X) forment un «concept de x » (intension) qui guide la conception
par compréhension
Les {Di} sont une «définition constructive » de x , propositions que l’on peut
rendre vraie :(extension) qui « Forcent » son existence et P(X)
En toute rigueur : P peut être à la fois en compréhension et en extension
Le Masson Weil, CPI, cours 3
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Théories de la décision
vs théorie de la conception
Modèle général
D # K(X)
D $ K(X)
La définition de x dans
La définition de x dans K(X)
K(X) permet de construire
ne permet pas de construire
les Di
les Di
Théorie de la
Théorie de la
décision et de la
conception
programmation
«optimisation
Théorie C-K «expansion
combinatoire»
conceptuelle»
Le Masson Weil, CPI, cours 3
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Creativity and knowledge:
The paradox of innovative design
Innovation = knowledge
Innovation = creativity
production (K)
Out of the box thinking thanks t new
: technical,
concepts (C)
customer, social engineering…
C
K
concepts
knowledge
This is a too
Engineering
simplistic
vision !
Creativity
Le Masson Weil, CPI, cours 3
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The path to C-K :
The specificity of design
Intuitive definition!of design "
Design starts from a concept partly unknown and undecidable!
to elaborate an object that can be described and realised !
Issue: how to work on
unknown, undecidable
i2 = -1
objects?
A « rubberles tyre »
•! Neither deduction from existing knowledge, nor induction (application of a model)
•! Nor refutation of the proposal: the concept is unprovable but not impossible!
•! Design begins with a proposition « ! x, P(x) », leading but undecidable with the
existing knowledge, because there is some unknown (not uncertainty) in it
Le Masson Weil, CPI, cours 3
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C-K theory: an expansion logic
(Hatchuel & Weil 2002)
1.! Think and act collectively on unknown objects, stimulating, and
(partly) undecidable?
2.! Two exploration spaces: the space of « solutions paths » (C,
« concept ») and the space of knowledge(K; includes the judgement
of experts and managers)
3.! A tool to change the definition of the object: expanding partitions
(« free newspaper », « ductile tungsten », « smart
clothes »…)
Hatchuel Le Masson Weil, R.&D. meeting, Vallourec, La Villette, 15th March 2006
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C-K expansion
Hatchuel (1996), Hatchuel and weil (2001,2003)
Concepts (C )
C0 = A flying boat that
is not a seaplane
Expansive partition
•! Design means expanding
concepts with new
attributes until satisfactory
definitions emerge.
•! In C the process is
diverging and/or deepening
Hatchuel Le Masson Weil, R.&D. meeting, Vallourec, La Villette, 15th March 2006
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7

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The double expansion
Knowledge (K)
A flying boat that
•! « true » propositions about
things (or people)
is not a seaplane
Propositions are used to:
•! Planes, wings,
to formulate and expand
balloons
concepts :
Outdoor
•! to test concepts
zoology
markets
•! K-dependancy or K-
Aerodynamics
illusions
T
Boats and
esting concepts
sailing
generates new
knowledge
Hatchuel Le Masson Weil, R.&D. meeting, Vallourec, La Villette, 15th March 2006
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Définitions fondamentales de la théorie
C-K (1)
•! On appelle base K un ensemble de propositions ayant un statut logique.
•! On appelle expansion de la base K l’ajout d’une proposition dans K.
–! par définition cette proposition a un statut logique
•! Etant donnée une base K, on appelle concept une proposition de la forme
{x, P(x)} sans statut logique dans la base K et interprétable dans la base
K.
–! Remarque : C est K relatif.
–! Théorème : un concept est un ensemble dont on ne peut extraire un élément
–! Théorème : un concept ne peut qu’être inclus ou partitionné (ajout ou retrait d’une
des propriétés formant la proposition P de C)
–! Corollaire : un espace de concept a une structure arborescente.
Le Masson Weil, CPI 2007, cours 3
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Four operators of innovative design
C
K
« From the known to the
unknown »
Deduction,
Refining,
optimizing,
choosing,
structuring
modelling,…
C
« From the unknown to the
known »
K
Hatchuel Le Masson Weil, R.&D. meeting, Vallourec, La Villette, 15th March 2006
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Les opérateurs C-K : opérateurs
externes
C! K : on va d’une proposition Pc sans
K! C : on va de
statut à une proposition Qk avec statut
propositions QK
vraies à un concept
(V ou F).
PC.
1) si Pc est validée comme vraie dans K :
•! On forme une
on a une conjonction :
disjonction
–
(Q
! un test, une expertise…, un calcul dans K
K!PC) :
sont des opérateurs C! K
•! par association ou
toute autre
2) Mais Pc permet aussi d’identifier dans
opération..
K une proposition partitionnante : Pc x •! on peut permettre ou
Qk
interdire une partition
Pc
Le Masson Weil, CPI, cours 3
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Les opérateurs C-K. Opérateurs internes
•! C! C : on doit respecter les
K!K : déductions, raisonnements
règles habituelles des opérations
classiques à partir de propositions
sur les ensembles
posées comme vrai, ou à partir de
•! tiers non exclu : par exemple : si
consultations de bases de
dans K un objet possède trois
connaissances : une expérience est
types disjoints, on doit poser en
considérée comme une base
principe qu’il existe toujours un
consultable.
type « autre » possible pour
clôturer la partition. Il ne jouera
aucun rôle tant qu’on ne peut le
spécifier et l’évaluer, mais cela
peut advenir
Le Masson Weil, CPI, cours 3
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Définition d’une partition restrictive
(resp. expansive)
•!Si C est un ensemble défini par •!Les partitions expansives ne
(P1,P2,…Pi,..Pk), on appelle
sont pas des décompositions
partition restrictive de C un
mais des expansions
sous-ensemble C1 (P1, P2,…,
•! Innovations potentielles à
Pk, Q), tel que la propriété A
partir de connaissances
suivante est vraie dans K :
existantes
A = Il existe au moins une
propriété Pi de C et une propriété
•! Explorent de nouvelles
Z de K telles que {Pi ET Z ! Q}
définitions des objets
Ie: sous certaines conditions (Z),
•! Explorent de nouvelles
C peut avoir la propriété Q dans
connaissances
K.
•!Si la condition A n’est pas
•! Le raisonnement de conception
remplie, alors la partition par Q
n’est pas une exploration
est dite expansive.
déductive :
–! une combinaison originale des
connaissances existantes
–
Le Masson Weil, CPI, cours 3
! une exploration-recombinaison
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Modelling Innovative Design: expanding concepts
(Hatchuel and Weil, 2003)
Designing a cheaper and lighter chair…
Innovative
design
A chair that is not a chair…
•! Type of reasoning?
•! How to model a type of reasoning that accounts for the design of such
an object… and new ones?
Hatchuel Le Masson Weil, R.&D. meeting, Vallourec, La Villette, 15th March 2006
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C-K reasoning illustration
A concept is a
in K all propositions
proposition
have a logical status
without logical
Concept
Knowledge
status in K
A smaller, lighter
K on camping chair
camping chair
N legs
0-leg form
1 leg
4 legs
3 legs
2 legs
A partition can be
The chairs we know have legs
restrictive or expansive
A concept is partioned
Man + entity
by attributes from K
An expansive partition
The « 0 leg » prototypes
Man made
Entity
equilibria
revises the object identity
lead to learn on sitting
equilibria
made
equilibria on the floor
equilibria ?
Concept leads
Cushion
to produce
Conjunction
Le Masson Weil, CPI, cours 3
new K
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The invention of ductile tungsten for filament
lamp by William Coolidge at GE (1912)
Imagine then a man wishing to
open a door locked with a
combination lock and bolted on the
inside. Assume that he does not
know a single number of the
combination and has not a chance
to open the door until he finds the
whole combination, and not a
chance to do so even then unless
the bolt on the inside is open. Also
bear in mind that he cannot tell
whether a single number of the
combination is right until he knows
the combination complete. When
we started to make ductile
tungsten, our situation was like that.
William Coolidge
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Définitions fondamentales de la théorie
C-K (2)
•! Etant donné un concept et sa base K associée, on appelle opérateur, une
opération consistant à transformer un concept (inclusion ou partition) ou à
transformer la base K (expansion)
–! Opérateurs primaires : C!C, C!K, K!C, K!K.
•! On appelle disjonction un opérateur K!C qui conserve à C son absence de
statut logique.
•! On appelle conjonction un opérateur K!C!K par lequel le concept C est
doté d’un statut logique.
•! Etant donnés une base K et C ({x, P1P2…Pn(x)} sur cette base K, on appelle
partition expansive (resp. restrictive) une partition de C mobilisant une
propriété P qui, dans K, n’est pas considérée comme associée à aucune
n+1
des Pi, i<=n. (resp. une propriété Pn+1 telle qu’il existe i<=n tel que Pi et Pn+1
sont associées dans K).
Le Masson Weil, CPI 2007, cours 3
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C : Concept Space
K : Knowledge Space
Disjunction
K
C0
K1
K
%C, partitions
K2
%K Expansion
C11
K3
Ki
New K =
Conjunction
Conjunction
Two types of partitions (K-relativity):
–!

See ICED O3 proceeding
%Cr: restrictive: known property
in K: cars have wheels
presentation Hatchuel and Weil, « A
new approach of innovative design:
–!
%Ce: expansive: unknown
property in K: cars have feelings.
an introduction to C-K Theory »
Le Masson Weil, CPI, cours 3
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Design reasoning: a dual expansion
Concept
Knowledge
Existing
K
New concepts
K-Validated
New K
concept
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3- Propriétés
2.1 Retrouver les autres théories
2.2 Types d’innovation ; caratérisation des outputs de la conception
2.3 Retrouver les critères de la créativité
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Interprétation en C-K de la
conception systématique
•
Concepts
Knowledge
! Distinctions de 4
Fonctionnel
languages = Des bases
K distinctes
Conceptuel
•! Modèles conceptuels :
dans K
Embodiment
•! Modèles génératifs :
séquences d’opérateurs
Détaillé
reliant un concept à des
connaissances
Le Masson Weil, CPI, cours 3
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Propriétés du modèle
1.!
Logique d’expansion et
logiques de validation sont
traitées simultanément
2.!
On peut suivre l’expansion
des connaissances
mobilisées : quoi et quand ?
3.!
fonctions et solutions
techniques sont conçues
ensemble ce qui permet de
réviser l’identité des objets
4.!
les stratégies de
prototypages ou de validation
(management ) sont
explicitées et dépendent des
concepts et des
connaissances disponibles
Le Masson Weil, CPI, cours 3
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Criteria for innovative design
explorations
Originality :
(=Expansive
Value
partition) :
-!Revised
- Disconnecting
performance
printed feature size
from physical
feature size
Variety: Several
ways to
disconnect printed
feature size from
Robustness-risk:
physical one
back up solutions,
variety
Hatchuel Le Masson Weil, R.&D. meeting, Vallourec, La Villette, 15th March 2006
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Une typologie des capacités
d’innovation
•! Faire « l’invention ordinaire » : &C-%k
La chaise qui n’est pas une chaise
•! « Appliquer la science » : %c- &K
La montre à quartz ?
•! La « grande ingénierie et
grande Science » : &C- &K
Chambre à bulles
Le Masson Weil, CPI, cours 3
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Les résultats d’un raisonnement de conception
V1: explored
and
suspended
concepts
V2 : specified
V4 new
V3 new
concepts
knowledge, in
knowledge used
excess (to be
on the final
reused)
product
16

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An interpretative and guiding method
Rule-based design
Innovative design
Expansions in C and
Expansions are
K are limited
important in C and K
Evaluation criteria:
Evaluation criteria: Variety, Value,
Quality, Cost, Delay
Originality, Robustness
Hatchuel Le Masson Weil, R.&D. meeting, Vallourec, La Villette, 15th March 2006
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4- Exemples
4.1 Exemples mathématiques
2.2 Exemples en Recherche : MgCO2.
34
17

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Un moteur Mg-CO2
pour l’exploration de
mars ?
International conference on low-cost planetary missions
[Shafirovitch, Salomon, Gökalp, 2003]: « Mars rover
vs Mars hopper ». (cf aussi rapport d’option)
Le Masson Weil, CPI, cours 3
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Initial phase: interpreting previous studies
C
K
C0: MgCO2 engine for Mars
Standard knowledge on physics
Missions
combustion
… without enough
Shafirovitch 1996: experiment to
… with enough
specific impulse
evaluate Mg-CO2 specific impulse: OK,
specific impulse
(negative
enough
conjunction)
C!K
1
Shafirovitch 1996: Mars landed mass
is greater with MgCO2 than with
MgCO2 engine
MgCO2 engine
for Mars mission
classic propellant
for Mars mission
for Mars
being a sample
2 K!K
missions not
return missions
return missions
Consequence:
being sample
(negative
return
MgCO2 impossible as propulsion
conjunction)
system for Mars sample return
3
missions
Le Masson Weil, CPI, cours 3
K!C
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18

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Phase 1: avoiding predefined « functions »
C
K
C0 + ¬A1 = MgCO2
Standard knowledge on physics
engine for Mars
combustion + %K
missions not being
sample return
C!K
Mars missions scenarios (logistic model +
scientific program) Evaluation (comparison
with classical propellant on similar missions on
K!C
a killer criteria)
Scenarios 1, 2…. n
K!C
K!K
Scenarios including Mg-CO2 used
on Mars perform better than
Negative conjonction for
others
C0 + ¬A1 + scenario k
attributes
Le Masson Weil, CPI, cours 3
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Phase 1: designing new « functions »
C
K
C0 + ¬A1 = MgCO2
engine for Mars
Standard knowledge on physics
missions not being
combustion + %K
sample return
Scenarios including Mg-CO2 used
+ A2: Mg-
on Mars perform better than
Somewhere
CO2 only
others
else…
used on Mars
Potential uses of an engine on
Mars: science, mobility,
+ A3:
Science
Comm.
Other
communication…
Mobility
uses
Mobility on Mars: range, speed,
terrain… sensitivity to environment
conditions or opportunities. Planned vs
Planned
+ A4: Unplanned
unplanned
Le Masson Weil, CPI, cours 3
38
19

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Phase 2: avoiding « research trap »,
designing for prototyping
C
K
Mg-CO2 engine for unplanned mobility
Previous K
on Mars surface, prototypable
… for Exomars 2012,
Next missions: ExoMars
…as an alternative
20xx…
2009, 2012, others…
to ExoMars 2009
Rover
…with R-prototyping
Different prototyping
strategy (combustion
strategies:
studies)
-! pure R (combustion)
-! pure D (Mars mission)
… with D-
… with associated
-! learning on engine design
prototyping
prototyping
strategy (Mars
strategy for engine
mission)
design
Le Masson Weil, CPI, cours 3
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Phase 3: design domain for prototyping
reveals flexibility « functions »
C
K
…an alternative to ExoMars
Previous K
2009 Rover, prototype for
engine design
K!K
C!K
Design domain
ExoMars
computation
2009
… and belongs
… and does not
tool
rover:
to the design
belong to the design
domain defined
domain (negative
<60 kg,
by system
conjunction)
<180 days
masses
<200W,
>10km
… and can be
… and can’t be tested
tested by earth
(negative conjunction)
Flexibility:
prototyping
-! on performance for mission designers
(POSITIVE
-! on masses for Mg-CO2 system designers
CONJUNCTION)
-! on masses for mission designers
Le Masson Weil, CPI, cours 3
40
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Variété
des
solutions
Révision de
l’identité
(originalité)
Robustesse
et valeur
Le Masson Weil, CPI, cours 3
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