research€methods:€systems€approach aarne mämmelä ·...

31
1 VTT TECHNICAL RESEARCH CENTRE OF FINLAND Aarne Mämmelä 16.10.2007 1 Research methods: systems approach Research methods: systems approach Aarne Aarne Mämmel mmelä The systems approach, which is also called the holistic or top-down approach, is a complementary approach to the conventional scientific or reductive (bottom-up) approach described in an earlier session. It is not meant to replace the reductive approach. The systems approach started to develop only in the 1950’ s, including systems analysis and systems engineering. It is not yet at all complete due to challenges met. An ordinary set is a collection of objects classed together and having a common property, but a system is a set of parts so related as to form a whole with a certain purpose. We will present two architectures of systems called hierarchical (or serial) and network (or parallel) architectures. Most man-made systems are hierarchical and modular with a minimum number of interfaces between modules. (Continued) VTT TECHNICAL RESEARCH CENTRE OF FINLAND Aarne Mämmelä 16.10.2007 2 Research methods: systems approach Research methods: systems approach Aarne Aarne Mämmel mmelä (Continued) The fundamental system resources include material, energy, information, and capital. The aim of a designer is to use those resources as efficiently as possible. It is known that optimization of separate parts does not necessarily result in an optimal system. The efficiency is measured by performance metrics, which are also called performance criteria or performance measures. Systems are difficult to analyze because of the many interacting parts. On each hierarchy level there are some emergent properties that come from the interactions and they cannot be easily explained. Some deterministic systems are even chaotic unless they are designed carefully. The design of systems is not completely sequential but highly iterative. Some examples of fundamental problems will be briefly described.

Upload: others

Post on 03-Sep-2019

0 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

1

VTT TECHNICAL RESEARCH CENTRE OF FINLAND

Aarne Mämmelä 16.10.2007 1

Research methods: systems approachResearch methods: systems approachAarneAarne MMäämmelmmelää

The systems approach, which is also called the holistic or top­downapproach, is a complementary approach to the conventional scientific orreductive (bottom­up) approach described in an earlier session. It is notmeant to replace the reductive approach. The systems approach started todevelop only in the 1950’s, including systems analysis and systemsengineering. It is not yet at all complete due to challenges met. An ordinaryset is a collection of objects classed together and having a common property,but a system is a set of parts so related as to form a whole with a certainpurpose. We will present two architectures of systems called hierarchical (orserial) and network (or parallel) architectures. Most man­made systems arehierarchical and modular with a minimum number of interfaces betweenmodules. (Continued)

VTT TECHNICAL RESEARCH CENTRE OF FINLAND

Aarne Mämmelä 16.10.2007 2

Research methods: systems approachResearch methods: systems approachAarneAarne MMäämmelmmelää

(Continued) The fundamental system resources include material, energy,information, and capital. The aim of a designer is to use those resources asefficiently as possible. It is known that optimization of separate parts doesnot necessarily result in an optimal system. The efficiency is measured byperformance metrics, which are also called performance criteria orperformance measures. Systems are difficult to analyze because of the manyinteracting parts. On each hierarchy level there are some emergentproperties that come from the interactions and they cannot be easilyexplained. Some deterministic systems are even chaotic unless they aredesigned carefully. The design of systems is not completely sequential buthighly iterative. Some examples of fundamental problems will be brieflydescribed.

2

VTT TECHNICAL RESEARCH CENTRE OF FINLAND

Aarne Mämmelä 16.10.2007 3

Summary of my lecturesSummary of my lectures

•A doctor must be able to discover new scientific knowledgeindependently (lecture 1)

•Existing knowledge in the literature is best found throughbibliographies, citations, and databases (lecture 2)

•All documents are written using a hierarchical top­downapproach (lecture 3)

•The actual research is a learning process where theopposite bottom­up approach (reductive approach) is used(lecture 4)

•Also top­down approach (systems approach) can be usefulto foster creativity and support learning (lecture 5)

VTT TECHNICAL RESEARCH CENTRE OF FINLAND

Aarne Mämmelä 16.10.2007 4

Research methods: systems approachResearch methods: systems approach

•Introduction

•Reductionism and holism

•Basic resources

•Open problems

•History and roadmaps

•Conclusions

•References

3

VTT TECHNICAL RESEARCH CENTRE OF FINLAND

Aarne Mämmelä 16.10.2007 5

IntroductionIntroduction

VTT TECHNICAL RESEARCH CENTRE OF FINLAND

Aarne Mämmelä 16.10.2007 6

Balloon in a CarBalloon in a Car

•What happens to the helium balloon?

4

VTT TECHNICAL RESEARCH CENTRE OF FINLAND

Aarne Mämmelä 16.10.2007 7

Technology: Natural Science and EngineeringTechnology: Natural Science and Engineering

SocietyOrganic nature

Waste

Inorganic nature Products/services

Science

HumanitiesSocial science

Engineering

Ecosystem Technosystem

Materials/laws

Human beings

Energy

VTT TECHNICAL RESEARCH CENTRE OF FINLAND

Aarne Mämmelä 16.10.2007 8

SciencesSciences,, PracticesPractices, and, and TechnologyTechnology[Wilson99], [Schwanitz99][Wilson99], [Schwanitz99]

5

VTT TECHNICAL RESEARCH CENTRE OF FINLAND

Aarne Mämmelä 16.10.2007 9

Researcher and OrganizationResearcher and Organization

8. Integration of results

ROLE OF ORGANIZATION ROLE OF RESEARCHER

1. History and state of the art

2. Vision and roadmap

3. Fundamental principles andproblems

4. Research problems and projects

5. Marketing, recruiting, investing

6. Project plans

7. Research culture and education

Literature review

Problem  andhypotheses

Experiments/analysis

Theory/paper(new knowledge)

System(prototype)

Idea

VTT TECHNICAL RESEARCH CENTRE OF FINLAND

Aarne Mämmelä 16.10.2007 10

What a System is [Hall62]What a System is [Hall62]

•System is a set or arrangement of things so related orconnected as to form a unity or organic whole (forexample, the solar system)

•a set of parts with relationships between the partsand between their properties

•Desirable subjects for a systems engineer:probability and statistics, philosophy, economics,psychology, language

6

VTT TECHNICAL RESEARCH CENTRE OF FINLAND

Aarne Mämmelä 16.10.2007 11

SetSet­­member and partmember and part­­whole relations [Honderich05]whole relations [Honderich05]

•A whole consists of parts, properties, relations, andevents.

•A process is a series of changes with some unity orunifying principle (time is the dimension of change).

VTT TECHNICAL RESEARCH CENTRE OF FINLAND

Aarne Mämmelä 16.10.2007 12

Reductionism and HolismReductionism and Holism[Checkland99], [Honderich05][Checkland99], [Honderich05]

•reductionism: theory that every complex phenomenoncan be explained by analyzing the simplest, most basicphysical mechanisms that are in operation during thephenomenon (scientific approach)

•holism: theory that whole entities have an existenceother than as the mere sum of their parts (systemsapproach)

•emergence: occurrence of properties at higherlevels of organization which are not predictable fromproperties found at lower levels [Nagel79], forexample transparency of water, temperature of a gas

7

VTT TECHNICAL RESEARCH CENTRE OF FINLAND

Aarne Mämmelä 16.10.2007 13

Classification of SystemsClassification of Systems

•Systems are divided into two classes [Pagels88]

•Hierarchical systems (most engineering systems,serial organization)

•Network systems (there is no top and bottom, muchredundancy, parallel organization, for example brain)

•Our analytical tools are not valid in complex systems[Bertalanffy98], [Pagels88]

•Properties of a system depends on the parts and theirrelations (“everything depends on everything”, forexample three­body problem in physics, two­bodyproblem corresponds to a feedback system)

•Complex systems may have a chaotic behavior

VTT TECHNICAL RESEARCH CENTRE OF FINLAND

Aarne Mämmelä 16.10.2007 14

Product Life Cycle (1) [Belliveau02]

8

VTT TECHNICAL RESEARCH CENTRE OF FINLAND

Aarne Mämmelä 16.10.2007 15

Product Life Cycle (2) [Belliveau02]Product Life Cycle (2) [Belliveau02]

•product requirements (translation of customer needsinto technical terms)

•product concept (description of the technology, primaryfeatures, and form of a product)

•product specifications (description of a product to bedesigned which operates in the environment specified inthe product requirements)

VTT TECHNICAL RESEARCH CENTRE OF FINLAND

Aarne Mämmelä 16.10.2007 16

Performance [Bock01], [amc03], [ISO Guide 99]Performance [Bock01], [amc03], [ISO Guide 99]

•Performance metric is a function (for example mean­squareerror) of a quantity whose output is performance value

•Performance value or performance is the numerical value ofthe performance metric, to be compared with the performancerequirement

•Performance requirement is desired performance value thatdescribes some user need

9

VTT TECHNICAL RESEARCH CENTRE OF FINLAND

Aarne Mämmelä 16.10.2007 17

Trueness, Precision, and Accuracy,Trueness, Precision, and Accuracy,[amc03], [ISO Guide 99][amc03], [ISO Guide 99]

•Trueness (smallsystematic error)

•Precision (smallrandom error)

•Accuracy (smalltotal error)

VTT TECHNICAL RESEARCH CENTRE OF FINLAND

Aarne Mämmelä 16.10.2007 18

Uncertainty [amc03], [ISO Guide 99]Uncertainty [amc03], [ISO Guide 99]

•Each statistical measurement result should be presentedwith  three  numbers:  1)  average,  2)  confidence  interval,and 3) confidence level [Kreyszig83]

10

VTT TECHNICAL RESEARCH CENTRE OF FINLAND

Aarne Mämmelä 16.10.2007 19

Accuracy and uncertainty [amc03], [ISO Guide 99]Accuracy and uncertainty [amc03], [ISO Guide 99]

Accuracy the closeness of agreement between  a measurement  result and theaccepted reference  value (the  accepted  true  value  of  the  measurand),includes the terms trueness and precision, expressed with uncertainty

Trueness the closeness of agreement between the average value obtained froma  large series of  measurement results and  the  accepted reference value,includes systematic errors only

Precision the closeness of agreement between independent measurementresults obtained under stipulated conditions, includes random errors only

Uncertainty parameter that characterizes the dispersion of the quantityvalues that are being attributed to a measurement, includes systematic andrandom errors, expressed for example with standard deviation (if knownsystematic errors are first removed), or confidence interval (coverageinterval in ISO terminology) and confidence level (coverage probability inISO terminology)

VTT TECHNICAL RESEARCH CENTRE OF FINLAND

Aarne Mämmelä 16.10.2007 20

Resources are Converted into Properties (1)Resources are Converted into Properties (1)[Checkland99], [Honderich05][Checkland99], [Honderich05]

•Performance is the manner in which something reactsor fulfils its intended purpose, measures the efficiency inusing the basic resources

•Complexity refers to the number of parts and theirrelations, measured by the amount of used resources

11

VTT TECHNICAL RESEARCH CENTRE OF FINLAND

Aarne Mämmelä 16.10.2007 21

Resources are Converted into Properties (2)Resources are Converted into Properties (2)

Tem

per

atur

eP

ress

ure

Hu

mid

ity

Vib

rati

on

VTT TECHNICAL RESEARCH CENTRE OF FINLAND

Aarne Mämmelä 16.10.2007 22

Analysis, Simulations, and Experiments (1)Analysis, Simulations, and Experiments (1)

AnalysisAnalysis

Simulation

Prototype

12

VTT TECHNICAL RESEARCH CENTRE OF FINLAND

Aarne Mämmelä 16.10.2007 23

Analysis, Simulations, and Experiments (2)Analysis, Simulations, and Experiments (2)

1. Mathematical analysis (theoretical model)

• creates best scientific papers

• simple, mathematically tractable problem, must be often linear(numerical results needed)

2. Simulations (numerical analysis of the theoretical model)

• complicated systems can be developed rapidly, but slow to simulate

• basic idea: lower level blocks are simplified and idealized (hierarchy)• key problem: realistic models for the environment (e.g. channel)

3. Prototyping (empirical research)

• more convincing than “pure”simulations, not so flexible, slow andexpensive to develop complicated systems

• environment (channel) simulators still needed (approximations!),field tests expensive, repeatability?

VTT TECHNICAL RESEARCH CENTRE OF FINLAND

Aarne Mämmelä 16.10.2007 24

Building a PrototypeBuilding a Prototype

•Build the prototype from complete components

•as high integration as possible

•Build a focused prototype instead of comprehensiveprototype [Ulrich95]

•demonstrate the novel properties

•Build a scaled prototype [Honderich05]

•macroscopic or microscopic (miniature) model

•example: use 100 Hz instead of 1000 Hz (time scaleddown by ten, spatial dimensions scaled up by ten)

•Build a virtual prototype

•simulation models are time­scaled models

13

VTT TECHNICAL RESEARCH CENTRE OF FINLAND

Aarne Mämmelä 16.10.2007 25

Verification, Validation, and Certification[Calvez93], [ISO Guide 99]

•verification is establishing the truth of a hypothesis,usually by experiment or observation (in science),confirmation that a system fulfills the specified systemrequirements, or a design step satisfies the requirements ofthe higher hierarchy level in a laboratory environment

•validation is confirmation that the system fulfills therequirements for a stated intended use (in the field),i.e., verification of system requirements that may beincomplete, or confirmation that a design step satisfies therequirements at the same hierarchy level

•certification is an external validation given by anaccredited authority

VTT TECHNICAL RESEARCH CENTRE OF FINLAND

Aarne Mämmelä 16.10.2007 26

Order: Sequential Process [Bohm92]Order: Sequential Process [Bohm92]

•Sequential process is characterized by a regular sequenceof events [Bohm92], [Honderich05]

•In project design this kind of process is called waterfallmodel where the project is divided into ratherindependent phases [Calvez93], [Leppälä03]

14

VTT TECHNICAL RESEARCH CENTRE OF FINLAND

Aarne Mämmelä 16.10.2007 27

Order: Iterative Process [Bohm92]Order: Iterative Process [Bohm92]

•Iterative or generative process is an overall process fromwhich the manifest form of things emerges creatively,internal interrelations are included, especially iterations

•In project design this kind of process is called spiralmodel: the whole process is repeated and each time theresult improves [Calvez93], [Leppälä03]

VTT TECHNICAL RESEARCH CENTRE OF FINLAND

Aarne Mämmelä 16.10.2007 28

V Model (V Cycle) [Calvez93]V Model (V Cycle) [Calvez93]

15

VTT TECHNICAL RESEARCH CENTRE OF FINLAND

Aarne Mämmelä 16.10.2007 29

Different HierarchiesDifferent Hierarchies

Description Levels

Nested Hierarchy

Layered Pattern(Successive Layers)

VTT TECHNICAL RESEARCH CENTRE OF FINLAND

Aarne Mämmelä 16.10.2007 30

Description Levels [Calvez93]Description Levels [Calvez93]

•functional model a structural (topological) model where a structure isbuilt using functions and relations between them

•behavioral model a model which describes the behavior of internalfunctions of  a system, specification of algorithms for the functions

•executive model implementation model that specifies the physicalparts of the system, consisting of processors, memories, andcommunication nodes

•An alternative description in three domains: structural domain,behavioral domain and physical domain [Gajski88]

16

VTT TECHNICAL RESEARCH CENTRE OF FINLAND

Aarne Mämmelä 16.10.2007 31

Nested Hierarchy [Checkland99]Nested Hierarchy [Checkland99]

•Levels mentioned in [Gajski88] from bottom to top: circuit,logic, microarchitectural, algorithmic, and system level

VTT TECHNICAL RESEARCH CENTRE OF FINLAND

Aarne Mämmelä 16.10.2007 32

Layered Pattern [Tanenbaum96]

•Open Systems Interconnection (OSI) model inc. (from bottom to top)physical layer, data link layer, network layer, transport layer, session layer,presentation layer, and application layer

•Each layer produces a coherent set of services to the upper layers througha public interface (lower layers seldom use upper layers and theseexceptions must be carefully documented)

•Advantages: support for standardization, dependencies are kept local,exchangeability, maintainability, and portability

17

VTT TECHNICAL RESEARCH CENTRE OF FINLAND

Aarne Mämmelä 16.10.2007 33

Summary of Design HierarchiesSummary of Design Hierarchies

VTT TECHNICAL RESEARCH CENTRE OF FINLAND

Aarne Mämmelä 16.10.2007 34

What is Guiding Our WorkWhat is Guiding Our Work

History &roadmaps

Fundamentallimits

Systemsengineering

System models,relationships,

complexity analysis

Physical limits,optimal systems,

performance analysis

Reviews of literature

18

VTT TECHNICAL RESEARCH CENTRE OF FINLAND

Aarne Mämmelä 16.10.2007 35

Fundamental Limits (about 1850Fundamental Limits (about 1850­­1950)1950)

•second law of thermodynamics (Carnot, Clausius)

•absolute zero (Kelvin)

•upper velocity limit (Einstein)

•uncertainty principle (Heisenberg)

•incompleteness theorem (Goedel)

•speed of transmission of intelligence (Nyquist)

•channel coding theorem (Shannon)

Refs. [Lundheim02], scienceworld.wolfram.com

VTT TECHNICAL RESEARCH CENTRE OF FINLAND

Aarne Mämmelä 16.10.2007 36

Some Fundamental Engineering ProblemsSome Fundamental Engineering Problems

Factory Products/Services

Waste

NatureMaterials

Waste

People

InformationEnergy Energy

Information

People

SunEnergy

•Problems: Distribution of information, energy, materials,products, and services, transportation of people, wastemanagement, etc.

19

VTT TECHNICAL RESEARCH CENTRE OF FINLAND

Aarne Mämmelä 16.10.2007 37

Some Open Problems in EngineeringSome Open Problems in Engineering

•General theory of systems (philosophy of technology,hierarchy theory) [Checkland99]

•Semantic information theory (Shannon’s statisticalinformation theory does not cover the meaning of theinformation, only the amount of information)[Checkland99]

•Network information theory (statistical informationtheory covers only isolated links) [Cover91]

•Frame problem (how a machine could decide the frame ofreference or context) [Honderich05]

VTT TECHNICAL RESEARCH CENTRE OF FINLAND

Aarne Mämmelä 16.10.2007 38

Fundamental Problems in Information EngineeringFundamental Problems in Information Engineering

Save/Display Distribution

Storage

Information

Processing

Energy

•Problems: Transfering, storing, processing and displayingof information, storing of energy, etc.

20

VTT TECHNICAL RESEARCH CENTRE OF FINLAND

Aarne Mämmelä 16.10.2007 39

Why are Some Design ProblemsDifficult to Solve? [Michalewicz04]

•no single performance metric that describes the quality of any proposedsolution is available, but a set of performance metrics that should beweighted

•the number of solutions in the search space is so large as to forbid anexhaustive search for the best answer and the iterative methods (bytrial and error) are too slow or unreliable to find the optimum solution

•the possible solutions are so heavily constrained that constructing even onefeasible answer is difficult (reduction is used to simplify the problem and thisadds an additional constraint)

•the performance metric is noisy or varies with time (need an entire seriesof solutions)

•our models may be too simplified so that any result is essentially useless

•some psychological barrier prevents us from discovering a solution

VTT TECHNICAL RESEARCH CENTRE OF FINLAND

Aarne Mämmelä 16.10.2007 40

HistoryHistory

•Internet and hypertext(rotating book mill againstthe flood of books,Agostini Ramelli, 1588)

21

VTT TECHNICAL RESEARCH CENTRE OF FINLAND

Aarne Mämmelä 16.10.2007 41

Example: History of TelecommunicationsExample: History of Telecommunications[Haykin01], [Proakis01][Haykin01], [Proakis01]

VTT TECHNICAL RESEARCH CENTRE OF FINLAND

Aarne Mämmelä 16.10.2007 42

Cultural History [Boyer91]Cultural History [Boyer91]

­3200

Babylon

USA

Egypt

Greece

India

Europe

Sumerians

Alexandria

­538

529

1636

1877

1280

Mayas

PhoeniciansSemites

Etruscans

Numbers (500­876)

Letters

Cuneiform writing

Hieroclyphics

Latin letters (­500)

Rome

Greek alphabet

Macedonia

Rome Europe

415

China

Japan

162016321637

500

­1500

­500

­3000 300

­600

­1500

­800

­2000

1200

900300

1 1000 2000­2000 ­1000­3000

Arabia

1088

1100

1123

22

VTT TECHNICAL RESEARCH CENTRE OF FINLAND

Aarne Mämmelä 16.10.2007 43

Legends (see previous page)Legends (see previous page)

Greece Europe

529 1088

Rome Europe

162016321637

­600­800

End of ancient science(Academy closed)

First university(Bologna)

Start of modern science(Bacon, Galilei, Descartes)

Start of Greek writingStart of ancient science (Thales)

Influence(other)

Influence(writing)

Arabia

1100

1123

Indian­Arabian numbersto Europe

Omar Khayyam dies622

Arabian calendar

VTT TECHNICAL RESEARCH CENTRE OF FINLAND

Aarne Mämmelä 16.10.2007 44

Roadmap and Vision (for details of roadmaps, seeRoadmap and Vision (for details of roadmaps, see[Kostoff01])[Kostoff01])

23

VTT TECHNICAL RESEARCH CENTRE OF FINLAND

Aarne Mämmelä 16.10.2007 45

TeleTele­­ImmersionImmersion((graphics.cs.brown.edu/research/telei/home.htmlgraphics.cs.brown.edu/research/telei/home.html))

•We define tele­immersion as that sense of shared presence withdistant individuals and their environments that feels substantiallyas if they were in one's own local space.

•This kind of tele­immersion differs significantly from conventional videoteleconferencing in that the user's view of the remote environmentchanges dynamically as he moves his head.

VTT TECHNICAL RESEARCH CENTRE OF FINLAND

Aarne Mämmelä 16.10.2007 46

Vision of TelecommunicationsVision of Telecommunications(mostly science fiction)(mostly science fiction)

 Worm holes?  ANSIBLE?

 Teleportation?   Time machines?

 Telepathy?  Telesocializing?

  Intergalactic network?

  Real­time Internet?  Direct MMI?  Nanobots?   Holodeck?

3000 4000 5000 6000 7000

 Quantum comms?

24

VTT TECHNICAL RESEARCH CENTRE OF FINLAND

Aarne Mämmelä 16.10.2007 47

Comments to Roadmap and Vision [Clute95]•direct man machine interface (MMI) refers to a direct wired interface to human

brains

•haptic interaction refers to the sense of touch, multi­sense interaction refers to allthe five senses

•holodeck refers to telepresence and virtual reality combined: all involved are in avirtual environment

•nanobot is a small robot moving in human brains and controlled wirelessly, it makeswireless direct MMI possible

•telepresence refers to presence in an existing environment for example as ahologram; it does not need glasses, but it needs a material (for example water vapor)to which the hologram is projected

•teleportation: the theoretical portation of matter through space by converting it intoenergy and then reconverting it at the terminal point

•virtual reality: computer­generated simulation of three­dimensional images ofenvironment or sequence of events that someone using special equipment (glasses,dress) may view and interact with a seemingly physical way

•worm hole: a hypothetical space­time tunnel or channel connecting a black hole withanother universe

•quantum communications refers to teleportation of quantum states

VTT TECHNICAL RESEARCH CENTRE OF FINLAND

Aarne Mämmelä 16.10.2007 48

ResearcherResearcher’’s Checklist (1)s Checklist (1)

•Funding, project plan, time schedule, needed competence, relatedareas, analogies, measurable milestones after some months, rough resultsfor each year

•Motivation, also long­term motivation, applications

•Problem and rough competing hypotheses, which are refinediteratively, fundamental problems preferred

•Performance metrics for both performance and complexity

•Reference results (trivial cases, complete data with optimal processing,earlier solutions, benchmarks), confidence intervals for statisticalresults

•Literature review, landmark books and papers, hierarchicalclassification of ideas, keywords, databases, good authors

•System model, a priori knowledge, block diagram to show divisioninto parts and relationships, idealizations, linear or nonlinear model,parameters, hierarchy and modularity

25

VTT TECHNICAL RESEARCH CENTRE OF FINLAND

Aarne Mämmelä 16.10.2007 49

ResearcherResearcher’’s Checklist (2)s Checklist (2)

•Bottom up approach, from simple towards more complicated, reducethe problem into simple idealized and separate subproblems, makeexperiments (empirical­inductive approach preferred), removenonidealities (distortions, interference) step by step, present results topdown (hypothetico­deductive approach)

•Discussion via brief technical reports, which are revised, goodorganization, good grammar, concise and accurate text, clearly definedterms

•Publications, novelty, significance, correctness, readability, 1­2 goodconference papers per year, 1­2 journal papers after three years

VTT TECHNICAL RESEARCH CENTRE OF FINLAND

Aarne Mämmelä 16.10.2007 50

Conclusions (1)Conclusions (1)

Literature review

Problem andhypotheses

Experiments/analysis

Theory/paper(new knowledge)

System(prototype)

Idea

26

VTT TECHNICAL RESEARCH CENTRE OF FINLAND

Aarne Mämmelä 16.10.2007 51

Conclusions (2)Conclusions (2)

Question(problem)

Answer(hypothesis)

Experience(analogies)

Criticism(testing)

VTT TECHNICAL RESEARCH CENTRE OF FINLAND

Aarne Mämmelä 16.10.2007 52

Conclusions (3)Conclusions (3)

•use bottom­up (inductive) approach in research,which is essentially a learning process

•use top­down (deductive) approach in technicaldocuments (reviews, monographs), this will make thepresentation compact and easy to follow for experts (useIMRAD structure)

•use bottom­up approach in teaching (tutorials,textbooks), and integrate results by using the top­downapproach

•remember that a doctoral thesis is not a textbook (writinga textbook is a large challenge), write the thesis forexperts in the field

27

VTT TECHNICAL RESEARCH CENTRE OF FINLAND

Aarne Mämmelä 16.10.2007 53

Conclusions (4): Iterative research methodConclusions (4): Iterative research method

VTT TECHNICAL RESEARCH CENTRE OF FINLAND

Aarne Mämmelä 16.10.2007 54

Conclusions (5): Theory and practiceConclusions (5): Theory and practice

•A good research project emphasizes theoreticalresults (usually system models) and uses prototypesfor verification and validation of the new results

28

VTT TECHNICAL RESEARCH CENTRE OF FINLAND

Aarne Mämmelä 16.10.2007 55

Conclusions (5): Theory and practiceConclusions (5): Theory and practice

• 1) In mathematics we use Hilbertian axiomatic systems (coherenceimportant), 2) in science and engineering we use hypothetico­deductive systems (coherence and correspondence with realityimportant)

• Do not mix these two axiomatic systems: location of hypothesis isdifferent (most theories in science and engineering are based ontheoretical models, but axiomatic system is an ideal form of theory).

VTT TECHNICAL RESEARCH CENTRE OF FINLAND

Aarne Mämmelä 16.10.2007 56

Final conclusionsFinal conclusions

General hints

• use bibliographies to improve your efficiencyin literature reviews (start from books andreviews, see the introduction of original papers)

• learn the terminology, write a classification(taxonomy) for the state of the art, and seehistorical trends

• define a problem and hypotheses (use bottom­up empirical­inductive approach, makeexperiments early in your project)

• start to outline the paper right from thebeginning (there will never be “more time”),emphasize good organization, use top­downdeductive approach in documents

• reserve time for all phases in your project plan

Literature review

Problem andhypotheses

Experiments/analysis

Theory/paper(new knowledge)

System(prototype)

Idea

29

VTT TECHNICAL RESEARCH CENTRE OF FINLAND

Aarne Mämmelä 16.10.2007 57

Final Word: FocusFinal Word: Focus

“General Groves ­­ asksOppenheimer [the leader ofthe Manhattan project thatdeveloped the atomic bomb] ­­ what it will take to get theGadget [atomic bomb] built.“Focus,”Oppie answers,naming a critical element atevery Great Group.”[Bennis98]

Source of the figure: Associated Press(http://www.infoplease.com/spot/mm­beamon.html)

VTT TECHNICAL RESEARCH CENTRE OF FINLAND

Aarne Mämmelä 16.10.2007 58

References (1)References (1)

• [amc03] “Terminology –the key to understanding analytical science. Part 1:Accuracy, precision and uncertainty,”AMC Technical Brief, September 2003(www.rsc.org/pdf/amc/brief13.pdf).

• P. Belliveau, A. Griffin, and S. Somermeyer (Eds.), The PDMA Toolbook 1 for NewProduct Development. John Wiley & Sons, 2002.

• W. Bennis and P. W. Biederman, Organizing Genius: The Secrets of CreativeCollaboration. Addison Wesley, 1998.

• L. von Bertalanffy, General System Theory: Foundations, Development,Applications, revised ed. New York: George Braziller, 1998.

• P. Bock, Getting It Right: R&D Methods for Science and Engineering. AcademicPress, 2001.

• D. Bohm and F. D. Beat, Science, Order and Creativity. Bantam Books, 1987.

• C. B. Boyer, A History of Mathematics. Wiley, 2nd revision edition, 1991.

• J. Clute and P. Nicholls (Eds.), The Encyclopedia of Science Fiction, reprint ed. St.Martin’s Press, 1995.

30

VTT TECHNICAL RESEARCH CENTRE OF FINLAND

Aarne Mämmelä 16.10.2007 59

References (2)References (2)

• J. P. Calvez, Embedded Real­Time Systems: A Specification and DesignMethodology. John Wiley & Sons, 1993.

• P. Checkland, Systems Thinking, Systems Practice: A 30­Year Retrospective.Wiley, 1999.

• T. M. Cover and J. A. Thomas, Elements of Information Theory. Wiley, 1991.

• D. D. Gajski, Silicon Compilation. Addison­Wesley, 1988.

• A. D. Hall, A Methodology for Systems Engineering. Princeton, NJ: D. VanNostrand Company, 1962.

• S. Haykin, Communication Systems. 4th ed. Wiley, 2001.

• Honderich (Ed.), The Oxford Companion to Philosophy, 2nd ed. Oxford UnivPress, 2005.

• ISO Guide 99:2004 International vocabulary of basic and general terms inmetrology (VIM) (draft in revision) (www.ntmdt.ru/download/vim.pdf).

VTT TECHNICAL RESEARCH CENTRE OF FINLAND

Aarne Mämmelä 16.10.2007 60

References (3)References (3)

•R. N. Kostoff, “Science and Technology Roadmaps,”IEEE Transactions onEngineering Management, vol. 48, pp. 132­143, May 2001.

•E. Kreyszig, Advanced Engineering Mathematics, 5th ed. John Wiley &Sons, 1983.

•K. Leppälä et al., Professional Virtual Design of Smart Products. IT Press,2003.

•Lars Lundheim, “On Shannon and ‘Shannon’s Formula’,”Telektronikk, vol.98, no. 1­2002, pp. 20­29, www.tu­ilmenau.de/site/mt/uploads/media/shannonLarsTelektronikk02.pdf.

•Z. Michalewicz and D. B. Fogel, How to Solve It: Modern Heuristics, 2nd ed.Springer, 2004.

•E. Nagel, Structure of Science: Problems in the Logic of ScientificExplanation. Hackett Pub Co, 1979.

31

VTT TECHNICAL RESEARCH CENTRE OF FINLAND

Aarne Mämmelä 16.10.2007 61

References (4)References (4)

•H. Pagels, The Dreams of Reason: The Computer and the Rise of theSciences of Complexity.  New York: Simon and Schuster, 1988.

•J. G. Proakis, Digital Communications. 4th ed. McGraw­Hill, 2001.•D. Schwanitz, Bildung: Alles was man wissen muss. Frankfurt, Germany:

Eichborn, 1999.•A. S. Tanenbaum, Computer Networks, 3rd ed. Prentice Hall, 1996.•K. Ulrich and S. Eppinger, Product Design and Development. McGraw­Hill,

1995.•E. O. Wilson, Consilience: The Unity of Knowledge. Random House, 1999.