Functional models represent a form independent blueprint of a product. As with any blueprint or schematic, a consistent language or coding system is required to ensure others can read it. This paper introduces such a design language, called a functional basis, where product function is characterized in a verb-object (function-flow) format. The set of functions and flows is intended to comprehensively describe the mechanical design space. Clear definitions are provided for each function and flow. The functional basis is compared to previous functional representations and is shown to subsume these attempts as well as offer a more consistent classification scheme. Applications to the areas of product architecture development, function structure generation, and design information archival and transmittal are discussed. [S1050-0472(00)00704-2]

Developing product architectures is a key phase in design and development processes. It encompasses the transformation of product function to alternative product layouts. In this paper, we describe a new approach for identifying modules for product architectures. We begin by reviewing the terminology and motivation for modular products. The new concepts of a functional basis and time ordered function chains are used to formally derive functional models of products. Then, three heuristic methods for identifying modules from functional models are presented. Using the formal functional decomposition and heuristic methods, modular design can be executed earlier in the product development process, as illustrated by the example of a consumer power-tool product and a larger, complex maintenance device. A database of 70 consumer products is used to verify and confirm the overall modular design approach.

Peer-to-peer (P2P) energy trading has emerged as a next-generation energy-management mechanism for the smart grid that enables each prosumer (i.e., an energy consumer who also produces electricity) of the network to participate in energy trading with other prosumers and the grid. This poses a significant challenge in terms of modeling the decisionmaking process of the participants' conflicting interests and motivating prosumers to participate in energy trading and cooperate, if necessary, in achieving different energy-management goals. Therefore, such a decisionmaking process needs to be built on solid mathematical and signal processing principles that can ensure an efficient operation of the electric power grid. This article provides an overview of the use of game-theoretic approaches for P2P energy trading as a feasible and effective means of energy management. Various game- and auction-theoretic approaches are discussed by following a systematic classification to provide information on the importance of game theory for smart energy research. This article also focuses on the key features of P2P energy trading and gives an introduction to an existing P2P testbed. Furthermore, the article gives specific game- and auction-theoretic models that have recently been used in P2P energy trading and discusses important findings arising from these approaches.

The bridge between engineering design and cognitive science research is critical to understand the effectiveness of design methods as implemented by human designers. The study reported in this paper evaluates the effects of design fixation in a group of engineering design faculty, and also provides evidence for approaches to overcome design fixation. Three conditions are compared, a control, a fixation group whom were provided with an example solution, and a defixation group whom were also given materials to mitigate their design fixation. Measures include indicators of design fixation and participant perceptions. The study demonstrates that the engineering design faculty show statistically significant evidence of design fixation, but only partially perceive its effects. This study also indicates that design fixation can be mitigated. The group of participants in this study, due to their background in engineering design research and experience with student design teams, was expected to have more accurate perceptions or awareness of design fixation than the typical participant. Understanding the incongruities between participant perceptions and quantitative design outcomes are particularly of interest to researchers of design methods. For this study, clear evidence exists that designers, even those that study and teach design on a regular basis, do not know when they are being influenced or fixated by misleading or poor information.

In this paper, the benefits of distributed energy resources are considered in an energy management scheme for a smart community consisting of a large number of residential units (RUs) and a shared facility controller (SFC). A noncooperative Stackelberg game between the RUs and the SFC is proposed in order to explore how both entities can benefit, in terms of achieved utility and minimizing total cost respectively, from their energy trading with each other and the grid. From the properties of the game, it is shown that the maximum benefit to the SFC, in terms of reduction in total cost, is obtained at the unique and strategy-proof Stackelberg equilibrium (SE). It is further shown that the SE is guaranteed to be reached by the SFC and RUs by executing the proposed algorithm in a distributed fashion, where participating RUs comply with their best strategies in response to the action chosen by the SFC. In addition, a charging-discharging scheme is introduced for the SFC's storage device that can further lower the SFC's total cost if the proposed game is implemented. Numerical experiments confirm the effectiveness of the proposed scheme.

Peer-to-peer trading in energy networks is expected to be exclusively conducted by the prosumers of the network with negligible influence from the grid. This raises the critical question: how can enough prosumers be encouraged to participate in peer-to-peer trading so as to make its operation sustainable and beneficial to the overall electricity network? To this end, this paper proposes how a motivational psychology framework can be used effectively to design peer-to-peer energy trading to increase user participation. To do so, first, the state-of-the-art of peer-to-peer energy trading literature is discussed by following a systematic classification, and gaps in existing studies are identified. Second, a motivation psychology framework is introduced, which consists of a number of motivational models that a prosumer needs to satisfy before being convinced to participate in energy trading. Third, a game-theoretic peer-to-peer energy trading scheme is developed, its relevant properties are studied, and it is shown that the coalition among different prosumers is a stable coalition. Fourth, through numerical case studies, it is shown that the proposed model can reduce carbon emissions by 18.38% and 9.82% in a single day in Summer and Winter respectively compared to a feed-in-tariff scheme. The proposed scheme is also shown to reduce the cost of energy up to 118 ¢ and 87 ¢ per day in Summer and Winter respectively. Finally, how the outcomes of the scheme satisfy all the motivational psychology models is discussed, which subsequently shows its potential to attract users to participate in energy trading.

Drawing inspiration from examples by analogy can be a powerful tool for innovative design during conceptual ideation but also carries the risk of negative design outcomes (e.g., design fixation), depending on key properties of examples. Understanding these properties is critical for effectively harnessing the power of analogy. The current research explores how variations in analogical distance, commonness, and representation modality influence the effects of examples on conceptual ideation. Senior-level engineering students generated solution concepts for an engineering design problem with or without provided examples drawn from the U.S. Patent database. Examples were crossed by analogical distance (near-field vs. far-field), commonness (more vs. less-common), and modality (picture vs. text). A control group that received no examples was included for comparison. Effects were examined on a mixture of ideation process and product variables. Our results show positive effects of far-field and less-common examples on novelty and variability in quality of solution concepts. These effects are not modulated by modality. However, detailed analyses of process variables suggest divergent inspiration pathways for far-field vs. less-common examples. Additionally, the combination of far-field, less-common examples resulted in more novel concepts than in the control group. These findings suggest guidelines for the effective design and implementation of design-by-analogy methods, particularly a focus on far-field, less-common examples during the ideation process.

Advances in innovation processes are critically important as economic and business landscapes evolve. There are many concept generation techniques that can assist a designer in the initial phases of design. Unfortunately, few studies have examined these techniques that can provide evidence to suggest which techniques should be preferred or how to implement them in an optimal way. This study systematically investigates the underlying factors of four common and well-documented techniques: brainsketching, gallery, 6-3-5, and C-sketch. These techniques are resolved into their key parameters, and a rigorous factorial experiment is performed to understand how the key parameters affect the outcomes of the techniques. The factors chosen for this study with undergraduate mechanical engineers include how concepts are displayed to participants (all are viewed at once or subsets are exchanged between participants, i.e., “rotational viewing”) and the mode used to communicate ideas (written words only, sketches only, or a combination of written words and sketches). Four metrics are used to evaluate the data: quantity, quality, novelty, and variety. The data suggest that rotational viewing of sets of concepts described using sketches combined with words produces more ideas than having all concepts displayed in a “gallery view” form, but a gallery view results in more high quality concepts. These results suggest that a hybrid of methods should be used to maximize the quality and number of ideas. The study also shows that individuals gain a significant number of ideas from their teammates. Ideas, when shared, can foster new idea tracks, more complete layouts, and a diverse synthesis. Finally, as teams develop more concepts, the quality of the concepts improves. This result is a consequence of the team-sharing environment and, in conjunction with the quantity of ideas, validates the effectiveness of group idea generation. This finding suggests a way to go beyond the observation that some forms of brainstorming can actually hurt productivity.

Prototyping is interwoven with nearly all product, service, and systems development efforts. A prototype is a pre-production representation of some aspect of a concept or final design. Prototyping often predetermines a large portion of resource deployment in development and influences design project success. This review surveys literature sources in engineering, management, design science, and architecture. The study is focused around design prototyping for early stage design. Insights are synthesized from critical review of the literature: key objectives of prototyping, critical review of major techniques, relationships between techniques, and a strategy matrix to connect objectives to techniques. The review is supported with exemplar prototypes provided from industrial design efforts. Techniques are roughly categorized into those that improve the outcomes of prototyping directly, and those that enable prototyping through lowering of cost and time. Compact descriptions of each technique provide a foundation to compare the potential benefits and drawbacks of each. The review concludes with a summary of key observations, highlighted opportunities in the research, and a vision of the future of prototyping. This review aims to provide a resource for designers as well as set a trajectory for continuing innovation in the scientific research of design prototyping.