Strategy Dynamics in Collective Systems Design

Abstract

Strategy dynamics are hypothesized to be a structural factor of interactive multi-actor design problems that influence collective performance. This dissertation presents a conceptual model of collective decision-making processes in engineering systems design to understand the trade-offs and risks of strategic interaction between autonomous design actors. The approach combines value-driven design, game theory, and experimentation with cognizant and computational agents to study how technical, organizational, and social factors affect collective action in a design process. Using a bi-level decision-making model, lower-level operational decisions are mapped into upper-level binary strategy sets to identify four strategy dynamics (harmony, coexistence, bistability, and defection) characterized by low and high levels of two factors, structural fear and structural greed. A controlled two-actor human-subject study using synthetic bi-level parameter design tasks inquires the effect of both factors on collective efficiency and equality, with results pointing at greed as the most impactful of the two. A generalization of fear and greed to more than two actors and a measure of individual fear–greed resistance (the harmony index) assesses the compatibility between individual strategy profiles to achieve desired collective outcomes. Agent-based simulation of abstract and context-specific design tasks delves into the ways in which organizational-level actions mitigate or intensify unfavorable strategy dynamics. A simulation case study on the adoption of peer-to-peer and centralized data-sharing paradigms in a multi-agent surrogate aircraft design problem shows how arbitrated allocation of costs equating the actors’ harmony indices paves the roads toward more stable and efficient collective strategy results in comparison to surplus division à la Shapley value. Results of this study provide an initial general description of strategy dynamics in collective systems design and help frame future work in the structuring of incentives through social constructs or mechanism design to drive collective action towards better design solutions.

Alternate abstract:

Se plantea que las dinámicas de estrategia son un factor estructural en los problemas de diseño con múltiples actores que influye en el desempeño colectivo. Esta disertación presenta un modelo conceptual de los procesos de toma de decisiones colectivas para el diseño de sistemas de ingeniería con el objetivo de comprender los intercambios y riesgos de la interacción estratégica entre quienes participan autónomamente en el diseño. El enfoque combina el diseño basado en valor, la teoría de juegos, y la experimentación con sujetos humanos y agentes computacionales para estudiar cómo los factores técnicos, organizacionales y sociales afectan la acción colectiva en un proceso de diseño. Usando un modelo de toma de decisiones de dos niveles, las decisiones operativas (nivel inferior) son condensadas como parte de conjuntos de decisiones estratégicas binarias (nivel superior) que se identifican en términos de cuatro dinámicas de estrategia principales (la armonía, la coexistencia, la biestabilidad y la defección) que, a su vez, son caracterizadas por niveles bajos y altos de dos factores estructurales, miedo y codicia. Un estudio controlado con dos sujetos que utiliza tareas sintéticas de diseño paramétrico y dos niveles de decisión indaga el efecto de estos dos últimos factores estructurales en la eficiencia e igualdad colectivas, con resultados que sugieren que la codicia estructural es el factor más relevante. Una generalización del miedo y la codicia estructurales con más de dos actores, y una medida de la resistencia individual a ambos factores (el índice de armonía) evalúa la compatibilidad entre los perfiles de estrategias individuales en busca de resultados colectivos deseados. La simulación basada en agentes usando tareas de diseño abstractas y contextuales profundiza en las formas en que las acciones organizacionales mitigan o intensifican las dinámicas de estrategias más desfavorables. Un estudio de simulación aplicada a la adopción de paradigmas de intercambio de datos centralizados y entre pares en un problema representativo del diseño de aeronaves con múltiples agentes muestra cómo la asignación arbitrada de costos para igualar los índices de armonía de todos los actores abre el camino hacia estrategias colectivas más estables y eficientes, en comparación con los resultados de la repartición de la plusvalía usando el valor de Shapley. Los resultados de este estudio proporcionan una descripción inicial general de las dinámicas de la estrategia en el diseño de sistemas colectivos y ayudan a enmarcar el trabajo futuro en la estructuración de incentivos a través de constructos sociales o diseño de mecanismos para impulsar la acción colectiva hacia mejores soluciones de diseño.