IT201900009390A1 - Sistema automatico per la misura di tempi e metodi su linee di lavoro ed assemblaggio - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

SISTEMA AUTOMATICO PER LA MISURA DI TEMPI E METODI SU LINEE DI LAVORO ED ASSEMBLAGGIO

La presente invenzione riguarda un sistema automatico di misura dei parametri di efficienza e sicurezza del processo produttivo.

In particolare, la presente invenzione riguarda un sistema in grado di rilevare in maniera automatica e con bassa complessità e invasività, le informazioni necessarie alla tecnica di analisi denominata Tempi e Metodi.

L’applicazione principale dell’invenzione è quella di supportare con sistemi automatici la misura delle diverse operazioni svolte da operatori e macchinari lungo una linea di produzione o assemblaggio. La linea può essere totalmente manuale o mista (in cui cioè l’operatore svolge solo alcune operazioni, come ad es. il montaggio e lo smontaggio di pezzi da pallet per macchine automatiche).

L’analisi di Tempi e Metodi (Time and Motion Analysis) è una tecnica ingegneristica evoluta nel corso di decenni con l’obiettivo di individuare ed attuare azioni per il miglioramento dei processi a cui essa viene applicata. La misura cardine dell’analisi è il tempo di esecuzione delle attività, che rappresenta il riferimento rispetto al quale vengono intraprese e valutate le azioni per il miglioramento. Per ottenere una stima della durata di ciascuna attività oggetto dell’analisi, le tecniche che vengono tradizionalmente utilizzate sono essenzialmente due: la Cronotecnica ed il Metodo dei tempi standard. La prima consiste nel rilevamento, su base campionaria, della durata delle attività facendo uso di un operatore dotato di cronometro oppure si basa sull’analisi di filmati ripresi mediante strumenti audio-visivi. Talvolta si fa uso anche di scanner laser a pistola o integrati in particolari guanti che vengono puntati su codici a barre corrispondenti a ciascuna operazione e stampati in prossimità della zona di lavoro. La seconda si basa invece sulla scomposizione dei processi in una sequenza di micro-attività, delle quali apposite tabelle standard (tabelle M.T.M) riportano i tempi di esecuzione.

L’attuale tecnica risulta carente nel rispondere alle esigenze dei soggetti presenti all’interno del campo di applicazione previsto per l’invenzione. In particolare si evidenziano i seguenti punti deboli:

(i) entrambe le tecniche tradizionali (Cronotecnica e Metodo dei tempi standard) prevedono un grande dispendio di tempo per gli analisti, per l’una speso nella rilevazione diretta, per l’altra nella scomposizione dei processi fino al livello di microattività;

(ii) l’impiego delle telecamere invece ha un elevato impatto sulla privacy degli operatori (o almeno è percepito come potenzialmente impattante);

(iii) gli scanner invece alterano il normale flusso delle operazioni dell’operatore introducendo tempi inutili e affaticando l’operatore, che talvolta si dimentica di scannerizzare i barcode generando errori nei dati acquisiti.

In questo contesto, il compito tecnico alla base della presente invenzione è quello di proporre un sistema per la misura di tempi e metodi che superi almeno alcuni degli inconvenienti della tecnica nota sopra citati.

In particolare, è scopo della presente invenzione mettere a disposizione un sistema per l’acquisizione delle informazioni necessarie all’analisi in maniera automatizzata, a bassa complessità, a bassa invasività sul lavoro dell’operatore, e completamente in linea con il rispetto della privacy.

Il compito tecnico precisato e gli scopi specificati sono sostanzialmente raggiunti da un sistema per la misura di tempi e metodi, comprendente le caratteristiche tecniche esposte in una o più delle unite rivendicazioni.

Secondo la presente invenzione viene mostrato un sistema per la misura di tempi e metodi implementabile da un calcolatore e comprendente le fasi di:

- analisi tramite software di Natural Language Processing, di Image processing e di Intelligenza Artificiale della documentazione tecnica relativa al processo, col fine di ricavare una lista di operazioni elementari costituenti il processo stesso e una tabella di correlazione delle variabili di stato nel passare da una detta operazione elementare alla successiva;

- utilizzo di un sistema esperto per analizzare le variabili di stato ed elaborare un set up di monitoraggio in grado di rendere meno ambigue e più efficienti le condizioni di acquisizione delle informazioni;

- dotazione della cella di lavoro con i sensori strettamente necessari ad acquisire le variabili determinate durante le due fasi precedenti, e con microprocessori collegati ai sensori e sincronizzati tra loro così da memorizzare il momento della rilevazione (timestamp) ed eseguire semplici operazioni;

- determinazione della durata di ciascuna operazione elementare come differenza fra due timestamp;

- randomizzazione dei dati acquisiti al fine di non rendere riconoscibile l’operatore; - criptazione dei dati e dei risultati per garantire la sicurezza e la privacy aziendale. Ulteriori caratteristiche e vantaggi della presente invenzione appariranno maggiormente chiari dagli uniti disegni, che illustrano una forma di realizzazione preferita ma non esclusiva del sistema automatico per la misura di tempi e metodi. In particolare:

- Fig.1 mostra l’architettura funzionale del sistema oggetto dell'invenzione, nonché le varie fasi del processo di acquisizione e misura, a partire dall’analisi tramite software dell’intera documentazione relativa al processo, all’inserimento di sensori nell’ambiente di fabbrica, alla randomizzazione dei risultati;

- Fig.2 si concentra sullo schema di funzionamento del sistema di acquisizione dei dati direttamente nell’ambiente di lavoro, in maniera il più possibile non invasiva e non richiedente l’intervento attivo dell’operatore, tramite tag RFID, sensori di corrente etc..

Nel presente documento, le misure, i valori, le forme e i riferimenti geometrici (come perpendicolarità e parallelismo), quando associati a parole come "circa" o altri simili termini quali "pressoché" o "sostanzialmente", sono da intendersi come a meno di errori di misura o imprecisioni dovute a errori di produzione e/o fabbricazione e, soprattutto, a meno di una lieve divergenza dal valore, dalla misura, dalla forma o riferimento geometrico cui è associato. Ad esempio, tali termini, se associati a un valore, indicano preferibilmente una divergenza non superiore al 10% del valore stesso.

Inoltre, quando usati, termini come “primo”, “secondo”, “superiore”, “inferiore” , “principale” e “secondario” non identificano necessariamente un ordine, una priorità di relazione o posizione relativa, ma possono essere semplicemente utilizzati per più chiaramente distinguere tra loro differenti componenti.

Le misurazioni e i dati riportati nel presente testo sono da considerarsi, salvo diversamente indicato, come effettuati in Atmosfera Standard Internazionale ICAO (ISO 2533).

Salvo diversamente specificato, come risulta dalle seguenti discussioni, si considera che termini come "trattamento", "informatica", "determinazione", "calcolo", o simili, si riferiscono all'azione e/o processi di un computer o simile dispositivo di calcolo elettronico che manipola e/o trasforma dati rappresentati come fisici, quali grandezze elettroniche di registri di un sistema informatico e/o memorie in, altri dati similmente rappresentati come quantità fisiche all'interno di sistemi informatici, registri o altri dispositivi di memorizzazione, trasmissione o di visualizzazione di informazioni.

Il sistema oggetto dell’invenzione, di cui viene mostrata l’architettura funzionale in Fig.1, permette di rilevare Tempi e Metodi con tecniche a bassa complessità, basso costo ed invasività e rendere i risultati dell’analisi disponibili in maniera anonima e sicura.

Per poter monitorare l’esecuzione di un’attività in modo automatico e distinguerla da quella di un’altra è necessario implementare un sistema di sensori che sia in grado di riconoscerne e monitorarne gli elementi differenzianti. L’aspetto critico consiste quindi nell’individuazione del tipo e del quantitativo di sensori di cui è necessario dotare un sistema automatico di monitoraggio delle attività.

Lo scenario di riferimento è quello di celle o linee in cui le operazioni possano essere svolte sia da operatori, manualmente o mediante appositi strumenti, che da macchinari. Di seguito procediamo con la descrizione delle varie fasi di funzionamento del sistema.

Il primo passo comprende l’elaborazione di una rappresentazione del processo in termini di operazioni elementari e di variabili misurabili. In particolare, i processi di lavorazione possono essere rappresentati come macchine a stati finiti, ovvero come sistemi che possono cadere in un insieme finito di stati conseguentemente alla manifestazione di un insieme finito di eventi. Ogni stato corrisponde ad una descrizione del sistema osservato che cattura il valore assunto in un particolare istante di tempo dalle variabili utilizzate. È possibile stabilire come vengono eseguite le operazioni attraverso differenti procedure, ad esempio un sopralluogo in sede al cliente o, preferibilmente, attraverso un’analisi della documentazione (step 1 in Fig. 1). Al fine di rendere automatica la fase di mappatura dei processi e di individuazione degli stati attraversati durante il loro svolgimento, è opportuno utilizzare algoritmi di Natural Language Processing, Image Processing e Intelligenza Artificiale per processare i documenti aziendali legati al processo come: mansionari, procedure, istruzioni di lavoro, cicli di lavorazione e di montaggio, manuali di manutenzione, d’uso o di sicurezza, layout di impianto o di macchina. L’analisi è improntata all’estrazione di entità come: operatori e strumenti coinvolti nelle singole operazioni, con le relative posizioni; livelli di funzionamento dei macchinari e degli strumenti; operazioni che vengono svolte nelle singole celle; DPI necessari. A titolo esemplificativo: da una procedura è possibile stabilire quali strumenti o macchinari siano necessari; da un ciclo di lavorazione è possibile risalire ai parametri che vengono impostati sulle macchine utensili; da un mansionario è possibile risalire alle attività a cui ciascun operatore è destinato.

Il risultato della prima fase di analisi è la costruzione di una tabella (step 2 in Fig. 1) nella quale ogni operazione elementare, identificabile dall’acronimo OP_i, è descritta facendo riferimento alle operazioni precedente e successiva, ed ai valori assunti dalle variabili di stato durante quella determinata operazione. Esempi di variabili di stato possono essere uno o più tra: presenza degli operatori, posizione degli operatori, presenza degli strumenti, posizione degli strumenti, livello di funzionamento degli strumenti, livello di funzionamento dei macchinari, ecc.

Qualora esistano operazioni ambigue e contigue ovvero caratterizzate dalle stesse variabili di stato ed in sequenza, esse risulteranno ambigue anche per il sistema di rilevazione, che non sarà quindi in grado di discriminarle e di misurarne il tempo di esecuzione. E’ necessario dunque risolvere l’ambiguità per permettere una totale automazione del monitoraggio. A tal fine viene utilizzato un sistema esperto (step 3 in Fig. 1), che suggerisce l’aggiunta di altre variabili e altri sensori da usare per la loro acquisizione oppure cambiamenti all’ambiente di fabbrica così da modificare il valore assunto da alcune variabili (aggiungo pedane, aggiungo setti di separazione, ecc..). Lo scopo delle modifiche all’ambiente è di distanziare le attività ambigue l’una dall’altra, in modo da eliminare la probabilità che il sistema possa cadere nello stesso stato per due attività diverse. A seguito di questa fase ogni operazione è descritta in maniera univoca dai valori rilevati per un numero limitato di variabili.

La combinazione della fase di analisi della documentazione e la successiva elaborazione da parte di un sistema esperto porta alla formalizzazione di un albero decisionale per la scelta del tipo e del quantitativo di sensori necessari per il monitoraggio di una specifica cella e l’impiego di dispositivi indossabili che abilitano l’implementazione di questo tipo di analisi. A questo punto la cella di lavoro viene attrezzata con pochi sensori di corrente, ecc. e gli operatori vengono dotati di guanti, scarpe, cinture o altri dispositivi con lettori di RFID ed i loro DPI sensorizzati con tag RFID (step 4 in Fig.1).

Il sistema di rilevazione ricercato deve essere semplice e poco invasivo. Ciò significa che le soluzioni ricercate devono permettere una rapida installazione, essere poco invasive sull’esecuzione dei task ed essere flessibili ad eventuali modifiche. Alcune possibili forme di realizzazione preferite ma non esclusive per l’apparato di monitoraggio sono illustrate in Fig. 2. Per il rilevamento del funzionamento di macchinari e strumenti elettrici il sensore proposto (componenti 10 e 12 in Fig.2) è per esempio un sensore di corrente ad effetto Hall. Tale tipo di sensori può infatti essere facilmente applicato al cavo di alimentazione di un macchinario o di uno strumento e non comporta alcun impatto sull’esecuzione dei task. Il segnale di corrente potrebbe permettere di stabilire se un macchinario o uno strumento sia in funzione o di ottenere una stima del livello di potenza assorbita. La soluzione ritenuta più idonea per il monitoraggio delle variabili di presenza e posizione è costituita da un lettore RFID indossabile alla mano (componente 9 in Fig.2) e da uno indossabile al piede (componente 8 in Fig. 2). In questo modo è possibile monitorare la presenza e gli spostamenti degli operatori all’interno delle celle considerate predisponendo appositi tag passivi (ad esempio a terra o sotto le pedane) a delimitare le zone d’interesse. Lo stesso tipo di tag può essere vantaggiosamente applicato a utensili non elettrificati (componente 11 in Fig.2), così come altre tipologie di sensori atte a verificare le condizioni d’uso degli stessi.

I microprocessori acquisiscono i dati provenienti dai sensori li memorizzano temporaneamente (step 5 in Fig. 1) con l’indicazione del momento della rilevazione (timestamp) ed immediatamente dopo eseguono una serie di operazioni quali il calcolo della durata dell’operazione come differenza fra due timestamp e quella di assegnazione di un numero random all’ID di ciascuna operazione (step 6 in Fig.1), a questo punto i dati memorizzati temporaneamente vengono cancellati o sovrascritti, mentre gli altri vengono riordinati in ordine crescente sulla base del numero random ad essi assegnato.

Il calcolo della durata dell’operazione è l’informazione chiave che si vuole ricavare dal processo di monitoraggio, alla base della tecnica di Tempi e Metodi e necessaria per elaborare strategie di efficientamento del processo stesso. Per contro, la procedura di randomizzazione e successivo ordinamento delle operazioni OP_i e delle loro durate ha lo scopo di scollegare l’informazione legata al processo in sé da quella che permetterebbe di identificare l’operatore che lo esegue in quel preciso momento.

Sui dati ottenuti allo step 6 si possono fare anche ulteriori compressioni come ad esempio costruire una tabella di occorrenze corrispondenti alla durata di ciascuna operazione. Così l’OP_i sarà descritta da una tabella di occorrenze come quella mostrata di seguito a titolo di esempio.

Al fine di superare i problemi di controllo degli operatori i dati devono essere aggregati così da non rendere riconoscibile l’operatore. Perciò, dopo 3 turni o dopo un sufficiente numero di giorni tali da unire i risultati di più operatori, i dati così ottenuti (step 6 in Fig. 1) vengono per l’ultima volta riordinati sulla base del numero random assegnato loro e trasferiti in batch al pc industriale, al server dell’impresa o al cloud (step 7 in Fig.1), dove possono essere poi utilizzati, ormai in forma anonima, per studiare le opportune strategie di miglioramento del processo.

Infine, la trasmissione dei dati dai microprocessori ai server o al cloud può comprendere un passaggio di crittografia al fine di garantire la sicurezza e la privacy aziendale. La forma preferita, anche se non esclusiva, di criptazione è quella della crittografia omomorfica, particolarmente indicata in una situazione di cloud computing, dato che tale tecnica permette la manipolazione dei dati cifrati senza bisogno di decifrarli, consentendo cioè di operare direttamente sul cloud senza perdere in sicurezza.

L’invenzione è suscettibile di varianti rientranti nell'ambito del concetto inventivo definito dalle rivendicazioni. In tale ambito tutti i dettagli sono sostituibili da elementi equivalenti e i materiali, le forme e le dimensioni possono essere qualsiasi.

Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI 1. Un sistema per rilevare, elaborare comunicare e mostrare informazioni sintetiche relative a processi di manifattura e assemblaggio, in particolare relativamente a Tempi e Metodi di lavorazione, in maniera automatizzata, minimamente invasiva, anonima e sicura, detto sistema essendo caratterizzato dal fatto di comprendere le fasi di: - decomposizione del processo in una lista di operazioni elementari e di variabili di stato misurabili che caratterizzino completamente dette operazioni; - disambiguazione dei casi contigui, in modo da permettere l’associazione univoca di un set di valori per le variabili di stato ad ogni singola operazione; - elaborazione di un set-up di monitoraggio dei valori di dette variabili di stato tramite una serie di sensori da inserire nell’ambiente di fabbrica; - rilevazione dei valori e calcolo delle informazioni di interesse, in particolare dei tempi di esecuzione di ciascuna operazione; - aggregazione e anonimizzazione dei dati in modo da non permettere il riconoscimento dell’operatore umano.
2. 2. Un sistema, secondo la rivendicazione 1, in cui la decomposizione del processo in una lista di operazioni e variabili di stato è ottenuta tramite l’utilizzo di algoritmi di Natural Language Processing, Image Processing e Intelligenza Artificiale applicati all’insieme della documentazione di processo.
3. 3. Un sistema, secondo almeno una rivendicazione predente, in cui si ottiene la costruzione di una matrice che descrive ogni operazione elementare facendo riferimento alle operazioni precedente e successiva, ed ai valori assunti dalle variabili di stato durante quella determinata operazione.
4. 4. Un sistema, secondo la rivendicazione 1, in cui la disambiguazione di operazioni caratterizzate inizialmente da variabili di stato troppo contigue è ottenuta tramite un sistema esperto. Detto sistema suggerisce l’introduzione di nuove variabili, nuovi sensori o modifiche all’ambiente di lavoro volte a disambiguare le suddette operazioni.
5. 5. Un sistema, secondo le rivendicazioni 1 e 4, in cui un algoritmo decisionale definisce tipologia, quantitativo e ubicazione dei sensori da posizionare nell’ambiente di lavoro, seguendo i criteri di minima complessità e minima invasività sulle attività dell’operatore.
6. 6. Un sistema, secondo le rivendicazioni 1 e 5, in cui la cella di lavoro è attrezzata con opportuni sensori per monitorare il funzionamento dei macchinari, mentre gli operatori vengono dotati di guanti, scarpe, cinture e DPI o altri dispositivi per il monitoraggio della posizione, come a titolo puramente esemplificativo e non limitante, tag e lettori RFID.
7. 7. Un sistema, secondo le rivendicazioni 1 e 6, in cui i sensori sono collegati a microprocessori in grado di compiere operazioni come, a titolo puramente esemplificativo e non limitante, il riconoscimento dell’inizio e della fine di una operazione elementare, l’assegnazione di una timestamp ad eventi, e la manipolazione delle timestamp stesse.
8. 8. Un sistema, secondo le rivendicazioni 1 e 7, in cui determinazione della durata di una determinata operazione è ottenuta per sottrazione fra due timestamp.
9. 9. Un sistema di monitoraggio dei parametri di un determinato processo ottenuto in maniera anonima, cioè scollegata dall’operatore umano coinvolto nel processo stesso, e caratterizzato dal fatto di comprendere una procedura secondo cui: - i dati provenienti da sensori posizionati nell’ambiente di lavoro vengono memorizzati temporaneamente; - a ciascuna operazione del processo viene associato un ID casuale; - i dati rilevati vengono elaborati per ottenere le informazioni rilevanti relative all’operazione singola; - i dati originari vengono cancellati o sovrascritti; - le informazioni rilevanti vengono riordinate in ordine crescente sulla base dell’ID casuale ad esse assegnato. - al termine di 3 turni di lavoro oppure dopo un sufficiente numero di giorni tali da unire i risultati di più operatori, le informazioni rilevanti vengono per l’ultima volta riordinate per numero casuale e trasferiti in batch al PC industriale, al server dell’impresa o al cloud.
10. 10. Un sistema, secondo la rivendicazione 9, in cui la trasmissione di dati è crittografata, e le operazioni di calcolo della durata, calcolo della media, sigma, ecc..effettuate per esempio tramite tecniche di crittografia omomorfica.