Transcript SKUT - PiiA Processindustriell IT och Automation

PROJEKTBESKRIVNING
1 (6)
Processindustriell IT och Automation – hösten 2014
Projektakronym
Projektnamn
SKUT
Förstärkt operatörsstöd vid fjärrstyrd
skutknackning
Projektfakta
Sökt belopp från VINNOVA:
Sökande organisation:
Projektledare:
Projektperiod:
500 000 kr
Interactive Institute Swedish ICT
Anna Sirkka
2014-12-01 - 2015-05-31
1 Sammanfattning
Förstudie som genomförs av Interactive Institute Swedish ICT, Mine Tec, LKAB och
CGM i syfte att utreda möjligheterna till förstärkt operatörsstöd vid fjärrstyrning. Idén
är att återföra intryck till de sinnen som är frånkopplade när maskiner styrs på distans.
Förstudien skall generera multimodala gränssnittskoncept som ger operatören
återkoppling vid fjärrstyrd skutknackning. Denna återkoppling kan exempelvis
informera operatören om hur krafter och last påverkar den fjärrstyrda maskinens
funktion. Den kunskap som förstudien genererar skall inte bara vara tillämpbart på
skutknackning utan skall även kunna appliceras på andra områden där fjärrstyrning
används.
2 Projektets bakgrund
Kvalitets-, effektivitets- och säkerhetskrav driver på den tekniska utvecklingen inom
industrin. Ett sätt att jobba med dessa frågor är genom att utveckla teknik för
fjärrstyrning av maskiner och fordon. Säkerhets- och arbetsmiljökrav kan tillgodoses
men effektiviteten blir inte alltid bättre. Fjärrstyrning av maskiner görs ofta genom ett
tvådimensionellt visuellt gränssnitt där en videoupptagning eller annan grafik via en
skärm förmedlar kontakten mellan operatören och maskinen. Jämfört med att köra
maskinen “live” så saknas intryck från ett flertal sinnen. Gränssnitten är ofta ljudlösa
och saknar all taktil koppling till maskinen. Bristen på information försvårar
operatörens arbetsuppgift. Det leder också till att operatören inte fullt ut kan utnyttja
sin erfarenhet och kompetens för att styra maskinen på ett effektivt sätt.
Utlastningen av malmen i LKAB:s gruva i Kiruna görs med lastmaskiner.
Lastmaskinerna lastar söndersprängt berg där varje salva i genomsnitt innehåller 10
000 ton malm. Malmen i blandning med söndersprängt gråberg transporteras från
lastplats till tippschakt där den töms och störtar ner till huvudnivån i gruvan för vidare
transport med förarlösa tåg till krossar. Från krossarna transporteras malmen vidare till
skippar (hissar) för transport ovan jord. Styckefördelningen av det söndersprängda
berget varierar. Större malm eller gråbergsstycken fastnar på ett galler som monterats i
tippschaktet. Malm eller gråbergsstycken som fastnar på gallret kallas för skut. Vid
tippschakten finns fjärrstyrda skutknackare placerade. Skutknackarnas uppgift är att
knacka sönder skut så att de passerar gallret. I dagsläget används 16 skutknackare i
produktion som styrs från tre operatörsplatser i kontrollrummet. Skutknackarna består
av en bärare som förankras i anslutning till tippschaktet. På bäraren sitter en arm med
en hydraulhammare monterad. Operatören i kontrollrummet ovan jord styr lederna på
armen samt hydraulhammaren via visuell videoåterkoppling från en kamera monterad
på ortväggen i anslutning till tippschaktet.
2 (6)
Tidigare studier gällande fjärrstyrd skutknackning har identifierat att exempelvis
ljudåterkoppling skulle kunna fungera som ett stöd för operatören [1]. Förändringar i
ljudets karaktär vid knackning kan användas som feedback till operatören. Detta
informerar dels operatören om knackningen har avsedd verkan men förmedlar även
information om när hammaren träffar gallret eller slår i luften vilket kan leda till
oönskat slitage på utrustning [2]. En av förstudiens utmaningar kommer att vara att
identifiera och lyfta fram den del av ljudet som bär på information. Detta utan att
återskapa en bullrig miljö.
Enklare tester med ljudåtergivning har på senare tid gjorts dels av LKAB men även av
Interactive Institute och Mine Tec. Dock har inget helhetsgrepp tagits ännu för att ta
fram en robust lösning.
3 Projektets idé
Förstudien genomförs i syfte att utreda möjligheterna till förstärkt operatörsstöd vid
fjärrstyrning. Idén är att via nya tekniklösningar återföra intryck till de sinnen som är
frånkopplade när maskiner styrs på distans. Förstudien skall generera multimodala
gränssnittskoncept som ger operatören återkoppling vid fjärrstyrd skutknackning.
Återkoppling som exempelvis kan kommunicera hur krafter och last påverkar den
fjärrstyrda maskinens funktion. Feedback i form av ljud har lyfts fram som en tänkbar
lösning men informationen skulle också kunna förmedlas i kombination med visuell
och/eller haptisk feedback. Den ljudande återkopplingen kan exempelvis vara en
bearbetad mikrofonupptagning eller en syntetiserad representation av maskinens
arbete och funktioner.
4 Potential
Historiskt sett har en arbetsmiljö där människan så långt som möjligt är avskärmad
från buller och vibrationer klassats som god. Ett sätt att åstadkomma detta är att införa
fjärrstyrning. Detta bygger på tanken om att allt ljud är av ondo. Det har dock visat sig
att strategin att ta bort ljud och vibrationer också resulterat i att för operatören relevant
information har försvunnit. I det här projektet vill vi, utan att införa buller och skadliga
vibrationer, återskapa den naturliga information som en maskin ger och därigenom
förstärka operatörens upplevda kontroll av maskinen. Genom att utnyttja människans
alla sinnen blir arbetet mer meningsfullt och effektiviteten ökar.
Utmaningar
-
Kunskapen om hur man designar en kontrollerad återkoppling mellan operatör och
fjärrstyrda maskiner befinner sig i ett tidigt skede. Idén med gränssnitt där ljud,
haptik och grafik samverkar för att återge information har mycket få tillämpningar
inom industrin. En utmaning blir att utforma nya multimodala gränssnittslösningar
trots en brist på existerande goda exempel.
-
Att hitta generella kriterier som gör det möjligt att applicera kunskapen från
förstudien på andra områden inom fjärrstyrning.
-
Att identifiera och lyfta fram den del av ljudet som bär på information.
-
Karaktären hos det ljud som genereras vid skutknackning påverkas av ett flertal
faktorer. Exempelvis av tippschaktets rumsakustiska egenskaper och av skutets
storlek och form. Hur kan informativt ljud lyftas fram ur en ljudmiljö vars
egenskaper står i ständig förändring.
3 (6)
-
Att utveckla ett gränssnitt där olika sinnesintryck samspelar på ett naturligt sätt är
en stor utmaning. Till exempel kan olika tidsfördröjningar hos den visuella och
auditiva återkopplingen förstöra upplevelsen av gränssnittet och därmed försämra
operatörens kontroll.
-
Att ta fram en tekniklösning som är tillräckligt robust för användning i industriell
miljö.
-
Vissa delar av arbetet i förstudien kräver tillgång till tippschakt som används i
skarp produktion. Utvecklingsarbete som bedrivs under dessa omständigheter
kräver noggranna förberedelser och anpassningsbarhet så att produktionen störs så
lite som möjligt.
-
Akustisk mätning och analys av transienta ljud ställer höga krav på både
mätutrustning, mätmetod och analysmetod. Detta till följd av ljudens korta
tidsförlopp.
Vid projektets slut har:
-
Ett nytt gränssnittskoncept för fjärrstyrd skutknackning utvecklats och utvärderats.
-
Problem och utmaningar av relevans för framtida utveckling och implementation
av multimodala gränssnittslösningar vid fjärrstyrning identifierats.
-
Underlag inför ett framtida fullskaligt projekt gällande förstärkt operatörsstöd vid
fjärrstyrning tagits fram.
-
Ett nytt konsortium bestående av aktörer som är starka inom sina respektive
områden bildats.
-
Kompetens och erfarenheter utbytts mellan projektets aktörer.
-
Förståelsen för nyttan av multimodala gränssnitt i processindustrin ökat.
-
Nya forskningsfrågor identifierats.
Om förstudien genomförs finns potential att på 5-10 års sikt uppnå följande:
-
Slutanvändaren ses som en naturlig utgångspunkt vid utveckling av ny teknik i
teknikintensiva branscher.
-
Multimodala gränssnitt är en naturlig del i en operatörsmiljö.
-
Förutsättningar för utveckling av nya produkter och tjänster.
-
Nya affärsprocesser inom området industriell IT och automation.
-
Attraktiva arbetsplatser inom svensk industri.
-
Förbättrad arbetsmiljö för operatörer.
-
Forskningsaktörer med erfarenhet från andra områden breddar och stärker
processindustrins forskning och utveckling.
4 (6)
Ett konkret exempel på förstudiens potential:
Lång erfarenhet från fjärrstyrd lastning av malm med lastmaskiner hos LKAB i Kiruna
har visat att medelvikten för skopor lastade manuellt och skopor lastade fjärrstyrt
skiljer sig åt. Medelvikten för skopor lastade manuellt är ca 10 % högre än skopor
lastade fjärrstyrt. Eftersom lastmaskinen är densamma så förklaras skillnaden av
bristen på återkoppling vid fjärrstyrning.
En positiv bieffekt till de akustiska mätningar som planeras i schakt försedda med
skutknackare är att studentprojekt och forskningsprojekt vid Luleå tekniska universitet
(LTU) med inriktning mot maskinlärning kommer att få tillgång till verklig mätdata
från en industriell process. Maskininlärning är en teknik som på längre sikt kan
användas i industriella applikationer där fjärrstyrning är en av flera tänkbara
tillämpningar. LTU bedriver i dagsläget projekt tillsammans med bland annat SKF där
maskininlärning är ett forskningsområde.
5 Aktörer
Interactive Institute Swedish ICT är ett forskningsinstitut som arbetar med tillämpad
forskning och innovation. Resultaten skapas i samverkan med industri och samhälle.
Interactive Institute i Piteå (II) har specialiserat sig på att ta fram kreativa och unika
lösningar för gränssnittet mellan människa och maskin. II har sedan en lång tid tillbaka
ett samarbete med Scania där II fokuserat på forskningsfrågor och designlösningar för
framtidens förargränssnitt [3]. II har under senare år även genomfört forskningsstudier
och tagit fram nytänkande designlösningar för ljudfeedback inom akutsjukvård samt
inom kontroll- och övervakningsmiljöer. Bland annat har ett helt nytt koncept för
larmljud i kontrollrumsmiljö utvecklats i samarbete med Smurfit Kappa Kraftliner i
Piteå [4, 5]. Ett annat exempel är ett pågående projekt som syftar till att undersöka hur
ljud kan appliceras i en operatörsmiljö med ABB:s styrsystem 800xA. Projektet
genomförs i samarbete med ABB Corporate Research. Under förstudien kommer II att
ansvara för projektledning, akustisk analys, arbetet med slutanvändarna samt
utvärdering.
Mine Tec med säte i Kiruna startades 2001 som ett resultat av diskussioner mellan
LKAB, ABB och små lokala SME-företag med kompetens inom automation och
industriell IT. Mine Tec har i huvudsak fungerat som projektorganisation i ett antal
automationsprojekt i KUJ - Kiruna Under Jord - d.v.s. själva gruvan hos LKAB i
Kiruna. Största uppdraget har inneburit utveckling och effektivisering av fjärrstyrd
lastning. På uppdrag av LKAB har Mine Tec också levererat styrsystemet för de
fjärrstyrda skutknackarna som används i produktionsområden i KUJ. Mine Tec
kommer att ansvara för den del av förstudien som rör teknik och konstruktion [6].
Från LKAB kommer operatörer och servicepersonal att delta i workshops och
utvärderingar. Gruvchef Hans Engberg kommer att vara LKAB:s kontaktperson vilket
säkerställer en god förankring av projektet på ledningsnivå.
5 (6)
CGM AB bedriver utveckling, forskning och planering av kontrollrum samt
försäljning av egenutvecklade operatörsbord med närliggande tillbehör. CGM:s arbete
är inriktat på kontrollrum, driftcentraler och arbetsplatser där flera människor jobbar
vid samma arbetsstation med många bildskärmar. CGM AB utgår alltid från varje
företags unika behov och möjligheter med operatören i centrum som gemensam
nämnare.
CGM AB kommer att delta i projektet i form av en diskussionspart. CGM AB har en
väl etablerad testmiljö i form av ett kontrollrum där möjlighet finns att implementera
och utvärdera det gränssnittskoncept som tas fram.
Arbetet leds av Interactive Institute Piteå, tillsammans med en projektgrupp.
Projektgruppen består av en blandning av representanter från slutanvändare, SME och
akademi. För mer information, se CV-bilaga.
6 Genomförbarhet
Förstudien innefattas av följande steg.
Behovskartläggning
I den inledande fasen kartläggs operatörernas behov. I denna fas genomförs olika typer
av intervjuer, workshops och observationer i syfte att undersöka hur den existerande
operatörsmiljön fungerar. Detta för att skapa djupare insikt i hur problematiken kan
angripas. En fråga som kommer att utredas under denna fas är hur och när
återkoppling från skutknackningen ska förmedlas så att det upplevs som ett stöd för
operatören.
Gränssnittsdesign
Under denna fas utvecklas gränssnittskoncept. Utvecklingen sker via en iterativ och
användardriven designprocess.
Teknik och konstruktion
Utgående från resultatet av föregående steg utreds förutsättningarna gällande teknik
och konstruktion för ett eventuellt fortsättningsprojekt gällande implementation av
förstärkt operatörsstöd vid fjärrstyrning.
Utvärdering
Här genomförs användartester för utvärdering av framtagna gränssnittskoncept.
Utöver detta utvärderas tänkbara tekniklösningar som tidigare identifierats.
Utvärderingen syftar främst till att hitta de generella kriterier som gör det möjligt att
applicera kunskapen från förstudien på nya områden inom fjärrstyrning.
6 (6)
7 Projektets kostnader och finansiering
Tabellen nedan visar hur olika kostnadsslag fördelas på projektets parter.
Interactive Institute
Löner
Utrustning
Indirekta kostnader
Resor
Summa
Mine Tec
264 348
110 000
20 000
25 000
CGM
115 652
25 000
15 000
425 000
150 000
Egna insatser
80 000
Finansiering Process IT
Stöd VINNOVA
LKAB
65 000
75 000
425 000
75 000
8 Övrigt och referenser
1. Minde, P. (2006). En idéstudie för skuthantering - LKAB, fjärrlastning, Master
thesis, Luleå University of Technology, Luleå, Sweden.
2. HLRC. (2012) http://www.hlrc.se/en/Projects/Active/Forstudie---Agarspecifikametoder-for-produktionshojande-forbattringar-av-gruvmaskiner-/
3. Fagerlönn, J. (2011). Designing auditory warning signals to improve the safety of
commercial vehicles, Doctoral thesis, Luleå University of Technology, Luleå,
Sweden.
4. Sirkka, A., Fagerlönn, J., Lindberg, S., Delsing, K. (2014). The Design of an
Auditory Alarm Concept. Paper presented at the 5th International Conference on
Applied Human Factors and Ergonomics (AHFE), Kraków, Poland.
5. Sirkka, A., Fagerlönn, J., Lindberg, S., Frimalm, R. (2014). An Auditory Display to
Convey Urgency Information in Industrial Control Rooms. Paper presented at the
16th International Conference on Human-Computer Interaction (HCII), Crete,
Greece.
6. Andersson, U. (2013). Automation and traction control of articulated vehicles,
Doctoral thesis, Luleå University of Technology, Luleå, Sweden.