PROJEKTBESKRIVNING Processindustriell IT och Automation hösten 2014 Projektakronym SKUT Projektnamn Förstärkt operatörsstöd vid fjärrstyrd skutknackning Projektfakta Sökt belopp från VINNOVA: 500 000 kr Sökande organisation: Interactive Institute Swedish ICT Projektledare: Anna Sirkka Projektperiod: 2014-12-01-2015-05-31 1 (6) 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 Mine Tec LKAB CGM Löner 264 348 110 000 Utrustning 20 000 25 000 Indirekta kostnader 115 652 Resor 25 000 15 000 Summa 425 000 150 000 Egna insatser 80 000 65 000 Finansiering Process IT 75 000 Stöd VINNOVA 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.