Högskolan i Skövde

In industry, simulation software is used to simulate production, making it possible to predict events in production, calculate times and plan production, even in the early phases of the production development process. Software known as digital human modelling (DHM) tools can also be used to simulate humans working in production. When simulating digital human models, ergonomics evaluations can be carried out to assess whether workstation designs offer appropriate ergonomic conditions for the workers. However, simulations performed to predict and plan production are usually done separately from the human simulations performed to evaluate ergonomics. This can lead to suboptimal solutions in which a factory is optimized to improve either productivity or ergonomics. This thesis outlines the hypothesis that more optimal solutions for workstation design, layout and line balancing can be obtained in simulations by optimizing productivity and ergonomic factors simultaneously instead of considering them separately. Hence, the aim is to carry out research on the development of a simulation-based multi-objective optimization method for productivity and ergonomic factors and to realize the method as a software tool in order to test and communicate it. From an application and societal-impact perspective, the overall objective is to offer a new approach for designing production systems that focuses on both over-all system performance and the well-being of workers, reduces the effort of engineers and helps industry create more productive and sustainable workspaces.

Simuleringsverktyg används i industrin för att simulera produktion. Det gör det möjligt att förutsäga händelser, uppskatta tider och planera produktionen, även i tidiga stadier av produktionsutvecklingsprocessen. På motsvarande vis används ergonomisimuleringsverktyg för att simulera människor som arbetar i produktionen. Ergonomisimulering kan till exempel utföras för att bedöma om utformningen av arbetsstationen erbjuder lämpliga ergonomiska förhållanden för arbetarna. Emellertid görs produktionssimuleringar vanligtvis separat från ergonomisimuleringar. Det kan leda till bristfälliga lösningar där en fabrik är optimerad för att förbättra antingen produktivitet eller ergonomi. Denna avhandling utgår från hypotesen att mer optimala lösningar för arbetsstationsutformning, layout och linje-balansering kan uppnås i simuleringar genom att samtidigt optimera produktivitetsfaktorer och ergonomiska faktorer istället för att beakta dem separat. Målet är därför att utforska utvecklingen av en simulerings- och flermålsbaserad optimeringsmetod för produktivitetsfaktorer och ergonomiska faktorer och att realisera metoden som ett mjukvaruverktyg för att testa och beskriva den. Ur ett tillämpnings- och samhällspåverkansperspektiv är det övergripande målet att erbjuda ett nytt tillvägagångssätt för att utforma produktionssystem som fokuserar på både systemprestanda och människans välbefinnande, som stödjer ingenjörer i deras dagliga arbete för att hitta goda lösningar, och hjälper industrin att skapa mer produktiva och hållbara arbetsplatser.

The overall objective of the planning and design process for a factory layout is to generate and assess layout design proposals and choose the alternative that enables the factory to operate according to set performance targets while providing a safe work environment. The factory layout is frequently planned and designed in a virtual environment. This facilitates creation, simulation, visualization, and assessing potential future outcomes of the factory setup, without the need of intervening with physical objects. However, the planning and design of factory layouts is typically based on the experience of the expert and software tool user undertaking the planning and design activity. The activity depends on information generated by several cross-disciplinary functions and experts in, for example, product development, process planning, resource descriptions, ergonomics, and safety. The information provided by these functions and experts is also frequently generated with several software applications and depends on the experience of the software tool user performing their specific activity. This experience-based, manual, and serial approach to plan and design factory layouts, considering a wide range of parameters, is a cumbersome, non-integrated, and subjective process with a high risk of human error and faulty inputs and updates. The aim of this research is to develop methods, demonstrators, and a framework to support multiobjective planning and design of factory layouts. The purpose is to bridge gaps between the cross-disciplinary functions and experts involved in the planning and design of factory layouts. The research presents and tests ways to assist the software tool user when performing factory layout tasks. One approach is by adding rules and regulations to resources and equipment in the virtual environment. Further, the research demonstrates how simulation-based multi-objective optimization can assist the planning and design of factory layouts, supporting the generation and assessment of a multitude of layout design proposals, based on defined objectives and constraints of factory layouts. The methods, demonstrators, and framework developed in the research enhance quality and objectivity and provide risk mitigation in the process of planning and designing factory layouts.

Det övergripande målet med planerings- och designprocessen för fabrikslayouter är att generera och bedöma layoutlösningar och välja den lösning som uppfyller fastställda prestandamål samtidigt som en säker arbetsmiljö säkerställs. Fabrikslayouter planeras och designas oftast med hjälp av virtuella verktyg och miljöer, vilket möjliggör simulering, visualisering och utvärdering av potentiella framtida förslag långt innan de förverkligas fysiskt. Planering och design av fabrikslayouter baseras vanligtvis på erfarenheten hos de experter och mjukvaruanvändare som utför planeringsuppgifterna. Processen är ofta beroende av information från flera tvärdisciplinära funktioner och experter, såsom produktutveckling, processplanering, resursbeskrivningar, ergonomi och säkerhet. Informationen från dessa funktioner och experter genereras också med hjälp av olika mjukvaruapplikationer och bygger på den erfarenhet som experterna har inom sina respektive områden. Detta erfarenhetsbaserade, manuella och sekventiella tillvägagångssätt för att planera och designa fabrikslayouter, med hänsyn till ett brett spektrum av parametrar, är ofta en krävande, icke-integrerad och subjektiv process med hög risk för mänskliga fel samt felaktiga inmatningar och uppdateringar. Syftet med denna forskning är att utveckla metoder, demonstratorer och ramverk för att stödja tvärdisciplinär planering och design av fabrikslayouter. Målet är att överbrygga klyftorna mellan de funktioner och experter som är involverade i planerings- och designprocessen. Forskningen presenterar och testar sätt att assistera mjukvaruanvändare när fabrikslayoutuppgifter utförs. Ett exempel är att integrera regler och föreskrifter för resurser och utrustning i den virtuella miljön under layoutplaneringen. Vidare demonstreras hur simuleringsbaserad multivariabel optimering kan stödja planering och design av fabrikslayouter genom att möjliggöra generering och bedömning av ett flertal layoutförslag baserade på definierade mål och begränsningar. De metoder, demonstratorer och det ramverk som utvecklats inom forskningen förbättrar kvaliteten och objektiviteten och minskar riskerna i processen för planering och design av fabrikslayouter.