L'influenza dei fattori ergonomici nelle linee di montaggio: sviluppo di un algoritmo genetico per il loro dimensionamento e bilanciamento

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DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA DELL’ENERGIA DEI SISTEMI,

DEL TERRITORIO E DELLE COSTRUZIONI

RELAZIONE PER IL CONSEGUIMENTO DELLA LAUREA MAGISTRALE IN INGEGNERIA GESTIONALE

L’influenza dei Fattori Ergonomici

nelle Linee di Montaggio:

sviluppo di un Algoritmo genetico per il loro

dimensionamento e bilanciamento.

RELATORI IL CANDIDATO Prof. Ing. Gino Dini Annalisa Mitrano Dipartimento di Ingegneria annalisa.mitrano@alice.it Civile e Industriale Ing. Michela Dalle Mura Dipartimento di Ingegneria Civile e Industriale

Sessione di Laurea del 04/10/2017 Anno Accademico 2016/2017 Consultazione consentita

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“Tutto è possibile per chi non si arrende…” A me stessa… che non ci credo mai abbastanza!!

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L’influenza dei Fattori Ergonomici nelle Linee di Montaggio: sviluppo di un Algoritmo genetico per il loro Dimensionamento e Bilanciamento

Annalisa Mitrano

Sommario

In questo lavoro di tesi si è trattato il problema di bilanciamento delle linee di montaggio considerando l’influenza di fattori ergonomici.

Partendo dall’analisi della letteratura presente in materia, dei modelli che trattano i problemi di bilanciamento delle linee di montaggio e dei classici metodi per la valutazione del rischio ergonomico, l’obiettivo del lavoro di tesi è stato quello di sviluppare un algoritmo genetico utile alla risoluzione di problemi legati al bilanciamento delle linee di assemblaggio incorporando tra gli obiettivi il fattore ergonomico.

L’elemento innovativo di questo lavoro è l’attenzione all’operatore e la considerazione del fattore ergonomico come dispendio energetico dipendente dalle sue caratteristiche fisiche.

E’ stato infatti analizzato un caso di studio a cui è stato applicato l’algoritmo per dimostrarne l’efficacia nel raggiungimento della soluzione ottima.

Abstract

In this thesis work, the assembly line balancing problem was considered, taking into account the influence of ergonomic factors.

Starting from an analysis on the state of the art of the specialized literature, on the models for solving assembly line balancing problems and on the classic methods of evaluation of the ergonomic risk, the aim of this thesis was the development of a genetic algorithm suitable for solving problems related to the assembly line balancing problem, including as an objective the ergonomic factor.

The original contribution of this work is the attention for the operator and the consideration of the ergonomic factor as energy expenditure, dependent on its physical features.

Lastly, the developed algorithm was tested through a case study, in order to asses its efficiency in obtaining the optimal solution.

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Sommario Introduzione e Obiettivi della tesi 8 Nomenclatura 10 CAPITOLO 1 LE LINEE DI MONTAGGIO 11 1.1 Introduzione alle linee di montaggio 11 1.2 Classificazione delle linee di montaggio 13 1.2.1 Grado di automazione 13 1.2.2 Layout delle linee di montaggio 16 1.2.3 Sistemi di movimentazione. 18 1.2.4 La politica di lancio in produzione 19 1.2.5 Lotto in produzione 20 1.3 Analisi di una linea di montaggio manuale 21 1.3.1 Dimensionamento della linea 21 1.3.2 Bilanciamento di una linea di montaggio manuale 25 1.4 Problemi di bilanciamento 27 1.4.1 SALBP (Simple assembly line balancing problem) 28 1.4.2 Metodi per la risoluzione dei problemi SALBP 29 Largest Candidate Rule - LCR 30 Kilbridge e Wester 31 Ranked Positional Weight 32 Tabu Search 33 L’algoritmo genetico 34 CAPITOLO 2 L’ERGONOMIA 35 2.1 Introduzione all’ergonomia 35 2.2 Metodi per la valutazione del rischio ergonomico 39 2.2.1 Metodo OCRA 40 2.2.2 Metodo OWAS 42 2.2.3 Metodo RULA 44 2.2.4 Metodo NIOSH 46 2.2.5 Software di analisi del rischio ergonomico 49

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CAPITOLO 3 ANALISI DELLO STATO DELL’ARTE 51 3.1 Introduzione 51 3.2 Modelli per il bilanciamento delle linee di montaggio considerando aspetti ergonomici 52 3.2.1 ErgoSALBP 52 3.2.2 Accumulated Risk of Postures di Cheshmehgaz, Haron, Kazemipour e Desa 55 3.2.3 Single-objective approach based on Rest Allowance 57 3.3 Algoritmi genetici applicati al problema del bilanciamento 59 1. Rappresentazione e inizializzazione della popolazione iniziale 61 2. Valutazione delle soluzioni appartenenti alla popolazione 64 3. Selezione delle soluzioni appartenenti alla popolazione 65 4. Riproduzione attraverso gli operatori genetici: crossover e mutazione 67 Crossover 67 Mutazione 70 5. Creazione della nuova popolazione tramite inserimento dei nuovi cromosomi 71 CAPITOLO 4 ALGORITMO SVILUPPATO 74 4.1 Introduzione 74 4.2 Fattore ergonomico relativo all’operatore 74 4.2.1 Fatica fisica del lavoratore 75 4.2.2 Limite fisico del lavoratore: 81 4.3 Modellizzazione del problema 85 4.4 Caratteristiche dell’algoritmo genetico implementato 89 CAPITOLO 5 CASO DI STUDIO 97 5.1 Presentazione del caso di studio 98 5.2 Implementazione dell’algoritmo 104 5.3 Risultati ottenuti 105 5.3.1 Caso a) Conseguenze della variazione dei parametri fisici dell’operatore 109 5.3.2 Caso b) Rotazione degli operatori all’interno della linea di montaggio 114 5.3.3 Caso c) Modifica dei dati input: Nuovo set di operatori 116

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CONCLUSIONI E SVILUPPI FUTURI 128

Riferimenti bibliografici 131

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L’influenza dei fattori ergonomici nelle linee di montaggio: sviluppo di un algoritmo genetico per il loro dimensionamento e bilanciamento 8

Introduzione e Obiettivi della tesi

Fino alla metà del secolo scorso nelle imprese industriali aveva generalmente prevalso l’approccio tayloristico del lavoro: l’operaio al servizio della macchina. L’uomo preso in esame da Taylor possedeva solo la forza fisica ed era privo di motivazioni, di caratteristiche individuali e di percezioni soggettive. La catena di montaggio concepiva l’uomo come oggetto, uno strumento fra tanti al servizio della produzione.

È con la nascita della disciplina chiamata ergonomia [2] intorno agli anni ‘50 del novecento, che ci fu il primo significativo cambiamento nella prospettiva del rapporto uomo - lavoro. Iniziava così a prendere forma l’approccio alla progettazione basato sull’adattamento della macchina all’uomo dunque, esattamente opposto a quello dell’epoca precedente. Non è più la tecnologia da sola che determina i modi e i tempi del lavoro ma, per la prima volta vengono considerate anche le capacità e le necessità dei lavoratori.

L’ergonomia, oggigiorno, non si limita a considerare la singola postazione lavorativa, bensì̀ valuta ed analizza tutti i momenti del processo lavorativo e produttivo, mirando all’ottimizzazione delle operazioni svolte dagli operatori in tutte le fasi dello svolgimento del lavoro.

Anche in ambito industriale tutto ruota attorno all’uomo, alle sue caratteristiche, alle capacità fisiche e psichiche, ai suoi limiti e alle sue necessità, in base al tipo di attività che deve compiere. L’utente non è più visto come fattore debole ma come punto di forza e di partenza, arrivando così a progettare posti e processi di lavoro in cui i principi ergonomici non devono mai essere persi di vista al fine di garantire il benessere dei lavoratori. [2]

Appare evidente che per un’impresa, tra le tante sfide del mercato di oggi, sempre più competitivo, c’è quella di cercare di raggiungere non solo l’ottimizzazione della produzione, ma anche dell’impiego di risorse a disposizione. Diventa così uno degli obiettivi principali, anche nel campo delle linee di assemblaggio, riuscire a trovare il giusto compromesso tra ottimizzazione dei tempi/costi e benessere del lavoratore.

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L’influenza dei fattori ergonomici nelle linee di montaggio:

sviluppo di un algoritmo genetico per il loro dimensionamento e bilanciamento 9 In questo scenario si inserisce il lavoro di tesi che si pone come obiettivo il bilanciamento delle linee di montaggio, non solo da un punto di vista produttivo (classici Simple Assembly Line Problem), ma prendendo in considerazione anche le condizioni lavorative degli operatori, in particolare il loro dispendio energetico. La tesi è articolata in sei capitoli:

nel primo capitolo vengono descritti gli elementi che costituiscono, determinano e influenzano i sistemi di assemblaggio, con particolare riferimento alle linee di produzione manuali e i metodi classici utilizzati per risolvere problemi di ottimizzazione e bilanciamento delle linee;

nel secondo capitolo si esporrà l’importanza dell’ergonomia nel mondo del lavoro e i principali criteri di valutazione ergonomica utilizzati oggigiorno;

il terzo capitolo, infine, evidenzierà le metodologie già presenti in letteratura il cui obiettivo è quello di ottimizzare le linee di assemblaggio sia dal un punto di vista della produttività, che dal punto di vista ergonomico ed energetico;

nel quarto capitolo, parte centrale del lavoro di tesi, verrà presentata l’importanza dell’operatore e descritti i parametri che meglio lo caratterizzano per il nostro oggetto di studio. Si illustrerà, inoltre, la modellizzazione del problema e l’algoritmo genetico generato per ottimizzare simultaneamente obiettivi di produttività considerando al contempo aspetti ergonomici;

nel quinto capitolo si presenterà il caso di studio al quale è stato applicato l’algoritmo, e verranno esposti e analizzati i risultati ottenuti;

infine nell’ultimo capitolo verranno delineate le conclusioni del lavoro e alcune proposte di sviluppi futuri.

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Nomenclatura

Tek = tempo necessario per eseguire la k-esima operazione; Tc = tempo ciclo;

Rp = rateo produttivo; N = numero di stazioni;

Tp= tempo totale di produzione del prodotto; CL = carico di lavoro;

TD = tempo disponibile;

Tr = tempo di riposizionamento;

Tmax = tempo massimo per eseguire le operazioni alle stazioni;

Tsi = tempo necessario alla stazione i-esima per eseguire tutte le operazioni; Tai = tempo di attesa della stazione i-esima;

ηl =efficienza di linea;

ηb =efficienza di bilanciamento; ηr =efficienza di riposizionamento;

E!"#!! = tasso di dispendio energetico necessario a mantenere una determinata postura i-esima;

∆E!"#!! = dispendio energetico metabolico netto necessario per eseguire un movimento i-esimo;

Ei,j = dispendio energetico dell’operatore j−esimo per eseguire le operazione assegnate alla stazione i-esima;

Eopk,j =dispendio energetico dell’operatore j-esimo per eseguire l’operazione k-esima;

Etoti,j= dispendio energetico totale dell’operatore j-esimo assegnato alla stazione

i-esima;

Eai,j = dispendio energetico dell’operatore j-esimo durante il tempo di attesa Tai

alla stazione i-esima

OEL = tasso di dispendio energetico occupazionale;

VO2max = massimo consumo di ossigeno

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Capitolo 1

Le linee di montaggio

1.1 Introduzione alle linee di montaggio

In questo capitolo si esporranno i concetti e i criteri di base utilizzati abitualmente in letteratura per classificare le linee di montaggio; si descriveranno i classici problemi di bilanciamento delle linee di assemblaggio e si presenteranno alcuni schemi di classificazione proposti per l'identificazione dei problemi. Inoltre, verrà fornita una panoramica della varietà di problemi e soluzioni che sono state considerate nella letteratura scientifica.

La linea di montaggio (assembly line in inglese), di cui un esempio è mostrato in figura 1.1, è un sistema di lavorazione e assemblaggio di manufatti industriali, concepito alla fine del XIX secolo, teso ad ottimizzare il lavoro degli operai e a ridurre i tempi necessari per il montaggio di un manufatto. Nello specifico il montaggio è quella fase del processo di produzione tramite la quale ad un elemento base sono aggiunti di volta in volta, stazione dopo stazione, dei componenti che insieme andranno a costituire l’assemblato finale. [3]

Il montaggio prevede la suddivisione del lavoro in operazioni elementari, grazie alle quali tutte le parti vengono aggiunte in sequenza nel momento in cui attraversano le varie stazioni fino ad ottenere il prodotto finito.

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sviluppo di un algoritmo genetico per il loro dimensionamento e bilanciamento 12 Nella progettazione del sistema di assemblaggio di un prodotto ci sono vari elementi da dover individuare e definire; di seguito verranno illustrati i principali. L’operazione elementare (task) è una frazione del lavoro totale necessario ad ottenere un prodotto finito. Il tempo necessario a svolgerla è detto tempo dell’operazione Tek.

Generalmente le operazioni sono considerate indivisibili, nel senso che non possono essere ulteriormente suddivise. All’interno del nostro studio invece le operazioni elementari saranno ulteriormente suddivise in micro-attività pensate come micromovimenti compiuti dall’operatore per compiere le operazioni.

La sequenza di operazioni necessarie per realizzare un prodotto è rappresentata dal ciclo di montaggio all’interno del quale sono riportate le varie attività da svolgere con i relativi tempi di esecuzione e con l’indicazione delle precedenze tecnologiche alle quali sono sottoposte le varie operazioni.

La stazione (workstation) o postazione di lavoro è una porzione della linea di assemblaggio nella quale viene svolto un certo carico di lavoro (insieme di operazioni).

È dotata di attrezzature e macchinari per permettere all’operatore o agli operatori assegnati di svolgere correttamente il lavoro.

La postazione occupata dall’operatore nella stazione può variare in base alle necessità richieste della linea stessa. Nel caso di prodotti di grandi dimensioni come ad esempio automobili, essendo il prodotto movimentato tra le varie stazioni in modo continuo, l’operatore dovrà eseguire le relative operazioni seguendo il prodotto e tornando all’inizio della stazione a lavoro ultimato. (Workstation per operatori in piedi)

Per il montaggio di componenti di piccole dimensioni, come ad esempio dispositivi elettronici, il prodotto transita tra le varie stazioni fermandosi in prossimità della postazione dell’operatore per un certo periodo di tempo. (Workstation per operatori seduti)

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sviluppo di un algoritmo genetico per il loro dimensionamento e bilanciamento 13 È inoltre importante definire il tempo ciclo della stazione ovvero il tempo necessario ad eseguire tutte le operazione ad esse assegnate. Rappresenta anche l’intervallo di tempo che passa dal completamento del montaggio di un oggetto al successivo.

Sulla base della tipologia di prodotto e delle operazioni necessarie per assemblarlo occorre definire le caratteristiche dei sistemi di montaggio. Tra le principali decisioni da prendere sulla configurazione del sistema di assemblaggio troviamo ad esempio la tipologia di montaggio da implementare - manuale o automatico -, il layout con cui disporre le stazioni di lavoro, i sistemi di movimentazioni tra le diverse stazioni. Nella sezione successiva verranno illustrate le varie possibilità di scelta e configurazione degli elementi principali.

1.2 Classificazione delle linee di montaggio

In letteratura esiste una grande varietà di configurazioni [4] relative ai sistemi di montaggio, che generalmente vengono classificati rispetto alcuni fattori critici che li caratterizzano e che devono essere fissati e/o gestiti durante la loro progettazione. Nello specifico questi fattori posso riguardare il sistema di produzione o il lotto di produzione; tra questi, sono inclusi il layout e la forma della linea, il numero di prodotti e modelli in corso di elaborazione, i tipi di workstation e la variabilità dei tempi di esecuzione delle attività.

1.2.1 Grado di automazione

La prima macro distinzione, la più evidente che si può fare, riguarda il grado di automazione adottato nel sistema di produzione ovvero il tipo di attrezzature con le quali si eseguono le varie operazioni e che tipo di sistema di controllo e rifornimento si decide di impiegare. Si delineano così le due principali tipologie: il montaggio manuale e il montaggio automatizzato.

Montaggio manuale:

questa tipologia è caratterizzata da un basso grado di automazione; è l’operatore che utilizzando semplici attrezzi o macchine utensili esegue direttamente

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sviluppo di un algoritmo genetico per il loro dimensionamento e bilanciamento 14 l’assemblaggio dei vari componenti. È preferibile una configurazione di questo tipo quando sono previste operazioni di montaggio che richiedono specifiche capacità manuali dell’operatore e/o sono necessari movimenti troppo articolati o particolari da non poter essere svolti da un robot.

Montaggio automatico:

Al contrario del caso precedente, questa tipologia di montaggio presenta un alto grado di automazione; in tutte le fasi di lavoro è quindi previsto l’utilizzo di robot, non solo per l’assemblaggio dei componenti ma anche per le fasi di trasposto del materiale e di controllo. E’ indicato quando si hanno elevati volumi di produzione e le operazioni da svolgere sono semplici e ripetitive. Inoltre, se l’impianto prevede l’utilizzo di macchine dotate di elevata flessibilità, che permettono la realizzazione di diverse varianti, si parla di montaggio automatico flessibile, altrimenti di montaggio automatico rigido se sono presenti macchine dedicate ad un particolare prodotto.

Esiste un’altra possibile tipologia di montaggio derivante dalle due precedenti, il

montaggio semiautomatico. L’operatore prende parte solo nelle fasi di controllo

e rifornimento di materiali mentre le operazioni di assemblaggio sono svolte dagli appositi macchinari.

Una volta definite le principali tipologie di montaggio, queste posso assumere diverse configurazioni come mostra la figura 1.2.

MONTAGGIO

MANUALE SEMI AUTOMATIZZATO

AUTOMATIZZATO A POSTO FISSO IN LINEA AD ISOLA RIGIDO FLESSIBILE Figura 1.2 Rappresentazione schematica delle tipologie di montaggio

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sviluppo di un algoritmo genetico per il loro dimensionamento e bilanciamento 15 Tenendo conto di quanto detto sul montaggio manuale, questo può essere suddiviso in altre tipologie secondo la natura del prodotto da assemblare. La configurazione dell’impianto adottata e la suddivisone delle varie operazioni all’interno di esso, danno origine a diverse tipologie di stazioni di lavoro.

Nel caso di prodotti di piccola serie e di grandi dimensioni (navi, aerei, treni), c’è la necessità di pensare e organizzare l’impianto di montaggio come un'unica postazione di lavoro al fine di evitare lo spostamento di componenti pesanti ed ingombranti. Si parla così di montaggio a posto fisso, mostrato in figura 1.3, in cui tutte le attività di assemblaggio vengono svolte interamente nel medesimo posto, dotato di tutte le parti e delle attrezzature necessarie evitando così eventuali trasferimenti del pezzo durante l’intero processo.

Per prodotti di grande serie, come automobili o lavatrici in cui le operazioni da eseguire sono semplici e ripetitive e i componenti base da assemblare sono standard, è preferibile suddividere il lavoro di montaggio in tante attività svolte in successione ma in postazioni differenti.

Prende forma così il montaggio in linea, nel quale è il semilavorato che transita tra le varie stazioni, poste una dopo l’altra, dove vengono svolte in sequenza una o

Montaggio a posto fisso di un boeing 787

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sviluppo di un algoritmo genetico per il loro dimensionamento e bilanciamento 16 più operazioni. Generalmente il processo di montaggio parte da un componente di base che viene immesso all’inizio della linea, e così, passando da una stazione all’altra, prende forma diventando, una volta concluse tutte le operazioni, il prodotto assemblato.

In ogni stazione possono lavorare uno o più operatori e sono presenti sia i vari particolari da montare sia tutte attrezzature necessarie alle attività da svolgere. L’ultima tipologia è il montaggio ad isola o assembly shop, che unisce le caratteristiche dei modelli visti in precedenza permettendo così di realizzare in medie/grandi quantità anche prodotti complessi e non ripetitivi. Questa soluzione prevede l’utilizzo di isole o celle di lavoro, formate da raggruppamenti di stazioni nelle quali si svolgono specifiche operazioni. In base al ciclo di montaggio, quindi alla sequenza di operazioni previste, il semilavorato transita da una cella ad un’altra senza seguire una linea prefissata, ma in maniera più flessibile possibile. Per lo sviluppo del presente elaborato si è deciso di prendere in considerazione una linea di montaggio di tipo manuale. Vengono di seguito illustrate caratteristiche generali ed una possibile classificazione delle linee di montaggio.

1.2.2 Layout delle linee di montaggio

Nonostante il layout della linea e del sistema di produzione sia fortemente predeterminato dalla scelta del prodotto, e quindi dalle lavorazioni necessarie, anche il modo in cui vengono disposte e collegate le stazioni all’interno dell’impianto può delineare diverse tipologie di linee:

- linee in serie: le stazioni sono poste in sequenza seguendo una linea retta. E’ la configurazione standard delle linee montaggio.

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sviluppo di un algoritmo genetico per il loro dimensionamento e bilanciamento 17 - linee in parallelo: in questa configurazione possono essere duplicate o soltanto

particolari stazioni (stazioni in parallelo) o addirittura l’intera linea di montaggio.

Vengono così eseguite più operazioni in contemporanea e distribuiti i semilavorati tra diverse stazioni che, lavorando in parallelo, permettono di ridurre e rispondere più velocemente ai i fermi di produzione e/o alle repentine variazioni di domanda.

- linee ad U: le stazioni vengono disposte seguendo una linea ripiegata ad U, permettendo così di sfruttare le competenze degli operatori multi-specializzati facendoli lavorare contemporaneamente in più punti della linea, cosa che non sarebbero possibili in una configurazione di tipo in serie.

- linee a due lati: sono formate da due linee in serie disposte in parallelo delle quali vengono utilizzati entrambi i lati delle stazioni. Sono presenti coppie di due stazioni poste una di fronte all’altra che operano in parallelo sullo stesso

Figura 1.5 Rappresentazione grafica di una linea in parallelo

Figura 1.6 Rappresentazione grafica di una linea con stazioni parallelo

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sviluppo di un algoritmo genetico per il loro dimensionamento e bilanciamento 18 semilavorato, permettendo a due operatori di lavorare insieme allo stesso compito senza ostacolarsi. Essendo le operazioni assegnate solo da un lato della linea o da entrambi, questa configurazione è particolarmente adatta quando si lavora su prodotti che presentano elevate simmetrie di lavorazione e/o di grandi dimensioni.

1.2.3 Sistemi di movimentazione.

Un altro elemento cruciale per le linee di montaggio è il sistema di movimentazione dei componenti. Gli obiettivi principali di questi sistemi sono: - alimentare l’impianto con i componenti da assemblare provenienti

dall’esterno;

- allontanare dall’impianto i prodotti assemblati;

- movimentare il prodotto all’interno dell’impianto lungo le varie fasi di montaggio.

Questi sistemi possono essere classificati in base al mezzo utilizzato per la movimentazione (manuali o automatici); tale classificazione si ripercuote anche sulle linee di montaggio che pertanto si distinguono in:

- linee con flusso delle parti manuale: le stazioni sono alimentate in maniera manuale. Sono presenti dei buffer di prelievo o deposito per ogni stazione per mantenere il flusso delle attività il più lineare possibile e i semilavorati transitano lungo la linea attraverso la movimentazione manuale da parte di operatori.

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sviluppo di un algoritmo genetico per il loro dimensionamento e bilanciamento 19 - linee automatiche tramite convogliatori: il collegamento tra le varie stazioni avviene grazie a convogliatori a nastri o a rulli che permettono il trasporto automatico dei singoli assemblati. Se i convogliatori si muovono ininterrottamente e a velocità costante si parlerà di linee continue in caso in cui invece la velocità non sia costante di linee discontinue.

1.2.4 La politica di lancio in produzione

Un altro importante parametro da definire quando si progetta una linea di assemblaggio è la politica di lancio in produzione di un prodotto, ovvero il tempo di sosta dei semilavorati all’interno delle stazioni, in base al quale si può creare un’ulteriore distinzione delle linee discontinue viste in precedenza:

- linea sincrone: prevede la movimentazione simultanea di tutti i semilavorati in modo tale che ogni stazione disponga dello stesso tempo per portare a termine le operazioni assegnate. La linea è così caratterizzata dal tempo ciclo Tc e dal tasso di produzione (rateo produttivo) costanti (pezzi/ora). Ad ogni intervallo di tempo pari al tempo ciclo dalla linea uscirà un prodotto completo; i semilavorati si muovono all’interno delle stazioni o in maniera costante o a intermittenza.

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sviluppo di un algoritmo genetico per il loro dimensionamento e bilanciamento 20 - linee asincrone: prevedono un movimento discontinuo dei semilavorati attraverso le varie stazioni. Sono caratterizzate da tempi di ciclo e tassi di produzione diversi per ogni stazione che le rendono indipendenti tra di loro. A causa dei diversi tempi di lavoro per ogni stazione, e per evitare eccessive code in entrata, vengono previsti dei buffer fra stazioni successive per permettere la sosta dei semilavorati in attesa alla stazione successiva.

1.2.5 Lotto in produzione

Un’altra importante classificazione può essere fatta in base al il numero di tipologie di prodotti assemblati all’interno della linea di produzione [4]:

- linee single-model: prevedono la realizzazione di un solo prodotto lungo la linea in elevate quantità. In questi tipi di linee, il carico di lavoro rimane sempre costante dato che nelle stazioni vengono ripetute sempre le stesse operazioni sugli stessi identici semilavorati.

- linee multi-model: in questa tipologia di linea vengono assemblate diverse versioni di prodotto, ovvero prodotti che hanno le stesse caratteristiche principali ma differiscono solo per alcuni attributi. Saranno così necessarie operazioni comuni per tutti i prodotti e operazioni specifiche, con tempi e lavorazioni diverse, per differenziare le varie versioni.

Figura 1.10 Rappresentazione grafica di prodotti lungo una linea single-model

Figura 1.11 Rappresentazione grafica di prodotti lungo una linea multi-model

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sviluppo di un algoritmo genetico per il loro dimensionamento e bilanciamento 21 - linee mixed-model: sono caratterizzate dalla produzione di diversi prodotti

all’interno della stessa linea di montaggio. Ogni prodotto ha un ciclo produttivo diverso e quindi diverse operazione da svolgere, questo genera la necessità di eseguire un set-up della linea ogni volta che si cambia prodotto .

Nel presente elaborato si è deciso di prendere in considerazione una linea di montaggio monoprodotto di tipo manuale. Ne vengono di seguito illustrate le principali caratteristiche.

1.3 Analisi di una linea di montaggio manuale

Le considerazioni riportate in questa sezione riguardano una linea di montaggio manuale single-model con un solo operatore per ciascuna stazione. Si ipotizza che questa sia una linea a cadenza (continua o discontinua sincrona).

1.3.1 Dimensionamento della linea

Il primo passo per costituire una linea di montaggio consiste nel suo dimensionamento, ovvero nel determinare parametri come il rateo di produzione, la cadenza, l’efficienza della linea, il numero di stazioni necessarie, il tempo di riposizionamento, l’efficienza di riposizionamento, ecc. [4]

Il rateo produttivo Rp della linea esprime la produzione oraria che deve

mantenere una linea di montaggio per poter soddisfare la domanda annua richiesta; è calcolato come:

𝑅_! = !!

!!!!!! [unità/ora] (1.1)

Figura 1.12

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L’influenza dei fattori ergonomici nelle linee di montaggio: sviluppo di un algoritmo genetico per il loro dimensionamento e bilanciamento 22 dove:

Da : domanda annua di un prodotto [unità/anno]

Wy: numero di settimane per anno nei quali la linea deve funzionare [settimane/anno]

Sw : numero di turni alla settimana [turni/settimane] Hs : numero di ore per turno [ore/turno]

Altro parametro importante da determinare è la cadenza della linea ovvero il

tempo di ciclo Tc che rappresenta sia l’intervallo di tempo che passa dal

completamento di un oggetto al successivo sia il tempo che ciascuna stazione ha per completare le operazioni di montaggio.

Il tempo ciclo può essere calcolato come l’inverso del rateo produttivo: 𝑇! = _!!"

!! (1.2)

dove Rp’ è il rateo produttivo che si avrebbe nel caso in cui non fossero presenti le perdite produttive dovute all’inefficienza della linea.

Una linea di montaggio, infatti, può essere soggetta a diversi problemi come guasti delle attrezzature, mancanza dei componenti necessari, problemi di qualità dei prodotti che possono portare ad inefficienze della linea con conseguente riduzione del tempo totale per eseguire le tutte lavorazioni rispetto a quello realmente disponibile. È quindi fondamentale determinare l’efficienza della

linea, definita come il rapporto tra il rateo produttivo effettivo e quello ideale.

𝜂_! = !!

!!! (1.3)

È importante riuscire a tenere questo valore il più prossimo possibile al 100%, generalmente nelle linee d’assemblaggio manuali assume valori compresi tra 0.90 e 0.98.

Per cercare di ridurre al minino l’inefficienza della linea vengono messe in atto azioni preventive come programmi di manutenzione prestabiliti, squadre di intervento ben addestrate, una gestione efficiente dei componenti, il tutto allo scopo di ridurre i tempi di fermo.

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sviluppo di un algoritmo genetico per il loro dimensionamento e bilanciamento 23 Se si sostituisce il valore di tale efficienza nella espressione precedente, si ricava il tempo ciclo espresso in minuti/pezzo:

𝑇_! = !"∗!!

!! (1.4)

Durante l’analisi di una linea di montaggio, altro elemento da determinare è il

numero minimo di stazioni N di lavoro necessarie per assemblare il prodotto.

Tale elemento si valuta in funzione del rateo produttivo e del tempo totale di

produzione Tp, tempo necessario per assemblare l’intero prodotto calcolato come

somma dei tempi necessari per completare ogni operazione in cui il ciclo di montaggio è suddiviso.

𝑇_! = 𝑇_!" [min] (1.5)

Il numero minimo di stazioni si trova rapportando il carico di lavoro da completare in un certo periodo di tempo al tempo disponibile:

𝑁 = 𝐶𝐿 𝑇𝐷 (1.6)

Il carico di lavoro CL rappresenta la quantità di tempo, in un determinato periodo di riferimento, (ad esempio un’ora) in cui l’impianto dovrebbe essere attivo per realizzare il prodotto in questione.

𝐶𝐿 = 𝑇!𝑅! [min di lavoro/ora] (1.7)

Il tempo disponibile TD è invece il periodo di riferimento moltiplicato per l’efficienza della linea. Nel caso in cui il periodo considerato sia un’ora, il tempo disponibile è determinato come:

𝑇𝐷 = 60 ∗ 𝜂_! [min/ora] (1.8)

Un peggioramento dell’efficienza della linea porterebbe ad avere un tempo disponibile minore, provocando un aumento del numero di stazioni necessarie. Il numero di stazioni trovato seguendo il ragionamento precedente è valido solo in via teorica e come prima approssimazione, poiché nel calcolo non si tiene conto di diversi aspetti che incidono in maniera notevole nel dimensionamento della linea:

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sviluppo di un algoritmo genetico per il loro dimensionamento e bilanciamento 24 le perdite dovute al riposizionamento e la suddivisione del carico di lavoro in maniera non equamente distribuita.

E’ necessario infatti considerare che in ogni stazione viene perso del tempo chiamato tempo di riposizionamento Tr , per permettere all’operatore di

riposizionarsi (nel caso di linee continue) o all’unità per transitare tra una stazione e l’altra (linee sincrone).

Supponendo per semplicità che questo tempo sia uguale per tutte le stazioni, si determina che il tempo massimo Tmax per eseguire tutte le operazioni alle

stazioni sarà:

𝑇!"# ≤ 𝑇!− 𝑇! (1.9)

Altro problema da tenere presente è la difficoltà di ripartire tutte le operazioni sulle varie stazioni in parti esattamente uguali a causa dei limiti di tempo e soprattutto dai vincoli tecnologici imposti dal ciclo di montaggio. I tempi (Tsi)

necessari dai vari operatori per eseguire tutte le operazioni di montaggio assegnate alle stazioni saranno differenti, ci saranno dunque alcune stazioni in cui le attività verranno ultimate in un tempo inferiore rispetto al tempo ciclo prefissato e in cui l’operatore sarà costretto ad aspettare un determinato tempo, il tempo di attesa

Tai (idle time) . La stazione più lenta ovvero quella che avrà il valore più alto di Tsi

sarà chiamata “stazione collo di bottiglia” e su questa verrà dimensionato il nuovo valore di Tmax .

𝑇!"# = 𝑚𝑎𝑥 𝑇!" (1.10)

Conoscendo ora il tempo di riposizionamento e il tempo massimo imposto dalle stazioni, è possibile ridefinire il tempo ciclo associato ad ogni stazione, già calcolato in precedenza, e determinare il tempo di attesa per ogni stazione della linea.

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sviluppo di un algoritmo genetico per il loro dimensionamento e bilanciamento 25 L’ efficienza di riposizionamento ηr misura le perdite dovute ai

riposizionamenti ed è espressa come:

𝜂_!= !!"# !! = (!!!!!) !! = 1 − !! !! (1.13) 1.3.2 Bilanciamento di una linea di montaggio manuale

Nella sezione precedente abbiamo visto come dimensionare una linea di montaggio ricavando così il tempo ciclo della linea Tc, i tempi di lavorazione Tsi e tempi di attesa di ogni stazione Tai .

Tra i vari obiettivi di un’impresa c’è anche quello di cercare di aumentare la produttività dell’impianto in termini di costi e tempi. Questo sarebbe possibile, ad esempio, se si riuscisse a ridurre ulteriormente il tempo di ciclo, cercando di distribuire equamente il carico di lavoro ottenendo così tempi Tsi simili per tutte le stazioni e tempi di attesa nulli Tai.

I problemi legati al bilanciamento di una linea di montaggio hanno proprio questo scopo, trovare la soluzione migliore che assegni un certo numero di operazioni ad ogni stazione cercando di minimizzare i tempi di attesa, aumentando il rateo produttivo. [4] 𝑇!" 𝑇!" 𝑇! 𝑇_! Figura 1.13 Rappresentazione grafica dei tempi relativi ad una stazione i-esima

(27)

sviluppo di un algoritmo genetico per il loro dimensionamento e bilanciamento 26 Qualunque sia l’obiettivo che si vuole raggiungere e l’approccio impiegato, una volta che è stata raggiunta una determinata soluzione, è necessario poterne misurarne la bontà attraverso un parametro chiamato efficienza di

bilanciamento.

𝜂_!= 𝑇_! (𝑁𝑇_!"#) (1.14)

Valori tipici nell’industria oscillano tra 0,90 e 0,95.

Un altro paramento importante è il ritardo di bilanciamento che rappresenta il tempo perduto a causa di un imperfetto bilanciamento, nonché il complementare dell’efficienza di bilanciamento.

𝑑 = (𝑤𝑇_!"# − 𝑇_!) 𝑤𝑇_!"# 𝜂_!+ 𝑑 = 1 (1.15)

Ovviamente un valore d=0 sta indicare un ritardo di bilanciamento uguale a zero e quindi un perfetto bilanciamento.

A questo punto la produttività di una linea manuale di montaggio può espressa tramite tre parametri che misurano l’efficienza dell’impianto:

- l’efficienza della linea 𝜂!

- l’efficienza di riposizionamento 𝜂_𝑟 - l’efficienza di bilanciamento 𝜂_!

L’efficienza globale della linea è data da:

𝜂 = 𝜂_!𝜂_!𝜂_! (1.16)

Questo fattore è molto importante perché permette di calcolare un valore più realistico del numero di operatori, ovvero stazioni, necessari alla linea di montaggio.

(28)

1.4 Problemi di bilanciamento

Tra i principali obiettivi dei problemi di bilanciamento troviamo gli obiettivi di capacità, gli obiettivi di costo, gli obiettivi di profitto e gli obiettivi sociali/organizzativi, brevemente descritti di seguito.

Il classico obiettivo dei problemi di bilanciamento è tendere al raggiungimento della massima produttività della linea, andando ad agire sui fattori che la dimensionano. Tra vari obiettivi di produttività vi sono:

- la minimizzazione del tempo ciclo Tc - la minimizzazione del numero N di stazioni

- la massimizzazione dell’efficienza di bilanciamento 𝜂_!

- la distribuzione equa del carico di lavoro tra le stazioni ovvero stessi tempi Tsi su ogni stazione

- la minimizzazione dei tempi di attesa Tai ;

Esistono problemi di bilanciamento che hanno come obiettivo l’ottimizzazione della linea, ragionando non più in termini di produttività ma dal punto di vista dei costi e del profitto. Nel caso di obiettivi di costo si prendono in considerazione tutti i costi della linea, sia quelli di breve che di lungo periodo, come costi dei macchinari e attrezzature, manodopera, materiali, giacenze, non completamento e costi di set-up nel caso di linee multi-model.

Variabili come il rateo produttivo e i prezzi sono considerate se si vogliono raggiungere obiettivi di profitto.

Come accennato in precedenza, il problema di bilanciamento della linea di assemblaggio che prende il nome di Assembly line balancing problem (ALBP) consiste nell'assegnare un insieme di attività indivisibili a una sequenza ordinata di stazioni in modo da rispettare i vincoli di precedenza, senza superare il tempo di ciclo e ottimizzando una data efficienza.

(29)

sviluppo di un algoritmo genetico per il loro dimensionamento e bilanciamento 28 In letteratura [5] i problemi di bilanciamento della linea vengono suddivisi in:

- Simple assembly line balancing problem SALBP : classico problema per linee di tipo single-model;

- General assembly line balancing problem GALBP: comprende tutti i problemi non riconducibili alla tipologia SALB come per esempio il bilanciamento di linee mixed-model, a U, a due lati, parallele ecc.;

- Design line balancing problem DLBP problema che riguarda la progettazione del bilanciamento di una linea

- Robotic assembly line balancing RALB: riguarda il bilanciamento di una linea di montaggio robotizzata

1.4.1 SALBP (Simple assembly line balancing problem)

Come accennato in precedenza, i simple assembly line balancing problems considerano problemi semplici, limitati dai vincoli delle precedenze tecnologiche e dal vincolo legato al tempo ciclo.

Di seguito sono riportate le principali ipotesi di un problema di tipo SALBP: - la linea di montaggio è di tipo single model, si lavora un singolo prodotto con

tutti i parametri di ingresso conosciuti con certezza;

- i tempi delle operazioni Tek sono deterministici e indipendenti; nessuno dei

tempi Tsi è maggiore del tempo di ciclo;

- le operazioni possono essere assegnate a qualsiasi stazione e devono essere completamente svolte solo su di essa;

- nell’assegnazione delle operazioni l’unica restrizione è il vincolo delle precedenze tecnologiche;

- le stazioni sono unilaterali e disposte con layout seriale;

- il sistema di movimentazione è automatico con tempo ciclo Tc fisso;

- l’intervallo di lancio è costante e pari al tempo ciclo.

A seconda dell'obiettivo di ottimizzazione considerato, si distinguono quattro versioni di SALBP [6]:

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sviluppo di un algoritmo genetico per il loro dimensionamento e bilanciamento 29 famosa versione tra i problemi di bilanciamento e si adotta nel momento in cui deve essere installata una nuova linea di montaggio visto che rateo produttivo e tempo ciclo sono fissati.

- SALBP-2: minimizza il tempo ciclo Tc per un dato numero di stazioni N; duale di SALBP-1 conduce verso la massimizzazione del rateo produttivo di una linea già esistente

- SALBP-F: è un problema di fattibilità che prova a stabilire, per una data combinazione del numero 𝑁 di stazioni e del tempo ciclo Tc, l’esistenza di una sequenza di operazioni fattibile, ovvero una linea di montaggio fattibile. - SALBP-E: cerca di massimizzare l'efficienza di bilanciamento della linea 𝜂!,

attraverso una certa combinazione del numero di stazioni N e del tempo ciclo

Tc.

Dal momento che il rateo produttivo e il tempo ciclo sono parametri fissi, SALBP-1 si utilizza nel momento in cui deve essere progettata una nuova linea di montaggio; al contrario SALBP-2 ogni volta che una linea esistente richiede di essere ri-bilanciata.

Versioni di SALBP Dati di partenza Parametro da ottimizzare

SALBP-1 Numero di stazioni N Tempo ciclo Tc

SALBP-2 Tempo ciclo Tc Numero di stazioni N

SALBP-F Numero di stazioni N

Tempo ciclo Tc - SALBP-E - Numero di stazioni N Tempo ciclo Tc Tabella 1-1.1 Versioni di SALBP 1.4.2 Metodi per la risoluzione dei problemi SALBP

Sono state sviluppate numerose procedure per risolvere i problemi di bilanciamento della linea di montaggio. A causa della difficile natura di questo tipo di problema combinatorio, pochi metodi esatti sono stati sviluppati per risolvere il SALBP, in particolare SALBP-1.

(31)

sviluppo di un algoritmo genetico per il loro dimensionamento e bilanciamento 30 Normalmente, pur garantendo una soluzione ottimale, l’applicazione dei metodi esatti trova una limitazione rispetto alla dimensione del problema, misurata in termini di tempo di calcolo. Tali metodi, pertanto, possono essere applicati solo a istanze di problema con piccole o medie quantità di attività di assemblaggio. Al fine di superare tale limitazione, sono stati sviluppati metodi approssimativi che mirano a fornire buone soluzioni più vicine alla soluzione ottimale.

Questo problema matematico SALBP può essere risolto tramite metodi euristici e metodi iterativi.

I metodi euristici sono metodi basati sul senso pratico e sulla sperimentazione, piuttosto che su una vera e propria ottimizzazione matematica; infatti con i cosiddetti algoritmi euristici si ottiene una soluzione che può non essere ottima per un dato problema, ma può essere raggiunta in tempi ragionevoli. [4]

Tra i principali metodi euristici troviamo: • Largest Candidate Rule;

• Kilbridge e Wester;

• Ranked Positional Weight;

I metodi iterativi, al contrario, attraverso un certo numero di iterazioni dello stesso procedimento, giungono alla soluzione “ottima” migliorandola di volta in volta con le opportune modifiche. Quelli descritti nei paragrafi seguenti sono:

• Tabu Search;

• Algoritmo Genetico;

Di seguito si descrivono brevemente i metodi più trattati ed utilizzati in letteratura. [4]

Largest Candidate Rule - LCR

Il metodo Largest Candidate Rule è uno dei più semplici da implementare, soprattutto nel caso di una linea mono-prodotto.

Dopo aver definito le precedenze tecnologiche, i tempi di esecuzione delle operazioni, il rateo produttivo e la saturazione del tempo di ciclo si posso applicare i seguenti passi:

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sviluppo di un algoritmo genetico per il loro dimensionamento e bilanciamento 31 1) Ordinamento delle operazioni: ordinare in maniera decrescente a seconda

del tempo di esecuzione le operazioni;

2) Assegnare le operazioni: seguendo l’ordinamento creato al passo precedente, inserire ciascuna operazione all’interno di una stazione rispettando i vincoli di tempo (max Tsi) e i vincoli di precedenza;

3) Passare ad un’altra stazione: quando l’operazione selezionata un presenta tempo di esecuzione maggiore del tempo disponibile della stazione corrente, si assegna alla stazione successiva;

4) Ripetizione dei passi: ripetere i precedenti passi (partendo dal 2) finché non sono esaurite tutte le operazioni della lista.

Kilbridge e Wester

Questo metodo è piuttosto semplice da implementare e si focalizza sul classificare le operazioni non più secondo i tempi decrescenti nel quale devono essere ultimate le operazioni, ma ordinando le attività a seconda delle loro precedenze tecnologiche. La lista ordinata delle operazioni viene creata rappresentando il diagramma delle precedenze del prodotto secondo colonne, all’interno delle quali le operazioni sono ordinate in funzione del tempo.

Per implementare questo metodo i passi, simili a quelli visti con il precedente metodo, sono:

1) Creazione della lista: suddividere le operazioni elementari in un grafo di montaggio a seconda delle precedenze tecnologiche, posizionandole per colonne, e ordinandole secondo il tempo di esecuzione decrescente; 2) Assegnare le operazioni: seguendo l’ordinamento creato al passo

precedente, inserire ciascuna operazione all’interno di una stazione rispettando i vincoli di tempo (max Tsi) e i vincoli di precedenza;

3) Passare ad un’altra stazione: quando l’operazione selezionata presenta un tempo di esecuzione maggiore del tempo disponibile della stazione corrente si assegna alla stazione successiva;

4) Ripetizione dei passi: ripetere i precedenti passi (partendo dal 2) finché non sono esaurite tutte le operazioni della lista.

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sviluppo di un algoritmo genetico per il loro dimensionamento e bilanciamento 32 Si noti come anche questo metodo sia di semplice esecuzione e addirittura più immediato di quello descritto precedentemente in quanto la suddivisione in colonne riporta automaticamente anche le precedenze tecnologiche di cui si deve tenere conto nell’assegnazione delle operazioni alle diverse stazioni.

Di seguito, per maggiore chiarezza espositiva, viene riportato un esempio di grafo di montaggio dal quale creare la lista.

Ranked Positional Weight

Il metodo Ranked Positional Weight risulta essere forse il più preciso e completo tra i metodi finora descritti, in quanto non tiene conto solo dei tempi di esecuzione di ogni operazione elementare, ma ingloba anche i tempi di esecuzione delle attività seguenti a quella in questione. Le operazioni sono ordinate secondo un indice, RPW (Ranked Positional Weight), che viene calcolato come la somma dei tempi di esecuzione delle operazioni elementari (Tek) che seguono una data

operazione del diagramma delle precedenze.

𝑅𝑃𝑊_! = ! 𝑇_!"

!!! (1.18)

dove:

j = operazione j-esima

n = numero di tutte le operazioni

Tek = tempi di esecuzione dell’operazione k-esima 0,18 0,58 0,34 0,26 0,35 0,43 0,14 0,28 2 3 5 1 4 7 6 8 I II III IV V Figura 1.14 Grafo di montaggio suddiviso in colonne secondo il metodo Kilbridge e Wester.

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sviluppo di un algoritmo genetico per il loro dimensionamento e bilanciamento 33 Ad esempio, nel caso preso in esame in figura1.14, l’operazione n.4 possiede un RPW pari a:

RPW4=Te4+Te6 + Te7 +Te8=0,35 + 0,43 + 0,14 +0,28 = 1,2

Il procedimento di questo metodo prevede i quindi di calcolare l’indice RPW per ogni operazione elementare e applicare i passi già descritti per gli altri metodi.

Tabu Search

La Tabu Search nasce come un’evoluzione del classico modello “metodo di discesa”, utilizzato per trovare il minimo di una funzione all’interno di uno spazio di soluzioni.

Con il metodo di discesa, si parte da una soluzione iniziale ed eseguendo una serie di mosse si arriva ad una nuova soluzione che cade all’interno del ‘vicinato’ (insieme di adiacenza) della soluzione corrente, in cui la funzione obiettivo presenta un valore minimo inferiore a quello attuale. Il limite di questo modello sta nel fatto, che se nell’insieme di adiacenza non esistono soluzioni migliori a quella corrente, la ricerca si interrompe e come soluzione ottima si ottiene un minimo locale dello spazio delle soluzioni, spesso molto lontana dall’ottimo globale. Con la tecnica della Tabu Search si cerca di superare questo problema continuando la ricerca anche oltre i minimi locali. [7]

L’idea di base di questo metodo iterativo consiste nel definire ‘tabu’ le ultime mosse eseguite durante il cammino di ricerca e renderle proibite, ovvero non più eseguibili, in modo che l’algoritmo non possa tornare sui suoi passi e ricadere nel minimo locale. L’uso della memoria è la caratteristica principale della Tabu Search infatti, durante l’esecuzione, l’algoritmo non solo tiene traccia delle informazioni locali relative alla soluzione finale, ma anche informazioni relative all’itinerario percorso.

Tali informazioni permettono di procedere dalla soluzione corrente a quella successiva che viene scelta all’interno dell’insieme di adiacenza.

Come tutti i tradizionali metodi di ricerca, l’algoritmo può terminare in base a differenti criteri di stop, ad esempio, quando si raggiunge o il numero massimo di

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sviluppo di un algoritmo genetico per il loro dimensionamento e bilanciamento 34 iterazioni o il tempo massimo di calcolo o semplicemente quando il valore della funzione obiettivo trovato è uguale al limite inferiore.

L’algoritmo genetico

Tra i metodi iterativi usati per la risoluzione dei problemi di bilanciamento è presente l’algoritmo genetico, del quale verrà fatta una descrizione dettagliata più avanti, essendo esso utilizzato nel presente lavoro di tesi.

L’algoritmo genetico, in generale, è un metodo che prende ispirazione dalla genetica per sviluppare soluzioni ammissibili che migliorano all’aumentare delle iterazioni dell’algoritmo stesso.

Parte da una popolazione iniziale, ovvero un insieme di soluzioni ammissibili detti ‘individui’ che provvede a fare evolvere durante l’esecuzione tramite varie iterazioni.

Ogni soluzione ammissibile trovata, rappresentata da un individuo della popolazione, viene valutata tramite una funzione obiettivo, denominata funzione di fitness, che ne rappresenta la bontà.

In base al valore ottenuto della funzione di fitness pertanto, ogni singolo individuo potrà essere selezionato e quindi utilizzato per la riproduzione, ovvero per prendere parte alla riproduzione delle generazioni successive, chiamate figli. Ogni individuo selezionato trasmette parte del suo patrimonio genetico ricombinato ai propri figli, attraverso due operatori genetici, il crossover e la mutazione, pertanto con l’avanzare delle generazioni la soluzione tenderà sempre a migliorare. L’evoluzione della popolazione, ovvero le iterazioni, continuano fino al raggiungimento di un predeterminato criterio di stop, ad esempio il numero di iterazioni stabilito inizialmente

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Capitolo 2

L’Ergonomia

2.1 Introduzione all’ergonomia

Il termine “Ergonomia”, che deriva dal greco “ergon” (lavoro) e “nomos” (legge), compare per la prima volta in Gran Bretagna nel 1949; venne coniato ed utilizzato dallo psicologo Murrell che, coinvolgendo studiosi di varie discipline, fondò una prima società nazionale di ergonomia con lo scopo di tutelare la salute, la sicurezza e promuovere il benessere dei lavoratori. [2]

In seguito furono fondate altre società e associazioni con lo stesso intento tra le quali quella italiana (S.I.E.) e I.E.A. (International Ergonomics Association); a quest’ultima è dovuta anche la seguente definizione: “L’Ergonomia (o Fattori Umani) è la disciplina scientifica interessata alla comprensione dell’interazione tra gli elementi di un sistema (umani e d’altro tipo) e la funzione per cui viene progettato (nonché́ la teoria, i principi, i dati e i metodi che vengono applicati nella progettazione). Ciò̀ allo scopo di ottimizzare la soddisfazione dell’utente e l’insieme delle prestazioni del sistema”. [2]

L'ergonomia come detto è una scienza nuova che dà vita a un nuovo modo di concepire le interazioni tra uomo e i sistemi con cui si relaziona, pensando alle sue caratteristiche e capacità fisiche e psichiche, ai suoi limiti e alle sue necessità. Più in dettaglio, negli studi ergonomici ci si occupa dell’adattamento delle condizioni di lavoro alle capacità e alle caratteristiche del lavoratore, delle possibilità di adattamento dell’uomo alle mansioni che è chiamato a svolgere, dell’adattamento delle attrezzature di lavoro alle caratteristiche antropometriche e anatomiche dell’individuo, in sintesi dell’organizzazione «a misura d’uomo» del lavoro, del suo contenuto e dell’ambiente in cui si svolge.

Tutta la comunità beneficia del lavoro di chi si occupa di ergonomia, in quanto i risultati dei loro studi vengono applicati ampiamente in tutti i settori quali lo sport, l'istruzione, gli impianti pubblici, la casa, le attrezzature ricreative, i sistemi

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sviluppo di un algoritmo genetico per il loro dimensionamento e bilanciamento 36 di trasporto, e generalmente ogni posto di lavoro.

Diventa così evidente quanto sia importante il ruolo del fattore umano e quanto sia importante mantenerne il suo benessere (in passato non è sempre stato così, almeno non come scopo primario). Per arrivare a questo punto l’ergonomia moderna ha attraversato diverse fasi e coinvolto un numero sempre maggiore di aree di studio.

Nei primi anni ’50, epoca in cui nasce e muove i primi passi questa scienza, il lavoro più diffuso era quello manuale in fabbrica ed il lavoratore era considerato un fornitore di prestazioni che doveva rendere al massimo anche in ambienti ad alto rischio. In tale contesto l’ergonomia aveva sì lo scopo di tutelare l’uomo e migliorarne la salute e la sicurezza, ma il fine ultimo era la sua maggior produttività nell’ azienda: si operava la selezione del personale in termini di idoneità a svolgere un determinato compito e/o ad utilizzare con profitto una determinata macchina. Questo rapporto uomo-macchina gradualmente, e mano a mano che la forza lavoro acquista potere, si capovolge e l’ergonomia sposta i suoi obiettivi su come adattare la macchina all’uomo. Il focus rimane l’uomo, in quanto la macchina viene progettata partendo dalle caratteristiche delle persone che la devono utilizzare e studiandone le possibili prestazioni.

Il mondo del lavoro con le relative dinamiche associate, e di conseguenza gli studi e gli obiettivi dell’ergonomia si modificano ulteriormente e in modo significativo in altri due particolari momenti storici:

1. negli anni ’70 in cui si inizia a parlare di interazione e non più di ‘adattamento al sistema’ e gli ergonomisti si concentrano prevalentemente sullo studio delle relazioni che intercorrono tra i lavoratori e l’ambiente circostante (macchine comprese);

2. negli anni ’90 in cui il mondo del lavoro, sconvolto dall’avvento delle nuove tecnologie, si modifica radicalmente. L’ergonomia comincia infatti ad occuparsi anche delle interfacce dei computer e a concentrarsi sulle caratteristiche fisiche dell’interazione per cercare di capire come essa valorizzi o diminuisca le prestazioni dell’utente. La sua area di studio è

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sviluppo di un algoritmo genetico per il loro dimensionamento e bilanciamento 37 l’interfaccia tra l’essere umano e l’evento interagente ed è attualmente alla base delle metodologie di progettazione “human centered”. Ora l’utente non è più̀ il “fattore” debole da proteggere, ma il punto di forza e di partenza nella progettazione degli ambienti con cui una persona deve interagire, sia che si progetti un prodotto o l’ambiente di lavoro nel suo complesso.

Sembra così che ci siano due grandi divisioni dell’ergonomia: la prima riguarda il lavoratore, le macchine utilizzate e l'ambiente in cui opera, mentre la seconda riguarda i requisiti funzionali che i prodotti devono avere a seconda di come interagiscono con l'utente umano.

Un prodotto per essere considerato ergonomico deve essere centrato sull’utente,

user friendly , sicuro, facile e soddisfacente nell’utilizzo, ovvero deve possedere

un elevato grado di usabilità.

Quando si analizza il modo di lavorare e come può essere migliorato dal un punto di vista ergonomico, ci sono cinque elementi che devono essere sempre tenuti in considerazione:

1. Uomo / lavoratore - cioè l'elemento umano del luogo di lavoro. 2. Ambiente di lavoro - gli edifici, le aree di lavoro e gli spazi.

3. Progettazione del contenuto del lavoro / task – Ciò che il lavoratore è tenuto a fare e ciò che effettivamente fa.

4. Posto di lavoro – è dove il lavoratore svolge la sua attività lavorativa e deve essere progettato e pensato in modo che si adatti alle sue esigenze. 5. Organizzazione del lavoro - il contesto più ampio dell'organizzazione e

del lavoro e come questo interagisce con gli individui.

I fattori ergonomici principali che possono essere riferiti a ciascuno di questi elementi sono riportati in Tabella 2.1.

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sviluppo di un algoritmo genetico per il loro dimensionamento e bilanciamento 38 Elemento: Fattori ergonomici principali

UOMO

caratteristiche degli utenti (età, genere, altezza, peso..) capacità fisiche (posture, movimenti, forze..)

caratteristiche e capacità sensoriali – percettive (visive, uditiva, tattile…)

competenze e capacità d’uso

AMBIENTE DI LAVORO

zone di raggiungibilità, spazio di movimento layout dell’ambiente e dei comando

ambiente acustico ambiente igrotermico vibrazioni

CONTENUTO DEL LAVORO

caratteristiche dei compiti fisici caratteristiche dei compiti visivi caratteristiche dei compiti uditivi caratteristiche dei compiti tattili caratteristiche dei compiti cognitivi

Tabella 2-1.1 Principali fattori ergonomici [9]

Per questo lavoro è stato approfondito il ramo dell’ergonomia professionale, che tratta nello specifico il miglioramento della qualità del lavoro, le condizioni degli ambienti, degli strumenti di lavoro e delle prestazioni dell’operatore, la prevenzione di malattie professionali e il benessere psicofisico dell’operatore senza perdere di vista però l'efficienza della produzione e la qualità del prodotto. In particolare sono stati analizzati gli aspetti fisici e le capacità del lavoratore cercando d’individuare i più significativi per il nostro studio. A margine sono state svolte anche alcune considerazioni riguardo le dimensioni della postazione di lavoro applicata al nostro caso di studio.

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2.2 Metodi per la valutazione del rischio ergonomico

La popolazione attiva e occupata, specialmente nei settori produttivi dove sono presenti processi industriali standardizzati, è sottoposta ad attività lavorativa quotidiana con carattere di ripetitività. L’esigenza di individuare il grado di esposizione al sovraccarico biomeccanico a cui è sottoposto un lavoratore durate la sua giornata ha condotto allo sviluppo di diverse tecniche di analisi e valutazione del rischio ergonomico. Tra questi metodi per misurare o stimare i fattori di rischio, che potenzialmente possono provocare malattie professionali, troviamo principalmente in metodi biomeccanici e metodi posturali.

I metodi biomeccanici stimano i carichi meccanici su diverse parti del corpo attraverso la modellazione matematica, ad esempio il modello di previsione di resistenza statica bidimensionale (2D) o il modello 3D SSPP dell’università del Michigan o il Lumbar Motion Monitor (LMM) mentre i metodi posturali stimano il numero di combinazioni posturali indesiderate, ovvero quelle che si ritengono associate allo sviluppo del dolore alla schiena e di altre distorsioni e tensioni, e la percentuale del lavoro in cui queste posizioni sono necessarie. Tra questi troviamo ad esempio il sistema di analisi postura OWAS, rapida valutazione degli arti superiori RULA, ecc.. Quelle descritte di seguito sono solo alcune delle metodologie comunemente più utilizzate. [10] [11] [12]

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L’influenza dei fattori ergonomici nelle linee di montaggio: sviluppo di un algoritmo genetico per il loro dimensionamento e bilanciamento 40 2.2.1 Metodo OCRA

Il metodo OCRA [10] è un metodo di analisi quantitativo dei principali fattori di rischio e permette di prevedere il numero di casi patologici attesi secondo le fasce di rischio. In particolare, permette di effettuare uno screening veloce e di individuare le postazioni a rischio, mediante l’analisi e la quantificazione dei seguenti fattori di rischio, che si presentano con una intensità̀ diversa:

- Frequenza e ripetitività̀ dei gesti lavorativi.

- Necessità di un uso eccessivo della forza manuale.

- Necessità di operare in posizioni scorrette per gli arti superiori. - Presenza di fattori complementari di rischio.

- Carenza di adeguati tempi di recupero.

L’indice di rischio OCRA consente di valutare il peso di ciascuno di questi fattori di rischio e di accorparli successivamente in un unico indice, definito come il rapporto tra il numero delle azioni effettivamente svolte in un turno di lavoro ed il corrispondente numero di azioni raccomandate.

𝐼𝑛𝑑𝑒𝑥 𝑂𝐶𝑅𝐴 =!! !! = !! !"∗!!∗!!∗!!∗!!∗!! ! !!! (2.1) dove:

Ae : è il numero totale di azioni svolte dall’operatore durante il turno; Ar : è il numero totale di azioni raccomandate per il turno;

x : è l’attività ripetitiva considerata che va da 1,..,n , con n numero dei movimenti svolti durante il turno;

fattore CF : è la costante di frequenza delle azioni per minuto (solitamente 30 azioni/minuto);

fattore D : è la durata di ogni azione espressa in minuti;

Gli altri parametri rappresentano fattori dipendenti dalle modalità di svolgimento dell'attività lavorativa che possono assumere valori compresi tra 1 (condizioni migliori) e 0 (condizioni peggiori):

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sviluppo di un algoritmo genetico per il loro dimensionamento e bilanciamento 41

Ff, Fp, Fa: fattori moltiplicativi che variano da 0 a 1, correlati rispettivamente alla forza muscolare, alla postura degli arti superiori e a elementi addizionali, per

ogni movimento n;

Fr: è il fattore moltiplicativo con valore che varia tra 0 e 1 che segnala una

mancanza del periodo di recupero durante il movimento. In funzione dell’indice OCRA vengono individuate tre fasce:

Area Verde: l’indice OCRA presenta valori minore di 0,75 cioè l'attività lavorativa non comporta alcun rischio per quanto riguarda le patologie muscolo-scheletriche degli arti superiori.

Area Gialla: l’indice è compreso tra i valori di 0,75 e 4; è opportuno introdurre interventi di sorveglianza medica per i lavoratori poiché l'attività lavorativa in esame comporta una probabile, anche se non rilevante, esposizione a rischio.

Area Verde: il valore dell’indice OCRA è maggiore a 4, l'attività che esegue il lavoratore comporta situazioni di rischio elevati. Sono necessari interventi di sorveglianza medica per gli addetti ed una riprogettazione del ciclo lavorativo in esame.