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Étude des facteurs contributifs à l’erreur humaine dans l’assemblage manuel complexe: le cas d’une usine de fabrication de moteurs d’avions

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Torres Medina, Yaniel (2022). Étude des facteurs contributifs à l’erreur humaine dans l’assemblage manuel complexe: le cas d’une usine de fabrication de moteurs d’avions. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

L’étude de l’erreur humaine est devenu un sujet pertinent pour l’ergonomie/génie de facteurs humaines (HF/E) et la sécurité industrielle depuis plusieurs décennies, particulièrement en lien avec des domaines dits critiques pour la sécurité (pétrochimique, nucléaire, aérospatial). Pour ce qui est du secteur de la manufacture, les aspects physiques du travail semblent avoir attiré la majorité de l’attention de la recherche en HF/E. Cependant, dans la manufacture aérospatiale les erreurs d’assemblage peuvent entrainer de pertes économiques importantes (problématique de qualité, productivité réduite) ou même compromettre la sécurité de l’aéronef. L’assemblage de moteurs d’avions, objet d’étude de cette thèse, est un travail qui se fait largement de manière manuelle et qui comporte des exigences cognitives importantes en raison de la complexité des tâches. Bien que certaines technologies liées à l’industrie 4.0 peuvent, à l’avenir, soutenir la performance humaine, il demeure toujours important d’étudier les conditions de réalisation de ce travail. La conception ou l’amélioration du système d’assemblage, avec ou sans soutien des technologies 4.0, doit tenir compte de facteurs qui exercent une influence sur la performance humaine afin de minimiser le risque d’erreurs.

Dans cette thèse nous visons à réaliser une étude de l’erreur humaine dans un centre de production de moteurs d’avions. On s’intéresse, en premier lieu, à identifier les principaux types d’erreurs possibles dans l’assemblage manuel complexe, évaluer le risque de celle-ci et l’influence de certains facteurs contributifs. Par la suite, on se focalise dans l’évaluation de la fatigue et la charge de travail pour terminer par l’illustration des influences organisationnelles sur les erreurs d’assemblage chez les travailleurs. De cette manière notre étude se concentre non seulement sur le travailleur et son environnement immédiat, mais aussi sur le système de production dans son ensemble. L’étude a été réalisée en collaboration avec un partenaire industriel et comporte un volet terrain important. La méthodologie utilisée comme cadre de référence dans cette thèse répond à une méthodologie de type mixte ce qui explique le choix de méthodes et techniques très variées : empiriques qualitatives, empiriques quantitatives et analytiques. Nous avons suivi une approche de type bottom-up en commençant par l’analyse du travail des assembleurs et leur environnement de travail pour ensuite étendre l’analyse à des éléments du système organisationnel.

Nos résultats montrent que certaines tâches sont particulièrement vulnérables aux erreurs comme c’est le cas de l’installation des supports de fixation (bracket), l’installation des colliers de serrage coussinés (cushioned loop clamp) et l’installation de capuchons d’entrée (capscovers). Selon l'analyse statistique des registres de qualité, ces trois tâches étaient responsables de deux tiers des problèmes de qualité au cours de la période de 36 mois choisie. L’analyse de la fiabilité humaine semble indiquer que la géométrie de certaines pièces d’assemblage (support de fixation et colliers de serrage coussinés) accompagnée d’une conception et affichage des instructions de travail sous-optimales (dessins 2D statiques, incohérences dans l'ordre des étapes présentées dans les dessins, dimensions réduites de l'écran, écran éloigné de la position d’assemblage), peut avoir un impact négatif sur la performance des assembleurs (augmentation du risque d’erreur). Dans d’autres cas, le manque de rétroaction immédiate du système ou de moyens évidents afin de suivre l'évolution de la tâche, peut nuire également à la performance. Ceci est le résultat du nombre et de la variété élevée de pièces d’assemblage ce qui rend difficile de garder la trace tout au long de l’activité de travail. À cela s’ajoutent les distractions et les interruptions qui représentent également des facteurs d’influence sur la probabilité d’erreur dans le contexte étudié. Certaines interruptions plus longues sont liées à la discontinuité des tâches par manque de pièces (problèmes avec les fournisseurs) tandis que d’autres, plus courtes, sont liées aux va et vient entre le banc de travail (ordinateurs, bacs de pièces) et la position d’assemblage. D’un autre côté, l’analyse des résultats de l’étude de la fatigue et la charge de travail réalisée auprès de 14 travailleurs pendant une période de deux semaines montre que la perception de la charge de travail globale, le fait de travailler le quart de soir et la fatigue ressentie au début de la journée de travail sont des prédicteurs des niveaux de fatigue potentiellement nuisibles à la performance (niveau de fatigue ≥ 5 dans l’échelle Samn Perelli). Les participants ont déclaré également avoir dormi moins de sept heures pendant 60 % des nuits évaluées. De plus, les travailleurs perçoivent la composante cognitive de la charge de travail comme la plus importante parmi les six composantes évaluées. Ce qui semble être le résultat de la nature complexe de l'assemblage aéronautique.

Finalement, les méthodes d’analyse systémique nous ont fourni une vision holistique du système de production à la lumière de l’erreur humaine et l’assemblage manuel complexe. Nous avons identifié, par exemple, que l’instabilité dans l’approvisionnement de pièces provoque une discontinuité du flux de production qui à son tour génère des périodes de faible et de forte production. Alors qu’une forte production entraine le recours à des heures supplémentaires et à des horaires de travail atypique, une faible production peut mener à plus de distractions et d’interruptions. En plus, la politique de rémunération des heures supplémentaires convenue par la négociation collective peut inciter les travailleurs à accumuler un nombre important d’heures de travail qui dépasse la limite généralement établie de 40h par semaine. De manière semblable, la stratégie technologique de l’entreprise en liaison avec des aspects budgétaires a une influence sur le système informatique de soutien à la manufacture présentement en place. La conception des instructions de travail qui ne tient pas en compte les besoins de l’utilisateur final est un autre exemple des facteurs organisationnels qui exercent une influence sur la performance des travailleurs de ligne d’assemblage. On peut ainsi constater que les erreurs d’assemblage sont aussi associées à de facteurs du niveau macro du système de travail.

En conclusion, nos résultats suggèrent que différents facteurs liés à la conception et à la gestion du système d’assemblage ont un impact potentiel sur la performance des travailleurs. Ces facteurs peuvent augmenter le risque d’erreurs d’assemblage. Une attention particulière doit être accordée à la charge de travail cognitive à cause de l’impact potentiel sur la fatigue dans le contexte de l’assemblage complexe. Cela devrait se traduire par une stratégie d’intervention qui tient compte de l’interaction entre les travailleurs et les instructions de travail (contenu, mode d’affichage, réalisme des images) et des moyens pour assurer une rétroaction immédiate et le suivi de l’évolution de la tâche. Dans ce sens, l’adoption et l’intégration de certaines technologies de soutien de l’humain dans un contexte d’industrie numérique représentent une piste de solution à explorer (système de guidage de l’assemblage). Il est à noter qu'une surcharge des heures de travail, accompagnée des horaires de travail atypique, pourraient contribuer également à la fatigue et à une possible détérioration de la performance. De telles pratiques de gestion du temps de travail devraient être évitées ou minimisées (ex. en assurant des niveaux de production stables) à défaut du quoi un guide clair sur certaines limites serait nécessaire. La sensibilisation de travailleurs au sujet de l’hygiène du sommeil est aussi importante. Il est à noter que dans tous les cas, les solutions doivent être axées sur une perspective de système, c’est-à-dire prendre en compte les facteurs d’influence à plusieurs niveaux dans la structure organisationnelle. Des technologies 4.0 comme la réalité augmentée offrent un potentiel intéressant, d’autres solutions de type "classique" sont également importantes. Dans les deux cas, l'analyse avec l’approche systémique constitue un élément essentiel afin de réussir le processus de mise en place de solutions pour augmenter la performance et diminuer le risque d’erreurs.

Titre traduit

Study of the factors contributing to human error in complex manual assembly: the case of an aircraft engine manufacturing plant

Résumé traduit

The study of human error has been considered a relevant topic for ergonomics and industrial safety discipline during the past several decades, particularly in connection with so-called safety-critical domains (petrochemical, nuclear, aerospace). In the manufacturing sector, the physical aspects of work seem to have attracted most of the attention of ergonomics research. However, in aerospace manufacturing, assembly errors can lead to significant economic losses (quality problems, reduced productivity) or even compromise the safety of the aircraft. The assembly of aircraft engines, the object of study in this thesis, is a job primarily done manually and involves significant cognitive requirements due to the complexity of the tasks performed. While some Industry 4.0 technologies may, in the future, support human performance in complex manual assembly, it is still vital to study the conditions under which this job is performed. Furthermore, the design or improvement of the assembly system, with or without the support of modern technologies, must consider factors that influence human performance to minimize the risk of errors.

In this thesis, we aim to study human error in aircraft engine production. We are interested in identifying the main types of errors that can occur during complex manual assembly, evaluate their risk and the influence of several contributing factors. We also focus on the evaluation of fatigue and workload and finally we illustrate the organizational influences on the assembly errors. In this way, our study focuses not only on workers and their immediate environment but also on the production system as a whole. The study was carried out in collaboration with an industrial partner and included a significant field component. The methodology used as a framework of reference in this thesis is a mixed-method, which explains the choice of a wide variety of methods and techniques: qualitative empirical, quantitative empirical and analytical. We followed a bottom-up approach, starting with the analysis of the assemblers' work and their work environment and extending the analysis to elements of the organizational system.

Our results show that some tasks are particularly vulnerable to errors, such as bracket installation, cushioned loop clamp installation, and caps-cover installation. Statistical analysis of the quality records indicated that these three tasks accounted for two thirds of the quality problems during the 36-month period selected. The human reliability analysis suggests that the geometry of some assembly parts (brackets and cushioned loop clamps) accompanied by suboptimal design and display of work instructions (static 2D drawings, inconsistencies in the order of steps presented in the drawings, small screen size, screen away from the assembly position), can have a negative impact on assembler performance (increased risk of error). In other cases, the lack of immediate feedback from the system or obvious means to monitor the progress of the task can also affect performance. This is a result of the high number and variety of assembly parts that make it difficult to keep track of the entire work activity. In addition, distractions and interruptions are also factors that influence the probability of error in the context studied. Some of the more prolonged interruptions are related to the discontinuity of tasks due to lack of parts (problems with suppliers), while others are related to the back and forth between the work bench (PC monitor, parts bins) and the assembly position.

On the other hand, the analysis of the results of the study of fatigue and workload shows that perception of the overall workload, working the evening shift, and fatigue felt at the beginning of the shift are predictors of potentially harmful levels of fatigue to performance (fatigue level ≥ 5 on the Samn Perelli scale). Participants also reported getting less than seven hours of sleep on 60% of the nights assessed. In addition, workers perceived the cognitive component of workload as the most important of the six components of workload assessed. This appears to be a result of the complex nature of aircraft assembly. Finally, systems-oriented analysis methods provided a holistic view of human error within the assembly system. We identified, for example, that instability in the supply of assembly parts causes discontinuity in the production flow, which in turn generates periods of low and high production. While high production leads to overtime and atypical working hours, low production can lead to more distractions and interruptions. In addition, the policy of overtime payment agreed upon through collective bargaining may induce workers to accumulate a significant number of hours of work that may exceed the generally established limit of 40 hours per week. Similarly, in conjunction with budgetary aspects, the company's technological strategy influences the computerized manufacturing support system currently in place. The design of work instructions that do not consider the needs of end users is another example of organizational factors that influence the performance of assembly workers. Thus, we can see that assembly errors are also associated with macro-level factors of the work system.

In conclusion, our results suggest that different factors related to the design and management of the assembly system have a potential impact on workers’ performance. These factors may increase the risk of assembly errors. Particular attention should be paid to cognitive workload because of its possible effects on fatigue in complex assembly. This should result in an intervention strategy that considers the interaction between workers and work instructions (content, display mode, realism of images) and the means to ensure immediate feedback and monitoring of task progress. In this sense, the adoption and integration of certain human support technologies in a digital industry context represent a solution to explore (assembly guidance system). It should be noted that an overload of work hours accompanied by atypical work schedules could also contribute to fatigue and a possible deterioration of performance. Such working time management practices should be avoided or minimized (e.g., by ensuring stable production levels). Otherwise, clear guidance on certain limits would be necessary. Worker awareness of sleep hygiene is also essential. In all cases, solutions must be focused on a systems perspective, i.e., take into account influencing factors at multiple levels in the organizational structure. Although some 4.0 technologies such as augmented reality offer an interesting potential, other "classic" solutions are also important. In both cases, the analysis with the systemic approach is an essential element to successfully implement solutions to increase performance and decrease the risk of errors.

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Thèse par articles présentée à l’École de technologie supérieure comme exigence partielle à l’obtention du doctorat en génie". Comprend des références bibliographiques (pages 173-210).
Mots-clés libres: erreur d’assemblage, problèmes de qualité, complexité, charge de travail, charge cognitive, fatigue
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Nadeau, Sylvie
Codirecteur:
Codirecteur
Landau, Kurt
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 05 déc. 2022 14:41
Dernière modification: 05 déc. 2022 14:41
URI: https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3113

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