Conception et pilotage d'un système de production Humain-cyber-physique : apport de la méthode CWA

Design and operation of a Human-Cyber-Physical production system : benefits from the CWA method

• Auteur / Autrice : Quentin Berdal
• Direction : Damien Trentesaux, Christine Chauvin, Marie-Pierre Lemoine
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Automatique, productique
• Date : Soutenance le 02/09/2022
• Etablissement(s) : Valenciennes, Université Polytechnique Hauts-de-France
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale polytechnique Hauts-de-France (Valenciennes, Nord ; 2021-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'automatique, de mécanique et d'informatique industrielles et humaines (Valenciennes, Nord ; 1994-...)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement délivrant conjointement le doctorat : Institut national des sciences appliquées Hauts-de-France (Valenciennes, Nord ; 2019-....)
• Jury : Président / Présidente : Ludovic Koehl
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Damien Trentesaux, Christine Chauvin, Marie-Pierre Lemoine, Olivier Cardin, Eric Bonjour, Nathalie Klement
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Olivier Cardin, Eric Bonjour

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ingénierie des systèmes

Systèmes conversationnels (informatique)

Interaction homme-robot

Mots clés libres

Industrie 4.0

Industrie du future

Système Cyber-Physique

Coopération Homme-Machine

Cognitive Work Analysis

Jumeaux numériques

Industrie 4.0

Cyber-Physical system

Human-Machine Cooperation

Cognitive Work Analysis

Digital Twin

Résumé

Les systèmes industriels évoluent régulièrement depuis plus d’un siècle, avec à la clef trois grandes révolutions. Alors que la quatrième révolution se profile et gagne en intérêt auprès de la communauté scientifique, certains défauts persistent. Chaque nouvelle révolution tend à repousser l’humain plus loin du système qu’il ne l’était auparavant, au point de négliger les contraintes inhérentes à une activité humaine. Dans un contexte où l’être humain est, de manière paradoxale, de plus en plus indispensable au bon fonctionnement du système industriel et à la gestion de l’imprévu, force est de constater qu’il doit faire face à une complexité croissante des processus à piloter sans être suffisamment aidé dans sa tâche. Nos travaux s’intègrent dans ce contexte et promeuvent la conception d’un système offrant à l’opérateur les moyens de s’intégrer et de piloter les processus industriels grâce à une approche favorisant la coopération entre humains et systèmes artificiels. Dans cette thèse nous justifions l’usage et exploitons une méthode de conception intégrée, le Cognitive Work Analysis. Cette méthode permet de considérer non seulement l’aspect technique du système industriel à piloter, mais également l’aspect humain grâce à une approche qui tient compte de ses spécificités. Ces travaux sont développés dans le contexte de l’industrie du futur. Une analyse est tout d’abord menée puis une approche de conception est proposée. Cette dernière se base sur un mécanisme fondamental, celui d’une coopération adaptée entre un humain superviseur et un système industriel composé d’entités autonomes. Pour valider nos propositions, une plateforme originale a été conçue et développée. Des protocoles expérimentaux ont été définis et des expérimentations menées. Ces dernières montrent que, sous certaines conditions, la coopération permet d’améliorer la performance industrielle dans un contexte où sans coopération il serait difficile pour l’humain d’appréhender la complexité du système industriel.

Industrial systems are constantly evolving for almost two centuries, resulting in three major revolutions. Although the upcoming fourth revolution is steadily catching more interest from the scientific community, some defaults remain. Each new revolution tends to push humans back further from the systems than they were before, up to the point of overlooking the constraints linked to human activities. In a context where humans are, paradoxically, a growing necessity for the good operation of industrial systems and the management of unforeseen events, we cannot ignore the fact humans are to face a growing complexity from the processes to operate without receiving adequate support. Our work belongs to this problematic and promote the design of a system in which the operator is offered means of integrating himself into the system and operating industrial processes, thanks to an approach fostering cooperation between humans and artificial systems. In this thesis, we justify the usage and then exploit an integrated design method, namely the Cognitive Work Analysis. This method enables the consideration not only of the technical aspect of a system, but of the human aspect too thanks to an approach which integrate this aspect at its core. Our work is carried in the context of future industrials systems. An analysis if carried out first, before suggesting a design approach. This approach is based on a fundamental mechanism, that of an adapted cooperation between a human supervisor and an industrial system constituted of autonomous entity. In order to validate our proposals, an original platform has been designed and developed. Experimental protocols have been defined and multiple experiments has been carried out. Those last ones demonstrate than, under certain conditions, the cooperation can increase industrial performance in a context where, without cooperation, it would be difficult for humans to grasp the complexity of those industrial systems.