ilp system engineering approach to food safety

37
A System Engineering Approach to Food Safety John Helferich PhD Candidate IDSS Prof John Carroll, Advisor ILP R&D Conference – Food Track 11/18/15 Safe Food Lab

Upload: john-helferich

Post on 12-Apr-2017

254 views

Category:

Documents


2 download

TRANSCRIPT

A  System  Engineering  Approach  to  Food  Safety  

John  Helferich  PhD  Candidate  IDSS  

Prof  John  Carroll,  Advisor  ILP  R&D  Conference  –  Food  Track  

11/18/15  

Safe Food Lab

Outline  •  Context  –  US  Food  System:  Pressures  –  Food  Safety:  MoOvaOon  to  study  

•  System  Engineering:    Can  it  create  new  insights  on  management  of  food  safety?  

•  Analysis  of  Food  Safety  Management  System  (FSMS)  –  System  TheoreOc  Accident  Modeling  Process  (STAMP)*  –  Object  Process  Modeling  (OPM)  –  Design  Structure  Matrix  (DSM)  

*  My  research  focus  ©  John  Helferich  2015   2  

US  Food  System  Historical  PerspecOve  

Local  

Regional      to      Na.onal    to  Global  

Pre  Civil  War   Today  1970s  ©  John  Helferich  2015   3  

Pressures  on  the  Food  System  Today  

Factory,  Global  Farm,  Global  

ArOsanal,  Local  Farm,  Local  

New  Food  System   TradiOonal  Food  System  

©  John  Helferich  2015   4  

Local  to  Glob

al  

Farm  to  Factory  Industrial  to  ArOsanal  

Food  System  Issues  •  Food  Safety  -­‐    illness  and  injury  caused  by  micro-­‐organisms,  

allergens,  or  foreign  material  

•  Food  Security  -­‐    lack  of  nutriOous  food  due  to  affordability  and  availability  

•  Food  Defense  –  protecOon  against  intenOonal  contaminaOon  

•  Food  Sustainability  –  methods  of  producOon  considering  economics,  environment  and  social  perspecOves  

•  Food  JusOce  -­‐    ?????  

•  Others  –  Obesity,  GMOs,  …  

©  John  Helferich  2015   5  

Societal  Impacts  of  Food  Safety  •  On  people1  

–  3000  deaths  per  year:  ~  20  plane  crashes  per  year  –  300,000  hospitalizaOons  –  48  Million  illnesses:    One  out  of  6  people  in  the  US  annually  

•  On  the  Economy2  –  Direct  -­‐  $15  billion  –  Indirect  -­‐  $152  billion  –  Loss  of  confidence  in  food  system  

•  On  Firms  –  ReputaOonal  damage:  Chipotle  -­‐>  27%  point  drop  in  consumer  percepOon3  –  Costs:    Kellogg’s  $70mm  charge  from  PCA  Salmonella  in  peanut  buker  –  Jail  Time:    Stewart  Parnell,  PCA,  sentenced  to  28  years    

1  CDC,  2011      2  Pew  FoundaOon,  2011        3  YouGov  BrandIndex  Survey,  11/13/15  

©  John  Helferich  2015   6  

System  Engineering  

•  Systems  Engineering  is  an  engineering  discipline  whose  responsibility  is  creaOng  and  execuOng  an  interdisciplinary  process  to  ensure  that  the  customer  and  stakeholder's  needs  are  saOsfied  in  a  high  quality,  trustworthy,  cost  efficient  and  schedule  compliant  manner  throughout  a  system's  enOre  life  cycle.    

INCOSE  Handbook   ©  John  Helferich  2015   7  

Food  System  High  Level  Requirements  

•  Food  shall  be:  –  Safe,  – Affordable,    – Available,    – NutriOous,    –  Palatable,  – And,  increasingly,  Produced  Sustainably  

 •  Safe  -­‐  Food  shall  not  contain  pathogens  at  point  of  consump.on  

©  John  Helferich  2015   8  

How  the  food  system  controls  pathogens  

Control  the  producOon  environment    

Control  bacteria  or  bacterial  growth  by  killing  or  chilling  

©  John  Helferich  2015   9  

US  Food  Safety  Management  System  

©  John  Helferich  2015   10  

Good  Agricultural  PracOces  (GAP)  

Good  Manufacturing  

PracOces  (cGMP)  

Good  DistribuOon  and  Retail  PracOces   Good  Food  

Service  PracOces  (ServSafe)      

Consumer  PracOces  

Hazard  Analysis  and  CriOcal  Control  Points  

HACCP      à      HARPC  

“Prerequisite  Programs”  

Farm   Factory   DistribuOon   ConsumpOon  

System  Boundary  

Control  the  producOon  environment  

Control  bacteria  or  bacterial  growth  by  killing  or  chilling  

System  Engineering  Process  

©  John  Helferich  2015   11  

Today’s  Focus  

System  Engineering  Models  and  Methods  applied  to  Food  Safety  Management  System  

•  FSMS:  A  New  Accident  Model  Approach  –  System  Theore.c  Accident  Modeling  Process  (STAMP)  

•  FSMS:  System  Architecture    – Object  Process  Modeling  (OPM)  

•  FSMS:  RegulaOon  Analysis  – Design  Structure  Matrix  (DSM)  

©  John  Helferich  2015   12  

System  Approach  to  Safety  Safety  as  a  Control  Problem  

©  John  Helferich  2015   13  

Prof  Nancy  Leveson  Course  16  NAE    Safety  as  a  control  problem,  not  a  reliability  problem    IniOal  Problem  •  How  to  ensure  souware  is  safe    Now  expanded  to  many  other  domains  •  AviaOon  •  Space  •  Auto  •  Nuclear  •  Cybersecurity  •  Food  

Historical  Approaches  to  Accident  CausaOon  

©  John  Helferich  2015   14  

Domino  Model  Heinrich  1920’s  

Swiss  Cheese  Model  Reason  1990  

Architectures  of  Safety  Systems  

Defense  in  Depth   High  Component  Reliability  

©  John  Helferich  2015   15  

But  what  about  component  interacOons?  (i.e.  complex  or  emergent  behavior)  

Both  components  are  highly  reliable,  but  in  an  unsafe  state  ©  John  Helferich  2015   16  

Senior Manager

Operators

Prevention of Ingress of Pathogens

Food Safety Leader

Operations Manager

Regulator(Public and Private)

Food Firm Owner

MentalModel

DecisionRules

Food Hazard Control Structure

FeedbackResource Requests

Pathogen Control Results

ProceduresResources

PoliciesStandardsResources

ResultsRecommendations

Senior Manager

Operators

Prevention of Ingress of Pathogens

Food Safety Leader

Operations Manager

Regulator(Public and Private)

Food Firm Owner

MentalModel

DecisionRules

Food Hazard Control Structure

FeedbackResource Requests

Pathogen Control Results

ProceduresResources

PoliciesStandardsResources

ResultsRecommendations

How  can  we  strengthen  system  control  to  prevent  driu  into  unsafe  state?  

STAMP  

©  John  Helferich  2015   17  

STAMP:  How  the  high  level  safety  requirement  is  controlled  

©  John  Helferich  2015   18  

Senior Manager

Operators

Prevention of Ingress of Pathogens

Food Safety Leader

Operations Manager

MentalModel

DecisionRules

Senior Manager Control Loop

External Input

Senior Manager

Operators

Prevention of Ingress of Pathogens

Food Safety Leader

Operations Manager

Regulator(Public and Private)

Food Firm Owner

MentalModel

DecisionRules

Food Hazard Control Structure

FeedbackResource Requests

Pathogen Control Results

ProceduresResources

PoliciesStandardsResources

ResultsRecommendations

©  John  Helferich  2015   19  

My  Research  

Senior Manager

Operators

Prevention of Ingress of Pathogens

Food Safety Leader

Operations Manager

MentalModel

DecisionRules

Senior Manager Control Loop

External Input

©  John  Helferich  2015   20  

My  Research  

My  Research  QuesOons  1.  How  do  food  safety  decisions  get  made  under  the  real  condiOons  

of  low  frequency-­‐high  consequences  in  a  listeria  prone  environment?    (Study  1)  1.  Food  Safety  Subject  Maker  Expert  (FS  SME)  PerspecOve  2.  Decision  Maker  (DM)  PerspecOve  

2.  Based  on  Study  1,  do  we  see  evidence  of  “behavioral”  decision  making?  What  are  the  decision  making  styles  of  DM?  

3.  Can  we  “nudge”  the  decision-­‐making  process  to  improve  incidence  of  good  food  safety  decision  making  by  inducing  regulatory  fit  between  SME  proposal  style  and  the  decision  making  style  of  the  DM?  (Study  2)  

Research  Plan  

•  Study  1  –  Interviews  of  pairs  of  Decision  Makers/Food  Safety  SME  

– How  are  Food  Safety  Decisions  made?  –  Looking  for  several  more  firms  for  interviews  

•  Study  2  –  Can  we  “nudge”  managers  to  make  beker  decisions?  –  Priming  PrevenOon  vs  PromoOon  OrientaOon  

©  John  Helferich  2015   22  

Subjects(FS DM)

Promotion Primed

Prevention Primed

RandomAssignment

Promotion Fit Proposal

Prevention Fit Proposal

Promotion Fit Proposal

Prevention Fit Proposal

ALikelihood of

Approval

BLikelihood of

Approval

CLikelihood of

Approval

DLikelihood of

Approval

RandomAssignment

RandomAssignment

Check for Regulatory Fit

Check for Regulatory Fit

Check for Regulatory Fit

Check for Regulatory Fit

Predictions

1. Likelihood: A,D > B,C

2. Likelihood: D>A

3. Regulatory Fit: A,D > B,C

Study 2: “Nudging” through inducing regulatory fit

Looking  for  Decision  Makers  to  par.cipate,  short  survey  

System  Engineering  Models  and  Methods  applied  to  Food  Safety  Management  System  

•  FSMS:  A  New  Accident  Model  Approach  –  System  TheoreOc  Accident  Modeling  Process  (STAMP)  

•  FSMS:  System  Architecture    – Object  Process  Modeling  (OPM)  

•  FSMS:  RegulaOon  Analysis  – Design  Structure  Matrix  (DSM)  

©  John  Helferich  2015   24  

System  Architecture  

©  John  Helferich  2015   25  

Dr  Bruce  Cameron  Director,  System  Architecture  Lab  Lecturer  in  Engineering  Systems    Prof  Edward  Crawley  Course  16,  MIT  President,  Skolkovo  InsOtute  of  Science  and  Technology,  Moscow    Defining  and  Analyzing  System  Architecture  leading  to  beker  designs  

System  Architecture  The  embodiment  of  concept,  and  the  allocaOon  of  funcOon  to  elements  of  form,  and  defini.on  of  rela.onships  among  the  elements  and  with  the  surrounding  context.      

©  John  Helferich  2015   26  

Architecture  of  Safety  Systems  

Air  Traffic  Control  ©  John  Helferich  2015   27  

Modeling  System  Architectures  Object  Process  Modeling  Language*  

Food   SterilizaOon  (Canning)  

Architectures  of  food  preservaOon  

Food   Freezing  

Object   Process  

28  *  Prof  Dov  Dori,  Technion  -­‐  Israel  InsOtute  of  Technology  

To prevent presence of pathogens in food by controlling pathogen ingress using validated control processes

Preventing Ingress

Pathogen

Out In

Maintaining

Certifying

Training

Building Envelope

Closed Open

Raw Materials

Tested Nottested

Personnel

Trained Not Trained

Controlling Presence

Sanitizing

Plant Environment

Clean NotClean

Equipment

Clean NotClean

Pathogen

Out In

Food(Microbiology)

Stable Not Stable

Stabilization

Heating

Chilling

Freezing

Irradiation

Level  1   Level  2   Level  3  

OPD  of  Food  Safety  Control  System  

©  John  Helferich  2015   29  

System  Engineering  Models  and  Methods  applied  to  Food  Safety  Management  System  

•  FSMS:  A  New  Accident  Model  Approach  –  System  TheoreOc  Accident  Modeling  Process  (STAMP)  

•  FSMS:  System  Architecture    – Object  Process  Modeling  (OPM)  

•  FSMS:  Regula.on  Analysis  – Design  Structure  Matrix  (DSM)  

©  John  Helferich  2015   30  

Design  Structure  Matrix  

©  John  Helferich  2015   31  

Prof  Steven  Eppinger,  Sloan    Wide  applicaOons  to  many  systems    •  Products  

•  OrganizaOons  

•  Projects    •  RegulaOons  

Design  Structure  Matrix  

•  Requirements  •  Food  shall  be  …  

1.  Safe  2.  Affordable  3.  Available  4.  NutriOous  5.  Palatable  6.  Sustainable  

1   2   3   4   5   6  

1   -­‐   X   X   X  

2   -­‐   X   X  

3   X   X   -­‐  

4   -­‐   X  

5   X   X   -­‐  

6   X   X   -­‐  

NxN  Matrix  Connected  Requirements  

DSM  

©  John  Helferich  2015   32  

FSMA  GMP  Rules:  21  CFR  117  

©  John  Helferich  2015   33  

1   117.10  Personnel.  2   The management of the establishment must take reasonable measures and precautions to ensure the following:  

3  

(a) Disease control. Any person who, by medical examination or supervisory observation, is shown to have, or appears to have, an illness, open lesion, including boils, sores, or infected wounds, or any other abnormal source of microbial contamination by which there is a reasonable possibility of food, food-contact surfaces, or food-packaging materials becoming contaminated, must be excluded from any operations which may be expected to result in such contamination until the condition is corrected, unless conditions such as open lesions, boils, and infected wounds are adequately covered (e.g.,by an impermeable cover). Personnel must be instructed to report such health conditions to their supervisors.  

4   (b) Cleanliness. All persons working in direct contact with food, food-contact surfaces, and food-packaging materials must conform to hygienic practices while on duty to the extent necessary to protect against allergen cross-contact and against contamination of food. The methods for maintaining cleanliness include:  

5   117.20  Plant  and  grounds.  

6   (a) Grounds. The grounds about a food plant under the control of the operator must be kept in a condition that will protect against the contamination of food. The methods for adequate maintenance of grounds must include:  

7  (b) Plant construction and design. The plant must be suitable in size, construction, and design to facilitate maintenance and sanitary operations for food-production purposes (i.e., manufacturing, processing, packing, and holding). The plant must:  

8   117.35  Sanitary  operaOons.  

9  

(a)  General  maintenance.  Buildings,  fixtures,  and  other  physical  faciliOes  of  the  plant  must  be  maintained  in  a  clean  and  sanitary  condiOon  and  must  be  kept  in  repair  adequate  to  prevent  food  from  becoming  adulterated.  Cleaning  and  saniOzing  of  utensils  and  equipment  must  be  conducted  in  a  manner  that  protects  against  allergen  cross-­‐contact  and  against  contaminaOon  of  food,  food-­‐contact  surfaces,  or  food-­‐packaging  materials.  

10   (b)  Substances  used  in  cleaning  and  saniOzing;  storage  of  toxic  materials.    

11  

(c)  Pest  control.  Pests  must  not  be  allowed  in  any  area  of  a  food  plant.Guard,  guide,  or  pest-­‐detecOng  dogs  may  be  allowed  in  some  areas  of  a  plant  if  the  presence  of  the  dogs  is  unlikely  to  result  in  contaminaOon  of  food,  food-­‐contact  surfaces,  or  food-­‐packaging  materials.  EffecOve  measures  must  be  taken  to  exclude  pests  from  the  manufacturing,  processing,  packing,  and  holding  areas  and  to  protect  against  the  contaminaOon  of  food  on  the  premises  by  pests.  The  use  of  pesOcides  to  control  pests  in  the  plant  is  permiked  only  under  precauOons  and  restricOons  that  will  protect  against  the  contaminaOon  of  food,  food-­‐contact  surfaces,  and  food-­‐packaging  materials.  

High  Level  Requirements  

FSMA  Requirements  Ideal  DSM  

Planning   Opera.ng   Monitoring   Documen.ng   Re-­‐planning  

     1                2   3              4   5              6   7                8   9          10  

Planning   •  1  •  2  

OperaOng   •  3  •  4  

Monitoring   •  5  •  6  

DocumenOng   •  7  •  8  

Re-­‐planning   •  9  •  10  

©  John  Helferich  2015   34  

Food  Safety  ModernizaOon  Act:  GMP  Requirements  DSM  

35  

    1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11   12   13   14   15   16   17   18   19   20   21   22   23   24   25   26   27   28   29   30   31   32   33   34   35   36  

1                                                                                                                                                  

2                                                                                                                                                  

3                                                                                   1                                                              

4                                                                                                                                                  

5                                                                                       1                                                          

6                                                                                                                                                  

7                       1                                           1   1   1   1   1   1                                                          

8                                                                                                                                                  

9                                                                       1   1   1       1                                                          

10                                                                                       1                                                       1  

11                       1   1                                                                       1   1           1   1                          

12                           1       1   1                                                                               1                          

13                           1           1                                                                               1                          

14                           1           1   1                                                                                                      

15                                                                                                                                                  

16                                   1                                                                                                              

17                                                                   1                                                                              

18                                                                   1                                                                              

19               1           1                                       1                                                                              

20               1                                                   1       1                                                                      

21                       1   1               1                                                                                                      

22                                                                                                                                               1  

23                                                                                                                                                  

24                                   1           1       1                                                                                          

25                                               1   1                                                                                              

26                                   1               1                                                                                              

27                                                                                                                                                  

28                                                                                                                                               1  

29                                   1                                                                                                              

30                                                                                                                                                  

31                                                                                                                                                  

32                                                                                                                                                  

33                                                                                                                                                  

34                                                                                                                                                  

35                                                                                                                                                  

36                           1       1       1                                                                                                      

ParOOoned  DSM  

32  

    3   5   16   24   28   14   25   26   29   21   12   13   11   7   9   17   18   19   20   10   22   36   4   6   30  

3       1      

5       1      

16       1      

24       1   1   1      

28       1      

14                               1   1   1      

25           1   1          

26           1       1      

29               1      

21           1   1   1      

12           1   1   1   1  

13           1   1   1  

11       1   1   1       1   1   1  

7                   1                       1   1   1   1       1       1      

9           1   1   1   1          

17                  

18       1              

19   1   1           1      

20       1   1           1      

10           1   1      

22           1      

36   1   1   1                                  

4          

6          

30                                                                                                      

Equipment  and  Facility  Design  

Sanita.on  Capabili.es  

Plant  Design  Maintenance  

Summary  

•  System  Engineering  Methods  – STAMP  – Object  Process  Modeling  – Design  Structure  Matrix  

•  More  Info?    Interested  in  parOcipaOng  in  research?  – [email protected]  

©  John  Helferich  2015   37