Modelo de gestión del proceso de fabricación basado en la incorporación de conocimiento mediante ontologías. Aplicación a los sistemas de fabricación ágil

Resumen

La capacidad que Internet ha otorgado a los clientes para seleccionar los artículos de consumo que más les conviene en cada momento y a los precios más ajustados está impulsando a las organizaciones manufactureras a evolucionar desde los tradicionales paradigmas de producción orientados a la producción masiva hacia modelos que faciliten la personalización masiva. Este nuevo escenario exige a las organizaciones nuevos modelos de gestión, más dinámicos y flexibles, que permitan adaptarse de forma ágil a los cambios producidos en el entorno debido a la demanda del mercado. Para dar respuesta a las exigencias de los nuevos modelos, el paradigma BPM (Business Process Management) se ha convertido en el enfoque de gestión de procesos de negocio más adecuado ya que contempla el cambio continuo como una de sus principales características y la adecuación de forma ágil de los procesos de negocio y las infraestructuras IT (Information Technologies) que los sustentan. Los BPMS (Business Processes Management Systems) se presentan como la solución IT que da soporte al ciclo de vida del BPM facilitando la integración y automatización de la gestión de los procesos de negocio en consonancia con los requerimientos de los nuevos modelos de producción. En el entorno de las organizaciones manufactureras es difícil la implantación de forma integral de los sistemas BPMS (Business Process Management System) debido a la brecha conceptual y tecnológica existente entre el nivel de empresa y de planta provocada por la rigidez de los elementos ubicados en los niveles inferiores de producción. Ofrecer una visión de la maquinaria industrial como servicio (IMaaS) [6], integradas bajo un paradigma de arquitectura orientada a servicios (SOA), ha resultado una propuesta exitosa para solucionar este problema permitiendo contemplar los procesos de fabricación de la maquinaria industrial como una parte más del sistema de gestión de procesos de negocio. Al eliminar esta brecha es posible abordar de forma ágil y dinámica la alineación de los procesos de negocio y fabricación con los objetivos estratégicos de la organización, generados por el continuo cambio en el mercado. Sin embargo, este nuevo escenario está provocando que el tradicional cuello de botella existente entre el nivel de empresa y de planta se traslade ahora al dominio del modelado y la composición de procesos, aumentando notoriamente la carga de trabajo del ingeniero de procesos. El bajo grado de automatismo en los sistemas de modelado actuales, junto a las carencias existentes a la hora de transferir los procesos modelados a los entornos de ejecución están provocando que ahora la labor de modelado de procesos sea la tarea crítica del sistema, y de la que depende la rápida adaptación ante los cambios demandados por el mercado. Además, las características actuales de los sistemas de gestión de procesos de negocio, limita de manera significativa la reutilización y la readaptación automática de los procesos ante cambios en el nivel de planta, como pueden ser los cambios de maquinaria, la introducción de nuevas maquinas, la reconfiguración de los procesos en función de la disponibilidad de cada máquina en cada momento o la adaptación del proceso ante fallos inesperados en el transcurso de la realización de un proceso. El objetivo principal de la investigación es el diseño y desarrollo de un modelo de gestión semántica de los procesos de fabricación que permita la incorporación de conocimiento en la definición de los procesos y los servicios implicados en los procesos productivos mediante el uso de ontologías, para lograr un sistema que permita automatizar la composición, modelado, ejecución y monitorización de los procesos de negocio conforme a los objetivos estratégicos de la organización. Permitiendo, además, la adaptación de los procesos de forma ágil ante posibles cambios o fallos en el entrono productivo. Para ello en la presente tesis se realiza un trabajo de investigación en el ámbito de la gestión de procesos aplicado a las organizaciones manufactureras. Concretamente se ha centrado en la integración y automatización de la gestión de los procesos de negocio y fabricación de forma que las organizaciones manufactureras puedan acortar el ciclo de vida de los procesos, recortando su tiempo de respuesta ante las nuevas demandas de un mercado cada vez más orientado a la personalización masiva, y por lo tanto les sitúe en una posición ventajosa en un mercado de competencia global. El objetivo principal de la presente tesis es lograr un sistema de gestión ágil de procesos de negocio, que reduzca al mínimo la interacción humana en el ciclo de vida de los procesos, haciendo transparente el nivel de planta, y automatizando la composición y posterior despliegue de los procesos de fabricación y negocio. Para llevar a cabo el objetivo se ha realizado un estudio de los antecedentes y de los trabajos relacionados con los ámbitos en los que se ubica el problema. Este estudio ha permitido justificar el problema, plantear la hipótesis y proponer una solución novedosa con respecto a los enfoques existentes en la línea de investigación. La solución propuesta se basa en el concepto IMaaS (Industrial Machine as a Service) en el que la maquinaria industrial es ofertada como servicio y sus capacidades productivas son conceptualizadas como procesos de negocio. IMaaS permite superar las brechas conceptuales y tecnológicas que hacían muy difícil la integración de los niveles de planta y de negocio, permitiendo abordar de manera directa las nuevas necesidades de los sistemas de gestión ágil de procesos. Como medio para lograr los objetivos planteados se realiza una exhaustiva conceptualización de los dominios implicados, identificando los conceptos relevantes e identificando las relaciones entre ellos. Toda esta información se formaliza mediante una ontología que permite incorporar conocimiento semántico a IMaaS, a partir de la cual se puede inferir nuevo conocimiento realizando una serie de razonamientos lógicos basados en cláusulas de Horn. Se identifican los elementos necesarios para lograr un sistema de gestión ágil de procesos de fabricación y negocio, y se define la arquitectura del sistema. Para validar nuestra investigación, se ha implementado la solución propuesta; se ha diseñado un entorno realista donde se pudiera reproducir la problemática planteada en la investigación y finalmente se han diseñado un conjunto de experimentos basados en la hipótesis de partida que han permitido demostrar la validez de la propuesta. Como conclusión se puede afirmar que es posible lograr de forma automatizada, la gestión de los procesos de fabricación integrados en el resto de procesos de negocio de la organización mediante la incorporación de información semántica a través de ontologías. Este nuevo modelo de gestión permite, por un lado, tratar los procesos de fabricación desde una perspectiva de negocio, ya que los aspectos tecnológicos y del nivel de planta se gestionan de un modo trasparente; por lo tanto, se logra la integración de los procesos de fabricación dentro de los sistemas de gestión de procesos de negocio de las organizaciones. Por otro lado, el automatismo logrado en las tareas de modelado, compilación, ejecución y monitorización de los procesos de fabricación permite resolver el cuello de botella producido por el incremento de demanda de productos personalizados. Gracias a la conceptualización del dominio y al automatismo logrado, se minimizan la participación de diferentes expertos en cada una de las fases del proceso, lo que permite afirmar que se logra una gestión ágil de la fabricación. Mediante la definición de un modelo de gestión de procesos de fabricación basado en ontologías, se han identificado, modelado y desarrollado los elementos que permiten hacer uso de la información semántica para automatizar cada una de las fases del ciclo de vida BPM aplicado a los entornos manufactureros. Como resultado, se ha modelado una ontología específica con información del nivel de planta y se ha vinculado a ontologías de otros dominios como son ontologías de BPM y ontologías de Servicios. También se ha creado un modelador de procesos que utiliza la información de la ontología para generar y evaluar los procesos de fabricación de forma automática, un compilador de procesos que es capaz de inferir los servicios necesarios para componer ejecutables de manera autónoma y un sistema de monitorización que, además de capturar los errores, es capaz de extraer los objetivos no satisfechos por el proceso y regenerar y lanzar un proceso que los cumpla.