MODELADO, SIMULACION Y OPTIMIZACIÓN DE PROCESOS Y SERVICOS USANDO LA HERRAMIENTA TECNOLÓGICA PROMODEL MODELING, SIMULATION AND OPTIMIZATION OF PROCESSES AND SERVICES USING THE TECHNOLOGICAL TOOL PROMODEL MTI. ROSA IMELDA GARCIA CHI1 MSI. ARTURO EGUIA ALVAREZ2 I.I. GLORIA EMILIA IZAGUIRRE CARDENAS3
RESUMEN En el siguiente artículo se informará sobre una herramienta importante en el diseño y desarrollo de sistemas llamada Simulación, y que es utilizada en la Ingeniería en Sistemas computacionales e Ingeniería Industrial. Esta herramienta tecnológica está definida como el desarrollo de un modelo lógico matemático de un sistema, de tal forma que se obtiene una imitación de la operación de un proceso de la vida real o de un sistema a través del tiempo. Por medio de ella, el estudiante obtiene los medios de observación y experimentación que han sido la esencia de los métodos científicos, teniendo la oportunidad de interpretar y proponer soluciones óptimas a los casos reales que se le presentan en el transcurso de su formación profesional.
PALABRAS CLAVES Simulación, computadora, sistemas, modelos, software, herramienta, tecnología. ABSTRACT In the following article will report on an important tool in the design and development of systems called simulation, and is used in the Computer
Systems Engineering and Industrial Engineering. This technological tool is defined as the development of a mathematical model of a logic system, so as to obtain an imitation of the operation of a real-life process or system over time. Through it, the student obtains the means of observation and experiment that have been the essence of scientific methods, having the opportunity to interpret and propose optimal solutions to real cases that are presented in the course of their training.
KEY WORDS Simulation, computer, systems, models, software, tool, technology. 1. INTRODUCCIÓN Como su nombre lo indica, la simulación pretende simular un proceso real a través de un entorno tridimensional e interactivo, que permita realizar un análisis completo de los factores involucrados en dicho proceso, sin necesidad de recrearlo físicamente. Esta técnica es ubicada típicamente dentro de la Ingeniería Industrial y es considerada como una herramienta joven, ya que es en 1960 cuando cobra importancia. A
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Maestra en Tecnologías de la Información, Docente del departamento de Sistemas y Computación e Ingeniería Industrial en el IT d Cd. Valles , ha impartido la asignatura de simulación en las dos áreas desde el 2005. Impartió curso de titulación denominado Simulación en el 2002. Correo: isc_imelda_chi@hotmail.com 2 Maestro en Sistemas de Información, Docente del departamento de Sistemas y Computación e Ingeniería Industrial en el IT d Cd. Valles, ha impartido la asignatura de simulación en las dos áreas. Correo: arguro_eguia@yahoo.com.mx 3 Ingeniero Industrial, Docente del departamento de Ingeniería Industrial en el IT d Cd. Valles, ha impartido la asignatura de simulación en el área de Ingeniería Industrial. Correo: gloria_ke@hotmail.com
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continuación se presenta la herramienta de Simulación Promodel, enfocándose en las ventajas, desventajas, aplicaciones en el mercado, metodología que esta técnica emplea; con el fin de informar y mostrar un amplio panorama sobre el desarrollo de la simulación en las asignaturas de Ingeniería en Sistemas Computacionales e Ingeniería Industrial. 2. OBJETIVO Dar a conocer el Modelado, Simulación y Optimización de Procesos y Servicios usando la Herramienta Tecnológica Promodel aplicados en proyectos de las asignaturas de Ingeniería en Sistemas Computacionales e Ingeniería Industrial y su importancia en la formación profesional y en el desarrollo de habilidades instrumentales y sistemáticas en los estudiantes. 3. MARCO TEORICO 3.1 Definición de Simulación La Simulación es una técnica numérica para conducir experimentos en un computador digital, los cuales requieren ciertos tipos de modelos lógicos y matemáticos, que describen el comportamiento de un negocio o un sistema económico (o algún componente de ellos), en periodos extensos de tiempo real; dado que la simulación no pretende resolver analíticamente las ecuaciones de un modelo, por lo general un modelo matemático construido para los propósitos de simular es de naturaleza distinta a uno formado para técnicas analíticas. [3] En general, la Simulación se puede entender como un proceso para
modelar un sistema y hacer experimentos con el objetivo de obtener información y entender el sistema utilizando un lenguaje computacional. [2] 3.2 •
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Razones para usar la Simulación La simulación permite estudiar y experimentar con las complejas iteraciones que ocurren al interior de un sistema dado, ya sea una empresa, industria, economía o un subsistema de cualquiera de ellas. La observación detallada del sistema que se está simulando, conduce a un mejor entendimiento del mismo y proporciona sugerencias para mejorarlo, que de otro modo no podrían obtenerse. La simulación puede ser usada como recurso pedagógico, para enseñar los conocimientos básicos en el análisis teórico, el análisis estadístico y en la toma de decisiones. Un estudio de simulación sugiere, frecuentemente, cambios en el sistema. Los efectos de estos cambios pueden probarse antes de ser implementados en el sistema real. La simulación puede usarse para experimentar con situaciones nuevas acerca de las cuales se tiene muy poca o ninguna información. Cuando se presentan nuevos componentes de un sistema, la simulación permite detectar los cambios que ocurren en el comportamiento del sistema. [3]
3.3.
Problemas en los que se utiliza la Simulación
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En general la simulación surge en dos tipos diferentes de problemas: 1. Aquellos problemas que involucren alguna clase de proceso estocástico. Ejemplo: la demanda por un artículo, el tiempo de espera antes de empezar una producción, etc. 2. Ciertos problemas matemáticos completamente determinísticos que no pueden resolverse fácilmente por métodos analíticos. Ejemplo: ecuaciones diferenciales complejas. Cuando se está estudiando un sistema por medio de la investigación operativa, es necesario usar la simulación en aquellas etapas que están ocasionando dificultades, tales como: • Situaciones en las cuales es imposible o extremadamente costoso observar ciertos procesos en la vida rea. Ejemplo: vuelos espaciales, el ingreso nacional bruto de un país para los próximos dos años, reporte de ventas de una compañía para los próximos cinco años. • Ciertos sistemas observados son tan complejos que es imposible describirlos en términos de un conjunto de ecuaciones matemáticas. Ejemplo: la economía de un país. • Aunque pueda desarrollarse un modelo matemático para describir un sistema, puede no ser posible obtener una solución al modelo por medio de técnicas analíticas. Ejemplo: sistemas complejos de fenómenos de espera, problema de asignación de tareas en un taller.
•
Puede ser imposible o sumamente costoso realizar experimentos de validación sobre el modelo matemático que describe el sistema. [4]
3.4. Ventajas de la Simulación La simulación mediante computadoras se ha convertido en un procedimiento usual en la prospectiva de sistema por alguna de estas razones: • Ensayar sistemas reales sobre la realidad puede ser muy costoso. • Ensayar sobre la realidad puede conducir a la destrucción. • Es una herramienta eficiente de predicción en cuanto al comportamiento del modelo. • Comprime el tiempo en el análisis de la información y en la toma de decisiones. • Es muy flexible a cambios. • Ayuda en la experimentación. • Algunas veces es la única opción. 3.5. •
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Desventajas de la Simulación Requiere más recursos que otras técnicas, como las analíticas, la estadística y los MRP. Requiere el conocimiento de un lenguaje. El tiempo de desarrollo del modelo es muy alto. No todas las soluciones generadas por la simulación con Promodel son óptimas, por lo que el tomador de decisiones debe aplicar su
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experiencia en la interpretación de resultados. [4] 3.6 El Modelo Un modelo es una abstracción o representación de un sistema, con el fin de analizar el comportamiento del mismo, que permita buscar su mejor desempeño; o cuando el sistema no existe todavía, para definir su estructura ideal, indicando las relaciones fundamentales entre sus elementos. [5] Tipos de Modelos: • Modelos Descriptivos: consisten simplemente de una descripción del sistema a estudiar, lo cual puede hacerse mediante un diagrama de flujo. • Modelos Icónicos: son una representación a escala aumentada o reducida del sistema real, son imágenes (íconos) del sistema que representan. La maqueta de un edificio, un barco de juguete, el esquema de un átomo, etc. • Modelos Analógicos: utilizan un conjunto de propiedades de un sistema para representar a otros. Un sistema eléctrico puede usarse como un análogo de un sistema hidráulico. • Modelos Matemáticos: emplean letras, números y otro tipo de símbolos para representar el sistema de interés, y para describir la interacción entre las variables. Los modelos simbólicos toman la forma de relaciones matemáticas, generalmente ecuaciones o desigualdades que representan la estructura del sistema.
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Modelos Procedimentales: más conocidos como modelos de simulación. Un modelo procedimental expresa las relaciones dinámicas que se supone que existen en la situación real por medio de una serie de operaciones elementales en las variables apropiadas. [6]
3.7 Aplicaciones de Simulación que pueden resolverse con Herramientas Tecnológicas La simulación se ha utilizado virtualmente en todas las ramas de la ciencia e ingeniería, a tal grado que en toda la literatura técnica se encuentran descripciones de estudios de simulación. Algunas de ellas son: • Optimización con simulación. • Diseño de experimentos. • Simulación de sistemas de servicio. • Simulación de sistemas de salud (clínicas y hospitales). • Programación de la producción con ayuda de simulación (el problema clásico de “Scheduling”). • Sistemas de Logística. • Simulación para no ingenieros. (pilotos, diseñadores gráficos, étc) • Entrenamiento de astronautas. • Validación de los sistemas de los automóviles. • Ensayo de las características técnicas de nuevos aparatos. • Sistemas bancarios. • Simuladores de vuelo. • Robótica, entre otras. 3.8 Herramientas Tecnológicas de Software para Simulación
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Entre algunos paquetes de software se encuentran los siguientes: Figura 4 Software SimRunner. Fuente [8]
3.8.4 SIM RUNNER
Figura 1 Software Promodel. Fuente [8]
3.8.1. PROMODEL Software de Simulación y Optimización para la Manufactura, Logística, Ensamble, Balanceo de Líneas, Justificación de Capital, entre otras aplicaciones. [8]
Software para Optimizar los modelos creados en Promodel, Servicemodel, Emodel y Medmodel. También incluye el Cálculo del período de Warm Up y número de réplicas, así como la longitud de la corrida. [8]
Figura 5 Software Stat::Fit. Fuente [9] Figura 2 Software Service Model. Fuente [8]
3.8.2 SERVICE MODEL Software de Simulación y Optimización para Sistemas de Servicio. Diseño y Planeación de la Capacidad en empresas o procesos de Servicio. [8]
3.8.5 STAT::FIT Software para Ajuste de Curvas y Análisis Estadístico de los Datos de Entrada y Salida para la Simulación.
Figura 6 Software Arena. Fuente [8]
Figura 3 Software Medmodel. Fuente [8]
3.8.3 MED MODEL Software de Simulación y Optimización de Hospitales, Clínicas y Procedimientos de Trabajo en ambiente de Hospitales. [8]
3.8.6 ARENA STANDARD EDITION Es una potente aplicación idónea para simular sistemas complejos, operaciones y procesos en el ámbito de los servicios, la fabricación, el transporte, la logística, y la cadena de suministro, entre otros. [8]
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4 METODOLOGIA DE DESARROLLO DE PROYECTOS DE SIMUALCION La aplicación de la simulación a muchos tipos de sistemas junto con los distintos tipos de estudios, produce variaciones en la forma como se desarrolla un estudio de simulación. Sin embargo, se pueden identificar determinados pasos básicos en el proceso para determinar la Metodología de un Proyecto de Simulación. [7] La Metodología propuesta sería: 1. Definición del problema 2. Plan de estudio 3. Formulación de un modelo matemático 4. Construcción de un programa de computador para el modelo 5. Validación del modelo 6. Diseño de experimentos 7. Ejecución de la corrida de simulación y análisis de resultados Los dos primeros pasos son definir el problema y planear el estudio. Aunque estos pasos pueden parecer obvios, no dejan de ser importantes. No debe desarrollarse ningún estudio, simulación o evento parecido, sino hasta que se enuncien claramente el problema y los objetivos del estudio. Luego se hacen las estimaciones del trabajo por realizar y del tiempo requerido. El tercer paso, consiste en construir un modelo, para ello, es necesario establecer la estructura del modelo decidiendo los aspectos del comportamiento del sistema que son significativos para el problema que se trata de resolver, y es necesario
reunir los datos para proporcionar parámetros correctos para el modelo. El cuarto paso, es construir el modelo en un software de computadora, es una tarea relativamente bien definida. El modelo establece las especificaciones de lo que debe programarse. En la práctica, con frecuencia la cuestión de la dificultad de programar un modelo influye en la forma de como se construye. Es probable que las tareas de producir un modelo y programa de computadora, se realicen en paralelo más que en serie. [7] El quinto paso, la validación del modelo, es un área que requiere buena cantidad de juicio. En gran medida, el problema es el complemento de la formulación del modelo. Las inferencias que se hacen al determinar el modelo se comprueban observando si éste se comporta como se esperó. Desde luego, pueden ocurrir errores al programar el modelo. Idealmente, los errores del modelo y los de programación se separan validando el modelo matemático antes de iniciar la programación. Sin embargo, no es fácil hacerlo, debido a que el modelo matemático no es sencillo manejarlo. El sexto paso es el diseño de un conjunto de experimentos que satisfagan los objetivos del estudio. Un factor que debe considerarse es el costo de correr el modelo en la computadora, se debe ponderar cuidadosamente el número de corridas que se necesitan. El último paso en el estudio de un sistema, es ejecutar las corridas de
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simulación resultados.
e
interpretar
los
En un estudio bien planificado se habrá planteado un conjunto bien definido de preguntas y el análisis tratará de responderlas. [5] 4
DESARROLLO DE PROYECTOS USANDO PROMODEL COMO HERRAMIENTA TECNOLÓGICA DE SIMULACIÓN
En la asignatura de Simulación del programa de estudios de Ingeniería Industrial y de Ia Ingeniería en Sistemas Computacionales la unidad 5 se denomina de la siguiente manera: •
•
Proyecto de Aplicación en Ingeniería Industrial, subtema de la unidad: Proyecto Final el cuál consiste en el análisis, modelado y simulación de sistema de servicios o productivo de una empresa para detectar las mejoras posibles a realizar, y plantear acciones que mejoren el desempeño de sistemas y que en el caso de poder implementarse se lleve hasta este nivel. Proyecto Integrador en Sistemas Computacionales, subtema de la unidad: Análisis, modelado y simulación de un sistema de servicios o productivo de una empresa para detectar las mejoras posibles a realizar.
En base en el tema de la Unidad, se organizan los estudiantes para conformar los equipos de Simulación. Seleccionan una empresa y realizan visita para solicitar autorización para Simular uno de sus procesos como actividad académica de la Asignatura. Una vez autorizada la propuesta, se recolectan los datos para ser modelados en la Herramienta de Simulación Promodel. Los datos son analizados estadísticamente con la herramienta que incluye el Promodel denominada Stat::Fit. (Ver figura 7)
Figura 7 Herramienta Stat::Fit
A continuación se muestran los elementos de modelación que utiliza Promodel (Ver figura 8):
Figura 8 Elementos Promodel. Fuente [9]
de
Modelación
En ProModel, todo se ajusta al paradigma de Locaciones, Entidades, Recursos, Llegadas y Proceso (Ver figura 9).
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Figura 9 Sistema a Modelo de Promodel. Fuente [9]
Las locaciones, entidades y recursos son las COSAS en el sistema. Las llegadas y el proceso definen QUÉ HACEN LAS COSAS. [9]
Figura 12 Gráficas de Locaciones. Fuente [9]
Entidades (Entities): Cosas que “se mueven a través” del modelo se llaman “entidades”. Algunos ejemplos incluyen piezas, productos, personas o documentos. Las entidades viajan de locación a locación, realizando actividades. (Ver figura 12).
Figura 10 Modelo V. 0. Fuente [9]
Locaciones (Locations): Las locaciones representan lugares físicos fijos en el sistema donde ocurren las cosas. Las locaciones pueden ser objetos como máquinas, fila de espera, banda de transporte, un escritorio o una estación de trabajo. (Ver figura 11).
Figura 13 Entidades en Promodel. Fuente [9]
Llegadas (Arrivals): Cuando una entidad aparece inicialmente en una locación en el modelo, se le llama llegada. Las llegadas pueden ocurrir de acuerdo al tiempo, o a alguna otra condición. (Ver figura 13).
Figura 11 Fuente [9]
Locaciones
en
Promodel.
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proceso en las opciones Simulación.(Ver figura 15) [9]
de
la
Figura 14 Llegadas en Promodel. Fuente [9]
Proceso (Processing): El proceso describe las operaciones que toman lugar cuando una entidad está en una locación, como la cantidad de tiempo que la entidad permanece ahí, los recursos que necesita para completar el proceso y cualquier otra cosa que sucede en la locación, incluyendo seleccionar el siguiente destino. (Ver figura 14).
Figura 16 Ejecución de la simulación en Promodel. Fuente [9]
Salida (Output): Se muestran las estadísticas obtenidas por la simulación. Estas se pueden presentar de manera gráfica, por locación, por entidad o promedios. [9]
Figura 17 Editor de salida de Promodel. Fuente [9]
Figura 15 Proceso en Promodel. Fuente [9]
Recursos (Resources): Un tipo de objeto que se utiliza por entidades o locaciones para realizar algún tipo de actividad, como un operario o un montacargas. [9] Ejecución (Run Simulation): Esta acción permitirá ejecutar la simulación estableciendo el tiempo de
Figura 18 Menú Simulación. Fuente [9]
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Figura 19 Tiempos de Proceso. Fuente [9]
5 RESULTADOS DEL USO DE LA HERRAMIENTA TECNOLÓGICA PROMODEL EN PROYECTOS DE SIMULACION Los estudiantes de ingeniería industrial y de Sistemas del IT de Cd. Valles, utilizan la simulación para resolver problemas en procesos de Manufactura o Servicio. Para ello en un Sistema, los estudiantes eligen entre los dos tipos de procesos a ser modelado con Promodel, Sistema de Manufactura o Sistema de Servicio. A continuación se observan ambos procesos:
Figura 20 Sistema Fuente [5]
de Manufactura.
• • • • • • • • • • • • • • • • • • •
Gasolinera Maquiladoras Ingenios Pastelería Asilos de Ancianos Farmacias Taller mecánico Taller eléctrico Centros de cómputo Ciber cafés Autolavados Spas Estéticas Misceláneas Empresas Manufactureras Turismo Tienda de Regalos y globos Foto laboratorio Bancos
Algunas interfaces de los procesos resueltos con Promodel: a) Llenado de tanques de Almacenamiento. Donde se recolectan los datos primeramente, se definen las locaciones, en este caso son 6 locaciones, se determina una entidad, que corresponde a el líquido que se almacena en los tanques, recursos, que son los camiones que transportan el combustible, las llegadas siguen una distribución exponencial de 35 min. El proceso se define con la ruta que va de los tanques a la fábrica. (Ver figura 22)
Figura 21 Sistema de Servicio. Fuente [5]
Los estudiantes han mejorado los procesos de diversas empresas: 10
Figura 22 Simulación de Tanques. Fuente: elaborado por el autor.
b) El siguiente problema de Simulación corresponde a una fábrica donde se maquila una pieza. Las locaciones definidas son 6, existen dos tipos de piezas que se maquilan. Hay un recurso que es el Inspector. El proceso recorre todas las locaciones cada una con diferentes distribuciones de probabilidad en tiempos de espera o de maquinado, así con tiempos de traslado de una locación a otra. (Ver figura 23)
Figura 24 Simulación molino y torno. Fuente: elaborado por el autor.
d) La siguiente simulación corresponde al tiempo de atención en una sucursal bancaria. Se definen 4 locaciones que corresponden a los cajeros, una fila de entrada donde la entidad es el cliente. Un solo proceso y 4 rutas diferentes. (Ver figura 25)
Figura 25 Simulación de un banco. Fuente: elaborado por el autor.
Figura 23 Simulación de maquinado. Fuente: elaborado por el autor.
c) La siguiente simulación corresponde a un centro de maquinado. Existen 3 locaciones, una sola entidad. Un solo proceso con tiempos diferentes. No se consideraron recursos ni rutas. (ver figura 24)
e) La siguiente simulación corresponde a una gasolinera. Las locaciones definidas son los dispensadores. Las entidades son los litros de combustible que se venden. Los recursos son los despachadores. (Ver figura 26)
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el costo del software, el costo del hardware, la rapidez en hacer los modelos, la optimización, la integración de los modelos con los procesos de negocio, etcétera.
Figura 26 Simulación de gasolinera. Fuente: elaborado por el autor.
f) El problema de un autolavado también ha sido simulado. En esta las locaciones son los espacios disponibles para lavar un vehículo. La entidad son los vehículos y los recursos los lavadores. (Ver figura 27)
Figura 27 Simulación autolavado. Fuente: elaborado por el autor.
6 CONCLUSIONES Durante muchos años, la herramienta de simulación fue una herramienta limitada, costosa, complicada y poco rentable. Aun así, los proyectos de simulación se completaban si el costo de la inversión lo ameritaba. En la actualidad, el costo de simular se ha venido abajo por diferentes factores, entre ellos: el costo de la información de la planta (o del sistema a simular),
Al ser la herramienta de simulación tediosa y poco rentable, en los programas de Ingeniería Industrial y Sistemas Computacionales sólo se le dedicaba una materia semestral o incluso menos, solo dos unidades. Como docentes en la impartición de la asignatura de Simulación en las áreas de Industrial y de Sistemas del IT de Cd. Valles, se propone contar con más materias que involucren tópicos de simulación, profundizar más en los temas, reforzar la parte de programación de computadoras con lenguajes de alto nivel y enlazar más conocimientos vía simulación. De la misma manera se recomienda mostrar las aplicaciones que en Mejora Continua, Re-Ingeniería de Procesos y otros, se pueden hacer con Simulación. Algunas empresas han hecho de la Simulación una norma corporativa para hacer negocios y asegurar el éxito de los proyectos y la rentabilidad de las inversiones. En cuanto a la simulación como técnica se concluye, que permite hacer prospectiva del sistema sin destruirlo, de manera poco costosa y alternando las escalas de tiempo según convenga. Los estudiantes de ingeniería en sistemas computacionales y de ingeniería industrial han modelado tanto procesos de manufactura como procesos de servicios en diversas empresas de la región en trabajos 12
académicos, como proyectos de fin de curso o Residencia profesional, utilizando la Herramienta Tecnológica de Software: Promodel; logrando optimizaciones exitosas y puestas en marcha.
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VILLARREAL
PARÁS,
Daniel.
Manual de Promodel. (2005). México. PROMODEL México.
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