PROGRAMACIÓN DE LA PRODUCCIÓN EN UN TALLER DE FLUJO HÍBRIDO SUJETO A INCERTIDUMBRE: ARQUITECTURA Y ALGORITMOS. APLICACIÓN A LA INDUSTRIA CERÁMICA.

En un marco de competencia global en el cual los tiempos de respuesta son cada vez más relevantes como elemento competitivo y donde, en no pocas ocasiones, las empresas tiende a ofrecer un catálogo de productos amplio y diferenciado de la competencia, existen múltiples  retos que las Organizaciones deben afrontar. Dentro de éstas la Dirección de Operaciones tiene el reto de adaptar los procesos de Gestión de los Sistemas Productivos y Logísticos a las actuales necesidades. En este proceso de cambio es habitual partir de Sistemas Productivos poco flexibles y orientados a la producción en masa en los que es fundamental emplear el mejor “saber-hacer” para procurar obtener el rendimiento más adecuado de los recursos disponibles. El despliegue de unas buenas prácticas en el ámbito de la Programación de la Producción puede ayudar en buena medida a mejorar la eficiencia de los recursos.

Tradicionalmente se ha venido considerando a la Programación de la Producción con una visión bastante cuantitativa en la que su misión consistía en asignar, secuenciar y temporizar los diferentes trabajos del periodo en base a los recursos disponibles. No obstante, sin dejar de ser válido este planteamiento, en esta tesis se desea enfatizar como en realidad el fin último de las técnicas y métodos desarrollados durante años en el ámbito de la Programación de la Producción no es otro que el de ser empleados dentro de un Sistemas de Ayuda a la Toma de Decisiones. Y en este sentido, las decisiones operativas que se toman en el área del Programador de la Producción deben estar conectadas en todos los casos, al menos, con su entorno decisional más directo como es el de la Planificación de la Producción. 

Una revisión literaria en profundidad al extenso trabajo realizado en más de 50 años de existencia de lo que se ha denominado, empleando la terminología en lengua inglesa, como “Scheduling” pone de manifiesto la existencia una necesidad que debe ser cubierta. Se trata de reducir la distancia entre los problemas planteados por la comunidad científica y los que desean resolver los profesionales. Los problemas académicos se caracterizan por ser simplificaciones de la realidad en la cual los sistemas productivos, las condiciones de trabajo, las interrelaciones organizativas, o la propia aparición de eventos son considerados de forma parcial, o incluso ignorados. Por este motivo en muchos casos los procedimientos y las técnicas aplicadas a la Programación de la Producción en las empresas no han recibido el empuje que precisa.

Uno de los aspectos que es preciso considerar para reducir la brecha existen entre el entorno académico y el profesional es el de la Incertidumbre. Existe relativamente poca bibliografía que considere el problema de la Programación de la Producción en entornos inciertos, y de las propuestas revisadas se ha optado por seguir el modelo que propone dividir el problema en dos fases. La primera fase, que recibe el nombre de Programación Predictiva, consiste en establecer un Programa Productivo en un entorno determinista que sirva de punto de partida. La segunda fase consiste en modificar el Programa Productivo en curso cuando se produzca un evento que lo haga inviable, y se denomina Programación Reactiva. La Programación Predictiva y Reactiva de la Producción sirven para generar Programas a partir de restricciones y objetivos que pueden ser diferentes dado que se emplean en instantes diferentes del periodo Productivo considerado.

Con el objeto de explorar nuevos paradigmas que aportasen un enfoque diferente al tradicional en relación al uso de técnicas y herramientas con los que tratar el problema de Programación de la Producción, en las condiciones actuales, se exploraron las posibilidades de la Inteligencia Artificial, y en concreto el área relacionada con los Agentes Inteligentes y Sistemas Multiagente. El paradigma de los Agentes se ha aplicado a diversas áreas entre las que se encuentra la de Dirección de Operaciones. En el área mencionada su puesta en práctica se ha centrado sobre todo en el ámbito de la Planificación de la Producción y de la Gestión de la Cadena de Suministro. Esto es debido a que la teoría de Agentes ayuda a abordar aspectos como la Integración Empresarial, Organización Distribuida, los Entornos Heterogéneos, la Interoperabilidad,  la Estructuras Dinámicas, o la Cooperación entre otros. Dada la necesidad de incluir algunos de estos aspectos en el ámbito de la Programación de la Producción se ha considerado que los Sistemas Multiagentes pueden actuar de facilitadores.

Una vez analizadas las aportaciones científicas relacionadas con el ámbito del “Scheduling” y de los Sistemas Multiagente se identifica que el objetivo de esta tesis debe ser el de plantear un Modelo que permita Automatizar, mediante el empleo de Sistemas Multiagente, la Programación Predictiva y Reactiva de la Producción, basado en una orientación de Procesos de Negocio que incluya Herramientas (Algoritmos) de Ayuda a la Toma de Decisiones bajo Incertidumbre, necesarios para resolver la visión funcional/decisional que contemple la existencia de eventos y su gestión, y que permita dar el primer paso hacia un Modelo Dinámico. El objetivo fijado para dicho modelo es el de mantener una tasa de productividad media lo más alta posible en función de los recursos disponibles, y para ello los procesos de Programación Predictivo y Reactivo dispondrán de funciones objetivos que potencien el mismo.

Como paso previo a la construcción de una propuesta se realiza un importante esfuerzo para delimitar correctamente la validez de la misma. En este aspecto, se analizan  aquellas características del problema que se desea tratar destacando sus peculiaridades, pudiéndose caracterizar como un Taller de Flujo Híbrido con Tiempos de Cambio de Partida Dependientes de la Secuencia en condiciones de Incertidumbre. El problema se modela matemáticamente. 
Para alcanzar el objetivo propuesto se define una Metodología, unos elementos Arquitectónicos, y unas Herramientas que sirven de guía y de soporte, al mismo tiempo que estructuran, la elaboración de una propuesta. A través de cinco pasos definidos en la metodología, y empleando en cada uno de ellos los elementos constructivos y herramientas necesarios, se sigue un camino que se inicia con la definición elemental del problema y que termina con una prueba de funcionamiento para un caso concreto.

Con los dos primeros pasos de la metodología se determinaron los requerimientos en los que se debería basar la propuesta para conseguir su objetivo. Para el análisis de los requerimientos del proceso de Programación Predictivo-Reactiva y su relación con los procesos de Planificación se emplea la propuesta CIMOSA. Con el tercer paso de la metodología, y en base a los requerimientos identificados,  aborda el diseño de una Plataforma Software concebida como un Sistema Multiagente (IPSU-MAS) que facilite la automatización de los procesos de Programación. Para el diseño se emplea la Metodología INGENIAS específica para desarrollos basados en Agentes. 

Antes de realizar el cuarto paso, que consiste en la implementación de IPSU-MAS, se diseña, desarrolla, y analiza una serie de algoritmos y procedimientos que necesariamente deben formar parte de la Plataforma Software. Si se considera a la plataforma como una estructura estos procesos serían el motor que realmente posibilita la automatización. Estos se definen a partir de un análisis conceptual y un contraste práctico. Entre los algoritmos más relevantes que se desarrollan hay que destacar aquellos que permiten el cálculo del Programa Predictivo y del Programa Reactivo de la Producción. Aunque en menor medida también abordan aquellos que regulan la coordinación entre los procesos de Programación y Planificación.

Para poder obtener un Programa Productivo Predictivo se propone el diseño e implementación de un nuevo Algoritmo Genético denominado SMAGA. La diferencia fundamental entre la propuesta que realiza en esta tesis y los Algoritmos Genéticos tradicionales, es que en este caso, se realiza una hibridación del algoritmo combinando la estructura básica de esta Metaheurística con las características de los Sistemas Multiagente. El objetivo es que la hibridación se produzca de forma que los Agentes tomen el rol de “seres vivos” y por lo tanto, de individuos de la población. Con la introducción del paradigma de Agentes en este algoritmo la propuesta considera la existencia de un Sistema Multiagente (SMAGA) dentro de otro (IPSU-MAS). Después de una adecuada parametrización de las dos variantes del algoritmo SMAGA, los resultados se comparan con los obtenidos por otras propuestas realizadas para el mismo tipo de problemas resultando ser altamente eficaces. Tanto para la parametrización como para el análisis comparativo se emplea un juego de datos conocido.

Para realizar el cálculo del Programa Reactivo se realiza un análisis comparativo entre un conjunto de Heurísticas y Metaheurísticas seleccionado, entre las que existe una aportación propia (SSDS). Todas las técnicas son sometidas a un amplio estudio en diversas circunstancias pudiéndose obtener conclusiones relevantes en cuanto a su comportamiento.
Finalmente se realiza como parte del quinto paso de la metodología una aplicación del prototipo IPSU-MAS, generado a partir del trabajo realizado anteriormente, a una empresa concreta de la Industria Cerámica. Se considera que las empresas de este sector son muy adecuadas para realizar una experiencia práctica debido a la configuración de sus talleres y a la situación de competencia de su entorno. En la experiencia práctica se compararon los resultados que obtenidos empleando los métodos actuales de la Empresa Seleccionada y los obtenidos con IPSU-MAS, en diversos escenarios. La conclusión es que en todos ellos los resultados obtenidos con la IPSU-MAS son mejores, y en muchos de ellos se han alcanzado valores con una tasa de productividad entre un 17% y un 29% mejores que los de las técnicas actualmente empleadas.