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ANEXO A:
O SISTEMA X-CITTIC
Apresenta-se neste anexo uma descrição genérica de um sistema de informação para apoiar o processo de aceitação/negociação de encomendas (order promising) para organizações multi-empresa, estruturadas sob a forma de uma rede de empresas e com uma estrutura produtiva multi-estágio. Os sistemas de produção multi-estágio envolvem a transformação de produtos e materiais em diferentes unidades produtivas, inseridas numa cadeia logística organizada em diferentes estágios. O sistema descrito foi desenvolvido no âmbito do projecto europeu X-CITTIC (A Planning and Control System for Semiconductor Virtual Enterprises – ESPRIT E-20544). Este projecto, com a duração de três anos, decorreu entre 1996 e 1998 e teve por objectivo principal o desenvolvimento de uma metodologia e de um sistema de planeamento e controlo da produção e da logística associada, em redes empresariais complexas. Foi realizado por um consórcio envolvendo três instituições académicas: Imperial College (Reino Unido), Fraunhofer Gesellschaft IPA (Alemanha) e INESC (Portugal); três empresas industriais: MITEL Semiconductors (ex GEC-Plessey, Reino Unido), Temic (Alemanha) e Alcatel (Bélgica); e um fornecedor de sistemas de informação: Nimble (Bélgica). A indústria dos semicondutores constituiu a área de aplicação do projecto. Trata-se seguramente de uma das indústrias mais avançadas em termos tecnológicos, e das mais exigentes em termos de planeamento e de gestão da produção, para além de ser das que apresenta uma mais rápida evolução. O sistema desenvolvido permite apoiar o processo de aceitação/negociação de encomendas (order promising) em tempo real, através de uma rápida avaliação da capacidade produtiva (ao longo da rede de empresas) e incluindo os aspectos logísticos e de coordenação decorrentes de uma organização produtiva em rede. Com a finalidade de se clarificar o domínio, e consequentemente o contexto, de utilização do sistema, começa-se por apresentar uma descrição breve do processo produtivo na indústria de semicondutores. Far-se-á igualmente referência a algumas das questões que, neste tipo de indústria em particular, tornam muito difícil o processo de planeamento. Em virtude do sistema descrito neste anexo ter resultado de um projecto desenvolvido com diversas instituições de diferentes países, optou-se por manter, na descrição aqui apresentada, as designações em língua inglesa consideradas na documentação técnica do mesmo (texto e ilustrações gráficas).
Domínio do problema O fabrico de semicondutores (circuitos integrados) assenta num processo produtivo complexo, baseado em equipamento tecnologicamente avançado e com requisitos extremos de precisão e repetitividade. O facto de esta indústria, por um lado, envolver elevadíssimos investimentos em infra-estruturas produtivas, e, por outro, ter um mercado alvo de grande imprevisibilidade, ao nível da procura de produtos existentes e de novos produtos, faz com que os processos de planeamento, escalonamento e controlo da produção desempenhem um papel fundamental, quer na viabilidade do investimento, nomeadamente ao nível de se garantir elevadas taxas de utilização dos equipamentos, quer na resposta rápida e fiável às solicitações do mercado.
O processo de fabrico O fabrico de circuitos integrados envolve centenas de operações, geralmente agrupadas em quatro estágios principais:
É habitual considerar-se o agrupamento dos estágios referidos em dois grandes grupos: front-end e back-end (ver figura A.1). O primeiro engloba os estágios de fabrico de wafers e o respectivo teste, o segundo grupo engloba a montagem e o teste final. Como separação entre estes dois grupos existe geralmente um armazém “estratégico”, referido na terminologia deste sector industrial por die bank. Este ponto de armazenamento funciona como um ponto de desacoplamento no processo de produção. Até ao die bank, o planeamento da produção baseia-se maioritariamente em previsões da procura, e a jusante deste, a produção é despoletada principalmente por encomendas firmes dos clientes.
Fig. A.1 Processo de fabrico de semicondutores.
O tempo de ciclo típico para cada um dos estágios é de aproximadamente 40 dias para a wafer fab, dois a sete dias para o probe, 18 a 24 dias para o assembly e três a sete dias para o final test. Os fabricantes de semicondutores apresentam geralmente uma organização produtiva constituída por diversas unidades fabris independentes, geograficamente distribuídas e dedicadas a cada um dos estágios que constituem o processo produtivo. Geralmente, para cada estágio existem diversas unidades de produção alternativas. Além disso, é habitual recorrer-se à subcontratação em qualquer das fases do processo produtivo e em particular no estágio de assembly.
Complexidade do processo de planeamento O planeamento e o escalonamento da produção na indústria de semicondutores são considerados por vários autores como talvez os de maior complexidade (Atherton e Atherton, 1995; Ovacik e Uzsoy, 1997). A nível global, o planeamento da produção apresenta dificuldades acrescidas relativamente aos problemas habituais, em resultado dos seguintes factores:
De uma maneira geral, a cadeia logística da indústria de semicondutores pode ser vista como uma rede constituída por diversos nós (unidades fabris de produção e/ou montagem e unidades de armazenamento e/ou distribuição), interligados entre si, que originam diferentes percursos (routings) no fabrico dos produtos (ver figura A.2). A existência de percursos alternativos depende não só da tecnologia a utilizar, como também do tipo de produtos em causa, sendo as decisões quanto aos percursos a utilizar em cada caso também função da capacidade e da disponibilidade dos recursos e, naturalmente, dos custos envolvidos. Neste contexto, considera-se que a organização do processo produtivo (segundo uma estrutura de precedência linear) segue um modelo produtivo do tipo flow-shop (o fluxo de trabalho associado a uma determinada tarefa é unidireccional) com um conjunto de características adicionais, nomeadamente a existência em cada estágio de unidades de processamento funcionalmente idênticas (em paralelo). Do ponto de vista do problema de planeamento da produção, a sua resolução envolve decisões não só de sequenciamento, mas também de afectação de recursos (tendo em conta as unidades em paralelo, alternativas).
Fig. A.2 Representação esquemática da estrutura produtiva. Note-se que, no caso presente, se considerou, não o problema geral de escalonar um dado conjunto de encomendas na rede produtiva, mas antes o problema (que corresponde melhor aos requisitos práticos) de planear, num dado momento, um pedido acabado de chegar ao sistema, e que naturalmente já vai encontrar este parcialmente carregado. Vai-se então procurar determinar o percurso óptimo, ao longo das unidades de produção, para satisfazer uma encomenda potencial. Basicamente, para um pedido de um determinado produto, numa dada quantidade e com uma data de entrega, procura-se determinar, de forma optimizada, as janelas temporais (data início/data fim) e as quantidades a produzir por cada uma das unidades directamente envolvidas na satisfação do pedido. Em geral, a resolução do problema origina uma solução que envolve todos os estágios produtivos e apenas uma unidade produtiva por estágio. Contudo, diversas situações particulares podem originar apenas o envolvimento de alguns dos estágios (planeamento parcial) ou a afectação, no mesmo estágio, de mais do que uma unidade produtiva. A figura A.3 apresenta graficamente os diferentes cenários possíveis, para um processo de produção constituído por quatro estágioss e com um número variável de unidades por estágio.
Fig. A.3 Soluções possíveis para o problema.
Em geral, é possível ter uma situação de planeamento de encomendas em que a rota associada envolve todos os estágios e em que se verifica, num mesmo estágio, a participação de diferentes unidades. A figura A.4 ilustra um cenário em que existem quatro estágios constituídos por diversas unidades produtivas e os respectivos pontos de armazenamento. Encontra-se representada a rota associada ao planeamento de uma encomenda. Este cenário evidencia a complexidade inerente aos processos de planeamento e de coordenação, que têm lugar num ambiente de produção multi-estágio e simultaneamente distribuído. Naturalmente que o tipo de produto impõe o âmbito do planeamento. No limite, o pedido de um produto final pode envolver todos os estágios produtivos. O estágio mais a montante envolvido na satisfação do pedido é imposto pelas necessidades líquidas na entrada do estágio imediatamente seguinte.
Fig. A.4 Satisfação de uma encomenda (caso mais comum).
No problema em análise podem ser considerados vários objectivos em simultâneo. Por um lado, procura-se minimizar os custos de fabrico associados às unidades produtivas envolvidas na satisfação da encomenda; por outro lado, procura-se igualmente minimizar os custos logísticos associados, nomeadamente custos de transporte entre unidades, assim como os custos de armazenamento. Adicionalmente, pretende-se que a data de entrega seja o mais próxima possível da data pedida, assim como se procura garantir que, para um mesmo estágio produtivo, se minimiza o número de unidades envolvidas.
O sistema de Apoio à Decisão O Sistema de Apoio à Decisão aqui descrito e desenvolvido no âmbito do projecto X-CITTIC permite, no processo de negociação e aceitação de encomendas, determinar datas de entrega para os produtos pedidos pelos clientes, de forma rápida e fiável e com base numa avaliação das capacidades produtivas da rede, no seu conjunto. Em termos gerais, a actividade de order promising tem a finalidade de produzir uma “cotação”, em resposta ao pedido de um cliente. O requisito de ser capaz de receber em simultâneo pedidos de clientes geograficamente dispersos, por um lado, e a necessidade de se conseguir o planeamento em tempo real e envolvendo todas as entidades da “empresa virtual”, por outro, conduziram à estruturação global do sistema segundo três níveis principais (figura A.5):
Fig. A.5 Estrutura geral do Sistema de Apoio à Decisão.
O projecto X-CITTIC desenvolveu uma solução informática conceptualmente organizada em módulos funcionais, que, por sua vez, são constituídos por vários componentes. A funcionalidade e o âmbito de um módulo são definidos pela interacção conjunta dos componentes que o constituem e pela interacção com o exterior. Além disso, um componente1 pode ser usado por mais do que um módulo, podendo apresentar um âmbito global ou local, consoante as suas visibilidade e acção se estendam a toda a organização ou sejam restringidas a uma determinada entidade em particular. O desenvolvimento da solução considerou dois níveis funcionais principais: um nível pró-activo e um nível reactivo. No nível pró-activo são disponibilizadas duas funcionalidades principais que correspondem a dois módulos do sistema: módulo de order promise e módulo de planeamento fino (fine planner) ou de pós-optimização. No nível reactivo, inclui-se o módulo de monitorização e de controlo reactivo. No apoio a estes módulos, e com âmbito local e global, encontra-se o módulo de gestão de informação. A figura A.6 apresenta uma representação esquemática da interligação dos módulos que compreendem a solução X-CITTIC.
Fig. A.6 Módulos funcionais da solução X-CITTIC.
Módulo de order promise Este módulo é responsável pela recepção dos pedidos provenientes dos clientes e pelo planeamento, em tempo útil, de novas encomendas, com a determinação de datas de entrega, através da avaliação das capacidades ao longo da estrutura produtiva. Este módulo é igualmente responsável por implementar o mecanismo de coordenação inerente ao planeamento de uma nova encomenda e por determinar o respectivo percurso, ao longo das unidades da rede. É constituído por diversos componentes de âmbito global e de âmbito local.
Módulo de “planeamento fino” Após o processo de negociação, apoiado pelo módulo de order promise, e a confirmação das novas encomendas, este módulo é activado com a finalidade de proceder à pós-optimização das encomendas, ao nível global, e de gerar planos para as entidades envolvidas, de acordo com a rota planeada no módulo de order promise. É constituído por diversos componentes de âmbito global e de âmbito local.
Módulo de monitorização e controlo reactivo É o módulo que procura garantir que a execução dos planos desenvolvidos nos módulos anteriores sejam executados de forma a respeitar os compromissos assumidos com os clientes. Numa analogia com a teoria dos sistemas de controlo, este é o elemento que fecha o anel de controlo, realimentando o controlador do sistema. É constituído por componentes globais e locais.
Módulo de gestão de informação Toda a funcionalidade da solução
X-CITTIC assenta num sistema de informação distribuído, configurável e escalável,
de acordo com a estrutura produtiva em causa. Este módulo de gestão de informação,
de âmbito local e global, é baseado num modelo de objectos de informação
comum a toda a empresa, e constitui o elemento principal na integração dos
restantes módulos. É também o módulo que garante a interface com os sistemas
de informação externos, nomeadamente sistemas de informação
Posicionamento dos módulos X-CITTIC No quadro conceptual tradicional de hierarquização dos níveis de planeamento, a solução X-CITTIC posiciona-se no nível táctico e operacional (figura A.7). Em particular, o módulo de order promise situa-se no nível táctico, tendo como entrada principal pedidos de clientes, e gerando, na saída, encomendas.
Fig. A.7 Posicionamento da solução X-CITTIC.
Estruturação da informação A informação foi estruturada segundo diferentes perspectivas, nomeadamente quanto à sua visibilidade através do sistema distribuído de informação e quanto à frequência com que se verificam as suas criação ou alteração:
Informação global e informação local – Alguma informação tem um âmbito global, ou seja, é “visível” em toda a empresa virtual; outra tem visibilidade unicamente a nível local, isto é, está confinada a um determinado nó (entidade) da estrutura produtiva (rede); Informação estática e informação dinâmica – Alguma informação é, em certo sentido, constante ou estática, ou seja, é independente do estado de execução do processo produtivo (por exemplo, sequência de operações, recursos, etc.); por seu lado, a informação dinâmica muda (frequentemente) ou depende do estado de execução do processo produtivo (por exemplo, informação relativa a ordens de fabrico, lotes, etc.). O modelo de informação de âmbito global é, de certa forma, mais estruturante e engloba objectos com “visibilidade” para toda a estrutura produtiva (por exemplo, instância objectos tais como produtos finais, encomendas, etc.). Este modelo é acedido por componentes globais. Num cenário normal de funcionamento do sistema existem, instanciados, um modelo global e tantos modelos locais quantas as entidades participantes na estrutura produtiva (rede). A modelação da informação foi feita segundo a estrutura ilustrada na figura A.8 que se apresenta de seguida.
Fig. A.8 Estruturação da informação.
Considera-se que a produção de um determinado produto requer um determinado conjunto de operações, a serem executadas com um conjunto de recursos. As relações entre estas três entidades básicas (produto, operação, recurso) são do tipo “muitos-para-muitos”. Ao nível global, isto é, ao nível da empresa virtual, considera-se que a produção de um produto final requer um conjunto de operações designadas por meta-operações, a realizar em cada um dos estágios produtivos que compõem a estrutura produtiva. Num mesmo estágio pode existir mais do que uma unidade produtiva. Assim, um produto final tem sempre associado um conjunto de sub-produtos (produto local) em número igual ao número de estágios necessários para a sua produção. Num determinado estágio e para cada unidade produtiva, a produção de um produto local (subproduto) envolve um conjunto de operações a serem efectuadas com um determinado conjunto de recursos. Também aqui é considerada uma relação de “muitos-para-muitos” entre operações, recursos e produtos locais. A figura A.9 representa a forma como esta informação foi conceptualizada em termos de modelos de objectos de informação.
Fig. A.9 Modelação da estruturação da informação.
Arquitectura geral do sistema O sistema desenvolvido envolve diversos componentes distintos, interactuando de forma integrada. A arquitectura geral do sistema, com a definição dos principais fluxos de informação entre os componentes, encontra-se representada na figura A.10. Os componentes considerados (dos quais alguns podem ter várias “instâncias”) são os seguintes: 1. Order promise client (OPClient) – É responsável pela interacção com o utilizador, permitindo submeter ao sistema um pedido de um cliente e visualizar as diferentes ofertas produzidas pelo sistema. 2. Order promise server (OPServer) – Gere os pedidos submetidos pelos componentes OPClient e sequencia esses pedidos, de acordo com diferentes regras (FIFO – First In, First Out -, nível de prioridade, data pedida, etc.). 3. Rough planner engine (RP) – Constitui o motor de planeamento baseado em negociação; gera propostas, a submeter aos modelos de capacidade locais, existentes em cada nó da estrutura produtiva (rede); gere as ofertas recebidas dos modelos locais de capacidade; avalia as alternativas possíveis de produção. 4. Rough capacity model (RCM) – Modela cada entidade da estrutura produtiva (sob o ponto de vista da gestão de capacidades), avalia as propostas geradas pelo RP e gera as correspondentes ofertas; é instanciado tantas vezes quantas as unidades produtivas existentes.
Fig. A.10 Arquitectura global do sistema Order Promise. 5. Rough planner view (RPView) – Permite a monitorização em tempo real do processo de negociação entre o RP e cada um dos RCM; permite igualmente a parametrização do algoritmo de planeamento do RP e a visualização da configuração actual da empresa virtual. 6. Logistic model (LM) – Disponibiliza informação logística, nomeadamente tempos, custos e disponibilidades de transporte, custos de armazenamento, etc. 7. Global information manager (GIM) – É responsável pela manutenção e pela gestão do modelo de objectos global. 8. Local information manager (LIM) – É responsável pela manutenção e pela gestão do modelo de objectos local; é instanciado tantas vezes quantas o número de unidades produtivas existentes na empresa virtual. A organização lógica dos componentes nos módulos ou subsistemas apresentados não significa que, ao nível de execução, quaisquer componentes precisem de se localizar no mesmo sistema computacional. Assim, a figura A.11 ilustra um cenário possível de execução em que os componentes se encontram distribuídos por diferentes sistemas computacionais, geograficamente distribuídos. O caso particular apresentado diz respeito a uma situação real de funcionamento do sistema numa rede de empresas industriais de semicondutores, constituída por diferentes unidades produtivas (oito na configuração apresentada e distribuídas pelos quatro estágios principais do processo). O sistema X-CITTIC, aqui brevemente descrito, recorreu a tecnologia “estado-da-arte”, nomeadamente tecnologia CORBA, para satisfazer grande parte dos requisitos anteriormente identificados. Finalmente, refira-se que a adopção de uma arquitectura baseada em componentes permitiu igualmente a exploração de novas metodologias de planeamento no sentido de garantir uma maior adequação dos processos de planeamento às novas formas de organização da produção. Fig. A.11 Cenário de configuração de funcionamento do sistema. |
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