ELABORAÇÃO DE MODELOS CONCEITUAIS EM SIMULAÇÃO COMPUTACIONAL ATRAVÉS DE ADAPTAÇÕES NA TÉCNICA IDEF0: UMA APLICAÇÃO PRÁTICA

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2 1. Introdução A alta competitividade das modernas indústrias leva às empresas a um contínuo refinamento de seus processos de manufatura. O estudo de tempos e movimentos e programas de melhoria da qualidade são ferramentas úteis no estudo de sistemas de manufatura. Porém, o grande número de estratégias, técnicas e métodos que podem ser implementados (JIT, TQC, TPM, SMED, QFD, etc.) faz com que a análise destes sistemas se torne algo difícil. As razões desta dificuldade estão voltadas à complexidade dos sistemas de manufatura e o alto número de fatores envolvidos. Em muitos casos, os resultados obtidos de análises convencionais deixam uma lacuna na descrição destes sistemas (HERNANDEZ-MATIAS et al., 2006). Visando melhorar a descrição de processos, diversas pesquisas vêm apresentando formas de se modelar processos. Existem várias técnicas de modelagem de processos. Kettinger et al.(1997) listaram mais de 100 técnicas em uma survey realizada. Porém, segundo Hernandez-Matias et al. (2006), não há um único método de modelagem conceitual que pode modelar completamente um sistema complexo de manufatura. Como resultado das limitações destas técnicas, diferentes métodos integrados de modelagem têm sido desenvolvidos. A própria metodologia de simulação computacional faz uso, em algumas de suas fases, da modelagem conceitual de processos. O uso de técnicas de modelagem aumenta a qualidade dos modelos de simulação e ainda reduz o tempo necessário para a construção destes modelos computacionais. Esta é a principal razão para muitos pesquisadores (THOMPSON, 1995; PERERA e LIYANAGE, 2000; CHWIF e MEDINA, 2006) focarem seus trabalhos na obtenção de uma interligação entre as ferramentas de modelagem e processos de simulação. O objetivo deste trabalho é modelar um processo real de manufatura, através da técnica IDEF0. Este modelo será apresentado a pessoas capacitadas em modelagem computacional, a fim de se verificar a aplicabilidade da conversão do modelo conceitual em computacional (será escolhido o software ProModel para discutir a modelagem computacional). Serão identificadas possíveis lacunas na técnica do IDEF0, e apresentadas soluções na forma de elementos gráficos que poderão compor a técnica IDEF0 na modelagem conceitual para simulação computacional. Este artigo apresenta uma revisão bibliográfica nos tópicos 2, 3 e 4, enfatizando os modelos conceituais em simulação, as técnicas de modelagem IDEF e um destaque à técnica IDEF0. O tópico 5 apresenta a metodologia e o caso prático, onde apresenta-se uma modelagem em IDEF0, já com os novos elementos propostos. O artigo segue com as conclusões no item 6 e as referências bibliográficas utilizadas. 2. Modelos conceituais em simulação Segundo Ryan e Heavey (2006), muitos sistemas podem ser encarados como um sistema de eventos discretos, como sistemas de manufatura, processos de negócios, cadeias de suprimentos. Estes sistemas são complexos e difíceis, no que tange ao seu entendimento e a sua operacionalização de forma eficiente. Devido a sua grande versatilidade, flexibilidade e poder de análise, a simulação é uma das mais utilizadas técnicas de pesquisa utilizada. Sheppard (1983) já havia defendido em seu trabalho a regra do Esta regra define que, no desenvolvimento de um modelo, o tempo total despendido pelo analista deveria ser dividido da seguinte forma: 2

3 a) 40% gasto na definição do problema, planejamento do projeto, definição do sistema, formulação do modelo conceitual, projeto experimental preliminar e preparação dos dados de entrada; b) 20% na conversão do modelo (model translation); c) 40% na experimentação (com um modelo validado e verificado), projeto experimental final, análise da experimentação, interpretação, implementação e documentação. Chwif (1999) propõe 3 fases para a condução de um projeto de simulação, sendo a concepção a primeira delas. Nesta fase, é preparado um modelo conceitual, que deve ser validado. Nethe e Stahlmann (1999) sugeriram que o desenvolvimento de modelos de processos deve ocorrer antes do desenvolvimento de modelos de simulação, ocasionando desta forma um grande auxílio na coleta de informações relevantes, reduzindo assim os esforços e tempo consumido no desenvolvimento de um modelo de simulação. Autores como Chwif e Medina (2006, p.55) alertam em seu trabalho que (...) a etapa de criação do modelo conceitual é o aspecto mais importante de um estudo de simulação (...) embora muitos livros e muitos analistas pulem esta etapa. Segundo Law (1991), a etapa de criação do modelo conceitual é o aspecto mais importante de um estudo de simulação. Trabalhos como de Greasley (2006), Leal et al. (2006), Kumar e Phrommathed (2006), utilizam o mapeamento de processo como forma de descrever a lógica e determinar os pontos de decisão, antes mesmo do modelo computacional. Um grande número de pesquisadores têm mostrado que os métodos da abordagem IDEF podem ser utilizados no suporte à simulação. Jeong (2000) utilizou o IDEF0 e o IDEF3 no desenvolvimento de uma simulação visando à otimização de um sistema de sequenciamento. Já Perera e Liyanage (2000) utilizaram o IDEF0 e o IDEF1X para auxiliar na coleta de dados de entrada para a simulação de sistemas de manufatura. 3. Modelagem IDEF Segundo o Federal Information Processing Standards Publications (FIPS PUBS, 1993), durante os anos 70, o Program for Integrated Computer Aided Manufacturing (ICAM), da Força Aérea Norte Americana, buscou aumentar a produtividade da manufatura através de aplicação sistemática de tecnologia de computação. O ICAM identificou a necessidade de uma melhor análise e técnicas de comunicação para as pessoas envolvidas em programas de melhoria de produtividade em manufatura. Como resultado, o ICAM desenvolveu uma série de técnicas conhecidas como IDEF (Integrated Definition Methods). Estas técnicas foram definidas da seguinte forma: IDEF0: utilizada para produzir um modelo funcional. Um modelo funcional é uma representação estruturada de funções, atividades ou processos dentro de um sistema modelado ou definida área. IDEF1: utilizada para produzir um modelo de informações. Um modelo de informações representa a estrutura e a semântica das informações dentro de um sistema modelado ou definida área. IDEF2: utilizada para produzir um modelo dinâmico. Um modelo dinâmico representa o comportamento, variando no tempo, das características de um sistema modelado ou definida área. 3

4 Ainda segundo o Federal Information Processing Standards Publications (FIPS PUBS, 1993), em 1983, o Integrated Information Support System da Força Aérea Norte Americana incrementou a técnica de modelagem de informações do IDEF1 para a forma IDEF1X (IDEF1 estendido). O IDEF0 e o IDEF1X passaram a ser amplamente utilizados nos setores governamental, industrial e comercial. Outra técnica integrante da família IDEF é o IDEF3. Segundo Ryan e Heavey (2006), a técnica de modelagem de processos IDEF3 permite a captura e representação com elementos gráficos, tanto para a transição de estados em um sistema de eventos discretos, como para a representação das atividades associadas com cada estado de transição. Tseng et al. (1999) fizeram algumas simplificações e adaptações no IDEF3, visando a sua utilização no caso específico das operações de serviço. Estas modificações realçaram a questão da interação cliente-processo. Leal (2003) aponta que as interações entre cliente e processo são uma importante fonte de informações, tendo um significante impacto na satisfação do cliente e no desempenho da organização. Alguns autores trabalham com a integração das técnicas IDEF com outras formas de modelagem de processos. Bosil et al. (2000) avaliam a conveniência do uso conjunto de abordagens do IDEF0 em conjunto com redes Petri na modelagem de processos. Já Ma et al. (2002) desenvolveram um constructo abordando extensões do IDEF1X para representar informações fuzzy. Este modelo pode ser convertido em um modelo de dados relacionais fuzzy de acordo com algumas regras de transformação. Porém, segundo os próprios autores, a aplicação real de rede Petri e lógica fuzzy para usuários finais é de difícil interpretação devido à complexidade destas técnicas. Kim et al. (2003) desenvolveram uma ampla revisão sobre técnicas IDEF e UML. Eles identificaram similaridades entre objetos utilizados em IDEF e em UML. Observaram que o desenvolvimento combinado de modelos IDEF e UML tem o poder de unir a descrição de sistemas de manufatura e o comportamento de elementos empresariais como fornecedores, produtos, máquinas pessoas, equipes, entre outros. 4. A técnica IDEF0 Segundo Hernandez-Matias et al. (2006), a flexibilidade do método reside na capacidade de permitir uma análise de sistemas complexos, onde há a necessidade do estudo de múltiplos níveis de detalhe. Segundo os autores, analisando as diferentes abordagens IDEF, conclui-se que o IDEF0 é a versão mais amplamente utilizada em análise na manufatura. O IDEF0 (Integration Definition language 0) é baseado no SADT (Structured Analysis and Design Technique). Na sua forma original, o IDEF0 inclui a definição de uma linguagem de modelagem gráfica (sintaxe e semântica) e uma descrição para uma metodologia de desenvolvimento de modelos. O IDEF0 pode ser utilizado para modelar uma ampla variedade de sistemas automatizados e não automatizados. Para sistemas em fase de projeto, o IDEF0 pode ser utilizado para, primeiramente, definir os requerimentos e especificações das funções e, posteriormente, projetar uma implementação seguindo os requerimentos e especificações. Para sistemas já implantados, o IDEF0 pode ser utilizado para analisar as funções do sistema e registrar os mecanismos (meios) pelos quais as funções são executadas. A representação gráfica constitui-se de caixas interligadas por setas. Uma caixa disponibiliza a descrição do que acontece em uma função. Cada caixa possui um nome e um número dentro do seu contorno. O nome deve ser dado por um verbo ou frase verbal que descreva a função. 4

5 O número é posicionado no canto inferior direito. As caixas são organizadas normalmente de forma diagonal, do lado superior esquerdo para o lado inferior direito, em uma configuração escada. As setas podem ser diretas ou curvadas (com um ângulo de 90 graus, conectando com uma parte na horizontal ou vertical), e podem ter ramificações, saindo ou se unindo a uma outra seta. As setas não representam o fluxo ou seqüência como uma modelagem convencional de fluxo de processo, mas sim carregando dados ou objetos relacionados a funções a serem desempenhadas. Cada lado da caixa do IDEF0 em que as setas tocam tem um significado padrão. Setas que entram no lado esquerdo da caixa são as entradas (inputs). Representam dados ou objetos que são transformados ou consumidos através de uma função, para se gerar saídas (outputs) pela função. Setas que entram na caixa pelo lado de cima são os controles, que especificam as condições requeridas para a função produzir saídas corretas. Setas que deixam a caixa pelo lado direito são as saídas (outputs), que podem ser dados ou objetos produzidos pela função. Já as setas conectadas pelo lado de baixo da caixa representam mecanismos, correspondendo aos meios que suportam a execução da função, como mostra a Figura 1. Requerimento dos clientes Tecnologias disponíveis Conhecimento de projeto anteriores Projeto do sistema 1 Projeto Ferramentas Projetistas Métodos Matéria prima Construção do Sistema 2 Produto Ferramentas Operários Métodos Figura 1 Exemplo de modelagem através do IDEF0 5. Metodologia e Resultados obtidos Para a construção do modelo conceitual em IDEF0, esta pesquisa fez uso de dados práticos, pertencentes a uma empresa do setor de auto peças, mais especificamente de anéis para pistão. A modelagem foi realizada em uma linha específica de anéis de compressão (localizado no 1º canelete do pistão). Sua principal função é vedar a câmara de combustão e por esse motivo tem influência direta no consumo de óleo e na potência do motor. O processo em questão 5

6 transforma a matéria-prima (fitas de aço inox) em anéis para pistão A coleta de informações ocorreu in loco, através de observações e entrevistas com os funcionários envolvidos (mão-de-obra direta) e pessoal da direção. A condução da entrevista seguiu o seguinte roteiro: a) Definição das fronteiras do processo; b) Definição do nome das funções; c) Identificação dos elementos de entrada em cada função; d) Identificação dos mecanismos de cada função; e) Identificação dos controles de cada função; f) Identificação das saídas de cada função. Este roteiro permitiu ao pesquisador conduzir as entrevistas e observações, evitando perder o foco do objetivo principal. De posse de prancheta, papel e caneta, foi possível a construção do fluxo de setas durante a observação e entrevistas. Após a construção do modelo através do IDEF0, o mesmo foi apresentado a pessoas treinadas em algum software de simulação, com o objetivo de se verificar até que ponto o modelo conceitual em IDEF0 poderia orientar o praticante de simulação na confecção do modelo computacional. A partir desta análise, foi possível estabelecer um relacionamento entre os elementos gráficos do IDEF0 com os elementos utilizados em softwares na construção do modelo computacional. Para exemplificar a relação, foi escolhido o software ProModel. Este relacionamento está representado na Tabela 1. IDEF0 ProModel IDEF0 ProModel Função - Locations Mecanismos - Resources - Locations Entradas Saídas - Arrivals - Entities de entrada - Entities de saída Controles - Regras Tabela 1 Relacionamento entre os elementos do IDEF0 e do software de simulação ProModel Analisando a fase de conversão do modelo conceitual para o modelo computacional, as 3 principais lacunas observaradas no IDEF0 foram: a) Ausência de uma notação indicando quando os elementos utilizados no IDEF0, em caixas diferentes, representam os mesmos itens. Como por exemplo, pode-se citar a situação onde o mecanismo funcionário citado na caixa de função 1, refere-se ao mesmo funcionário que também executa a função 2. No IDEF0, esta situação seria registrada como um mecanismo funcionário entrando na caixa de função 1, e outro mecanismo funcionário entrando na caixa de função 2. Na simulação é importante registrar que este funcionário é o mesmo, o que corresponde a uma restrição do processo; 6

7 b) No caso da existência de mais de um mecanismo do mesmo tipo (como por exemplo 2 máquinas associadas a 1 função), torna-se necessário reconhecer se estes mecanismos atuam de forma paralela (independentes) ou não. c) No caso da existência de transportes relevantes, torna-se necessário a informação de quais mecanismos estão envolvidos no transporte. Para contornar estas lacunas observadas, esta pesquisa propõe e aplica 3 elementos novos ao IDEF0. Estes elementos serão chamados de elementos sinalizadores, representados assim na Tabela 2. Elemento sinalizador Função (* ) O símbolo pode ser representado por um sistema de indicação numérica ou alfabética. Sua função é indicar que elementos marcados com o mesmo símbolo são fisicamente os mesmos. Exemplo: o mecanismo marcado como funcionário (*a) da função x corresponde ao mesmo funcionário (*a) da função y. Será, portanto, registrado no modelo computacional como somente 1 (uma) mão-de-obra Mn (i) ou (d) ou Mn Tabela 2 Elementos sinalizadores propostos que executa as funções x e y. Em situações onde existem mais de um mecanismo do mesmo tipo, estes símbolos indicam se os mecanismos são utilizados de forma independente ou dependente. Exemplo: o mecanismo 2 máquinas (i) indica a atuação de 2 máquinas em paralelo, para a execução da função. Quando o modelador julga que o transporte é impactante no dinamismo do processo, este sinalizador é utilizado. A letra M refere-se à mecanismo, e a letra n sugere a colocação de um número referente ao mecanismo responsável pelo transporte. Como já visto, os mecanismos são registrados abaixo da caixa da função, e podem ser nomeados como M1, M2, M3 (...), da esquerda para a direita. Caso o mecanismo responsável pelo transporte seja da função fornecedora, utiliza-se uma seta sobre o código do mecanismo, apontada para a direita. Caso o mecanismo responsável pelo transporte seja da função cliente, a seta é para à esquerda. Desta forma, chegou-se a uma versão final do modelo conceitual, registrado na Figura 2. Alguns pontos merecem destaque. O output da função Inspecionar é utilizado como um controle, na função Enrolamento. Os controles chamados de Ordem de produção são fisicamente os mesmos, em todo o processo. Outro ponto que chama atenção é o fato do registro do transporte não aparecer em algumas situações, como entre as funções 2 e 3, 5 e 6. Isto se justifica pelo fato do transporte ser extremamente simples e rápido, o que permite sua desconsideração do modelo. Vale lembrar que caso a validação aponte para um modelo não apto, uma nova análise deve ser feita, podendo ser necessário a inclusão de eventos antes 7

8 ignorados, como os transportes. 6. Conclusões A pesquisa bibliográfica realizada neste artigo demonstrou a importância atribuída ao modelamento conceitual, fase esta que antecede o modelo computacional em projetos de simulação. O uso do IDEF0 se mostrou adequado para a modelagem conceitual, permitindo o modelamento do caso prático demonstrado no artigo. A adaptação do IDEF0 para o projeto de simulação se mostrou viável, uma vez que a técnica IDEF não foi projetada a priori para atender a simulação. Os elementos propostos neste artigo agregaram informações ao modelo conceitual, que serão de grande importância na fase de modelagem computacional. Vale destacar que a técnica escolhida para o modelo conceitual deve ser completa o suficiente para atender aos seus objetivos, mas ao mesmo tempo deve ser de fácil entendimento. A experiência mostra que técnicas de mapeamento complexas deixam de cumprir seus objetivos, tornando-se impraticáveis. Diversos tipos de bobinas (*a) Regras do sistema de armazenagem Armazenamento 1 Carrinho de Estoque 1 Ordem de Produção 2 Funcionários (i) (*b) Bobina requerida (*a) M1,2 Ordem de Produção Enrolamento 2 M2 Amostra (1:100) Varas de Anel Normas de qualidade Inspecionar 2 funcionários (i) (*b) Kit de inspeção 1 funcionário (*d) M1 Medições realizadas 4 Máquinas (i) 2 funcionários (i) (*b) Ordem de Produção Preenchimento dos carrinhos Limite 26 varas 3 Varas posicionadas no carrinho M1,2 FiFo Carrinho pirâmide (*f) 2 funcionários (i) (*b) Desengraxar 4 M2 1 Secador 1 1 Funcionário 2 8

9 1 Parâmetros do forno (*e) Ordem de Produção 2 Anéis desengraxados posicionados no carrinho Preparação para entrada no forno 5 1 funcionário (*d) Anéis colocados em prismas Ordem de Produção Aliviar Parâmetros do forno (*e) M2 Amostra ( 2 por operação) Tensões 6 2 fornos (i) 1 funcionário (*d) Ordem de Produção Desmontar Prisma de anéis aliviados Carga do Forno 7 Carro de varas de Anéis 1 funcionário (*d) Carrinho pirâmide (*f) Figura 2 IDEF0 de um processo produtor de anéis, segundo as alterações propostas com os elementos sinalizadores. Referências BOSIL, J., GIAGLIS, G. & HLUPIC, V. IDEF diagrams and Petri Nets for Business Process Modelling. In: Proceedings of the 2000 Winter Simulation Conference, CHWIF, L. Redução de modelos de simulação de eventos discretos na sua concepção: uma abordagem causal. Tese de doutorado. Escola Politécnica da USP, Departamento de Engenharia Mecânica, CHWIF, L.; MEDINA, A.C. Modelagem e Simulação de Eventos Discretos: Teoria e Aplicações. São Paulo, Ed. Dos Autores, FEDERAL INFORMATION PROCESSING STANDARDS PUBLICATIONS (FIPS PUBS). Integration Definition for Function Modeling (IDEF0), n Disponível em GREASLEY, A. Using process mapping and business process simulation to support a process-based approach to change in a public sector organization. Technovation, n. 26, p , HERNANDEZ-MATIAS, J.C.; VIZAN, A.; PEREZ-GARCIA, J. & RIOS, J. An integrated modelling framework to support manufacturing system diagnosis for continuous improvement. Robotics and Computer- Integrated Manufacturing, artigo aceito em 2006 para publicação, aguarda impressão. JEONG, K.Y. Conceptual frame for development of optimized simulation based scheduling systems. Expert Systems with Applications, v.18, n.4, p , KETTINGER, W.J.; TENG, J.T.C. & GUHA, S. Business process change: a study of methodologies, techniques, and tools. Management Information Systems Research Center (MIS) Quarterly 21, n.1, p , KIM, C.; WESTON, R.; HODGSON, A. & LEE, K. The complementary use of IDEF and UML modelling approaches. Computers in Industry, v. 50, p ,

10 KUMAR, S. & PHROMMATHED, P. Improving a manufacturing process by mapping and simulation of critical operations. Journal of Manufacturing Technology Management, vol. 17, n. 1, p , LAW, A. Simulation model s level of detail determines effectiveness. Industrial Engineering, v.23, n.10, p.16-18, LEAL, F. Um diagnóstico do processo de atendimento a clientes em uma agência bancária através de mapeamento de processo e simulação computacional. Dissertação (Mestrado em Eng. de Produção) Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Produção, Universidade Federal de Itajubá, Itajubá, MG, LEAL, F.; MONTEVECHI, J.A.B.; PINHO, A.F.de; ALMEIDA, D.A.de; MARINS, F.A.S & OLIVEIRA, J.B.de. Análise da capacidade de produção e dimensionamento de estoques no estudo de um novo processo de manufatura através da simulação de eventos discretos. Anais do XXXVIII SBPO, Goiânia, GO, MA, Z.; ZHANG, W. & MA, W. Extending IDEF1X to model fuzzy data. Journal of Intelligent Manufacturing, v.13, p , NETHE, A. & STAHLMANN, H.D. Survey of a general theory of process modeling. In Proceedings of the International Conference on Process Modelling, Cottbus, Germany, PERERA, T. & LIYANAGE, K. Methodology for rapid identification and collection of input data in the simulation of the manufacturing systems. Simulation Practice and Theory, n.7, p , RYAN, J. & HEAVEY, C. Process modeling for simulation. Computers in Industry, n.57, p , SHEPPARD, S. Applying software engineering to simulation. Simulation Practice and Theory, v.10, n.1, p THOMPSON, W. Introduction to witness and linking to process mapping tools. In: Proceedings of the Winter Simulation Conference, TSENG, M. M.; QINHAI, M. & SU, Chuan-Jun. Mapping Customers Service Experience for Operations Improvement. Business Process Management Journal, vol. 5, n.1, p.50-64,