PROPOSTA DE UM PROCESSO GENÉRICO E PRÁTICO PARA SIMULAÇÃO DE SISTEMAS

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1 PROPOSTA DE UM PROCESSO GENÉRICO E PRÁTICO PARA SIMULAÇÃO DE SISTEMAS Luiz Henrique Moraes (Ford) lmoraes@ford.com Miguel Cezar Santoro (USP) santoro@usp.br O objetivo desse trabalho é propor um processo genérico e prático para simulação de sistemas, que possa ser utilizado como uma diretriz simples e efetiva para realização de estudos de simulação relacionados a qualquer tipo de sistema de proodução ou serviços. Para isso, serão inicialmente apresentadas algumas metodologias tradicionais de simulação de sistemas, que serão comparadas e avaliadas. A seguir, será proposto um processo genérico baseado naquelas e finalmente este processo será avaliado sob um ponto de vista prático. Palavras-chaves: Simulação de Eventos Discretos, Simulação de Sistemas, Processo Genérico de Simulação

2 1. Introdução De acordo com Moraes (2004), "Simulação de Sistemas constitui-se de um processo de preparação, desenvolvimento e análise de um computacional dinâmico, probabilístico e experimental, preferencialmente dotado de animação gráfica, denominado de simulação, no qual os componentes relevantes de um sistema se encontram representados". Dessa forma, é possível avaliar o efeito de fatores dinâmicos e probabilísticos de um sistema de produção ou serviços mediante um computacional dotado de animação, e por esse motivo o emprego da Simulação de Sistemas tem crescido em empresas dos mais diversos setores. Na prática, é frequente a utilização do termo Simulação de Eventos Discretos, embora este identifique apenas uma categoria de Simulação de Sistemas de aplicação mais comum. O objetivo desse trabalho é propor um processo genérico e prático para simulação de sistemas, que possa ser utilizado como uma diretriz simples e efetiva para realização de estudos de simulação relacionados a qualquer tipo de sistema de produção ou serviços. Para isso, serão inicialmente apresentadas algumas metodologias tradicionais de simulação de sistemas, que serão comparadas e avaliadas. A seguir, será proposto um processo genérico baseado naquelas e finalmente este processo será avaliado sob um ponto de vista prático. De uma maneira geral, um estudo de simulação inicia-se com a definição do problema a ser analisado e prossegue com a formulação de um conceitual, que será transcrito para uma linguagem computacional, e posteriormente verificado, validado e experimentado. Paralelamente, dados serão coletados e analisados, e os experimentos a serem realizados serão planejados. No final, resultados são analisados e interpretados. Entretanto, a forma como tais atividades são apresentadas por diversos autores tradicionais na área de simulação de sistemas apresenta-se de maneira diferenciada, razão que justificou o desenvolvimento desse trabalho. A importância de uma metodologia para aplicação da simulação baseia-se no fato de que a maior parte do trabalho constitui-se de atividades que não estão associadas diretamente à construção ou programação do computacional. Nesse aspecto, Law (2003) menciona que esse trabalho de "programação" representa apenas 25 a 50% do tempo dispensado em um estudo de simulação, mas que apesar disso em muitas empresas a simulação é vista apenas como um exercício complexo de programação. Além disso, muitos responsáveis pela aplicação da ferramenta possuem apenas um treinamento baseado no uso de algum software. As metodologias tradicionais consideradas nesse trabalho foram propostas por Pritsker (1986), Shannon (1975), Law; Kelton (2000) e Pegden et al. (1995). A importância de se empregar um processo geral de simulação é evidenciado não apenas por essas metodologias, apresentadas por autores consagrados na área de Simulação de Sistemas, mas também por trabalhos recentes, que continuam apresentando processos gerais de simulação, por exemplo, Law (2003 e 2009). De forma similar, Sturrock (2011) fornece recomendações práticas relacionadas a diversas etapas ou atividades de um estudo de simulação, embora não apresente um processo formal. 2

3 2. Metodologias tradicionais de simulação de sistemas Como referência inicial decidiu-se apresentar a metodologia proposta por Pritsker (1986), composta pelas etapas: a) formulação do problema: consiste em definir o problema a ser estudado e declarar o objetivo do estudo; b) construção do : significa reduzir o sistema a relações matemáticas e lógicas, de acordo com a formulação do problema; c) levantamento de dados: constitui-se da identificação, especificação e coleta de dados; d) tradução do : trata-se da transcrição do conceitual empregando uma linguagem computacional; e) verificação: consiste em verificar se o computacional comporta-se como planejado; f) validação: comparação entre o desempenho do e o desempenho do sistema; g) estratégico e tático: constituem-se respectivamente do desenvolvimento de um projeto de experimentos e da determinação das condições de execução do ; h) experimentação: consiste na execução do de simulação visando obter resultados para análise; i) análise de resultados: interpretação dos resultados obtidos durante a experimentação, incluindo o emprego de métodos estatísticos para avaliação de inferência e teste de hipóteses; j) implementação e documentação: atividades que finalizam o estudo de simulação. O autor explica também que dificilmente a simulação segue rigorosamente um processo pré-estabelecido, pois com frequência ocorrem falsos inícios, pressupostos equivocados e reformulação de objetivos e do próprio. Porém, caso seja realizado apropriadamente, o processo apresentado resultará em uma avaliação correta de alternativas e melhor tomada de decisão. Para Shannon (1975), "assumindo-se que a simulação será utilizada para investigar as propriedades de um sistema real", as seguintes etapas devem ser obedecidas: a) definição do sistema: identificação de limites, restrições e medidas de desempenho a serem representados pelo ; b) formulação do : redução ou abstração do sistema real em um fluxograma lógico; c) preparação de dados: identificação dos dados necessários ao e sua redução para um formato apropriado; d) tradução do : descrição do em linguagem computacional; e) validação: aplicação de métodos para garantir a confiabilidade dos resultados do ; f) estratégico: projeto de experimentos para obter as informações desejadas; g) tático: determinação de como os experimentos serão executados; h) experimentação: execução dos experimentos para obtenção de resultados e 3

4 análise de sensibilidade; i) interpretação: análise estatística dos dados gerados pela simulação; j) implementação: aplicação das conclusões da simulação; k) documentação: registro de todas as atividades e resultados da simulação. Com relação ao processo inicialmente apresentado, é possível concluir que Shannon (1975): a) define a primeira etapa como "definição do sistema", que pode ser considerada implícita na "formulação do problema" apresentada por Pritsker (1986); b) emprega o termo "formulação" do no lugar de "construção", nesse trabalho considerado mais apropriado; c) substitui o termo "levantamento" de dados por "preparação", também considerado mais apropriado, uma vez que traz implícito o fato de que os dados não serão apenas coletados, mas também analisados; d) desagrega as atividades de tático e estratégico de experimentos, assim como documentação e implementação; nesse trabalho, prefere-se também adotar a separação entre tático e estratégico, pois tais atividades implicam metodologias e objetivos distintos. Observe-se que, para os dois processos apresentados, foi incluído um breve comentário a respeito de cada etapa; nos dois apresentados a seguir isso não foi necessário, pois o conteúdo das etapas equivale aproximadamente às etapas dos processos já apresentados. Law; Kelton (2000) apresentam um processo constituído por etapas semelhantes aos anteriores: a) formulação do problema e do estudo; b) coleta de dados e definição do ; c) validação do conceitual; d) construção e verificação do computacional; e) realização de experimentos-piloto; f) validação do computacional; g) de experimentos; h) experimentação; i) análise de resultados; j) documentação, apresentação e implementação de resultados. Algumas diferenças interessantes do último processo, quando comparado aos anteriores, são identificados a seguir: a) a atividade de do estudo é incluída na primeira etapa e a definição do ocorre paralelamente à coleta de dados; b) é proposta a atividade de "validação do conceitual", que para outros autores é implícita à formulação do ; nesse trabalho, também considera-se a validação do conceitual no escopo da formulação do, pois não é possível realizar experimentos probabilísticos nesta etapa, mas apenas avaliar de maneira determinística a coerência entre os dados levantados e o desempenho do 4

5 sistema real; c) emprega-se o termo "construção" do em vez de "tradução", utilizado pelas referências anteriores; nesse artigo prefere-se a terminologia "construção do ", distinguindo-se assim a formulação do conceitual e a construção do computacional; d) a construção do e a verificação constituem uma etapa única, o que realmente costuma ocorrer em aplicações reais; entretanto, nesse trabalho prefere-se abordar a verificação juntamente com a validação, conforme proposto pela primeira referência apresentada; e) acrescenta-se a etapa de realização de experimentos-piloto, que nesse trabalho é considerada implícita à validação. Finalmente, Pegden et al. (1995) apresentam uma metodologia composta por etapas similares às apresentadas: a) definição do problema (definição de objetivos); b) do projeto; c) definição do sistema (identificação do nível de detalhamento do ); d) formulação do conceitual; e) projeto preliminar de experimentos; f) preparação de dados de entrada; g) tradução do ; h) verificação e validação; i) projeto final de experimentos; j) experimentação; k) análise e interpretação; l) implementação e documentação. Observe-se que, na última metodologia apresentada, o ou projeto de experimentos é realizado também de forma preliminar, antes da construção do. Além disso, os autores incluem as atividades de do estudo, assim como Law; Kelton (2000), e definição do sistema, da mesma maneira que Shannon (1975). Nesse trabalho, ambas as atividades são consideradas no escopo da formulação ou definição do problema, conforme proposto por Pritsker (1986). A tabela 1 resume todas as abordagens apresentadas, bem como o processo proposto no próximo item, observando-se que as terminologias sublinhadas são adotados no último, embora às vezes com significados mais amplos em relação à respectiva referência. 3. Proposta de uma metodologia prática de simulação de sistemas Com base em todas as considerações apresentadas nessa seção, é possível concluir que existe um consenso a respeito de um processo geral de simulação, apesar das distinções com relação às terminologias utilizadas e ao agrupamento de atividades. Também considerando o comparativo apresentado no item anterior foi configurado um processo constituído por 7 etapas, conforme ilustrado na tabela 1. Com relação a esse processo, deve-se observar que: 5

6 a) as etapas de "definição de objetivos" ou "definição do problema" de acordo com Pegden et al. (1995) -, "definição do sistema" e " do estudo", nesse trabalho, são agregadas em uma única atividade denominada definição do problema; b) a formulação do equivale à "construção do conceitual" ou "definição do ", termos adotados por alguns autores; c) o termo preparação de dados é mais adequado que simplesmente levantamento ou coleta de dados, pois é necessário analisar como os dados serão representados no ; além disso, muitas vezes não é possível "coletar" dados, devendo-se empregar estimativas, o que confirma a melhor adequação do termo adotado; d) a construção do é denominada "tradução do " por alguns autores, porém o significado é exatamente o mesmo, pois o formulado ou conceitual é traduzido para um computacional; e) na prática, verificação e validação são atividades praticamente simultâneas e interdependentes, e ambas têm como objetivo garantir que o represente convenientemente o sistema real; f) nesse trabalho o "tático" de experimentos e a experimentação do são consideradas tarefas inerentes à análise de resultados; g) documentação, apresentação e implementação do são atividades que constituem a finalização de um estudo de simulação, e nesse trabalho foram também agregadas à análise de resultados. Pritsker (1986) Shannon (1975) Law; Kelton (1991) formulação do definição do formulação do problema sistema problema e do estudo construção do (conceitual) levantamento de dados tradução do formulação do preparação de dados tradução do coleta de dados e definição do validação do conceitual construção e verificação do computacional Pegden et al. (1995) definição do problema do projeto definição do sistema formulação do conceitual projeto preliminar de experimentos preparação de dados de entrada tradução do Processo Proposto definição do problema formulação do preparação de dados construção do 6

7 verificação validação realização de experimentospiloto validação validação do computacional verificação e validação estratégico e tático estratégico de experimentos projeto final de experimentos tático experimentaçã experimentação experimentaçã experimentação o o análise de interpretação análise de análise e resultados resultados interpretação implementação implementação documentação, implementação e apresentação e e documentação documentação documentação implementação de resultados Tabela 1 - Metodologias tradicionais de simulação de sistemas verificação e validação de experimentos análise de resultados É interessante observar que o processo proposto até o momento, em relação aos anteriores, é configurado de forma mais simples, pois todas as atividades são agrupadas em 7 etapas, ao invés de 10 a 12, o que facilita sua utilização na prática. Por outro lado, a experiência em diversos tipos de aplicação demonstra que, com exceção da primeira etapa, as demais ocorrem de forma simultânea e interativa: (a) formulação do e preparação de dados, ambas direcionadas pela definição do problema; (b) construção do e verificação e validação; (c) de experimentos e análise de resultados. Por essa razão, nesse trabalho preferiu-se utilizar a denominação "atividade" ao invés de "etapa" para identificar esses 7 eventos, agrupando-os em 3 fases ou etapas principais. Portanto, o processo proposto constitui-se de 3 fases, que por sua vez agregam 7 atividades: a) preparação para o : atividades preliminares à construção do computacional, englobando definição do problema, que agrega diversas subatividades; formulação do, ou construção do conceitual; e preparação de dados, incluindo levantamento ou estimativa dos dados necessários ao estudo; b) desenvolvimento do : atividades necessárias à obtenção de um computacional válido, englobando construção do e verificação e validação; c) análise do : atividades realizadas após a validação do, agregando de experimentos e análise de resultados. O processo geral proposto é ilustrado na figura 1, e será avaliado no próximo item sob um ponto de vista essencialmente prático. 7

8 4. Considerações práticas relacionadas à metodologia proposta As considerações práticas a seguir serão apresentadas em função de dois aspectos do processo proposto: sua estrutura baseada em 7 atividades, e sua sequência de 3 fases. Com relação às 7 atividades do processo, é interessante considerar que, na prática das empresas, é muitas vezes difícil utilizar um processo que seja muito detalhado ou formal. Isso ocorre pois é comum que exista uma necessidade de realizar em semanas um estudo de simulação complexo, para o qual seriam necessários meses. Por outro lado, pessoas envolvidas no estudo, especialmente o especialista responsável pelo desenvolvimento do, provavelmente estarão trabalhando em diversos outros estudos e atividades. Dessa forma, o simples fato do processo ser estruturado em um número menor de etapas ou atividades, isto é, 7 atividades ao invés das 10 a 12 propostas pelos diversos autores considerados, tornará o processo mais fácil de ser utilizado na prática. Nesse aspecto, a principal distinção do processo proposto é o fato de que 2 atividades incluem diversas subatividades que são consideradas como etapas nos processos tradicionais: a) definição do problema: inclui subatividades de definição de objetivos, do estudo e definição do sistema, propostas de forma diferenciada por outros autores; b) análise de resultados: além da análise propriamente dita e da execução dos experimentos, engloba também as subatividades de tático, documentação, apresentação e implementação. Com relação à divisão do processo em 3 fases principais, é importante destacar que isso é favorável ao e execução do estudo e à precisão do mesmo. 8

9 Etapas Atividades (1) preparação para o (A) definição do problema (B) formulação do (C) preparação de dados (2) desenvolvimento do (C) construção do (E) verificação e validação (3) análise do (G) análise de resultados (F) de experimentos Figura 1 Proposta de uma metodologia prática de simulação de sistemas Quanto ao e execução, observe-se que o estudo poderá ser planejado considerando 3 datas principais, relacionados à finalização de cada uma das 3 fases, que por sua vez se constituem de atividades e subatividades que irão ocorrer de forma simultânea. Do ponto de vista prático, tal torna o estudo mais simples, pois nas fases de preparação e análise será necessário um maior envolvimento de pessoas familiarizadas com o sistema. A sequência de 3 fases também favorece a precisão dos resultados, pois existe uma clara possibilidade de avaliar as 3 fontes de imprecisão em estudos de simulação, de acordo com Robinson (1999): o, os dados e os experimentos. Isso significa que as três etapas configuradas nesse artigo possuem uma associação direta com a precisão do estudo, pois na primeira fase os dados serão preparados, enquanto na segunda e na terceira o será respectivamente desenvolvido e experimentado. Além disso, de acordo com Sadowski; Grabau (2003), "provavelmente a maior fonte de imprecisão está associada ao excesso de detalhes incluídos durante a construção do, especialmente detalhes relacionados à animação, que não apenas aumentarão o tempo necessário para finalizar o estudo como poderão comprometer a precisão dos 9

10 resultados". Assim, é importante ter um verificado e validado antes de iniciar as atividades da fase final do processo proposto, isto é, análise do. 5. Conclusão O processo proposto nesse trabalho foi empregado com sucesso em diversos estudos, incluindo dois casos apresentados por Moraes; Santoro (2002 e 2011). Nesses e em outros estudos foi possível comprovar na prática as considerações apresentadas sobre as vantagens do processo proposto. É importante observar também que, nos estudos mencionados, como em qualquer trabalho envolvendo a simulação, havia a presença de um especialista com conhecimentos de uma ferramenta de simulação, responsável por conduzir o estudo, e a participação de um time constituído por pessoas familiarizadas com o sistema em estudo. Embora o conteúdo das metodologias apresentadas seja similar, a maneira de organizar as atividades da simulação no processo proposto permitiu que estudos reais fossem melhor planejados e executados, inclusive com maior participação das pessoas envolvidas. Referências LAW, A.M. How to conduct a Successful Simulation Study. In: Proceedings of the Winter Simulation Conference, LAW, A.M. How to build Valid and Credible Simulation Models. In: Proceedings of the Winter Simulation Conference, LAW, A.M. & KELTON, W.D. Simulation Modeling and Analysis. 3. ed. New York: McGraw Hill, MORAES, L.H. Procedimento Metodológico para Simulação de Linhas de Fabricação. Tese (doutorado). Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, MORAES, L.H. & SANTORO, M.C. Simulação de uma Linha de Usinagem de Bloco de Motor. Anais do Encontro Nacional de Engenharia de Produção (ENEGEP), Curitiba, MORAES, L.H. & SANTORO, M.C. Alocação de Pulmões em uma Linha de Fabricação utilizando Simulação de Sistemas. Anais do Encontro Nacional de Engenharia de Produção (ENEGEP), Belo Horizonte, PEGDEN, C.D.; SHANNON, R.E. & SADOWSKI, R.P. Introduction to Simulation using SIMAN. 2. ed. New York: McGraw Hill, PRITSKER, A.A.B. Introduction to Simulation and SLAM-II. 3ª ed., New York, John Wiley & Sons, ROBINSON, S. Three Sources of Simulation Inaccuracy (and How to Overcome Them). In: Proceedings of the Winter Simulation Conference, Disponível em [ SADOWSKI, D.A.; GRABAU, M.R. Tips for Successful Practice of Simulation. In: Proceedings of the Winter Simulation Conference, Disponível em [ SHANNON, R.E. Systems Simulation: the Art and Science. Englewood Cliffs, NJ, Prentice-Hall, STURROCK, D.T. Tips for Successful Practice of Simulation. In: Proceedings of the Winter Simulation Conference,

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