M. EN I. ELOY DIMAS CELESTINO. El desarrollo de nuevas tecnologías en el área de la computación...
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M. EN I. ELOY DIMAS CELESTINO
SIMULACIÓNDE PROCESOS PRODUCTIVOS
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El desarrollo de nuevas tecnologías en el área de la computación ha traído innovaciones igualmente importantes en los terrenos de toma de decisiones y el diseño de procesos y productos.
En este sentido una de las técnicas se mayor impacto es la simulación.
La simulación se refiere a un gran conjunto de métodos y aplicaciones que buscan imitar el comportamiento de sistemas reales, generalmente en una computadora con un software apropiado.
La simulación es un término muy general dado que se utiliza en muchos campos, industrias y aplicaciones, por lo mismo, en la actualidad se cuenta con una gran cantidad de software de simulación en temas muy diversos.
Simulación
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Por ejemplo: Determinar la mejor localización
de una nueva planta Diseñar un nuevo sistema de
trabajo La programación requerida de
algún sistema automático. Analizar un a planta de
manufactura con máquinas, personas, métodos de transporte, bandas transportadoras y espacio de almacenamiento
Un banco con diferentes tipos de clientes, servidores e instalaciones como ventanillas de cajeros, cajeros automáticos, etc.
Introducción • Un aeropuerto con pasajeros que
facturan, que pasan por seguridad y que van a la puerta de embarque y embarcan; vuelos de salida que compiten por los remolcadores de empuje y de retorno, pistas de aterrizaje.
• Una red de distribución de plantas, almacenes y enlaces de transporte.
• Un supermercado con control de inventarios, cajas y servicio al cliente.
• Etc.
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¿Qué es manufactura? Es la transformación de materias
primas en productos terminados o semi-terminados.
La manufactura en su dinámica está conformada por un conjunto de operaciones que conforman un proceso total y que en ocasiones se asocia con sistema de producción.
Todo proceso se debe administrar y se entiende por administración: como la encargada de la planificación, organización, dirección y control de los recursos (humanos, financieros, materiales, tecnológicos, del conocimiento, etc.) de una organización con el fin de obtener el mayor beneficio posible.
INTRODUCCIÓN
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Simulación: “diseñar un modelo matemático o lógico a partir de un sistema real y experimentar sobre dicho modelo para describir, explicar y predecir el comportamiento del sistema real”
Simulación: Evaluar un modelo numéricamente en un periodo de tiempo de interés a través de una computadora, durante este periodo se recolectan datos para estimar las características verdaderas del sistema.
Conceptos básicos
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Imitar un sistema real mediante ordenador
No aspira a encontrar una solución analítica
– No está enfocado a obtener resultados exactos
– Permite estudiar modelos reales complejos
Sistema real = Componentes + Estructura + Entorno
– Fabricación: programación, control de inventarios
– Servicios al público: bancos, oficina de correos,...
– Logística y distribución – Servicios de salud: urgencias, quirúrgico – Sistemas de ordenadores – Telecomunicaciones – Operaciones militares – Protección civil: planes de emergencias,
juicios,...
¿Qué hace la simulación?
Sistemas reales
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Estudiar su comportamiento – Medir su calidad,
mejorarlo o controlarlo – Diseñarlo (si no existe)
Objetivo
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1. Modelos discretos/continuos
2. modelos probabilistícos /deterministicos
3. Modelos estáticos /dinámicos
Modelos
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No se puede o debe interrumpir el sistema
No es costeable experimentar con el sistema real
Es imposible cuando el sistema todavía no existe
El sistema es demasiado completo para usar una solución analítica
RAZONES DE LA SIMULACIÓN
Ventajas de la simulación
Mucho sistemas reales no pueden ser descritos por modelos matemáticos. La simulación es el único medio de análisis en estos casos.
Varios sistemas se comparan usando simulación para elegir el mejor
Simulación permite estudiar un sistema con un marco de tiempo largo en un tiempo comprimido. Tambien es posible analizar expandiendo el tiempo.
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El comportamiento de un sistema durante determinado tiempo puede ser estudiado por medio de un modelo de simulación. Este modelo usualmente toma su forma a partir de un conjunto de postulados sobre la operación del sistema real.
Otras generalidades
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Amplia visión del efecto producido por cambios en el sistema de manufactura, ya sea que exista o no.
Gran capacidad de crear modelos realistas
Beneficios potenciales: Incrementar producción, reducir
inventarios Incrementar utilización de máquinas
y trabajadores, reducir requerimientos de capital
Beneficios de la simulación
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SITUACIÓN En un momento determinado un contenedor
tiene 100 litros de cierto componente. El contenido es vertido a una velocidad de 1 litro por minuto.
PROPÓSITODeseamos saber cuanto tiempo toma que el contenedor se vacíe.
Ejemplo
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Formas de solucionarlo
CÁLCULO: Si la velocidad de vaciado es de 1 litro por minuto y la capacidad del contenedor es de
100 litros, el vaciado tomará 100 minutos.
MEDICIÓNAsumiendo que no sabemos como calcular, y simplemente tomamos el tiempo con un reloj. El vaciado se terminará cuando el reloj marque 100 minutos.
SIMULACIÓNSi no tenemos un contenedor, podemos decidir poner 100 gramos de azúcar en una pequeña caja y entonces hacer un agujero en la caja de tal forma que un gramo de azúcar salga por minuto. Medimos el tiempo que toma a la caja quedarse vacía y concluimos que ese mismo tiempo es probablemente el tiempo de vaciado del contenedor.
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Sistema
Modelo
Concepto
La simulación proporciona un modelo virtual en el que se puede experimentar
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Simulación vs Modelos Analíticos
La simulación no es la única forma de estudiar un sistema; otra posibilidad es construir un modelo analítico.
Modelo analítico
Máx Z = 3* unidades producidas – 2* tiempo de ocio de operadores
Sujeto a: 2 Número de operadores 8 10 velocidad de la banda 100 5 Tamaño del lote 20
Solución Optima
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Inconveniencia de los modelos analíticos
• Dificultad de encontrar el modelo de ecuaciones que representen al sistema real
•Dificultad para resolver el modelo
Modelo de simulación
Xo Modelo deSimulación
Yo
Datos deentrada
Proceso . . . . . Resultados
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Inconvenientes de un modelo de simulación
Xo
Modelo deSimulación
Y óptima
Datos deentrada
Proceso . . .
Xn Yn
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¿Puede un problema ser solucionado analíticamente?
¿Se desea una solución analítica?
Solucionar analíticamente
¿Es posible la experimentación?
¿Es deseable?
Experimentar en la realidad
SIMULACIÓN
No
Si
Si
Si
Si
No
NoNo
¿Cómo decidir cual es mas conveniente?
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Etapas para realizar un estudio de simulación
• Definición del sistema• Formulación del modelo• Colección de datos• Implementación del modelo en la computadora• Validación• Experimentación• Interpretación• Documentación
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Las cuatro “Ss” de la simulación
System Simulation Statistics Software
La simulación es conveniente cuando: Se requiere analizar cambios en la información y su
efecto Se desea experimentar con diferentes diseños o
políticas Se desea verificar soluciones analíticas Un modelo analítico es imposible o difícil de
construir Se desea estudiar un sistema real y resulta
peligroso o costoso hacerlo en el propio sistema real y la posibilidad de hacerlo mediante un modelo analítico resulta imposible o inconveniente.
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Aplicaciones de manufactura
Ingeniería industrialManufactura esbelta (Lean Manufacturing)Evaluación de Inversión en equipoReducción de inventario en procesoPlaneación de mantenimientoManejo de materialesDistribución de plantaJusto a tiempoPlaneación de capacidadProgramación de centros de trabajoBalanceo de líneasEvaluar cambios de tecnología
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Se dice que un sistema consiste de entidades, actividades, recursos y controles. Estos elementos definen el quien, que, donde, cuando y como del procesamiento de las entidades.
En Promodel hablamos acerca de que el sistema esta compuesto por: Locaciones, entidades, recursos, llegadas y proceso.
una entidad es el objeto de interés en un sistema. Un atributo es una propiedad de una entidad. La actividad se realiza en un periodo de tiempo. Un evento esté definido como la ocurrencia instantanea que puede cambiar el estado del sistema. A su vez el estado del sistema puede definirse por la colección de variables necesarias para describir el sistema a cualquier tiempo, relativas al objeto de estudio.
Sistema y sus componentes
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Ejemplos:
Sistemas Entidades Atributos Actividad EnventosVariablesde estado
Banco ClientesCuenta de cheques
Hacer depósitos
Llegada, salida
# de cajeros ociosos
Producción MáquinasVelocidad, capacidad
Soldado, estampado
FallasEstatus de la máqina
Comunicación
MensajesTamaño, destino
Transmisión
Llegada al destino
# de mensajes esperando
Invetario Almacén Capacidad Almacenar DemandaInventario devuelto
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En promodel, todo se ajusta al paradigma de locaciones, entidades, recursos, llegadas y proceso. Las locaciones, entidades y recursos son las COSAS en el sistema. Las llegadas y el proceso definen QUÉ HACEN LAS COSAS.
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.
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.
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.
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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.
Recursos: (Resources) Un tipo de objeto que se utiliza por entidades o locaciones para realizar algun tipo de actividad, como un operario o un montacargas.
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Los elementos de un sistema interactúan con otros subsistemas dando como resultado un sistema complejo.
Tratar con un sistema complejo en organizaciones significa tratar con una situación problemática todavía no administrable. Es decir: Se sabe que existe un problema, pero no se entiende ni se logra estructurarlo.
Un sistema complejo se caracteriza por la interdependencia de un número grande de elementos, una multiplicidad de percepciones y una nueva experiencia por ser vivida.
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Ejemplo
Elabore un diagrama de flujo que describa el comportamiento del
procedimiento dela reinscripción de la universidad
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CONSTRUCCION DE MODELOS
Existen tres formas de modelos:• Icónico.- versión a escala del objeto real y con sus propiedades relevantes más
o menos representadas.• Analógico.- modelo con apariencia distinta al original, pero con
comportamiento representativo.• Analítico.- relaciones matemáticas o lógicas que representen leyes físicas que
se cree gobiernan el comportamiento de la situación bajo investigación.
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CONSTRUCCION DE MODELOS
Su utilidad puede tener los siguientes matices:1. Ayuda para aclarar el pensamiento acerca de un
área de interés.2. Como una ilustración del concepto.3. Como una ayuda para definir estructura y lógica4. Como un pre requisito al diseño.
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Ecuaciones algebraicas
Ecuaciones diferenciales
Relaciones estadísticas y probabilísticas
Simulación de eventos discretos
Estado estable Dinámico
Determinista
No-determinista
V=IR
Max Z=5X1+2X2sa X1-X2£9 ¥Xj³0
Y=a+bX
M1
M2
K1
K2
D
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Sistema
Experimentarcon el
sistema
Experimentarcon un modelo
del sistema
Modelofisico
Modelomatemático
Soluciónanalítica SIMULACION
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Simulación de Sistemas
Frecuentemente nos encontramos que sistemas y subsistemas del mundo real pueden ser descritos a través del enfoque de Líneas de Espera o Teoría de Colas
Población
Linea de esperaServidor
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Simulación de Sistemas
En teoría de colas hablamos de conceptos como:• Población• Cliente• Sistema• Linea de espera (cola, fila)• Servidor• Llegadas• Salidas
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Oficina de ViajesCl
ient
es
Llamada enespera
Llamada enespera
Llamada enespera
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Llegadas
Evento de llegada
Servidor?
ocupado
SI NO
La unidad trata de formar en la cola
Cola llena
?
La unidad pasa aformar a la cola
La unidad no entra al sistema
SI
No
La unidad entra a servicio
Proceso de Entrada
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Salidas
Otra unidadEsperando?
No Si
La unidad abandonala cola
Poner servidoren ocio
El servidor atiendea la unidad
La unidad saledel sistema
Proceso de Salida
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Ejercicios
Construya el diagrama de flujo para las llegadas y salidas del sistema de los siguientes casos:
a) La recepción de un hotelb) Un taller de pintura de autos
c) Un banco de servicios financierosd) una embotelladora de refrescos
e) Un centro de distribuciónf) una fábrica de refrigeradores
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ELEMENTOS DEL MODELO
SISTEMA: piezas, almacen temporal, el operario, el torno
ENTIDADES: las piezas, que representan los flujos de entrada al
sistema
ESTADO DEL SISTEMA: Se puede observar que en 1 hora y 10 minutos
de simulación, el almacén hay 9 piezas esperando, el operario esta
transportando, el torno no esta trabajando pero ya procesó 4 piezas.
Se pueden observar otros parámetros
EVENTOS: puede ser el tiempo de descanso del operario, salida de una
pieza después de ser procesada
LOCACIONES: el almacen temporal y el torno
RECURSOS: el operario que transporta la pieza.
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Causas por las que un modelo de simulación no podría tener éxito
Tamaño insuficiente de la corrida: se debe cuidar que las variables de respuestas hayan alcanzado cierta estabilidad. Ejemplo: la tasa de producción de una línea de producción al inicio de la jornada.
Variable de respuesta mal definida: no permite tomar decisiones que tengan impacto en la operación del sistema. Ejemplo: políticas de producción y nivel de inventario de producto terminado.
Errores al establecer la relación entre las variables aleatorias
Errores al determinar el tipo de distribución asociado a las variables aleatorias del modelo.
Falta de análisis estadístico de los resultados
Uso incorrectos de la información. Se debe depurar y reorganizar los datos para su uso
Falta o exceso de detalle del modelo