M3C: Marco de Modelado de Metabolismo Circular en proyectos de ingeniería

24th International Congress on Project Management and Engineering Alcoi, 7th – 10th July 2020 01-057 M3C: CIRCULAR METABOLISM MODELING FRAMEWORK IN ENGINEERING PROJECTS Martín Gómez, Alejandro Manuel (1); Ávila Gutiérrez, María Jesús (1); Aguayo González, Francisco (1) (1) Universidad de Sevilla Engineering projects need to be conceived in a sustainable way, so as to ensure ecocompatibility between technical metabolism associated with the project and natural metabolism that exists in the ecosystems, that is, the environment in which the project is developed. This paper presents a general framework for modeling engineering project entities for environments built with metabolism for circular economy. The framework is based on the holonic paradigm, which has traditionally been used to optimize manufacturing, control and planning systems, aimed at providing high efficiency from an economic perspective, and not considering the other two perspectives of sustainability (social and environmental). The proposed holonic modeling framework has a fractal configuration, bioinspired, that parameterizes its elements under the situation and context of application, multilevel and multiscale, to form ecosystems in which technosphere is integrated into natursphere. Likewise, the framework proposes the holonic as an organizational enabler that manages the emerging complexity of current engineering projects, and that integrates and takes advantage of the opportunities offered by digital and technological enablers, from Industry 4.0, to integrate the different views of the industrial metabolism. Keywords: project modeling; holonic system; industrial metabolism; circular economy M3C: MARCO DE MODELADO DE METABOLISMO CIRCULAR EN PROYECTOS DE INGENIERÍA Los proyectos de ingeniería requieren ser concebidos de forma sostenible, de modo que garanticen la ecocompatibilidad entre el metabolismo técnico asociado al proyecto y el metabolismo natural existente en los ecosistemas, esto es, el entorno en que se desarrolla el proyecto. En este trabajo se presenta un marco general para el modelado de entidades de proyectos de ingeniería para entornos construidos con metabolismo para la economía circular. El marco se basa en el paradigma holónico, que tradicionalmente se ha empleado en optimizar los sistemas de fabricación, control y planificación, direccionándose a proporcionar una alta eficiencia desde la perspectiva económica, y no siendo consideradas las otras dos perspectivas de la sostenibilidad (social y ambiental). El marco de modelado holónico propuesto posee una configuración fractal, bioinspirada, que parametriza sus elementos bajo la situación y contexto de aplicación, multinivel y multiescala, para formar ecosistemas en los que la tecnosfera se integre en la naturesfera. Así mismo, el marco propone la holónica como habilitador organizacional que gestione la complejidad emergente de los actuales proyectos de ingeniería, y que integre y aproveche las ventajas que ofrecen los habilitadores digitales y tecnológicos, provenientes de la Industria 4.0, para integrar las distintas vistas del metabolismo industrial. Palabras clave: modelado de proyectos; sistemas holónicos; metabolismo industrial; economía circular Correspondencia: María Jesús Ávila Gutierrez [email protected] 323 1. Introducción La cadena de valor es identificada como origen de la fractura metabólica y al mismo tiempo sirve como medio para mitigarla y revertirla. En este contexto, el valor es concebido y modelado para permitir su agregación a través de toda la cadena, no solo en el vector económico tradicional, sino también en los vectores ambientales y sociales, es decir, desde los tres pilares de la sostenibilidad. Por tanto, la cadena de valor circular, en base a sus características inherentes y al nivel de agregación que presenta, es apta como objeto de implementación del metabolismo industrial circular. La implementación de los proyectos de ingeniería en el ámbito empresarial bajo el paradigma de la economía circular a menudo requiere la incorporación de nuevos modelos de negocios (Heyes et al., 2018). Los ciclos cerrados de materiales suelen afectar a múltiples aspectos de los modelos de negocio actuales, siendo necesario realizar cambios notables entre los que se identifican los diferentes productos o servicios, diferentes relaciones con clientes, distintos procesos de producción y diferentes modelos de ingresos. A veces incluyendo otros tipos de valores más allá del beneficio financiero, como el valor ambiental y social. La gestión de estos cambios requiere que las empresas de ingeniería participen en un proceso de innovación del modelo de negocio, desde la perspectiva circular (Potting et al., 2017). Los Modelos de Negocio Circular (MNC) permiten la retención de un activo en su valor más alto a lo largo del tiempo, apoyando la mejora del capital natural (Urbinati, Chiaroni, & Chiesa, 2017). Debido a la existencia de diversas estrategias para la economía circular (Kalmykova, Sadagopan, & Rosado, 2018), los MNC requieren un marco que posibilite la integración de estrategias top-down (modelos de negocio) y bottom-up (diseño de producto/servicio). Este marco debe orientar sobre cómo una empresa de ingeniería puede identificar, evaluar e implementar oportunidades de economía circular alineando estratégicamente la innovación del modelo comercial con los requisitos de diseño del producto desde la fase proyectual (Mendoza et al., 2017). La complejidad de los entornos de fabricación, de los entornos socioeconómicos y naturales, que se encuentran en continua evolución, debe ser gestionada por un facilitador que tenga la capacidad de adaptarse al entorno e implementar evolutivamente los mecanismos necesarios que posibiliten la integración de la organización. La holónica se presenta como facilitador organizacional adecuado por la variedad requerida desde la complejidad de los ecosistemas de fabricación del mercado y ecosistemas naturales (Ávila-Gutiérrez et al., 2020; Martín-Gómez, Aguayo-González, & Luque, 2019). Los facilitadores digitales como Big data, Internet de las Cosas, computación ubicua, cloud computing, sensores inteligentes, conectividad, M2M (Machine to Machine), etc. y los modelos organizacionales de sistemas productivos bajo orientación fractal, holónica y biónica, permiten diseñar ecosistemas en la tecnosfera. Ello requiere plantear un marco para llevar a cabo la ingeniería y reingeniería de cadenas de valor sostenibles bajo la triple bottom line (TBL) con indicadores claves en las tres dimensiones de sostenibilidad (Popovic et al., 2018), formulado a partir de la economía circular, y con objeto de establecer un metabolismo integrado resiliente. Este metabolismo resiliente requiere disponer de la capacidad de coevolución y adaptación al entorno externo y la integración con el entorno interno. Derivado de la existencia de diversas arquitecturas para la Industria 4.0 (Li et al., 2018), se hace adecuada la inclusión de facilitadores organizacionales (de inspiración biónica) que integren a los facilitadores digitales y tecnológicos. El facilitador organizacional propuesto es 324 el paradigma holónico y los facilitadores digitales, de campo y en la nube, son aquellos contemplados en la Industria 4.0. 2. Objetivos Definición de un marco de modelado de entidades de proyectos de ingeniería con metabolismo circular basado en el paradigma holónico, multinivel y multiescala para negocios, su cadena de valor, productos y sistemas de fabricación ecocompatibles, integrables en el contexto (territorio). 3.Metodología El paradigma holónico, como facilitador organizacional, es empleado para definir un marco de modelado holónico multinivel y multiescala sostenible bajo el paradigma de la economía circular, incorporando a los facilitadores digitales provenientes de la Industria 4.0. El marco de modelado propuesto es multinivel ya que incorpora los distintos niveles de análisis presentes en la economía circular, desde el nivel de región o estado, hasta el nivel de máquina, sensor o actuador, pasando por las ciudades, parques eco-industriales (PEI), plantas de fabricación, líneas de fabricación, etc. Asimismo, este marco es multiescala debido a que es escalable al incorporar un mayor o menor número de entidades dispersas en el territorio. El resultado obtenido es una estructura multinivel y multiescala que se adapta a las características del entorno, haciendo uso de estrategias y herramientas específicas de cada nivel. En la caracterización de estructuras jerárquicas de sistemas complejos, las relaciones se establecen en: (1) los niveles de granularidad de la organización estructural, tales como el nivel micro (productos, procesos, empresas), el nivel meso (PEI) y el nivel macro (cadena de valor), donde aparecen relaciones emergentes entre los diferentes niveles; y (2) escalas geográficas, que distinguen entre ciudad, región, nación y más allá, y de países industrializados a economías emergentes (Kirchherr, Reike, & Hekkert, 2017; Liu, Heiner, & Gilbert, 2017; Pulido Barrera, Rosales Carreón, & de Boer, 2018). El marco de modelado holónico propuesto se justifica en atención a sus siguientes propiedades: 1. Ser todo y parte, en interacción dinámica en el entorno interno y externo, que posibilita su adaptación al medio externo y la integración del medio interno evolutivamente estable. 2. Ser proceso y producto, en base a los procesos externos e internos que determinan distintos estados, confiriéndole carácter dinámico y coevolutivo). 3. Auto-organización, para gestionar la variedad requerida bajo principios de vida evolutivamente estables. 4. Ser una estructura simpleja, generando a partir de estructuras simples autosimilares (con estructura fractal), la variedad requerida (complejidad) En consecuencia, con los actuales sistemas de fabricación de oferta personalizada, con mínima complejidad de fabricación. 5. Auto-optimización, desde los principios de selección natural en consonancia con la filosofía Lean de los actuales sistemas de fabricación. 6. Orientación al objetivo (dinámico), para garantizar la supervivencia desde los principios de vida. 325 7. Autonomía, un holón tiene la capacidad de crear y controlar la ejecución de sus propias estrategias de forma autorregulada. 8. Autorregulación, un holón está dotado de la capacidad de cambiar su forma de cooperar para desarrollar una función, ganando así resiliencia. El holón evoluciona con el medio ambiente a través de los parámetros establecidos en la TBL. 9. Colaboración, un holón puede integrarse en una o más holarquías de nivel superior, denominadas dominios de colaboración, formando así holarquías de nivel N + 1; esta es una propiedad del holón en términos de su expresión como parte, por ejemplo, la mejora a través de la cadena de valor basada en sinergias verticales y horizontales. Esto permite que el holón se adapte al entorno. 10. Cooperación, un holón puede integrar otros holones y procesos en los que un grupo de entidades conjuntamente hacen planes aceptables para desarrollar una función, por ejemplo, la mejora de los indicadores de rendimiento clave, desde el enfoque TBL, a nivel de fábrica. El marco holónico propuesto para soportar el proceso de modelado está formado por una arquitectura holónica en la que se distinguen: 1. Los holones objetos de modelado. Las entidades que se hace necesario modelar en un proyecto de fabricación industrial para entornos construidos con metabolismo industrial desde la economía circular, que como se expone en la Figura 1, son: •Holón Metodología (Entidad 1). •Holón Empresa de Ingeniería (Entidad 2). •Holón Planta Industrial (Entidad 3). •Holón Negocio Circular (Entidad 4). •Holón Producto (Entidad 5). •Holón Proceso (Entidad 6). •Holón Facility (Entidad 7). •Holón Parque Industrial (Entidad 8). •Holón Cadena de Valor Circular (Entidad 9). En función del proyecto en cuestión, puede requerirse modelar todas las entidades o sólo algunas de ellas. La Entidad 2 es mejorada en base a la experiencia adquirida en el desarrollo de proyectos de ingeniería. 2. Las vistas de la entidad objeto de modelado. Se refiere a las vistas de la complejidad de las diferentes fases del ciclo de vida de las entidades. Las vistas existentes son: •Vista de Recursos. •Vista Informacional. •Vista de los Procesos de negocio y operaciones. •Vista Organizacional. •Vista de Flujo de materiales, sustancias y energía. •Vista Metabólica. 3. Modelo del ciclo de vida. El ciclo de vida está constituido por un conjunto de etapas, entre las que cabe señalar: identificación, conceptualización, requerimientos, diseño 326 preliminar, diseño de detalle, abastecimiento de materiales, fabricación, distribución, venta, consumo, retirada, eliminación, reciclaje, demolición y eliminación. Un aspecto que adquiere especial importancia es la gestión de la configuración de las entidades del ciclo de vida del proyecto, para lo que se hacen necesarios los entornos de diseño y desarrollo PLM y BIM. 4. Los niveles de análisis. Estos se estructuran en general, parcial y particular constituyendo el nivel de análisis de lo más nuclear a lo más molecular de las entidades que pueden integrar el desarrollo de un programa empresarial. Figura 1: Entidades del Marco de Modelado de Metabolismo Circular (M3C) en proyectos de ingeniería para entornos construidos con metabolismo para la economía circular Cada una de las entidades holónicas soporta en su ciclo de vida una caja de herramientas con estrategias de economía circular fractalizable, clasificada en las diferentes fases del ciclo de vida, que le permite alcanzar los objetivos para la economía circular. Entre las estrategias de economía circular hay una que es transversal y atraviesa todas las etapas del ciclo de vida que es la fabricación Lean que, orientada a la sostenibilidad, tiene por objetivo la optimización del holón en el uso de recursos materiales, hídricos y energéticos. Para llevar a cabo cada una de las estrategias incorporadas al conocimiento del holón, es necesario disponer de herramientas que permitan desempeñar la estrategia en cuestión 327 para cada proceso concreto del ciclo de vida, con los criterios que caracteriza el metabolismo industrial para la economía circular. Todas estas técnicas, métodos y estrategias del paradigma de la economía circular incorporadas como conocimiento al ciclo de vida del holón, y apalancadas con los facilitadores tecnológicos y digitales, vertebran el metabolismo holónico circular. A continuación, se exponen las características de los distintos holones que constituyen la holarquía propuesta. 3.1 Entidad Holón Metodología El proyecto de ingeniería de producto o de la planta e instalaciones, que surge del negocio circular y se desarrolla en la empresa de ingeniería, pertenece a la vez al negocio circular y a la empresa de ingeniería, formando parte de su cartera de proyectos de productos e instalaciones industriales. Un componente fundamental del holón empresa de ingeniería es el holón metodología. Este holón, caracterizado en la Tabla 1, interviene de forma fractalizada en los distintos niveles (creación de empresa, proyectos del parque industrial, planta industrial y producto), dando soporte para el diseño de procesos, estrategia y su gestión, así como la integración con los sistemas tecnológicos y de información. Tabla 1. Descripción del holón metodología Componentes Salidas Técnicas Objetivos - Entorno diseño y desarrollo BIM - Entorno diseño y desarrollo PLM - Plan de acción - Procedimientos -Modelo 3D infraestructuras - Modelo 3D edificio industrial - Modelo de mantenimiento - Modelo del producto - BIM - PLM - Planes estratégicos - Análisis DAFO - Otros - Facilitar el modelado de infraestructuras, edificios y productos desde los principios de la economía circular - Visualizar las soluciones de diseño - Elevar la seguridad durante las fases de fabricación o construcción y uso o explotación - Facilitar Análisis de ciclo de vida (ACV) - Permitir la gestión y transferencia de datos del proyecto 3.2 Entidad Holón Empresa de Ingeniería La empresa de ingeniería se basa en modelos de arquitecturas empresariales utilizados como instrumentos que permiten a las empresas afrontar los retos asociados con la complejidad que supone el entorno operativo de una organización. El modelado de la empresa de ingeniería desde GERAM (IFIP-IFAC, 1999), que es una metodología de ingeniería empresarial para describir el proceso de la ingeniería e integración empresarial bajo el enfoque de ontología del conocimiento, parte del diseño de diferentes entidades con distintos grados de detalle, siguiendo estrategias top-down y bottom-up, para los distintos grados de concreción y refinamiento (Aguayo González et al., 2007). Tabla 2. Descripción del holón empresa de ingeniería Componentes Salidas Técnicas Objetivos - Cartera de proyectos - Estrategia competitiva - Análisis de nuevos productos - Mejora continua en base a la cadena de 328 - Organización de empresa - Planta industrial - Tecnología - Estrategia - Metodología - Estrategia de cadena de valor - Estrategia de producto/ servicio/ proceso - Indicadores de rendimiento - Análisis de productos innovadores - Benchmarking - Análisis DAFO - Análisis de fuerzas de Porter - Análisis de personalización valor sostenible - Innovación e infraestructura - Mejora de condiciones laborales - Producción y consumo responsables El negocio circular tiene su origen en la empresa de ingeniería, en la cual se desarrolla a través de, una metodología, entornos de diseño y desarrollo BIM y PLM, el proyecto de planta industrial, el proyecto de parque industrial y los procesos asociados, y es soportado por la propia organización de la empresa. La Tabla 2 describe la holarquía de la entidad holón de empresa de ingeniería. 3.3 Entidad Holón Planta Industrial El holón de planta industrial gestiona los procesos internos de la planta industrial y las relaciones con el resto de holones de planta industrial. La holarquía interna tiene un carácter fractal como producto, proceso y facility. Está integrado por las entidades producto, las estrategias y procedimientos para encapsular la complejidad de procesos, y la maquinaria, equipos, instalaciones e infraestructuras (facility). Estas tres entidades componen cada eslabón de la cadena de valor circular. La ontología del conocimiento explícito y tácito del holón de planta industrial es mostrada en la Tabla 3. Tabla 3. Descripción del holón planta industrial Componentes Salidas Técnicas Objetivos - Producto - Proceso - Facility - Fabricación sostenible - Fabricación verde - Fabricación de cero residuos - Fabricación en lazo cerrado - Fabricación limpia - Análisis de flujo de materiales y sustancias (AFM/AFS) -ACV - Entrada de material por unidad de servicio - Circularidad del agua (huella hídrica) - Análisis de energía embebida - Análisis de exergía - Propiciar el cierre de ciclos en la planta - Maximizar los tres valores de la cadena de valor de la empresa - Desarrollar estrategias de fabricación flexible, colaborativa, etc. - Aportar indicadores agregados de los puesto de trabajo que engloba 3.4 Entidad Holón Negocio Circular Este holón, como entidad abstracta, es el que recoge los principios y objetivos de la economía circular y los principios naturales en los que se basa, tal y como se muestra en la Tabla 4, relativa a la descripción del holón. El resto de holones en las sucesivas holarquías mantienen estos principios consignados en este holón, fractalizándose aguas abajo. Tabla 4. Descripción del holón negocio circular 329 Componentes Principios de la economía circular Principios naturales Objetivos - Sector agrícola - Sector industrial - Sector de la construcción - Ciudad - Preservar y mejorar el capital natural controlando las existencias finitas y equilibrando los flujos de recursos renovables - Optimizar los rendimientos de los recursos haciendo circular los productos - Fomentar la efectividad del sistema revelando y diseñando para minimizar las externalidades negativas - Diseñar sin residuos - Desarrollar la resiliencia a través de la diversidad - Usar recursos y energías renovables - Pensar en sistemas - Pensar en cascadas - Orientarse en el desarrollo territorial sostenible en el tiempo bajo condiciones de diversidad y principios de cohesión territorial - Marco económico regenerativo y restaurador - Desacoplar el crecimiento económico y la degradación ambiental - Preservar el valor económico, social y ambiental - Contribuir a la resiliencia del sistema - Establecimiento de relaciones colaborativas con otros holones de negocio circular La holarquía propuesta es portadora y soporta la ingeniería del conocimiento del metabolismo industrial circular, estructurado en conocimiento explícito e implícito. Este segundo coevoluciona bajo principios holónicos y de la economía circular como paradigma de la sostenibilidad bajo la TBL. 3.5 Entidad Holón Producto El holón producto alberga el conocimiento del producto y de su proceso de fabricación para asegurar la correcta fabricación del mismo en base a los principios de la economía circular. El holón producto contiene información coherente y actualizada sobre el ciclo de vida del producto, requisitos del usuario, diseño, planes de proceso, lista de materiales, procedimientos de aseguramiento de calidad, etc. y como tal, contiene el modelo del tipo de producto. El holón producto actúa como un servidor de información para los otros holones en la holarquía. Este holón comprende funcionalidades que tradicionalmente están cubiertas por el diseño del producto, la planificación del proceso y la garantía de calidad. Así mismo, asume los objetivos de evaluación y monitorización del producto en su ciclo de vida en las tres dimensiones de la sostenibilidad, la disminución de la entropía en base a los componentes y procesos incorporados en su ciclo de vida, y la orientación al cierre de ciclo como producto o de sus componentes, entre otros. Este holón contiene información, sobre el tipo de nutrientes (técnicos o biológicos) que le son incorporados, útil en el establecimiento de rutas metabólicas. Tabla 5. Descripción del holón producto Componentes Salidas Técnicas Objetivos - Subsistemas -Interface - Comunicación - Información de diseño - Especificaciones del producto - AFM/AFS - Clasificación de materiales técnicos y - Evaluación y monitorización del comportamiento en su ciclo de vida bajo la 330 - Recursos materiales y energéticos - Estructura - Propiedades de los recursos - Eco-propiedades de los recursos - Plan de fabricación - Arquitectura del producto - Otras biológicos - Entrada de material por unidad de servicio - Circularidad del agua (huella hídrica) TBL, a través de indicadores de producto - Disminuir la entropía del sistema - Orientarse al cierre de ciclos como producto o de sus componentes La Tabla 5 representa algunos de los aspectos de la ontología del conocimiento del holón producto, tanto explícito como tácito en su dominio interno, para la resolución de problemas y estrategias. 3.6 Entidad Holón Proceso El holón proceso alberga el conocimiento del proceso productivo para asegurar la correcta fabricación del producto en base a los principios de la economía circular. Contiene información y métodos sobre cómo producir ciertos productos usando recursos concretos. El holón proceso monitoriza, evalúa y cede información, a otros holones de la holarquía, relativa a los indicadores en la dimensión ambiental (ciclicidad, eficiencia y toxicidad que supone el proceso productivo), social y económica. Esta información permite al resto de holones de la holarquía la toma de decisiones en base a sus objetivos bajo los principios de la economía circular. Tabla 6. Descripción del holón proceso Componentes Salidas Técnicas Objetivos - Métodos de fabricación - Gestión - Coordinación - Especificaciones del proceso - KPI asociados al proceso - AFM/AFS - Diagramas de procesos - Planificación - Evaluación y monitorización del comportamiento del proceso bajo la TBL, a través de indicadores de proceso productivo - Diseño de procesos de fabricación bajo criterios de sostenibilidad La Tabla 6 representa algunos de los elementos de la ontología del conocimiento de las dimensiones del dominio interno, resolución de problemas y estrategias del holón. 3.7 Entidad Holón Facility El holón facility, como holón ciber-físico, contiene una parte física, un elemento de producción del sistema de fabricación, y una parte de procesamiento de información que controla el facility. Ofrece capacidad de producción y funcionalidad para los holones de la holarquía. Contiene los métodos para asignar los recursos de producción y los conocimientos y procedimientos para organizar, usar y controlar estos recursos de producción e impulsar la producción. Tabla 7. Descripción del holón facility Componentes Salidas Técnicas Objetivos 331