Algoritmos Genéticos
2.2.1.3 Escalonamento e Redes de Produção e Distribuição
As abordagens ao escalonamento descritas até aqui referem-se ao problema de escalonamento convencional. Neste problema assume-se normalmente um contexto que é o da instalação centralizada, onde estão concentrados todos os recursos físicos e em que o planeamento das actividades é feito de forma centralizada. Os recursos são processadores elementares ou grupos de processadores elementares (máquinas ou grupos de máquinas que podem realizar tipos de tarefas similares).
O contexto da produção e distribuição é tipicamente descentralizado e o problema de escalonamento põe-se a outra escala. Numa rede de produção e distribuição os recursos considerados são eles próprios instalações i.e., são macro-recursos como fábricas,
armazéns, frotas de transporte que estão distribuídos por um conjunto de localizações geograficamente diversas. Cada nó de uma rede de produção e distribuição é um recurso com restrições de capacidade de natureza diferente, possivelmente capaz de realizar tarefas que permitem entregar produtos diversos e, possivelmente, gerido de forma independente. No entanto, estes nós estão interligados devido ao facto de as necessidades de consumo de produtos de uns serem satisfeitas por outros e levarem a cabo fases (de produção, de armazenamento, de transporte) complementares de um processo de produção e distribuição. Este tipo de sistemas com esta dependência são apelidados de sistemas multi-estágio, multi-nível ou ainda multi-escalão.
Ao nível operacional de planeamento o problema fundamental é aqui um problema de coordenação das tarefas dos nós da rede. Esta coordenação envolve várias dimensões como produto, quantidade, tempo e local. A actividade de escalonamento, no contexto da produção e distribuição, pode passar por ter de tomar em conta não só tempo e capacidade de processamento de recursos, mas também produto (já que existem produtos diferentes envolvidos), local (o nó da rede), quantidade (por exemplo, a dimensão do lote produzido ou armazenado), capacidade de armazenamento e controlo de quantidades armazenadas. Muitos trabalhos no contexto do planeamento coordenado da produção e distribuição podem ser vistos numa perspectiva alargada de escalonamento, em que se toma em conta simultaneamente produtos, quantidades, tempos e locais.
Trabalhos pioneiros no âmbito da logística de Forrester [Forrester 1958], [Forrester 1961] apontaram a necessidade de coordenação nos sistemas de produção e distribuição. Nestes trabalhos descreve-se o uso de modelos dinâmicos para, através de simulação em computador, estudar as oscilações dos fluxos de produtos originadas por variações na procura final em redes de produção e distribuição. Estes modelos incluem fluxos de produtos e fluxos de informação entre estágios e são apelidados de modelos de dinâmica industrial. Investigação baseada neste tipo de modelos de simulação continua a existir actualmente, veja-se por exemplo, [Towill 1982], [Wikner 1991] e [Towill 1992].
Nas décadas de 60 e 70 muitos trabalhos investiram consideravelmente em modelos matemáticos. Vejam-se, por exemplo, [Clark 1960], [Veinott 1965], [Veinott 1966], [Zangwill 1966], [Zangwill 1969], [Schwarz 1975], [Szendrovits 1975], [Folie 1976], [Schwarz 1978], [Szendrovits 1978], só para citar alguns. Tipicamente estes modelos conduzem a métodos de optimização em que se pretende minimizar um custo total, composto pela soma de um custo de preparação ou um custo de encomenda (fixo e a afectar a cada estágio sempre que um lote é produzido ou encomendado) e de um custo de posse (proporcional ao tempo de posse e à quantidade de produto possuída) em cada estágio. Frequentemente, os sistemas multi-estágio são apelidados de sistemas multi-escalão pelo facto de se fazer uso do conceito de custo de
stock de escalão para os custos de posse. O stock de escalão de um estágio é definido pelo
número de unidades de produto presentes no, ou que já transitaram pelo, estágio mas ainda não saíram do sistema. O uso dos custos de stock de escalão na função de custo permite simplificações matemáticas convenientes [Clark 1960], [Schwarz 1975].
Vários tipos de estruturas de rede são possíveis como sistemas multi-estágio: estruturas em série (sequenciais ou cadeias propriamente ditas), estruturas convergentes (também apelidadas estruturas de montagem ou de produção), estruturas divergentes (também apelidadas de estruturas de distribuição) e combinações destas, incluindo estruturas convergente-divergente (também apelidadas de produção e distribuição). Ver exemplos de representação gráfica destes tipos de estruturas na Figura 2-10.
Uma multiplicidade de estudos que se podem relacionar directa ou indirectamente com estruturas de rede de produção e distribuição foram desenvolvidos. Estes trabalhos focam aspectos vários, incluindo o controlo dos quantidades armazenadas (stocks), o dimensionamento de lotes, a determinação de tempos de ciclo e intervalos de reabastecimento em cada estágio do sistema multi-estágio. Vejam-se, por exemplo, [Williams 1981], [Blackburn 1982], [Graves 1982], [Tatsiopoulos 1983], [Williams 1983], [Afentakis 1984], [Bahl 1984], [Federgruen 1984], [Karmarkar 1985], [Maxwell 1985], [Billington 1986], [Moily 1986], [Bahl 1987], [Dobson 1987], [Karmarkar 1987a], [Karmarkar 1987b], [Muckstadt 1987], [Axsäter 1988], [Federgruen 1989], [Jacobs 1989], [Jackson 1990], [Roundy 1990], [Spearman 1990], [Badinelli 1992], [Spearman 1992], [Axsäter 1993], [Federgruen 1993a], [Federgruen 1993b], [Muckstadt 1993], [Bourland 1994], [Kuik 1994], [Tempelmeier 1994], [Diks 1996] ou [Hill 1996].35 Em [Graves 1993] apresenta-se uma revisão extensa e abrangente do estado da arte na investigação em sistemas logísticos até 1993, incluindo vários capítulos dedicados a sistemas multi-estágio. Uma revisão do estado da arte mais recente, mas mais limitada, pode encontrar-se em [Thomas 1996].
Grande parte destes estudos, desenvolvem-se, de alguma forma, a partir da ideia da Quantidade Económica de Encomenda. Oferecem modelos matemáticos do problema do
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Alguns destes trabalhos são revisões do estado da arte, alguns outros tratam problemas de planeamento coordenado que se põem também nas redes de produção e distribuição.
1 4 3 2 7 6 5 p r o d u t o f i n a l 1 4 3 2 p r o d u t o f i n a l
a) Estrutura multi-estágio em série. b) Estrutura multi-estágio convergente.
6 3 2 1 7 4 5 p r o d u t o f i n a l p r o d u t o f i n a l p r o d u t o f i n a l 6 3 2 1 7 4 5 1 3 1 2 1 1 1 0 9 8 p r o d u t o f i n a l p r o d u t o f i n a l p r o d u t o f i n a l
c) Estrutura multi-estágio divergente. d) Estrutura multi-estágio convergente-divergente.
dimensionamento de lote (económico) em versão multi-escalão e vêm o problema como um problema de optimização. O valor da função objectivo, que é usualmente a soma dos custos de posse e de preparação, ou de encomenda, de todos os nós da rede, deve ser minimizado para determinar a dimensão dos lotes (económicos) a serem transferidos entre cada par de nós da rede.
Muitos destes modelos são mais úteis numa abordagem partindo de um ponto de vista estratégico ou táctico, mas não tão úteis para um horizonte temporal de curta duração como é o do escalonamento das tarefas. Entre as suas limitações típicas incluem-se, frequentemente: a) A produção é considerada instantânea e os tempos de ciclo são zero;
b) A procura do produto final é constante no tempo;
c) É suposto a rede poder seguir políticas predeterminadas como um todo. Por exemplo políticas estacionárias (cada nó entrega um lote de dimensão fixa) e políticas imbricadas (a dimensão do lote entregue por cada nó é um múltiplo inteiro da dimensão do lote entregue pelo seu nó sucessor na rede);
d) A rede está dedicada apenas a um produto final;
e) Eventos inesperados não são acomodados. Por exemplo, não se especifica o que deve acontecer se a procura se altera, ou os nós falham nas entregas previstas (o problema terá, em princípio, de ser reformulado e a solução recalculada a partir do início);
f) A rede é considerada um sistema centralizado, havendo apenas uma única função objectivo. É assumido que toda a informação (por exemplo, sobre os custos) é sempre conhecida; g) É procurada uma solução óptima global. Uma solução óptima não pode, em geral, ser
determinada a tempo, usando métodos matemáticos. Para além disso, num sistema com uma gestão não centralizada, haverá, por certo, perspectivas do problema e objectivos diversos e uma solução óptima global pode não corresponder a uma solução óptima local (i.e., na perspectiva de alguns nós).
Em algumas abordagens não é empregue o conceito de stock de escalão. O uso deste conceito está normalmente associado a uma gestão centralizada dos sistemas multi-estágio, já que é necessário conhecer informação global do sistema (os níveis de armazenamento em cada escalão). Formas ditas descentralizadas de gestão envolvem, pelo contrário, a informação local a cada estágio, i.e., os níveis de stock de instalação [Lee 1993a], [Axsäter 1993].
A maior parte destes temas, bem como o tema do escalonamento convencional, enquadram-se em áreas como a de gestão da produção e das operações, gestão de armazenamento e planeamento e controlo da produção. Ver, por exemplo, [Tersine 1988], [Schroeder 1993], [Anderson 1994], [Elsayed 1994], [Chase 1995], [Roldão 1995], [Browne 1996], [Courtois 1996], [Buffa 1997] ou [Vollmann 1997].
Gestão da cadeia de fornecimento (supply chain management, SCM) designa a gestão dos
fluxos físicos (de produtos/materiais) em redes, ou cadeias,36 abrangendo fornecedores, fábricas, centros de distribuição, retalhistas, para entrega de produtos finais no mercado, suportada por fluxos de informação [Christopher 1993], [Gattorna 1996], [Martin 1996], [Parnell 1996], [Thomas 1996], [Vollmann 1997] (no Capítulo 18, em Distribution Requirements Planning), [Camarinha-Matos 1999a]. O conceito de cadeia de fornecimento
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O termo "cadeia", frequentemente utilizado é, na realidade, uma simplificação já que, de um modo geral se trata de uma rede de empresas inter-actuantes [Ellram 1991].
complementa o de rede de produção e distribuição (ou outro sistema multi-estágio descentralizado qualquer) juntando aos fluxos físicos de produtos os fluxos de informação. Este conceito permite abranger sistemas de rede com dependências do tipo cliente-fornecedor, cujos nós são geridos por entidades autónomas, com capacidade de decisão independente (são, por exemplo, empresas diferentes) e com a possibilidade de coordenar decisões e cooperar, por meio de comunicação entre si, para melhor controlo dos fluxos físicos de produtos. A coordenação e a cooperação são aplicáveis não apenas à optimização dos fluxos físicos (diminuição do tempo total para entregar o produto final ao consumidor, redução de quantidades armazenadas de modo a reduzir custos de posse, resposta rápida a variações na procura de produto final) mas também ao projecto cooperativo de novos produtos e processos de produção e distribuição. As tecnologias de informação e das comunicações actuais, bem como os padrões actuais para troca de informação estruturada por via electrónica como, por exemplo EDI e STEP (protocolos para troca electrónica de informação comercial e informação técnica sobre produtos, respectivamente) fornecem o suporte a este cenário.
Modelos de planeamento coordenado que se enquadram no cenário da cadeia de fornecimento, são descritos em [Cohen 1988] e [Lee 1993a], onde é também apresentada uma revisão do estado da arte. Em [Lee 1992] discutem-se questões problemáticas e oportunidades para desenvolvimento de estratégias apropriadas no contexto da gestão integrada da cadeia de fornecimento. Em [Scott 1991] propõem-se três passos para integração da cadeia de fornecimento, nomeadamente: i) identificar tempos de escoamento e níveis de armazenamento médios em cada estágio, ii) identificar oportunidades para actividades colaborativas e estabelecer relações de cliente-fornecedor iii) identificar melhorias a nível operacional para aumentar a competitividade. [Thomas 1996] é um artigo onde se faz uma revisão abrangente do estado da arte de modelos de gestão integrada da cadeia de fornecimento. Em [Lee 1996] mostra-se como o projecto dos produtos e dos processos de produção e distribuição dos produtos pode influenciar a eficiência do planeamento e controlo. [Cohen 1990a], [Davis 1993], [Lee 1993b] e [Lee 1995] relatam essencialmente casos de aplicação prática. Estes modelos são modelos analíticos, a maioria dos quais são mais apropriados à tomada de decisão estratégica (i.e., envolvendo decisões como instalação de uma nova fábrica ou de um novo centro de distribuição, afectação de equipamento a instalações fabris, escolha de localizações para produção de um novo produto, avaliação de alterações ao fluxo de um produto na cadeia). Em geral, na literatura de investigação nesta área, muito pouco é dedicado ao escalonamento em especial, a não ser mais recentemente, como se descreverá na secção seguinte.
Estes temas enquadram-se na área da logística. Obras modernas sobre logística são, por exemplo, [Farmer 1991], [Christopher 1992], [Cooper 1993], [Carvalho 1996] ou [Gattorna 1996].
Recentemente existe um interesse crescente pela gestão integrada de cadeias de fornecimento cooperativas (participantes em número limitado com competências específicas complementares e com maior interligação), mais dinâmicas e eficientes (resposta rápida à procura, quantidades armazenadas reduzidas) e mesmo de configuração flexível (participantes podem agrupar-se numa cadeia para o projecto, produção e distribuição de um produto, desfazendo-se o grupo no fim do ciclo de vida do produto).
Modelos como o da Empresa Estendida ou da Empresa Virtual pressupõem uma aliança temporária, de um grupo de empresas, tipicamente pequenas e médias empresas especializadas, com funcionalidades complementares, para a cooperação em pé de igualdade em actividades que podem estender-se a todo o ciclo de vida de um ou mais produtos [Camarinha-Matos
1999a], [Hunt 1997]. Esta cooperação temporária pode ser mais ou menos durável e mais ou menos flexível. A ideia da Empresa Virtual é mais abrangente e inclui a rede de empresas possivelmente mais volátil (menos durável) e de configuração mais mutável (participantes podem entrar e sair durante o tempo de vida da rede); a Empresa Estendida está mais associada à rede resultante da empresa produtora dominante que estende laços cooperativos com um número mais limitado de fornecedores e clientes, e a uma ligação possivelmente mais permanente. Em ambos os conceitos se põe a tónica na cooperação e na ligação em rede
electrónica, pressupondo o recurso a tecnologias de informação e das comunicações
[Camarinha-Matos 1999a].
Dado que, na sua realização, estes modelos conduzem a sistemas em que os recursos, as actividades, a informação e a tomada de decisão estão distribuídos por unidades autónomas, não é raro o recurso à tecnologia dos agentes da IAD. Alguns destes casos de realizações são revistos mais adiante (ver a secção 2.2.2.7).