Integración de los elementos de producción dentro del modelo de negocio electrónico como servicios de

fabricación

Virgilio Gilart-Iglesias, Francisco Maciá-Pérez, José Vicente Berná Martínez

Departamento de Tecnología Informática y Computación, Universidad de Alicante, 03690 San Vicente, Alicante, España

{vgilart, pmacia, jvberna}@dtic.ua.es http://www.dtic.ua.es

Abstract. En estos últimos años, la madurez alcanzada en las tecnologías de la información y las comunicaciones (TIC) ha propiciado el escenario adecuado para afrontar las nuevas formas de realizar negocios, surgidas como consecuencia, en gran parte, de la adopción de Internet como infraestructura básica de desarrollo: la potenciación de las relaciones entre las organizaciones y entre éstas y los clientes, el acceso a nuevos mercados, el establecimiento de nuevos modelos de competencia o la posibilidad de establecer nuevos procedimientos de fabricación. Es en este último campo, el de la fabricación, en el que se centra la investigación presentada en este artículo. Concretamente en proponer un método que permita alcanzar un modelo eBusiness integral, compatible con las propuestas actuales y, sobre todo, capaz de superar las limitaciones físicas y logísticas que impiden que los procesos de fabricación lleguen a aprovechar todo el potencial que las nuevas tecnologías pueden ofrecen en este campo y de las que ya se están aprovechando otras áreas del negocio. También se presenta un escenario de prueba diseñado para validar la propuesta planteada.

1 Introducción

La capacidad que Internet otorga a los clientes para seleccionar los artículos de consumo que más les convienen en cada momento y a los precios más ajustados está impulsando al sector industrial a evolucionar desde los tradicionales paradigmas de fabricación orientados a la producción masiva, hacia modelos que faciliten la personalización masiva [2].

El cliente ya no es una mera entidad externa al proceso de fabricación, sino que forma parte del mismo como un elemento activo, determinando las características específicas que debe poseer el producto deseado. Para lograr este objetivo se requiere una verdadera integración de los canales de suministro (SCM) entre las organizaciones implicadas: fabricantes, proveedores, empresas auxiliares o de logística deben trabajar de forma perfectamente sincronizada, contemplando todas las etapas de cada proceso de fabricación de una forma continua, con independencia de

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quién sea el responsable en cada instante de su ejecución, de dónde se realice ésta y, sobre todo, de dónde se encuentre la información necesaria para su consecución [8].

Una de las principales causas que imposibilita una verdadera integración de los canales de suministro reside en que las infraestructuras empleadas en los niveles de fabricación no aprovechan toda la capacidad que las nuevas tecnologías pueden ofrecer. Sobre todo en los niveles inferiores de la organización, donde se ubican los elementos de producción. Uno de los escenarios más típicos, y por desgracia de los más sofisticados, es el constituido por equipamientos que incorporan controles numéricos, interfaces serie o redes de control heredadas, basadas en tecnologías propietarias, pero sin llegar a emplear protocolos normalizados que aporten, al menos, compatibilidad con las nuevas tecnologías. Resulta obvio que este escenario no permite niveles de abstracción que los equipare con los niveles superiores de la organización.

A pesar de todo, es cierto que en otros ámbitos del negocio, tales como la gestión financiera y la gestión de recursos (ERP), la atención al cliente (CRM) o las ventas on-line (eCommerce), se han introducido tecnologías maduras surgidas con Internet —arquitecturas de n-niveles, tanto B2C como B2B, enfoques basados en middleware o arquitecturas orientadas a servicios (SOA)— que han permitido superar las tradicionales barreras que impedían alinear las estrategias del negocio con los gustos y las necesidades de los clientes [8] [19]. Sin embargo, el éxito del concepto eBusiness tiene mucho que ver con el tratamiento integral de todos los ámbitos del negocio [1], por lo que, en la práctica, los problemas de integración del SMC descritos tienen implicaciones mucho más profundas que las que podrían desprenderse a simple vista, provocando que no se lleguen a rentabilizar plenamente los esfuerzos y las inversiones realizadas en otras áreas del negocio.

Si en los modelos eBusiness juega un papel primordial la visión de servicio —bajo denominaciones emergentes como Software as a Service (SaaS) o aplicaciones bajo demanda—, este trabajo plantea la extensión de este concepto al de Industrial Machine as a Service (IMaaS). Para ello, en primer lugar, deben crearse las condiciones tecnológicas adecuadas en los elementos de producción que permitan eliminar las actuales barreas físicas que impiden que se puedan contemplar con el nivel de abstracción necesario. Esto lo conseguimos mediante la introducción de sistemas embebidos, con interfaces normalizadas en las diferentes capas de la arquitectura. Redes de comunicación como ethernet o WiFi, protocolos de red, de comunicación y de aplicación como TCP/IP, SSL, HTTP, SOAP, UDDI, jugarán un papel principal en todo este proceso. Finalmente, habremos construido la plataforma adecuada para presentar estos elementos de fabricación conceptualmente como servicios. Este proceso es la piedra angular de la propuesta y lo hemos denominado normalización de la maquinaria industrial.

En los próximos apartados se analizan los trabajos actuales relacionados con la integración de los niveles de producción en el modelo de negocio electrónico y los avances y aplicaciones más relevantes de los sistemas embebidos. A continuación se expone el marco global en el que se encuadra esta propuesta y se describe con detalle el proceso de normalización de la maquinaria industrial que permitirá equiparar su funcionalidad al mismo nivel que la del resto de la lógica de negocio de la organización. En el cuarto punto se propone un escenario de desarrollo con el que se

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están realizando las pruebas de validación de la propuesta. Finalmente, se presentan las principales conclusiones que se desprenden del trabajo junto con las líneas actuales de investigación.

2 Background

La evolución de Internet ha provocado en las organizaciones actuales la adopción de nuevas estrategias para adaptar sus procesos —reingeniería de procesos— [1] y la concepción de paradigmas y arquitecturas empresariales basados en componentes software distribuidos en n-niveles que ayuden a implantar nuevos modelos de negocio y a obtener provecho del nuevo modelo de competencia [18].

Los componentes software encapsulan la lógica de negocio y ofrecen una herramienta ágil para adaptar los objetivos y la estrategia de la empresa al entorno cambiante. Sin embargo, debido a limitaciones físicas y tecnológicas, de entre todos los procesos del negocio, los procesos de fabricación no han alcanzado el nivel de integración deseable, teniendo que ser, en la mayor parte de los casos, considerados como sistemas heredados. En [3] se recopila la tecnología de comunicación e integración utilizada actualmente en los niveles de fabricación como sistemas externos a los procesos de negocio (por ejemplo: Modbus, Profibus, AS-I, FIPIO, DeviceNET, Interbus o Ethernet industrial). Este trabajo se centra en los modelos tradicionales de automatismos industriales basados en protocolos propietarios que requieren adaptadores ad-hoc situados en el nivel de recursos del modelo eBusiness para integrarse con los componentes de negocio ubicados en el nivel de empresa.

Schneider ha sido uno de los primeros fabricantes de dispositivos de automatización y control industrial que han propuesto la introducción de dispositivos embebidos y paradigmas de Internet (ethernet, TCP/IP o protocolos Web) en sus dispositivos de automatización para establecer la comunicación con las aplicaciones de gestión. Esta tendencia se puede ver reflejada en conceptos como el transparent factory [7]. En [9] varios investigadores de la empresa ABB proponen la introducción de sistemas embebidos en los dispositivos de control sobre los que se sustentan protocolos ampliamente extendidos en Internet (como SOAP) para establecer la comunicación con los niveles superiores. En este trabajo se dota al dispositivo de control de inteligencia y autogestión no solo estableciendo una interfaz de acceso a sus funcionalidades si no también dotándole de capacidades proactivas que le permitan establecer por sí mismo y ante diversos sucesos la comunicación con los sistemas de gestión. En [6] se propone el uso de Web Service como medio para acceder a las funcionalidades de los dispositivos de automatización y control para facilitar la integración con los sistemas de planificación de recursos empresariales (ERP). Estas tres propuestas se centran en los elementos de los niveles de automatización y control, manteniendo las tecnologías actuales para conectar con la maquinaria industrial. Abstrae los dispositivos como procesos de fabricación pero no define su ubicación junto con los procesos de negocio del nivel de empresa dentro del mapa general del modelo de negocio electrónico.

Encontramos propuestas más en consonancia con la nuestra, pero muy guiadas por los aspectos tecnológicos y de realización práctica, lo que provoca en muchas

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ocasiones que se puedan obviar matices derivados del modelo y de la justificación de su propuesta. Dentro del marco de proyectos europeos de investigación y desarrollo de la iniciativa ITEA [13] se está desarrollando el proyecto SIRENA [12]. El objetivo de este proyecto es la creación de un marco de trabajo para la especificación y desarrollo de aplicaciones distribuidas para sistemas embebidos de tiempo real, como la automatización industrial y la industria automovilística. Como resultado de este proyecto en [10][11] se presenta un enfoque orientado al uso de arquitecturas SOA y la provisión de infraestructuras en dispositivos embebidos de red en general y en la maquinaria industrial en particular que permita presentarlos como servicios. En [14] se establece una propuesta para coordinar estos nuevos elementos con los procesos de negocio existentes. En este sentido, nuestro enfoque se centra mucho más en la completa integración de los procesos de fabricación dentro del esquema general de procesos de la organización.

De esta revisión se desprende claramente el interés generalizado por integrar los procesos de fabricación dentro del mapa de procesos general de las organizaciones y utilizar tecnologías que compatibilicen las actuales infraestructuras con las empleadas en los niveles superiores de la organización. Sin embargo, la mayor parte de las propuestas se deja guiar por la tecnología en la que se basan, introduciendo serias limitaciones que frenan su total desarrollo.

3 Enfoque propuesto

El trabajo que se describe en este artículo se encuadra en el marco de una investigación más amplia, cuyo objetivo se centra en lograr un modelo eBusiness integral, compatible con las propuestas actuales, que supere las limitaciones físicas y logísticas que impiden que los procesos de fabricación puedan aprovechar todo el potencial que las nuevas tecnologías pueden ofrecer en este nivel de la empresa, de igual forma que en la actualidad están obteniendo otras áreas.

El método seguido para alcanzar este objetivo consiste en, una vez analizados los modelos actuales, dividir el proceso en dos fases bien diferenciadas: la primera de ellas, que denominamos normalización de los elementos de producción, está encaminada a lograr poner la maquinaria industrial y su funcionalidad al mismo nivel de abstracción que el resto de la lógica de negocio; una vez normalizados estos componentes, incluirlos dentro del modelo de negocio de forma que, literalmente, se confundan con la lógica de negocio.

En la figura 1 se recoge de forma muy esquemática los principales elementos involucrados, pertenecientes a una empresa manufacturera. En cada una de las variantes a, b y c se muestra cómo varía la relación entre los mismos a medida que vamos avanzando en el proceso.

En al figura 1.a se presenta el escenario típico actual. Es fruto del proceso de organización basada en procesos que la empresa sufrió durante los años 90, muy influenciado por las restricciones físicas y tecnológicas de la maquinaria industrial, sujeta a las normas propietarias de sus fabricantes. Debido a estas limitaciones, la lógica de negocio queda seccionada en dos grandes bloques, dedicados a la lógica de negocio y a la de fabricación. Se han introducido en este esquema, dentro de la

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sección dedicada a la fabricación los elementos físicos de control y automatización típicos de esta etapa que han servido como puente tecnológico para intentar subsanar en la medida de lo posible esta situación, estableciendo mecanismos ad-hoc.

Fig. 1. Enfoque propuesto para establecer un nuevo modelo de negocio electrónico

En la figura 1.b, los elementos de fabricación ya han pasado por el proceso de normalización, dejándolos al mismo nivel que los componentes de negocio, eliminando la diferenciación existente y aplicando los patrones. Sin embargo, siendo realistas, no se puede en esta primera etapa prescindir de los sistemas heredados de control que durante tanto tiempo han estado resolviendo, mejor o peor, estas diferencias tecnológicas entre la lógica de negocio y la maquinaria industrial. Es por ello que se plantea esta fase intermedia en la que las relaciones existentes se mantienen, con la ventaja de que ya no existen limitaciones físicas o conceptuales, sólo procedimentales, y que ahora estas relaciones pueden establecerse mediante mecanismos que faciliten su gestión, como los servicios bajo demanda y las arquitecturas basadas en servicios, y que estén dirigidas por los estándares que dirigen la implantación de los procesos (como las normas ISO).

La figura 1.c se acerca más al escenario final. En primer lugar se han ido integrando de forma natural los elementos productivos que inicialmente estaban totalmente fuera de las relaciones sistemáticas; progresivamente se irán eliminando los elementos intermedios empleados hasta el momento y se establecerán las relaciones finales entre todos los componentes guiados únicamente por la organización procedimental.

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4 Proceso de normalización de la maquinaria industrial

El proceso de normalización tiene como objetivo caracterizar los elementos de producción —incluyendo la maquinaria industrial— desde el punto de vista de su aportación al modelo de negocio de la organización. De esta manera se genera una visión que permite evolucionar desde los elementos tecnológicos —maquinaria industrial e infraestructuras TIC— a los servicios TI, en una primera instancia y, por último, a los procesos de negocio.

Para alcanzar este objetivo se debe elevar el nivel de abstracción de estos elementos productivos, equiparándolos con las infraestructuras TIC de la organización que, en el caso que nos ocupa, coinciden con el concepto de contenedor software bajo la organización de una arquitectura de n-niveles. Una vez efectuada la normalización de los componentes físicos estaremos en disposición de hacer lo propio con su funcionalidad. En este caso, el proceso consistirá en expresar los procesos de fabricación en términos de componentes software distribuidos, ejecutándose sobre contenedores de componentes e integrándolos con el nivel de empresa dentro de la lógica de negocio general de la organización, estableciéndose así un único espacio donde se ubiquen de manera natural todos los procesos de negocio de la organización. Con este enfoque se dotará de continuidad al modelo y al desarrollo de los procesos de negocio, abarcando todos los ámbitos del negocio y facilitando la aplicación integral de los estándares de la industria orientados a la gestión de procesos (ISO).

Por lo tanto, el proceso se desarrolla en torno a dos ejes principales: establecer la arquitectura física que permita transformar los dispositivos de producción en un contenedor software y establecer el modelo de componentes y servicios software que encapsulen la funcionalidad del dispositivo.

4.1 Diseño físico

El primer paso de esta fase se centra en dotar a los dispositivos de producción de capacidad de cómputo y de comunicación. Con los avances que se han producido en los últimos años en la electrónica y las comunicaciones ha aparecido una nueva categoría de computadores de pequeñas dimensiones denominados dispositivos embebidos con un bajo coste y que permite la integración dentro de otros sistemas proveyéndoles de las características mencionadas anteriormente. En base a estos dispositivos podemos dotar a los elementos de producción de funcionalidades avanzadas e introducir paradigmas de computación distribuida ampliamente difundidos con la evolución de Internet generando dispositivos inteligentes [15]. En la figura 2 se ha definido la estructura general de la arquitectura hardware del nuevo dispositivo inteligente de producción formado por la maquinaria industrial y el dispositivo embebido.

En nuestro ámbito de investigación no pretendemos diseñar dispositivos embebido si no hacer uso de ellos como base para lograr la normalización. El segundo paso define contenedor software que proporciona la infraestructura adecuada, en términos de servicios middleware, a los componentes que encapsularán la funcionalidad del dispositivo (figura 3).

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Fig. 2. Estructura hardware básica de dispositivos de producción.

De esta forma la funcionalidad del sistema vendrá determinada por el software y no por el hardware permitiendo una mayor flexibilidad, autonomía, e interoperatividad a los dispositivos de producción [4].

Los elementos de producción se definen ahora como contenedores de componentes software semejante conceptualmente a los existentes en la actualidad (servidores de aplicaciones, contenedores Web) que proveen a los componentes de un conjunto de servicios adecuados a las tendencias tecnológicas y sociales del mercado: integración, autogestión, configuración cero, autonomía, independencia de la plataforma hardware y software, flexibilidad, seguridad, tolerancia a fallos, continuidad en el negocio y facilidad de uso.

Fig. 3. Arquitectura software de los elementos de producción.

Dispositivo embebido

Máquina Industrial

Alimentación

Procesador

Com

unic

ació

n

Memoria

Sistema Operativo

Máquina Industrial

Dispositivo Embebido

Hardware

Red de Comunicaciones

Software Component Software

Component

Rem

ote

Cal

l

Tran

sact

ion

Com

pone

nt

Man

agem

ent

Dis

cove

ry

Even

ts

Pers

iste

nce

Oth

er

Serv

ices

Middleware

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4.2 Modelo de componentes

Una vez establecido el contenedor software como marco de ejecución de los componentes software se ha establecido una categorización en función de cómo son utilizados en la aplicación (figura 4). El enfoque propuesto distingue en la capa de aplicación de los elementos de fabricación tres tipos de componentes software: procesos de negocio, agentes de control y componentes de entidad.

Fig. 4. Modelo de componentes

Los procesos de negocio implementan unidades de trabajo independientes que representa la lógica de negocio o funcionalidades que ofrece el elemento mecánico. Establecen un comportamiento pasivo a la espera de peticiones provenientes de componentes externos mediante paradigmas orientados a servicios. Estos componentes al igual que los componentes de entidad son equivalentes a sus homónimos en el nivel de empresa del modelo actual del eBusiness.

Los agentes de control definen el comportamiento activo o inteligente del elemento de producción. Estos componentes se comunican de forma autónoma con entidades externas de control para enviar información que verifique el correcto funcionamiento del proceso de fabricación o que añada valor al negocio global de la organización (tiempos, errores, etc.).

Los componentes de entidad representan unidades de información necesarias para la personalización de la lógica de empresa representada en los procesos de negocio o para establecer variables de estado que permita a los agentes de control validar el correcto funcionamiento de los elementos de producción.

5 Caso de estudio

Como ejemplo de implementación del proceso de normalización se ha definido un escenario donde realizar un caso de uso sencillo que nos ha permitido obtener los primeros resultados de la investigación. El trabajo lo hemos dividido en las siguientes tareas: planteamiento del escenario general, especificación del diseño funcional, descripción de los componentes del escenario e implementación.

Agente de Control

Componentes de Entidad

Proceso de negocio

MIDDLEWARE

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5.1 Planteamiento del escenario

El escenario propuesto (figura 5) está compuesto por tres elementos conectados a través de la red: un brazo robótico sobre el que se ha realizado el proceso de normalización introduciendo un dispositivo empotrado, un servidor de registro UDDI y un ordenador cliente. Al normalizar el brazo robot se transforma en un Servicio Web que es registrado en el servidor UDDI. Desde el ordenador cliente se accede al registro UDDI para obtener el documento WSDL que describe el servicio y establecer una interfaz de usuario que permita acceder a la funcionalidad del dispositivo industrial.

Fig. 5. Escenario propuesto

5.2 Descripción de los componentes

Para llevar a cabo la experimentación se han utilizado los siguientes componentes: un brazo robot de manipulación modelo OXFORD OX2, el sistema embebido XPORT de Lantronix Corporations [16], servidor que incluye el servicio de registro y publicación UDDI para Intranets proporcionado por Windows 2003 server y un cliente con el entorno de desarrollo Visual Studio .NET 2003.

Tabla 1. Características técnicas del OXFORD OX2.

Características Valor Movilidad eje 0 210º Movilidad eje 1 180º

Movilidad eje 2 230º Elevación de la muñeca 140º Rotación de la muñeca 320º Apertura de la pinza 10 cm

Presión de agarre 10 N Velocidad máxima 46º/seg.

Alcance (desde el centro del eje 1) 50 cm

El OXFORD OX2 ODP es un brazo robot de manipulación de objetos con 4 grados de libertad ubicado sobre un par de guías que le permite además un desplazamiento

Router/ Proxy/ Firewall

INTRANET Internet

DISPOSITIVO NORMALIZADO

REGISTRO UDDI

CLIENTE WEB

SERVICE

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horizontal de 2 metros. Las principales características del brazo de manipulación se muestran en la tabla 1.

El sistema robótico permite la comunicación para su manipulación a través de un puerto serie RS-232 de 32 pines mediante secuencias de comandos ASCII básicos que permite establecer el motor de la articulación que se quiere mover, el ángulo y la velocidad de desplazamiento, el ángulo de apertura de la pinza o el retorno a la posición original.

Fig. 6. Arquitectura software XPORT ampliada con SOAP.

El XPORT es un dispositivo embebido de pequeñas dimensiones (17x14x34) dotado de un conector RJ45 hembra que le permite establecer una conexión Ethernet 10/100 BaseT. Cuenta con una capacidad de 256 Kb de SRAM y 512 Kb de memoria Flash. El microprocesador de 16 bits a 88 MHz es compatible con la arquitectura x86. Además pose una interfaz serie con soporte RS-422 y RS-485. En la figura 6 se describe la arquitectura software. El protocolo de transporte SOAP, fundamental para nuestro objetivo, no viene incluido en el XPORT. En el proceso de implementación se describe como se ha resuelto esta carencia.

5.3 Especificación del diseño funcional y diseño técnico

Para llevar a cabo el experimento se han definido un conjunto de funcionalidades que el Servicio Web provee al usuario:

• Inicializar brazo robot: El brazo robot vuelve a la posición inicial. • Obtener posición: Indica la posición del brazo robot. • Indicar posición: Permite mover el robot a la posición especificada por el

usuario. • Mover objeto: Mueve un objeto de la posición X a la posición final Y.

Posteriormente se han definido dos componentes dentro del dispositivo XPORT. El primero, de tipo entidad, se encarga de la persistencia de la posición en la que se encuentra el robot industrial en cada momento. El segundo, es un componente de proceso de negocio. Este componente encapsula la lógica de negocio que representa la funcionalidad definida anteriormente estableciendo la comunicación vía puerto serie con el robot de manipulación. Para ello ha sido necesario implementar el modelo

DHCP SNMP HTTP TFTP

PILA TCP/IP

Telnet

SISTEMA OPERATIVO EMBEBIDO

HW (CPU, Memoria, E/S, Adaptador De Red)

SOAP

APLICACIONES DE SERVIDOR DEL DISPOSITIVO

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cinemático (directa e inversa) del brazo mecánico que permita establecer la posición y la orientación del sistema.

5.4 Implementación y despliegue

La implementación del caso de uso planteado se ha realizado a priori en un PC que contiene las herramientas de desarrollo necesarias: TC 3.0 para el desarrollo de los dos componentes, VS.Net para generar la interfaz cliente que utiliza el servicio y la librería gSOAP que implementa el protocolo SOAP en el lenguaje C y proporciona herramientas para la generación del documento WSDL a partir del cual generar la aplicación cliente.

Una vez generada la aplicación que encapsula la lógica de negocio de manipulación del robot y validada a través de comunicación serie creamos la infraestructura necesaria para exponer la aplicación como un Servicio Web. Mediante la librería gSOAP [17] es posible generar el documento WSDL que describa el Servicio Web. Posteriormente se registra en el servicio UDDI que incluye Windows 2003 server. Con el entorno de desarrollo VS.Net se genera a partir del documento WSDL obtenido del registro UDDI el acceso al servicio de una forma muy sencilla como si de un componente local se tratase. Después realizamos una sencilla interfaz para que el usuario acceda a la funcionalidad y se pudiera validar la aplicación. Una vez los resultados fueron satisfactorios se debía desplegar la aplicación sobre el dispositivo XPORT. Para ello fue necesario adaptar la librería gSOAP al dispositivo embebido debido a las restricciones de memoria, y transferir la aplicación vía TFTP, conectar mediante un conversos RS232 a RS485 el XPORT al robot y finalmente conectar a la red. Se actualizó la aplicación cliente para la nueva IP que permitiera localizar el Servicio Web. El resultado final del experimento fue muy satisfactorio al ser un primer caso y no establecernos objetivos muy ambiciosos.

6 Conclusiones

En este trabajo se ha presentado una propuesta encaminada a integrar conceptualmente los elementos de producción (fundamentalmente la maquinaria de fabricación) dentro del modelo global de negocio electrónico, eliminando la tradicional dependencia de sus características físicas y operativas.

El método propuesto gira alrededor del concepto de normalización, con el que se pretende caracterizar los elementos de producción desde el punto de vista de su aportación al modelo de negocio. Una vez normalizados, se podrán integrar de manera transparente dentro del modelo de negocio electrónico conceptual.

La realización de la propuesta se ve enormemente favorecida por el estado actual de los dispositivos embebidos que permiten incorporar a la maquinaria industrial el hardware computacional, los protocolos de comunicación, las capas de servicios y la inteligencia necesaria para alcanzar el objetivo fijado.

En la actualidad estamos trabajando en la segunda fase de la propuesta, ubicando los nuevos componentes de negocio emergidos a partir del proceso de normalización,

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dentro de la arquitectura técnica, tanto conceptual como física, del modelo de negocio electrónico.

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