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Rev. Téc. Ing. Univ. Zulia. Vol. 32, Nº 1, 1 - 15, 2009
Embedded holonics systems in production process: holonic unit of production
Edgar Chacón1, Isabel Besembel1, Dulce M. Rivero1 y Juan Cardillo2
1 Departamento de Computación. echacon@ula.ve, ibc@ula.ve, milagro@ula.ve.
2 Departamento de Sistemas de Control. ijuan@ing.ula.ve.
Escuela de Ingeniería de Sistemas, Facultad de Ingeniería, Universidad de Los Andes.
Av. Alberto Carnevalli, Núcleo Pedro Rincón Gutiérrez, La Hechicera, Edf. B. Piso 2, Mérida, Venezuela.
Abstract
The automation of a production process needs a complete description of the productive
process in order to be able to: “make a production plan”, “perform a production
scheduling”, “control” and “supervise” it. The complexity of building such a description of
the productive process model emerges from the coexistence of two points of view that
are contradictory: The model precision, which implies the construction of total models
that cannot be reached and the necessity of the global knowledge that is associated to
the different views of the process. These views show: the organizational structure of the
model, dynamics of each distinct component, different temporal scales where decisions
are taken. The Holonic approach has been used to handle this complexity in order to
manage both, the precision and the global aspects simultaneously. In this article, we
show a reference model, where a productive process is seen as the conjunction
cooperating production units. These Production Units are described as an invariant
embedded system with holon characteristic, named as: the Holonic Production Unit.
Key words: Production unit, holonics systems, complex systems, business model.
Sistemas holónicos embebidos en procesos de producción: unidad holónica de
producción
Resumen
La automatización del proceso de producción necesita una descripción completa del
proceso productivo para poder: “planificar”, “programar”, “controlar” y “supervisar” el
mismo. La complejidad en la obtención de una descripción del modelo del proceso
productivo está en la existencia de dos puntos de vista que se contradicen: La precisión
que implica la construcción de modelos totales, que no pueden ser alcanzados y la
necesidad de la globalidad, que está asociada a las diferentes vistas del proceso. Estas
vistas muestran: la estructura organizativa del sistema, la dinámica de los distintos
componentes del sistema, las distintas escalas temporales en donde se efectúa la toma
de decisiones. El enfoque Holónico ha sido utilizado para abordar el manejo de esta
complejidad, en función de una abstracción que permite manejar la precisión y la
globalidad simultáneamente. En este artículo se muestra un modelo de referencia en
donde un proceso productivo es visto como la conjunción de unidades de producción
cooperantes. Estas Unidades de Producción son descritas como un sistema invariante empotrado con las características propias de un holón: Unidad Holónica de Producción.
Palabras clave: Unidad de producción, sistemas holónicos, sistemas complejos, modelo de negocio.
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Recibido el 07 de Julio de 2008 En forma revisada el 12 de Enero de 2009
1. Introducción
El paradigma de los sistemas holónicos comienza con el término “Holón” que fue
acuñado originalmente por Arthur Koestler [1], basándolo en la palabra griega “holos”
para el “todo” y el sufijo “-on” que denota parte. De acuerdo a Koestler un Holón es en si
mismo semejante, esto es, una estructura compuesta (Holón) que es estable, coherente
y que está compuesta por estructuras topológicamente iguales a ella, (Holones), y ella
en si misma es parte de un gran todo. En un esfuerzo por crear un modelo de auto-
organizaciones en sistemas biológicos, Koestler identificó los llamados patrones
estructurales que forman jerarquías anidadas de auto-réplicas de estructuras,
denominadas holarquías. Este término refleja las tendencias de los holones a actuar
como entidades autónomas, cooperando para formar una auto-organización jerárquica
de sistemas, tal como: el sistema jerárquico célula/tejido/órgano en biología [2]. En la
holarquía, los holones en diferentes niveles de resolución se comportan como un todo
autónomo y como partes, cooperan para alcanzar la meta de la holarquía. Dentro de una
holarquía, los holones pueden pertenecer a diferentes agrupamientos simultáneamente,
mostrando reglas precisas que gobiernan su comportamiento. Las reglas definen un
sistema como un holón con una individualidad propia; ellas determinan sus propiedades
de invarianza, su configuración estructural y su modelo funcional. La dualidad
autonomía-cooperación, como principal contradicción dentro de una holarquía, es
balanceada por el modelo de conocimiento, que en la mayoría de los casos son reglas, que definen la funcionalidad de tal sistema de holones semi-autónomos.
En base a los conceptos anteriores y al paradigma empresarial de tener modelos
reconfigurables abiertos, flexibles y capaces de emular la dinámica del mercado en una
economía de red de trabajo, surge la Empresa Holónica (EH) [3], que hace necesario que
las estrategias y relaciones evolucionen con el tiempo, cambiando con la dinámica del ambiente de negocio.
Hoy en día, las empresas constituidas de manera clásica, tratan de cumplir con el
paradigma de ser reconfigurables, abiertas y flexibles, por la conformación de: “unidades
de producción” en red y como segundo enfoque el de “redes dinámicas de empresas”.
Siendo las primeras, la conformación de una empresa tradicional y las segundas,
empresas virtuales. Así, una empresa virtual es aquella donde sus miembros están física
y geográficamente disgregados o distribuidos, mientras que aparentan ser una sola
organización unificada con una localización física real. Es de resaltar que en una
organización virtual, el trabajo no puede completarse sin el apoyo de una infraestructura
de tecnología de información que una las partes [4]. En los sistemas de manufactura se
han presentado diversos modelos basados en el enfoque holónico y arquitecturas que soportan estos modelos [1, 2, 5-8].
En [9] se presenta un esquema para un proceso holónico de producción que contempla
modelos complejos, precisos para el sistema global. En el presente trabajo, se presenta
un modelo de referencia donde un proceso productivo (empresa constituida de manera
virtual o no) es visto como la conjunción cooperante de Unidades Holónicas de
Producción, donde la asociación de las diferentes plantas del proceso de producción es
una unidad de producción que está basada en el modelo de negocio, la cadena de valor y
el flujo de producto [10]. Estas unidades holónicas de producción son descritas como un
empotramiento invariante que posee las características propias de un holón: el Holón
Unidad de Producción. El empotramiento invariante, sin pérdida de generalidad, está
dado por la composición recursiva de holones. Está composición recursiva comienza con
el lazo de control holónico, el conjunto de lazos de control conforma el sistema holónico
controlado hasta llegar al Holón Unidad de Producción. Para llegar a la descripción
anterior, en la sección 2 se presenta el modelado de una empresa constituida. En la
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sección 3, se muestra la Unidad Holónica de Producción. En la sección 4 se incluyen los agradecimientos y por último en la sección 5, las conclusiones y trabajos futuros.
2. Modelado de una empresa constituida
Como se dijo en la sección anterior, una empresa constituida describe tanto a empresas
compuestas por varias unidades semi-independientes, como a empresas virtuales,
asumiendo que ambas fabrican el mismo producto y por ello, el modelo de negocio es
equivalente. El uso de las cadenas de valor es la base para desarrollar modelos de los
diferentes procesos de negocios que son específicos a la empresa [11]. Una
representación gráfica de las cadenas de valor puede verse en la Figura 1. El flujo de
producto se puede definir como las diferentes etapas de transformación que sigue un
recurso (o conjunto de ellos) hasta obtener un producto final. La conjunción de la cadena
de valor más el flujo del producto da como resultado el flujo de producción. El flujo de
producción no es más que el agregado de funcionalidades (qué hace el equipo) y transformaciones (calidades) de los recursos para obtener el producto final.
2.1. Caracterización de las unidades de producción
Cada etapa o eslabón de la cadena de valor (entrada de recursos,
procesamiento/transformación y almacenamiento) del flujo de producción, es vista como
una Unidad de Producción (UP). Así, un proceso productivo o empresa es una agregación
de unidades de producción cooperantes. La tipificación de cada unidad de producción
depende de la manera como evoluciona el recurso (o los recursos) en ella, a saber:
Continua, Lotes, Manufactura, Híbrida, etc. Adicionalmente, cada UP realiza una
operación (transformación) específica dependiendo de las propiedades del recurso (o los
recursos) basada en una receta. No obstante, es posible encontrar elementos comunes o
genéricos que caracterizan a cualquier UP en un flujo de producción. Así, se caracteriza
una UP como aquella que posee:
Un proceso de captación de recursos.
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Un proceso de transformación. Un proceso de almacenamiento de producto transformado.
Inicialmente el o los recursos y los productos son gestionados por el coordinador de la
UP. Esto es, los recursos son ubicados, obtenidos por el coordinador a través de una UP
y los productos resultantes son transportados hacia otra UP o al cliente final. Así, el
proceso de captación de recursos de la UP es el encargado de garantizar los recursos
para una determinada receta de producción. Posterior a ello, la UP selecciona cual debe
ser el método de producción para las transformaciones que la materia prima requiere. La
selección de la configuración y del método de producción depende de las propiedades
tanto de los recursos que ingresan a la UP, como de los productos resultantes,
respectivamente. Finalizado el proceso de transformación, el recurso transformado es
almacenado y queda en espera de que otra UP lo solicite para ser transportado.
En la Figura 2 se muestra el modelo estructural de una UP, asociado a un eslabón de la
cadena de valor. La UP gestiona los métodos de producción, la configuración de la
unidad y el manejo de los recursos que intervienen en el proceso de producción para
obtener el producto. Con esta descripción estructural se colocan las bases para poder
obtener la información necesaria para realizar la negociación de ella, en pro de fijar un
plan. Esta descripción permite establecer cuáles son los variables y sus respectivos
valores nominales, capaces de generar el estado de la unidad de producción, como por
ejemplo: índices de desempeño, confiabilidad, calidad del producto, cantidad de
productos esperados, capacidad de producción, capacidad (mínimo y máximo) de
almacenamiento del producto terminado. Estos valores de estado de la UP son los
elementos claves para realizar la negociación entre las mismas, como por ejemplo: la
capacidad de producción de la UP está dada por la capacidad del proceso de
transformación, la cual a la vez está determinada por la capacidad de almacenamiento,
si y solo si la materia prima y el resto de los recursos para la transformación están
garantizados. El modelo estructural que caracteriza la UP de la Figura 3, está realizado
con el lenguaje de modelado unificado UML [10, 12-15], donde los rectángulos
representan clases y las líneas las relaciones entre ellas, utilizando tres tipos de
relaciones, a saber: generalizaciones/especializaciones (flechas), asociaciones (líneas) y
composiciones (líneas con rombos). En este modelo se pueden observar las diferentes
entidades que conforman y que se relacionan con la UP. En particular, se muestra una
clase especial con el estereotipo “asociación”, que se encarga de registrar: las diferentes
configuraciones de los recursos, el proceso de producción, el software de control y
supervisión y su relación con el método de producción. También se muestra la
clasificación de los recursos que maneja la UP para llevar a cabo su plan de producción,
el cual soporta la función de planificación. Esencialmente por motivos de espacio, este
modelo estructural se muestra en su forma más concisa, pero para cada una de las
clases se deben definir los atributos, las reglas y las operaciones, a los efectos de soportar el modelo de comportamiento de la UP.
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Considerando el modelo UML de la UP presentado en la Figura 3, la Figura 4 muestra un
modelo empotrado del esquema de toma de decisiones, necesario para que cada eslabón
de la cadena de valor se comporte como una UP. El modelo establece que el piso de
planta es conformado por el proceso de producción y cada uno de los lazos de control.
Los controladores (tomadores de decisiones) diseñados se encuentran en una
arquitectura tecnológica de información y comunicaciones, la cual necesita de
aplicaciones y redes industriales para poder capturar las variables a partir de los
sensores e indicar las acciones establecidas por el controlador sobre los actuadores. Así
el proceso productivo controlado es visto como el sistema que debe ser monitoreado, supervisado y gestionado por el supervisor.
3. Unidad holonica de producción: sistema holonico embebido
Un holón para empresas de manufactura, se define como un “constructo de bloque”,
cooperativo y autónomo para transformar, transportar, almacenar y/o validar
información y objetos físicos, [2, 3, 5, 6, 8]. Un holón tiene la autonomía de crear y
controlar la ejecución de sus propios planes, y éste puede cooperar con otros holones
para desarrollar conjuntamente un plan aceptable para lograr la meta del sistema. La
cooperación entre los holones es cumplida a través de la evolución en la holarquía de la
misma organización (un sistema de holones).
En un sistema holónico de producción, el objetivo es lograr un espectro completo del
rango de la función de control que va desde los planes de producción que controlan al nivel más alto hasta los procesos/máquinas que controlan el más bajo nivel [9, 10].
La automatización integral de sistemas plantea tener una visión global del proceso
productivo, donde cada elemento que interviene en la producción debe ser tomado en
cuenta para poder controlar, supervisar y gestionar la producción [9, 10], Figura 5.
El esquema de automatización se basa en la construcción de modelos que representan la
Unidad de Producción tanto en su aspecto estructural, como en su dinámica. Los
esquemas de control aseguran que el comportamiento del sistema esté dentro de lo
deseado, para lo cual el conocimiento que se tiene del estado del sistema permite
evaluar cuáles deben ser las acciones de control viables, con el fin de asegurar que el
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sistema alcance el estado deseado. En el sistema, el control está supeditado al objetivo
fijado a la Unidad de Producción, y los objetivos están determinados en base a lo que
la UP puede hacer. Cada proceso que conforma la UP tiene un comportamiento propio
que depende de las leyes físicas-químicas ante una condición de operación dada,
concibiendo modelos continuos, discretizados, o discretos. El conjunto de estos procesos
describe una dinámica que se puede plasmar formalmente como un Sistema Dinámico
Híbrido, pero clásicamente se describe mediante Sistemas Dinámicos a Eventos
Discretos. Al tener esta descripción dinámica, el comportamiento puede ser controlado por un sistema supervisorio automático o mediante la intervención humana.
Cada proceso que efectúa la planta necesita insumos, equipos y recurso humano que en
general todos ellos son considerados recursos. Es a través del conjunto de cambios que
sufren los recursos en el tiempo, y a la información recabada tanto del estado del
proceso, como de los recursos, los que determinan si el sistema completó el objetivo de
producción, o si el mismo no puede ser alcanzado a causa de una falla en alguno de los
recursos. La culminación o no del objetivo de producción debe ser gestionada para
definir un nuevo esquema o configuración de producción dentro de la Unidad de
Producción. Si éste no puede gestionarse dentro de la UP, se debe alertar a otro nivel
para en lo posible, asegurar el objetivo fijado para el conjunto de Unidades de
Producción mediante una nueva reconfiguración de ellas. Considerando las
descripciones anteriores que provienen de sistemas de manufactura, aquí se propone
para los procesos de producción, que un holón debe estar compuesto por un “CUERPO”,
donde se desarrollan los procesos de transformación/transporte/almacenamiento, que
son realizados por un conjunto de dispositivos físicos, tales como: reactores,
compresores, almacenes, entre otras. Una “CABEZA”, donde se desarrollan los procesos
de toma de decisiones respecto de la producción, basados en el conocimiento que se
tiene del proceso de producción y de los recursos, y que son desarrollados por sistemas
inteligentes: hombres y máquinas. Un “CUELLO” que es la interfaz entre los dos
anteriores y que está conformado por toda la infraestructura teleinformática que almacena, soporta y transporta la información (Figura 6).
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En la Figura 7 se muestra la correspondencia entre la estructura de un holón y la
estructura genérica de un sistema de producción. Así el cuerpo está conformado por el
proceso de producción en si mismo. El cuello está conformado por los mecanismos y
aplicaciones de comunicación que permiten capturar, mantener y almacenar datos. La
cabeza está conformada por las aplicaciones que evalúan y toman decisiones. Todo lo
anterior apoyado en la infraestructura de tecnología, información y comunicaciones que debe tener una empresa.
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Así, se propone una estructura holónica embebida que describe a una unidad de
producción, el Holón Unidad de Producción (HUP). Este HUP está compuesto por el
empotramiento de la Planta Supervisada como cuerpo. La Planta Supervisada no es más
que el empotramiento de todo el conjunto de Holones Proceso Supervisado. Cada Holón
Proceso Supervisado tiene como cuerpo al proceso controlado. El proceso controlado no
es más que el empotramiento de todo el conjunto de Holones Lazos Controlados. Cada
uno de los holones está descrito por el esquema presentado en la Figura 7, en donde la
inteligencia de cada holón está suscrita a un modelo de comportamiento, en conjunción
con un esquema de negociación y un mecanismo de toma de decisiones. El modelo de
comportamiento es usado como mecanismo de validación para generar el estado del holón, necesario para efectuar la negociación.
3.1. Holón con lazo de control u Holón Lazo Controlado
La unidad funcional básica para la automatización de un sistema de producción es el lazo
de control. Si al lazo de control se le agrega como parte de su inteligencia, el diagnóstico
y la tolerancia a fallas de los elementos que lo conforman y de los procesos que en él se
llevan a cabo, se puede redefinir al lazo control como el Holón Lazo Controlado (HLC). El
Holón Lazo Controlado está conformado por un cuerpo que contiene al proceso físico en
el cual están implícitos los actuadores y el conjunto de sensores que permiten medir
variables de estado y cuyo modelo, sin perder generalidad, se puede describir por medio
de ecuaciones dinámicas de estado propias. El cuello está conformado por toda la
arquitectura teleinformática y las aplicaciones que son capaces de capturar, tratar,
almacenar, adecuar y transferir información tanto del sensor, como hacia el actuador. La
cabeza o controlador tolerante a fallos está conformada por un mecanismo de toma de
decisiones y por un mecanismo de auto-diagnóstico. Ambos mecanismos son algoritmos
que deben ser implementables en computadores. El mecanismo de toma de decisiones
puede tener una forma rígida (por ejemplo PID) o no (por ejemplo red neuronal)
diseñada a partir del modelo físico del proceso (modelo de conocimiento) que es capaz
de regular a un punto de operación y cuyo modelo, sin perder generalidad puede ser
descrito por ecuaciones dinámicas y/o algebraicas dependientes del punto de operación,
del estado o salida y de parámetros que se establecen por la región de operación. Así
descrito, el Holón Lazo Controlado es un sistema autónomo en donde entran productos y
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tiene como objetivo generar productos, su consigna es información sobre el tipo de
controlador a usar, a qué punto de operación debe llegar y cuáles son los parámetros del
controlador a usar. La información que se genera da como resultado la información
requerida para establecer la negociación, así como el seguimiento del cumplimiento de la
consigna dada por el punto de operación. Está información es mostrada en pertinentes variables de estado (Figura 8).
3.2. Holón con proceso supervisado u Holón Proceso Supervisado
Como se sabe un proceso posee más de un lazo de control. Cada lazo de control se ha
redefinido como el Holón Lazo Controlado. Todos los Holones Lazos Controlados
conforman el proceso controlado. La gestión del proceso controlado recae en un
supervisor. El mecanismo de toma de decisiones de un supervisor convencional se
encarga de asignar: consignas, tipos de controlador o parámetros para un controlador, a
partir de un método de producción instanciado. Si se le agrega como parte de la
inteligencia del supervisor, el diagnóstico de los elementos que conforman el proceso
controlado y de la gestión entre ellos incluyendo tolerancia a fallas, entonces se puede redefinir al proceso supervisado como el Holón Proceso Supervisado (HPS).
Sin perder generalidad, el proceso controlado es un proceso que tiene i modelos (quizás
más de uno por lazo controlado), cada modelo tiene un conjunto m de valores nominales
de operación que pueden ser alcanzados con un conjunto j de tipos de controladores, los
cuales son ajustados bajo un criterio determinado por el lazo con n de parámetros. Tal como lo muestra la Figuras 9 y 10.
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Así, el Holón Proceso Supervisado está conformado por un cuerpo que contiene al
proceso controlado, cuya salida es el estado de los equipos y desviaciones de las
consignas, y cuya entrada son: las consignas, tipo y parámetros de los controladores a
usar, en función de un conjunto de tareas a cumplir, evaluadas y negociadas
previamente. El cuello está conformado por toda la arquitectura teleinformática y
aplicaciones que permiten detectar y enviar eventos, es decir, son capaces de capturar,
tratar, almacenar y adecuar información continua en eventos y viceversa. Envía
consignas a partir del método de producción instanciado y detecta los estados generados
por el proceso controlado. La cabeza o supervisor tolerante a fallas, está conformada por
el mecanismo de toma de decisiones capaces de, a partir del conocimiento del estado del
proceso controlado y del conjunto de actividades por cumplir debido al método
instanciado, establecer por acuerdo el conjunto de tareas a cumplir por el proceso
controlado. El modelo del mecanismo de toma de decisiones es visto de forma natural
como un modelo de sistema hibrido, que generalmente es implantado como un Sistema
Dinámico a Eventos Discretos (SDED) descrito por la quintupla (X, U, Y, f(.,.), g(.)),
donde X es el conjunto no vació finito de estados, U es un conjunto no vació finito del
conjunto o alfabeto de controles y Y es el conjunto no vació de valores de salida (Figura 11).
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3.3. Holón unidad de producción o Unidad Holónica de Producción
En procesos industriales complejos es posible tener más de un supervisor, de modo que
es necesario un coordinador que gestione a todos los supervisores. Debido a la
complejidad del proceso de producción mencionado, la gestión de todos los HPS recae
sobre un coordinador. Al conjunto de HPS se le denomina Proceso de Producción Supervisado (Figura 12).
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Sin perder generalidad, el Proceso de Producción Supervisado puede tener i modelos
(quizás más de un proceso de producción supervisado), cada modelo tiene un conjunto
m de tareas nominales instanciadas del método de producción que pueden ser
alcanzados con un conjunto j de tipos de configuraciones, los cuales son ajustados bajo
un criterio determinado por el supervisor con n parámetros. Tal como lo muestra la Figura 13.
Así, el Holón Unidad de Producción (HUP) está conformado por un cuerpo que contiene al
Proceso de Producción Supervisado cuya salida es el estado del conjunto de tareas
acordadas y la capacidad de sus recursos (equipo, materia prima, recurso humano, etc),
las entradas son el conjunto de tareas a cumplir, previamente acordadas, que provienen
de una receta evaluada y negociada también previamente. El cuello está conformado por
toda la arquitectura teleinformática y las aplicaciones que permiten detectar eventos,
esto es, capaces de capturar, tratar, almacenar y adecuar información continua en
eventos, además de proyectar el conjunto de tareas al Proceso de Producción
Supervisado a partir de la receta establecida. La cabeza o coordinador tolerante a fallas,
está conformada por el mecanismo de toma de decisiones capaces de, a partir del
conocimiento del estado del Proceso de Producción Supervisado y del conjunto
compromiso con los clientes y suplidores, establecer lo que se va a fabricar con una
receta según lo negociado. El modelo del mecanismo de toma de decisiones es visto de
forma natural como un modelo de sistema hibrido que generalmente es implantado
como un Sistema a Eventos Discretos (SDED) descrito por la quintupla (X, U, Y, f(.,.),
g(.)), donde X es el conjunto no vació finito de estados, U es un conjunto no vació finito
del conjunto o alfabeto de controles, y Y es el conjunto no vació de valores de salida
(Figura 14).
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5. Conclusiones y trabajos futuros
De manera natural el modelo de negocio, la cadena de valor y el flujo de producto
permiten plasmar un modelo coherente del proceso de producción en toda su globalidad
y complejidad dando origen al modelo de referencia planteado. En este trabajo sólo se
describe la unidad holónica funcional básica de una empresa constituida, como lo es el Holón Unidad de Producción.
La descripción empotrada invariante presentada nos permite atrapar de manera clara y
precisa la definición recursiva de un holón y además de tener una equivalencia uno a uno
con la descripción holónica dada por Koestler. Además, esta estructura recursiva del
Holón Unidad de Producción permite una gestión en la toma de decisiones eficiente, ya
que la información se mantiene actualizada mediante mecanismos topológicamente
iguales y esto hace que el proceso productivo sea altamente flexible y reconfigurable. Se
debe establecer una descripción completa basada en casos de estudio de cada uno de los
holones propuestos. Así mismo, definir el planteamiento de una negociación vía
“Acuerdo” para la cooperación de los distintos Holones Unidad de Producción que
conforman la empresa constituida.
4. Agradecimientos
Al Consejo de Desarrollo Científico, Humanístico y Tecnológico (CDCHT) de la
Universidad de Los Andes, través de los proyectos I-867-05-02-A, I-868-05-02-M e I-1061-07-02-F.
Al Programa Franco-Venezolano, ECOS NORD denominado Coordinación en Redes de Actividad Industrial. FONACIT, Venezuela – CNRS, Francia.
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