Industria 4.0, ¿revolución o evolución? Análisis desde el modelo Henderson-Clark

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La digitalización ha sido identificada como la palanca transformadora más importante de innovación con impacto en todos los sectores de la economía. Su naturaleza, combinada con el modelo de innovación de Henderson-Clark, explica cómo es posible defender con argumentos ambas posiciones encontradas.

Industria 4.0, ¿revolución o evolución? Análisis desde el modelo Henderson-Clark

Artículo publicado originalmente en InfoPLC++ Magazine #17 Especial Perspectivas Industriales 2020

En el seno del Consejo editor de InfoPLC++, y también en actos y actividades que organiza la Comissió Indústria 4.0 (constituida por de ingenieros de Cataluña) es recurrente el debate entre dos posiciones encontradas. La primera defiende que la Industria 4.0 supone unos cambios de tal calado que la denominación “época de cambios” se queda corta, y propone la de “cambio de época”. La segunda defiende que el festival de términos que han emergido bajo su paraguas, como por ejemplo en el modelo de las 9 tecnologías transformadoras propuestas por el Boston Consulting Group –tales como la robótica colaborativa y autónoma, simulación (Digital Twin), integración H/V (APIs, entornos colaborativos), Internet Industrial de las Cosas, ciberseguridad, cloud, fabricación aditiva (Impresión 3D), realidad aumentada, Big-Data y analytics (Inteligencia artificial, machine learning)– son en realidad perros veteranos con nuevos collares, señalando que las tecnologías de la Industria 4.0 no son ni mucho menos nuevas, que la mayoría de ellas nacieron hace varias décadas, y que la estridencia de toda esta nueva terminología no se corresponde con la evolución ordenada y natural de la industria. Este debate se inició en 2013, sigue todavía vigente, y no hay indicios de que tenga que desaparecer de forma inminente. El objetivo de este artículo es proponer una explicación de porqué se produce este fenómeno.

Industria 4.0, desde los inicios hasta a situación actual

El documento Recommendations for implementing the strategic initiative INDUSTRIE 4.0, elaborado por la Academia de Ciencia e Ingeniería Alemana (ACATECH), está considerado como el Libro Blanco de la Industria 4.0. Le fue entregado a Angela Merkel durante su visita a la Feria de Hannover, en presencia de Vladimir Putin puesto que en aquella edición Rusia era el país invitado. Dicho documento presenta el modelo de las cuatro revoluciones industriales (máquina de vapor, energía eléctrica/división del trabajo, procesadores digitales y sistemas ciberfísicos interconectados), siendo los sistemas ciberfísicos y la Internet de las Cosas y los servicios los dos pilares principales de la Industria 4.0.

El presidente de la Acatech, Henning Kagermann, presentando el documento fundacional de la Industria 4.0 Angela Merkel en compañía de Vladimir Putin

El término Industria 4.0 puede utilizarse como sinónimo de Cuarta Revolución Industrial, y asimismo también da nombre a la iniciativa impulsada por el gobierno alemán denominada Industrie 4.0, orientada a posicionar al país como líder mundial en esta cuarta revolución. A partir de este momento la producción de artículos de carácter académico sobre Industria 4.0 no ha parado de crecer a nivel global.

Evolución de la presencia de artículos académicos con el término Industry 4.0 en el título, según la ISI Web of Science

La Industria 4.0 ha pasado a formar parte de la agenda política en numerosos países. Actualmente la gran mayoría de países europeos disponen de iniciativas gubernamentales para el impulso de la Industria 4.0.

Figura 1. Proyectos 4.0 impulsados por gobiernos en la Unión Europea

A nivel mundial, también se ha puesto en marcha diversas iniciativas en América del norte y en Asia.

Figura 2. Proyectos 4.0 impulsados por gobiernos a nivel global

La formalización de la Industria 4.0 y su estandarización en cuanto a marcos de referencia está liderada por los consorcios Plattform Industrie 4.0 y el Industrial Internet Consortium (IIC).

Plattform Industrie 4.0 está co presidido por los ministros de Economía/Industria e Investigación/Universidades de Alemania, y cuenta con el impulso de compañías industriales tradicionales prominentes en la Segunda Revolución Industrial tales como Siemens, Bosch, ThyssenKrupp o ABB, dando lugar al mundo denominado OT (Operations Technologies).

Por otra parte está el IIC, una entidad totalmente privada, globalmente abierta en cuanto a la posibilidad de ser miembro, e impulsada fundamentalmente por compañías norteamericanas dominadoras de la Tercera Revolución Industrial, como IBM, Intel, Cisco Systems o Microsoft, contando también con la participación de compañías europeas o asiáticas como Schneider Electric, Bosch o Huawei. Asimismo, el presidente del IIC también lo es del OMG (Object Management Group), entidad sin ánimo de lucro responsable de estándares del campo de la informática como el UML (Unified Modeling Language), dando lugar al mundo denominado IT (Information Technologies).

Ambos consorcios mantienen una estrecha colaboración, recogida en la publicación de documentos conjuntos que visualizan la armonización de ambas arquitecturas, y son una referencia para la denominada convergencia IT/OT (identificada por Rockwell Automation en 2007), es decir la convergencia entre los mundos de las operaciones y de las TIC, o la hibridación de los mejores logros de las revoluciones Segunda y Tercera.

Arquitecturas de la Industria 4.0

Actualmente hay dos arquitecturas de referencia, ambas nacidas en 2015, y que se complementan entre ellas. Por una parte está RAMI 4.0 (Reference Architecture Model Industry 4.0), impulsada por la Plattform I4.0, y por otra parte está IIRA (Industrial Internet Reference Architecture), impulsada por el IIC.

RAMI 4.0 define y formaliza la noción de I4.0 Component, que puede explicarse con la metáfora de la campana digital, según la cual todo activo puede digitalizarse mediante la incorporación de lo que denomina Administration Shell, que actúa como una campana o manto digital que lo cubre, independiente del nivel de granularidad, es decir, que el activo puede ir desde un sensor, una válvula, un motor, una máquina, una línea de fabricación, una planta o una organización entera. Una vez un activo está digitalizado, éste ya dispone de capacidades de computación y de conectividad en red, y además el activo físico puede verse acompañado de un gemelo digital, de modo que el I4.0 Component tiene la posibilidad de actuar en modo real o en modo simulado. Ello permite el desarrollo acelerado y pruebas de integración de componentes reales con componentes virtuales, puesto que se pueden anticipar fases de prueba y error en el mundo virtual antes de pasar al mundo real.

Los sistemas nuevos que incorporan dicha campana de origen, son nativos digitales y constituyen lo que se denomina greenfield, y los sistemas antiguos, que constituyen lo que se conoce como brownfield, en un porcentaje importante se pueden digitalizar, siendo actualmente un mercado en auge. Según Jeremy Rifkin en el mundo digital rige el principio coste marginal cercano a cero, tal y como explica en “La sociedad del coste marginal cero”, y la digitalización permite que este principio se pueda aplicar cada vez más a sistemas físicos a medida que éstos se van digitalizando.

El desarrollo de este concepto está formalizado en el estándar IEC PAS 63088, el cual representa los I40 Component tal y como se muestra en la siguiente figura:

Figura 3. La “campana digital” ofrece capacidades de computación y de conectividad en red

Dicho estándar establece que la interacción desde el exterior con una Administration Shell se realiza mediante un conjunto de APIs. La noción de API (Application Programming Interface) es pues fundamental, y se define como un conjunto de subrutinas que permite que un software pueda ser utilizado por otro software. El término subrutina fue introducido por John Mauchly en los años cuarenta en el desarrollo del ordenador ENIAC, y se puede definir como una entidad especificada por sus entradas y salidas de información y por su comportamiento, el cual está definido por un algoritmo. La variante en la que se basa la Industria 4.0 es la subrutina remota, es decir, la que se puede invocar a través de la red, y sus primeras implementaciones se realizaron a principios de los años ochenta en ordenadores de tipo departamental o corporativo.

En el esquema de la Figura 3 se muestran diversos I40 Components conectados entre sí mediante unas líneas, detrás de las cuales hay toda la formalización de la conectividad de los componentes propuesta por la arquitectura IIRA, que se fundamenta en conceptos de Cloud Computing y Edge Computing. El Cloud Computing, o computación en la nube se lleva a cabo en centros de datos (data centers), que consisten en grandes infraestructuras de servidores accesibles desde cualquier lugar geográfico, independientemente de la velocidad de los datos. Por otra parte, el denominado Edge Computing, se refiere a las comunicaciones con exigencias de velocidad de transmisión de datos, respuesta en tiempo real y fiabilidad de la comunicación, que son características tradicionales de los buses de campo industriales. El modelo de la IIRA unifica en un solo marco las comunicaciones cercanas y las comunicaciones globales en lo que denomina la Internet Industrial de las Cosas, incluyendo un marco para la ciberseguridad.

Ambas arquitecturas se complementan, siendo RAMI 4.0 una arquitectura en la que predominan los conceptos del mundo OT e IIRA una arquitectura en la que predominan los conceptos del mundo IT. En el mundo OT el ciclo de vida de los sistemas es largo y el término safety (seguridad de las personas respecto a los sistemas) es prioritario, y en cambio, en el mundo IT, el ciclo de vida de los sistemas es corto y el término security (seguridad de los sistemas respecto a las personas) es prioritario. Uno de los grandes retos de la Industria 4.0 es la convergencia entre ambos mundos que impone la digitalización, el cual puede ser abordarlo utilizando ambas arquitecturas combinadas.

Arquitecturas, modularidad e innovación

La noción de arquitectura es esencial en los discursos sobre modularidad e innovación desarrollados por Kim Clark, Rebecca Henderson y Carliss Baldwin en la Universidad de Harvard en los años noventa y principios de dos mil. Basándose en la noción propuesta por Herbert Simon en 1962 en su artículo The Architecture of Complexity, Baldwin y Clark definen arquitectura de un sistema como “una descripción abstracta de las entidades de un sistema y cómo están relacionadas”, que más allá de los edificios y la obra civil, es aplicable a campos tan diversos como el software, redes de comunicaciones, cualquier sistema de ingeniería o producto físico.

Baldwin y Clark definen un módulo como “un módulo es una unidad cuyos elementos estructurales están poderosamente conectados entre sí y conectados de manera relativamente débil a elementos en otras unidades” en su libro Design Rules, The Power of Modularity, en el que se analiza el caso del “ordenador personal”, del cual IBM consintió una arquitectura modular abierta de facto liderada por Intel, que desembocó en un gigantesco ecosistema de módulos alrededor del PC Compatible, en el que emergieron proveedores de placas base, cajas, discos duros, memoria, pantallas, teclados y periféricos.

Baldwin traslada los principios de diseño provenientes del mundo del software propuestos por Constantine en 1974, conocidos como el principio de alta cohesión y el principio de bajo acoplamiento. El primero establece que los módulos deben tener funciones bien definidas, y que interiormente las partes que lo componen pueden depender unas de otras en el grado que sea necesario para garantizar el funcionamiento correcto y cohesionado del módulo. Por otra parte, el principio de bajo acoplamiento establece que los módulos deben relacionarse entre sí con las mínimas dependencias de unos respecto a otros, lo que hace que sus interfaces sean lo más simples posible, favoreciendo la comprensión de los mismos, la integración entre módulos y la combinación y sustitución de los mismos. Por lo tanto los módulos deben presentar una alta cohesión interior y un bajo acoplamiento exterior.

Henderson y Clark publicaron en 1990 un modelo de innovación que define cuatro tipos de innovación. Por una parte está la innovación modular, que se produce en el interior de un módulo sin afectar a su interface exterior. Un ejemplo de ello es la televisión plana respecto a la televisión de tubo.

Por otra parte, está la innovación de arquitectura (arquitectural innovation), que se da en la manera en cómo se relacionan los módulos entre sí o con su entorno, es decir, se trata de una innovación que afecta al interface del módulo. Un ejemplo de ello es el consumo de contenidos a la carta respecto al esquema de canales de televisión tradicional. Estas innovaciones son independientes entre sí, por ejemplo, no es imposible consumir contenidos a la carta a través de un nuevo servicio por Internet con un televisor de tubo que disponga de conectividad.

El tercer tipo de innovación es la denominada incremental, que se produce como consecuencia de procesos de mejora continua, en el que se continuamente se producen aumentos de las prestaciones y mejoras en el diseño.

Finalmente, el cuarto tipo de innovación se denomina radical, también conocida como disruptiva, consecuencia de la aplicación de principios nuevos o rompedores.

Figura 4. Las innovaciones modular y de arquitectura definen un eje que se muestra en la diagonal izquierda de la figura, y las innovaciones incremental y disruptiva definen un segundo eje que se muestra en la diagonal derecha de la figura. La combinación de los tipos de innovación de las dos diagonales da lugar a cuatro tipos de consecuencias en el ámbito del conocimiento, lo que puede llegar a afectar a los perfiles profesionales demandados en un momento dado.

En la Industria 4.0 la campana digital permite que cualquier módulo adquiera las capacidades de computación y de conexión en red, pudiéndose esta mejora considerarse en muchos casos como una innovación incremental desde el punto de vista del módulo. Sin embargo, la posibilidad de combinar módulos a través de interfaces digitales (software) abre un mundo de enormes posibilidades. Frank Diana plantea que la digitalización ha creado un escenario de innovación combinatorial que conduce a tener que pensar exponencialmente, y que está creando nuevos ecosistemas transversales. La Cuarta revolución industrial, o Industria 4.0 se caracteriza por innovaciones de arquitectura de carácter disruptivo, lo que tiene un fuerte impacto en el conocimiento sobre las arquitecturas, demandando equipos interdisciplinarios y transversales.

Según Baldwin, todos los sistemas complejos se pueden describir en términos de su arquitectura, es decir, como una jerarquía anidada de subsistemas, y que un 75% de los sistemas sigue una estructura núcleo-periferia. En consecuencia la autora desarrolló el concepto de plataforma en su trabajo “The Architecture of Platforms: A Unified View”, la cual se compone de un núcleo de componentes nucleares con poca variabilidad, que se complementa con componentes periféricos de alta variabilidad. La identificación del núcleo estable de elementos es clave para el desarrollo exitoso de una plataforma, y por lo tanto, tan importante es conocer aquello nuevo que cambia constantemente como aquellos elementos que no cambian ni hay previsión de que lo hagan, y que podemos denominar invariantes. Actualmente están emergiendo nuevas plataformas de tipo digital cuyo impacto es cada vez mayor hasta el punto que se habla de una “Economía de plataforma”, tal y como propone Geoffrey G. Parker en el libro Platform Revolution, indicando que los mecanismos que descubrió Baldwin en The Power of Modularity se ven multiplicados en las plataformas digitales.

Conclusiones

La Industria 4.0 es un fenómeno que se pone en marcha oficialmente en 2013, por lo que es relativamente reciente. Desde entonces, la creación de conocimiento no ha parado de crecer tal y como indica la evolución de las publicaciones académicas que se han ido produciendo. Durante los últimos cuatro años se han desarrollado dos arquitecturas, RAMI 4.0 e IIRA que hacen posible la digitalización de todo tipo de activo, lo que ha creado un escenario de innovación disruptiva de tipo “arquitectural”, en el que está emergiendo la denominada “Economía de plataforma”, la cual se caracteriza por el uso de APIs, en el que emergen ecosistemas que están persiguiendo estabilizar los módulos centrales de sus arquitecturas para potenciar al máximo la innovación combinatorial con los módulos de la periferia. Tan importante como identificar combinaciones disruptivas, lo es identificar aquellos módulos cuyas interfaces de software ni cambian ni presentan indicios de que lo vayan a hacer, y que pueden ser reutilizados con un coste marginal cercano a cero. Todo ello no se contradice con el hecho de que la mayoría de módulos y sus tecnologías evolucionen por la vía de la innovación incremental y por tanto, no disruptiva.

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