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A framework to Support Industry 4.0 Initiatives in Manufacturing Companies

William De Paula Ferreira

Ph.D. thesis (2021)

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Abstract

Industry 4.0 is a central strategy to innovate and increase the manufacturing sector's competitiveness in an increasingly digital global economy. It is associated with principles and technologies, with implications for value creation, business models, work organization, andperformance. Industry 4.0 was mainly triggered by the need to shorten development and innovation cycles, individualization of demand, resource efficiency, and is driven by significant advancements and access to information, communication, and automation technologies.Despite its increasing relevance, there is still a lack of understanding of the Industry 4.0 concept, and methods and tools to support companies' transition towards Industry 4.0 are still scarce, especially for small and medium-sized enterprises (SMEs), where it is still underexploited. This Ph.D. thesis, which results from a collaborative research with a Canadian College Centre for Technology Transfer (CCTT), aims to enhance the understanding of Industry 4.0 constructs and develop modeling artifacts to support Industry 4.0 initiatives in manufacturing companies. It consists of knowledge and practice-enhancing research basedon the design science paradigm. It is multidisciplinary, framed at the intersection of Industry 4.0, Modeling & Simulation, and Lean Manufacturing fields, providing three main contributions. The first contribution is to develop a state-of-the-art review to analyze and characterize Industry 4.0 key constructs and the development of simulation-based research in Industry 4.0, featured as a priority area for action to support the development of Industry 4.0. The second contribution consists of proposing a framework for identifying and analyzing Industry 4.0 scenarios for application, which considers the reference architecture model for Industry 4.0 (RAMI4.0) and a hybrid modeling approach that combines discrete-event agent-based modeling and simulation. In the third contribution, the focus is on developing a new modeling framework to support the development of Industry 4.0 initiatives in manufacturing companies (mainly SMEs) by extending the Lean Value Stream Mapping (VSM) to the context of Industry 4.0, which was evaluated through a proof-of-concept case developed in a Canadian SME from the furniture and related product manufacturing sector investing in Industry 4.0. Overall, this Ph.D. thesis contributes to better understanding Industry 4.0 constructs, identifying, modeling, simulating, and analyzing Industry 4.0 application scenarios and examples to support Industry 4.0 initiatives in manufacturing companies.

Résumé

L'industrie 4.0 est une stratégie majeure visant à promouvoir l'innovation et à améliorer la compétitivité du secteur manufacturier dans une économie mondiale de plus en plus numérisée. Cette stratégie est souvent associée à des principes et des technologies qui ont des implications sur la création de valeur, les modèles d'affaires, l'organisation du travail et la performance. L'industrie 4.0 a été principalement déclenchée par la nécessité de raccourcir les cycles d'innovation, l'individualisation de la demande et l'efficacité des ressources, et est stimulée par des avancées et l'accès aux technologies de l'information, de la communication et de l'automatisation. Malgré sa pertinence, il y existe toujours un manque decompréhension de ce concept, de ses méthodes et des outils qui aident les entreprises à faire la transition numérique. Ce manque est particulièrement présent chez les petites et moyennes entreprises (PME), où l'industrie 4.0 est encore sous-exploitée. Cette thèse de doctorat, qui résulte d'une recherche collaborative avec un centre collégial de transfert de technologie canadien, vise à améliorer la compréhension du concept de l'Industrie 4.0 et à développer des artéfacts de modélisation pour soutenir les initiatives de l'Industrie 4.0 dans les entreprises manufacturières. Il s'agit d'une recherche ayant pour but de contribuer au développement des connaissances scientifiques ainsi qu'à la pratique, basée sur la méthodologie du «Design Science». Étant multidisciplinaire, cette recherche est à l'intersection de trois domaines de recherche : l'industrie 4.0, la modélisation et simulation de systèmes, et le «Lean». Ce faisant, elle vise à apporter trois contributions principales. La première contribution se concentre surle développement d'une revue de l'état de l'art visant à analyser et à caractériser l'industrie 4.0, plus particulièrement du point de vue de la simulation, présentée par certains auteurs comme un domaine d'action prioritaire pour soutenir le développement de l'industrie 4.0. Ladeuxième contribution consiste à proposer un cadre pour l'identification et l'analyse des scénarios d'application de l'industrie 4.0. Ce cadre prend en compte le modèle d'architecture de référence pour l'industrie 4.0 et une approche de modélisation hybride, combinant la modélisation à évènements discrets et à base d'agents. En ce qui a trait à la troisième contribution, l'accent a été mis sur le développement d'un cadre de modélisation pour soutenir des initiatives de l'Industrie 4.0 dans les entreprises manufacturières (principalement des PME), étendant la traditionnelle cartographie des chaînes de valeur au contexte de l'industrie 4.0. Ce cadre a été testé et évalué à travers une étude de cas dans une PME canadienne faisantune transition vers l'industrie 4.0. En somme, cette thèse contribue à mieux comprendre les construits de l'Industrie 4.0, ainsi qu'à identifier, modéliser, simuler et analyser des scénarios d'application de l'Industrie 4.0 pour soutenir ses initiatives dans les PME manufacturières.
Department: Department of Mathematics and Industrial Engineering
Program: Doctorat en génie industriel
Academic/Research Directors: Fabiano Armellini, Luis Antônio De Santa Eulalia
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/9926/
Institution: Polytechnique Montréal
Date Deposited: 21 Apr 2022 11:06
Last Modified: 05 Dec 2022 08:43
Cite in APA 7: De Paula Ferreira, W. (2021). A framework to Support Industry 4.0 Initiatives in Manufacturing Companies [Ph.D. thesis, Polytechnique Montréal]. PolyPublie. https://publications.polymtl.ca/9926/

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