A questão da segurança funcional das indústrias de processos vem recebendo uma atenção crescente pela comunidade científica mundial, uma vez que se observa a possibilidade de ocorrências de acidentes e as consequências indesejadas que estes acidentes têm provocado. Essas indústrias podem ser consideradas como parte de uma classe de sistemas denominados Sistemas Críticos, que são caracterizados pela possibilidade de ocorrência de falhas críticas, que resultam em acidentes com perdas de vidas humanas, danos ao meio ambiente e perdas financeiras envolvendo custos significativos de equipamentos e propriedades. Estes fatos justificam a necessidade de uma nova abordagem no que se refere ao design de processos, design de controle de processos, análise e controle de riscos e avaliação de riscos. Um dos desafios pertinentes à segurança funcional está associado a como vincular os cenários de acidentes aos requisitos para projetos de sistemas de controle relacionados à segurança das indústrias de processos de forma sistemática. Por sua vez, a possibilidade de ocorrência de eventos críticos e/ou eventos indesejados não observados ou ocultos, como fatores relevantes associados à evolução da sequência de eventos que culmina na ocorrência de um acidente. Neste contexto, o desafio está em aprimorar a eficácia destes sistemas de controle, que envolve o desenvolvimento de uma solução capaz de supervisionar o processo de evolução de falhas críticas, a fim de se garantir um nível de segurança funcional adequado e que esteja em conformidade com as normas internacionais aplicáveis IEC 61508 e IEC 61511. Portanto, estas considerações trazem novos requisitos para o projeto de sistemas de controle desta natureza, capaz de englobar modelos de acidentes e processos de evolução de falhas críticas. Uma solução é a consideração das abordagens de prevenção e mitigação de falhas críticas de forma integrada e interativa. Além disso é necessário abordar novas técnicas e conceitos para que se possa desenvolver um sistema de controle capaz de rastrear e atuar nos processos de evolução de falhas desta natureza. Uma possibilidade consiste em considerar o princípio de defesa em profundidade aliado à propriedade de diagnosticabilidade segura. O atendimento a este novo conjunto de requisitos não é trivial e se faz necessário integrar diferentes formalismos para o desenvolvimento de soluções adequadas. Portanto, este trabalho apresenta uma metodologia para o projeto de um sistema de controle baseado no conceito de segurança funcional para indústrias de processos, e que propõe: (i) uma arquitetura de controle para prevenção e mitigação de falhas críticas, (ii) extensão da classificação de barreiras de segurança focando na automação via sistemas instrumentados de segurança (SIS) (iii) framework para a síntese de sistemas de controle relacionados à segurança baseado em modelos de acidentes e que contempla os seguintes métodos: (a) elaboração do HAZOP, (b) construção de modelos de acidentes, (c) integração dos modelos de acidentes com o HAZOP e (d) geração dos algoritmos de defesa para a prevenção e mitigação de falhas críticas, a partir de técnicas de modelagem usando extensões da rede de Petri: Production Flow Schema (PFS) e Mark Flow Graph (MFG). A metodologia proposta foi verificada, a partir de exemplos de aplicação investigados na literatura. / The issue of the functional safety of process industries has been receiving increasing attention from the world scientific community, since it has stated the possibility of occurrences of the accidents and the related undesired consequences. These industries can be considered as part of a system class called critical systems, which are characterized by the occurrence of critical faults, which can result in accidents involving loss of life, damage to the environment, and financial losses involving equipment and property. These facts justify the need for a new approach that addresses: process design, process control design, risk analysis and control, and risk assessment. One of the challenges related to functional safety is associated with how to integrate accident scenarios to the requirements for the design of safety-related control systems of the process industries in a systematic way. Furthermore, there is the possibility of the occurrence of the unobserved or hidden undesired and / or critical events, as relevant factors associated to the evolution of the sequence of the events that corroborates in the occurrence of an accident. In this context, the challenge is to improve the effectiveness of these control systems, which involves the development of a solution capable of supervising the process of evolution of the critical and / or undesired events, in order to guarantee an adequate level of functional safety, and that complies with the applicable international standards IEC 61508 and IEC 61511. Therefore, these considerations bring new requirements for the design of control systems of this nature, capable of encompassing the accident models and the critical fault evolution processes. One solution is to consider critical fault prevention and mitigation approaches in an integrated and interactive way. In addition, it is necessary to addresses new techniques and concepts in order to develop a control system capable of tracking and acting in the evolution processes of faults of this nature. One possibility is to consider the principle of defense-in-depth coupled with the property of safe diagnosability. The fulfillment of this new set of requirements is not trivial and it is necessary to integrate different formalisms for the development of adequate solutions. Therefore, this work presents a methodology for the design of a safety-related control systems based on the concept of functional safety for the process industries, which proposes: (i) a control architecture for the prevention and mitigation of the critical faults, (ii) an extension of the classification of the safety barriers focusing on automation via safety instrumented system (SIS), (iii) a framework for the synthesis of the safety-related control systems based on accident models and which includes the following methods: (a) elaboration of the HAZOP study, (b) construction of the accident models, (c) integration of the accident models with the HAZOP study, and (d) generation of the defense algorithms for the prevention and mitigation of the critical faults, via modeling techniques using extensions of the Petri net: Production Flow Schema (PFS) and Mark Flow Graph (MFG). The proposed methodology was verified, from application examples investigated in the literature.

A questão da segurança funcional das indústrias de processos vem recebendo uma atenção crescente pela comunidade científica mundial, uma vez que se observa a possibilidade de ocorrências de acidentes e as consequências indesejadas que estes acidentes têm provocado. Essas indústrias podem ser consideradas como parte de uma classe de sistemas denominados Sistemas Críticos, que são caracterizados pela possibilidade de ocorrência de falhas críticas, que resultam em acidentes com perdas de vidas humanas, danos ao meio ambiente e perdas financeiras envolvendo custos significativos de equipamentos e propriedades. Estes fatos justificam a necessidade de uma nova abordagem no que se refere ao design de processos, design de controle de processos, análise e controle de riscos e avaliação de riscos. Um dos desafios pertinentes à segurança funcional está associado a como vincular os cenários de acidentes aos requisitos para projetos de sistemas de controle relacionados à segurança das indústrias de processos de forma sistemática. Por sua vez, a possibilidade de ocorrência de eventos críticos e/ou eventos indesejados não observados ou ocultos, como fatores relevantes associados à evolução da sequência de eventos que culmina na ocorrência de um acidente. Neste contexto, o desafio está em aprimorar a eficácia destes sistemas de controle, que envolve o desenvolvimento de uma solução capaz de supervisionar o processo de evolução de falhas críticas, a fim de se garantir um nível de segurança funcional adequado e que esteja em conformidade com as normas internacionais aplicáveis IEC 61508 e IEC 61511. Portanto, estas considerações trazem novos requisitos para o projeto de sistemas de controle desta natureza, capaz de englobar modelos de acidentes e processos de evolução de falhas críticas. Uma solução é a consideração das abordagens de prevenção e mitigação de falhas críticas de forma integrada e interativa. Além disso é necessário abordar novas técnicas e conceitos para que se possa desenvolver um sistema de controle capaz de rastrear e atuar nos processos de evolução de falhas desta natureza. Uma possibilidade consiste em considerar o princípio de defesa em profundidade aliado à propriedade de diagnosticabilidade segura. O atendimento a este novo conjunto de requisitos não é trivial e se faz necessário integrar diferentes formalismos para o desenvolvimento de soluções adequadas. Portanto, este trabalho apresenta uma metodologia para o projeto de um sistema de controle baseado no conceito de segurança funcional para indústrias de processos, e que propõe: (i) uma arquitetura de controle para prevenção e mitigação de falhas críticas, (ii) extensão da classificação de barreiras de segurança focando na automação via sistemas instrumentados de segurança (SIS) (iii) framework para a síntese de sistemas de controle relacionados à segurança baseado em modelos de acidentes e que contempla os seguintes métodos: (a) elaboração do HAZOP, (b) construção de modelos de acidentes, (c) integração dos modelos de acidentes com o HAZOP e (d) geração dos algoritmos de defesa para a prevenção e mitigação de falhas críticas, a partir de técnicas de modelagem usando extensões da rede de Petri: Production Flow Schema (PFS) e Mark Flow Graph (MFG). A metodologia proposta foi verificada, a partir de exemplos de aplicação investigados na literatura. / The issue of the functional safety of process industries has been receiving increasing attention from the world scientific community, since it has stated the possibility of occurrences of the accidents and the related undesired consequences. These industries can be considered as part of a system class called critical systems, which are characterized by the occurrence of critical faults, which can result in accidents involving loss of life, damage to the environment, and financial losses involving equipment and property. These facts justify the need for a new approach that addresses: process design, process control design, risk analysis and control, and risk assessment. One of the challenges related to functional safety is associated with how to integrate accident scenarios to the requirements for the design of safety-related control systems of the process industries in a systematic way. Furthermore, there is the possibility of the occurrence of the unobserved or hidden undesired and / or critical events, as relevant factors associated to the evolution of the sequence of the events that corroborates in the occurrence of an accident. In this context, the challenge is to improve the effectiveness of these control systems, which involves the development of a solution capable of supervising the process of evolution of the critical and / or undesired events, in order to guarantee an adequate level of functional safety, and that complies with the applicable international standards IEC 61508 and IEC 61511. Therefore, these considerations bring new requirements for the design of control systems of this nature, capable of encompassing the accident models and the critical fault evolution processes. One solution is to consider critical fault prevention and mitigation approaches in an integrated and interactive way. In addition, it is necessary to addresses new techniques and concepts in order to develop a control system capable of tracking and acting in the evolution processes of faults of this nature. One possibility is to consider the principle of defense-in-depth coupled with the property of safe diagnosability. The fulfillment of this new set of requirements is not trivial and it is necessary to integrate different formalisms for the development of adequate solutions. Therefore, this work presents a methodology for the design of a safety-related control systems based on the concept of functional safety for the process industries, which proposes: (i) a control architecture for the prevention and mitigation of the critical faults, (ii) an extension of the classification of the safety barriers focusing on automation via safety instrumented system (SIS), (iii) a framework for the synthesis of the safety-related control systems based on accident models and which includes the following methods: (a) elaboration of the HAZOP study, (b) construction of the accident models, (c) integration of the accident models with the HAZOP study, and (d) generation of the defense algorithms for the prevention and mitigation of the critical faults, via modeling techniques using extensions of the Petri net: Production Flow Schema (PFS) and Mark Flow Graph (MFG). The proposed methodology was verified, from application examples investigated in the literature.

The concept of open innovation has received increased attention among practitioners as well as in academia in recent years. It provides a conceptual platform for understanding how external sources of knowledge drive internal growth. In addition, it also addresses the internal configurations needed for managing a more externally oriented innovation process. However, many firms still experience major managerial challenges in trying to adopt the principles of open innovation. The perhaps most important challenge in realizing the potential benefits of open innovation lies in modifying existing innovation activities and processes to incorporate the principles of open innovation, rather than creating something completely new. Therefore, the purpose of this thesis is to study the problems and opportunities arising when firms attempt to integrate open innovation activities within their development processes. Empirically, the results are based on three exploratory case studies within the process industries. In total, this thesis is based on 73 interviews from 2 process firms and 9 equipment suppliers to the process industries. Data was gathered in several different countries, and collectively these firms represent perspectives from Sweden, Norway, Finland, Switzerland, Germany, The Netherlands and The United Kingdom.Three papers are appended with the thesis. Paper I studies the overall challenges of integrating open innovation activities within an existing product development process. The key contribution is the enactment of a practitioner-oriented work model, named the open Stage-Gate model, which exploits the advantages of "openness" while simultaneously capturing the benefits deriving from the systematic and structured approach implied by the Stage-Gate process. Paper II studies a concrete application of open innovation by focusing on the development and installation of new or upgraded process equipment in process plants where collaborative efforts by a process firm and various suppliers of process equipment often are required. The analysis focuses on problems and opportunities in different stages of the equipments lifecycle and finds that the content and the intensity of the collaboration should be tailored to the different stages of the equipment's lifecycle. As such, the conclusions highlight the fact that being totally open in development activities is not always the most suitable option. Instead, different degrees of "openness" may be suitable at different stages. Paper III studies collaboration in the later operational stages of a process equipments lifecycle, from an equipment supplier perspective. The results presented in this paper underscore the importance of collaboration in the operational stages as these stages are critical to facilitate technology transfer and production performance.

Esta dissertação considera a atuação das empresas responsáveis pelas redes de distribuição de água, energia elétrica e gás natural denominadas Redes de Distribuição de Utilidades (RDUs) como sistemas produtivos, com o propósito de conhecer e avaliar a maneira como os esforços de melhoria da produtividade são conduzidos em busca de metas como maior qualidade, menor custo e menor prazo de entrega ao cliente. Este estudo é desenvolvido tomando-se como referência o modelo da produção enxuta, desenvolvido pela Toyota Motor Company do Japão, fundamentado no princípio de buscar o aumento da produtividade por meio da identificação e eliminação de desperdícios. Embora originalmente disseminada na cadeia da indústria automobilística, a adoção e adaptação da abordagem de melhoria de processos deste modelo têm sido consideradas em diferentes setores. Assim, o presente trabalho tem como motivação explorar as possibilidades de estender a aplicação de conceitos e práticas da produção enxuta em empresas de RDU. Primeiramente, a cadeia de valor das RDUs é analisada, e são escolhidos dois processos construção e manutenção para o desenvolvimento do estudo. Em seguida, é apresentada uma revisão bibliográfica, a partir da qual um conjunto de dezenove práticas enxutas possivelmente aplicáveis aos processos escolhidos é identificado. Por meio de três estudos de caso, analisa-se em que medida as empresas responsáveis pelas RDUs aplicam tais práticas enxutas em seus processos, e em que medida a aplicação atual ou uma possível aplicação futura de cada prática enxuta é motivada pelo pensamento enxuto. Com base nos dados levantados na pesquisa de campo, as práticas consideradas são avaliadas quanto ao potencial de efetiva aplicação em cada processo, levando-se em conta o objetivo de eliminação de desperdício. O estudo possibilitou verificar que todas as dezenove práticas são aplicáveis a pelo menos um dos processos considerados, sendo a maioria aplicável a ambos. / This dissertation considers the performance of the companies that are responsible for water, electricity and natural gas networks named Utility Distribution Networks (UDN) as productive systems, in order to understand and evaluate the way that the efforts for continuous productivity improvement of their processes are conducted in search of goals such as more quality, less cost and less lead time to customer. The model that is used as a reference for this study is the lean production model, which was developed by the Toyota Motor Company in Japan, founded on the principle of search for productivity increase by the elimination on waste. Although it was originally disseminated in the auto industry value chain, the process improvement approach from this model has been considered in different industries. Therefore, the present work is motivated by the chance to explore the possibility of extending the lean production application concepts and practices to UDN companies. Firstly, UDNs value stream is analyzed, and two processes are chosen construction and maintenance for the development of study. Then, a bibliographic review is presented, from which a set of nineteen lean practices that maybe possibly applicable on the chosen processes is identified. By the development of three case studies, an evaluation is performed with the objective to analyze to what extent the companies that are responsible for UDN apply those lean practices on their processes, and to what extent the current application or a possible future application of each lean practice is motivated by lean thinking. Based on the data from the field research, the potential for effective application of the considered practices is evaluated for each process, taking into consideration the objective of elimination of waste. The study made it possible to verify that all the nineteen practices are applicable at least on one of the considered processes, and the majority is applicable on both processes.

Esta dissertação considera a atuação das empresas responsáveis pelas redes de distribuição de água, energia elétrica e gás natural denominadas Redes de Distribuição de Utilidades (RDUs) como sistemas produtivos, com o propósito de conhecer e avaliar a maneira como os esforços de melhoria da produtividade são conduzidos em busca de metas como maior qualidade, menor custo e menor prazo de entrega ao cliente. Este estudo é desenvolvido tomando-se como referência o modelo da produção enxuta, desenvolvido pela Toyota Motor Company do Japão, fundamentado no princípio de buscar o aumento da produtividade por meio da identificação e eliminação de desperdícios. Embora originalmente disseminada na cadeia da indústria automobilística, a adoção e adaptação da abordagem de melhoria de processos deste modelo têm sido consideradas em diferentes setores. Assim, o presente trabalho tem como motivação explorar as possibilidades de estender a aplicação de conceitos e práticas da produção enxuta em empresas de RDU. Primeiramente, a cadeia de valor das RDUs é analisada, e são escolhidos dois processos construção e manutenção para o desenvolvimento do estudo. Em seguida, é apresentada uma revisão bibliográfica, a partir da qual um conjunto de dezenove práticas enxutas possivelmente aplicáveis aos processos escolhidos é identificado. Por meio de três estudos de caso, analisa-se em que medida as empresas responsáveis pelas RDUs aplicam tais práticas enxutas em seus processos, e em que medida a aplicação atual ou uma possível aplicação futura de cada prática enxuta é motivada pelo pensamento enxuto. Com base nos dados levantados na pesquisa de campo, as práticas consideradas são avaliadas quanto ao potencial de efetiva aplicação em cada processo, levando-se em conta o objetivo de eliminação de desperdício. O estudo possibilitou verificar que todas as dezenove práticas são aplicáveis a pelo menos um dos processos considerados, sendo a maioria aplicável a ambos. / This dissertation considers the performance of the companies that are responsible for water, electricity and natural gas networks named Utility Distribution Networks (UDN) as productive systems, in order to understand and evaluate the way that the efforts for continuous productivity improvement of their processes are conducted in search of goals such as more quality, less cost and less lead time to customer. The model that is used as a reference for this study is the lean production model, which was developed by the Toyota Motor Company in Japan, founded on the principle of search for productivity increase by the elimination on waste. Although it was originally disseminated in the auto industry value chain, the process improvement approach from this model has been considered in different industries. Therefore, the present work is motivated by the chance to explore the possibility of extending the lean production application concepts and practices to UDN companies. Firstly, UDNs value stream is analyzed, and two processes are chosen construction and maintenance for the development of study. Then, a bibliographic review is presented, from which a set of nineteen lean practices that maybe possibly applicable on the chosen processes is identified. By the development of three case studies, an evaluation is performed with the objective to analyze to what extent the companies that are responsible for UDN apply those lean practices on their processes, and to what extent the current application or a possible future application of each lean practice is motivated by lean thinking. Based on the data from the field research, the potential for effective application of the considered practices is evaluated for each process, taking into consideration the objective of elimination of waste. The study made it possible to verify that all the nineteen practices are applicable at least on one of the considered processes, and the majority is applicable on both processes.

Die industrielle Instandhaltung ist ein erheblicher Kostenfaktor während der Betriebsphase einer verfahrenstechnischen Produktionsanlage. Insbesondere der Mangel an technischen Möglichkeiten zum Informationsaustausch des Instandhaltungspersonals mit der digitalen Anlage während der Arbeiten im Feld erzeugt hohe Kosten. Durch die entstehenden Medienbrüche sinkt die Qualität der Informationen in der Digitalen Anlage erheblich. Mobile Informationssysteme können diese Medienbrüche beseitigen und die Informationsqualität in der Digitalen Anlage entscheidend verbessern. Das Konzept der Distributed Wearable User Interfaces (DWUI) stellt einen integrierten Ansatz zur flexiblen Zusammenstellung gebrauchstauglicher Benutzungsschnittstellen für komplexe Arbeitsabläufe in widrigen Arbeitssituationen bereit. Diese setzen sich aus Interaktionsgeräten zusammen, die in einem kabellosen körpernahen Funknetzwerk miteinander verbunden sind und in ihrer Kombination die Benutzungsschnittstelle zu einem mobilen System bilden. Die Geräte sind ergonomisch und funktional optimal am Körper des Nutzers verteilt, wobei jedes Gerät eigenständig nutzbar und für eine bestimmte Aufgabe oder einen bestimmten Nutzungskontext optimiert ist. Die Ein- und Ausgaberäume der Geräte werden in einem integrierten Interaktionsraum harmonisiert. Im Rahmen dieser Arbeit wird zunächst der Nutzungskontext der mobilen IT-gestützten Instandhaltung verfahrenstechnischer Produktionsanlagen im Hinblick auf Nutzungsszenarien und Anwendungsfälle für mobile Informationssysteme festgelegt. Darauf aufbauend werden Anforderungen an derartige Systeme spezifiziert und Gestaltungsgrundlagen und Empfehlungen speziell für DWUI-basierte mobile Informationssysteme erarbeitet. Anschließend wird eine Reihe spezieller Interaktionsgeräte vorgestellt, die verschiedene Interaktionsprinzipien, Techniken und Modalitäten umsetzen. Um diese Geräte in einem kollaborativen DWUI organisieren zu können, wird ein spezielles Kommunikationsprotokoll entworfen und prototypisch umgesetzt. Eine mobile Anwendung zur Instandhaltungsunterstützung wird vorgestellt, welche das DWUI-Kommunikationsprotokoll unterstützt und mit verschiedenen DWUI-Konfigurationen vollständig bedienbar ist. Diese Anwendung wird integriert in ein komplexes Unternehmensnetzwerk, über das sie Zugriff auf industrietypische computergestützte Planungswerkzeuge erhält. Anhand des resultierenden Gesamtsystems werden die prinzipielle Tauglichkeit und die Vorteile des DWUI-Konzepts demonstriert.