複雜製造系統的可重構計劃與調度 (電子書)

第1 篇 可重構體系篇

第1 章 複雜製造系統概述
1.1 製造系統的複雜性
1.1.1 製造系統的分類與特點
1.1.2 工業製造系統的複雜性
1.2 多重入複雜製造系統運作概述
1.2.1 多重入複雜製造系統概念及特徵
1.2.2 典型多重入複雜製造系統——半導體製造
1.2.3 製造資訊系統
1.3 複雜製造系統的生產計畫與調度
1.3.1 生產計畫與調度概念
1.3.2 中期生產計畫問題與方法
1.3.3 短期生產計畫生產調度問題與方法
1.3.4 動態調度問題與方法
1.4 複雜製造系統的發展趨勢
1.4.1 新一代網路技術驅動下的製造系統發展趨勢
1.4.2 新型製造模式下計畫調度的可重構意義
參考文獻

第2 章 可重構的複雜製造系統生產計畫與調度體系
2.1 體系結構的一般概念
2.1.1 體系結構和體系結構框架
2.1.2 常用體系結構框架
2.1.3 體系結構框架的概念模型
2.2 面向生產計畫與調度的體系結構框架
2.2.1 製造系統生產計畫與調度的研究路線
2.2.2 面向生產計畫與調度的體系結構框架的元素及關係
2.2.3 面向生產計畫與調度的體系結構框架的視角及模型
2.2.4 面向生產計畫與調度的體系結構框架的特點分析
2.3 複雜製造系統生產計畫與調度體系結構的構建
2.3.1 業務系統視角模型建立
2.3.2 業務過程視角模型建立
2.3.3 相互配合視角模型建立
2.3.4 體系結構模型之間的集成和重構關係
2.4 可重構的複雜製造系統生產計畫與調度集成體系
2.4.1 體系結構的業務功能關係
2.4.2 體系結構的業務過程邏輯
2.4.3 體系結構的特點分析
參考文獻

第3 章 面向複雜製造系統的計畫與調度重構
3.1 面向複雜製造系統的計畫與調度體系重構概述
3.1.1 可重構系統的結構及組成
3.1.2 可重構的類别
3.1.3 可重構系統的複用層次
3.2 可重構的內容與層次
3.2.1 系統級重構
3.2.2 組件級重構
3.2.3 算法級重構
3.3 可重構系統的建立過程
3.4 複用層次的語義基礎
3.4.1 範疇論基礎概念
3.4.2 複用層次的語義基礎
參考文獻

第2 篇 可重構單元篇

第4 章 複雜製造系統的中期生產計畫
4.1 中期生產計畫概述
4.1.1 投料計畫概述
4.1.2 維護計畫概述
4.2 投料計畫方法研究
4.2.1 負荷均衡投料計畫算法
4.2.2 動態負荷均衡投料計畫算法
4.2.3 基於產能約束的混合智慧投料算法
4.3 維護計畫方法研究
4.3.1 設備維護策略
4.3.2 智慧最佳化維護方法研究
4.4 相互配合計畫方法研究
4.4.1 投料計畫與維護計畫的相互配合
4.4.2 維護計畫與生產調度的相互配合
4.5 中期計畫的可重構集成
4.5.1 中期計畫體系結構模型
4.5.2 中期計畫集成控製
4.5.3 中期計畫通用組件及介面
4.6 案例： 考慮了生產調度的維護計畫
4.6.1 案例描述
4.6.2 仿真模型
4.6.3 仿真結果
參考文獻

第5 章 複雜製造系統的短期計畫與調度
5.1 短期生產計畫與調度概述
5.1.1 短期生產計畫與調度概念
5.1.2 短期生產計畫與調度方法
5.2 基於約束理論的DBR 短期生產計畫方法
5.2.1 面向多重入製造系統實施的DBR 分析
5.2.2 基於DBR 的分層調度算法
5.3 基於SBO 的多目標調度最佳化方法
5.3.1 面向複雜製造調度的SBO 方法設計
5.3.2 基於灰色關聯度分析的最佳化目標選取
5.3.3 基於NSGA- II 算法的SBO 多目標調度最佳化方法
5.3.4 基於層次分析法的最優解選取
5.4 瓶頸區並行設備調度方法
5.4.1 瓶頸區調度最佳化方法簡介
5.4.2 瓶頸區調度最佳化方法設計
5.4.3 調度期內瓶頸區工序集預測方法
5.4.4 瓶頸區調度任務的最佳化
5.5 短期計畫與調度的可重構集成
5.5.1 短期計畫與調度體系結構的業務系統視角模型
5.5.2 短期計畫與調度體系結構的業務過程視角模型
5.6 案例： SBO 多目標調度最佳化方法
5.6.1 基於BenchMark6 模型的SBO 仿真最佳化
5.6.2 最優解選取
參考文獻

第6 章 複雜製造系統的實時調度
6.1 實時調度概述
6.1.1 基於規則的實時調度方法
6.1.2 基於數據的實時調度方法
6.2 基於數據的組合規則調度策略
6.2.1 調度規則庫的設計與選取
6.2.2 性能指標集的設計與選取
6.2.3 基於數據的實時調度
6.3 基於數據的瓶頸設備實時調度
6.3.1 基於數據的瓶頸識别
6.3.2 基於數據的瓶頸調度算法
6.4 實時調度的可重構集成
6.4.1 實時調度的業務系統視角模型
6.4.2 實時調度的業務過程視角模型
6.5 案例： 基於數據的瓶頸設備實時調度
參考文獻
 
第7 章 複雜製造系統的重調度
7.1 重調度概述
7.1.1 重調度策略的研究現狀與發展
7.1.2 重調度方法的研究現狀與發展
7.1.3 重調度評價的研究現狀與發展
7.2 基於模糊Petri 網推理的重調度策略
7.2.1 面向重調度決策的模糊Petri 網模型
7.2.2 基於模糊推理的重調度決策
7.3 匹配重調度方法
7.3.1 匹配時段與匹配區域
7.3.2 單臺設備匹配重調度方法
7.3.3 設備組匹配重調度方法
7.3.4 兩種匹配重調度方法的比較分析
7.4 重調度評價
7.4.1 穩定性評價
7.4.2 有效性評價
7.5 重調度的可重構集成
7.5.1 重調度的業務系統視角模型
7.5.2 重調度的業務過程視角模型
7.6 案例： 在線重調度
參考文獻

第3 篇 可重構實施篇

第8 章 可重構體系原型系統設計
8.1 原型系統簡介
8.2 原型系統設計
8.2.1 原型系統基礎架構設計
8.2.2 數據層設計
8.2.3 軟體層設計
8.2.4 仿真層設計
8.3 數據層實現
8.4 軟體層實現
8.4.1 數據介面定義實現
8.4.2 基礎模型實現
8.4.3 體系結構組件實現
8.4.4 仿真模型介面實現
8.4.5 使用者介面實現
8.5 仿真層實現
8.5.1 模型庫實現
8.5.2 算法庫實現
8.6 MRPSS 使用流程
參考文獻

第9 章 基於原型系統的可重構實施
9.1 原型系統基本使用介面
9.2 基於原型系統的可重構驗證研究
9.2.1 概述
9.2.2 瓶頸區需求模型
9.2.3 HP24Fab 模型簡介
9.2.4 重構驗證過程及分析
9.3 基於原型系統的可重構最佳化研究
9.3.1 概述
9.3.2 生產線數據分析過程
9.3.3 生產線數據表示與評估尺度
9.3.4 生產線數據分析模型
9.3.5 Minifab 模型
9.3.6 Minifab 數據分析的重構過程案例
參考文獻

附錄 專業詞語匯總表

 

序

　　製造業是國民經濟發展的重要支柱，製造業的先進程度標誌著一個國家的發展水準。隨著現代製造業在環境、結構、過程等多方面表現出的複雜性日益增強，對複雜製造系統的運營管理與最佳化也提出了更高的要求。複雜製造系統技術密集，資金密集，例如，在半導體集成電路芯片製造生產線上，投資的75%用在設備上，相比於透過增加貴重設備來提高產能的方式，以改進生產計畫與調度策略來最佳化生產也能收到良好效果，價格動輒數千萬甚至上億的設備如果少空閒幾分鐘，則將節省數目可觀的成本。

　　生產計畫與調度是複雜製造企業生產活動和組織管理的重要環節，是提高企業經濟效益的有效途徑，對於提高企業生產管理水準、節約成本、提升市場競爭力、快速收回投資以及獲得更高的經濟效益有著十分重要的意義。而複雜製造系統的調度最佳化毫無疑問是眾多調度問題中頗具挑戰性的一類，得到了海內外工業工程、控製工程、人工智慧、應用數學、運籌學、電腦科學、管理科學、系統工程等領域的研究人員及工程技術人員的廣泛關注，成為學術界和應用界的研究焦點之一。

　　以多重入特徵明顯的半導體製造系統為代表的一類複雜製造系統，因其在工藝流程、多樣性約束、生產方式等方面的複雜要求及來自內外部製造環境的動態不確定性，為其製造過程的生產計畫和調度控製的研究帶來了更大的挑戰。近十多年來，雖然有大批學者投身這一領域的研究，也取得了相當可觀的成果積累，但主要的研究工作還是集中於對生產計畫與調度中各個子問題的求解，如能力計畫、投料控製、實時調度等。無論是從模型到方法的理論研究，還是從最佳化問題到控製策略的技術探索，都難以填充研究與應用之間的鴻溝，究其原因，已有的研究成果在系統性和靈活性上的不足可能是製約因素之一。

　　著者從1920 年代初開始涉足製造領域生產計畫與調度的研究，先後圍繞柔性製造、電腦集成製造等先進製造系統，積累了多年的科學研究、教學及工程經歷。近十多年來，進一步專注於對以半導體芯片製造為代表的複雜製造系統的生產計畫與調度理論、方法和應用研究，同時也越來越體會到，對於複雜製造系統的調度最佳化管理，在不斷改進模型、創新方法的基礎上，更需要加強系統級的相互配合能力和對於複雜動態環境的應變能力。

　　鑒於此，本書從系統工程的角度切入，面向以半導體生產線為代表的多重入複雜製造系統，研究提出一種可重構的生產計畫與調度體系結構。該體系結構不僅把複雜的半導體製造過程所涉及的各類典型生產計畫與調度問題科學合理地整合為一個有機體，將各部分各環節的常規方法及著者多年研究形成的方法成果等嵌入該體系之中，而且能夠針對具體業務問題在體系結構層級上重新配置其業務系統，產生合理的方案，支援具體環境下的計畫調度決策。

　　本書的主要內容來源於著者及其研究生們的科學研究積累，強調理論與實踐的結合以及學術研究與工程應用的結合。著重研究具有集成性和靈活性的複雜製造系統生產計畫與調度體系的構建及相關技術方法，並突出其可重構特徵與可重構能力的設計與實現。全書包括3篇9 章。

　　第1篇可重構體系篇，針對複雜製造系統的生產計畫與調度整體需求與特點，構建具有可重構能力的生產計畫與調度體系結構，並討論體系結構的可重構特性以及體系的重構過程和方法，為後續內容建立框架和基礎。

　　第2篇可重構單元篇，在複雜製造系統生產計畫與調度體系的整體框架下，分别討論體系結構中的四個核心單元，即中期生產計畫單元、短期生產計畫單元、實時調度單元和重調度單元。在分别概述各單元的概念、發展及一般方法的基礎上，著重介紹了著者研究提出的若干針對複雜製造系統的計畫與調度的新方法。這些單元問題及方法都可以藉助於體系結構的集成化模型納入生產計畫與調度體系的框架之中，並參與系統的重構過程。

　　第3篇可重構實施篇，首先給出了實施本書體系結構設計的可重構計畫與調度體系原型系統的實現，繼而應用此原型系統，結合案例對單元級和系統級的體系結構重構過程加以分析說明。

　　本書面向從事複雜製造系統計畫、調度和最佳化等相關領域研究工作的科學研究人員，系統工程、工業工程、自動化、機械工程等科系大學研究生和教師，微電子等複雜製造產業的生產管理或工程技術人員等，力圖在生產計畫與調度的系統化技術、方法、工具及應用案例等方面，為讀者提供有價值的參考和幫助。

　　與本書內容相關的研究工作得到了國家自然科學基金項目等的資助，也得到了團隊創始人吳啓迪教授的指導和幫助。在本書編寫過程中，丁小進、施斌、葉愷、李兆佳、郭瓔宵、倪嘉呈、谷翔、李雯琳、於孝雨、高海、王正等研究生參與了研究工作，研究生王巧玲、邢俊霞協助了書稿整理，在此一併表示感謝。

　　限於水準和能力，本書難免有不妥之處，衷心希望各位讀者不吝批評指正。