第1 篇 可重構體繫篇



第1 章復雜制造繫統概述/ 2



1.1制造繫統的復雜性/ 2



1.1.1制造繫統的分類與特點/ 2



1.1.2工業制造繫統的復雜性/ 5



1.2多重入復雜制造繫統運作概述/ 6



1.2.1多重入復雜制造繫統概念及特征/ 6



1.2.2典型多重入復雜制造繫統——半導體制造/ 6



1.2.3制造信息繫統/ 8



1.3復雜制造繫統的生產計劃與調度/ 10



1.3.1生產計劃與調度概念/ 10



1.3.2中期生產計劃問題與方法/ 11



1.3.3短期生產計劃生產調度問題與方法/ 12



1.3.4動態調度問題與方法/ 13



1.4復雜制造繫統的發展趨勢/ 15



1.4.1新一代互聯網技術驅動下的制造繫統發展趨勢/
15



1.4.2新型制造模式下計劃調度的可重構意義/ 16



參考文獻/ 17







第2 章可重構的復雜制造繫統生產計劃與調度體繫/ 19



2.1體繫結構的一般概念/ 19



2.1.1體繫結構和體繫結構框架/ 19



2.1.2常用體繫結構框架/ 20



2.1.3體繫結構框架的概念模型/ 24



2.2面向生產計劃與調度的體繫結構框架/ 25



2.2.1制造繫統生產計劃與調度的研究路線/ 25



2.2.2面向生產計劃與調度的體繫結構素及關繫/ 26



2.2.3面向生產計劃與調度的體繫結構框架的視角及模型/ 31



2.2.4面向生產計劃與調度的體繫結構框架的特點分析/
36



2.3復雜制造繫統生產計劃與調度體繫結構的構建/ 37



2.3.1業務繫統視角模型建立/ 38



2.3.2業務過程視角模型建立/ 42



2.3.3協同視角模型建立/ 45



2.3.4體繫結構模型之間的集成和重構關繫/ 49



2.4可重構的復雜制造繫統生產計劃與調度集成體繫/ 53



2.4.1體繫結構的業務功能關繫/ 53



2.4.2體繫結構的業務過程邏輯/ 55



2.4.3體繫結構的特點分析/ 57



參考文獻/ 59







第3 章面向復雜制造繫統的計劃與調度重構/ 61



3.1面向復雜制造繫統的計劃與調度體繫重構概述/ 61



3.1.1可重構繫統的結構及組成/ 61



3.1.2可重構的類別/ 62



3.1.3可重構繫統的復用層次/ 63



3.2可重構的內容與層次/ 66



3.2.1繫統級重構/ 66



3.2.2組件級重構/ 68



3.2.3算法級重構/ 69



3.3可重構繫統的建立過程/ 70



3.4復用層次的語義基礎/ 72



3.4.1範疇論基礎概念/ 73



3.4.2復用層次的語義基礎/ 74



參考文獻/ 80







第2 篇 可篇



第4 章復雜制造繫統的中期生產計劃/ 84



4.1中期生產計劃概述/ 84



4.1.1投料計劃概述/ 84



4.1.2維護計劃概述/ 87



4.2投料計劃方法研究/ 89



4.2.1負荷均衡投料計劃算法/ 90



4.2.2動態負荷均衡投料計劃算法/ 93



4.2.3基於產能約束的混合智能投料算法/ 97



4.3維護計劃方法研究/ 99



4.3.1設備維護策略/ 99



4.3.2智能優化維護方法研究/ 101



4.4協同計劃方法研究/ 103



4.4.1投料計劃與維護計劃的協同/ 103



4.4.2維護計劃與生產調度的協同/ 104



4.5中期計劃的可重構集成/ 107



4.5.1中期計劃體繫結構模型/ 107



4.5.2中期計劃集成控制/ 112



4.5.3中期計劃通用組件及接口/ 115



4.6案例： 考慮了生產調度的維護計劃/ 116



4.6.1案例描述/ 116



4.6.2仿真模型/ 117



4.6.3仿真結果/ 117



參考文獻/ 119







第5 章復雜制造繫統的短期計劃與調度/ 121



5.1短期生產計劃與調度概述/ 121



5.1.1短期生產計劃與調度概念/ 121



5.1.2短期生產計劃與調度方法/ 122



5.2基於約束理論的DBR 短期生產計劃方法/ 125



5.2.1面向多重入制造繫統實施的DBR 分析/ 125



5.2.2基於DBR 的分層調度算法/ 129



5.3基於SBO 的多目標調度優化方法/ 130



5.3.1面向復雜制造調度的SBO 方法設計/ 131



5.3.2基於灰色關聯度分析的優化目標選取/ 134



5.3.3基於NSGA- II 算法的SBO 多目標調度優化方法/ 136



5.3.4基於層次分析法的解選取/ 140



5.4瓶頸區並行設備調度方法/ 142



5.4.1瓶頸區調度優化方法簡介/ 142



5.4.2瓶頸區調度優化方法設計/ 142



5.4.3調度期內瓶頸區工序集預測方法/ 144



5.4.4瓶頸區調度任務的優化/ 146



5.5短期計劃與調度的可重構集成/ 150



5.5.1短期計劃與調度體繫結構的業務繫統視角模型/
150



5.5.2短期計劃與調度體繫結構的業務過程視角模型/
155



5.6案例： SBO 多目標調度優化方法/ 161



5.6.1基於BenchMark6 模型的SBO 仿真優化/ 161



5.6.2解選取/ 164



參考文獻/ 166







第6 章復雜制造繫統的實時調度/ 170



6.1實時調度概述/ 171



6.1.1基於規則的實時調度方法/ 171



6.1.2基於數據的實時調度方法/ 173



6.2基於數據的組合規則調度策略/ 175



6.2.1調度規則庫的設計與選取/ 176



6.2.2性能指標集的設計與選取/ 178



6.2.3基於數據的實時調度/ 180



6.3基於數據的瓶頸設備實時調度/ 184



6.3.1基於數據的瓶頸識別/ 185



6.3.2基於數據的瓶頸調度算法/ 189



6.4實時調度的可重構集成/ 192



6.4.1實時調度的業務繫統視角模型/ 193



6.4.2實時調度的業務過程視角模型/ 195



6.5案例： 基於數據的瓶頸設備實時調度/ 198



參考文獻/ 202







第7 章復雜制造繫統的重調度/ 204



7.1重調度概述/ 204



7.1.1重調度策略的研究現狀與發展/ 205



7.1.2重調度方法的研究現狀與發展/ 206



7.1.3重調度評價的研究現狀與發展/ 206



7.2基於模糊Petri 網推理的重調度策略/ 207



7.2.1面向重調度決策的模糊Petri 網模型/ 208



7.2.2基於模糊推理的重調度決策/ 212



7.3匹配重調度方法/ 217



7.3.1匹配時段與匹配區域/ 217



7.3.2單臺設備匹配重調度方法/ 220



7.3.3設備組匹配重調度方法/ 224



7.3.4兩種匹配重調度方法的比較分析/ 225



7.4重調度評價/ 227



7.4.1穩定性評價/ 227



7.4.2有效性評價/ 228



7.5重調度的可重構集成/ 228



7.5.1重調度的業務繫統視角模型/ 228



7.5.2重調度的業務過程視角模型/ 229



7.6案例： 在線重調度/ 233



參考文獻/ 236







第3 篇 可重構實施篇



第8 章可重構體繫原型繫統設計/ 240



8.1原型繫統簡介/ 240



8.2原型繫統設計/ 241



8.2.1原型繫統基礎架構設計/ 241



8.2.2數據層設計/ 242



8.2.3軟件層設計/ 243



8.2.4仿真層設計/ 246



8.3數據層實現/ 247



8.4軟件層實現/ 248



8.4.1數據接口定義實現/ 248



8.4.2基礎模型實現/ 250



8.4.3體繫結構組件實現/ 251



8.4.4仿真模型接口實現/ 262



8.4.5用戶界面實現/ 262



8.5仿真層實現/ 263



8.5.1模型庫實現/ 264



8.5.2算法庫實現/ 266



8.6MRPSS 使用流程/ 267



參考文獻/ 268







第9 章基於原型繫統的可重構實施/ 269



9.1原型繫統基本使用界面/ 269



9.2基於原型繫統的可重構驗證研究/ 272



9.2.1概述/ 272



9.2.2瓶頸區需求模型/ 273



9.2.3HP24Fab 模型簡介/ 274



9.2.4重構驗證過程及分析/ 275



9.3基於原型繫統的可重構優化研究/ 280



9.3.1概述/ 280



9.3.2生產線數據分析過程/ 282



9.3.3生產線數據表示與評估尺度/ 284



9.3.4生產線數據分析模型/ 290



9.3.5Minifab 模型/ 298



9.3.6Minifab 數據分析的重構過程案例/ 300



參考文獻/ 306







附錄專業詞語彙總表/ 307







索引/ 312

制造業是國民經濟發展的重要支柱，制造業的先進程度標志著一個國家的發展水平。隨著現代制造業在環境、結構、過程等多方面表現出的復雜性日益增強，對復雜制造繫統的運營管理與優化也提出了更高的要求。復雜制造繫統技術密集，資金密集，例如，在半導體集成電路芯片制造生產線上，投資的75%用在設備上，相比於通過增加貴重設備來提高產能的方式，以改進生產計劃與調度策略來優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閑幾分鐘，則將數目可觀的成本。



生產計劃與調度是復雜制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平、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。而復雜制造繫統的調度優化毫無疑問是眾多調度問題中頗具挑戰性的一類，得到了國內外工業工程、控制工程、人工智能、應用數學、運籌學、計算機科學、管理科學、繫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熱點之一。



以多重入特征明顯的半導體制造繫統為代表的一類復雜制造繫統，因其在工藝流程、多樣性約束、生產方式等方面的復雜要求及來自內外部制造環境的動態不確定性，為其制造過程的生產計劃和調度控制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劃與調度中各個子問題的求解，如能力計劃、投料控制、實時調度等。無論是從模型到方法的理論研究，還是從優化問題到控制策略的技術探索，都難以填充研究與應用之間的鴻溝，究其原因，已有的研究成果在繫統性和靈活性上的不足可能是制約因素之一。



著者從20 世紀90 年代初開始涉足制造領域生產計劃與調度的研究，先後圍繞柔性制造、計算機集成制造等先進制造繫統，積累了多年的科研、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制造為代表的復雜制造繫統的生產計劃與調度理論、方法和應用研究，同時也越來越體會到，對於復雜制造繫統的調度優化管理，在不斷改進模型、創新方法的基礎上，更需要加強繫統級的協同能力和對於復雜動態環境的應變能力。



鋻於此，本書從繫統工程的角度切入，面向以半導體生產線為代表的多重入復雜制造繫統，研究提出一種可重構的生產計劃與調度體繫結構。該體繫結構不僅把復雜的半導體制造過程所涉及的各類典型生產計劃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繫之中，而且能夠針對具體業務問題在體繫結構層級上重新配置其業務繫統，產生合理的方案，支持具體環境下的計劃調度決策。



本書的主要內容來源於著者及其研究生們的科研積累，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復雜制造繫統生產計劃與調度體繫的構建及相關技術方法，並突出其可重構特征與可重構能力的設計與實現。全書包括3 篇9 章。



第1 篇可重構體繫篇，針對復雜制造繫統的生產計劃與調度整體需求與特點，構建具有可重構能力的生產計劃與調度體繫結構，並討論體繫結構的可重構特性以及體繫的重構過程和方法，為後續內容建立框架和基礎。



第2 篇可篇，在復雜制造繫統生產計劃與調度體繫的整體框架下，分別討論體繫結構中的四個，即中期生產、短期生產、實時和重。在分別概的概念、發展及一般方法的基礎上，重點介紹了著者研究提出的若干針對復雜制造繫統的計劃與調度的新方法。問題及方法都可以借助於體繫結構的集成化模型納入生產計劃與調度體繫的框架之中，並參與繫統的重構過程。



第3 篇可重構實施篇，首先給出了實施本書體繫結構設計的可重構計劃與調度體繫原型繫統的實現，繼而應用此原型繫統，結合案級和繫統級的體繫結構重構過程加以分析說明。



本書面向從事復雜制造繫統計劃、調度和優化等相關領域研究工作的科研人員，繫統工程、工業工程、自動化、機械工程等專業大專院校研究生和教師，微電子等復雜制造行業的生產管理或工程技術人員等，力圖在生產計劃與調度的繫統化技術、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（編號：71690234 和61034004）等的資助，也得到了團隊創始人吳啟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，在此一並表示感謝。



限於水平和能力，本書難免有不妥之處，衷心希望各位讀者不吝批評指正。