專利名稱：基于Match-up的制造系統(tǒng)設(shè)備組匹配重調(diào)度方法
技術(shù)領(lǐng)域：
多重入制造系統(tǒng)的在線重調(diào)度方法，特別面向微電子制造領(lǐng)域的生產(chǎn)管理技術(shù)， 是一種修正式的重調(diào)度方法。具體地，本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體制造系統(tǒng)設(shè)備組重調(diào)度方法， 即局部重調(diào)度算法中的設(shè)備組匹配重調(diào)度(GMUR)算法；這種算法以充分利用設(shè)備空閑時 間為思想，以提升重調(diào)度決策的有效性與生產(chǎn)線的穩(wěn)定性。
背景技術(shù)：
對于復(fù)雜多變的多重入制造系統(tǒng)，許多生產(chǎn)線的擾動因素具有不可預(yù)測性，而這 些擾動因素往往會使得原本優(yōu)化的調(diào)度方案不再優(yōu)化，甚至失去了可行性，這時需要對生 產(chǎn)線進(jìn)行重新調(diào)度，這也就引出了多重入制造系統(tǒng)的重調(diào)度問題。所謂重調(diào)度，是指當(dāng)既定生產(chǎn)調(diào)度方案在其執(zhí)行過程中被干擾時，在既定調(diào)度方 案的基礎(chǔ)上生成新的調(diào)度方案，以適應(yīng)當(dāng)前狀態(tài)的過程。目前，國內(nèi)外的重調(diào)度研究主要集中于單臺機(jī)器系統(tǒng)、并行機(jī)器系統(tǒng)、流水車間和 作業(yè)車間、柔性制造單元與系統(tǒng)。研究內(nèi)容主要包括以下三個方面重調(diào)度策略、重調(diào)度方 法和重調(diào)度評價。重調(diào)度策略是根據(jù)各種重調(diào)度因素，決定何時產(chǎn)生重調(diào)度，采用何種重調(diào)度方法。 常見的有三種重調(diào)度策略周期性重調(diào)度策略，事件驅(qū)動重調(diào)度策略和混合重調(diào)度策略。周期性重調(diào)度策略以恒定的時間間隔有規(guī)律的對設(shè)備進(jìn)行重調(diào)度，不考慮事件觸 發(fā)。周期性重調(diào)度是最普遍的重調(diào)度策略，通常是基于管理區(qū)間(如，一周或一天或一個班 次)進(jìn)行的。Church和Uzsoy給出了這種重調(diào)度策略詳細(xì)的解釋。Kempf提出了一種基于 人工智能的預(yù)先調(diào)度方法，該方法每個班次執(zhí)行一次，給出優(yōu)化的調(diào)度方案。Sabimcuoglu 和Karabuk在柔性制造系統(tǒng)中考慮重調(diào)度頻率對系統(tǒng)效能的影響。不同的重調(diào)度周期對生 產(chǎn)線的影響很大，如何決定最佳重調(diào)度周期是一項困難而重要的工作。事件驅(qū)動重調(diào)度策略由擾動事件觸發(fā)重調(diào)度，能夠即時響應(yīng)動態(tài)制造系統(tǒng)中的擾 動事件，修改原調(diào)度方案或生成新的調(diào)度方案。Vieira等描述了在動態(tài)系統(tǒng)中利用分析模 型比較基于隊列長度的事件驅(qū)動重調(diào)度策略的性能。Bierwirth和Mattfeld研究的重調(diào)度 策略，當(dāng)每個新工件到來時創(chuàng)建一個新的調(diào)度。然而，完全的事件響應(yīng)可能會導(dǎo)致過度的計 算開銷，難以滿足實時性的要求。混合重調(diào)度策略將上述兩種重調(diào)度策略相結(jié)合，在周期性觸發(fā)重調(diào)度的基礎(chǔ)上， 根據(jù)擾動事件對原調(diào)度方案的影響有選擇的觸發(fā)重調(diào)度。Chacon描述了在Sony半導(dǎo)體中 使用的系統(tǒng)，采用周期性重調(diào)度策略，并且當(dāng)非預(yù)期事件發(fā)生時手工進(jìn)行重調(diào)度。Suwa采用 固定周期重調(diào)度策略，同時計算累積任務(wù)延遲，當(dāng)累計任務(wù)延遲達(dá)到預(yù)先設(shè)定的臨界值時 開始重調(diào)度?；旌闲椭卣{(diào)度既可以避免周期性重調(diào)度對非預(yù)期事件不敏感的確定，又可以 避免事件驅(qū)動型重調(diào)度易造成過度頻繁的重調(diào)度導(dǎo)致計算量過大的缺點。在采用流水線車間加工的生產(chǎn)系統(tǒng)中，一個傳送系統(tǒng)沿著工作臺運送WIP，在每個 工作臺處，完成WIP的一道不同工序。從理論上，WIP在從頭到尾加工行進(jìn)期間中訪問各個
3工作臺一次。半導(dǎo)體生產(chǎn)線與使用流水線車間加工的大多數(shù)生產(chǎn)系統(tǒng)不同。在半導(dǎo)體生產(chǎn) 線中，WIP在加工行進(jìn)過程中有可能數(shù)次訪問同一個工作臺，WIP要經(jīng)歷數(shù)次清洗、氧化、沉 積、噴涂金屬、蝕刻、離子注入及脫膜等工序，直到完成半導(dǎo)體產(chǎn)品。重調(diào)度方法用于產(chǎn)生具有優(yōu)化性能指標(biāo)的重調(diào)度方案，主要有兩種方式生成式 重調(diào)度和修正式重調(diào)度。生成式重調(diào)度根據(jù)是否考慮生產(chǎn)線不確定因素可以分為常規(guī)性調(diào)度和魯棒性調(diào) 度。常規(guī)性調(diào)度通常忽略隨機(jī)擾動因素，旨在給出優(yōu)化的靜態(tài)調(diào)度方案，但是對隨機(jī)擾動處 理能力不夠。常規(guī)性調(diào)度可以借鑒已有的調(diào)度方法，如離散時間系統(tǒng)仿真，運籌學(xué)，計算智 能等。魯棒性調(diào)度在常規(guī)性調(diào)度的基礎(chǔ)上研究生產(chǎn)線的各種隨機(jī)因素，在調(diào)度的時候已經(jīng) 考慮各種干擾的影響，所以給出的調(diào)度方案更適用于實際的生產(chǎn)。不少學(xué)者對不確性模型 的魯棒性調(diào)度展開了研究，Metha和Uzsoy提出的預(yù)期調(diào)度方案通過插入一些空閑的時間 片來減少隨機(jī)擾動的影響。Daniels和Kouvelis等人考慮生產(chǎn)線處于最壞情況下給出優(yōu)化 調(diào)度方案，這樣可以更有效的減少隨機(jī)事件的干擾，但是在擾動較少的情況下可能會降低 生產(chǎn)率。當(dāng)原有的調(diào)度方案由于各種隨機(jī)因素不適用的時候，需要進(jìn)行修正，即進(jìn)行修正 式重調(diào)度。修正式重調(diào)度主要分為兩類局部修正式重調(diào)度、全局修正式重調(diào)度。局部修 正式重調(diào)度僅僅修正那些受擾動直接影響和間接影響的派工方案。Miyashint和Sycara 在基于約束的基礎(chǔ)上根據(jù)不同的情況選擇局部修正的方法，具體包括調(diào)整開始加工時間、 交換操作和切換到其他可選資源。全局修正式重調(diào)度由重調(diào)度點開始更新整個調(diào)度方案。 Bierwirth和Mattfeld在原調(diào)度方案的基礎(chǔ)上使用遺傳算法生成新調(diào)度，該方法可以有效 的減少重新生成調(diào)度方案的計算開銷。James等人提出了一種基于原調(diào)度方案的匹配調(diào)度 方法，考慮了多種資源約束、工件的投料和生產(chǎn)線擾動。重調(diào)度有許多不同的評價指標(biāo)，這些評價指標(biāo)大致可以分成三類有效性評價指 標(biāo)、穩(wěn)定性評價指標(biāo)和成本評價指標(biāo)。有效性評價指標(biāo)通常使用一些基于時間的指標(biāo)，比如加工周期，平均延遲，平均資 源利用率，最大延遲等。穩(wěn)定性評價是重調(diào)度十分重要的評價指標(biāo)。Wu和Storer等人認(rèn)為 穩(wěn)定性主要表現(xiàn)在新舊調(diào)度方案開始時間的偏差和新舊調(diào)度方案各個操作順序的差異?；?于時間的指標(biāo)不能明顯的反映經(jīng)濟(jì)效益，一些研究人員提出調(diào)度決策需要考慮一些經(jīng)濟(jì)性 指標(biāo)，如Shafaei和Brurm提到總成本、WIP數(shù)、延遲交貨代價和不同任務(wù)的收益等評價指 標(biāo)。本發(fā)明以半導(dǎo)體生產(chǎn)線為對象，對多重入制造系統(tǒng)中在線重調(diào)度的策略和方法展 開研究，通過優(yōu)化重調(diào)度策略和重調(diào)度方法來提高系統(tǒng)對不確定事件的反映能力，使新調(diào) 度方案不僅繼承了原調(diào)度的優(yōu)化性同時盡可能保持調(diào)度方案的穩(wěn)定性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出的重調(diào)度算法包括下列步驟(1)尋找匹配點TP;(2)TP > Tmax否？若是，則確定重調(diào)度任務(wù)集，更新任務(wù)開始時間和線路束時間；(3)若不是，選擇移動工件；
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(4)選擇擇互替設(shè)備；(5)選擇插入點，插入任務(wù)；(6)更新計算配點Tp ；(7)匹配點是否左移？若是，返回至(2)； (8)若不是，右移重調(diào)度；(9)結(jié)束。對于GMUR算法，需要考慮以下幾個選擇策略問題(1)從故障設(shè)備任務(wù)集中選擇哪一個任務(wù)移動到互替設(shè)備上；(2)選擇哪臺互替設(shè)備作為移動任務(wù)的目標(biāo)機(jī)器；(3)移動任務(wù)插入到互替設(shè)備任務(wù)集的哪個位置；對于問題1，可以選擇故障設(shè)備任務(wù)集隊首任務(wù)，也可以選擇隊尾任務(wù)，當(dāng)然也可 以隨機(jī)選擇一個任務(wù)。由于任務(wù)受等待約束的限制，后面的任務(wù)即使移動到互替設(shè)備也不 能立即開始，這意味著互替設(shè)備的任務(wù)空閑時間不能很好的利用，因而選擇隊列較前的任 務(wù)有利于尋找匹配點，這里采用的是隊首優(yōu)先原則，即優(yōu)先選擇故障設(shè)備任務(wù)集靠前的任務(wù)。對于問題2，目的是充分利用設(shè)備空閑時間，因而互替設(shè)備越是空閑則越能減少任 務(wù)移動數(shù)量，加快匹配速度。這里采用的是空閑設(shè)備優(yōu)先原則，即優(yōu)先將任務(wù)移動到最空閑 的設(shè)備上。對于問題3，由于GMUR尋找匹配點是一個迭代過程，可能需要經(jīng)過多次的任務(wù)移 動才能找到匹配點，為了充分利用設(shè)備空閑時間，移入的任務(wù)當(dāng)盡可能早的加工，這樣為下 一次任務(wù)移入留下更多的空閑時間。因而，這里采用的是插入任務(wù)優(yōu)先原則，即目標(biāo)設(shè)備優(yōu) 先加工移入的任務(wù)。本發(fā)明的優(yōu)點在于，這種算法優(yōu)化了右移重調(diào)度算法，充分利用設(shè)備任務(wù)空閑，消 除擾動對調(diào)度方案的影響，大大提高生產(chǎn)線在重調(diào)度后的穩(wěn)定性?？傊景l(fā)明提供了切實可行的半導(dǎo)體生產(chǎn)局部重調(diào)度算法，該算法的提出對研 究半導(dǎo)體生產(chǎn)重調(diào)度有一定的參考價值，對提高我國半導(dǎo)體生產(chǎn)系統(tǒng)領(lǐng)域中局部重調(diào)度算 法具有重要的指導(dǎo)意義。


圖1是本發(fā)明算法流程圖。
具體實施例方式本發(fā)明提供的重調(diào)度方法的實施方式如下。本發(fā)明提供的調(diào)度方法在具體實施階段需要滿足的條件為企業(yè)必須有支撐生產(chǎn) 的MES系統(tǒng)，或者實時與實際生產(chǎn)同步的數(shù)據(jù)庫；由于本發(fā)明提供的兩種算法均需要仿真 作為輔助，必須至少有一種仿真平臺軟件支持。重調(diào)度系統(tǒng)應(yīng)包括三塊內(nèi)容企業(yè)數(shù)據(jù)庫、本地數(shù)據(jù)庫、重調(diào)度軟件系統(tǒng)、仿真平 臺。大致流程為，軟件系統(tǒng)每隔固定時間從企業(yè)數(shù)據(jù)庫中讀取數(shù)據(jù)，存入本地數(shù)據(jù)庫，一旦 發(fā)現(xiàn)重調(diào)度擾動，則觸發(fā)重調(diào)度，重調(diào)度軟件系統(tǒng)通過仿真接口控制仿真平臺的仿真開始、結(jié)束，最后，將重調(diào)度后的數(shù)據(jù)通過軟件系統(tǒng)寫回至企業(yè)數(shù)據(jù)庫，以供MES系統(tǒng)使用，使線 上工作人員能及時依照最新的派工方案進(jìn)行派工。以下就各部分詳細(xì)闡述本發(fā)明的實施方 式。由于企業(yè)數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)往往是異構(gòu)的，且同一企業(yè)內(nèi)，由于生產(chǎn)線的不同，所對應(yīng) 的數(shù)據(jù)庫也會不同。然而，本發(fā)明提供的重調(diào)度算法對生產(chǎn)線并無特殊需求，屬于適用性較 廣的算法。所以，要使重調(diào)度算法能夠適用于所有的生產(chǎn)線，需要先轉(zhuǎn)換企業(yè)數(shù)據(jù)庫至本地 數(shù)據(jù)庫。重調(diào) 度算法對數(shù)據(jù)的需求并不復(fù)雜，只需要有原始的派工信息即可。本地數(shù)據(jù)庫的作用在于存儲從企業(yè)數(shù)據(jù)庫中加載的數(shù)據(jù)，目的在于比較最新的數(shù) 據(jù)與前一次加載數(shù)據(jù)的區(qū)別，以判斷是否滿足重調(diào)度的觸發(fā)條件。一般觸發(fā)條件包括三種 累計加工延時超標(biāo)(指工件的實際開始加工時間或完工時間與原調(diào)度方案之間的誤差，若 誤差達(dá)到一定的閥值，則說明原調(diào)度方案不再適用，必須生成重調(diào)度方案，以縮短預(yù)期調(diào)度 與實際生產(chǎn)之間的誤差)；設(shè)備故障(指突發(fā)的不可預(yù)測的設(shè)備故障，同時需要故障信息及 時有效的在數(shù)據(jù)庫中反映，如此才能保證重調(diào)度算法的有效性)；非計劃性投料進(jìn)入生產(chǎn) 線(指不在計劃之內(nèi)的投料，一般是企業(yè)的工程卡，即用于實驗的測試卡，且這些卡的優(yōu)先 級一般比較高，一旦有這些工件的加入，勢必打亂原先的調(diào)度方案，需要重調(diào)度)。本地數(shù)據(jù) 庫的另一作用在于存儲每次重調(diào)度前后的排程方案，以方便企業(yè)通過歷史數(shù)據(jù)分析重調(diào)度 的有效性。仿真平臺，作為重調(diào)度系統(tǒng)的輔助工具，用于當(dāng)無法找到匹配點，或算法執(zhí)行超 時，可采用仿真平臺做全局重調(diào)度，仿真平臺必須提供外部接口可與軟件系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互、仿 真控制等。重調(diào)度軟件系統(tǒng)，該部分作為重調(diào)度系統(tǒng)的核心部分作用在于控制企業(yè)數(shù)據(jù)庫與 本地數(shù)據(jù)庫，以及控制仿真平臺，并且實現(xiàn)重調(diào)度算法。在企業(yè)數(shù)據(jù)庫方面，軟件負(fù)責(zé)每隔 固定時間段加載企業(yè)數(shù)據(jù)庫中所需要的數(shù)據(jù)，并存入本地數(shù)據(jù)庫，目的在于及時地發(fā)現(xiàn)重 調(diào)度觸發(fā)因素。由于企業(yè)數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)量一般較大，可以采用增量形式對數(shù)據(jù)進(jìn)行刷新。在 仿真平臺方面，由于本發(fā)明提供的重調(diào)度算法存在找不到匹配點或算法運行超時的情況， 在這種情況下，可選用全局重調(diào)度替代，然而全局重調(diào)度需要仿真平臺的支撐。另一方面，算法實現(xiàn)是軟件系統(tǒng)的主要部分，以下詳細(xì)闡述算法的實現(xiàn)過程。采用 遞歸算法實現(xiàn)。以下詳細(xì)闡述GMUR算法的具體實現(xiàn)步驟。GMUR算法與SMUR算法結(jié)構(gòu)大致相同， 采用遞歸實現(xiàn)，具體區(qū)別參見如下描述。GMUR包含4個參數(shù)，分別為新開始時間(即當(dāng)前 任務(wù)的新加工開始時間)StartTime ；任務(wù)Dispatch ；是否調(diào)度在當(dāng)前任務(wù)后的在同一設(shè)備 上的任務(wù)標(biāo)志位eqpFlag，簡稱設(shè)備標(biāo)志位；是否調(diào)度尋找互替設(shè)備標(biāo)志位，switchFlag。步驟1檢查StartTime是否小于當(dāng)前任務(wù)的原startTime，若小于則直接返回，否 則繼續(xù)下一步。因為如果新開始時間小于調(diào)度任務(wù)的原開始時間，則表示匹配點已找到，無 須繼續(xù)調(diào)度后續(xù)任務(wù)。步驟2判斷設(shè)備標(biāo)志位eqpFlag是否為真，若為真則下一步，否則跳至步驟5。步驟3尋找當(dāng)前任務(wù)所對應(yīng)工件的下一步工序，并找出工序所對應(yīng)的任務(wù) nextSt印Disatch，若找到，則遞歸調(diào)用SMUR算法，參數(shù)分別為=StartTime =于當(dāng)前任務(wù)新 開始時間 + 任務(wù)持續(xù)時間；dispatch = nextStepDispatch ；eqpFlag = true ；switchFlag==false。步驟4更新當(dāng)前任務(wù)的開始加工時間以及結(jié)束加工時間。步驟5尋找與當(dāng)前任務(wù)處于同一設(shè)備的下一項任務(wù)，可能不止一項，因為存在組 批現(xiàn)象，存入列表nextEqpDispatchList中。
步驟6若列表中只有一項任務(wù)，則進(jìn)行步驟7，否則跳轉(zhuǎn)至步驟9。步驟7若switchFlag為true，則尋找互替設(shè)備，并且得到互替設(shè)備上可供當(dāng)前 任務(wù)插入的位置，即插入位置的前一項任務(wù)preDis。若找到可插入的位置，則更新當(dāng)前任 務(wù)的開始加工時間與結(jié)束加工時間，將當(dāng)前任務(wù)移至互替設(shè)備上的任務(wù)列表中，遞歸調(diào)用 SMUR算法，參數(shù)分別為=StartTime =于當(dāng)前任務(wù)新開始時間+任務(wù)持續(xù)時間；dispatch = nextStepDispatchList
；eqpFlag = true ；switchFlag = true。步驟8尋找當(dāng)前任務(wù)所對應(yīng)工件的下一步工序，并找出工序所對應(yīng)的任務(wù) nextSt印Dispatch，若找到則遞歸調(diào)用SMUR算法，參數(shù)分別為=StartTime =于當(dāng)前任務(wù)新 開始時間 + 任務(wù)持續(xù)時間；dispatch = nextStepDispatch ；eqpFlag = true ；switchFlag =false。跳轉(zhuǎn)至步驟12。步驟9對nextEqpDispatchList中的每一項任務(wù)做循環(huán)，直至遍歷列表中的所有 調(diào)度任務(wù)。循環(huán)步驟為步驟10至步驟11。步驟10若當(dāng)前調(diào)度任務(wù)為循環(huán)中的第一項任務(wù)，則遞歸調(diào)用SMUR算法，參數(shù)分別 為=StartTime =于當(dāng)前任務(wù)新開始時間+任務(wù)持續(xù)時間；dispatch =當(dāng)前循環(huán)的調(diào)度任 務(wù)；eqpFlag = true ； ；switchFlag = true。若當(dāng)前任務(wù)并不是列表中的第一項任務(wù)，同樣 遞歸調(diào)用SMUR算法，除了 eqpFlag = false，其余三項參數(shù)與前面一致。步驟11尋找當(dāng)前任務(wù)所對應(yīng)工件的下一步工序，并找出工序所對應(yīng)的任務(wù) nextSt印Dispatch，若找到，則遞歸調(diào)用SMUR算法，參數(shù)分別為=StartTime =于當(dāng)前任務(wù) frJf^nWfS] + {i^-ii^g^fB] ；dispatch = nextStepDispatch ；eqpFlag = true ；switchFlag =true ；步驟12更新當(dāng)前任務(wù)的開始加工時間與結(jié)束時間。最后，提供本發(fā)明在MINIFAB以及HP24FAB1半導(dǎo)體生產(chǎn)線模型中的性能表現(xiàn)。主 要分析修正后的調(diào)度任務(wù)與原調(diào)度任務(wù)的累計延時。仿真的前提為1.隨機(jī)設(shè)置5處故障， 每次故障持續(xù)半小時。2.采用固定數(shù)量投料，兩個月內(nèi)全部投完。3.仿真時間為60天。
權(quán)利要求
一種基于Match-up的制造系統(tǒng)設(shè)備組匹配重調(diào)度方法，包括下列步驟步驟1，尋找匹配點TP；步驟2，TP＞Tmax否？若是，則確定重調(diào)度任務(wù)集，更新任務(wù)開始時間和線路束時間；步驟3，若不是，選擇移動工件；步驟4，選擇擇互替設(shè)備；步驟5，選擇插入點，插入任務(wù)；步驟6，更新計算配點TP；步驟7，匹配點是否左移？若是，返回至步驟2；步驟8，若不是，右移重調(diào)度；步驟9，結(jié)束。
全文摘要
本發(fā)明提供一種基于Match-up的制造系統(tǒng)設(shè)備組匹配重調(diào)度方法，即局部重調(diào)度算法中的設(shè)備組匹配重調(diào)度(GMUR)算法；這種算法以充分利用設(shè)備空閑時間為思想，以提升重調(diào)度決策的有效性與生產(chǎn)線的穩(wěn)定性。優(yōu)點在于，這種算法優(yōu)化了右移重調(diào)度算法，充分利用設(shè)備任務(wù)空閑，消除擾動對調(diào)度方案的影響，大大提高生產(chǎn)線在重調(diào)度后的穩(wěn)定性。
文檔編號G05B13/04GK101859101SQ20101017046
公開日2010年10月13日 申請日期2010年5月11日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月11日
發(fā)明者喬非, 葉愷, 施斌, 馬玉敏 申請人:同濟(jì)大學(xué)