專利名稱：一種可重入制造系統(tǒng)瓶頸設(shè)備預(yù)測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于先進制造領(lǐng)域。具體涉及大規(guī)模可重入制造系統(tǒng)中，一種瓶頸設(shè)備預(yù)測方法。
背景技術(shù)：
可重入制造系統(tǒng)是以半導(dǎo)體制造系統(tǒng)為典型背景提出的。半導(dǎo)體制造業(yè)作為其關(guān)鍵性基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，已經(jīng)成為當(dāng)前的熱點產(chǎn)業(yè)。如何采用性能優(yōu)良的控制策略，提升半導(dǎo)體制造系統(tǒng)整體效率及各方面性能已經(jīng)成為半導(dǎo)體制造業(yè)關(guān)注的焦點。在半導(dǎo)體制造系統(tǒng)中，瓶頸設(shè)備是制約系統(tǒng)產(chǎn)量、生產(chǎn)周期和在制品水平的關(guān)鍵因素，因此如何快速有效的識別生產(chǎn)線中瓶頸設(shè)備，并且以生產(chǎn)線中關(guān)鍵性的瓶頸設(shè)備控制為核心，帶動其他生產(chǎn)設(shè)備的調(diào)度與管理，成為提高整個生產(chǎn)線性能指標的關(guān)鍵任務(wù)。因此快速準確預(yù)測出瓶頸設(shè)備，對提高調(diào)度算法的性能及整個生產(chǎn)線性能具有重要意義。制造系統(tǒng)瓶頸主要指加工強度最大，負荷最高，對系統(tǒng)產(chǎn)出影響最大的加工中心。 在對瓶頸研究中主要存在如下問題(1)影響瓶頸設(shè)備的參數(shù)有很多，選取哪些參數(shù)作為計算瓶頸及影響瓶頸的關(guān)鍵因素，直接影響瓶頸設(shè)備的識別的準確性；( 不管采用何種瓶頸計算方法，瓶頸的確定根據(jù)瓶頸計算值排序后選擇的結(jié)果，但是生產(chǎn)過程中各種不確定的事件可能導(dǎo)致計算值及排序發(fā)生變化，從而造成瓶頸漂移，很多基于瓶頸的調(diào)度方法并沒有考慮這種更為復(fù)雜的情況；C3)基于瓶頸的調(diào)度方法，都是在已知瓶頸的情況下采取合理的調(diào)度方法，但是這種調(diào)度方法存在一定的滯后性，可能生產(chǎn)線已經(jīng)出現(xiàn)了累加，導(dǎo)致性能的下降，所以上述基于瓶頸的方法很難對瓶頸設(shè)備負載進行有效控制以及維持生產(chǎn)線的合理運行。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對可重入制造系統(tǒng)中的瓶頸設(shè)備預(yù)測問題，給出一種瓶頸設(shè)備預(yù)測方法。該方法綜合考慮生產(chǎn)線上影響瓶頸設(shè)備的關(guān)鍵因素，采用ANFIS(自適應(yīng)模糊推理系統(tǒng))對生產(chǎn)線下一時刻瓶頸設(shè)備及相關(guān)參數(shù)進行快速有效的預(yù)測。1. 一種可重入制造系統(tǒng)瓶頸設(shè)備預(yù)測方法，其特征在于，包含以下步驟(1)確定影響系統(tǒng)中瓶頸設(shè)備的關(guān)鍵因素為工件類型、工件投料方式、設(shè)備加工時間、設(shè)備故障間隔時間、設(shè)備平均維修時間；以及設(shè)備利用率、緩存區(qū)隊列長度、生產(chǎn)線在制品水平WIP ；(2)獲取以下實際生產(chǎn)線數(shù)據(jù)(2. 1. 1)每臺設(shè)備的設(shè)備加工時間、設(shè)備故障間隔時間、設(shè)備平均維修時間；(2. 1. 2)產(chǎn)品工藝路徑總共0道工序；(2. 1. 3)工件類型、工件投料方式；根據(jù)上述數(shù)據(jù)信息構(gòu)建模型，模型由M臺設(shè)備及工件投料裝置、工件回收裝置構(gòu)成，投料裝置按照某種投料方式進行投料，投放W種類型工件進入生產(chǎn)線中，工件按照工藝
7路徑在設(shè)備中根據(jù)加工時間進行加工，最后由回收裝置收集成品；對該模型進行仿真，設(shè)工件在任意一臺設(shè)備上完成一道工序的加工為一步，每完成一步進行一次數(shù)據(jù)采集，得到Rtl組數(shù)據(jù)樣本{QLS(1)，QLs (2), L，QLs⑴，L，QLs (R0) }， { ns(l), ns(2),Lns(t)L, η s (R0)}, {W(l),ff(2),L,W(t),L, W(R0)I, {Q(l), Q(2), L, Q(t), L, Q(R0)}, {T(1),T(2),L, T (t),L, T(R0)}, t = 1，2，L，R。，s 為設(shè)備編號，s = 1，2，L，M;其中，QLs(t)、ns(t)分別為第t步數(shù)據(jù)采集所得到的設(shè)備s的緩沖區(qū)隊列長度與設(shè)備利用率，W(t)為第t步數(shù)據(jù)采集得到的生產(chǎn)線WIP，Q(t)、T(t)分別為第t步數(shù)據(jù)采集得到的生產(chǎn)線的投料方式及產(chǎn)品類型；除({Q(1),Q(2),L,Q(t), L,Q(R0)}, {Τ (1), T (2), L, T (t), L, T (R0)}外，對每一個數(shù)據(jù)樣本進行如下數(shù)據(jù)修正設(shè)采集得到的數(shù)據(jù)樣本為{g(t)}，t = 1,2, L, Rtl，且實際生產(chǎn)線中對應(yīng)數(shù)據(jù)的樣本均值為ξ，方差為σ，定義數(shù)據(jù)偏差為D(t) = g⑴-ξ，若|D(t) I彡2σ，t = 1,2, L, Rtl,則認為g(t)能夠反映實際生產(chǎn)線狀況，否則剔除第t步所采集的所有數(shù)據(jù)，得到修正后的數(shù)據(jù)；(3)對上述修正過的數(shù)據(jù)按下式計算每個設(shè)備的瓶頸度，并進行數(shù)據(jù)再修正
權(quán)利要求
1. 一種可重入制造系統(tǒng)瓶頸設(shè)備預(yù)測方法，其特征在于，包含以下步驟(1)確定影響系統(tǒng)中瓶頸設(shè)備的關(guān)鍵因素為工件類型、工件投料方式、設(shè)備加工時間、 設(shè)備故障間隔時間、設(shè)備平均維修時間；以及設(shè)備利用率、緩存區(qū)隊列長度、生產(chǎn)線在制品水平WIP ；(2)獲取以下實際生產(chǎn)線數(shù)據(jù)(2. 1. 1)每臺設(shè)備的設(shè)備加工時間、設(shè)備故障間隔時間、設(shè)備平均維修時間；(2. 1. 2)產(chǎn)品工藝路徑總共0道工序；(2. 1. 3)工件類型、工件投料方式；根據(jù)上述數(shù)據(jù)信息構(gòu)建模型，模型由M臺設(shè)備及工件投料裝置、工件回收裝置構(gòu)成，投料裝置按照某種投料方式進行投料，投放W種類型工件進入生產(chǎn)線中，工件按照工藝路徑在設(shè)備中根據(jù)加工時間進行加工，最后由回收裝置收集成品；對該模型進行仿真，設(shè)工件在任意一臺設(shè)備上完成一道工序的加工為一步，每完成一步進行一次數(shù)據(jù)采集，得到R0組數(shù)據(jù)樣本IQLs(I)，QLs (2)，L，QLs (t)，L，QLs (R0)}，{ η s⑴， ns(2),Lns(t)L, ns(R0)}, {ff(l) ,ff(2) ,L,ff(t) ,L,W(R0)I, {Q(l),Q(2),L,Q(t),L, Q(R0)I, {T(l),T(2),L,T(t),L,T(R0)},t = l，2，L，R。，s 為設(shè)備編號，s = 1，2，L，M ；其中，QLs(t)、 ns(t)分別為第t步數(shù)據(jù)采集所得到的設(shè)備s的緩沖區(qū)隊列長度與設(shè)備利用率，W(t)為第 t步數(shù)據(jù)采集得到的生產(chǎn)線WIP，Q(t)、T(t)分別為第t步數(shù)據(jù)采集得到的生產(chǎn)線的投料方式及產(chǎn)品類型；除({Q (1)，Q ⑵，L，Q (t)，L，Q (R0)}，{T ⑴，T (2)，L，T (t)，L，T (R0)}外，對每一個數(shù)據(jù)樣本進行如下數(shù)據(jù)修正設(shè)采集得到的數(shù)據(jù)樣本為{g(t)}，t = 1,2, L, Rtl，且實際生產(chǎn)線中對應(yīng)數(shù)據(jù)的樣本均值為ξ，方差為σ，定義數(shù)據(jù)偏差為D(t) = g⑴-ξ，若|D(t)| ^2o,t= 1，2，L，R。，則認為g(t)能夠反映實際生產(chǎn)線狀況，否則剔除第t步所采集的所有數(shù)據(jù)，得到修正后的數(shù)據(jù)；(3)對上述修正過的數(shù)據(jù)按下式計算每個設(shè)備的瓶頸度，并進行數(shù)據(jù)再修正 Βνχη) = ^θιηχη) + θ2Οψ^-(1)式中QLs(n), ns(n)，分別為第n步采集得到的設(shè)備s的緩沖區(qū)隊列長度及設(shè)備利用率， BVs(n)第n步計算得到的設(shè)備s瓶頸度，s為設(shè)備編號，n = 1，2，L，Rtl，但其中不包括步驟 ⑵剔除的數(shù)據(jù)；T為緩沖數(shù)預(yù)估上限，θ i與θ 2為經(jīng)驗參數(shù)，0^02^^,1=,9^02 = 1 ；設(shè)瓶頸度閾值B e
，若第n步每臺設(shè)備的瓶頸度BVs (n)均小于B，則剔除第n步所采集數(shù)據(jù)，得到再修正的數(shù)據(jù)樣本；若存在BVs(n) ^ B，取瓶頸度最大值所對應(yīng)的設(shè)備作為系統(tǒng)中瓶頸設(shè)備，得到第π步瓶頸設(shè)備編號及相應(yīng)的設(shè)備利用率、緩沖區(qū)隊列長度數(shù)據(jù)；(4)確定每臺設(shè)備的隊列長度、設(shè)備利用率、加工時間、故障時間間隔、平均維修時間， 以及生產(chǎn)線中WIP，投料方式，工件類型為三個ANFIS的輸入，下一時刻瓶頸設(shè)備編號、緩沖區(qū)隊列長度、設(shè)備利用率分別為三個ANFIS的輸出；(5)采樣數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)預(yù)處理后，得到Η+1組數(shù)據(jù)，按如下方式構(gòu)建三個數(shù)據(jù)集,x5;xM+1,pattern',type1,y]x+l]， [x/,x2;,x3;L ,x5;xM+1,pattern',type1,y}2+l]，[x/,x2;,x3;L ,x]5xM+l,pattem],iype],yi+1]，及確定需要三個 ANFIS ； 式中j代表第j組數(shù)據(jù)，j = 1，2，L，H ；χ/,L ,X57 分別為第j組數(shù)據(jù)中設(shè)備1的隊列長度、設(shè)備利用率、加工時間、故障時間間隔、平均維修時間；x6;,L X 分別為第j組數(shù)據(jù)中設(shè)備2的隊列長度、設(shè)備利用率、加工時間、故障時間間隔、平均維修時間；以此類推；4m+1 第j組數(shù)據(jù)中生產(chǎn)線WIP，M為設(shè)備數(shù)量；y(+l 第· +ι組數(shù)據(jù)中瓶頸設(shè)備編號；yi+1 第j+i組數(shù)據(jù)中瓶頸設(shè)備緩沖區(qū)隊列長度；^+1 第j+i組數(shù)據(jù)中瓶頸設(shè)備的設(shè)備利用率；Patternj 第j組數(shù)據(jù)中的投料方式；typeJ 第j組數(shù)據(jù)中的工件類型；以上3個數(shù)據(jù)集均由H組數(shù)據(jù)組成，取每個數(shù)據(jù)集V組為訓(xùn)練數(shù)據(jù)，V =
， 剩余H-V組為測試數(shù)據(jù)，按如下步驟對數(shù)值型數(shù)據(jù)進行聚類，確定3個ANFIS結(jié)構(gòu)，并對類別型數(shù)據(jù)進行編碼，ANFIS結(jié)構(gòu)確定包括每個輸入變量對應(yīng)隸屬度函數(shù)及規(guī)則的個數(shù)； (5. 1)對每個數(shù)據(jù)集中的類別型數(shù)據(jù)按如下方式進行編碼，形成一個行向量 (5. 1. 1)設(shè)投料方式有A種，對第j組數(shù)據(jù)，令pitem" =[ L ,^]，若第j組數(shù)據(jù)中生產(chǎn)線采用某種投料方式，則對應(yīng)的行向量中的元素為1，其余均為0 ；(5. 1. 2)設(shè)工件類型有C種，對第j組數(shù)據(jù)，令妙一=[《,《,L ,<]，第j組數(shù)據(jù)中生產(chǎn)線存在幾種類型工件，則對應(yīng)的行向量中的元素為1，其余均為0 ；(5.1.3)將pattern1，typeJ 行向量構(gòu)成向量sj， 即 SJ =[pattemJ\typeJ] = [p^pi,L ,p]A,q(，則完成對類別數(shù)據(jù)的編碼；(5. 2)對每個數(shù)據(jù)集的訓(xùn)練數(shù)據(jù)中數(shù)值型數(shù)據(jù)采用二叉樹及模糊C均值進行聚類，并根據(jù)聚類后子空間形成初始模糊推理系統(tǒng)，步驟如下(5.2. 1)令二叉樹的根節(jié)點為LN(I)，LN⑴為訓(xùn)練數(shù)據(jù)中的數(shù)值型數(shù)據(jù)，LN(I) = [X， Yl],X= [X1L XjL Xv]t，X 為由 Xj 構(gòu)成的矩陣，x"=[X/,L ,x5"xM+1]，xj**x/,L ,x5"xM+1 構(gòu)成的行向量，χ/,L，xiM+1為數(shù)據(jù)集中的第j組數(shù)據(jù)，分別代表每臺設(shè)備的隊列長度、設(shè)備利用率、 加工時間、故障時間間隔、平均維修時間以及WIPj =Ly12L _y/+1L >f+1f，Y1為由允+1構(gòu)成的列向量，j = 1,2, L，V，_y/+1為第j+1組數(shù)據(jù)中的瓶頸設(shè)備編號；初始化葉節(jié)點集合為Ψ = {LN(M)}，整棵樹的節(jié)點M= 1 ；(5.2.2)設(shè)定誤差限R，Re
，對葉節(jié)點集合Ψ中所有節(jié)點采用二叉樹法進行判定，集合中每個節(jié)點是否需要被繼續(xù)劃分，若節(jié)點M的線性擬合誤差e (M)大于R，則按照步驟(5. 2. 3)繼續(xù)劃分，若所有節(jié)點的線性擬合誤差均小于R，則轉(zhuǎn)到步驟(5. 2. 4)，； (5. 2. 3)采用模糊C均值對e (M)大于誤差限R的節(jié)點LN(M)進行聚類，詳細聚類步驟如下(5. 2. 3. 1)給定聚類中心數(shù)為c = 2，設(shè)定容許誤差Emax及加權(quán)指數(shù)m = 2，Emax e
，隨機初始化聚類中心；(5. 2. 3. 2)若模糊C均值的聚類準則函數(shù)值Jm ( Efflax,則結(jié)束聚類； (5. 2. 3. 3)節(jié)點LN(M)被劃分成兩個葉節(jié)點LN(M+1)，LN(M+2)； (5. 2. 3. 4)更新節(jié)點集合將Ψ與{LN(M+1)，LN(M+2)}合并，更新Ψ ； (5. 2. 3. 5)返回第(5. 2. 2)步；(5. 2. 4)得到葉節(jié)點數(shù)據(jù)集 Ψ = {LN⑴，LN⑵，L，LN(K1)I, LN⑴，LN⑵，L，LN(K1) 為聚類后形成的數(shù)據(jù)子空間，K1為通過上述聚類過程得到的聚類中心的個數(shù)； (5. 2. 5)根據(jù)聚類中心個數(shù)確定模糊系統(tǒng)的模糊規(guī)則數(shù)為K1 ；將(5. 2. 1)中的 J； =Ly12L _y/+1L /+1f，分別替換成 Γ2 =Ly22L ^+1L ^f， F3=Ly32L yi+1L yv3+1f，Y1為由允+1構(gòu)成的列向量，Y3為由乂+1構(gòu)成的列向量，j = 1，2，L，V， 乂+1為第j+1組數(shù)據(jù)中的瓶頸設(shè)備利用率，乂+1為第j+1組數(shù)據(jù)中的瓶頸設(shè)備緩沖區(qū)隊列長度，重復(fù)上述聚類過程，得到每個ANFIS的中模糊規(guī)則數(shù)K1, K2, K3 ； (6)按照如下步驟確定三個ANFIS中的參數(shù)(6. 1)初始化參數(shù)集<，if，if，其中f，稱為前件參數(shù)，i = 1,2, L，5XM+l，k= 1，2，L K1,K1為模糊規(guī)則數(shù)量，Vi,k，ο ^k均為(0,1)中的隨機數(shù)；斤為(A+C) XK1 維矩陣，矩陣中每個元素均為(0，1)中的隨機數(shù)；<=丨 4山，4m」稱為后件參數(shù)， k= 1,2, L K1,L，<xM+1 均為(0，1)中的隨機數(shù)；(6. 2)第一個數(shù)據(jù)集中訓(xùn)練數(shù)據(jù)輸入到ANFIS中，確定第一個ANFIS中參數(shù) (6. 2. 1)對數(shù)值型數(shù)據(jù)從ANFIS第一層輸入，第一層有5XM+1個輸入量，輸入第j組數(shù)據(jù)為χ" =[x/,L ,x]5xMJ ，j = l，2，L，V，x/,L，xiM+1為數(shù)據(jù)集中的第j組數(shù)據(jù)，分別代表每臺設(shè)備的隊列長度、設(shè)備利用率、加工時間、故障時間間隔、平均維修時間以及WIP，第一層對輸入變量模糊化，輸出為對應(yīng)模糊集的隸屬度，這里隸屬度函數(shù)采用高斯型函數(shù)
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的ー種可重入制造系統(tǒng)瓶頸設(shè)備預(yù)測方法，其特征在于，還可 以在步驟(6)后包括以下步驟(7)將生產(chǎn)線所獲得的實時數(shù)據(jù)，與原始數(shù)據(jù)進行分析對比，若其值低于原始數(shù)據(jù)值區(qū)間上限的120%或高于區(qū)間下限的80%，則將數(shù)據(jù)直接輸入到ANFIS，得到下一時刻預(yù)測輸出值；若數(shù)據(jù)值超出原始數(shù)據(jù)值區(qū)間上限的120%或高于區(qū)間下限的80%，則認為該組數(shù)據(jù)是在新的工況下獲得，將該數(shù)據(jù)與原始訓(xùn)練數(shù)據(jù)組合重新作為ANFIS的訓(xùn)練數(shù)據(jù)集， 返回到步驟(5)，對ANFIS中的參數(shù)進行在線調(diào)整，得到下一時刻瓶頸設(shè)備相關(guān)參數(shù)的預(yù)測值。
全文摘要
本發(fā)明公開一種基于ANFIS(自適應(yīng)模糊推理系統(tǒng))的可重入制造系統(tǒng)瓶頸設(shè)備預(yù)測方法。首先確定影響系統(tǒng)瓶頸設(shè)備的參數(shù)及ANFIS輸入與輸出；其次采用固定工件移動量間隔的方法采集原型系統(tǒng)數(shù)據(jù)并采用數(shù)據(jù)比對方法對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理得到ANFIS的輸入輸出數(shù)據(jù)集；最后用訓(xùn)練數(shù)據(jù)確定ANFIS參數(shù)，用測試數(shù)據(jù)進行預(yù)測得到下一時刻瓶頸設(shè)備編號，設(shè)備利用率及隊列長度并對預(yù)測結(jié)果進行分析得出預(yù)測精度，并且每次進行瓶頸預(yù)測之前，采用模式匹配方法對ANFIS模型參數(shù)在線調(diào)整。利用本發(fā)明能夠構(gòu)建可重入制造系統(tǒng)瓶頸設(shè)備預(yù)測方案，準確地預(yù)測出下一時刻系統(tǒng)的瓶頸設(shè)備及相關(guān)參數(shù)，并且對后續(xù)基于瓶頸設(shè)備的調(diào)度方法有指導(dǎo)意義。
文檔編號G05B19/418GK102541032SQ20121003061
公開日2012年7月4日 申請日期2012年2月11日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月11日
發(fā)明者曹政才, 王永吉, 鄧積杰, 金小剛 申請人:北京化工大學(xué)