CN104636610B - 一种应用于动态环境下的制造系统派工信息修正方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种应用于动态环境下的制造系统派工信息修正方法，用于在设备发生故障时修正派工方案，包括以下步骤：获取最终的修正终点T_p和修正任务集ζ；判断T_p是否大于T_max，若是，则寻找互替设备，选择故障设备上需要移动的工件、互替设备及所述工件在互替设备上的插入点；采用右移重调度方法，依次更新修正任务集中的所有任务，并更新修正任务集中任务的开始时间和结束时间，获得新的派工方案。与现有技术相比，本发明具有充分利用设备的空闲时间、有效提高生产线稳定性等优点。

Description

一种应用于动态环境下的制造系统派工信息修正方法

技术领域

本发明涉及一种企业生产过程控制方法，尤其是涉及一种应用于动态环境下的制造系统派工信息修正方法。

背景技术

随着经济快速的发展，制造企业之间的竞争越来越激烈，为了应对市场的变化，提高自身的竞争力，制造企业越来越关注如何对车间中复杂多变的生产活动进行高效的调度，在实际的生产中会发生各种随机性的动态事件，比如工件随机到达、机器故障和原材料短缺等，诸如此类动态事件发生常常导致实际的调度环境经常呈现动态的、不稳定的、时变的特性，因此制造系统如何高效的相应动态事件，并做出合理的调度决策也变得非常的重要。

关于调度问题的研究已有60多年，特别是对静态环境下的调度研究特别多，静态调度是指在调度决策时刻，调度环境的各种信息是确定已知的，而且在调度执行的过程中不再发生改变，系统按照派工单进行派工。例如在台湾专利“半导体生产线建模与调度(Modeling and scheduling of a semiconductor wafer fab，编号：TW583560B)中，FuLi-Chen等人使用有色时延Petri网对半导体生产线建模，基于排队论简化仿真过程以降低仿真时间，并使用遗传算法获得调度规则的组合来调度生产线上的工件。但静态调度的方法大多基于某些理想化的假设，远不能充分反映实际生产环境的复杂性，动态调度则充分考虑调度任务和系统实时的生产状态，对动态事件给予响应。

当原有的派工方案由于各种随机因素而不适用的时候，需要进行修正。修正方法主要分为两类：局部修正方法和全局修正方法。局部修正方法仅仅修正那些受扰动直接影响和间接影响的派工方案。Miyashint和Sycara在基于约束的基础上根据不同的情况选择局部修正的方法，具体包括调整开始加工时间、交换操作和切换到其他可选资源。全局修正方法从扰动点开始更新整个派工方案。Bierwirth和Mattfeld在原派工方案的基础上使用遗传算法生成新派工方案，该方法可以有效的减少重新生成派工方案的计算开销，但可能会导致派工方案有大幅度的变化，在实际的生产中不适用。

派工方案的修正有许多不同的评价指标，这些评价指标大致可以分成三类：有效性评价指标、稳定性评价指标和成本评价指标。有效性评价指标通常使用一些基于时间的指标，比如加工周期，平均延迟，平均资源利用率，最大延迟等。稳定性评价是派工方案修正结果十分重要的评价指标。Wu和Storer等人认为稳定性主要表现在新旧派工方案开始时间的偏差和新旧派工方案各个操作顺序的差异。基于时间的指标不能明显的反映经济效益，一些研究人员提出调度决策需要考虑一些经济性指标，如Shafaei和Brunn提到总成本、WIP数、延迟交货代价和不同任务的收益等评价指标。

作为当今世界上最复杂的制造系统之一，半导体制造系统存在着生产周期长，生产工艺复杂，多重入性设备，生产环境高度不稳定以及多产品同时在线生产等特点。本发明从半导体制造系统出发，设计一种制造系统派工方案的修正方法，以应对实际生产中的动态变化。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种有效提高生产线稳定性的应用于动态环境下的制造系统派工信息修正方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种应用于动态环境下的制造系统派工信息修正方法，用于在设备发生故障时修正派工方案，包括以下步骤：

1)获取原始派工方案，检测故障设备上是否有正在进行加工的任务，若是，则更新各任务的结束时间，若否，则执行步骤2)；

2)获取故障设备k_d的修正终点和修正任务集

3)获取其他设备的修正终点和修正任务集ζ_k，其中，k＝1,2,...,m且k≠k_d，m为设备总台数；

4)根据步骤2)和3)获取最终的修正终点T_p和修正任务集ζ；

5)根据各设备的修正任务集，计算相应的任务空闲时间idleTime；

6)判断T_p是否大于T_max，T_max为最大修正终点时间点，若是，则执行步骤7)，若否，则执行步骤12)；

7)判断故障设备是否同时满足以下两个条件：

a)存在互替设备，b)互替设备的idleTime>故障设备的idleTime；

若是，则执行步骤8)，若否，则执行步骤11)；

8)选择故障设备上需要移动的工件、互替设备及所述工件在互替设备上的插入点；

9)更新当前派工方案；

10)重复步骤2)-4)，获得新的修正终点T_p′，判断T_p′是否小于T_p，若是，则返回步骤5)，若否，则执行步骤11)；

11)采用右移重调度方法，依次更新修正任务集中的所有任务，更新方式为：ST_new＝ST_old+T_d，ST_new为任务新的开始时间，ST_old为任务原来的开始时间，T_d为故障持续时间，执行步骤13)；

12)更新修正任务集中任务的开始时间和结束时间，执行步骤13)；

13)结束。

所述步骤2)具体为：

对原始派工方案需要在故障设备上进行加工的任务进行筛选与排序，选择满足下列公式的任务，并按任务的开始时间升序排列：

其中，为原始派工方案中第i个任务在故障设备k_d上的开始时间，t_d为扰动的开始时间；

找出故障结束后最早满足下列公式的任务序号np：

其中，t_u为扰动的结束时间，为第i个任务在故障设备k_d上的加工时间；

得到故障发生后故障设备的修正起点为其中s为O_[i]中任务开始时间最早的任务，故障设备的修正终点为故障设备的修正任务集为

所述步骤3)中，第k台设备的修正终点为：第k台设备的修正任务集中的任务满足

其中，X_i,k为原始派工方案中第i个任务在设备k上的开始时间，p_i,k为第i个任务在设备k上的加工时间。

所述步骤4)中，修正终点修正任务集为ζ＝ζ₁∪ζ₂∪...ζ_k∪...∪ζ_m，其中k＝1,2,...,m。

所述步骤8)中，选择故障设备上需要移动的工件时，优先选择故障设备任务集靠前的任务；

选择互替设备时，优先将任务移动到任务空闲时间idleTime最大的设备上；

选择工件在互替设备上的插入点时，所选择的互替设备优先加工移入的任务。

所述步骤12)中，更新修正任务集中任务的开始时间和结束时间具体为：

a)计算各设备的最早可用时间；

b)计算各任务的最早到达时间；

c)求设备的最早可用时间和任务的最早到达时间的最大值EAT，更新修正任务集中排在队首的任务的开始时间和结束时间，更新方式为：

开始时间＝EAT，结束时间＝EAT+该任务持续时间

将该任务从队列中删除，返回步骤a)，直到队列为空。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明对右移重调度算法进行了优化，充分地利用了设备组中任务间的空余时间，消除了扰动对原派工方案的影响，大大提高了生产线运行的稳定性。

(2)本发明在互替设备、插入点、需要移动的工件的选择上，能够充分利用空闲设备，保证修正速度。

(3)本发明运行效率高，可以快速应对实际生产中发生的扰动。

(4)本发明对复杂制造系统应对动态环境下可能出现的各种扰动提供了解决方法，具有重要的指导意义，并可应用于各种复杂的环境。

附图说明

图1为本发明的流程示意图；

图2为本发明任务队列的数据结构示意图；

图3为本发明迭代更新任务开始时间和结束时间示意图；

图4为在MINIFAB模型上Mc设备发生扰动的情况下，修正派工方案前的部分派工信息示意图；

图5为在MINIFAB模型上Mc设备发生扰动的情况下，运用本发明方法修正派工方案后的部分派工信息示意图；

图6为本发明方法在MINIFAB模型上运行的总效果示意图；

图7在HP24FAB1模型上PHHB_1设备发生扰动的情况下，修正派工方案前的部分派工信息示意图；

图8在HP24FAB1模型上PHHB_1设备发生扰动的情况下，运用本发明方法修正派工方案后的部分派工信息示意图；

图9本发明方法在HP24FAB1模型上运行的总效果示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本发明提供的修正方法在具体实施阶段需要满足的条件为：企业必须有支撑生产的MES系统，或者实时与实际生产同步的数据库；由于本发明提供的方法需要仿真作为辅助，企业必须至少有一种仿真平台软件。

实现本发明修正方法的派工方案修正系统主要有4个部分组成：企业数据库、本地数据库、派工方案修正软件系统和仿真平台。在实际的应用中软件系统每隔固定时间从企业数据库中读取数据，存入本地数据库，一旦发现外界的修正扰动，则触发修正方法，派工方案修正软件系统通过仿真接口控制仿真平台的仿真开始和结束，最后将修正后的数据通过软件系统写回至企业数据库，以供MES系统使用，使线上工作人员能及时依照最新的派工方案进行派工。

本发明提供的派工方案修正方法对生产线并无特殊需求，属于适用性较广的算法，可以适用于不同的企业需求，只要先转换企业数据库至本地数据库，修正方法就能够适用于所有的生产线，本方法对数据的需求也非常简单，只需要有原始的派工信息即可。本地数据库的作用在于存储从企业数据库中加载的数据，目的在于比较最新的数据与前一次加载数据的区别，并以此来判断是否满足修正的触发条件。一般触发条件包括三种：累计加工延时超标(指工件的实际开始加工时间或完工时间与原派工方案之间的误差，若误差达到一定的阀值，则说明原派工方案不再适用，必须生成新的派工方案，以缩短预期调度与实际生产之间的误差)；设备故障(指突发的不可预测的设备故障，同时需要故障信息及时有效的在数据库中反映，如此才能保证派工方案修正的有效性)；非计划性投料进入生产线(指不在计划之内的投料，一般是企业的工程卡，即用于实验的测试卡，且这些卡的优先级一般比较高，一旦有这些工件的加入，势必打乱原先的派工方案，需要修正原有的派工方案)。本地数据库的另一作用在于存储每次修正前后的派工方案，以方便企业通过历史数据分析派工方案修正的有效性。

仿真平台，作为派工单修正系统的辅助工具，用于在无法找到匹配点或方法执行超时的情况下，可采用仿真平台做重新得到全局的派工方案，仿真平台必须提供外部接口实现与软件系统数据交互、仿真控制等。

派工方案修正系统，作用在于控制企业数据库与本地数据库，以及控制仿真平台，并且实现修正方法。在企业数据库方面，软件负责每隔固定时间段加载企业数据库中所需要的数据，并存入本地数据库，目的在于及时地发现修正触发因素。由于企业数据库的数据量一般较大，可以采用增量形式对数据进行刷新。

以下详细阐述在动态环境下制造系统派工方案的修正方法的递归实现过程。

如图1所示，一种应用于动态环境下的制造系统派工信息修正方法，用于在设备发生故障时修正派工方案，具体流程如下：

步骤S101，开始，获取原始派工方案，检测故障设备上是否有正在进行加工的任务，若是，则更新各任务的结束时间，，endTime＝当前任务的结束时间+故障持续时间，若否，则执行步骤S102。

步骤S102，寻找修正终点T_P，即寻找不受故障设备干扰的任务时间，在寻找修正终点的过程中就能获得重调度的任务集，具体为：

(1)获取故障设备k_d的修正终点和修正任务集

对原始派工方案需要在故障设备上进行加工的任务进行筛选与排序，选择满足下列公式的任务，并按任务的开始时间升序排列：

其中，O_[i]为发生扰动后，原序列中第i个任务，为原始派工方案中第i个任务在故障设备k_d上的开始时间，t_d为扰动的开始时间；

找出故障结束后最早满足下列公式的任务序号np：

其中，t_u为扰动的结束时间，为第i个任务在故障设备k_d上的加工时间；

得到故障发生后故障设备的修正起点为其中s为O_[i]中任务开始时间最早的任务，故障设备的修正终点为故障设备的修正任务集为

(2)获取其他设备的修正终点和修正任务集ζ_k，其中，k＝1,2,...,m且k≠k_d，m为设备总台数。

第k台设备的修正终点为：第k台设备的修正任务集中的任务满足

其中，X_i,k为原始派工方案中第i个任务在设备k上的开始时间，p_i,k为第i个任务在设备k上的加工时间。

(3)根据步骤(1)和(2)获取最终的修正终点T_p和修正任务集ζ，修正终点修正任务集为ζ＝ζ₁∪ζ₂∪...ζ_k∪...∪ζ_m，其中k＝1,2,...,m。

步骤S103，判断T_p是否大于T_max，T_max为最大修正终点时间点，若是，则说明所确定的修正终点和修正任务集是无效的，执行步骤S104，若否，则执行步骤S111。

步骤S104，判断故障设备是否同时满足以下两个条件：

a)存在互替设备，b)互替设备的idleTime>故障设备的idleTime，各设备的任务空闲时间idleTime根据修正任务集计算获得；

若是，则执行步骤S105，若否，则执行步骤S110。

各设备的任务空闲时间idleTime根据各设备的修正任务集计算获得。

步骤S105，选择故障设备上需要移动的工件，优先选择故障设备任务集靠前的任务。由于任务受等待约束的限制，后面的任务即使移动到互替设备也不能立即开始，这意味着互替设备的任务空闲时间不能很好的利用，因而选择队列较前的任务有利于寻找匹配点，本方法采用的是队首优先原则，即优先选择故障设备任务集靠前的任务。

步骤S106，选择互替设备，优先将任务移动到任务空闲时间idleTime最大的设备上，充分利用设备空闲时间，互替设备越是空闲越能减少任务移动数量，加快修正速度。

步骤S107，选择工件在互替设备上的插入点，所选择的互替设备优先加工移入的任务。由于在本方法中寻找修正终点是一个迭代过程，可能需要经过多次的任务移动才能找到修正终点，为了充分利用设备空闲时间，移入的任务当尽可能早的加工，这样为下一次任务移入留下更多的空闲时间。本方法采用的是插入任务优先原则，即目标设备优先加工移入的任务。

步骤S108，更新当前派工方案，根据步骤S102计算新的修正终点T_p′。

步骤S109，判断T_p′是否小于T_p，即判断修正终点是否左移，若是，则返回步骤S103，若否，则执行步骤S110。

步骤S110，采用右移重调度方法，依次更新修正任务集中的所有任务，更新方式为：ST_new＝ST_old+T_d，ST_new为任务新的开始时间，ST_old为任务原来的开始时间，T_d为故障持续时间，执行步骤S113。

步骤S111，确定修正任务集，如图2所示，我们把任务集Q设计为一种队列的数据结构，对于队列中每一个任务，其结构如图中q所示，包含了产品号(ProductID)、工件号(LotID)、设备号(MachineID)、当前步数(Step)、开始加工时间(StartTime)和任务加工时间(ProcTime)这些必要的信息。

步骤S112，更新修正任务集中任务的开始时间和结束时间，由于任务之间存在等待约束关系，更新过程是一个迭代的过程，新任务的开始加工时间由设备的最早可用时间和任务的最早到达时间两者的最大值确定。具体如图3所示：

步骤S201，开始。

步骤S202，判断队列(任务集)Q是否为空，若是，则执行步骤S206。

步骤S203，更新修正任务集中排在队首的任务的开始时间和结束时间，更新方式为：

开始时间＝EAT，结束时间＝EAT+该任务持续时间

EAT为设备的最早可用时间和任务的最早到达时间的最大值。设备的最早可用时间，一般由两个因素的最大值确定：(1)该设备上一个任务的结束时间；(2)设备扰动结束时间(如故障修复好的时间、维护保养的完成时间)。任务的最早到达时间，按照实际情况可以分为两种情况：(1)对于单卡加工设备，任务的最早到达时间由该任务上一步的完工时间确定；(2)对于批加工设备，任务的最早到达时间由该批任务中工件上一步任务完工时间的最大值确定。

步骤S204，将该任务从队列中删除。

步骤S205，队列(任务集)Q按照开始时间升序排列，返回步骤S202。

步骤S206，结束。

步骤S113，整个修正过程结束。

本发明方法在MINIFAB以及HP24FAB1半导体生产线仿真模型上的运行结果。这两个模型是半导体生产调度研究通用实验模型，MINIFAB模型有5台设备，生产三种产品，各有6道工序；HP24FAB1模型有24个加工区，32台设备，生产一种产品，172道工序。

本发明方法本次运行所用仿真模型的设置为：1.随机设置5处故障，每次故障持续半小时；2.采用固定数量投料，两个月内全部投完；3.仿真时间为60天。

图4、图5和图6为本发明方法在MINIFAB模型上试验运行的结果，其中图4和图5分别为Mc设备在发生扰动的情况下，运用本发明方法修正派工方案前后的部分派工信息，图6为本发明方法运行的总效果；图7、图8和图9为本发明方法在HP24FAB1模型上试验运行的结果，其中图7和图8分别为PHHB_1设备在发生扰动的情况下，运用本发明方法修正派工方案前后的部分派工信息，图9为本发明方法运行的总效果。

本发明方法在两个模型的试验说明所发明的派工方案修正方法是有效的。其中，累计延误指涉及派工方案中的修正任务集开始加工时间与其在原派工方案下的开始加工时间的累计偏差；稳定性是用来衡量修改后的派工方案与原派工方案的差异。

Claims (5)

1.一种应用于动态环境下的制造系统派工信息修正方法，用于在设备发生故障时修正派工方案，其特征在于，包括以下步骤：

1)获取原始派工方案，检测故障设备上是否有正在进行加工的任务，若是，则更新各任务的结束时间，若否，则执行步骤2)；

2)获取故障设备k_d的修正终点和修正任务集

3)获取其他设备的修正终点和修正任务集ζ_k，其中，k＝1,2,...,m且k≠k_d，m为设备总台数；

4)根据步骤2)和3)获取最终的修正终点T_p和修正任务集ζ；

5)根据各设备的修正任务集，计算相应的任务空闲时间idleTime；

6)判断T_p是否大于T_max，T_max为最大修正终点时间点，若是，则执行步骤7)，若否，则执行步骤12)；

7)判断故障设备是否同时满足以下两个条件：

a)存在互替设备，b)互替设备的idleTime>故障设备的idleTime；

若是，则执行步骤8)，若否，则执行步骤11)；

8)选择故障设备上需要移动的工件、互替设备及所述工件在互替设备上的插入点；

9)更新当前派工方案；

10)重复步骤2)-4)，获得新的修正终点T_p′，判断T_p′是否小于T_p，若是，则返回步骤5)，若否，则执行步骤11)；

11)采用右移重调度方法，依次更新修正任务集中的所有任务，更新方式为：ST_new＝ST_old+T_d，ST_new为任务新的开始时间，ST_old为任务原来的开始时间，T_d为故障持续时间，执行步骤13)；

12)更新修正任务集中任务的开始时间和结束时间，执行步骤13)；

13)结束；

所述步骤8)中，选择故障设备上需要移动的工件时，先选择故障设备任务集靠前的任务；

选择互替设备时，先将任务移动到任务空闲时间idleTime最大的设备上；

选择工件在互替设备上的插入点时，所选择的互替设备先加工移入的任务。

2.根据权利要求1所述的应用于动态环境下的制造系统派工信息修正方法，其特征在于，所述步骤2)具体为：

对原始派工方案需要在故障设备上进行加工的任务进行筛选与排序，选择满足下列公式的任务，并按任务的开始时间升序排列：

<mrow> <msub> <mi>O</mi> <mrow> <mo>&amp;lsqb;</mo> <mi>i</mi> <mo>&amp;rsqb;</mo> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>min</mi> <mrow> <mo>&amp;ForAll;</mo> <mi>i</mi> </mrow> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>X</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mo>,</mo> <msub> <mi>k</mi> <mi>d</mi> </msub> </mrow> </msub> <mo>|</mo> <msub> <mi>X</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mo>,</mo> <msub> <mi>k</mi> <mi>d</mi> </msub> </mrow> </msub> <mo>&amp;GreaterEqual;</mo> <msub> <mi>t</mi> <mi>d</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

其中，为原始派工方案中第i个任务在故障设备k_d上的开始时间，t_d为扰动的开始时间；

找出故障结束后最早满足下列公式的任务序号np：

<mrow> <msub> <mi>t</mi> <mi>u</mi> </msub> <mo>+</mo> <msubsup> <mi>&amp;Sigma;</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mrow> <mi>n</mi> <mi>p</mi> </mrow> </msubsup> <msub> <mi>p</mi> <mrow> <mo>&amp;lsqb;</mo> <mi>i</mi> <mo>&amp;rsqb;</mo> <mo>,</mo> <msub> <mi>k</mi> <mi>d</mi> </msub> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>X</mi> <mrow> <mo>&amp;lsqb;</mo> <mi>n</mi> <mi>p</mi> <mo>+</mo> <mn>1</mn> <mo>&amp;rsqb;</mo> <mo>,</mo> <msub> <mi>k</mi> <mi>d</mi> </msub> </mrow> </msub> <mo>&amp;le;</mo> <mn>0</mn> </mrow>

其中，t_u为扰动的结束时间，为第i个任务在故障设备k_d上的加工时间；

得到故障发生后故障设备的修正起点为其中s为O_[i]中任务开始时间最早的任务，故障设备的修正终点为故障设备的修正任务集为

3.根据权利要求1所述的应用于动态环境下的制造系统派工信息修正方法，其特征在于，所述步骤3)中，第k台设备的修正终点为：第k台设备的修正任务集中的任务满足

其中，t_d为扰动的开始时间，X_i,k为原始派工方案中第i个任务在设备k上的开始时间，p_i,k为第i个任务在设备k上的加工时间。

4.根据权利要求1所述的应用于动态环境下的制造系统派工信息修正方法，其特征在于，所述步骤4)中，修正终点修正任务集为ζ＝ζ₁∪ζ₂∪...ζ_k∪...∪ζ_m，其中k＝1,2,...,m。

5.根据权利要求1所述的应用于动态环境下的制造系统派工信息修正方法，其特征在于，所述步骤12)中，更新修正任务集中任务的开始时间和结束时间具体为：

a)计算各设备的最早可用时间；

b)计算各任务的最早到达时间；

c)求设备的最早可用时间和任务的最早到达时间的最大值EAT，更新修正任务集中排在队首的任务的开始时间和结束时间，更新方式为：

开始时间＝EAT，结束时间＝EAT+该任务持续时间

将该任务从队列中删除，返回步骤a)，直到队列为空。