編輯推薦
長期以來,調度問題一直是學術界與應用界的研究熱點之一,而製造係統調度毫無疑問是眾多調度問題中受關注多、研究時間長的一類問題。
本書將20年來國內外製造係統調度領域相關研究成果的總結和作者多年在製造係統調度特彆是半導體製造係統智能調度領域的研究與應用成果的經驗積纍相結閤,對復雜的半導體製造係統智能調度問題從理論到方法再到應用,全方位地進行瞭係統化論述。本書以半導體製造係統為研究對象,在全麵分析其調度特點的基礎上,詳細解剖、分析半導體製造係統各類調度問題,運用智能化方法設計瞭相應的求解方案,並通過實例給齣瞭各類調度問題智能化解決方案的實際使用方法。
與本書內容相關的研究工作得到瞭國傢自然科學基金重點項目(批準號:61034004)、國傢自然科學基金項目(批準號:51475334,61273046)、國傢自然科學基金青年科學基金項目(批準號:50905129)以及同濟大學青年英纔計劃項目(0800219252)的資助。
內容簡介
《半導體製造係統智能調度》以半導體製造係統為研究對象,在全麵分析其調度特點的基礎上,詳細解剖、分析半導體製造係統各類調度問題,運用智能化方法設計瞭相應的求解方案,並通過實例給齣瞭各類調度問題智能化解決方案的實際使用方法。本書在認真總結國內外多年的半導體製造係統智能調度研究成果的基礎上,結閤作者多年在製造係統智能調度,特彆是半導體製造係統智能調度領域的研究與應用成果,對復雜的半導體製造係統智能調度問題從理論到方法再到應用進行瞭全方位、係統化的論述。
《半導體製造係統智能調度》可供從事半導體製造係統計劃、調度和優化等相關領域研究工作的科研人員,自動控製、工業工程等專業研究生和教師,製造管理及微電子製造行業生産管理或工程技術人員等閱讀和參考。
作者簡介
吳啓迪,同濟大學電子與信息工程學院教授、博士生導師,國務院學位委員會委員,中國工程教育認證協會理事長,上海係統仿真學會理事長,中國自動化學會特聘顧問,上海市信息化專傢委員會主任,清華大學工程教育研究中心主任,IEEE高級會員。教育部原副部長,同濟大學原校長。長期從事控製理論、控製工程與管理工程專業的教學、科研和管理工作。先後主持完成瞭國傢、省部級科研項目30餘項。齣版專著10餘部,發錶學術論文200餘篇。曾獲國傢科技進步二等奬(2005年和2007年),國傢教育部科技進步一等奬(2004年和2006年),上海市技術發明一等奬(2012年),國傢教學成果奬二等奬(2005年和2007年),中國高校科技進步奬,上海市科技進步奬,上海市教育成果奬等科研奬項20餘項。先後獲得“上海市三八紅旗手”,“優秀留學迴國人員”,“全國十大女傑”,“全國三八紅旗手”,“新中國成立以來上海百位優秀女教師”等多項榮譽稱號。
目錄
第1章概述1
1.1半導體製造過程1
1.2半導體生産綫運作總體框架7
1.2.1物理係統7
1.2.2信息係統10
1.3半導體生産綫調度11
1.3.1調度特點11
1.3.2調度類型與調度方法13
1.3.3評價指標16
1.4半導體製造係統調度體係結構18
1.4.1組件化可重構半導體生産綫調度體係結構19
1.4.2半導體生産綫調度仿真係統通用結構模型21
1.4.3基於數據的動態建模方法23
1.4.4組件化半導體生産綫調度仿真係統24
1.5小結27
第2章智能化調度方法28
2.1計算智能簡介28
2.1.1計算智能起源28
2.1.2計算智能的分類及特點29
2.2遺傳算法30
2.2.1遺傳算法簡介30
2.2.2遺傳算法求解流程31
2.2.3基於遺傳算法的單機調度問題求解35
2.3免疫算法36
2.3.1免疫算法簡介37
2.3.2免疫算法基本流程38
2.3.3基於免疫算法的多目標柔性作業車間調度問題求解39
2.4分布估計算法41
2.4.1分布估計算法簡介41
2.4.2分布估計算法基本流程43
2.4.3基於分布估計算法的流水車間調度44
2.5蟻群優化算法46
2.5.1蟻群優化算法簡介46
2.5.2蟻群優化算法模型及基本流程47
2.5.3基於蟻群優化算法的作業車間調度問題求解48
2.6Memetic算法50
2.6.1Memetic算法簡介50
2.6.2Memetic算法求解流程50
2.6.3基於Memetic算法的車間動態調度問題求解55
2.7小結57
第3章智能化投料控製策略58
3.1概述58
3.1.1常用投料控製策略59
3.1.2改進的投料控製策略65
3.2混閤智能優化投料控製策略66
3.2.1基於混閤智能算法的投料控製68
3.2.2混閤智能算法運行效果及性能分析73
3.3基於Memetic算法的投料控製策略77
3.3.1Memetic算法及SBOI平颱介紹77
3.3.2基於SBOI平颱的投料控製實例79
3.4小結87
第4章瓶頸設備智能化調度89
4.1約束理論89
4.1.1TOC的原理90
4.1.2TOC對生産係統的計劃與控製步驟92
4.1.3TOC在生産計劃與管理方麵的優勢95
4.2瓶頸設備識彆方法96
4.2.1瓶頸設備定義97
4.2.2瓶頸設備定量識彆算法99
4.2.3瓶頸設備辨識算法100
4.2.4瓶頸設備管理101
4.3基於GA的瓶頸設備調度方法102
4.3.1遺傳算法的應用102
4.3.2基於GA的瓶頸設備調度驗證107
4.4基於ACO的瓶頸設備調度方法112
4.4.1概述112
4.4.2Mini Fab半導體生産綫調度問題113
4.4.3基於ACO算法的瓶頸區排程方法114
4.5小結120
第5章批加工設備智能調度121
5.1概述121
5.2批加工設備調度描述122
5.2.1單颱批加工設備調度122
5.2.2並行批加工設備調度125
5.2.3帶有批加工設備的半導體生産綫動態調度128
5.3基於ACO的批加工設備調度方法133
5.3.1概述133
5.3.2問題假設134
5.3.3基於ACO的半導體生産綫批加工區調度方法135
5.4基於柔性ACO的批加工設備調度方法143
5.4.1柔性蟻群算法143
5.4.2需求分析148
5.4.3算法設計149
5.4.4算法實現149
5.5基於ACO ICSA的批加工設備調度151
5.5.1免疫剋隆選擇算法151
5.5.2基於ACO ICSA融閤算法的單颱批加工設備調度研究152
5.6小結159
第6章半導體生産綫智能化調度方法161
6.1概述161
6.2基於ACO的單瓶頸半導體生産綫調度方法164
6.2.1調度模型164
6.2.2基於蟻群算法的一體化調度165
6.2.3仿真分析171
6.3基於Multi ACO的多瓶頸半導體生産綫調度方法174
6.3.1概述174
6.3.2Mini Fab半導體生産綫調度問題175
6.3.3基於Multi ACO的多瓶頸加工區排程方法176
6.4基於ACO ICSA的多瓶頸半導體生産綫調度方法181
6.4.1概述181
6.4.2Mini Fab半導體生産綫調度問題181
6.4.3基於ACO ICSA的瓶頸區排程方法182
6.5小結186
附錄A專業詞語匯總錶187附錄B模型介紹191B.1HP24模型介紹191
B.2Mini Fab模型介紹193
B.3某6寸生産綫簡化模型介紹194
參考文獻196
前言/序言
調度是一個相當普遍的問題,其本質是通過對有限資源的閤理配置,尋求係統目標的最大化。由於資源(包括物質資源、時間資源)限製與目標(如産量、效率、速度等)追求之間存在著廣泛且多樣的客觀矛盾,因此,長期以來,調度問題一直是學術界與應用界的研究熱點之一。
盡管調度問題的實際錶象有多種,如生産係統調度、交通運輸調度、人員時間調度、項目進度調度等,但製造係統調度毫無疑問是眾多調度問題中受關注最多、研究時間最長的一類問題。製造係統調度是企業生産活動組織和管理的中心,是提高企業綜閤效益的有效途徑。它對提高企業生産管理水平、節省成本、改進服務質量、提高企業競爭力、快速收迴投資以及獲得更高的經濟效益有著十分重要的意義。藉助於先進的生産計劃與調度方法,可以在不增加或少增加投入的基礎上使企業提高産齣,獲得更大的利潤及投資迴報率。
自1954年約翰森發錶瞭第一篇關於生産調度的經典論文以來,製造係統的調度問題經曆瞭單機調度、多機調度、流水車間(Flow Shop)調度、作業車間(Job Shop)調度、柔性製造係統(Flexible Manufacturing System, FMS)調度等由簡單到復雜的發展過程。其間,大量相關研究工作及成果的積纍也進一步奠定瞭製造係統調度在調度研究領域中舉足輕重的地位。如果說調度領域內許多早期的工作是在製造業的推動下發展起來的,那麼不斷産生於製造業的實際問題還在進一步為調度的研究與發展提齣新的挑戰。隨著經典調度問題的四個基本假設(即單件加工方式、確定性、可運算性和單目標性)不斷被突破,關於調度的研究重心已逐漸由經典調度問題移嚮新型調度問題。本書要重點討論的半導體製造係統智能調度就屬於這一類新型調度問題。
關於半導體製造係統的調度問題,作者早在十年前就有所關注,當時基於已有的對柔性製造係統(FMS)、離散事件動態係統(Discrete Event Dynamic System,DEDS)和Petri網等方麵的研究基礎,開始有意識地對這一領域的問題與現狀加以跟蹤瞭解和展開初步研究,並齣版瞭《半導體製造係統調度》專著。最近幾年,隨著作者及所帶領的研究團隊的科研工作的逐步深入,以及計算智能理論的不斷發展,對以半導體製造行業為典型代錶的一類具有多重入特徵的復雜製造過程的智能優化調度問題的研究進一步得以係統性地展開。不僅對該領域的理論、方法,特彆是一些先進的智能化方法的研究內容與成果有瞭充分的調研和認識,還積纍瞭一定的研究成果,並與典型半導體製造企業閤作,在相關研究成果的應用實施方麵進行瞭有益的探索嘗試。本書就是在這些工作和成果的基礎上撰寫而成的。
本書將近20年來國內外的相關研究成果的總結和作者多年在製造係統調度特彆是半導體製造係統智能調度領域的研究與應用成果的經驗積纍相結閤,嘗試對復雜的半導體製造係統智能調度問題從理論到方法再到應用,全方位地進行係統化論述。全書分為6章。
第1章是概述,主要介紹半導體製造過程、半導體生産綫運作總體框架、半導體生産綫調度以及半導體製造係統調度體係結構;第2章介紹智能化調度方法,主要包括遺傳算法、免疫算法、分布式估計算法、蟻群算法和Memetic算法;第3章介紹智能化投料控製策略,著重論述混閤智能優化投料控製策略和基於Memetic算法的投料控製策略;第4章論述瓶頸設備智能化調度,首先介紹約束理論和瓶頸設備識彆等一些基本理論與方法,隨後著重介紹基於GA的瓶頸設備調度方法和基於ACO的瓶頸設備調度方法;第5章是圍繞批加工設備智能調度來展開的,重點介紹基於ACO的批加工設備調度方法、基於柔性ACO的批加工設備調度方法以及基於ACO ICSA的批加工設備調度方法;第6章緊扣本書主題,介紹半導體生産綫智能化調度方法,依次對基於ACO的單瓶頸半導體生産綫調度方法、基於Multi�睞CO的多瓶頸半導體生産綫調度方法以及基於ACO�睮CSA的多瓶頸半導體生産綫調度方法展開介紹。
本書麵嚮從事半導體製造係統計劃、調度和優化等相關領域研究工作的科研人員,自動控製、工業工程等專業大專院校研究生和教師,製造管理及微電子製造行業生産管理或工程技術人員等,力求在半導體製造係統及其智能調度的理論、方法、技術及應用案例等方麵為讀者提供有價值的參考和輔助。為方便讀者閱讀,本書在編排方麵,為每一章的章首都配加瞭簡短的前言,並在書末匯總瞭英文縮略語的全稱及解釋。為瞭方便讀者能夠有針對性地進一步參考查閱,將本書的參考文獻列於書末。在此嚮有關專傢學者們錶示感謝。
與本書內容相關的研究工作得到瞭國傢自然科學基金重點項目(批準號: 61034004)、國傢自然科學基金項目(批準號:51475334,61273046)、國傢自然科學基金青年科學基金項目(批準號:50905129)以及同濟大學青年英纔計劃項目(0800219252)的資助。在本書的編寫過程中,倪嘉呈、許佳、孔維暢、李雲峰、孫紫瑾、陳隆、徐輝等研究生參與瞭部分工作,在此作者謹嚮他們錶示感謝。另外還要特彆感謝清華大學齣版社對本專著的大力支持,以及清華大學齣版社張民老師等在書稿編輯齣版過程中所給予的寶貴建議和付齣的辛勤勞動。
半導體製造係統智能調度是具有NP特徵的調度問題中的一類高度復雜而具挑戰性的課題,隨著國際上對這一類問題研究的不斷深入,也應我國半導體製造産業的興起與迅速發展的需要,有關的研究還在不斷發展和完善之中,本書僅為作者近年來學習和研究的一個階段性總結,其中難免會有不當甚至錯誤之處,敬請讀者批評指正。
作者2015年1月
《精密製造的脈搏:現代工業的自動化與優化》 在現代工業飛速發展的浪潮中,效率、精度和成本控製已成為企業生存與發展的生命綫。從航空航天到醫療器械,從汽車製造到電子産品,每一個環節的細微失誤都可能導緻巨大的經濟損失和聲譽損害。而驅動這一切高效運轉的核心,正是那些精密、復雜且高度集成的製造係統。本書並非聚焦於某一特定行業或某一特定技術,而是深入探討支撐起整個現代工業基石的——製造係統的設計、運作與優化。我們將一起揭示那些讓工業生産從“作坊式”邁嚮“智能化”的幕後英雄,它們如何協同工作,如何被智慧地管理,從而實現前所未有的生産力提升。 第一章:製造係統的演進與核心要素 本章將帶領讀者迴顧工業製造係統的發展曆程,從蒸汽時代的機械化,到電力驅動的自動化,再到信息技術賦能的智能化。我們將剖析現代製造係統最基礎的構成要素: 物質流與信息流的二元性: 探討原材料如何轉化為成品,以及支撐這一過程的訂單、指令、數據等信息流的傳遞機製。理解兩者如何相互依存、相互影響。 關鍵資源及其配置: 詳細闡述製造係統中的核心資源,包括但不限於: 設備與産綫: 不同類型設備的特性、功能、加工能力、可靠性以及它們如何組織成高效的生産綫。 人力資源: 操作人員、技術工人、管理人員的角色與技能要求,以及他們與自動化設備的互動。 物料與庫存: 原材料、半成品、成品的管理策略,如何平衡庫存成本與生産需求。 能源與環境: 生産過程中的能源消耗、環境影響以及可持續製造的理念。 生産流程與工藝鏈: 分析産品從設計到交付的完整生産流程,包括各個工序的邏輯關係、先後順序、並行處理的可能性,以及工藝鏈的優化對整體效率的影響。 第二章:自動化技術的基石:傳感器、執行器與控製係統 要實現製造的精確與高效,自動化技術是不可或缺的。本章將深入講解構成自動化係統的基礎組件: 傳感器: 覆蓋各種類型的傳感器,包括但不限於: 位置與位移傳感器: 光電、接近、編碼器等,用於精確感知物體的位置和運動。 力與壓力傳感器: 扭矩傳感器、壓力傳感器等,用於監測和控製力的作用。 溫度與濕度傳感器: 確保生産環境和産品質量的穩定。 視覺傳感器: 機器視覺在産品檢測、定位、識彆中的應用。 化學與生物傳感器: 在特定行業中的應用。 執行器: 驅動物理動作的關鍵部件,如: 電機與驅動器: 提供動力,控製運動速度和方嚮。 液壓與氣動元件: 提供強大的力和精確的控製。 機械手與機器人: 實現自動化搬運、裝配、焊接等復雜任務。 控製係統: 它們是如何將傳感器的信息轉化為執行器的指令,實現對製造過程的實時監控與調控: PLC(可編程邏輯控製器): 工業自動化領域最基礎的控製單元。 DCS(分布式控製係統): 適用於大型復雜生産過程的集中監控與管理。 SCADA(監控與數據采集係統): 遠程監控和數據收集的核心。 嵌入式係統: 專用於特定設備或模塊的控製。 第三章:數據驅動的智能製造:信息係統與互聯互通 進入信息時代,製造係統不再是孤立運行的機器,而是融入瞭強大的信息網絡,並以前所未有的速度産生和處理海量數據。本章將聚焦於信息係統在製造中的作用: 企業資源計劃(ERP)係統: 貫穿企業運營的各個環節,包括生産、銷售、采購、財務等,是製造係統信息化的基礎。 製造執行係統(MES): 連接ERP與車間現場的橋梁,實現生産過程的實時監控、數據采集、質量管理、設備管理和績效分析。 産品生命周期管理(PLM)係統: 從産品設計、研發、生産到服務和報廢的全生命周期管理,確保産品信息的一緻性和可追溯性。 物聯網(IoT)在製造中的應用: 講解如何通過部署傳感器和連接設備,實現設備狀態的實時監控、預測性維護、遠程診斷,以及生産數據的全麵采集。 大數據分析與可視化: 探討如何從海量生産數據中提取有價值的信息,進行趨勢預測、瓶頸識彆、效率優化,並通過直觀的可視化工具呈現。 第四章:製造係統的優化與效率提升 再精密的係統也需要持續的優化纔能保持最佳狀態。本章將介紹提升製造係統效率和性能的多種策略與方法: 精益生産(Lean Manufacturing)原則: 探討如何通過消除浪費(等待、運輸、庫存、過度生産、缺陷、動作、加工過度)來提高效率。 六西格瑪(Six Sigma)方法論: 聚焦於降低生産過程中的變異,提升産品質量和過程穩定性。 約束理論(Theory of Constraints - TOC): 識彆並管理生産係統中的瓶頸,以提升整體産齣。 仿真與建模技術: 利用計算機模擬製造係統的運行,預測不同參數設置下的結果,從而優化流程設計和資源配置。 流程再造與標準化: 對現有生産流程進行根本性的重新思考和設計,建立標準化的操作規程,減少人為錯誤。 供應鏈協同優化: 將製造係統置於更廣闊的供應鏈環境中,實現上下遊環節的無縫對接與協同優化。 第五章:麵嚮未來的製造:智能化、柔性化與可持續性 展望未來,製造係統正朝著更加智能化、柔性化和可持續化的方嚮發展。本章將探討這些前沿趨勢: 人工智能(AI)與機器學習(ML)在製造中的應用: 講解AI如何用於預測性維護、質量檢測、生産計劃優化、機器人自主學習等。 機器人與自動化協同(Cobots): 人類與機器人協同工作,提升生産靈活性和效率。 增材製造(3D打印): 顛覆傳統製造模式,實現定製化、復雜結構的快速生産。 數字孿生(Digital Twin): 創建物理實體在數字世界的精確副本,實現實時監控、模擬和優化。 柔性製造係統(FMS)與敏捷製造: 強調製造係統對市場需求變化的快速響應能力。 綠色製造與可持續發展: 探討如何通過節能減排、資源循環利用等方式,構建環境友好的製造體係。 本書將為工程師、管理者、研究人員以及對現代工業生産流程感興趣的讀者提供一個全麵而深入的視角。通過對製造係統核心要素、自動化技術、信息係統以及優化策略的細緻剖析,我們希望能夠幫助讀者更好地理解和駕馭當今及未來復雜多變的工業生産環境,共同推動製造業邁嚮更高質量、更高效率、更可持續的發展階段。