曹秋實，喬非

（同濟大學(xué)，上海，201800）

半導(dǎo)體生產(chǎn)的CPS構(gòu)建及調(diào)度可行性分析?

曹秋實，喬非

（同濟大學(xué)，上海，201800）

在復(fù)雜制造及自動控制領(lǐng)域，半導(dǎo)體生產(chǎn)調(diào)度一直是研究的熱點。半導(dǎo)體生產(chǎn)制造系統(tǒng)因其特有的復(fù)雜性、不確定性、多目標(biāo)性以及多約束性特征，為優(yōu)化調(diào)度、提高生產(chǎn)性能提出了挑戰(zhàn)。信息物理融合系統(tǒng)（Cyber Physical System，CPS）是一種融合計算、通信與控制的新型復(fù)雜實時分布式系統(tǒng)，系統(tǒng)中計算過程和物理過程在開放環(huán)境下持續(xù)交互、深度融合，其特征和功能為離散制造的智能化生產(chǎn)和競爭力的提高提供了有效的思路和途徑。本文基于信息融合系統(tǒng)的基本理念，結(jié)合其在制造業(yè)的應(yīng)用發(fā)展，探討了針對于半導(dǎo)體生產(chǎn)的CPS構(gòu)建以及進行調(diào)度優(yōu)化的可行性。

半導(dǎo)體生產(chǎn)；CPS；生產(chǎn)調(diào)度

1 半導(dǎo)體生產(chǎn)調(diào)度研究概述

近年來，隨著技術(shù)的進步和經(jīng)濟的發(fā)展，半導(dǎo)體的需求量逐年上升。半導(dǎo)體制造業(yè)已經(jīng)成為我國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展的基礎(chǔ)性、戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)，越來越多的半導(dǎo)體制造廠在我國建立，半導(dǎo)體制造業(yè)的競爭程度也不斷上升。企業(yè)力求于借助于先進的生產(chǎn)計劃和調(diào)度方法創(chuàng)造更多的利潤，獲得更大的投資回報。半導(dǎo)體生產(chǎn)企業(yè)需要盡可能提高設(shè)備利用率及生產(chǎn)率，降低產(chǎn)品生產(chǎn)周期，提高投資收益率，達到這些目標(biāo)，從技術(shù)層面來說，主要就是需要切實可行的生產(chǎn)計劃和調(diào)度控制策略[1]。

半導(dǎo)體生產(chǎn)線最顯著的特點是多重入，重入這一現(xiàn)象的存在使得工件在加工過程中的不同階段可能重復(fù)訪問同一個設(shè)備（群），每個設(shè)備（群）需加工的工序集合和工件數(shù)量將大大增加。它將直接導(dǎo)致的問題有：（1）即便系統(tǒng)的加工能力能夠滿足加工任務(wù)的要求，系統(tǒng)也會表現(xiàn)出不穩(wěn)定的特征；（2）半導(dǎo)體生產(chǎn)系統(tǒng)的不確定性較其他類型的作業(yè)車間與流水車間更為突出，調(diào)度起來極其復(fù)雜。

關(guān)于半導(dǎo)體生產(chǎn)制造過程的調(diào)度控制，國內(nèi)外已有大量研究，如運用傳統(tǒng)的運籌學(xué)方法、基于規(guī)則的啟發(fā)式方法、人工智能方法和軟計算方法等[2][3]，但這些方法對于復(fù)雜生產(chǎn)過程調(diào)度問題均存在不足，往往因制造過程復(fù)雜度的提高而難以建立精確的數(shù)學(xué)模型。因此，作為對實際模型系統(tǒng)動態(tài)行為的再現(xiàn)，離散事件仿真的方法得到應(yīng)用[4]。它通過對實際生產(chǎn)環(huán)境的建模來模擬仿真實際生產(chǎn)過程，從而避開了對調(diào)度問題進行理論分析的困難，被證明是分析研究具有重入特性生產(chǎn)系統(tǒng)調(diào)度策略較為有用的方法。然而，離散事件建模仿真往往獨立于實際生產(chǎn)過程，通常是在實際生產(chǎn)前對生產(chǎn)計劃進行安排調(diào)度，或是在生產(chǎn)過程中生產(chǎn)狀態(tài)發(fā)生變化時進行重調(diào)度，無法實現(xiàn)仿真模型與實際生產(chǎn)二者間的實時交互研究。這就對半導(dǎo)體生產(chǎn)調(diào)度問題提出了新的挑戰(zhàn)。

2 信息物理融合系統(tǒng)CPS

2.1 CPS介紹

信息物理融合系統(tǒng)（Cyber-Physical System，CPS）是由美國科學(xué)家Helen Gill于2006年在美國國家科學(xué)基金會上提出，并很快引起各國研究者與企業(yè)的廣泛關(guān)注。CPS是通過計算（Computation）、通信（Communication）與控制（Control）技術(shù)的有機與深度融合，實現(xiàn)計算資源與物理資源的緊密結(jié)合與協(xié)調(diào)的下一代智能系統(tǒng)。其特點是在復(fù)雜環(huán)境下能穩(wěn)定、安全的處理信息，有較高的自適應(yīng)、自主協(xié)調(diào)以及自治能力。在微觀上，CPS通過在物理系統(tǒng)中嵌入計算與通信內(nèi)核實現(xiàn)計算進程（Computation process）與物理進程（Physical process）的一體化。計算進程與物理進程通過反饋循環(huán)（Feedback loops）方式相互影響[5]，實現(xiàn)嵌入式計算機與網(wǎng)絡(luò)對物理進程可靠、實時和高效的監(jiān)測、協(xié)調(diào)與控制。就像Internet改變了人與人交互的方式一樣，CPS的出現(xiàn)將改變?nèi)伺c物理世界交互的方式[6]。自從CPS的概念提出以來，對其系統(tǒng)架構(gòu)、計算模式、信息安全以及實現(xiàn)所需的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、編程語言等方面問題的研究就不曾終止[7]。

2.2 CPS在制造業(yè)的應(yīng)用

如今在智能電網(wǎng)、生物與醫(yī)療系統(tǒng)、智能高速公路與無人駕駛等領(lǐng)域，CPS已有典型應(yīng)用案例[8][9]。而在制造業(yè)領(lǐng)域，德國在2013年的漢諾威工業(yè)博覽會上提出了“工業(yè)4.0”的概念，認(rèn)為未來十年人類將步入以智能制造為主導(dǎo)的第四次工業(yè)革命。其中著重強調(diào)了將CPS技術(shù)作為主導(dǎo)核心，通過實現(xiàn)人、設(shè)備與產(chǎn)品的實時連通、相互識別和有效交流，構(gòu)建一個高度靈活的個性化和數(shù)字化的智能制造模式。在這種模式下，制造過程是由互聯(lián)網(wǎng)（包括物聯(lián)網(wǎng)）驅(qū)動，實現(xiàn)了信息和物理系統(tǒng)的深度融合。

近幾年制造業(yè)CPS的研究也逐漸興起，其中主要是針對制造CPS體系結(jié)構(gòu)的探討。Jay Lee等人[10]提出了一個獨特的5層結(jié)構(gòu)作為CPS實現(xiàn)的指導(dǎo)方針，稱為“5C”。它表示CPS自下而上由智慧連接層、數(shù)據(jù)-信息轉(zhuǎn)換層、網(wǎng)絡(luò)層、認(rèn)知層以及配置層組成。5C結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)，使得傳統(tǒng)生產(chǎn)制造中的工件、設(shè)備以及生產(chǎn)系統(tǒng)都將具有自感知、自預(yù)測性，生產(chǎn)效能大大提高。該理論為制造業(yè)CPS研究提供了較為明確的體系結(jié)構(gòu)支撐。此外，制造業(yè)CPS在一些不同場合也有應(yīng)用研究。黎小華等人提出了一種基于服務(wù)的數(shù)控機床智能監(jiān)控CPS體系結(jié)構(gòu)框架，并將其應(yīng)用于一個建設(shè)中的數(shù)控機床智能監(jiān)控系統(tǒng)[11]。陳錫劍提出汽車彈簧生產(chǎn)制造過程的CPS研究，設(shè)計了面向汽車彈簧生產(chǎn)制造的CPS體系結(jié)構(gòu)，將生產(chǎn)系統(tǒng)中的人、設(shè)備、原料等各類資源通過網(wǎng)絡(luò)納入管理、控制和調(diào)度范圍，自動化管理從訂單到現(xiàn)場生產(chǎn)控制的整個生產(chǎn)流程，優(yōu)化制造資源能源配置，實現(xiàn)信息管理與現(xiàn)場控制的深度融合[12]。

然而，盡管CPS已經(jīng)引起了國內(nèi)外的廣泛關(guān)注，但是因為相關(guān)研究剛剛起步，目前所取得的研究成果還非常有限，并且仍然缺乏科學(xué)基礎(chǔ)和工程原理，CPS在許多領(lǐng)域的應(yīng)用仍處于探索階段，許多問題有待進一步發(fā)掘和研究。

3 CPS在半導(dǎo)體生產(chǎn)調(diào)度的應(yīng)用

3.1 CPS應(yīng)用可行性分析

目前國內(nèi)外在生產(chǎn)制造系統(tǒng)CPS環(huán)境構(gòu)建方面的研究仍處于理論階段，特別是在對于復(fù)雜生產(chǎn)制造系統(tǒng)（例如半導(dǎo)體生產(chǎn)）的生產(chǎn)調(diào)度及優(yōu)化研究領(lǐng)域仍舊是空白。在半導(dǎo)體生產(chǎn)過程中，各種突發(fā)事件時有發(fā)生，必須能夠?qū)Υ祟愂录龀隹焖賾?yīng)對，在特定情況下調(diào)整生產(chǎn)計劃確保生產(chǎn)的順利進行，然而傳統(tǒng)半導(dǎo)體生產(chǎn)調(diào)度的方法并不能夠很好的解決此類問題。

CPS是未來“工業(yè)4.0”以及智能制造實現(xiàn)的核心內(nèi)容，具有極好的協(xié)同性，并且已在其他領(lǐng)域得到應(yīng)用產(chǎn)生很好的效果，其結(jié)構(gòu)體系也被證明在各個領(lǐng)域都有普遍適用性[13]。CPS虛擬與實際系統(tǒng)相協(xié)同的理念，為半導(dǎo)體生產(chǎn)線的調(diào)度優(yōu)化提供了新的思路和發(fā)展方向，同時介于CPS的理論在其他領(lǐng)域也得到了深入研究并已有廣泛應(yīng)用，其思路與方法可以移植到半導(dǎo)體生產(chǎn)制造領(lǐng)域。

3.2 CPS應(yīng)用策略

首先，構(gòu)建半導(dǎo)體生產(chǎn)線CPS環(huán)境。建立包括半導(dǎo)體生產(chǎn)線模型數(shù)據(jù)以及生產(chǎn)歷史數(shù)據(jù)在內(nèi)的數(shù)據(jù)庫，以及基于真實生產(chǎn)線物理模型而搭建的虛擬生產(chǎn)線模型，通過虛擬現(xiàn)實軟件設(shè)計靜態(tài)虛擬模型與實際數(shù)據(jù)間的交互，使得虛擬模型能夠按照實際生產(chǎn)線運作情況而生產(chǎn)，實現(xiàn)對實際生產(chǎn)過程的映射及展示。同時建立實際生產(chǎn)線控制單元，能夠與生產(chǎn)線控制器實時通訊，將生成的調(diào)度方案轉(zhuǎn)化為控制器所能執(zhí)行的控制指令，從而實現(xiàn)對半導(dǎo)體生產(chǎn)線生產(chǎn)過程的實時控制。

其次，結(jié)合半導(dǎo)體調(diào)度方法優(yōu)化生產(chǎn)過程。研究建立半導(dǎo)體生產(chǎn)重調(diào)度判定機制，通過基于數(shù)據(jù)的建模方法建立仿真模型，預(yù)測生產(chǎn)性能指標(biāo)，將其與實際生產(chǎn)性能指標(biāo)對比，對生產(chǎn)線是否需要重調(diào)度以及進行何種重調(diào)度進行判定。隨后使用智能算法進行重調(diào)度策略選擇，將得到的優(yōu)化調(diào)度策略運行于仿真模型，產(chǎn)生新的調(diào)度方案以優(yōu)化實際生產(chǎn)過程。

最后進行系統(tǒng)集成研究，將CPS環(huán)境構(gòu)建及優(yōu)化調(diào)度的方法集成，從而形成半導(dǎo)體生產(chǎn)系統(tǒng)從實際生產(chǎn)到調(diào)度優(yōu)化再到實際生產(chǎn)的閉環(huán)控制，達到實際系統(tǒng)與虛擬系統(tǒng)二者的協(xié)同運行。

4 總結(jié)與展望

對半導(dǎo)體生產(chǎn)線的調(diào)度及優(yōu)化問題是當(dāng)今學(xué)術(shù)界研究的熱點問題，而CPS這一新興理論也為半導(dǎo)體生產(chǎn)調(diào)度研究打開了新的研究方向。相對于傳統(tǒng)中現(xiàn)有的實時嵌入式系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，CPS更為關(guān)注于資源的合理整合利用與調(diào)度優(yōu)化，能實現(xiàn)對大規(guī)模復(fù)雜系統(tǒng)和廣域環(huán)境的實時感知與動態(tài)監(jiān)控，并提供相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)信息服務(wù)，且更為靈活、智能、高效。因此，發(fā)展CPS是一個嶄新的、非常有前途的研究領(lǐng)域，然而國內(nèi)外對它的研究均剛剛起步，具有廣闊的發(fā)展空間。

基于CPS理念，設(shè)計針對于半導(dǎo)體生產(chǎn)的虛實結(jié)合系統(tǒng)，實現(xiàn)虛擬與實際生產(chǎn)系統(tǒng)的協(xié)同運行，是半導(dǎo)體調(diào)度研究的一次新的實踐。在應(yīng)用上，也為將來進一步優(yōu)化調(diào)度算法提供了更好的客觀評價平臺，為半導(dǎo)體生產(chǎn)企業(yè)在工業(yè)4.0發(fā)展的背景下提供了更加靈活且順應(yīng)發(fā)展潮流的生產(chǎn)管理參考系統(tǒng)，也為未來智能制造領(lǐng)域的研究提供了較好的實踐依據(jù)。

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CPS Construction and Scheduling Feasibility Analysis of Semiconductor Production

CAO Qiushi, QIAO Fei
(Tongji University, Shanghai, 201800)

in the feld of complex manufacturing and automatic control, scheduling of semiconductor production has been a research hotspot. Because of its complexity, uncertainty, multi-objective and multi constraint characteristics, semiconductor production and manufacturing system has been bringing challenges to optimize scheduling and improve production performance. Cyber physical system(CPS) is a new type complex real-time distributed system combined with computing, communication and control, in which calculation and physical process is continuously interacted and deeply integrated under open environment. Characteristics and functions of CPS provide effective thought and way to improve intelligent manufacturing and competitiveness of discrete manufacturing. Based on basic concept of information fusion system and combined with application and development in manufacturing industry, the article discussed CPS construction and feasibility of optimizing scheduling aiming at semiconductor production.

semiconductor production; CPS; production scheduling

10.19335/j.cnki.2095-6649.2016.12.008

:CAO Qiushi, QIAO Fei. Reactive Compensation Technology of Mine Power System Based on STATCOM[J]. The Journal of New Industrialization, 2016, 6(12) : 45-48.

國家自然基金委資助的重點項目：復(fù)雜生產(chǎn)過程基于數(shù)據(jù)的優(yōu)化調(diào)度理論與方法（61034004），NSFC面上項目：基于多視圖能耗模型的能源調(diào)配與生產(chǎn)調(diào)度協(xié)同優(yōu)化（61273046），同濟大學(xué)“中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金”項目：工業(yè)4.0理論、技術(shù)的研究與應(yīng)用。

曹秋實（1989-），男，研究生在讀，主要研究方向：半導(dǎo)體生產(chǎn)調(diào)度

本文引用格式：曹秋實，喬非. 半導(dǎo)體生產(chǎn)的CPS構(gòu)建及調(diào)度可行性分析[J]. 新型工業(yè)化，2016，6（12）：45-48.