针对大规模复杂制造系统多重入多瓶颈特征的混合智能调度优化方法研究

Due to the large number of equipment, high investment cost, complex process, long cycle time, multi-bottlenecks and multiple re-entrant process flows, the scheduling of semiconductor wafer fabrication is very complex. However, the multi-bottlenecks and multiple re-entrant flows also provide a chance to solve the scheduling problem efficiently. In this project, we will study the scheduling method in large scale complex manufacturing system,such as semiconductor wafer fabrication. First, this project will analyze the factors in multi-bottlenecks and the characters of the bottlenecks in a dynamic system with multiple re-entrant process flows. Then the multi-bottlenecks detection and identification methods will be introduced. We will try to decompose the large scale complex scheduling problem according to the multi-bottlenecks and multiple re-entrant flows. And then the hybrid scheduling methods including different rules and intelligent algorithms will be developed to solve the decomposed sub-problems. Finally, simulation based methods such as ordinal optimization theory and response surface methodology will be adopted to select appropriate rule combination and optimize the combination parameters. The project is of considerable significance to improve the performance of the semiconductor wafer fabrication company in China.

由于芯片制造系统规模大、造价高，工艺复杂、制造周期长，以及多重入的生产流程，造成了动态多瓶颈现象，使得其调度问题非常复杂。虽然多瓶颈多重入特征使得调度问题更为复杂，但另一方面也为有效地解决调度问题提供了契机。本项目从该特征入手，研究以半导体芯片制造为典型代表的大规模复杂制造的生产调度方法。整个研究思路分为瓶颈辨别、调度问题分解和调度求解三步：首先分析具有多重入生产流程的生产系统中动态多瓶颈产生的原因，以及多瓶颈辨识和区分方法；其次在此基础上提出基于多瓶颈多重入特性的调度问题分解方法；最后考虑到调度规则的快速有效性和智能算法在求解精度方面的优势，拟研究基于多种规则和智能算法的混合调度方法，并通过序优化和响应曲面法等优化方法获得有效的算法组合方案和相关参数。本项目力图探索出一套能够有效解决半导体芯片制造系统复杂生产调度问题的科学方法，以期能提高我国半导体晶圆制造企业的生产控制水平。

本项目研究了以芯片制造系统为代表的大规模复杂系统。利用其多重入和多瓶颈的特性，研究相应的生产调度方法。本研究主要想解决三个科学问题，分别为（1）为什么会出现多个瓶颈，瓶颈为什么会动态变化，如何辨识和区分多个动态瓶颈；（2）怎样利用芯片制造系统的多瓶颈多重入特征，动态地对其大规模复杂调度问题进行分解；（3）如何基于系统的不同状态设计动态调度控制策略和调度优化方法，以合适的速度与精度解决不同的应用问题。整个研究思路分为瓶颈辨别、调度问题分解和调度求解三步：首先对Jackson模型进行扩展,分析具有多重入生产流程的生产系统中动态多瓶颈产生的原因，然后提出了基于绩效和灵敏度的两阶段多瓶颈辨识和区分方法；其次在此基础上提出基于多瓶颈多重入特性的调度问题分解方法，降低调度优化难度；最后考虑到调度规则的快速有效性和智能算法在求解精度方面的优势，研究基于多种规则和智能算法的混合调度方法，并通过序优化和响应曲面法等优化方法获得有效的算法组合方案和相关参数。此外本项目还将该研究思路扩展到具有多重入多瓶颈特性的自动化码头运输调度问题中，并取得了相关研究成果。本项目三年执行期中，项目负责人发表4篇SCI/EI双检索的国际期刊论文，1篇EI检索国际期刊论文（其中第一作者收录SCI期刊3篇，EI收录1篇）。相关论文都已经标注受本项目资助。本项目的研究对于解决具有多重入多瓶颈特性的复杂系统调度问题具有一定的理论意义和应用价值。