可重入生产线产品生产周期的分析和控制

As the most important style of production and operations management in semiconductor fabrication, re-entrant lines are being paid more and more attention to. Analysis and control of production lead time in re-entrant lines not only increases the yield of semiconductor fabrication and decreases manufacturing cost, but also reduces the response time to the demand change and the risk of inaccurate prediction of demand. However, the re-entrance property and complex system dynamics make it difficult to effectively model and analyze the re-entrant lines and thus, studies on re-entrant lines can only resort to simulation models. Since the simulation model is indispensable and the advantages of analytical methods, a simulation-based quasi-analytical method, which adopts the main idea of analyzing flow lines, is proposed to analyze the performance (i.e., throughput, work-in-process, and production lead time) as functions of the release rate in re-entrant lines. In order to control the production lead time in practical re-entrant lines, based on the work-in-process in buffers, a feedback control law is proposed to throttle the release so that the production lead time attains its desired value. The effectiveness of all the analysis and of the feedback control law would be validated by extensive numerical experiments.

作为半导体制造最重要的生产组织方式，可重入生产线的研究一直备受关注。可重入生产线产品生产周期的分析和控制不仅可以提高半导体产出率、降低制造成本，而且有助于缩短企业对市场需求变化的响应时间，降低市场需求预测不准的风险。然而，可重入生产线的可重入特性以及复杂的系统动态使得有效建模和分析非常困难，现有的研究几乎只能依赖于仿真模型。由于仿真模型的不可或缺以及解析方法可以高效分析的特点，本项目借鉴流水生产线稳态性能的近似解析分析方法，用基于仿真的准解析方法分析可重入生产线稳态性能（即吞吐率TP，在制品量WIP，产品生产周期LT）和投料速率之间的解析关系。为了控制实际系统中产品的生产周期，本项目基于实际系统中缓冲区在制品量设计了一个反馈控制率，通过控制投料速率使得产品的生产周期到达给定的期望值。最后，用大量数值仿真实验验证上述分析方法和反馈控制率的有效性。

制造系统中过长的产品生产周期和高能耗低能效的问题非常突出，这些问题对社会、经济和环境都有着至关重要的影响。本项目的研究内容之一是针对半导体制造的可重入生产线中产品生产周期难以高效评估和缩短的挑战，对可重入生产线进行简化建模，即只保留可重入生产线的瓶颈加工中心，而将非瓶颈加工中心建模成时间延迟，从而得到可重入生产线的简化模型。利用该简化模型，分析产品的生产周期和投料速率之间的定量关系，并提出开环和闭环控制策略，将产品生产周期控制在预期值附近，以达到控制产品生产周期的目的。从理论上来说，该研究填补了解析分析可重入生产线产品生产周期的空白，并设计开环和闭环控制策略有效控制产品的生产周期。从工程上来说，该研究为可重入生产线的管理提供了新的范式，即在控制产品生产周期在预期范围的同时最大化吞吐率。本项目的研究内容之二是针对制造系统中的高能耗低能效问题，在伯努利串行线中对该能耗优化问题进行建模和分析，求解得到系统中机器效率组合的最优解。从理论上来说，该研究求解了能耗优化问题在伯努利串行线中的最优解，并对该最优解进行了灵敏度分析，克服了只能用启发式算法求解得到次优解而无法得到最优解的挑战。从工程上来说，该最优解能在保证系统吞吐率的前提下，最小化系统能耗，为在实际的制造系统中节能减排提供了重要的工具。