復雜生產過程產品模型研究

姜英偉，史海波，潘福成，里 鵬

（1.中國科學院 物聯網研究發展中心，江蘇 無錫214135；2.江蘇物聯網研究發展中心，江蘇 無錫214135；3.無錫中科泛在信息技術研發中心有限公司，江蘇 無錫214135）

0 引 言

制造執行系統可以將數據信息從產品級取出，穿過操作控制級送達管理級，通過連續信息流來實現企業信息集成。越來越多的制造廠商也認識到只有這樣，才能從最基礎的生產管理上提升自身的競爭力，才能使企業在日益激烈的競爭中立于不敗之地。

而產品模型又是制造執行系統體系中的基礎核心之一，對企業的生產活動有著重要的指引作用。自從企業將建模技術引入到生產加工中以來，如何建立合理的產品模型來幫助優化產品加工過程，進而幫助企業提高生產效率一直都是國內外制造業研究領域的熱點課題。

目前，國內外研究人員對企業產品建模技術進行了大量研究，提出了很多建模方法。如在文獻 ［1］中提到的ARIS體系結構、IDEF方法、工作流建模技術、面向對象建模方法等；在文獻 ［2－3］中也介紹了多智能體方法、Petri網、自然信息分析方法、EXPRESS數據定義語言等，并且對這些方法進行了比較分析，提出了過程系統的概念，并將過程建模和系統建模聯系起來；文獻 ［4］中提出基于Mini－fab模型的簡化，通過使用仿真軟件對復雜生產過程進行建模和仿真；在文獻 ［5］中作者根據產品模型的特征信息建立制造特征實例信息庫，存儲產品制造特征實力信息，持續向后續制造活動提供所需要的產品制造特征信息；文獻 ［6］中作者通過引入重入因子對多重入系統現有的基本連續模型進行修正，提高了基本連續模型對多重入生產過程的適應性；文獻 ［7］中作者認為基于語義網絡的產品模型提供了一種定量與定性相結合的一致化設計實例與需求的表達方式；文獻 ［8］中作者通過定義三層產品模型結構及其內容和相互關系，實現了產品建模定義、約束統一性，證明了基于UML的產品建模方法的有效性和可行性。

以上建模技術在應用領域、模型表達能力、算法的優化等方面都有著不錯的效果，但是這些方法會因為生產過程的過于復雜，導致所建立的模型異常龐大及復雜化，造成了計算機系統因對生產過程地難以理解而導致模擬生產過程能力低下以及模擬偏差大等問題。本文提出了一種面向復雜生產過程的產品模型構造方法，既改善了產品模型在應對復雜生產過程的描述能力，模型對生產過程的描述不會因為生產過程的復雜而變得龐大，計算機難以理解和執行，又對生產模型在企業實際生產中動態跟蹤生產方面提供了一定程度的基礎和保證。

1 產品模型在制造執行系統平臺中的作用

制造執行系統運行基礎平臺如圖1所示，整個系統基礎平臺由基礎服務，系統生產模型 （包括工廠模型、產品模型、事件模型和執行模型）、可視化建模工具、實時消息總線、企業連接器、工廠信息中心、異構數據采集適配器及面向行業的MES應用套件等組成［9］。制造執行系統運行基礎平臺通過對企業產品譜系的建立、車間生產線的建模和生產線周邊物料存放架的描述，從而完成了數字化生產車間的描述。與此同時，制造執行系統運行基礎平臺在對生產事件和狀態及生產活動相互間轉化的描述過程中，利用輔助的生產計劃、物料配送、訂單跟蹤、產品質量分析等功能的實現，最終達到了生產車間數字化管理的目的。在制造執行系統運行基礎平臺中，產品模型與工廠模型、事件模型及執行模型共同組成了整個系統的生產模型，借助可視化建模工具軟件，將企業的物理設備、生產過程中產生的數據信息、物料流動途徑及實際生產狀態實現數字化。

圖1 制造執行系統平臺架構

本文的研究內容主要集中在產品模型上。作為制造執行系統運行基礎平臺的基礎核心之一，產品模型是建立在工廠模型之上，主要針對產品的物料表和物料路由表進行描述和建模，并且完整地描述了各種產品的加工過程。產品模型的建立不僅僅可以指導到企業產品的生產過程，而且能夠完善和維護企業產品的譜系結構，為企業在日益激烈的競爭中始終處于行業領導者提供強有力的技術支撐。

2 產品模型

2.1 產品模型層次結構

產品模型是對具有相似結構和功能的一系列產品所進行的抽象，是對產品加工過程的描述，它可以通過對現有系列產品的整理來定義。傳統的產品模型結構是一個典型的樹形結構，本文結合傳統產品模型結構的典型特點，根據產品生產過程的特點，提出新的產品模型層次結構，共分為四層，它們分別是產品層、程序層、方法層和工步層，如圖2所示。相關定義如下：

圖2 產品模型層次結構

產品：產品處于產品模型結構中的頂端，表示生產過程中關鍵的在制品或生產過程結束后的產成品。

程序：在產品模型中，程序表示了一個加工流程的具體描述。一個程序既可以由一個或多個方法構成，同時也可以由另一個程序或多個程序與多個方法共同構成。

方法：方法描述了在一臺加工設備 （某一加工地點）上進行的加工過程，可稱為加工配方，表示在一個工位下，在一臺加工設備前所進行的加工步驟的集合。

工步處于產品模型結構的最底層，是描述生產過程中的生產步驟的最小劃分，表示在一個工位下，在加工設備、物料投入量等加工條件不變的情況下，所連續完成的一部分工序內容。

2.2 產品模型層次結構的配置

產品配置信息如圖3所示。

圖3 產品配置信息

產品：在產品配置過程中，主要定義兩類信息：基本語義信息和操作執行信息。基本語義信息定義了產品ID、產品名稱、產品版本信息、系統默認產品版本信息、產品加工的投料信息、產品加工完成后的接收地點及產品加工所處狀態等部件的基本信息，其中產品ID、產品名稱和產品版本信息共同構成整個產品的唯一標識信息。這些信息對后續生產的實時數據反饋和在線監控間接起到了輔助作用。另外，根據產品的獲取渠道，本文將產品分為加工品和采購品兩類，加工品通過自身設備的加工制造獲取，而采購品通過向供應商采購獲取，因此在基本語義信息里需要定義產品獲取類型和供貨商關鍵字，來與供貨商信息庫關聯，以保證產品信息定義的完整性。操作執行信息通過程序ID、程序名稱以及程序版本來明確指定當前產品所使用的程序 （在這里僅允許一個產品使用一個程序），以此將產品層與程序層關聯起來。

程序：程序配置中，本文根據用途將程序分為兩類：主程序和復用程序。上文產品使用的程序就是主程序，只有主程序才允許被產品使用。復用程序無法被產品直接使用，但可以被主程序使用。另外，主程序也可以調用其它主程序來完成加工操作。由于程序可以使用其它程序及多個方法，因此在指令信息定義里，要明確指出每個程序所使用的程序與方法，來保證指令集合邏輯上的正確性與功能上的完整性。在此層次中，需要對主要加工區、加工地點以及接收地點進行描述，充分利用工廠的加工資源。除此之外，配置程序具體執行指令集合時，為了解決條件判斷選擇的問題，在此過程中提供分支選擇命令的使用，來保證程序功能的完整和加工流程建立的簡潔。

程序配置信息如圖4所示。

圖4 程序配置信息

在產品加工過程中，從供貨商采購獲取的物料不能直接投入下一階段的生產活動中，需要通過特定的驗收過程才會被投入到下一階段的生產加工活動中去，因此在程序層的復用程序中，專門定義了一類進行驗收、測試、質檢等相關操作的程序，提高了復用程序的使用率，也為主程序的建立和修改提供了方便。

方法：經過實例化后，方法也可以被看作是加工配方。由于方法建模直接面向物理設備、生產單位工位等生產信息，因此模型中方法層要準確定義生產加工使用的參數（若無指定，使用默認參數）、使用的工步，可重復的最大最小次數以及加工時間限制，物料使用約束等加工信息。

除此之外，在執行一個方法的加工過程中，要對生產單元設備和人員的使用情況進行實時的記錄，其中設備包括額定生產能力、當前生產能力、剩余生產能力以及是否允許批次混合生產能力等相關信息；人員包括人工技術等級、實時完成作業能力、剩余作業能力以及是否可以進行作業混合生產能力等相關信息。這樣做的目的主要是通過采集工廠里的生產設備實時信息和人工信息，間接地跟蹤生產過程，為生產決策者在管理生產工作中合理使用工廠資源及人工進而提高生產效率提供一定程度的輔助作用。

方法配置信息如圖5所示。

圖5 方法配置信息

工步：由于工步處于整個模型的最低層，所以在配置工步信息時，每個工步將不會被繼續拆分，來保證它在產品模型中所具有的原子特性 （最小操作單位）。在實際的生產過程中，生產步驟都被精細化，所以在對生產過程建立產品模型時，在工步層，會出現大量工步記錄。本文從工步用途的角度，將工步大致分為三類：加工、標識、數據采集。

加工類工步是工步層的主體，是產品模型中生產任務的主要承擔者和具體執行者。為了保證加工類工步實效性，在基本語義信息里必須加入外界傳遞的參數值。

標識類工步主要是為了區分不同批次中不同零件及在制品所處于不同狀態而進行的標識操作，工步配置中可以使用數字與字母的編號組合作為標記編碼。標識工步為實際生產中進行的生產跟蹤打下了堅實基礎。

數據采集類工步定義了從何時何處獲取什么樣的數據。它為生產系統從實際生產中獲取實時生產數據、跟蹤訂單狀態提供了有力支撐。

2.3 產品模型的配置流程

產品模型層次結構配置建立之后，便可以根據客戶的訂單要求進行產品模型的配置工作，整個產品模型配置的過程簡述如下：

首先，根據客戶訂單需求分析獲取產品模型中產品信息，并對訂單中產品按照產品模型中的產品定義進行實例化，指定主要加工程序，形成產品記錄；主要加工程序通過產品獲取生產參數，并通過使用相關指令集合 （調用相關程序和方法）和對應參數組織整個生產流程；被使用的方法從主程序中獲取參數 （若為空值，使用方法默認值），將其傳入已組織好的工步集合，完成機臺設備的加工過程；工步無序關注上層加工流程，只需接收上層傳入參數，按照需求完成自己的加工過程。

另外，為了保證生產加工活動可以使用正確的產品模型，同時提高模型使用效率，本文在產品模型過程中引入版本管理機制：

（1）在整個產品模型的配置過程中，對每個產品、程序、方法及工步都要建立版本信息，使用版本信息、名稱以及ID共同作為唯一標識；

（2）產品層、程序層以及方法層的版本信息添加系統默認版本信息 （若非特殊指定版本信息，使用默認版本信息即可），以此提高各個層次之間調用時的效率。

通過以上過程，制造商不僅僅獲得了生產過程中的物料表，同時也獲取了物料投放順序、產品加工過程中具體的每個操作步驟、生產參數、生產過程中設備的實際生產能力及零部件的合格率等實時數據。產品模型通過將這些歷史數據、質量數據及實時數據反饋到生產計劃人員和執行人員，幫助其在遇到生產問題時可以做出更合理的判斷和決策，從而間接達到了良好的輔助決策目的。

產品模型配置過程如圖6所示。

3 產品模型應用

利用本文提出的產品模型已經應用于無錫華潤上華集團制造執行系統中的產品模型模塊，利用該模型建立了半導體前道加工過程的產品模型。鑒于篇幅有限，沒有給出整個半導體前道加工過程的產品模型的所有內容，僅以半導體加工過程中某測試組件的產品模型為例，如圖7所示，從圖中可以清晰地反映整個產品 （測試組件）的加工過程。在整個模型中，處于最高層的是名為切割測試組件的產品，在該產品下方對應的加工程序，參數傳入此加工程序中。整個加工程序由初始物料晶圓、驗收晶圓程序、切割晶圓程序、轉移測試地點、測試程序、轉移到下一地點針測地點組成，其中驗收晶圓程序由標記、氧化擴散和記錄3個方法組成，在氧化擴散方法里，共有按需求投入氧化劑、溫度設置、記錄數據以及晶圓標記等4個工步。

目前，本文提出的產品模型對無錫華潤上華的半導體前道加工生產過程取得了良好的效果，正在努力向整個半導體生產過程推廣應用。

4 結束語

本文綜合考慮了一些生產過程復雜的加工業的需求，建立了一種面向復雜生產過程的產品模型的構建方法。本文所提出產品模型的構造方法根據生產過程各個階段的重要程度將生產過程劃分為4個層次，并分別進行詳細描述。此方法不僅能完整地描述產品的整個加工過程 （涵蓋所有生產細節），提高了產品模型的精確性，同時對于計算機集成系統來說，提升了自身對復雜生產過程產品模型的理解能力和執行能力。目前，該模型僅在半導體加工過程的建模得到應用，未在其它行業實施，因此在今后的工作中，將進一步考慮模型對其它行業的復雜生產過程的應用情況，進一步完善模型面向復雜生產過程的通用性。

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