自動化物流系統(tǒng)的仿真建模

曹志峰，王永東

（1.福建醫(yī)科大學 基礎醫(yī)學院 數(shù)理與計算機教學部，福州350004；

2.HANDLING SYSTEM MAINTENANCE GROUP HENRICO，VIRGINIA）

0 引 言

XYZ半導體技術公司擁有800，000平方英尺的半導體制造工廠，具有圓晶片，內存組件裝配和測試等生產能力.它的自動化物流系統(tǒng)的管理成員主要由技師、高級技師和工程師組成.該系統(tǒng)人力資源成本大，對其人力資源的利用率做出評價顯得非常重要［1］.我們通過模擬、分析系統(tǒng)對自動化物流系統(tǒng)管理的工作日程表做出測試和評價，幫助管理人員做出有力的決策［2］.以下是我們著重研究的問題：

（1）管理組需要多少技師、高級技師和工程師.

（2）技師、高級技師和工程師是否需要進一步培訓.

（3）不同的工作日程表中人力資源的利用率.

1 模擬系統(tǒng)的建模的研究及分析

采用Process Model［3］軟件建立模型，它是一個動態(tài)工具，可以處理簡單泊松分布、指數(shù)分布以及一些復雜的問題.對模型的要求設定為：研發(fā)不能超過五個星期的時間，投入實際的檢測周期不能超過兩周，按照實際要求進行修改或調整在兩周內可完成，模型具備可擴展能力.系統(tǒng)模型做了以下假設：系統(tǒng)的修復時間按照三角分布，一個維護人員一次修復一個錯誤，所有的技師，高級技師，工程師水平相同，并且人員數(shù)量穩(wěn)定，整個自動化物流系統(tǒng)工作條件穩(wěn)定且工廠的生產穩(wěn)定.

收集的數(shù)據有：技術人員的每小時工資，各類型錯誤所占的百分比，維修時間和維修時間分布，標準人力資源利用率.模擬運行時首先確定初始化周期的長度，每次運行的重復次數(shù)，對每次的運行結果采用統(tǒng)計分析對比.在早期的維護中檢測模型是否能靈活地發(fā)展，是否能很好地表達出結論.并設計驗證實驗，不斷改變條件調整模擬系統(tǒng)，生成的分析報告.記錄下整個模型開發(fā)過程、每個執(zhí)行步驟，注意哪些變化引起結果的變化，有助于將來修改模型，理解模擬系統(tǒng)的理念和使用.

2 自動化物流系統(tǒng)的分析

在半導體工廠中自動化物流系統(tǒng)可靈活地處理貯存、搬運等環(huán)節(jié).生產中圓晶片有上千道搬運作業(yè)程序，整個傳送路程超過十英里，要確保昂貴的加工工具的使用率，對傳送過程的準確性的要求很高.

自動化物流系統(tǒng)由Aero Trak系統(tǒng)和Turbo Stockers系統(tǒng)構成.激光粒子計數(shù)器（Aero Trak）傳輸系統(tǒng)（簡稱AT）是頂部單軌系統(tǒng)，是當今最靈活的、具有人工智能晶片傳輸系統(tǒng)，該系統(tǒng)能保證圓晶片送到準確的位置.Turbo Stockers系統(tǒng)（簡稱TROB）結合了最新一代先進的清潔機器人、具有軟件系統(tǒng)和運動系統(tǒng)，具有高容量的貯存和模塊化設計，適應于當今的200mm和300mm的晶片生產.物流系統(tǒng)（簡稱MCS）主要負責管理工作日程表和傳輸系統(tǒng)，以及生產中的貯存和搬運環(huán)境，它通過跟蹤材料的運動來控制人員、運送設備和自動化識別系統(tǒng)來實現(xiàn)管理.

自動化物流系統(tǒng)隨時都有可能出錯，如：結點、站點、運載工具、機器人都可能出錯.自動化物流系統(tǒng)由四個技師、8個高級技師和2個工程師組成.技師負責AT系統(tǒng)的錯誤，高級技師負責TRBO系統(tǒng)的錯誤，工程師負責MCS系統(tǒng)的錯誤，以及系統(tǒng)升級和周報表和工作會議.該公司的自動化物流系統(tǒng)工作日程表為24×7h，共有四種工作表.

表1 自動化物流系統(tǒng)工作日程表

D1、D2表是白天的工作表，上班時間從上午7：00至下午7：20.N1、N2表是夜班工作表，上班時間從下午7：00至第二天上午7：20.這四個工作表交替執(zhí)行，每個工作表的工作時間為12h，外加20min的交接時間.這種滾動壓縮工作表的優(yōu)點是平均每周有三天的休息.該公司夜班的雇員比白班的少15%，這也意味著每天上白班的人都產生更多的錯誤.因為工廠一般都在白天升級系統(tǒng)，這會造成更多的出錯情況.通常公司給夜班的員工多25%的獎金.由于D1、D2及N1、N2的工作條件相同，所以首先考慮用D1、N1表來取代D1、N1、D2、N2.

修正系統(tǒng)錯誤的任務通過SKYTEL網絡傳送到物流控制系統(tǒng)（MCS），MCS通過SKYTEL網絡把任務傳給維護組.通常技師負責AT系統(tǒng)的錯誤，高級技師負責TRBO系統(tǒng)的錯誤，工程師負責MCS系統(tǒng)的錯誤.晚上MCS系統(tǒng)出錯時，高級技師通知在家在線值班的工程師.一般晚上MCS系統(tǒng)出錯的解決時間較長.假設所有自動化物流管理系統(tǒng)的技師、高級技師、工程師的水平都一樣.平均30%的錯誤為AT系統(tǒng)，63%的錯誤為TRBO系統(tǒng)，7%的錯誤為MCS系統(tǒng).技師負責接收所有的錯誤警報，并處理其中30%AT系統(tǒng)的錯誤.技師維修和處理所花時間的三角分布T（5，20，60）（單位：min）.技師把接收到的其余70%錯誤交給高級技工和工程師.高級技師處理63%的TRBO系統(tǒng)錯誤的時間三角分布T（30，60，240）（單位：min），工程師處理7%的MCS系統(tǒng)錯誤的時間三角分布T（60，120，480）（單位：min），在夜間時為 T（60，180，600）（單位：min）.

3 自動化物流系統(tǒng)的建模

采用以下六個方案建模，所有的方案都模擬運行1000h.

方案1：延用當前的D1工作表.

方案2：在D1工作表的基礎上，把技師訓練成高級技師，所有的高級技師都負責AT系統(tǒng)和TRBO系統(tǒng)的錯誤.

方案3：在D1工作表的基礎上，增加雇用一名高級技師.

方案4：延用當前的N1工作表.

方案5：在N1工作表的基礎上，把技師訓練成高級技師，所有的高級技師都負責AT系統(tǒng)和TRBO系統(tǒng)的錯誤.

方案6：在N1工作表的基礎上，把技師訓練成高級技師，所有的高級技師都負責AT系統(tǒng)和TRBO系統(tǒng)的錯誤，并且高級技師負責57%的MCS系統(tǒng)的錯誤.

模擬運行的結果：各系統(tǒng)出錯總數(shù)及周期、系統(tǒng)平均出錯時間、各系統(tǒng)出錯分布情況及修復所花時間的三角分布、人力資源利用率、效益的工資及平均每系統(tǒng)的錯誤的修復開銷，見下列各表.

表2 各系統(tǒng)出錯總數(shù)及周期

表3 系統(tǒng)平均出錯時間各系統(tǒng)出錯分布情況及修復所花時間的三角分布

表4 自動化物流系統(tǒng)糾錯的平均花費 單位：美元

表5 人力資源利用率對比表

表6 員工效益工資 單位：美元

從表格5我們可以看出在方案1中：高級技師的利用率為79.53%.根據 Amnon Raviv［4］統(tǒng)計半導體公司人力資源利用率在40%～70%，因此高級技師工作狀況需要改善，在不雇傭新的員工的前提下，推薦采用方案2.該方案高級技師的利用率非常接近最大可利用范圍.方案3是白班的最佳方案，但這種方案只有在半導體行業(yè)好轉時才可以用.在兩個夜班中，高級技師的利用率比技師的利用率高出了18%，我們推薦采用方案5，在該方案高級技師的利用率為54.77%，這是合理的范圍.由于工程師是在線值班，因此MCS錯誤的修復需要花很多時間，假設訓練后的高級技師能承擔57%的MCS系統(tǒng)的錯誤，高級技師的利用率從54.77%提升到57.38%，工程師的利用率從32.9%降到17.8.6%，雖然工程師的利用率都低于40%，但他們要處理系統(tǒng)升級以及每周的例會和管理層的會議，因此工程師的利用率仍是合理的.基于上述的分析結果，高級技師過于忙碌.就夜班而言：可以增雇一名工程師，但半導體行業(yè)沒有工程師上夜班的慣例.通過分析可以看出，白班至少要有三名高級技師和一名工程師.夜班至少要有一名技師二名高級技師和一名值班工程師，否則系統(tǒng)將崩潰.

4 結 論

我們可以看出方案2是解決當前半導體行業(yè)的最好的方案，既使這種方案高級技師的利用率也是非常接近員工的最大利用率.方案3是將來可采取的方案，增雇一名新的高級技師以降低高級技師的工作強度.對于夜班來說，技師、高級技師的利用率都在合理的范圍，但高級技師的利用率偏高，培訓技師成為高級技師可以降低高級技師的工作強度.

［1］ Banks，J.；Carson，J.S.and Nelson，B.Discrete－E－vent System Simulation［M］.Third Edition.New Jersey：Prentice－Hall，Inc.2001：22－23.

［2］ Bowden，R.；Harrell，R.；and Ghosh，B.K.Simulation Using Promodel［M］.New York：McGraw－Hill，Inc.2000：61－62.

［3］ Process Model，Process Modeling and Simulation Soft－ware，Release 4，User Guide［M］.ProcessModel，Inc.2000：116－117.

［4］ Amnon，Raviv .Optimal Staffing in Semiconductor Manufacturing：A Queuing Theory Approach［J］.Solid State Technology，1998，（4）：33－35.