姜英偉，史海波，潘福成，里 鵬

（1.中國科學(xué)院 物聯(lián)網(wǎng)研究發(fā)展中心，江蘇 無錫214135；2.江蘇物聯(lián)網(wǎng)研究發(fā)展中心，江蘇 無錫214135；3.無錫中科泛在信息技術(shù)研發(fā)中心有限公司，江蘇 無錫214135）

0 引 言

制造執(zhí)行系統(tǒng)可以將數(shù)據(jù)信息從產(chǎn)品級取出，穿過操作控制級送達(dá)管理級，通過連續(xù)信息流來實(shí)現(xiàn)企業(yè)信息集成。越來越多的制造廠商也認(rèn)識到只有這樣，才能從最基礎(chǔ)的生產(chǎn)管理上提升自身的競爭力，才能使企業(yè)在日益激烈的競爭中立于不敗之地。

而產(chǎn)品模型又是制造執(zhí)行系統(tǒng)體系中的基礎(chǔ)核心之一，對企業(yè)的生產(chǎn)活動有著重要的指引作用。自從企業(yè)將建模技術(shù)引入到生產(chǎn)加工中以來，如何建立合理的產(chǎn)品模型來幫助優(yōu)化產(chǎn)品加工過程，進(jìn)而幫助企業(yè)提高生產(chǎn)效率一直都是國內(nèi)外制造業(yè)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)課題。

目前，國內(nèi)外研究人員對企業(yè)產(chǎn)品建模技術(shù)進(jìn)行了大量研究，提出了很多建模方法。如在文獻(xiàn) ［1］中提到的ARIS體系結(jié)構(gòu)、IDEF方法、工作流建模技術(shù)、面向?qū)ο蠼７椒ǖ龋辉谖墨I(xiàn) ［2－3］中也介紹了多智能體方法、Petri網(wǎng)、自然信息分析方法、EXPRESS數(shù)據(jù)定義語言等，并且對這些方法進(jìn)行了比較分析，提出了過程系統(tǒng)的概念，并將過程建模和系統(tǒng)建模聯(lián)系起來；文獻(xiàn) ［4］中提出基于Mini－fab模型的簡化，通過使用仿真軟件對復(fù)雜生產(chǎn)過程進(jìn)行建模和仿真；在文獻(xiàn) ［5］中作者根據(jù)產(chǎn)品模型的特征信息建立制造特征實(shí)例信息庫，存儲產(chǎn)品制造特征實(shí)力信息，持續(xù)向后續(xù)制造活動提供所需要的產(chǎn)品制造特征信息；文獻(xiàn) ［6］中作者通過引入重入因子對多重入系統(tǒng)現(xiàn)有的基本連續(xù)模型進(jìn)行修正，提高了基本連續(xù)模型對多重入生產(chǎn)過程的適應(yīng)性；文獻(xiàn) ［7］中作者認(rèn)為基于語義網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)品模型提供了一種定量與定性相結(jié)合的一致化設(shè)計實(shí)例與需求的表達(dá)方式；文獻(xiàn) ［8］中作者通過定義三層產(chǎn)品模型結(jié)構(gòu)及其內(nèi)容和相互關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品建模定義、約束統(tǒng)一性，證明了基于UML的產(chǎn)品建模方法的有效性和可行性。

以上建模技術(shù)在應(yīng)用領(lǐng)域、模型表達(dá)能力、算法的優(yōu)化等方面都有著不錯的效果，但是這些方法會因?yàn)樯a(chǎn)過程的過于復(fù)雜，導(dǎo)致所建立的模型異常龐大及復(fù)雜化，造成了計算機(jī)系統(tǒng)因?qū)ιa(chǎn)過程地難以理解而導(dǎo)致模擬生產(chǎn)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(fù)雜生產(chǎn)過程的產(chǎn)品模型構(gòu)造方法，既改善了產(chǎn)品模型在應(yīng)對復(fù)雜生產(chǎn)過程的描述能力，模型對生產(chǎn)過程的描述不會因?yàn)樯a(chǎn)過程的復(fù)雜而變得龐大，計算機(jī)難以理解和執(zhí)行，又對生產(chǎn)模型在企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)中動態(tài)跟蹤生產(chǎn)方面提供了一定程度的基礎(chǔ)和保證。

1 產(chǎn)品模型在制造執(zhí)行系統(tǒng)平臺中的作用

制造執(zhí)行系統(tǒng)運(yùn)行基礎(chǔ)平臺如圖1所示，整個系統(tǒng)基礎(chǔ)平臺由基礎(chǔ)服務(wù)，系統(tǒng)生產(chǎn)模型 （包括工廠模型、產(chǎn)品模型、事件模型和執(zhí)行模型）、可視化建模工具、實(shí)時消息總線、企業(yè)連接器、工廠信息中心、異構(gòu)數(shù)據(jù)采集適配器及面向行業(yè)的MES應(yīng)用套件等組成［9］。制造執(zhí)行系統(tǒng)運(yùn)行基礎(chǔ)平臺通過對企業(yè)產(chǎn)品譜系的建立、車間生產(chǎn)線的建模和生產(chǎn)線周邊物料存放架的描述，從而完成了數(shù)字化生產(chǎn)車間的描述。與此同時，制造執(zhí)行系統(tǒng)運(yùn)行基礎(chǔ)平臺在對生產(chǎn)事件和狀態(tài)及生產(chǎn)活動相互間轉(zhuǎn)化的描述過程中，利用輔助的生產(chǎn)計劃、物料配送、訂單跟蹤、產(chǎn)品質(zhì)量分析等功能的實(shí)現(xiàn)，最終達(dá)到了生產(chǎn)車間數(shù)字化管理的目的。在制造執(zhí)行系統(tǒng)運(yùn)行基礎(chǔ)平臺中，產(chǎn)品模型與工廠模型、事件模型及執(zhí)行模型共同組成了整個系統(tǒng)的生產(chǎn)模型，借助可視化建模工具軟件，將企業(yè)的物理設(shè)備、生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息、物料流動途徑及實(shí)際生產(chǎn)狀態(tài)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化。

圖1 制造執(zhí)行系統(tǒng)平臺架構(gòu)

本文的研究內(nèi)容主要集中在產(chǎn)品模型上。作為制造執(zhí)行系統(tǒng)運(yùn)行基礎(chǔ)平臺的基礎(chǔ)核心之一，產(chǎn)品模型是建立在工廠模型之上，主要針對產(chǎn)品的物料表和物料路由表進(jìn)行描述和建模，并且完整地描述了各種產(chǎn)品的加工過程。產(chǎn)品模型的建立不僅僅可以指導(dǎo)到企業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)過程，而且能夠完善和維護(hù)企業(yè)產(chǎn)品的譜系結(jié)構(gòu)，為企業(yè)在日益激烈的競爭中始終處于行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。

2 產(chǎn)品模型

2.1 產(chǎn)品模型層次結(jié)構(gòu)

產(chǎn)品模型是對具有相似結(jié)構(gòu)和功能的一系列產(chǎn)品所進(jìn)行的抽象，是對產(chǎn)品加工過程的描述，它可以通過對現(xiàn)有系列產(chǎn)品的整理來定義。傳統(tǒng)的產(chǎn)品模型結(jié)構(gòu)是一個典型的樹形結(jié)構(gòu)，本文結(jié)合傳統(tǒng)產(chǎn)品模型結(jié)構(gòu)的典型特點(diǎn)，根據(jù)產(chǎn)品生產(chǎn)過程的特點(diǎn)，提出新的產(chǎn)品模型層次結(jié)構(gòu)，共分為四層，它們分別是產(chǎn)品層、程序?qū)?、方法層和工步層，如圖2所示。相關(guān)定義如下：

圖2 產(chǎn)品模型層次結(jié)構(gòu)

產(chǎn)品：產(chǎn)品處于產(chǎn)品模型結(jié)構(gòu)中的頂端，表示生產(chǎn)過程中關(guān)鍵的在制品或生產(chǎn)過程結(jié)束后的產(chǎn)成品。

程序：在產(chǎn)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(gòu)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(gòu)成。

方法：方法描述了在一臺加工設(shè)備 （某一加工地點(diǎn)）上進(jìn)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(shè)備前所進(jìn)行的加工步驟的集合。

工步處于產(chǎn)品模型結(jié)構(gòu)的最底層，是描述生產(chǎn)過程中的生產(chǎn)步驟的最小劃分，表示在一個工位下，在加工設(shè)備、物料投入量等加工條件不變的情況下，所連續(xù)完成的一部分工序內(nèi)容。

2.2 產(chǎn)品模型層次結(jié)構(gòu)的配置

產(chǎn)品配置信息如圖3所示。

圖3 產(chǎn)品配置信息

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

程序：程序配置中，本文根據(jù)用途將程序分為兩類：主程序和復(fù)用程序。上文產(chǎn)品使用的程序就是主程序，只有主程序才允許被產(chǎn)品使用。復(fù)用程序無法被產(chǎn)品直接使用，但可以被主程序使用。另外，主程序也可以調(diào)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(qū)、加工地點(diǎn)以及接收地點(diǎn)進(jìn)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(zhí)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(chǎn)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(chǎn)活動中，需要通過特定的驗(yàn)收過程才會被投入到下一階段的生產(chǎn)加工活動中去，因此在程序?qū)拥膹?fù)用程序中，專門定義了一類進(jìn)行驗(yàn)收、測試、質(zhì)檢等相關(guān)操作的程序，提高了復(fù)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(jīng)過實(shí)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(shè)備、生產(chǎn)單位工位等生產(chǎn)信息，因此模型中方法層要準(zhǔn)確定義生產(chǎn)加工使用的參數(shù)（若無指定，使用默認(rèn)參數(shù)）、使用的工步，可重復(fù)的最大最小次數(shù)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(zhí)行一個方法的加工過程中，要對生產(chǎn)單元設(shè)備和人員的使用情況進(jìn)行實(shí)時的記錄，其中設(shè)備包括額定生產(chǎn)能力、當(dāng)前生產(chǎn)能力、剩余生產(chǎn)能力以及是否允許批次混合生產(chǎn)能力等相關(guān)信息；人員包括人工技術(shù)等級、實(shí)時完成作業(yè)能力、剩余作業(yè)能力以及是否可以進(jìn)行作業(yè)混合生產(chǎn)能力等相關(guān)信息。這樣做的目的主要是通過采集工廠里的生產(chǎn)設(shè)備實(shí)時信息和人工信息，間接地跟蹤生產(chǎn)過程，為生產(chǎn)決策者在管理生產(chǎn)工作中合理使用工廠資源及人工進(jìn)而提高生產(chǎn)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(xù)拆分，來保證它在產(chǎn)品模型中所具有的原子特性 （最小操作單位）。在實(shí)際的生產(chǎn)過程中，生產(chǎn)步驟都被精細(xì)化，所以在對生產(chǎn)過程建立產(chǎn)品模型時，在工步層，會出現(xiàn)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(biāo)識、數(shù)據(jù)采集。

加工類工步是工步層的主體，是產(chǎn)品模型中生產(chǎn)任務(wù)的主要承擔(dān)者和具體執(zhí)行者。為了保證加工類工步實(shí)效性，在基本語義信息里必須加入外界傳遞的參數(shù)值。

標(biāo)識類工步主要是為了區(qū)分不同批次中不同零件及在制品所處于不同狀態(tài)而進(jìn)行的標(biāo)識操作，工步配置中可以使用數(shù)字與字母的編號組合作為標(biāo)記編碼。標(biāo)識工步為實(shí)際生產(chǎn)中進(jìn)行的生產(chǎn)跟蹤打下了堅實(shí)基礎(chǔ)。

數(shù)據(jù)采集類工步定義了從何時何處獲取什么樣的數(shù)據(jù)。它為生產(chǎn)系統(tǒng)從實(shí)際生產(chǎn)中獲取實(shí)時生產(chǎn)數(shù)據(jù)、跟蹤訂單狀態(tài)提供了有力支撐。

2.3 產(chǎn)品模型的配置流程

產(chǎn)品模型層次結(jié)構(gòu)配置建立之后，便可以根據(jù)客戶的訂單要求進(jìn)行產(chǎn)品模型的配置工作，整個產(chǎn)品模型配置的過程簡述如下：

首先，根據(jù)客戶訂單需求分析獲取產(chǎn)品模型中產(chǎn)品信息，并對訂單中產(chǎn)品按照產(chǎn)品模型中的產(chǎn)品定義進(jìn)行實(shí)例化，指定主要加工程序，形成產(chǎn)品記錄；主要加工程序通過產(chǎn)品獲取生產(chǎn)參數(shù)，并通過使用相關(guān)指令集合 （調(diào)用相關(guān)程序和方法）和對應(yīng)參數(shù)組織整個生產(chǎn)流程；被使用的方法從主程序中獲取參數(shù) （若為空值，使用方法默認(rèn)值），將其傳入已組織好的工步集合，完成機(jī)臺設(shè)備的加工過程；工步無序關(guān)注上層加工流程，只需接收上層傳入?yún)?shù)，按照需求完成自己的加工過程。

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

（1）在整個產(chǎn)品模型的配置過程中，對每個產(chǎn)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(biāo)識；

（2）產(chǎn)品層、程序?qū)右约胺椒▽拥陌姹拘畔⑻砑酉到y(tǒng)默認(rèn)版本信息 （若非特殊指定版本信息，使用默認(rèn)版本信息即可），以此提高各個層次之間調(diào)用時的效率。

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

產(chǎn)品模型配置過程如圖6所示。

3 產(chǎn)品模型應(yīng)用

利用本文提出的產(chǎn)品模型已經(jīng)應(yīng)用于無錫華潤上華集團(tuán)制造執(zhí)行系統(tǒng)中的產(chǎn)品模型模塊，利用該模型建立了半導(dǎo)體前道加工過程的產(chǎn)品模型。鑒于篇幅有限，沒有給出整個半導(dǎo)體前道加工過程的產(chǎn)品模型的所有內(nèi)容，僅以半導(dǎo)體加工過程中某測試組件的產(chǎn)品模型為例，如圖7所示，從圖中可以清晰地反映整個產(chǎn)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(chǎn)品，在該產(chǎn)品下方對應(yīng)的加工程序，參數(shù)傳入此加工程序中。整個加工程序由初始物料晶圓、驗(yàn)收晶圓程序、切割晶圓程序、轉(zhuǎn)移測試地點(diǎn)、測試程序、轉(zhuǎn)移到下一地點(diǎn)針測地點(diǎn)組成，其中驗(yàn)收晶圓程序由標(biāo)記、氧化擴(kuò)散和記錄3個方法組成，在氧化擴(kuò)散方法里，共有按需求投入氧化劑、溫度設(shè)置、記錄數(shù)據(jù)以及晶圓標(biāo)記等4個工步。

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

4 結(jié)束語

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

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