自动化物流系统的仿真建模

曹志峰，王永东

（1.福建医科大学 基础医学院 数理与计算机教学部，福州350004；

2.HANDLING SYSTEM MAINTENANCE GROUP HENRICO，VIRGINIA）

0 引 言

XYZ半导体技术公司拥有800，000平方英尺的半导体制造工厂，具有圆晶片，内存组件装配和测试等生产能力.它的自动化物流系统的管理成员主要由技师、高级技师和工程师组成.该系统人力资源成本大，对其人力资源的利用率做出评价显得非常重要［1］.我们通过模拟、分析系统对自动化物流系统管理的工作日程表做出测试和评价，帮助管理人员做出有力的决策［2］.以下是我们着重研究的问题：

（1）管理组需要多少技师、高级技师和工程师.

（2）技师、高级技师和工程师是否需要进一步培训.

（3）不同的工作日程表中人力资源的利用率.

1 模拟系统的建模的研究及分析

采用Process Model［3］软件建立模型，它是一个动态工具，可以处理简单泊松分布、指数分布以及一些复杂的问题.对模型的要求设定为：研发不能超过五个星期的时间，投入实际的检测周期不能超过两周，按照实际要求进行修改或调整在两周内可完成，模型具备可扩展能力.系统模型做了以下假设：系统的修复时间按照三角分布，一个维护人员一次修复一个错误，所有的技师，高级技师，工程师水平相同，并且人员数量稳定，整个自动化物流系统工作条件稳定且工厂的生产稳定.

收集的数据有：技术人员的每小时工资，各类型错误所占的百分比，维修时间和维修时间分布，标准人力资源利用率.模拟运行时首先确定初始化周期的长度，每次运行的重复次数，对每次的运行结果采用统计分析对比.在早期的维护中检测模型是否能灵活地发展，是否能很好地表达出结论.并设计验证实验，不断改变条件调整模拟系统，生成的分析报告.记录下整个模型开发过程、每个执行步骤，注意哪些变化引起结果的变化，有助于将来修改模型，理解模拟系统的理念和使用.

2 自动化物流系统的分析

在半导体工厂中自动化物流系统可灵活地处理贮存、搬运等环节.生产中圆晶片有上千道搬运作业程序，整个传送路程超过十英里，要确保昂贵的加工工具的使用率，对传送过程的准确性的要求很高.

自动化物流系统由Aero Trak系统和Turbo Stockers系统构成.激光粒子计数器（Aero Trak）传输系统（简称AT）是顶部单轨系统，是当今最灵活的、具有人工智能晶片传输系统，该系统能保证圆晶片送到准确的位置.Turbo Stockers系统（简称TROB）结合了最新一代先进的清洁机器人、具有软件系统和运动系统，具有高容量的贮存和模块化设计，适应于当今的200mm和300mm的晶片生产.物流系统（简称MCS）主要负责管理工作日程表和传输系统，以及生产中的贮存和搬运环境，它通过跟踪材料的运动来控制人员、运送设备和自动化识别系统来实现管理.

自动化物流系统随时都有可能出错，如：结点、站点、运载工具、机器人都可能出错.自动化物流系统由四个技师、8个高级技师和2个工程师组成.技师负责AT系统的错误，高级技师负责TRBO系统的错误，工程师负责MCS系统的错误，以及系统升级和周报表和工作会议.该公司的自动化物流系统工作日程表为24×7h，共有四种工作表.

表1 自动化物流系统工作日程表

D1、D2表是白天的工作表，上班时间从上午7：00至下午7：20.N1、N2表是夜班工作表，上班时间从下午7：00至第二天上午7：20.这四个工作表交替执行，每个工作表的工作时间为12h，外加20min的交接时间.这种滚动压缩工作表的优点是平均每周有三天的休息.该公司夜班的雇员比白班的少15%，这也意味着每天上白班的人都产生更多的错误.因为工厂一般都在白天升级系统，这会造成更多的出错情况.通常公司给夜班的员工多25%的奖金.由于D1、D2及N1、N2的工作条件相同，所以首先考虑用D1、N1表来取代D1、N1、D2、N2.

修正系统错误的任务通过SKYTEL网络传送到物流控制系统（MCS），MCS通过SKYTEL网络把任务传给维护组.通常技师负责AT系统的错误，高级技师负责TRBO系统的错误，工程师负责MCS系统的错误.晚上MCS系统出错时，高级技师通知在家在线值班的工程师.一般晚上MCS系统出错的解决时间较长.假设所有自动化物流管理系统的技师、高级技师、工程师的水平都一样.平均30%的错误为AT系统，63%的错误为TRBO系统，7%的错误为MCS系统.技师负责接收所有的错误警报，并处理其中30%AT系统的错误.技师维修和处理所花时间的三角分布T（5，20，60）（单位：min）.技师把接收到的其余70%错误交给高级技工和工程师.高级技师处理63%的TRBO系统错误的时间三角分布T（30，60，240）（单位：min），工程师处理7%的MCS系统错误的时间三角分布T（60，120，480）（单位：min），在夜间时为 T（60，180，600）（单位：min）.

3 自动化物流系统的建模

采用以下六个方案建模，所有的方案都模拟运行1000h.

方案1：延用当前的D1工作表.

方案2：在D1工作表的基础上，把技师训练成高级技师，所有的高级技师都负责AT系统和TRBO系统的错误.

方案3：在D1工作表的基础上，增加雇用一名高级技师.

方案4：延用当前的N1工作表.

方案5：在N1工作表的基础上，把技师训练成高级技师，所有的高级技师都负责AT系统和TRBO系统的错误.

方案6：在N1工作表的基础上，把技师训练成高级技师，所有的高级技师都负责AT系统和TRBO系统的错误，并且高级技师负责57%的MCS系统的错误.

模拟运行的结果：各系统出错总数及周期、系统平均出错时间、各系统出错分布情况及修复所花时间的三角分布、人力资源利用率、效益的工资及平均每系统的错误的修复开销，见下列各表.

表2 各系统出错总数及周期

表3 系统平均出错时间各系统出错分布情况及修复所花时间的三角分布

表4 自动化物流系统纠错的平均花费 单位：美元

表5 人力资源利用率对比表

表6 员工效益工资 单位：美元

从表格5我们可以看出在方案1中：高级技师的利用率为79.53%.根据 Amnon Raviv［4］统计半导体公司人力资源利用率在40%～70%，因此高级技师工作状况需要改善，在不雇佣新的员工的前提下，推荐采用方案2.该方案高级技师的利用率非常接近最大可利用范围.方案3是白班的最佳方案，但这种方案只有在半导体行业好转时才可以用.在两个夜班中，高级技师的利用率比技师的利用率高出了18%，我们推荐采用方案5，在该方案高级技师的利用率为54.77%，这是合理的范围.由于工程师是在线值班，因此MCS错误的修复需要花很多时间，假设训练后的高级技师能承担57%的MCS系统的错误，高级技师的利用率从54.77%提升到57.38%，工程师的利用率从32.9%降到17.8.6%，虽然工程师的利用率都低于40%，但他们要处理系统升级以及每周的例会和管理层的会议，因此工程师的利用率仍是合理的.基于上述的分析结果，高级技师过于忙碌.就夜班而言：可以增雇一名工程师，但半导体行业没有工程师上夜班的惯例.通过分析可以看出，白班至少要有三名高级技师和一名工程师.夜班至少要有一名技师二名高级技师和一名值班工程师，否则系统将崩溃.

4 结 论

我们可以看出方案2是解决当前半导体行业的最好的方案，既使这种方案高级技师的利用率也是非常接近员工的最大利用率.方案3是将来可采取的方案，增雇一名新的高级技师以降低高级技师的工作强度.对于夜班来说，技师、高级技师的利用率都在合理的范围，但高级技师的利用率偏高，培训技师成为高级技师可以降低高级技师的工作强度.

［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.