复杂生产过程产品模型研究

姜英伟，史海波，潘福成，里 鹏

（1.中国科学院 物联网研究发展中心，江苏 无锡214135；2.江苏物联网研究发展中心，江苏 无锡214135；3.无锡中科泛在信息技术研发中心有限公司，江苏 无锡214135）

0 引 言

制造执行系统可以将数据信息从产品级取出，穿过操作控制级送达管理级，通过连续信息流来实现企业信息集成。越来越多的制造厂商也认识到只有这样，才能从最基础的生产管理上提升自身的竞争力，才能使企业在日益激烈的竞争中立于不败之地。

而产品模型又是制造执行系统体系中的基础核心之一，对企业的生产活动有着重要的指引作用。自从企业将建模技术引入到生产加工中以来，如何建立合理的产品模型来帮助优化产品加工过程，进而帮助企业提高生产效率一直都是国内外制造业研究领域的热点课题。

目前，国内外研究人员对企业产品建模技术进行了大量研究，提出了很多建模方法。如在文献 ［1］中提到的ARIS体系结构、IDEF方法、工作流建模技术、面向对象建模方法等；在文献 ［2－3］中也介绍了多智能体方法、Petri网、自然信息分析方法、EXPRESS数据定义语言等，并且对这些方法进行了比较分析，提出了过程系统的概念，并将过程建模和系统建模联系起来；文献 ［4］中提出基于Mini－fab模型的简化，通过使用仿真软件对复杂生产过程进行建模和仿真；在文献 ［5］中作者根据产品模型的特征信息建立制造特征实例信息库，存储产品制造特征实力信息，持续向后续制造活动提供所需要的产品制造特征信息；文献 ［6］中作者通过引入重入因子对多重入系统现有的基本连续模型进行修正，提高了基本连续模型对多重入生产过程的适应性；文献 ［7］中作者认为基于语义网络的产品模型提供了一种定量与定性相结合的一致化设计实例与需求的表达方式；文献 ［8］中作者通过定义三层产品模型结构及其内容和相互关系，实现了产品建模定义、约束统一性，证明了基于UML的产品建模方法的有效性和可行性。

以上建模技术在应用领域、模型表达能力、算法的优化等方面都有着不错的效果，但是这些方法会因为生产过程的过于复杂，导致所建立的模型异常庞大及复杂化，造成了计算机系统因对生产过程地难以理解而导致模拟生产过程能力低下以及模拟偏差大等问题。本文提出了一种面向复杂生产过程的产品模型构造方法，既改善了产品模型在应对复杂生产过程的描述能力，模型对生产过程的描述不会因为生产过程的复杂而变得庞大，计算机难以理解和执行，又对生产模型在企业实际生产中动态跟踪生产方面提供了一定程度的基础和保证。

1 产品模型在制造执行系统平台中的作用

制造执行系统运行基础平台如图1所示，整个系统基础平台由基础服务，系统生产模型 （包括工厂模型、产品模型、事件模型和执行模型）、可视化建模工具、实时消息总线、企业连接器、工厂信息中心、异构数据采集适配器及面向行业的MES应用套件等组成［9］。制造执行系统运行基础平台通过对企业产品谱系的建立、车间生产线的建模和生产线周边物料存放架的描述，从而完成了数字化生产车间的描述。与此同时，制造执行系统运行基础平台在对生产事件和状态及生产活动相互间转化的描述过程中，利用辅助的生产计划、物料配送、订单跟踪、产品质量分析等功能的实现，最终达到了生产车间数字化管理的目的。在制造执行系统运行基础平台中，产品模型与工厂模型、事件模型及执行模型共同组成了整个系统的生产模型，借助可视化建模工具软件，将企业的物理设备、生产过程中产生的数据信息、物料流动途径及实际生产状态实现数字化。

图1 制造执行系统平台架构

本文的研究内容主要集中在产品模型上。作为制造执行系统运行基础平台的基础核心之一，产品模型是建立在工厂模型之上，主要针对产品的物料表和物料路由表进行描述和建模，并且完整地描述了各种产品的加工过程。产品模型的建立不仅仅可以指导到企业产品的生产过程，而且能够完善和维护企业产品的谱系结构，为企业在日益激烈的竞争中始终处于行业领导者提供强有力的技术支撑。

2 产品模型

2.1 产品模型层次结构

产品模型是对具有相似结构和功能的一系列产品所进行的抽象，是对产品加工过程的描述，它可以通过对现有系列产品的整理来定义。传统的产品模型结构是一个典型的树形结构，本文结合传统产品模型结构的典型特点，根据产品生产过程的特点，提出新的产品模型层次结构，共分为四层，它们分别是产品层、程序层、方法层和工步层，如图2所示。相关定义如下：

图2 产品模型层次结构

产品：产品处于产品模型结构中的顶端，表示生产过程中关键的在制品或生产过程结束后的产成品。

程序：在产品模型中，程序表示了一个加工流程的具体描述。一个程序既可以由一个或多个方法构成，同时也可以由另一个程序或多个程序与多个方法共同构成。

方法：方法描述了在一台加工设备 （某一加工地点）上进行的加工过程，可称为加工配方，表示在一个工位下，在一台加工设备前所进行的加工步骤的集合。

工步处于产品模型结构的最底层，是描述生产过程中的生产步骤的最小划分，表示在一个工位下，在加工设备、物料投入量等加工条件不变的情况下，所连续完成的一部分工序内容。

2.2 产品模型层次结构的配置

产品配置信息如图3所示。

图3 产品配置信息

产品：在产品配置过程中，主要定义两类信息：基本语义信息和操作执行信息。基本语义信息定义了产品ID、产品名称、产品版本信息、系统默认产品版本信息、产品加工的投料信息、产品加工完成后的接收地点及产品加工所处状态等部件的基本信息，其中产品ID、产品名称和产品版本信息共同构成整个产品的唯一标识信息。这些信息对后续生产的实时数据反馈和在线监控间接起到了辅助作用。另外，根据产品的获取渠道，本文将产品分为加工品和采购品两类，加工品通过自身设备的加工制造获取，而采购品通过向供应商采购获取，因此在基本语义信息里需要定义产品获取类型和供货商关键字，来与供货商信息库关联，以保证产品信息定义的完整性。操作执行信息通过程序ID、程序名称以及程序版本来明确指定当前产品所使用的程序 （在这里仅允许一个产品使用一个程序），以此将产品层与程序层关联起来。

程序：程序配置中，本文根据用途将程序分为两类：主程序和复用程序。上文产品使用的程序就是主程序，只有主程序才允许被产品使用。复用程序无法被产品直接使用，但可以被主程序使用。另外，主程序也可以调用其它主程序来完成加工操作。由于程序可以使用其它程序及多个方法，因此在指令信息定义里，要明确指出每个程序所使用的程序与方法，来保证指令集合逻辑上的正确性与功能上的完整性。在此层次中，需要对主要加工区、加工地点以及接收地点进行描述，充分利用工厂的加工资源。除此之外，配置程序具体执行指令集合时，为了解决条件判断选择的问题，在此过程中提供分支选择命令的使用，来保证程序功能的完整和加工流程建立的简洁。

程序配置信息如图4所示。

图4 程序配置信息

在产品加工过程中，从供货商采购获取的物料不能直接投入下一阶段的生产活动中，需要通过特定的验收过程才会被投入到下一阶段的生产加工活动中去，因此在程序层的复用程序中，专门定义了一类进行验收、测试、质检等相关操作的程序，提高了复用程序的使用率，也为主程序的建立和修改提供了方便。

方法：经过实例化后，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设备、生产单位工位等生产信息，因此模型中方法层要准确定义生产加工使用的参数（若无指定，使用默认参数）、使用的工步，可重复的最大最小次数以及加工时间限制，物料使用约束等加工信息。

除此之外，在执行一个方法的加工过程中，要对生产单元设备和人员的使用情况进行实时的记录，其中设备包括额定生产能力、当前生产能力、剩余生产能力以及是否允许批次混合生产能力等相关信息；人员包括人工技术等级、实时完成作业能力、剩余作业能力以及是否可以进行作业混合生产能力等相关信息。这样做的目的主要是通过采集工厂里的生产设备实时信息和人工信息，间接地跟踪生产过程，为生产决策者在管理生产工作中合理使用工厂资源及人工进而提高生产效率提供一定程度的辅助作用。

方法配置信息如图5所示。

图5 方法配置信息

工步：由于工步处于整个模型的最低层，所以在配置工步信息时，每个工步将不会被继续拆分，来保证它在产品模型中所具有的原子特性 （最小操作单位）。在实际的生产过程中，生产步骤都被精细化，所以在对生产过程建立产品模型时，在工步层，会出现大量工步记录。本文从工步用途的角度，将工步大致分为三类：加工、标识、数据采集。

加工类工步是工步层的主体，是产品模型中生产任务的主要承担者和具体执行者。为了保证加工类工步实效性，在基本语义信息里必须加入外界传递的参数值。

标识类工步主要是为了区分不同批次中不同零件及在制品所处于不同状态而进行的标识操作，工步配置中可以使用数字与字母的编号组合作为标记编码。标识工步为实际生产中进行的生产跟踪打下了坚实基础。

数据采集类工步定义了从何时何处获取什么样的数据。它为生产系统从实际生产中获取实时生产数据、跟踪订单状态提供了有力支撑。

2.3 产品模型的配置流程

产品模型层次结构配置建立之后，便可以根据客户的订单要求进行产品模型的配置工作，整个产品模型配置的过程简述如下：

首先，根据客户订单需求分析获取产品模型中产品信息，并对订单中产品按照产品模型中的产品定义进行实例化，指定主要加工程序，形成产品记录；主要加工程序通过产品获取生产参数，并通过使用相关指令集合 （调用相关程序和方法）和对应参数组织整个生产流程；被使用的方法从主程序中获取参数 （若为空值，使用方法默认值），将其传入已组织好的工步集合，完成机台设备的加工过程；工步无序关注上层加工流程，只需接收上层传入参数，按照需求完成自己的加工过程。

另外，为了保证生产加工活动可以使用正确的产品模型，同时提高模型使用效率，本文在产品模型过程中引入版本管理机制：

（1）在整个产品模型的配置过程中，对每个产品、程序、方法及工步都要建立版本信息，使用版本信息、名称以及ID共同作为唯一标识；

（2）产品层、程序层以及方法层的版本信息添加系统默认版本信息 （若非特殊指定版本信息，使用默认版本信息即可），以此提高各个层次之间调用时的效率。

通过以上过程，制造商不仅仅获得了生产过程中的物料表，同时也获取了物料投放顺序、产品加工过程中具体的每个操作步骤、生产参数、生产过程中设备的实际生产能力及零部件的合格率等实时数据。产品模型通过将这些历史数据、质量数据及实时数据反馈到生产计划人员和执行人员，帮助其在遇到生产问题时可以做出更合理的判断和决策，从而间接达到了良好的辅助决策目的。

产品模型配置过程如图6所示。

3 产品模型应用

利用本文提出的产品模型已经应用于无锡华润上华集团制造执行系统中的产品模型模块，利用该模型建立了半导体前道加工过程的产品模型。鉴于篇幅有限，没有给出整个半导体前道加工过程的产品模型的所有内容，仅以半导体加工过程中某测试组件的产品模型为例，如图7所示，从图中可以清晰地反映整个产品 （测试组件）的加工过程。在整个模型中，处于最高层的是名为切割测试组件的产品，在该产品下方对应的加工程序，参数传入此加工程序中。整个加工程序由初始物料晶圆、验收晶圆程序、切割晶圆程序、转移测试地点、测试程序、转移到下一地点针测地点组成，其中验收晶圆程序由标记、氧化扩散和记录3个方法组成，在氧化扩散方法里，共有按需求投入氧化剂、温度设置、记录数据以及晶圆标记等4个工步。

目前，本文提出的产品模型对无锡华润上华的半导体前道加工生产过程取得了良好的效果，正在努力向整个半导体生产过程推广应用。

4 结束语

本文综合考虑了一些生产过程复杂的加工业的需求，建立了一种面向复杂生产过程的产品模型的构建方法。本文所提出产品模型的构造方法根据生产过程各个阶段的重要程度将生产过程划分为4个层次，并分别进行详细描述。此方法不仅能完整地描述产品的整个加工过程 （涵盖所有生产细节），提高了产品模型的精确性，同时对于计算机集成系统来说，提升了自身对复杂生产过程产品模型的理解能力和执行能力。目前，该模型仅在半导体加工过程的建模得到应用，未在其它行业实施，因此在今后的工作中，将进一步考虑模型对其它行业的复杂生产过程的应用情况，进一步完善模型面向复杂生产过程的通用性。

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