专利名称：面向产品族排序的批处理机的调度装置及方法
技术领域：
本发明涉及重入生产线的批处理机调度，尤其涉及一种用于可重入生产线的面向产品族排序的批处理机调度装置及调度方法。
背景技术：
可重入生产线是在上世纪80年代末90年代初，由美国Kumar教授针对半导体芯片、胶卷等行业的生产特点而提出的概念，并将其列为有别于Flow-shop (流线型车间)和Job-shop (单件型车间)的第三类重入型生产线(re-entrant),即未完成产品沿着生产线进行传送时，有可能数次访问同一个工作台。批处理是指在不超过工作台的最大加工能力时，一次可以加工多个未完成产品，每次实际加工多个未完成产品称为批(Batch)。如在可多重入的半导体芯片生产线中，炉管区等批处理机具有加工时间一般都大于非批处理机的加工时间，需要多层重入性加工，而且批处理机价格更昂贵等特性。半导体生产系统的瓶颈机一般为批处理机。可重入生产线的批处理机的合理调度控制成为调度与控制研究中的一个NP-hard问题，它制约着半导体制造系统的整体绩效，开展批处理机的合理调度控制研究对改善半导体芯片生产线的性能具有重要意义，一直是学术界与应用界的研究热点之一。目前，从我国乃至各国的半导体芯片生产的情况看，设备更新和产品升级的速度非常快，生产线的调度方法研究远远跟不上其实际发展的需要。在半导体可重入生产线上，对于批处理机生产过程调度中，常规批处理机调度模型包括:对批处理机前的缓冲器里的不同阶段产品族(注:产品族概念不同于产品类型，假设产品类型的数量为N，产品需要重入批处理机的次数为K，则产品族的数量F=N.K)的工件按一定规则组批，所组的批再按一定目标函数最优排序和调度排序中优先级最高的批到空闲可用的批处理机。但是随着批处理机前的缓冲器里的工件数量的不断增加，所组的批数量也相应增加，这样调度问题的规模增大，增加求解问题的难度，且使得求解时间变长，最终影响调度算法的时间复杂度和解的精度。
发明内容
本发明针对上述现有技术中存在的技术问题，提供一种用于可重入生产线的面向产品族排序的批处理机调度装置及调度方法，克服了具有可重入特性的半导体芯片生产线的多机批处理动态实时调度过程中随着批处理机前的缓冲器里的工件数量的不断增加，所组的批数量也相应增加，调度问题的规模增大，求解问题的难度增加，且使得求解时间变长，最终影响调度算法的时间复杂度和解的精度的局限性。本发明具体解决其技术问题所采用的技术解决方案是:
一种面向产品族排序的批处理机的调度装置，研究对象是多机平行批处理设备组和被调度的多产品族，要求批处理设备的产品重入是许可，产品族动态到达，包括两个子模块:基于启发式算法的实时调度仿真平台模块和基于松弛的混合整数线性数学模型排序求解模块。这两个子模块通过滚动时域策略在可变时间窗下循环实施。
上述面向产品族排序的批处理机的调度装置的调度方法，包括步骤如下:
步骤1，实时调度仿真平台完成上一个空闲可用批处理机的调度，初始化时间窗；
步骤2，实时调度仿真平台实时记录并保存批处理机前的缓冲期里的不同产品族的工
件数量等信息，实时记录并保存批处理机状态信息；
步骤3，产生实时调度仿真平台数据输出触发事件:有一台处于批处理机空闲可用状态，设置该批处理机为等待状态；
步骤4，判断:如果可用的产品族数量只有I种类型，不用运行面向产品族排序的基于松弛的混合整数线性数学模型排序求解模块，跳转到步骤8 ;如果可用的产品族数量多于I种类型，往下执行；
步骤5，更新与基于松弛的混 合整数线性数学模型链接的数据库中关于缓冲器里不同产品族的数量信息；
步骤6，运行基于松弛的混合整数线性数学模型模块，输出在规定的目标函数下优化的产品族一维排序数组；
步骤7，产生实时调度仿真平台调度处于等待状态批处理机的触发事件:优先级别最高的产品族信息反馈给实时调度仿真平台；
步骤8，执行往处于等待状态批处理机的调度事件，并根据被调度的产品族的相关信息更新批处理机前的缓冲期里的对应产品族的工件信息并保存；
步骤9，终止当前时间窗；
步骤10，程序终止判断:如果没有完成全部调度计划，根据滚动时域策略，跳转到步骤I，否则往下执行；
步骤11，面向产品族排序的批处理机的调度装置的调度终止。关于面向产品族排序的批处理机的调度装置中基于松弛的混合整数线性数学模型模块，在最小总的加权拖延时间为目标下，建立如下基于松弛的混合线性整数数学模型:
目标
约束条件
这里t表示当前调度时刻f表示在可重入批处理机上不同产品族数量;/表示在重入批处理机处所有不同产品族中的第/个产品族表示第/个产品族的综合影响系数；&表示第/个产品族的权重影响系数;&表示第/个产品族的满批影响系数;^表示在t时刻缓冲器是否存在第/个产品族的0，I变量影响系数;兄 表示批处理机的一次最大加工能力表示批处理机的一次最小加工规模；表示向上取整；表示向下取整；仏表示第/个产品族的完成时间表示在t时刻缓冲器里第/个产品族数量表示第/个产品族交货期表示第/个产品族在批处理后面的剩余加工时间表示第/个产品族在批处理机上的加工时间；5>表示第/个产品族的工艺总步数表示在重入批处理机上第/个产品族的工艺数;/V表示第f个产品族的的第7工艺所需的工艺时间；表示在重入批处理机处等待调度的总产品族数A的平均工序时间；产品族优化序列位置为一维数组，可表不为:Positionarray (I)，Positionarray (2),…，Positionarray (/),…，Positi onarray (F)。本发明的有益效果是，采用一种用于可重入生产线的面向产品族排序的批处理机调度装置及调度方法，通过3个层次实施在不同的触发事件下，直接面向批处理机前的缓冲期里的不同产品族进行优化排序，将优先级别最高的产品族中的工件根据空闲可用批处理机的加工能力实施调度，不需要实施不同产品族中工件常规的组批和批排序，在保证解的较高精度情况下极大地降低算法的时间复杂度，实现可重入下批处理机的实时最优调度，满足半导体行业准时制(JIT)生产需求，它概念简单，实现方便。
图1为本发明重入批处理机虚拟模型 图中，1.输入，2.设备组MG1，3.设备组MG4，4.缓冲器一，5.重入流，6.产品族一，
7.设备组MG2，8.产品族j‘，9.缓冲器二，10.设备组MG3，11.输出 图2为本发明面向产品族排序的算法流程 图3为本发明示例实施虚拟模型 图4为本发明示例实施模型的运行结果图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明专利作进一步地说明:` 本发明所提供的面向产品族排序的批处理机调度装置及方法，研究对象是多机平行批处理设备组和被调度的多产品族，要求批处理设备的产品重入是许可，且产品动态到达。参考图1，是具有重入特性的批处理典型虚拟模型，主要包括四个设备组=MG1设备组2，MG2设备组7，MG3设备组10和MG4设备组3，其中MG1设备组2和MG4设备组3构成一个重入加工，不是我们研究对象，MG1设备组2是MG2设备组7上游设备组;MG2设备组7是所研究的批处理机，其为多机平行，如，MG21S备组，MG22S备组，…，MG2m设备组(图中虚线框内，未标出)，重入加工允许，如重入流5 ；MG3设备组10是MG2设备组7下游设备组。产品流向是首先输入I到MG1设备组2，最后从MG3设备组10输出11。MG1设备组2和MG2设备组7之间有缓冲器一 4，MG2设备组2和MG3设备组10之间有缓冲器二 9。缓冲器一 4中的工件来自MG1设备组2和重入流5，缓冲器一 4中的工件流向MG2设备组7。缓冲器二 9中的工件来自MG2设备组7，缓冲器二 9中的工件流向MG3设备组10。MG1设备组2的部分工件流向MG4设备组3,MG4设备组3加工完毕，再返回MG1设备组2，也形成重入特性(注:不是我们研究对象)。另外要求:MG2设备组7中的每个MG21S备组，MG22S备组，…，MG2ffl设备组只能加工一种产品族，如产品族一 6，……产品族j8 ;当某个产品族的批被加工时，该批不允许停止或增加工件，即抢占不允许；MG2设备组7不会出现饥饿。参考图2，是面向产品族排序的算法流程图，包括两个子模块:基于启发式算法的实时调度仿真平台模块和基于松弛的混合整数线性数学模型排序求解模块，这两个子模块通过滚动时域策略在可变时间窗下循环实施，在每个可变时间窗内不通过同的触发事件在3个层次实施:第一个层次，产生输出触发事件“有一台处于批处理机空闲可用状态”，实时调度仿真平台根据批处理机前的缓冲期里的不同产品族的工件数量等信息更新链接到基于松弛的混合整数线性数学模型中关于缓冲器里产品族的数据库信息；第二个层次，运行基于松弛的混合整数线性数学模型模块，输出优化的产品族一维排序矩阵；第三个层次，产生实时调度仿真平台调度处于等待状态批处理机的触发事件:优先级别最高的产品族信息反馈给实时调度仿真平台，执行往处于等待状态批处理机的调度事件，并根据被调度的产品族的相关信息更新批处理机前的缓冲期里的对应产品族的工件信息并保存，面向产品族排序的批处理机的调度装置的调度方法的流程如下:
步骤1，实时调度仿真平台完成上一个空闲可用批处理机的调度，初始化时间窗；
步骤2，实时调度仿真平台实时记录并保存批处理机前的缓冲期里的不同产品族的工件数量等信息，实时记录并保存批处理机状态信息；
步骤3，产生实时调度仿真平台数据输出触发事件:有一台处于批处理机空闲可用状态，设置该批处理机为等待状态；
步骤4，判断:如果可用的产品族数量只有I种类型，不用运行面向产品族排序的基于松弛的混合整数线性数学模型排序求解模块，跳转到步骤8 ;如果可用的产品族数量多于I种类型，往下执行；
步骤5，更新与基于松弛的混合整数线性数学模型链接的数据库中关于缓冲器里不同产品族的数量信息；
步骤6，运行基于松弛的混合整数线性数学模型模块，输出在规定的目标函数下优化的产品族一维排序数组；
步骤7，产生实时调度仿真平台调度处于等待状态批处理机的触发事件:优先级别最高的产品族信息反馈给实时调度仿真平台；
步骤8，执行往处于等待状态批处理机的调度事件，并根据被调度的产品族的相关信息更新批处理机前的缓冲期里的对应产品族的工件信息并保存；
步骤9，终止当前时间窗；
步骤10，程序终止判断:如果没有完成全部调度计划，根据滚动时域策略，跳转到步骤I，否则往下执行；
步骤11，面向产品族排序的批处理机的调度装置的调度终止。本发明所指的一种面向产品族排序的批处理机的调度装置中的基于松弛的混合整数线性数学模型模块，是在最小总的加权拖延时间为目标下，建立如下基于松弛的混合线性整数数学模型:
目标
约束条件这里t表示当前调度时刻f表示在可重入批处理机上不同产品族数量;/表示在重入批处理机处所有不同产品族中的第/个产品族表示第/个产品族的综合影响系数；&表示第/个产品族的权重影响系数;&表示第/个产品族的满批影响系数;A表示在t时刻缓冲器是否存在第/个产品族的O，I变量影响系数;兄 表示批处理机的一次最大加工能力表示批处理机的一次最小加工规模；表示向上取整；表示向下取整；仏表示第/个产品族的完成时间表示在t时刻缓冲器里第/个产品族数量表示第/个产品族交货期表示第/个产品族在批处理后面的剩余加工时间表示第/个产品族在批处理机上的加工时间；5>表示第/个产品族的工艺总步数表示在重入批处理机上第/个产品族的工艺数;/V表示第f个产品族的的第7工艺所需的工艺时间；表示在重入批处理机处等待调度的总产品族数A的平均工序时间；产品族优化序列位置为一维数组，可表不为:Positionarray (I)，Positionarray (2),…，Positionarray (/),…，Positi onarray (F)。基于松弛的混合整数线性数学模型模块的主要实施步骤如下: 步骤1，建立外部编程语言.NET与ILOG CPLEX商业化软件的连接，在外部编程语言引入 I LOG.CPLEX.dll 和 I LOG.Concert, dll 两个空间；
步骤2，在最小总的加权拖延时间为目标下，建立上述的基于松弛的混合整数线性数学模型；
步骤3，从链接到基于松弛的混合整数线性数学模型的数据库中读取关于缓冲器里产品族的信息数据，即获取可变时间窗下的滚动时域法下实时调度仿真平台提供的数据库信息；
步骤4，通过.NET和ILOG CPLEX商业化软件联合引擎求解，获得面向产品族排序的批处理机的最优产品族调度排序一维数组，运行结反馈给实时调度仿真平台。参考附图3给出一种虚拟的可重入批处理机示例模型，具有8种不同类型的设备组区域:PAN，AAN, SAN, ASI, MRH, DIK, GON和LPC，其中DIK设备组区域是研究对象，下面的视图是上面的视图的展开图。图4是基于面向产品族排序的批处理机调度装置及方法，滚动时域策略下在某个时间窗的基于松弛混合整数线性模型在ILOG CPLEX求解下有8个待调度产品族(共约128个工件)的具体总运行时间0.06秒，目标值249个计算单位和最优调度排序信息一维数组(5，7，8，I, 2，6，3，4)，优先级最高的是第4个产品族，实时调度仿真平台将第4个产品族的工件按空闲可用批处理的能力和第4个产品族的工件实际数量调度待加工工件。
权利要求
1.一种面向产品族排序的批处理机的调度装置，其特征在于，包括两个子模块:基于启发式算法的实时调度仿真平台模块和基于松弛的混合整数线性数学模型排序求解模块。
2.根据权利要求1所述的基于封闭环的可重入多机批处理调度装置，其特征在于，所述基于启发式算法的实时调度仿真平台模块收集批处理机前的缓冲器里不同产品族信息和批处理机的状态信息，调度优先级最高的产品族中工件到可用空闲的批处理机上；基于松弛的混合整数线性数学模型排序求解模块对批处理机前的缓冲器里不同产品族按规定目标函数进行按产品族进行排序。
3.一种面向产品族排序的批处理机的调度方法，其特征在于，采用如权利要求1所述的装置，通过滚动时域策略在可变时间窗下循环实施，在每个可变时间窗内不通过同的触发事件在3个层次实施:第一个层次，产生输出触发事件“有一台处于批处理机空闲可用状态”，实时调度仿真平台根据批处理机前的缓冲期里的不同产品族的工件数量等信息更新链接到基于松弛的混合整数线性数学模型中关于缓冲器里产品族的数据库信息；第二个层次，运行基于松弛的混合整数线性数学模型模块，输出优化的产品族一维排序矩阵；第三个层次，产生实时调度仿真平台调度处于等待状态批处理机的触发事件:优先级别最高的产品族信息反馈给实时调度仿真平台，执行往处于等待状态批处理机的调度事件，并根据被调度的产品族的相关信息更新批处理机前的缓冲期里的对应产品族的工件信息并保存，包括主要步骤如下: 步骤1，实时调度仿真平台完成上一个空闲可用批处理机的调度，初始化时间窗； 步骤2，实时调度仿真平台实时记录并保存批处理机前的缓冲期里的不同产品族的工件数量等信息，实时记录并保存批处理机状态信息； 步骤3，产生实时调度仿真平台数据 输出触发事件:有一台处于批处理机空闲可用状态，设置该批处理机为等待状态； 步骤4，判断:如果可用的产品族数量只有I种类型，不用运行面向产品族排序的基于松弛的混合整数线性数学模型排序求解模块，跳转到步骤8 ;如果可用的产品族数量多于I种类型，往下执行； 步骤5，更新与基于松弛的混合整数线性数学模型链接的数据库中关于缓冲器里不同产品族的数量信息； 步骤6，运行基于松弛的混合整数线性数学模型模块，输出在规定的目标函数下优化的产品族一维排序数组； 步骤7，产生实时调度仿真平台调度处于等待状态批处理机的触发事件:优先级别最高的产品族信息反馈给实时调度仿真平台； 步骤8，执行往处于等待状态批处理机的调度事件，并根据被调度的产品族的相关信息更新批处理机前的缓冲期里的对应产品族的工件信息并保存； 步骤9，终止当前时间窗； 步骤10，程序终止判断:如果没有完成全部调度计划，根据滚动时域策略，跳转到步骤I，否则往下执行； 步骤11，面向产品族排序的批处理机的调度装置的调度终止。
4.根据权利要求3所述的面向产品族排序的批处理机的调度方法，其特征在于，所述基于松弛的混合整数线性数学模型排序求解模块，在最小总的加权拖延时间为目标下，建立如下基于松弛的混合整数线性数学模型: 目标 约束条件 ；；；；； 这里t表示当前调度时刻f表示在可重入批处理机上不同产品族数量;/表示在重入批处理机处所有不同产品族中的第/个产品族表示第/个产品族的综合影响系数；&表示第/个产品族的权重影响系数;&表示第/个产品族的满批影响系数;A表示在t时刻缓冲器是否存在第/个产品族的O，I变量影响系数;兄 表示批处理机的一次最大加工能力表示批处理机的一次最小加工规模；表示向上取整；表示向下取整；仏表示第/个产品族的完成时间表示在t时刻缓冲器里第/个产品族数量表示第/个产品族交货期表示第/个产品族在批处理后面的剩余加工时间表示第/个产品族在批处理机上的加工时间；5>表示第/个产品族的工艺总步数表示在重入批处理机上第/个产品族的工艺数;/V表示第f个产品族的的第7工艺所需的工艺时间；表示在重入批处理机处等待调度的总产品族数A的平均工序时间；产品族优化序列位置为一维数组，可表不为:Positionarray (I)，Positionarray (2),…，Positionarray (/),…，Positi onarray (F)。
5.根据权利要求3所述的面向产品族排序的批处理机的调度方法，其特征在于，所述基于松弛的混合整数线性数学模型排序求解模块，主要实施步骤如下: 步骤1，建立外部编程语言.NET与ILOG CPLEX商业化软件的连接，在外部编程语言引入 I LOG.CPLEX.dll 和 I LOG.Concert, dll 两个空间；步骤2，在最小总的加权拖延时间为目标下，建立上述的基于松弛的混合整数线性数学模型； 步骤3，从链接到基于松弛的混合整数线性数学模型的数据库中读取关于缓冲器里产品族的信息数据，即获取可变时间窗下的滚动时域法下实时调度仿真平台提供的数据库信息； 步骤4，通过.NET和ILOG CPLEX商业化软件联合引擎求解，获得面向产品族排序的批处理机的最优产品族调度排序一维数组，运行结反馈给实时调度仿真平台。
全文摘要
一种用于可重入生产线的面向产品族排序的批处理机调度装置及方法，包括两个子模块基于启发式算法的实时调度仿真平台模块和基于松弛的混合整数线性数学模型排序求解模块，这两个模块基于滚动时域策略在可变时间窗下循环执行。排序求解模块不对批处理机前的缓冲期里的不同产品族中工件的组批和批排序，直接对不同产品族进行优化排序；实时调度仿真平台将优先级别最高的产品族中的工件根据空闲可用批处理机的加工能力实施调度。本发明在保证解的精度较高情况下极大地降低算法的时间复杂度，很好实现可重入下批处理机的实时最优调度，满足半导体行业准时制生产需求。本发明概念简单，实现方便，利于半导体等可重入的行业推广应用。
文档编号G06Q10/04GK103116809SQ20131002258
公开日2013年5月22日 申请日期2013年1月22日 优先权日2013年1月22日
发明者贾文友, 刘莉, 赵雪松, 刘涛 申请人:安徽工程大学