海湾电子车间布局优化研究

1. 设计背景和意义
1.1 设计背景
企业物流是全社会物流活动的重点，专业化物流服务需求已初见端倪近年来，随着买方市场的形成，企业对物流领域中存在的“第三利润源”开始有了深刻的认识。优化企业内部物流管理，降低物流成本成为目前多数国内企业最为强烈的愿望和要求。这说明，我国物流活动的发展水平还比较低，加强企业内部物流管理活动仍然是全社会物流活动的重点。
1.2  设计意义
工厂设施规划与设计体现着企业家与企业管理的预想决策，不同的工厂设施布置，对生产运营的影响会有很大不同。它的好坏直接影响整个工厂系统的物流、信息流、生产能力、生产效率、生产成本以及生产安全。良好的工厂设施规划和设计，能使企业的人力，物力和人流、物流、信息流得到合理、经济、有效的配置和安排。从节省物料搬运费用，缩短生产周期，加快流动资金周转，降低生产成本，提高企业竞争力，扩大企业生存空间。
2  企业需求分析 
2.1  企业简介
海湾电子(Gulf Semiconductor）作为一个整流二极管专业的制造公司，早在1987年就进入了中国，在电子行业已有20多年的历史。海湾电子拥有先进的光阻玻璃烧结、特制的SIPOS 工艺等多种工艺技术，使产品充分具备高可靠性的能力，满足客户高压、高温产品使用的要求。尤其是主推的GP类产品（玻融钝化整流器）目前已经获得许多国际知名的客户全面认证及使用。近年来，公司积极开发了世界著名整流器制造商的替用产品，且产品性能可达到原厂的同等水平。凭借量产管理及制造成本上的优势，海湾的产品具有优越的竞争力，获得客户普遍的认同与支持。为了顺应客户需求，海湾电子将持续致力于推出新品种特殊产品，解决业界不断更新的设计和生产新需求并致力于实施人才开发、以及技术提升的策略。
2.2  企业环境
海湾电子已经通过ISO14001:2004、ISO9001:2000、ISO/TS 16949:2002质量及环境管理体系认证，针对半导体整流器的设计、制造与销售，海湾已建立自己的管理体系。成本方面车间内部物流仍占据相当大的一部分，为此改善车间物流现状，降低成本迫在眉睫。

理论与方法综述
1  设施规划
设施规划与设计是针对企业个体中的生产或服务系统的生产或转换活动，从投入到产出的全部过程，将人员、物料及所需的相关设备设施等做出最有效的组合与安排，并与其他相关设施协调，以期获得安全、效率与经济的操作，满足企业经营需求，同时能进一步对企业长期的组织功能和发展产生更积极的影响和效益。
2  系统布置设计
设施布置设计对生产系统极为重要，据测算，物料搬运和布置有关的成本占工厂生产总运营成本20~50% 。采用有效的布置方法，可以使这些成本降低30%，甚至更多。生产系统设施布置要解决的主要问题是：是根据企业的经营目标和生产纲领，在已确定的空间场所内，按照从原材料的接收、零件和产品的制造，到成品的包装、发运的全过程，将人员、设备、物料所需要的空间做最适当的分配和最有效的组合，以便获得最大的生产经济效益。不仅有形的生产和服务设施会碰到布置和重新布置的问题，即使是非物质生产的服务系统，如商店、宾馆、餐馆也同样面临此问题。物流和物料搬运设备。确定物流的重要性和形式，采用何种设备，是传送带、起重机、自动仓库还是自动小车来发送和存储物料，并考虑物料在不同工作单元间移动的成本，容量和空间要求。只有先确定了人员、机器和设备的要求后，才能进行布置，为每一作业单位分配合理的空间，并考虑通道、洗手间、餐厅、楼梯等附属设施的要求。环境和美学。布置决策也要求确定窗户、分隔高度、室内植物等环境因素，以降低噪音、改善空气流通和提供隐密性等。
3  模糊评价法
模糊法是本世纪 60 年代美国科学家扎德教授创立的，是针对现实中大量的经济现象具有模糊性而设计的一种评判模型和方法，在应用实践中得到有关专家不断演进。该方法既有严格的定量刻划，也有对难以定量分析的模糊现象进行主观上的定性描述，把定性描述和定量分析紧密地结合起来，因而，可以说是一种比较适合企业绩效综合评价的评价方法,并且也是近年来发展较快的一种新方法。模糊综合评价是对受多种因素影响的事物做出全面评价的一种十分有效的多因素决策方法，其特点是评价结果不是绝对地肯定或否定，而是以一个模糊集合来表示。本设计中在讨论作业单位之间的非物流关系时引入模糊评价法，得到的结果较为客观，初步证明了其在系统布置设计中的可行性。
4  AHP层次分析法
层次分析法（The analytic hierarchy process）简称AHP，在20世纪70年代中期由美国运筹学家托马斯•塞蒂（T.L.Saaty）正式提出。它是一种定性和定量相结合的、系统化、层次化的分析方法。由于它在处理复杂的决策问题上的实用性和有效性，很快在世界范围得到重视。它的应用已遍及经济计划和管理、能源政策和分配、行为科学、军事指挥、运输、农业、教育、人才、医疗和环境等领域。层次分析法适用于多目标决策，用于存在多个影响指标的情况下，评价各方案的优劣程度。当一个决策受到多个要素的影响，且各要素间存在层次关系，或者有明显的类别划分，同时各指标对最终评价的影响程度无法直接通过足够的数据进行量化计算的时候，就可以选择使用层次分析法。运用层次分析法进行系统分析、设计、决策时，可分为4个步骤进行；

（1）分析系统中各因素之间的关系，建立系统的递阶层次结构；（2）对同一层次的各元素关于上一层中某一准则的重要性进行两两比较，构造两两比较的判断矩阵；（3）由判断矩阵计算被比较元素对于该准则的相对权重；（4）计算各层元素对系统目标的合成权重，并进行排序。
5  仿真
仿真是对现实系统的某一层次抽象属性的模仿。人们利用这样的模型进行试验，从中得到所需的信息，然后帮助人们对现实世界的某一层次的问题做出决策。仿真是有层次的，既要针对所欲处理的客观系统的问题，又要针对提出处理者的需求层次，否则很难评价一个仿真系统的优劣。仿真与数值计算、求解方法的区别在于它首先是一种实验技术。仿真的过程包括建立仿真模型和进行仿真实验两个主要步骤。Witness提供了大量的描述工业系统的模型元素，如生产线上的加工中心，传送设备、缓冲存贮装置等，以及逻辑控制元素，如流程的倒班机制，事件发生的时间序列，统计分布等，用户可方便的使用这些模型元素建立起工业系统的运行的逻辑描述。通过其内置的仿真引擎，可快速的进行模型的运行仿真，展示流程的运行规律。进一步，在整个建模与仿真过程中，用户可根据不通阶段的仿真结果，随时的修改系统模型，如添加和删除必要的模型元素，动态的提高模型的精度。可方便的设计与测试新设计的工厂和流程方案，平衡服务与花费，简化换班模式，评测可选的设计方案。Witness内置强大的仿真引擎，及模型元素运行状态的多种表示方法，如饼图，柱图等，可使用户实时的看到系统模型各个部分的运行状态，如忙闲等，清楚地展示出流程中的拥堵环节，找出问题所在，为系统的优化设计提供重要的依据。本设计利用仿真模拟工站之间的物流关系，评价方案实施效果。

海湾电子车间布局优化
1  现状描述
晶圆制造部是企业的核心部门，是企业主要的利润来源。不仅承担着企业其它后道生产部门生产各式二极管的生产任务，而且其半成品还负责外销。
但是，产品工艺过程复杂，工艺要求严格；车间布局有限，过道狭窄，空间封闭，物流路线存在着交叉，迂回，往复等诸多问题；辅助生产资料复杂，如硫酸，硝酸等危险物品增加了搬运过程的危险；另外半导体生产的可重入性，生产周期差距大也增加了物流成本。因此亟需从物流方面作为切入点改善晶圆制造部所面临的问题:①从整个车间布局来看，出口过少为物流的运输带来不便；闲置区的面积过大并且位于重要的搬运枢纽位置，不但给物流传递过程带来不便之外同时也反映了车间布局的不合理②从车间内部布局来看机群化布置的无尘室给物料的传递带来不便，如扩散到喷砂的传递过程需要穿过无尘室，在搬运过程中造成了大量的的浪费；混乱的物流路线也使加大了物流传递的难度。③从生产工艺方面来看半导体的生产具有的可重入性，使得产品在生产过程中回流现象颇多，如图所示酸区和黄光之间，喷砂与清洗之间，扩散与酸区之间等等工作单位均存在频繁的回流现象；④另外图中未完全显示出的物流通道的不够畅通和搬运工具的固有尺寸，以及人员在物料搬运不遵守作业守则等诸多现象不但降低了物流运送效率而且增加了车间管理的难度。晶圆制造车间生产的产品复杂，工艺繁多，产品型号达到上百种。是主要的物流路线大致相同，为简化分析这里展示的只是主要的产品型号物流路线。通过收集的基础资料，并根据车间实际情况和简化分析确定规划布局的需要.

物流分析与作业单位相互关系分析
1  作业单位功能分析
    晶圆制造的工艺较为繁琐，并且晶圆制造的生产过程存在着可重入性，生产周期差距过大等特点，且现有生产布局复杂的的前提下，特将对作业单位的具体职责和功能进行了简单的描述和说明。
根据企业实际情况可知，企业现有产品型号约为八种，主要的生产的产品型号一直以来均为GPP-ASCUT，并且其余各种产品型号的工艺流程大体相似且传递的批次均相同，不同之处在于温度等工艺的设定，为研究方便，将GPP-ASCUT型号作为研究对象，又因为划分的作业单位中存在于产品工艺无直接关系的作业单位.
2  作业单位物流分析
（1）从—至表分析
根据收集到的P,Q,R,S,T等原始数据资料作为基础进行系统布置设计。考虑到实际的生产过程中，产品在各个工序之间均是按照拉式彼此传递，且批次传递的产品数量和载具型号相同，因此为简化分析，将最少的批次传递数200PCS设为单位1，实际传递过程中的不同批次，将其按照200的倍数进行换算后累积。依据晶圆制造的生产现场数据，各工作单位内部的物流运输路线忽略不计。根据划分的作业单位区域来讲可能有多个入口和出口，方便简化分析，在有多个入口时取其物流量的平均值；前后作业单位之间物流量的传递以实际的传递过程为准并进行进一步简化，经过分析和计算后得到晶圆制造生产系统的物流量从—至表，每日的物流运送当量.
3  作业单位非物流分析——模糊评价法
在分析作业单位相互关系时，除了物流关系外，还要考虑非物流的相互关系。传统的方法是据几种非物流关系影响因素考虑作业单位对之间的关系，缺乏客观性，这里引入模糊评价法的概念对个作业单位的非物流关系做出评价，其与传统方法根本不同在于模糊评价法的评价主体非常广泛，样本量大，在选择评价主体时考虑多个部门，调查对象为每部门抽取若干人，完成调查问卷，形成模糊集合，因此评价出的结果相对客观。
（1）作业单位相互关系的非物流因素及非物流相互关系等级划分
根据收集到的P、Q、R、S、T资料，和企业实际情况，列出以下几个划分作业单位间相互关系密切程度的典型非物流影响力有因素：①物流②作业性质形似③监督和管理的需求④操作环境相似⑤噪声，振动等⑥工作联系频繁，一般的做法是根据几种非物流关系影响因素考虑作业单位对之间的关系，缺乏客观性，因此这里引入模糊评价法对各个作业单位对之间的关系进行定量分析得出结论。首先确定因素集F（即评价指标的集合①—⑥）权重集C ={C1 =0.2，C2 =0.15，C3=0.05，C4=0.25，C5 =0.25，C6=0.1}和评定语集E｛a绝对必要，e特别重要，i重要，o一般，u不重要，x不希望｝其次统计确定评价隶属度向量R，根据多个评价主体对评价对象在因素集方面做出评定的可能性大小Ri并确定的各个评价指标的权重。最后，按照运算法则，计算综合评定向量。
首先给出几种作业单位之间非物流因素的权重，其中为更好的阐述这种方法，评价因素物流所在行表示100位评价主体里面有30位认为在物流的影响因素,对之间存在的非物流关系绝对重要，25位认为作业单位对之间的关系特别重要，其余类推。
通过模糊评价法公式S=RWF对作业单位对之间的关系进行评价，为降低工作量，应先筛选出作业单位对之间必然有联系的作业单位，并进行评价，得分最高的即是作业单位对之间对应的等级关系，
4  作业单位之间的综合相互关系分析
（1）加权值选取
加权值的大小反映了工厂不知设计师考虑方面的侧重点，对于晶圆制造车间来说，信息传递的便利性，车间不同工作单位的的工艺环境的差异使得物流传递过程中的困难性使物流影响明显大于其它非物流的影响，因此取m（物流关系）:n（非物流关系）=3:1。根据公式TRij =mMRij+nNRij计算两作业单位i和j之间的相关密切程度TRij ，其中MRij和NRij分别是物流相互关系等级和非物流相互关系等级分值。
（2）综合相互关系计算并划分关系密级。
根据各作业单位对之间的等级高低进行量化求和，并与前述物流关系和非物流关系相对应，如出现相悖情况，依据前述对综合关系表进行微调，得出综合相互关系值，根据综合关系分值与综合相互关系等级与划分比例进行划分等级。
位置相关图的确定
1  综合接近度的确定
根据前述综合相互关系表等内容创建个作业单位综合接近程度排序
2  作业单位相对位置确定
（1）首先处理综合相互关系密级为A的作业单位对
找出A级作业单位对有：1-12，共两个作业单位对，接近度顺序为1,12将综合接近程度最高的作业单位4布置在位置相关图的中心位置。
（2）处理综合相互关系密级为E的作业单位对
从综合相互关系表中取出具有E级关系的作业单位对，有涉及的作业单位安综合接近程度排序为10,11,6,9首先处理与1相关的作业单位10,11，然后处理与12密切相关的作业单位11，并且将9和10的E级关系也标注出来，因为现有的作业对中尚没有与作业单位8,13有联系的单位，所以先将8,13置在一边，直到有与作业单位8,13有关系的单位出现为止。
（3） 处理剩余作业单位并绘制作业单位相关图
确定I级关系O级关系的作业单位对关系。在所有有关系的作业单位确定位置后发现作业单位7没有确定位置，这是因为作业单位7为闲置区，实际可以为其它作业单位确定位置提供支持，提高了布局的柔性。
4  确定作业单位的面积相关图
根据位置相关图与建筑物的实际面积与尺寸对结合考虑起来绘制作业单位面积经过数次调整与重绘得到如下作业单位面积相关图，如图3-6所示
5  方案评价并绘制车间布局图
5.1  方案提出
通过对面积相关图的调整，并考虑实际车间布局情况，各作业单位的生产性质与特点等信息调整布局得到三个备选方案，对方案的主要不同进行描述：方案一：酸洗区移至烧结区；方案二：扩散区移至烧结区；方案三：扩散移至烧结，并且将切割区与测试区对换位置。方案三对换位置是包含着对传递流程改善，即将镀金后的晶片直接转至测试。
方案一：酸洗区移至烧结区，扩散区移至镀金区；优点：净化室空间基本保持原状；缺点：因为烧结区，扩散区均需要重新构造，成本较大，耗用时间较长。
方案二：扩散区移至烧结区；优点：因为烧结区扩散区的工艺设备基本相同，因此改善成本明显较低；缺点：净化室区间需要变更。
方案三：扩散移至烧结，并且将切割区与测试区对换位置；优点因为烧结区扩散区的工艺设备基本相同，因此改善成本明显较低，镀金区至切割段的物料传递无需经过切割区，而直接到达测试区，降低了搬运距离，有利于生产流程的优化；缺点：净化室区间需要变更且耗用时间较长。
5.2  方案选优
（1）分析评价系统各基本要素之间的关系并建立层次结构模型
基于方案选优的目的以及对上述三个方案的优缺点进行归纳总结，得出目标层为选择最优方案，准则层为从以下三个因素进行分析确定，即改善成本，时间耗用，以及流程影响。流程影响是指对生产流程的影响，在这里主要是积极地方面；时间耗用是指改善投入的时间以及因为改善而影响的生产时间。方案层即是改善的三个方向，这里方案内容较多，下面以方案一，方案二，方案三抽象的概括三个方案。
（2）建立各阶层判断矩阵，并进行一致性检验
A=﹛aij﹜式中aij表示要素i与要素j相比的重要性标度。
改善效果
1  直接绩效
（1）从车间的物流强度方面计算对比改善前后的绩效成果，改善前车间物流总强度为21872.33单位•m/天，经过计算（通过确定后的布局图确定其每个作业单位的中心坐标，设原点坐标在车间的左下角，近似的根据距离公式Dij= ）物流强度其总物流强度为12110.97单位•m/天.
（2）仿真模拟效率
因为三个工站位于载荷最大的主物流线（酸区，扩散至喷砂，清洗）上，且运输批次频繁，因此对这三个工站之间的物流关系进行仿真模拟，由工费率计算三个工站间的物流成本，其生产批次，改善前后距离。仿真模型传递时以拉式生产为模型，即传送的批量为下一道工站的生产批量，喷砂前面的工站输入时设为从外界输入，无需等待时间，酸区之后的工站创建时，由于规定时拉动式运送，因此需设置另外一个机器处理掉酸区的产成品。
根据工费率公式平均每小时发生费用=单位时间内发生总费用/单位时间内投入工时计算得物流成本=工费率*物流占用投入工时时间，作业人员人均月薪2000元，每日工作11个小时，因此算得模拟状态下每日物流成本降低14.076元。
2  间接绩效
  规划过程中闲置区的面积大幅度减少，提高了整个车间的空间利用率；烦乱的物流路线变得条理，各部门紧密集合提高了信息传递速度，促进了部门间的衔接性，促进了工作效率的提升。

 结论与展望
1  结论
通过对车间布局和物料传递方式进行的改善，效果明显：①物车间内总物流强度下降了近50%②通过对物流强度较大的作业单位之间的物流路径仿真显示工站间的物流成本每日降低14元③物料传递窗口的设置使得作业单位之间的传递过程大为简化。
2  展望
本设计仍然存在很大的不足：①改善过程中，未进行对作业单位进行生产辅助性设计，得到的结论较为粗略；②闲置区的面积仍未得到充分利用，仍有改善的空间，并且在物料搬运过程中操作人员不合理的操作手法造成了物料的浪费，延滞了生产时间，因此需针对此类种种不良现象编制标准作则指导书来规范搬运过程。

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