1 绪论
1.1 研究背景与研究意义
1.1.1 研究背景
半导体是信息产业的明珠，具备技术密集、资本密集和劳务密集三个特点，是信息产业的根本所在。近些年来，由于人工智能、可折叠手机等新兴应用和产品的迅速崛起，全球半导体产业进入发展超级周期。随着中美科技摩擦频发，美方对华投资及核心技术转移施加诸多限制，迫使我国半导体产业发展步入产业升级的历史窗口期。2015 年以来，为缩短我国与西方发达国家半导体产业发展的巨大差距，由中国政府牵头出台半导体产业相关扶植政策大力推动产业发展，为新一轮集成电路发展做好准备。与此同时，由于近期全球疫情爆发催生了全球电子商务在众多传统商业模式中力压群雄异军突起，作为电子商务技术支撑的半导体产品市场需求激增，进一步刺激半导体产业发展[1]。与其他产业一样，半导体产业的发展过程也符合事物发展的普遍规律，即当机遇来临时总伴随着挑战。当下各传统半导体制造商迅速作出反应，加大投资以图短期迅速扩大生产，抢占市场份额，加之可预见的产品迭代，盲目发展极易导致产能过剩；近年来中美贸易情况不明朗，芯片产业作为通信行业等科技行业的上游产业，必定受到一定程度的波及和影响；5G 建设发展进展低于预期；原材料价格波动；全球宏观经济增速趋缓等都为我国半导体产业的发展前景增添了不确定性[1]。因此，半导体产业纷纷投资建厂的大环境下，企业需要明确技术目标，投资回报率，追求降低投资成本，并快速投产赢取市场和利润。
I 公司成立于 2006 年，专业从事包括半导体芯片设计、制造等业务。随着产品升级和市场需求增加，现有生产车间产能无法满足需求强劲的市场预期。为此，公司决定在现有厂区内再建一座半导体生产车间，要求在保障现有车间不间断运营的同时，完成新厂扩建以满足市场日益增长的订单需求。新车间将使用全新的设计理念，前瞻性的满足未来产品和加工设备升级对生产车间提出的要求和挑战。由于半导体市场需求强劲，竞争日趋白热，需要项目快速立项，缩短投入产出周期，利用最短时间完成设计、施工和设备装机调试，尽早实现量产。
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1.2 主要研究内容
半导体生产车间布局包括三大核心内容，即布局需求分析、车间布局设计以及布局方案的评价。本研究以 I 公司新建的半导体生产车间为案例，主要研究内容如下：
（1） 分析 I 公司项目需求，确定车间布局方案设计的目标。通过分析研究 I 公司的战略规划和项目需求，确定半导体车间生产的原材料相关数据、产品品种、各个品种数量、产品型号、工艺流程以及设备的种类、型号、数量等数据，从而获得车间布局的基本参数。
（2） 利用 SLP 方法得到车间布局方案。利用 SLP 方法，分析生产数据得到作业单元间的物流关系和非物流关系，从而获得各个作业单元之间的综合相关性，根据车间的实际情况设计布局方案。
（3） 构建评价指标体系并对布局方案进行评价。利用 AHP 方法，建立递阶层次模型和判断矩阵，根据专家评定结果进行层次排序及一致性检验，对设计布局方案进行评价，确定最终方案。
本文在研究 I 公司新建半导体车间布局方案的过程中，针对物料搬运系统进行设计时引入区块划分概念，同时在保证物料搬运效率的基础上考虑了基础成本、布局便利、环境以及安全等多方面因素，从而保障 I 公司在车间布局领域的完善性。
（1） 半导体车间的布局方案设计。半导体车间的布局往往相对复杂，且布局信息相对封闭，本文从企业战略出发，综合国内外布局设计、优化和评价等研究成果，提出了新建半导体车间布局设计方法，对以后的车间布局，特别是半导体车间布局有明确清晰的指导作用。
（2） 在布局规划法和层次分析法中引入了区块划分分析理论。在根据 SLP 理论设计车间布局的过程中，考虑半导体产品生产设备种类繁多，对生产需求近似的生产设备划分区块，再集中优化布局，可以大大提到布局效率和布局结果的精准可靠性。
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2 相关理论及研究方法综述
2.1 系统布局规划法概述
近年来，随着工业化社会的不断发展，制造业的生产方式发生了极大的变化，理论研究和实践也得到了发展，诸多布局理论和方法各有所长。在众多布局理论和方法中，系统布局规划法（Systematic Layout Planning，SLP）因其技术条理清晰，能够相对完善地考虑定性和定量因素在布局中的影响，相比其他方法更适于半导体生产车间布局的实践。
生产车间布局设计是根据企业的经营目标和生产纲领，在一定的空间场所内，将人员、设备、物料所需要的空间进行有效的分配和合理的组合，以便获得最大的经济效益[5]。最初人们实施平面布局设计主要是借鉴过往的经验和感觉，发展到 20 世纪 50 年代，布局设计已经从小系统小范围的基础上发展为面向大而复杂的系统化阶段，已经难以单凭经验做出布局设计。同时各应用学科的蓬勃发展也促使系统工程和系统分析被逐渐应用到平面布局设计中。1961 年 Richard Muther 提出系统布局规划理论，在进行系统化布局规划的应用过程中充分体现其条理性和可操作性，将物流分析与作业单位关系密切程度分析相结合，从而得到合理的布局设计。我国从上世纪 80 年代引入了这一理论，在车间平面布局设计领域的应用有非常显著的收效[6]。
系统布局规划法分析各个职能机构的相关性。根据相关程度的不同进行设计和评价布局方案。根据生产工艺流程的不同，定量的分析各个职能部门的物流相关性；根据其他物流因素之外的相互关系和制约关系，分析得出各个职能部门的非物流相关性。将物流与非物流相互关系进行整合，基于二者之间的相关性设定影响系数，根据加权获得职能机构 i 与其它各职能机构 j 的综合关系密切程度，最终得到综合关系表。接下来再根据数据进行布局分析。依据综合关系表中各个职能机构相互关系密切程度，确定各个职能机构之间的距离和具体位置，关系权重高的置于中心位置，其余机构依据相关性依次布局。将各个职能机构的实际占地面积，形成面积相关图，通过对面积相关图的修正，获得布局方案设计。最后，根据加权因素对各个备选方案进行评价，选取最佳方案。
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2.2 车间布局方案优化研究综述
目前国内外关于车间优化布局方面的研究呈现出许多有意义的研究成果。车间布局优化的最终目的，就是降低物料搬运成本、降低设备重组成本、提高设备使用率和车间面积的利用率，与此同时最大程度考虑车间工作人员的安全性和疲劳程度。从优化研究的目标方面看，郭源源等人从单目标方面进行了车间布局优化[8]，Aiello G 等人则从多目标出发进行了车间布局优化[9]。从车间物流路径角度出发，张则强等人基于单行布局模型进行了车间优化[10]，周娜等人从多行布局模型进行车间优化[11]，丁祥海则进一步基于多层车间布局进行车间优化[12]。
得到车间布局优化方案最优解的方法很多，例如可以通过精确算法、启发式算法以及智能算法等求解。精确算法的提出主要源自于 Burkard 等在 1983 提出的割平面法[13]以及 Kaku 等提出的分支定界法[14]，精确算法的弊端在于实际问题与理论研究之间的差距，在实际操作时往往存在很大的局限性。而启发式算法主要源自于工程中的实际应用，并没有完整的数学理论支撑，加之优化布局问题属于 NP 完全问题，很难在较短时间内得到应用。相比精确算法，启发式算法在布局优化的问题上应用更为广泛，在实际应用中，大多通过结合系统布局设计相关理论和方法对车间设备布局进行优化。熊轮等人运用 SLP 方法对零件加工车间设施布局进行了优化设计[15]，毛计超等人对 S 公司仓库布局现状的分析中，也以 SLP 方法为理论依据对仓库的各个功能分区进行合理的布局优化研究形成最终优化布局方案[16]，黄裕等人以印刷厂布局为例应用 SLP 方法进行了布局的分析和优化[17]，Khariwal Shubham 等人应用 SLP 对铁路机车生产维修车间的布局进行了优化[18]。
此外，智能算法的最大优势在于能够快速获得设备布局问题的最优解或次优解，也是近几年来在解决布局问题是更多的采用智能算法的重要原因。宝斯琴塔娜等人应用遗传算法进行布局优化研究[19]，郑永前等人应用粒子群算法进行布局优化研究[20]，刘琼等人应用果蝇算法进行车间布局优化研究[21]，刘琼等人还应用跳蛙算法进行了车间布局优化改进[22]。以上各项研究和论证都为未来智能算法在车间布局领域的进一步发展推广提供了良好例证。
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3 I 公司新建车间的布局问题分析 ................................. 12
3.1 I 公司概况 .......................................... 12
3.2 车间布局设计需求分析 ......................................... 13
4 车间布局方案设计 ........................... 26
4.1 设计理念 .................................................. 26
4.2 布局选型 .................................. 26
5 车间布局方案评价 ...................................... 40
5.1 建立递阶层次模型 ........................................ 40
5.2 基于层次分析法评价设计方案 ................................ 41
5 车间布局方案评价
5.1 建立递阶层次模型
在对布局方案进行评价之前，需要先确定层次分析模型，建立起适合整个模型的目标层、准测层和方案层。
首先建立目标层，本文评价所确定的为 I 公司半导体车间布局方案的最优解，也即评价的最终目标。
其次是建立方案层，根据第四章 SLP 所确定的三个布局方案，在三个方案之间进行评价比较，从而确定了方案层的 3 个元素：布局方案 A，布局方案 B，布局方案 C。
其次是建立准则层，半导体车间需要考虑的因素包括：车间的空间利用率、生产运营成本、车间物料流通效率、布局柔性、生产安全相关因素、生产环境舒适度、车间内的交通情况、辅助功能等因素。在本文中，车间布局在既定的车间内实现，设计团队按照车间布局规范要求完成车间布局设计，这样所有方案中的车间面积大小不变，车间设施种类数不变，这样可以基本剔除车间利用率作为准则层的元素。但是不同的设计方案会有不同的基础设施布线走管要求，同样区块间的相对位置关系和分散程度能够影响运营成本。可以将车间内交通情况，辅助设施例如物料的摆放车间、半成品放置库、成品放置库等归并为物流效率这一因素中。
半导体生产厂商生产一个硅片往往需要两到三个月的工艺流程，完成上百道工艺步骤，虽然生产成本随着生产力和生产技术的发展会相对降低，但布局设施的不合理也会带来高耗费的运营成本，有统计显示，半导体制造企业生产成本有一半会来自于物流成本，并且还有增加的趋势。参考相关文献并结合公司实际情况，本文 I 公司半导体生产车间布局方案主要依据区块物流和非物流的相关性，因此在考虑在确定这些参数过程中，需要确定包括车间基础设施成本、设备固定资产折旧以及实际运营的人财物成本等运营成本准则层元素，这是也车间运营盈利的重要参数。
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结论
本文以 I 公司半导体生产车间布局方案设计为背景，基于 SLP 设计了半导体生产车间的布局方案，并基于 AHP 评价了三种布局设计，最终确定了 I 公司新建半导体车间布局方案决策。 具体工作和研究结果如下：
（1） 提出半导体车间布局问题
本文以 I 公司新建半导体车间为课题背景，分析了 I 公司企业概况及企业战略规划，基于新建车间战略提出了新建车间布局方案设计的问题。
（2） 分析半导体车间布局问题 研究了新建半导体车间布局的设计要求
分析了半导体车间布局设计的目标:节省空间、减少搬运、适应未来变化、降低运营成本、舒适安全等；研究了半导体工艺区块划分的特点，确定了布局的基本单元，并将设备布局问题转化为以区块为单元的布局模型；分析了自动物料搬运系统的成分和特点，布局方案需要受到 AMHS 的选型约束。本文分析了车间布局设计的基本要素：包括车间计划生产的产品和产能、产品的加工工艺流程、加工设备选定以及区块面积的确定。
（3） 基于 SLP 设计生产车间布局方案
本文基于课题背景确定了设计理念；根据 AMHS 选型确定了“井”型车间布局模型；通过研究分析 SLP 五要素，制定了物流相关关系表和非物流相关关系表，并从两方面依据权重制定综合关系表；基于各个区块的紧密程度设计车间区块布局，设计了三个从不同程度得满足物流因素和非物流因素的布局方案。
（4） 基于 AHP 评价车间布局方案，确定车间布局决策
本文根据布局需求建立了递阶层次模型，研究企业战略和参照业内惯用的评价体系制定了 I 公司布局评价标准，通过专家评定方式建立了各个因素的判断矩阵，并通过运算进行层次排序和一致性检验，最终获得了三种布局方案的评价指标，选择了最优方案作为 I 公司新建半导体车间布局方案，解决了企业实际问题。
参考文献（略）