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摘要 摘要 在工业生产管理中，市场需求、产品本身的需求以及设备运行效率等都是影 响工厂生产能力的关键变量。这些变量在实际中的不确定性，导致了工厂生产能 力计划的变动性。由于半导体产品生命周期日益缩短，生产设备造价昂贵等原因， 工厂长期生产能力需求的不确定性在半导体制造业表现得更为突出。 本文首先对半导体长期生产能力计划过程中的不确定性进行了研究：定义生 产能力计划过程中的关键不确定性因素；量化这些关键不确定因素对生产能力的 影响；在此基础上，提出一种新的决策方法，保证工厂运营管理者正确做出是否 改变以及改变多少生产能力的决策，从而达到有效地控制半导体长期生产能力计 划过程中不确定因素的目的。 本文从半导体工厂长期生产能力计划的顶层即厂房生产面积的计划展开，对 一跨国半导体封装测试公司提供的厂房生产面积的长期历史预测数据以及对应的 真实数据进行分析，采用线性回归，灰预测，神经网络b p 算法，基于数理统计的 置信区间的求解等方法分别定义厂房生产面积预测的不确定度，经多种方法的比 较得出，基于数理统计方法求解出的生产面积历史预测误差置信区间能直观清楚 地标定不确定度。 基于生产面积预测不确定性的定义，本文应用风险价值( v a l u ea tr i s k ，简称 v a r ) 方法对这一不确定性带来的风险进行识别并决策。v a r 模型求解的关键问题 是对预测误差样本数据概率分布的定义，结合已有的历史数据样本和专家经验， 最终采纳了正态分布假设条件下求解出的v a r 临晃值进行验证，验证结果表明， 与现有方法比较，基于v a r 模型得出正确决策的概率有了明显提高。在识别厂房 生产面积存在不够的风险的基础上，应用经典报章模型求解需要扩建厂房生产面 积的最优值，保证投资的风险最小。该模型主要考虑了生产面积需求的不确定性， 单位生产面积的投资成本靠以及生产面积的边际收益凸三个因素。经过分析得出， 当生产面积需求函数确定时，单位生产面积的投资成本c 0 以及边际收益d 相差越 大，厂房生产面积需求的不确定性对决策变量的影响程度就越大。这些结论为生 产管理者进行改变生产能力决策时提供理论依据，从而有效地改善半导体企业的 运营管理。 关键词：不确定性，长期生产能力计划，半导体，厂房生产面积，风险决策 a b s t r a c t i nt h ei n d u s t r ym a n u f a c t u r i n gm a n a g e m e n t ，m a r k e t i n g d e m a n d ，p r o d u c t f e q u i g e m e n ta n de q u i p m e n tp e r f o r m a n c ee f f i c i e n c y a g et h ek e yv a r i a b l e sd e t e r m i n i n g f a c t o r y ，sc a p a c i t y t h eu n c e r t a i n t yo f t h e s ev a r i a b l e sc a u s e st h ev a r i a b i l i t yo ff a c t o r y s c a p a c i t yp l a n n i n g , e s p e c i a l l yf o rl o n gr a n g e c a p a c i t yp l a n n i n gi n s e m i c o n d u c t o r m a n u f a c t u r i n g b e c a u s eo fi t ss h o r t e n i n gp r o d u c tl i f ec y c l e ，h i g he q u i p m e n tc o s t ，e t c t h eu n c e r t a i n t yi s s u eo fl o n gr a n g ec a p a c i t yp l a n n i n gp r o c e s si ns e m i c o n d u c t o r m a n u f a c t u r i n gw a ss t u d i e di n t h i st h e s i s t h ek e yu n c e r t a i nv a r i a b l e si n t h ec a p a c i t y p l a n n i n gp r o c e s ss h o u l db ed e f i n e df i r s t l y t h e nt h ee f f e c t o ft h e s ek e yu n c e r t a i n v a r i a b l e st o c a p a c i t ys h o u l db eq u a n t i f i e d f i n a l l y , an e wd e c i s i o n - m a k i n gm e t h o d w o u l db ep r o p o s e dt oe n s u r et h a tt h eo p e r a t i o nm a n a g e ro ft h ef i r mc o u l dm a k ea c o n e dd e c i s i o no nw h e t h e rt h ef a c t o r y sc a p a c i t ys h o u l db ec h a n g e da sw e l l a si t s v o l u m e c o n s e q u e n t l y t h e u n c e r t a i n t y o ft h el o n gr a n g ec a p a c i t yp l a n n i n g 1 n s e m i c o n d u c t o rm a n u f a c t u r i n gc o u l db ec o n t r o l l e de f f e c t i v e l y t h e nt h eh i g hl e v e lu n c e r t a i n t ya n a l y s i so fl o n gr a n g ec a p a c i t yp l a n n i n g 。 f a c t o r y ss p a c e r e s o u r c ep l a n n i n gw a sd i s c u s s e di nd e t a i l b a s e do nt h eh i s t o r i c a ls p a c e f o r e c a s td a t aa n dc o r r e s p o n d i n ga c t u a l d a t ap r o v i d e db yag l o b a l s e m i c o n d u c t o r a s s e m b i va n dt e s tc o m p a n y ，t h eu n c e r t a i n t yo fs p a c ep l a n n i n gw a sd e f i n e d d u r i n gt h i s a n a l y s i sp r o c e s s ，l i n e a rr e g r e s s i o n ，g r e yp r e d i c t i o n ，n e u r a ln e t w o r kb a c kp r o p a g a t i o n a i g o r i t h ma n dc o n f i d e n c ei n t e r v a lw e r ea p p l i e d ，r e s p e c t i v e l y ，t od e f i n et h eu n c e r t a i n t y c o m p a r e dw i t ht h o s em e t h o d s ，t h ec o n f i d e n c ei n t e r v a lo fh i s t o r i c a ls p a c ef o r e c a s te r r o r , c a l c u l a t e db vm a t h e m a t i c a ls t a t i s t i c s ，w a st h er e a s o n a b l em e t h o dt od e f i n et h es p a c e f o r e c a s t i n gu n c e r t a i n t y b a s e do nt h ed e f i n i t i o no ft h es p a c ef o r e c a s t i n gu n c e r t a i n t y , v a l u e a tr i s k f a b b r e v i a t e da sv a r ) m o d e lw a sd e v e l o p e dt oi d e n t i f yt h er i s kc a u s e db y t h eu n c e r t a i n t y o fs p a c ef o r e c a s t i n g t h em o s tc o n c e r ni nt h ev a r m e t h o di st od e f i n et h ed i s t r i b u t i o n o ft h ep o p u l a t i o no fs p a c ef o r e c a s te r r o r , w h i l en o r m a ld i s t r i b u t i o nw a sa d o p t e dt o c a l e ：u l a t et h ec r i t i c a lv a rv a l u ea c c o r d i n gt ot h ea c q u i r e ds a m p l e sa n de x p e r te x p e r i e n c e i tw a ss h o w nt h a tt h en e wd e c i s i o n m a k i n gm e t h o db a s e do nv a r w a si m p r o v e dg r e a t l y l i a b s t r a c t 一一一 c o m p a r e dw i t ht h ec u r r e n tm e t h o da p p l i e di ns e m i c o n d u c t o rm a n u f a c t u r i n gc o m p a n y w h e nf a c t o r ys p a c es h o r t a g er i s kw a si d e n t i f i e d ，c l a s s i cn e w s v e n d o rm o d e l ，c o n s i d e r i n g t h eu n c e r t a i n t yo fs p a c er e q u i r e m e n t ，i n v e s t m e n tc o s tp e rs p a c eu n i tc oa n dc a s hm a r g l n o fs p a c ec 勖w a sa p p l i e dt oc a l c u l a t et h eo p t i m a lv a l u eo fe x p a n d e ds p a c e - t h eo b j e c t i v e o f 如n c t i 咖i st om i n i m i z et h ei n v e s t m e n tr i s kb o t hf o r t h es h o r t a g ea n do v e r a g e e x p a n s i o ns p a c es i t u a t i o n i tw a ss h o w nt h a t w h e nt h ed e n s i t yf u n c t i o no fs p a c e r e q u i r e m e n ti sf i x e d ，t h ee f f e c to ft h eu n c e r t a i n t yo fs p a c er e q u i r e m e n tt ot h ed e c i s i o n v a f i a b l ew o u l di n c r e a s ea st h ed i f f e r e n c eb e t w e e ni n v e s t m e n tc o s tp e rs p a c e u n i tc 0a n d c a s hm a r g i no fs p a c ec si n c r e a s e s b a s e do nt h e s eo u t c o m e s ，t h el o n gr a n g ec a p a c i t y c h a n g ed e c i s i o n c a nb em a d ee f f e c t i v e l ys ot h a tt h eo p e r a t i o nm a n a g e m e n t i n s e m i c o n d u c t o ri n d u s t r yw o u l db eg r e a t l yi m p r o v e d k e y w o r d s ：u n c e r t a i n t y , l o n gr a n g ec a p a c i t yp l a n n i n g , s e m i c o n d u c t o r , f a c t o r ys p a c e ， r i s kd e c i s i o n - m a k i n g ! i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 侔及取得的研究成果。撂我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一网工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 张量缉 吼孙年多其怼曩 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并淘匿家有关部f l 或机梅送交论文的复印件和磁 盘h 允许论文被查阅和借阕。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密最应遵守此规定) 躲易麦簪 导师签名： 露期：勘缆目 第一章弓l言 1 1 背景和意义 1 。1 背景 第一章引言 生产能力计划对于一个制造性企业在激烈的市场竞争中能否保持竞争优势发 挥着非常重要的作用。生产能力计划是一个菲常有挑战性的工作，因为在生产能 力的计划过程充满了很多不确定的因素，这种不确定性的特点在半导体制造业产 麓规划中表现得更为突出。爨前，在半导体制造监中，市场需求的不断变化，半 导体产品开发生产的生命周期f 1 益缩短，制造半导体的工艺流程复杂多变等等因 素导致半导体的生产能力资源计划设备需求、厂房生产薤积以及资本计划的 不确定。另外，购买半导体设备一般需要比较长的交付周期和昂贵的费用，如果 决定扩建新的工厂，建厂所需要的提前期也将长达2 3 年，这种特性进一步增加了 半导体生产能力计划的不确定。准确地规划半导体制造的关键生产资源设备、 资金以及支撑这些设备所需要的生产面积，将是一个非常复杂的过程。半导体的 产能规划将为公司运营管理者进行是否购买设备或是需要扩建厂房生产面积决策 时提供决策依据。为了保证决策者做出合理科学的生产能力决策，半导体生产能 力计划过程中的不确定性磺究对改善半导体的运营管理发挥着重要意义。 本论文研究对象主要涉及工业工程的生产与运作管理领域。目前半导体工业 工程部门的主要职能是对工厂的生产熊力进行长期、中期和短期的计划。本论文 主要侧重于长期生产能力计划这一层面。在半导体制造业长期生产能力计划过程 中，半导体制造设备需求量以及厂房生产面积是长期生产能力的主要度量指标， 设备需求量通过设备实际占地面积直接影响厂房生产面积的需求。在典型的半导 体制造业生产能力计划过程中，市场需求预测，产品本身的加工特性以及设备运 行情况是影响工厂半导体制造设备需求量的主要变量，设备需求量的需求又直接 决定厂房生产面积的需求，因此，市场需求、产品本身的加工特性以及设备运行 情况三个变量的不确定性最终影响到厂房生产面积计划的不确定性。本文将主要 围绕长期生产能力计划厂房生产面积计划的不确定性问题展开。 电子科技火学硕士学位论文 1 1 2 意义 半导体生产能力计划过程中不确定性闫题的研究成果将帮助半导体制造厂商 更好地了解其生产能力计划过程中的不确定因素，以及这些不确定因素对设备需 求量、厂房生产面积的影嚷，有着非常实际静虚用意义。具体意义如下所述： ( 1 ) 定义半导体行业长期生产能力计划过程中的不确定性，即将生产能力计划 过程中的不确定性量化，帮助工业工程师直观地理解这一不确定性； ( 2 ) 对生产能力计划过程中的生产能力资源需求模型进行灵敏度分析，识别导 致生产能力资源需求不确定的关键因素，基于对这些不确定因素的定义， 工业工程师在进行生产髭力计划过程中就可以将在噪声因素( 对设备需求 量、生产面积需求影响甚微的输入因素) 忽略掉，提高工作效率； 鳓量化步骤( 2 ) 中定义的关键因素对生产能力计划不确定的影嚷，基于量化结 果，匝工程师无需进行大量的数据处理，就能估算出某一因素的变化对 生产能力资源需求的影响，提高工厂管理者的工作效率； 相比较现有的改变生产能力决策方法，提出一种新的决策方法，帮助企业 运营管理者做出更加科学合理的决策。 1 2 研究内容 1 2 1 半导体生产能力计划过程不确定性问题定义及技术路线 在明确半导体制造业长期生产能力计划过程的基础上，定义长期生产能力计 划过程中存在的关键问题，阐明问题定义，进而制定解决问题的技术路线。 1 2 2 半导体生产面积预测不确定性的量化分析 目前，半导体制造监长期生产能力计划过程中的生产能力资源需求预测普遍 依赖于点估计。由于长期生产能力计划过程中存在着大量不确定因素，单一的点 预测是不准确的，不能反映生产能力需求不确定这一信息，生产麓力的实际需求 往往围绕预测点上下浮动。定义量化生产能力计划的不确定度，有利于运营管理 者在较高的层面上去观察工厂长期生产能力计划过程中存在的问题，在企业目翦 采用的方法的基础上给出改进意见，优化实际操作流程，提高工厂的产出率。本 文以一半导体封装测试公司长期生产能力计划过程作为切入点，定义其长期生产 2 第一章引言 能力资源需求厂房生产面积预测不确定度的范围，提出半导体长期生产能力 计划过程中不确性问题的背景。 1 2 3 半导体生产面积预测不确定性的风险决策研究 在半导体生产面积需求预测不确定度量化分析的基础上，基于v a r 模型及库 存模型，提出一种新的决策方法，与现有方法相比较，更好地支撑管理决策者针 对长期生产能力计划过程中的不确定性，科学合理地做出改变厂房生产面积的决 址 柬。 1 3 论文总体框架 本文共分为七个章节：第一章为引言，主要介绍半导体长期生产能力计划过 程中不确定性问题的提出背景、目标以及本论文的主要研究内容；第二章为回顾， 主要将本文中涉及到的基本概念如“工业工程”、“生产能力 等进行简要介绍， 并着重对国内外相关领域的研究情况与发展进行总结比较；第三章为问题定义及 技术路线，这一部分将详细阐述半导体长期生产能力计划过程中不确定性问题的 定义，所采取的技术路线，由于这一问题的定义及技术路线的确定在整个课题的 研究过程中发挥着举足轻重的作用，因此，这一部分将作为文章的重点之一进行 论述；第四章为是半导体生产面积预测不确定性分析的关键方法及技术，主要就 预测、不确定规划、报童模型、风险决策等关键方法技术逐一介绍；第五章为半 导体生产面积预测不确定性的量化分析，这一部分采用一半导体封装测试公司提 供的历史数据，运用第四章节介绍的方法对半导体生产面积历史预测的不确性进 行量化分析；第六章为半导体生产面积预测不确定性风险决策研究，尝试运用v a r 风险管理模型和报童模型研究半导体生产面积预测不确定条件下决策制定的问 题。 1 4 本章小结 本章就半导体生产能力计划过程不确定性问题研究的背景和意义，研究内容 以及论文的整体框架作了介绍。本论文的研究内容主要围绕着以下三点进行： ( 1 ) 明确半导体生产能力计划过程不确定性问题的定义及技术路线； 电子科技大学硕士学位论文 ( 2 ) 定义、量化半导体长期生产能力计划过程中的不确定性： ( 3 ) 提出一种新的决策方法，与现有的决策方法相比较，更好地支撑管理决策 者科学合理地做出改变厂房生产面积的决策。 4 第二章回顾 2 。1 工业工程 第二章回顾 工业工程( i n d u s t r i a le n g i n e e r i n g ，i e ) ，产生予1 9 11 年，是对人员、物 料、设备、能源和信息所组成的集成系统进行设计、改善和设置的一门学科。它 综合运用数学、物理学和社会科学方面的专f - l ( m 识和技术，以及工程分析和设计 的原理和方法，对该系统所取得的成采进行确定、预测和评价。至今，王渣工程 的发展在国外已有上百年的历史，其应用与发展如表2 - 1 所示。 表冬li 业下程的应霁i 与发展1 1 l 科学管理阶段 系统管理阶段现代管理阶段 时闻约1 9 1 0 年- - - 1 9 4 0 年约1 9 4 0 年1 9 8 0 年约1 9 8 0 年至今 工作研究、 工厂设计、物料搬运、c i m s 、e r p 、供应链 典型i e 技术人枫工程、生产计划、管理、敏捷制造等 福特流水线 贮存控制、质量控制先进制造技术 依据的主要技术实验、工程学研究方法运筹学、系统工程学i t 应用范围作业现场整个企业企业之间 由于半导体产业的特殊性，工业工程对半导体的巨大作用主要表现在以下几 个方面皤： ( 1 ) 半导体制造业是资本密集、技术密集型产业。半导体制造设备极为昂贵、 每螽设备投资高达几百万美元，而激烈的市场竞争和工艺技术的快速更替 要求投产三年内必须收回全部投资。这就使得半导体制造业更为强调成 本、效率、创薪和整合等，这诿是工业工程发挥其作用的领域。 ( 2 ) 半导体产品制造工艺流程极为复杂。因此，在半导体制造业中，流程合理 化、标准化比其他行业更显重要。而这部分内容藏是工业工程的主要工作。 ( 3 ) 减少库存、缩短制造周期、提高对现有资源的利用水平，是提升半导体制 造厂竞争力的重要途径。这就需要生产管理者优化生产安排，以获得对现 有设各的最大利用。通过王e 工程师合理调度、优纯资源，安撵“瓶颈设 备和“非瓶颈”设备的生产，使“瓶颈设备得到充分利用，最大限度 地提高工厂产出率。 5 电子科技大学硕士学位论文 另外，半导体产业是在一个快速增长并呈周期性变化的市场中运作的，企业 要想生存，必须在一个可接受的制造周期下，有足够高的产量。建厂设计阶段的 厂房生产面积需求计划、设施规划布局和物料搬运系统决定了投产以后的制造周 期和产量。这部分内容就涉及到工业工程领域另一个非常重要的内容生产能 力计划。生产能力计划( 又称“产能规划) 在制造业尤其是半导体制造业的应用 能为管理层或其他部门提供生产能力改变的决策依据。本文将围绕着半导体制造 业长期生产能力计划过程中不确定因素层层展开。 2 。2 生产能力的含义 生产能力( c a p a c i t y ) ，从广义上讲，是指设备能力、人员能力和管理能力的 综合。表2 2 详细列出了生产能力的度量方式及生产能力计划分类f 孤。 袭2 - 2 生产能力的度量方式及生产能力计划分类 长期中期短麓 1 ：厂能力劳动力员工技术等级 资本基金部门能力设备能力 设施需求购买能力现金 其他库存库存 其他其他 企业的生产能力，是企业生产过程中许多因素发展变化的结果。无论从长期 或短期看，它不是固定不变的，影响生产能力的重要因素可概括为如下四点1 4 j ： ( 1 ) 生产孛的设备数量和生产面积。现代企翌的作业离不歼大量的专监优设 备和作业场地，设备数量包括现有的全部用于生产的设备；生产面积的数 量对于割造厂的铸造、铆焊纛装配以及一些服务业的麓力水平意义重大。 ( 2 ) 生产中的设备效率和人力资源中劳动者的科技水平与劳动技能的熟练程 度。从设备和生产面积看，它们的生产效率从两个方露体现：单台设备或 单位平方米在单位时间内的产量定额；单台设备或单位平方米生产单位产 品的时间定额。这两个方面效率水平的状况都离不开劳动者的科技水平和 劳动技能熟练程度。 ( 3 ) 固定资产工作时间。 ( 4 ) 企业经营管理水平。企业的生产能力是与企监经营管理水平相关的诸因素 综合作用的结果。管理的作用就在于从时空上合理地组织协调这些因素的 榴互关系，使其发挥出最大的综合作用，形成最大的生产能力。 6 第二章 回顾 2 3 长期生产能力计划过程中的关键问题 长期生产能力计划过程中的关键问题是生产能力需求的预测。提供长期生产 能力意味着使生产设施诸如土地、建筑、设备、工具和原材料等熊够被有效利用。 一套新的生产设施的计划、购买、建造、起步和磨合大概需要3 - 1 0 年的时间，然 后该生产设施往往被期望保持经济的生产力运作1 5 - 2 0 年时间。预测该设施生产 瓣产晶和服务的需求需要跨越1 0 - 3 0 年的时闻。跨越如此长时期的预测难度很大， 因为基础性的经济环境会发生变化，消费者的偏好也处在变化之中，技术在进步， 人口数量会发生变化，政府鲍规则也会变化，加上政治和军事事件及其他事件也 将会发生，这些都是很难预料的1 3 l 。 因为生产设施的生命周期相对较长，必须考虑产品生命周期的各个阶段( 导 入期、成长期、成熟期和衰退期) 。当产品沿生命周期发展时，所需要的生产能力 也会改变，必须有扩张或者压缩生产能力的预备。技术进步的因素必须有所考虑 并要隧时能够整合到设施计划中，因为他们会对产晶的生产形成巨大的影响，从 而影响生产能力。 事实上，生产能力的提供与预期的产品的需求量常常是不等同的，也没有必 要完全相等。这是因为：1 ) 用足够的资本和其他资源来满足所有需求并不经济； 2 ) 因为预测的不确定性，以及将生产能力与根据竞争优势制定的运营战略相联系 的需求，要求生产能力必须具有缓冲部分( c a p a c i t yc u s h i o n ) ，在本文中，这一 理论被称为“生产能力缓冲”。“生产能力缓冲”是预计生产能力之外的附加能力， 它包括以下几项 ( 1 ) 需求量大于预期值时，有额外的生产能力。 ( 2 ) 有能力满足需求高峰季节的需求。 ( 3 ) 更低的生产成本。因为生产设施的运营太接近生产能力会消耗更高的成 本。 ( 4 ) 产品和批量的柔性。因为快速应变顾客对不同产品的需求，由于存在额外 的生产能力，大批量成为可能。 这一理论为半导体在进行长期生产能力预测时，通常考虑到额外的生产能力 需求，以应对若干不确定因素的做法提供了依据。 通过长期预溯然计了长期生产能力需求后，生产管理者就确定了工厂的生产 能力是否要改变，生产能力的变更主要分为扩张和缩减两种类型，针对每一种改 变类型都存在若于改变的方式。表2 - 3 列出了管理者为适应企业长麓尘产能力变 7 电子科技大学硕士学位论文 化需求而改变生产能力的方式【3 1 。 表2 - 3 改变k 期生产能力的方式 生产能力改变类型 适应长期生产能力改交的方式 1 与其他公司签订合同，使其成为扩张的公司零件或者成品 的供应商； 2 获褥其他公司，设施或者资源； 扩张 3 修建厂房，购买设备； 4 扩张，更新或者改造现存设备； 5 使用备建设施。 1 出售已有设施，卖出库存，解雇或者调任员1 = ； 缩减2 将设施封存备用。卖出库存，解雇或者调任员工； 3 当其他产晶衰退时，分阶段开发新产品。 本文的研究范围限定于从长期生产能力计划出发，对所需的生产能力和工厂 已有的生产能力比较，决策是否需要对工厂的生产能力进行变更，如何调整或改 变工厂的生产能力。 2 。4 国内外研究情况概述 目前国内外在半导体生产能力计划领域内的研究方向主要分为蕊大类：半导 体产品需求预测和生产能力需求计划，其中生产能力需求计划问题又分为不确定 条 孛下生产能力计划的优化鞠生产能力扩充闻题。 目前国内外对于半导体产品需求不确定性的研究非常普遍，将需求预测的不 确定度进行量化是这一领域研究的热点之一。因为产燕市场的需求是生产能力计 划的一个重要输入变量，市场需求的不确定性是生产能力计划过程中不确定的主 要根源。在大多数文献中，需求的不确定性常常以需求假定情形( d e m a n d s c e n a r i o s 定义，每一种需求假定情形反映了一组可能的市场需求。 m 。c a k a n y i l d i r i m 和r r o u n d y ( 2 0 0 2 ) 建立了半导体需求预测精确模型 ( s e m i c o n d u c t o rd e m a n df o r e c a s ta c c u r a c ym o d e l ，简称s e d f a m ) ，这个模型 被用来量化历史预测的不确定度并且定义未来需求的不确定度【5 1 。d l b e n a v i d e s e ta 1 ( 1 9 9 9 ) 与y l i a n g 期y c h o u ( 2 0 0 3 ) 采用几何向朗运动过程表述需求的 不确定性，该模型显示出需求的不确定性随着预测周期的增长呈线性增加的趋势 1 6 1 1 7 1 o 对于不确定条件下生产能力计划的问题，基于线性规划的技术普遍应用于解 决这类l u j 题【8 1 1 9 1 1 1 0 l 。i b m 公司主要的生产能力决策支持系统生产能力最优化计 划系统( c a p a c i t yo p t i m i z a t i o np l a n n i n gs y s t e m ，简称为c a p s ) 就是基于线性 8 第二章回顾 规划技术的1 8 j 。作为这个系统的延伸，随机生产能力最优化系统( s t o c h a s t i c c a p a c i t yo p t i m i z a t i o ns y s t e m ，简称为s c a p s ) 又进行了技术上的完善【1 。该系 统基于二阶随机规划方法解决需求不确定条件下的生产能力计划。除此之外，还 有一些研究者采用仿真系统来解决生产能力计划过程中不确定的问题。通过仿真 模型，观察模型的输入因素( 含有不确定性) 对输出因素的影响。w s c h o l l 和 j d o m a s c h k e ( 2 0 0 0 ) 以及a s i v a k u m a r 和c c h o n g ( 2 0 0 1 ) 分别讨论了如何应用离散 事件仿真估计以及降低生产周期( c y c l et i m e ) 这个不确定因素对生产能力的影 响f 1 2 j 渊。s e m a t e c h 团队( r m c k id d ie 和e n e a c y ，1 9 9 4 ) 也通过对一系列设备 运作流程的离散事件仿真来讨论输入的不确定因素对生产能力的影响【1 4 j 。 当未来的市场需求预测由市场部发布后，一系列为满足这一市场需求的生产 能力战略决策将被制定，公司的生产制造部门必须保证工厂具备足够的生产能力 满足这一市场需求。有关生产能力的最基本的决策是制定出具体的设备购买计划， 需要哪些设备，及相应设备的数量。这类问题被划分到生产能力扩充问题。随机 整数规划是在需求不确定条件下扩充问题最普遍的方法( s j h o o de ta 1 ，2 0 0 3 ) i l 引。另外，马尔科夫决策过程模型也被用来解决何时增添生产能力，何时将一种 生产工艺流程转换为另一种工艺流程( s b h a t n a g a r和 e f e r n a n d e z - g a u c h e r a n d ，1 9 9 9 ) 1 1 6 1 。b c a t a y ，s s e r e n g u c 和a j v a k h a r i a ( 2 0 0 3 ) 建立了多阶段混合整数规划模型使得设备运行成本，新设备的采购成本 和库存成本最低1 1 7 1 。f z h a n ge ta 1 ( 2 0 0 0 ) 采用多项式时间算法，又被称为 f i f e x ( f i xf o u re x p a n s i o n s ) ，在需求不确定的条件下，计算最优的设备需求量， 厂房生产面积等生产能力资源1 1 8 j 。另外，为了验证这个方法的正确性， m e a k a n y i l d i r i m 和r 0 r o u n d y ( 2 0 0 2 ) 给出了四个试验的结果，评估了这个方 法在实践中的应用价值【1 9 l 。 除了未来市场需求外，半导体制造过程中的设备运行情况，产品自身的加工 指标需求等都是生产能力计划过程中的不确定因素。从以上文献的总结中不难看 出，需求不确定条件下的生产能力计划过程的研究较为普遍。但是对于同样影响 生产能力计划过程的另外两个不确定因素，却很少有人研究。半导体生产能力计 划过程中不确定性问题将围绕着未来市场需求，半导体制造过程中的设备运行情 况，产品自身加工指标需求三个主要的变动因素展开，定义影响生产能力长期计 划不确定性的关键因素，定义、量化不确定因素对生产能力需求计划的影响，最 终达到优化基于生产能力资源计划的决策方法的目的。 9 电子科技大学硕士学位论文 2 5 本章小结 本章首先对工业工程、生产能力等基本概念进行了简要的介绍，然后重点论 述了长期生产能力计划过程中涉及到的关键问题以及目前国内外半导体生产能力 计划领域的研究状况。 1 0 第三章 半导体生产能力计划过程不确定性阀题定义及技术路线 第三章半导体生产能力计划过程不确定性问题定义及技术路线 3 1 半导体生产能力计划过程不确定性问题定义 3 ，_ 1 1 问题描述 半导体长期生产能力计划主要是对工厂的生产设备以及支撑这些生产设备所 需豹生产面积进行长期计划，对于生产能力的计划，一般提前期为6 个月到3 年， 随着计划提前期的增长，生产能力计划的不确定性增加。对于半导体长期生产能 力计划流程，工厂生产负荷、产品本身的加工参数、以及设备运行情况是影响设 备需求计划的主要输入变量，这些因素在实际中是经常变动的，具有不确定性。 这些具有不确定性的输入变量直接导致了设备需求量的不确定性，由于设备需求 量又直接决定着厂房生产面积的需求，因此又导致了厂房生产面积需求的不确定 性。图3 - 1 直观地攒述了半导体长期生产能力计划过程中不确定的因素传递。 ! 一一一一： ： ； 图3 - 1 半导体长期生产能力计划过程中不确定网素的传递 由于目前多数半导体企业生产计划流程中对工厂生产负荷等输入变量的预测 都是点估计，相应地，生产设备需求以及厂房生产面积需求的计划也都是点预测。 但是事实上，生产设备以及厂房生产面积的需求都是不确定的，单纯的点预测不 麓反应生产能力资源霈求的不确定性。 半导体长期生产能力计划过程中不确定性问题的研究将主要围绕输入变量的 不确定性，以及其对生产设备需求，厂房生产面积需求的影响等闻题展开。 电子科技大学硕士学位论文 3 1 2 研究目标 半导体长期生产麓力计划过程中不确定性问题的研究目标如下所述： ( 1 ) 通过历史数据的分析，定量描述厂房生产面积预测的不确定度，通过计算 置信区间来量化生产能力预测的不确定度，为半导体运营管理者进行顶层 生产能力计划不确定性分析提供衡量尺度；在此基础上，提出一种新的厂 方生产面积扩充决策方法，该方法能够保证决策者科学合理做出是否扩建 厂房、扩建多少厂房的决策。 ( 2 ) 通过对设备需求模型、设备运行速度模型的灵敏度分析，找出影响设备需 求量，厂房生产面积需求的关键输入参数，这些参数将细化到整个生产能 力预测过程中所涉及到的最底层的参数：识别出关键输入参数的同时，意 昧着筛去对输出结果影响相对较小的因素( 我们称之这些对输出结果影响 相对较小的因素为“噪声参数 ) 。 ( 3 ) 确定了关键参数后，通过建立传递遨数定量描述关键参数的变动性( 输入 变量) 对生产能力需求不确定性( 输出变量) 的影响：量化输入变量对输 出变量的影响程度，并定义对输出变量产生关键影响的临界值。这一成果 将极大提高企业产能规划实际业务流程的执行效率。下面通过一举例来说 明这一成果的形式及意义，例如，本单位时间发布的生产能力需求输入变 量报表显示，某一输入参数a 相对上一单位时闻发生了变化，根据这一研 究成果，i e 工程师可以做出如下判断：当参数a 相对上一单位时间发御的 值的变化范围在x ( 对输粥产生关键影响的临冕值) 以内时，这一变动对 于厂房生产面积的影响范围不超过5 ，那么，正工程师就不需要重新去 更新相应的设备需求计划，这将避免重新计算设备需求计划所需要的一系 列复杂流程；当参数a 相对上一单位时间公布的计划变化范围超过了x ， 那么这一变动可能会带来相对于上一次厂房生产面积需求计划1 0 2 0 的 变动，这时i e 工程师才会重新去计算参数a 变动后厂房生产面积的需求 量。 3 2 解决半导体生产能力计划过程不确定性问题的技术路线 半导体生产能力计划过程不确定性问题研究的总体思路是：首先通过量化菜 一跨国半导体制造公司全球封装测试厂的厂房生产面积预测的不确定提出问题： 1 2 第三章半导体生产能力计划过程不确定性问题定义及技术路线 分析生产设备占用生产面积的比例图，找出最消耗空间，造价最昂贵的设备作为 问题的主要分析对象；对这些关键设备需求的模型进行灵敏度分析，定义影响这 些关键设备需求的不确定因素，量化这些不确定因素的变动及其对生产设备及生 产面积需求的影响，给出定性定量的结论，指导这一半导体制造公司生产实践； 在此基础上，对关键影响因素的预测进行优化，达到更加精确预测半导体长期生 产能力的目标。 图3 2 显示了解决半导体生产能力计划过程不确定性问题的技术路线。整个 技术路线分为两大部分：生产能力计划模型的灵敏度分析和生产面积预测不确定 度的分析。在解决问题的前期，灵敏度分析和生产面积预测不确定度的分析没有 明显的前后衔接关系，因此，这两部分的工作在研究的前期可并行进行。当灵敏 度分析部分求解出传递函数，并且生产面积预测不确定度分析中的识别厂房生产 面积存在风险的方法建立起来后，这两部分的研究将结合到一起，利用灵敏度分 析中求解出的传递函数判定生产面积不够的风险是否能够通过调整相关参数解 决，然后做出是否需要增扩厂房生产面积的决策，在此基础上，结合相关财务指 标，求解出需要扩建面积的最优值。本论文主要论述厂房生产面积预测不确定度 的量化分析以及不确定风险决策研究，在不确定风险决策的研究中，采用报童模 型对需要扩建厂房面积最优值的求解进行了初步的尝试。图3 2 中带有背景颜色 的框图为本文的研究内容。 1 3 电子科技大学硕士学位论文 ；项目技术路线 l 厂房生产面积预测不确定度分析 量化厂 j 房生产丽积历史 己敏度分析 数据的预测误差 之多 设备露求模鳖，设备运 定义一季孛隽法，判定厂 行速度模型灵敏度分析 房生产面积是否存在不 够的风险 7 建立不确定度传递函数 1 厂。 调整设备需求相关的参 影 数，降低厂房生产面积 的需求 胗 是否需要扩建新厂房 决策过程 优化厂房布局，提高攀 jl 位厂房生产面积的产出 叉 塞 掣多 抟 扩建多少厂 1 确定财务指标 0 时表示资产有损失；反之当妒o n 有收益。这样，在罱信水平娌下的v a r 就是a p 分布的a 分位点，可表示为1 3 2 】： 联矗p v a r ) 一1 窿 ( 4 2 ) 即有1 一a 的概率损失超过v a r 。 4 4 报童模型 本论文主要应用库存模型中的报童模型求解扩建厂房生产面积的最优值。现 对报童模型做详细介绍。报童模型为库存模型中的一个经典模型。报童为了每天 卖报纸的收益最大，必须考虑每天应该准备多少报纸为宜，同样地，报社也需要 考虑每期报纸的印数问题。在科学的管理方法和手段在管理实践中运用越来越多 的今天，管理者同样需要考虑，怎样改进赧放的管理模式，才能提高企业的管理 水平，从丽提高企业的效益。报童模型在现代的管理实践中，已经被应用地越来 越广泛。下面将以企业经常碰到的问题为例，说明报南问题在企业中的实际应用。 企业管理者常遇到的一个目题是商品静订货量问题。特别是诸如季节性商品的订 货量问题，订货量太多，就会蒙受因销不出去而遭受的损失。订货量太少，原本 可以赚到的利润没有赚到，从某种意义上，这也是一种损失。例如某商品每件的 进价是4 0 0 0 元，售价是7 3 0 0 元，商品过期后卖不出去只能以每件2 0 0 0 元降价 售出。怎样确定合理的订货星，这个问题就是一个报塑闻题1 3 3 i 。 4 5 本章小结 本章以半导体生产面积预测不确定度量化分析和风险决策研究应用到的理 论、技术为出发点，简要地介绍了几个典型预测方法在工程领域的应用，不确定 规划及应用技术以及库