段取替えが少なく公平性に 優れた多品種生産方式の開発 Pseudo Periodical Priority Dispatch, P3D 擬周期的割付法 会津大学コンピュータ理工学部教授齋藤和之 1
研究背景 多品種の半導体製品を生産するシステム ASIC 生産システム のために開発しました 半導体生産は設備投資が巨額になります 段取替えの頻度を少なくし 設備利用率を高め 低コスト生産を目指しています 開発した方式は制約の理論 (TOC, Theory of Constraints) の考え方を活用しています 2
生産管理研究の経緯 多品種の製品の 生産計画 週単位あるいは月単位の生産リソース 設備 / 要員の最適化 設備 / 要員の稼働率の向上 応答時間 ( 処理時間 ) の短縮 品種間で公平な流れの制御 FCFS SPT と比較 実時間での工場内での製品の流れの制御段取替え頻度の少ない割付法の開発擬周期的割付法 (P3D : Pseudo Periodical Priority Dispatch) 3
リソース最適化の研究成果 Accuracy 120% 110% 100% 90% DB AGCR WB MOLD MR TF 80% 9804 9805 9806 9807 9808 Month リソース計画は実用化にたる十分な精度を持つ 計画の立案時間は極めて速い ( 計算は 1 分以内 ) ( 但し 各社ラインで段取替えによる稼働率の低下を考慮したパラメータの最適化が必要 ) 新しい課題 : 段取替え頻度の最少化 4
従来技術の問題点 広く利用されている割り付け法には 先入先出法 (FCFSまたはFIFOと呼ばれる) があるが 割付順序に各製品の納期 生産量の考慮がない 段取替え頻度が高くなり装置の稼働率が低い等の問題がある 割り付け法の見直しが必要 5
新しい割り付け法の提案 擬周期的割付法 P3D: Pseudo Periodical Priority Dispatch 従来の割り付け : 先入先出法 (FCFS) では 装置で処理が終わると直ちに 処理工程に到着した順序で次の製品を割り付ける P3D 法による割り付け : 到着した製品は一旦 バッファで待機する 装置は一定期間 同一品種を処理する ほぼ周期的に割り付ける品種を見直す そのとき 許容処理時間 ( 納期 ) 到着頻度 段取替えを考慮する 6
P3D 法と従来技術との比較 P3D 法は制約の理論 TOCの考え方を具現化 段取替え頻度はFCFSと比べ1/2から1/3に減少し 装置稼働率が向上 ボトルネック工程でのスループットが向上 FCFSより平均処理時間が短縮 製品間の処理時間のばらつきも縮小 納期予測の精度が向上 処理の公平性はFCFS 並であり 特定の製品の酷い遅延は発生しない ホットロット ( 特急品 ) へも容易に対応可能 7
P3D 法は制約の理論 (TOC) に対応 先頭の兵隊 一番遅い兵隊 最後の兵隊 ( 入口工程 ) ( 制約工程 ) ( 出荷 ) 一番遅い兵隊のペースで歩かせる 彼のペースで歩かせ続ける自分の都合でも 前後の都合でも 決して立ち止まらない 予防保全の重要性 Cf: 小林英三氏の著書より 8
自律分散制御を実現 In Line Controller: 工場ライン全体の処理の進捗を把握し 納期に合わせて各工程の許容処理時間 ( 許容待ち時間と処理時間の和 ) を調整 通知 In Process Controller: 各工程で 許容処理時間 到着頻度 段取替えを考慮して製品 (WIP) の割り付け ディスパッチを制御 9
P3D 法のアルゴリズム 一定期間 (Quantum) Tc 中は 装置は同一製品を処理 周期的に装置に割り付ける優先度を決める 優先度はバッファの仕掛り量 到着率で判断 10
割り付け優先度をどう決めるか?(1) バッファの平均仕掛り量は到着率と平均待ち時間の積である ( リトル, Little の法則 ) バッファの仕掛り量と到着率を監視することにより平均待ち時間 すなわち平均処理時間を制御できる ( 仕掛り量の監視はTOCにおけるロープに相当 ) 11
割り付け優先度をどう決めるか?(2) 優先度の評価 P i = N i ( t ) V i M i Pi : 製品 i の優先度指数 ( 大きいほど高い ) Ni (t): 製品 i の時刻 t での仕掛り量 Mi : 製品 i の許容仕掛り量 ( 許容待ち時間に基づいて定める ) Vi : 製品 i の仕掛りの減少速度 ( 到着率に依存 ) 優先度は周期的に見直される ( 周期的見直しはTOCでペースを守ることに相当 ) 12
納期と許容待ち時間 各工程の許容待ち時間はスラック時間 Slack Time を残りの処理工程数で除算して定める スラック時間 = 納期ー現在の時間ー残りの工程の実処理時間の総和 自律分散制御であり 各工程への許容待ち時間の通知は各工程での制御と無関係に実行可能 13
P3D 法ではなぜ段取り替え頻度が 少なくなるか? (1) 例 :3 台の装置で 5 品種を処理する 装置 M1 M2 M3 ---------------------------------------------------------------------------- 前の期間 (Quantum) での割り付け A B C 優先度の評価結果 B D E 今度の期間 (Quantum) での割り付け D B E ---------------------------------------------------------------------------- 各装置の段取り替え 必要 不要 必要 14
P3D 法ではなぜ段取り替え頻度が 少なくなるか? (2) 説明 同一の製品を処理し続ける一定の期間 Quantum を定める 3 台の装置 M1, M2, M3 で A, B, C の 3 品種の製品が処理されている Buffer には他の品種もある 想定した Quantum 内で A が最初に終了し 装置 M1 は待機状態になる この時点で Priority を評価する 注 :M2, M3 の装置はまだ処理を終了していない Priority は B>D>E と評価された とする 次の Quantum で B の Priority は第 1 順位であるが M1 に割り付けないで B の処理終了を待って M2 に割り付ける D, E を処理して来た装置はないので D を M1 に E を M3 に割り付ける D は Buffer で待機していたので M1 の段取替えを終了を待って割り付ける E も同様 Quantum 毎に Priority を評価することにより段取回数を減らす割り付けが可能 15
P3D 法と従来法の比較 P3D 法では従来法と比べ段取替え頻度が 1/2 以下になり 同時に処理時間も短縮 ( 下図 ) 従来法 (FCFS) の処理時間の分布 新しい方法 (P3D) の処理時間の分布 16
想定される用途 LSIに限らず 多品種生産ラインに適用可能 段取り替え得が少なく装置稼働率が向上 その結果 (1) 低コストで (2) スループットの高い生産を実現 In Line ControllerとIn Process Controllerによる自律分散制御により ロバスト性の高い制御システムを実現 納期管理も容易 多様なライン運用に対応可能 17
実用化に向けたステップ P3Dアルゴリズムは検証済みであり In Process ControllerおよびIn Line Controllerの制御ソフトは容易に開発可能である 完全自動化の前に 制御システムを作業支援として活用する半自動化段階を第一ステップとする 自動倉庫 (Buffer) 割付装置(Dispatcher) は未開発だが 製造ラインの特徴に合わせ開発し全自動化を実現する 18
企業への期待 本方式は制約の理論 (Theory Of Constraints, TOC) を具現化したものである この方式は多品種を生産するあらゆるシステムに適用できる ともにシステム開発する企業を求めている 国内外の企業が興味を示してはいるが 実用化には至っていない 原因は 各社のラインの運用思想を大きく変えるためであろうと想像している 工場導入に大きな投資は必要ない まず ライン一つから あるいはラインの一部から有効性を確認してみることができる 19
本技術に関する知的財産権 発明の名称 : 多品種生産システム及びその設計 運用方法 その設計 運用プログラム及びそのプログラムを記録した記憶媒体 出願番号 : 特願 2001-206087 特開 2003-022119 出願人 : 科学技術振興事業団 発明者 : 齋藤和之 有馬澄佳 ( 現筑波大学 ) 関連特許 発明の名称 : 処理システム 設備量算出方法 納期算出方法 設備量 算出用プログラム 納期算出用プログラム およびそのプログラムを記 録した記憶媒体 出願番号 : 特願 2008-190614 出願人 : 公立大学法人会津大学 発明者 : 齋藤和之 20
お問い合わせ先 科学技術振興機構 (JST) 技術移転促進部知的財産活用推進課 渡邊賢一 TEL :03-5214 - 8477 FAX :03-5214 - 8454 E-mail:watanabe@jst.go.jp 21