1.1 研究背景與動機
排程(scheduling)問題是生產與製造管理上重要的課題，良好的排程是善用生 產環境中的人力、機器、工具等製造資源來安排工件的生產優序，提高資源的使 用率與減少閒置時間，以達成所設定的管理目標。
排程的問題可依工件在生產環境加工的特性分為數種不同的情境型態，其中 流程式生產(flowshop)是生產環境中最常見的加工型態，所謂的流程式生產是指 各工件所經過的加工機台順序皆相同，在現實產業中，此流程式生產型態存在於 以大量製造為主的產業中。
流程式生產型態中，有些生產線因品質要求，工件加工過程中不得有任何待 機(no-wait)的特性，工件一旦投入生產線中，從第一部機台開始加工，直到最後 一部機台加工完畢前，都不得有任何待機或滯留的情況發生。此特殊生產製程型 態稱之為「不允許等待流程式生產」(No-wait flowshop，NWF)。
NWF 的情境廣泛的存在於鋼鐵業、化工業、食品製造業、製藥業、玻璃工 業及半導體業；以半導體產業為例，晶圓前端製程中的蝕刻製程，是將一批晶圓 (工件)投入酸槽做加工，而這些酸槽是以流線式排列，進行晶圓上需蝕刻的化學 反應，作業完畢後再以機器手臂迅速的將晶圓移動至下一個化學槽進行作業，由 於酸槽內化學反應的作業時間需要非常精準，否則會造成不良品的出現，因此一 旦工件進入酸槽，作業完畢後不得有任何待機發生，為了確保不會有任何待機事 件，在投料進入生產線之前可能會以比較長的間隔時間，才投料下一批晶圓，造 成機台產能的損失。
由於產業結構的變遷，業者傾向客製化產品來滿足顧客需求，提高服務水 準，因此客戶導向的生產已經是普遍的現象，為了產品的差異化，工件在生產流 程上可能會跳過某些機台的加工，進而達到不同需求的產品。以製藥業為例，有 些藥物因為市場需求，所以須製作成液體藥物與固體藥片兩種，生產過程中，藥
品在生產線中段是以液態狀呈現，但是部份藥品必須經過脫水乾燥機台或固態成 型機台來做成固體藥片，而以液態呈現的液體藥物則會跳過那些機台，直接到後 段的包裝機台，造成後段生產線上有跳躍式作業(jumping operations)的現象。食 品麵粉製造業中，因為市場的需求，餐飲業用的麵粉或大賣場販售的麵粉都是採 購大包裝麵粉，但是超級市場或零售消費者的需求則是小包裝。因此麵粉製造商 在生產線後段，會有大包裝的包裝機台還有小包裝的包裝機台，需要大包裝的麵 粉在生產流程上就會傳送至大包裝機台，而需要小包裝的麵粉在生產流程上就會 被傳送至小包裝機台。再以玻璃製造業為例，因為滿足顧客的需求，對於玻璃的 顏色、規格、樣式等有不同的需求，因此在生產線加工上會加入不同化學物質來 做不同顏色的玻璃，也會因為規格不同而用不同的壓制機器來加工，導致玻璃原 料在生產線上就會依照產品特性而傳送至某些機台到後面機台來加工。總而言 之，兼具有前段共用機台與後段跳躍式特性的生產線，工件會在生產線前段的機 台做相同的加工作業，在後段的機台則會依據產品需求不同而跳至某些機台來加 工。
故許多製程的生產線不僅結合了 No-Wait Flowshop 特性，還含有前段共用 機台(starting common machine)與後段跳躍式(jumping)加工的現象，此種生產情 境，稱之為「共用機台之跳躍式不允許等待流程式生產」(Jumping No-Wait Flowshop with a Starting Common Machine，JNWF-SCM)。
以下分別針對NWF 與 JNWF-SCM 生產線做介紹：
1.2 No-Wait Flowshop(NWF)生產線
不允許等待流程式生產(NWF)與一般流程式生產(Flowshop)的最大相異處，
在於NWF 排程問題中，工件在加工過程不能有所等待的情況發生，因此工件可 能會延遲投料，以避免等待的情況發生。
以下舉例說明NWF 排程問題的加工特性，假設有四個工件依序在四部機台 上加工，各工件在各機台的加工時間如下表1.1：
表1.1 NWF 的工件加工時間表
M1 M2 M3 M4
J1 3 6 2 4
J2 3 4 4 2
J 3 4 3 3 3
J 4 3 3 2 4
假設工件的加工優序為J1→J2→J3→J4時，工件加工的甘特圖如圖1.1 所 示：
圖1.1 NWF 之甘特圖
為了確保J2在M 加工後能立刻進入1 M2加工，J 需延遲 3 分鐘後才投料於2 M ，方可使1 J2在第9 分鐘進入M2加工，避免造成J2待機的情況發生；同理J 也3 必須延遲2 分鐘才投料於M ，使1 J 在第 17 分鐘進入3 M 加工。以上兩段延遲投3 料的時間是為了能滿足NWF 特性，才造成了在機台M 的閒置。根據 NWF 特性，1 工件必須經過所有機台加工，因此各機台所加工的工件順序會等於工件投料的順 序，此現象與一般性flowshop 排程問題相同。
加工 機台 時間(分) 工件
1.3 Jumping No-Wait Flowshop with a Starting Common Machine
工件J 需在1 M1、M 、2 M 機台加工；工件5 J 需在2 M1、M 、2 M 機台加工；4 工件J 需在3 M 、1 M 、3 M 、4 M 機台加工；工件5 J 需在4 M 、1 M 機台加工。所5 有工件的加工途程先後順序仍然是M1→M2 →M3 →M4 →M5，但會跳過某些 機台加工。
工件加工優序首先是J ，所以最先佔用1 M1、M 、2 M 等機台；工件5 J 佔用2 M1、M 、2 M 機台接其後；工件4 J 亦隨之佔據3 M 、1 M 、3 M 、4 M 機台；最後，5 工件J 佔據機台4 M 、1 M 機台，但由於機台5 M 中，工件5 J 與1 J 之間的閒置時間3 夠長，導致J 可以插入其中來加工。根據上述 JNWF-SCM 排程問題的結果，可4 以看出機台M1的工件加工序為J1→J2 →J3 →J4，機台M 的工件加工序為2 J ，機台2 M 的工件加工序為3 J1→J3，然而機台M 與機台4 M 的工件加工序卻5 分別變成為J3→J2與J1→J4→ 。此現象說明，在 JNWF-SCM 生產環境下，J3 後投料的工件，在某些機台可能比先投料的工件先加工。
各工件在各機台加工序的變化現象，增加計算各工件在各機台加工的起始時 間與結束時間的困難度，進而影響總排程時間計算的複雜度，顛覆以往NWF 排 程問題的特性，也因為這種特性大幅增加解題的難度及複雜度，從中可說明NWF 問題是JNWF-SCM 問題的特例，也就是 JNWF-SCM 問題比 NWF 問題更具一般 性。
因此若能有一套良好的方法來解決JNWF-SCM 排程問題，可以在各大產業 上運用，以期減少產品製造週期時間，提高資源效率，增加產出，並且減少在製 品存貨量，降低成本，故激發本研究以JNWF-SCM 排程問題為研究課題。
1.4 研究基本假設
本研究主要探討JNWF-SCM 排程問題，基本假設與傳統 NWF 排程問題的假 設相同，相異的只有下方列舉的最後一點：
(1) 已知工件總數。
(2) 已知機台總數。
(3) 每一站機台都只有一台。
(4) 所有工件之間彼此獨立，不具有任何優先順序的限制。
(5) 所有工件在一開始即可進行加工。
(6) 不考慮機器故障的問題。
(7) 不考慮機器的整備時間。
(8) 同一時間每部機台只能處理一項工件，工件在同一時間也只能在一部機台上 加工，各機台加工中的工件加工完後才可下機。
(9) 工 件 於 各 機 器 的 加 工 時 間 皆 已 知 ， 且 為 已 知 常 數 ( 稱 為 確 定 性 排 程 ， Deterministic Scheduling)。
(10) 各工件必須經過第一部機台加工，其餘機台則至少經過一部來加工。
1.5 研究目的
Rock[16]已研究證明二部機台以上之 NWF 排程問題之複雜度為 NP-hard，
也就是無法在有限時間內求出最佳解；然而，JNWF-SCM 問題比 NWF 問題更具 一般性，所以本研究問題亦屬於NP-hard 問題。
本研究目的是以 JNWF-SCM 生產線下，最小化總排程時間(makespan)為目 標，求得各工件的投料時間點，而總排程時間等於第一個工件開始加工的時間至 結束所有工件加工的時間總長度。為了能夠在短時間內求出一個近似最佳工件排 程，本論文提出一套適合JNWF-SCM 排程問題的禁忌搜尋法(Tabu Search，簡稱 TS)，藉由禁忌搜尋法擁有較短運算時間的優勢，更能縮短排程的決策時間。
1.6 論文架構
本論文計畫書架構共分六章。第一章為緒論，介紹研究背景、研究動機、研 究目的與架構；至於本論文所涉及的相關文獻，包含了 No-Wait Flowshop 問題 與No-Wait Jobshop 問題，在第二章加以討論與回顧；第三章則詳細說明問題定 義及特性，並設計兩套禁忌搜尋法來求解；第四章同樣是應用禁忌搜尋法來求
解，針對JNWF-SCM 排程問題的特性，在起始解的產生與搜尋鄰近解這兩部分 作改良；第五章與第六章分別為模擬與實驗分析，以及結論與未來研究方向。