服裝縫制流水線仿真與評價(jià)指標(biāo)

徐燕妮， 周海媚， 王立川， 陳 雁

(蘇州大學(xué) 紡織與服裝工程學(xué)院， 江蘇 蘇州 215021)

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服裝縫制流水線仿真與評價(jià)指標(biāo)

徐燕妮， 周海媚， 王立川， 陳 雁

(蘇州大學(xué) 紡織與服裝工程學(xué)院， 江蘇 蘇州 215021)

為準(zhǔn)確描述服裝縫制流水線生產(chǎn)效率，通過數(shù)學(xué)公式和仿真模型得到流水線的評價(jià)指標(biāo)，采用指數(shù)化分析和相關(guān)性分析對評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行研究。在梳理平衡度和生產(chǎn)效率評價(jià)指標(biāo)及計(jì)算方法的基礎(chǔ)上，提出了能夠體現(xiàn)服裝縫制流水線生產(chǎn)特點(diǎn)的仿真建模方法。利用所建立的模型，對T恤衫生產(chǎn)線進(jìn)行了仿真實(shí)踐，并探究了各項(xiàng)平衡度指標(biāo)之間以及這些指標(biāo)與生產(chǎn)效率的關(guān)系，分析了各項(xiàng)平衡度指標(biāo)在生產(chǎn)效率評價(jià)方面的準(zhǔn)確性、適用性和互替性，提出了可用于評價(jià)流水線編制方案的平衡度指標(biāo)。

服裝縫制； 評價(jià)指標(biāo)； 仿真； 生產(chǎn)效率； 縫制流水線

縫制是服裝生產(chǎn)的核心環(huán)節(jié)。縫制流水線編制方案的優(yōu)劣決定著能否實(shí)現(xiàn)高效、節(jié)能的服裝生產(chǎn)，因而成為服裝生產(chǎn)管理的重要內(nèi)容。通常采用靜態(tài)的數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)方法對服裝縫制流水線編制方案進(jìn)行評價(jià)，流水線平衡度指標(biāo)可對流水線的編制效率進(jìn)行量化計(jì)算，可用來檢驗(yàn)具體編制方案的縫制工位之間負(fù)荷均勻程度。目前，普遍使用的指標(biāo)有編制效率、平衡延滯和損失系數(shù)、作業(yè)時(shí)間方差等[1-2]。這些指標(biāo)計(jì)算方便，并可間接地反映生產(chǎn)效率，而實(shí)際流水線的生產(chǎn)效率主要由產(chǎn)量和資源利用率2個(gè)指標(biāo)反映，并通過流水線的運(yùn)行結(jié)果得到。

服裝縫制流水線仿真研究正處于起步階段[3]。通過仿真可得到流水線產(chǎn)量和資源利用率等數(shù)據(jù)[4-5]。Arena兼顧易用性和柔性，擁有強(qiáng)大的建模能力，被廣泛應(yīng)用于離散事件仿真[6]。國外學(xué)者利用Arena建立服裝縫制流水線仿真模型查找瓶頸工序，獲得人員利用率[7-8]。

本文在分析平衡度和生產(chǎn)效率評價(jià)指標(biāo)及計(jì)算方法的基礎(chǔ)上，提出了服裝縫制流水線仿真建模方法。針對T恤衫生產(chǎn)線進(jìn)行實(shí)證分析，運(yùn)用公式計(jì)算和生產(chǎn)線仿真建模的方法獲得流水線的評價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)，探究各項(xiàng)平衡度指標(biāo)對生產(chǎn)效率反映的準(zhǔn)確性、一致程度和靈敏度，分析它們的適用特點(diǎn)與不足。

1 服裝縫制流水線評價(jià)指標(biāo)分析

在進(jìn)行仿真研究以前，先對服裝縫制流水線的評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行分析。在生產(chǎn)管理實(shí)踐中，服裝縫制流水線的評價(jià)指標(biāo)分為2類：平衡度指標(biāo)和生產(chǎn)效率指標(biāo)。

1.1 平衡度指標(biāo)

服裝流水線平衡度對流水線的生產(chǎn)效率起著決定性的作用，可采用工時(shí)平均偏差率、作業(yè)時(shí)間方差、編制效率、平衡延滯和損失系數(shù)、均衡指數(shù)等指標(biāo)進(jìn)行評價(jià)。

1.1.1 工時(shí)平均偏差率

工時(shí)平均偏差率關(guān)注工作地的標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)時(shí)間與流水線標(biāo)準(zhǔn)節(jié)拍的偏差，計(jì)算公式如下：

(1)

式中：V為工時(shí)平均偏差率；Pn為工作地的標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)時(shí)間，min，n為對應(yīng)的工作地編號；B為標(biāo)準(zhǔn)節(jié)拍時(shí)間，min；P為單件產(chǎn)品總工時(shí)，min。

1.1.2 作業(yè)時(shí)間方差

作業(yè)時(shí)間方差[2]反映了各工作地的標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)時(shí)間與流水線平均節(jié)拍的偏離程度，計(jì)算公式如下：

(2)

式中：D為作業(yè)時(shí)間方差；N為工作地?cái)?shù)。

1.1.3 編制效率

流水線的編制效率又稱流水線的負(fù)荷系數(shù)[10]，其計(jì)算公式如下：

(3)

式中：E為均衡指數(shù)；Pt為瓶頸節(jié)拍，min。

1.1.4 平衡延滯和損失系數(shù)

平衡延滯和損失系數(shù)[9]是以損失時(shí)間為研究對象的指標(biāo)，計(jì)算公式如下：

(4)

(5)

式中：S為平衡延滯；L為損失系數(shù)。

1.1.5 均衡指數(shù)

流水線均衡指數(shù)A用來評價(jià)流水線的負(fù)荷平衡[10]，計(jì)算公式如下：

(6)

1.2 生產(chǎn)效率指標(biāo)

描述生產(chǎn)效率的性能指標(biāo)包括產(chǎn)量和資源利用率，其中，資源利用率又分人員利用率和設(shè)備利用率。

1.2.1 產(chǎn) 量

單位時(shí)間的產(chǎn)量是評價(jià)生產(chǎn)效率的重要指標(biāo),用統(tǒng)計(jì)量Q表示某個(gè)時(shí)間段離開流水線的物料數(shù)。

1.2.2 資源利用率

資源利用率[7]表示人員或設(shè)備處于繁忙狀態(tài)的時(shí)間占生產(chǎn)總時(shí)間的比例。

定義B(t)為資源“忙態(tài)”函數(shù)，公式如下：

(7)

那么資源利用率即為曲線B(t)下的面積除以生產(chǎn)運(yùn)行周期：

(8)

式中：U為資源利用率；T為生產(chǎn)時(shí)間。

2 服裝縫制流水線仿真

服裝縫制流水線仿真模型的建立需要從結(jié)構(gòu)和數(shù)量2個(gè)方面進(jìn)行。

2.1 結(jié)構(gòu)建模

服裝縫制流水線的組成元素包括物料、工位(配備有相應(yīng)的人員和縫制設(shè)備)和傳送設(shè)備等。

圖1示出服裝縫制流水線模型的邏輯結(jié)構(gòu)。其中工位編號由所在流水線的支流編號和在本流水線上的序號組成，字母為流水線工位的編號節(jié)點(diǎn)。生產(chǎn)線上的物料用黑色圓點(diǎn)表示,物料以衣片的形式在流水線開端等待并依次進(jìn)入縫制流水線，通過傳送設(shè)備(圖中以帶箭頭的虛、實(shí)線表示)以半成品的形式在流水線運(yùn)行過程中依次移動，按順序流經(jīng)各工位，如果半成品到達(dá)時(shí)工位是空閑的，則立刻開始加工并占用一定的加工資源(包括人員和加工設(shè)備)；否則，進(jìn)行一個(gè)先進(jìn)先出的隊(duì)列等待。經(jīng)過檢驗(yàn)工序的時(shí)候，出現(xiàn)2種情況：檢驗(yàn)合格，繼續(xù)下一道工序；檢驗(yàn)不合格，回到需要修正的工位重新再加工，或直接以廢品的形式離開流水線。沒有變成廢品并完成所有工序加工過程的物料最終以成衣的形式離開流水線。

注：字母J、K、L、P、Q為流水線工位的編號節(jié)點(diǎn)； 黑色圓點(diǎn)表示生產(chǎn)線上的物件。圖1 生產(chǎn)線結(jié)構(gòu)模型Fig.1 Assembly line structure model

2.2 運(yùn)行參數(shù)設(shè)置

服裝縫制流水線的數(shù)量建模需要對傳送批量、加工批量、輪班方式、傳送時(shí)間、加工時(shí)間等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

設(shè)定的數(shù)可為確定量(常量)或者服從某種概率分布的隨機(jī)變量，如圖2所示。在服裝縫制生產(chǎn)線的仿真模型的數(shù)量建模中，加工批量通常為固定的數(shù)值，而輪班方式為一班制8 h，其中有效的生產(chǎn)時(shí)間小于8 h， 都可設(shè)定為常量； 設(shè)備故障、人員離席、返修比率通常設(shè)為隨機(jī)分布；而傳送批量、傳送時(shí)間、加工時(shí)間依據(jù)流水線的實(shí)際情況可是常量也可來自隨機(jī)分布。如傳統(tǒng)捆扎式流水線中加工時(shí)間受到操作者技能水平和各種偶然因素的影響，標(biāo)準(zhǔn)加工時(shí)間在特定的數(shù)值上下小幅度波動，可設(shè)置為三角分布。三角分布的優(yōu)點(diǎn)是允許數(shù)據(jù)在眾數(shù)周圍非對稱分布，并且三角分布是有界分布，所有數(shù)據(jù)都介于最小值和最大值之間，不可能出現(xiàn)返回值為0的情況。

圖2 運(yùn)行參數(shù)設(shè)置Fig.2 Operating parameters setting

隨機(jī)輸入能有效地描述實(shí)際生產(chǎn)情況，而為使輸入的數(shù)據(jù)盡可能與實(shí)際接近且有效，采用如下的輸入分析過程：收集實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)，利用仿真軟件自帶功能進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，找到與實(shí)際生產(chǎn)最接近的分布。常用的分布有離散分布、指數(shù)分布、伽馬分布、正態(tài)分布、泊松分布、威布爾分布等。

3 服裝仿真模型應(yīng)用實(shí)例

以普通圓領(lǐng)T恤衫生產(chǎn)線作為應(yīng)用對象設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。

3.1 實(shí)驗(yàn)步驟

實(shí)驗(yàn)過程分流水線編排、評價(jià)指標(biāo)獲取和數(shù)據(jù)分析3大步驟，實(shí)驗(yàn)流程如圖3所示。

注：ECRS技巧為對生產(chǎn)工序進(jìn)行優(yōu)化的方法，分別為取消(eliminate), 合并(combine), 調(diào)整順序(rearrange),簡化(simplify)。圖3 實(shí)驗(yàn)流程圖Fig.3 Experiment flow chart

首先，進(jìn)行服裝縫制流水線編排。流水線編排又分3步：第1步，根據(jù)工序流程，利用編排原則、編排規(guī)則、技巧或各種算法，把工序合理地分配到各工位，使工位負(fù)荷均勻，銜接順暢；第2步，將人員與設(shè)備合理地安排到各個(gè)工位；最后，根據(jù)設(shè)備規(guī)格、人員操作需要，物料移動的批量、方式和路線等調(diào)整各工位的位置。然后，依據(jù)編制方案利用平衡度指標(biāo)計(jì)算公式計(jì)算流水線平衡度指標(biāo)，通過仿真模型運(yùn)行模擬實(shí)際生產(chǎn)，獲取生產(chǎn)效率指標(biāo)值。最后，對獲得的數(shù)據(jù)結(jié)果分別進(jìn)行指數(shù)化分析和相關(guān)度檢驗(yàn)，得出最終結(jié)論。

3.2 實(shí)驗(yàn)過程與數(shù)據(jù)

以普通圓領(lǐng)T恤衫為實(shí)驗(yàn)應(yīng)用對象，其工序時(shí)間表如表1所示。

依據(jù)不同的先決條件，服裝縫制流水線的平衡方法也不同[11]。本例由計(jì)劃日產(chǎn)量和輪班方式計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)節(jié)拍時(shí)間，然后確定縫制流水線的工位安排和人員、設(shè)備配置。

該流水線的計(jì)劃日產(chǎn)量為1 000 件，每天工作時(shí)間為8 h，可得標(biāo)準(zhǔn)節(jié)拍時(shí)間為0.48 min/件，計(jì)算公式如下：

表1 工序時(shí)間表Tab.1 Operation time

注：a表示包縫機(jī)；b表示平縫機(jī)；c表示繃縫機(jī)。

B=H/Qd

(9)

式中：Qd為計(jì)劃日產(chǎn)量，件；H為輪班方式，h。

根據(jù)節(jié)拍和工序編排規(guī)則，設(shè)計(jì)了相同工作地?cái)?shù)、無平行工位的6種縫制流水線編排方案，如表2所示。

表3示出按本文1.1中平衡度指標(biāo)計(jì)算公式計(jì)算得出的各項(xiàng)平衡度指標(biāo)值。其中，工時(shí)平均偏差率相同，編制效率指標(biāo)依次變大，其余平衡度指標(biāo)值逐漸降低。其中生產(chǎn)效率與損失系數(shù)的指標(biāo)值之和近似于1。

按照本文第2部分所述建立仿真模型，運(yùn)行結(jié)果所得生產(chǎn)效率指標(biāo)值如表4所示。從表中數(shù)據(jù)可看出，產(chǎn)量不斷增加，資源利用率的變化規(guī)律不明顯，人員利用率在增加而設(shè)備利用率沒有明顯的變化趨勢。

表2 編制方案Tab.2 Arrangement scenarios

注：*表示該工序被分配到2個(gè)工位加工，**表示該工序被分配到3個(gè)工位加工；a、b、c旁邊的數(shù)字為對應(yīng)類型設(shè)備的編號。

表3 平衡度指標(biāo)值Tab.3 Line balancing measurement indexes

表4 生產(chǎn)效率指標(biāo)值Tab.4 Production efficiency indexes

3.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與分析

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理分2部分，平衡度的分析和平衡度與生產(chǎn)效率關(guān)系的分析。

3.3.1 平衡度指標(biāo)分析

各項(xiàng)平衡度指標(biāo)數(shù)據(jù)的波動區(qū)間和波動幅度不一致且量綱不同，為更直觀地比較數(shù)據(jù)變化情況，對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行指數(shù)化處理，將數(shù)據(jù)映射在0到1的區(qū)間內(nèi)。指數(shù)化公式如下：

(10)

式中：Ai為某項(xiàng)指數(shù)值，i為對應(yīng)的方案編號；Amax和Amin為極值。

各方案的平均節(jié)拍相同，導(dǎo)致工時(shí)平均偏差率相同，利用指數(shù)化公式計(jì)算時(shí)分母為0，故不納入指數(shù)化分析。圖4示出平衡度指標(biāo)指數(shù)化處理后的趨勢折線圖。其中，生產(chǎn)效率指標(biāo)值用1與生產(chǎn)效率指標(biāo)值的差代替，因?yàn)樯a(chǎn)效率與其他指標(biāo)變化趨勢相反，并且生產(chǎn)效率與損失系數(shù)計(jì)算公式相加近似于1。除V不變以外，其他指標(biāo)呈現(xiàn)相對一致的變化趨勢，尤其是1-E和A，S和L。

圖4 平衡度指標(biāo)指數(shù)化分析Fig.4 Indexation analysis of line balance measurement indexes

3.3.2 平衡度指標(biāo)與生產(chǎn)效率關(guān)系分析

通過計(jì)算指標(biāo)間的相關(guān)系數(shù)來檢驗(yàn)平衡度與生產(chǎn)效率的相關(guān)性，計(jì)算結(jié)果如表5所示。損失系數(shù)、平衡延滯、均衡指數(shù)與產(chǎn)量呈負(fù)相關(guān)，編制效率與產(chǎn)量呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)絕對值趨近于1。損失系數(shù)與產(chǎn)量的相關(guān)性最高。平衡度與資源利用率之間沒有非常明顯的相關(guān)性。

表5 相關(guān)性檢驗(yàn)結(jié)果Tab.5 Correlation test results

4 結(jié) 論

1)平衡度指標(biāo)對流水線負(fù)荷平衡的描述相對一致。其中，同一產(chǎn)品同一編排方法下的工時(shí)平均偏差率一致。作業(yè)時(shí)間方差越小，各工作地作業(yè)時(shí)間波動越小，分布越集中，工作地之間的銜接越順暢，流水線的同步效果越好。損失系數(shù)越小，則表明流水線因?yàn)樽鳂I(yè)分配不均造成的時(shí)間損失越小。均衡指數(shù)越小，表明負(fù)荷平衡越小，若均衡指數(shù)為零,意味著負(fù)荷達(dá)到絕對平衡。編制效率越高，流水線的同步化程度越好。

2)工時(shí)平均偏差率不適用于同一生產(chǎn)線同一編排方法下的方案比較。作業(yè)時(shí)間方差的值不像編制效率那樣有絕對的定量數(shù)值參考，所以只適用于同一作業(yè)任務(wù)的不同編排方案之間的比較。生產(chǎn)效率、均衡指數(shù)、平衡延滯和損失系數(shù)4個(gè)平衡度指標(biāo)具有相互可替代性，并且具有相對廣泛的適用性。

3)損失系數(shù)、平衡延滯、均衡指數(shù)和生產(chǎn)效率能準(zhǔn)確地反映流水線產(chǎn)量，其中，損失系數(shù)與產(chǎn)量的相關(guān)性最高，編制效率與流水線產(chǎn)量呈正比。

4)平衡度與資源利用率之間沒有明顯的相關(guān)性。資源利用率是最受關(guān)注的指標(biāo)之一，利用率高固然很好，意味著很少的能力過剩；也可能會造成擁堵，形成很長的隊(duì)列，并減慢吞吐速度。設(shè)備利用率和設(shè)備數(shù)量有關(guān)。單種設(shè)備的工位人員與設(shè)備負(fù)荷一致，多種設(shè)備情況下可使生產(chǎn)效率增大，但會降低設(shè)備平均利用率。

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Simulation of clothing sewing line and evaluation indexes

XU Yanni, ZHOU Haimei, WANG Lichuan, CHEN Yan
(CollegeofTextileandClothingEngineering,SoochowUniversity,Suzhou,Jiangsu215021,China)

In order to accurately accurate describe the production efficiency of a clothing sewing line, Based on analyzing the evaluation indexes in two aspects of the balance degree and the production efficiency as well as calculation methods, a simulation modeling method capable of demonstrating the production characteristics of the clothing sewing line was put forward. The established model was used to carry out simulation on a production line of T-shirts, relationships among balance degree indexes and the relationships between those indexes and the production efficiency were studies, and the accuracy, applicability and substitutability of the balance degree indexes on the evaluation of the production efficiency were analyzed, and the balance degree indexes for the evaluation of the line design solution were proposed.

clothing sewing; evaluation index; simulation; production efficiency; sewing line

10.13475/j.fzxb.20141202506

2014-12-17

2015-07-27

江蘇省產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合創(chuàng)新資金資助項(xiàng)目(BY2012115)

徐燕妮(1990—)，女，碩士生。主要研究方向?yàn)榉b縫制流水線仿真。陳雁，通信作者，E-mail：yanchen@suda.edu.cn。

TS 941.63

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