服裝單件流水線的Flexsim仿真

孫影慧， 杜勁松,2

(1. 東華大學(xué) 服裝與藝術(shù)設(shè)計學(xué)院， 上海 200051； 2. 東華大學(xué) 現(xiàn)代服裝設(shè)計與技術(shù)教育部重點實驗室， 上海 200051)

服裝單件流水線生產(chǎn)方式一直備受服裝生產(chǎn)企業(yè)的重視，該加工方式強制要求員工以固定的方式生產(chǎn)，并且工位間協(xié)同生產(chǎn)、相互督促保證了該生產(chǎn)方式的高效性。在實際生產(chǎn)中，產(chǎn)品在直線或U型路徑中傳遞相對固定，所以服裝單件流水線的工序分配和現(xiàn)場管理至關(guān)重要[1]。通常流暢的生產(chǎn)流水線取決于工人技能水平的均勻性和工序組合的平衡程度，否則易造成單件流在制品的積壓、空槽、等待等現(xiàn)象。有學(xué)者通過對工序拆分組合[2]和流水線平衡設(shè)計[3]來解決上述問題，或者借助遺傳算法[4-5]和蟻群算法[6]等優(yōu)化算法來對流水線進行平衡優(yōu)化，上述文獻大都針對工序平衡進行研究，未對流水線的優(yōu)化進行驗證和提前預(yù)判。

在實際生產(chǎn)中，影響單件流生產(chǎn)的因素很多，如員工疲勞、情緒、機器故障等因素是隨機出現(xiàn)的，又如員工技能、熟練程度、工藝復(fù)雜程度等是客觀存在的，所以需要循序漸進的優(yōu)化。能夠準確地對生產(chǎn)線進行預(yù)判可提高優(yōu)化效率，如借助Flexsim仿真軟件對流水線進行仿真優(yōu)化[7-8]，運用Promodel仿真驗證流水線中各因素對其運行效果的影響[9]。上述2種仿真軟件較常用于仿真研究中，但相比較而言，F(xiàn)lexsim功能更全面，簡單易操作，同時Flexsim非常方便與Excel表格數(shù)據(jù)進行連接，便于在Excel表中讀取大量的測試位參數(shù)[10]。

本文在對濟寧汶上縣某服裝企業(yè)調(diào)研的基礎(chǔ)上，針對一款男士夾克進行了實例分析，探究流水線工序平衡和人員技能水平對生產(chǎn)平衡和生產(chǎn)效率的影響。

1 服裝單件流水線影響因素分析

1.1 人員因素

1.1.1人員技能水平

人員是服裝單件流生產(chǎn)中最為重要的因素，其中人員技能水平是工人多次操作不同工序時達到的一種最佳作業(yè)狀態(tài)，依據(jù)人員的技能水平可以對人員進行等級劃分，技能等級越高，越能熟練地完成復(fù)雜的工序。

人員技能水平直接影響著流水線的生產(chǎn)效率和流水線的均衡性。表1示出不同工人完成不同工序的作業(yè)時間?？煽闯龉と?技能水平較高，可勝任多種工序的加工，通常工人2被稱為多面手，可機動地分配到不同的工位上。

表1 不同員工完成不同工序的時間對比 Tab.1 Comparison of time quotas between different employees in different processes s

技能水平主要體現(xiàn)在對工序的了解和操作的熟練性，如伸、抓、移、對、按、翻等作業(yè)動作的熟練程度。通常工程人員依據(jù)自定標準把工人分為5個不同的技能等級，高級技能工人可完成最難的工序，如表2所示。

表2 工人技能等級 Tab.2 Worker skill class

人員技能等級劃分的目的是為了更高效地利用人力資源，高技能的工人更適合加工復(fù)雜工序，低技能的工人分配簡單的工序，也便于根據(jù)工位的需求來合理安排作業(yè)工人。

1.1.2人員的分配

服裝單件流水線上人員的分配其實是因才而用的過程，最大限度地減少人員的浪費，也避免在制品積壓和批量返工等現(xiàn)象出現(xiàn)。

服裝單件流水線是以固定的節(jié)拍運轉(zhuǎn)傳輸裝置(如流水槽、傳輸帶等)，要求工人強制跟上生產(chǎn)線平均節(jié)拍，因此對于工人的技能水平有一定的要求。一般技能較差的D、E級員工更適合線外的捆扎流水線作業(yè)，而在單件流水線上應(yīng)盡量安排技能水平在C等級以上的員工，并且應(yīng)合理搭配不同技能等級的員工，如根據(jù)男夾克流水線的實際情況，安排員工等級A∶B∶C的比例為1∶3∶1。

1.2 生產(chǎn)線編制

1.2.1工序難度系數(shù)

由于服裝縫制工序的難度不同，工程部門依據(jù)工序的工時和操作難度等將工序分為4個等級，其中4級工序最難。表3示出男士夾克部分工序的等級劃分情況。

表3 工序難度等級劃分Tab.3 Grade division of process difficulty coefficiency

工序難度等級影響加工時間和操作的難易，所以在進行工序編排時，需要考慮工序難度對員工技能等級影響，也要考慮工時對流水線平衡的影響。

1.2.2工序編制

在流水線編排中,工序編制的平衡程度影響著流水線的生產(chǎn)效率，流水線工序編制效率越高，工序間就越平衡，所以工序編制效率是生產(chǎn)線上各工序或作業(yè)量分配的平衡度系數(shù)[10]。其計算公式如下：

式中:E為編制效率，%；PSPT為平均節(jié)拍；Pmax為瓶頸節(jié)拍。

在單件流水線中，對工位工時的編排要求較為嚴格，通常流水線各工位的時間波動范圍在平均節(jié)拍±5%之內(nèi)，以確保流水線的暢通。

2 服裝單件流水線Flexsim仿真建模

2.1 結(jié)構(gòu)建模

服裝單件流水線借助塑料筐或者流水槽來傳遞在制品(或裁片)，工位在流水線兩側(cè)錯位布局，如圖1所示。

圖1 Flexsim中服裝單件流水線布局Fig.1 One-piece flow garment assembly line layout

服裝單件流水線工位包括：分發(fā)裁片工位1個，加工工位n個，加工設(shè)備m個(包括平縫機、特種機、燙臺等)，質(zhì)檢工位1個。班組長和流動質(zhì)檢人員負責(zé)實時監(jiān)督和解決流水線中出現(xiàn)的問題。

借助Flexsim仿真軟件對服裝單件流進行仿真模擬，主要包括7個內(nèi)容:1)模型概念設(shè)定；2)模型布局，根據(jù)工位排布進行模型布局；3)模型邏輯，也是設(shè)定在制品的傳遞路徑；4)參數(shù)設(shè)置，對各工位進行參數(shù)設(shè)置；5)模型運行；6)結(jié)果輸出與分析；7)優(yōu)化與再運行。

在實際生產(chǎn)中會出現(xiàn)生產(chǎn)不平衡現(xiàn)象，主要表現(xiàn)在流水線空槽流動、工位上在制品積壓、工位空閑等問題，因此需要對流水線進行優(yōu)化平衡?；贔lexsim軟件建立服裝單件流水線優(yōu)化仿真過程的結(jié)構(gòu)模型，如圖2所示。第1部分是Flexsim流水線仿真，根據(jù)服裝單件流水線的生產(chǎn)情況，完成流水線模擬仿真，其中發(fā)生器、暫存區(qū)都是仿真軟件中的實體，用來模擬流水線的工位；第2部分是流水線優(yōu)化，針對仿真流水線出現(xiàn)的問題以及影響流水線平衡的因素，從工序的拆分組合和人員因素等方面入手進行優(yōu)化，優(yōu)化后的流水線再次在Flexsim中仿真模擬，這樣流水線的優(yōu)化是一個“仿真—優(yōu)化—仿真—優(yōu)化”的循環(huán)過程，最終使得流水線生產(chǎn)更平衡，更流暢。

圖2 服裝單件流水線結(jié)構(gòu)模型Fig.2 One-piece flow garment assembly line structure model

2.2 運行參數(shù)設(shè)置

在Flexsim仿真的服裝單件流水線結(jié)構(gòu)模型中，需要對傳送的數(shù)量、加工數(shù)量、傳遞時間、運行時間、工位加工時間、傳送路徑、到達時間間隔、返修率以及常規(guī)選項進行設(shè)置。根據(jù)服裝單件流水線的特征，傳送在制品數(shù)量和加工數(shù)量均設(shè)定為常數(shù)1。運行時間為常數(shù)10 h。傳遞時間為0，說明拿取在制品時間包含在工時里。傳遞路徑依據(jù)工位排布設(shè)置。返修率是隨機分布的。加工時間設(shè)置為如下3種情況：

μ=A

t/α

Φ(μ)

式中:A為常數(shù)；t為額定工時;α為工人生產(chǎn)效率；Φ(μ)為滿足加工時間波動的分布函數(shù)。

設(shè)置μ=A，說明工人作業(yè)熟練度穩(wěn)定，波動不大的情況下選擇此種方法設(shè)置加工時間。

設(shè)置μ=t/α，說明加工時間是由額定工時和員工的生產(chǎn)效率決定的，如工人的生產(chǎn)效率為80%，則工位的實際加工時間μ為μ=t/0.8。由于單件流水線上各工位的作業(yè)時間應(yīng)在節(jié)拍倍數(shù)的±5%范圍波動，所以用正態(tài)分布函數(shù)來模擬工人加工時間的波動情況：當μ>M時，μ～N(μ，16)，此時(0.95μ，1.05μ)約為該正態(tài)分布函數(shù)的90%置信區(qū)間；當μ≤M時，μ～N(μ，9)，此時(0.95μ，1.05μ)也約為該正態(tài)分布函數(shù)的90%置信區(qū)間。

設(shè)置μ=Φ(μ)，說明加工時間是借助分布擬合軟件對現(xiàn)場工時進行分布擬合，得到的分布擬合函數(shù)來設(shè)置加工時間，其中主要分布擬合函數(shù)有三角分布函數(shù)Triangular(a、b、m)、正態(tài)分布函數(shù)Normal(μ、σ)、對數(shù)正態(tài)分布函數(shù)Lognormal(m、s)、指數(shù)函數(shù)Exponential(x)、均勻分布函數(shù)Uniform(a、b、c)。

通常流水線仿真優(yōu)化可從2個方向獲得最優(yōu)結(jié)果：一是借助Flexsim仿真優(yōu)化模塊中的目標函數(shù)表達式，對子目標屬性進行設(shè)置，達到最優(yōu)目標值；二是針對生產(chǎn)瓶頸進行不斷地優(yōu)化，直至獲得最優(yōu)結(jié)果。由于影響服裝生產(chǎn)流水線的不確定因素較多，很難依賴經(jīng)驗提前預(yù)估目標值，所以只能采用消除瓶頸工序來獲得最優(yōu)目標值的辦法。

3 仿真模型單件流水線優(yōu)化應(yīng)用

3.1 實驗步驟

基于Flexsim的仿真模型優(yōu)化男士夾克單件流水線安排，包括男士夾克單件流建立、生產(chǎn)平衡優(yōu)化和人員分配優(yōu)化3個部分。

工序分配表如表4所示,出產(chǎn)量記錄如表5所示。根據(jù)工人數(shù)量和男士夾克工序流程見圖3所示，對工序進行編排，得到單件流各工位分配表。工序分配表包括人員、設(shè)備、工時等信息，并根據(jù)在制品傳遞路徑進行工位仿真模擬。

男士夾克單件流水線上工人20人，日工作時間10 h，目標日產(chǎn)量270件，實際日產(chǎn)量(230±5)件，此單件流水線平均節(jié)拍為133 s，工序編制效率為75.6%，生產(chǎn)效率為85%。

表4 工序分配表Tab.4 Process distribution

圖3 男士夾克工序流程圖Fig.3 Flow chart of men′s jacket process

3.1.1實驗1

借助Flexsim軟件仿真模擬男士夾克單件流水線，其中處理器的加工時間為工位作業(yè)時間，對每個工位進行了12次作業(yè)時間測定，并借助Stat Fit分布擬合軟件對測量的12次作業(yè)時間進行分析，得到各工位加工時間的分布函數(shù)，將分布函數(shù)用來對加工時間進行設(shè)定。運行結(jié)果包括Flexsim summary report中的日產(chǎn)量和在Flexsim state report中的各工位的作業(yè)、空閑、堵塞等的狀態(tài)結(jié)果。表6示出其作業(yè)狀態(tài)。

表5 產(chǎn)量記錄Tab.5 Production record

但表6中個別工位的空閑時間占比差距較大，如工位5的空閑時間占作業(yè)時間的34.41%，因此有必要對該工位的工人或者加工工序進行重組。

3.1.2實驗2

工位3作業(yè)時間為148 s，而工位5作業(yè)時間只有90 s，可將工位3的工序5分配到工位5上，這樣既減少工位3上的在制品積壓，同時也避免了工位5出現(xiàn)閑置等待如表4所示。工位6是一個瓶頸工位，可把工位6中的工序51分配到工位7，使得2個工位的作業(yè)時間都較接近平均節(jié)拍。

工位11中的工序54可單獨加工，因此把工序54轉(zhuǎn)移到工位15，從而消除了工位11的瓶頸狀態(tài)。工位18中的工序47可和機縫工序組合，將工序47轉(zhuǎn)移到工位10。工位10為瓶頸工序，工位10中工序65可延后操作，把工序65轉(zhuǎn)移到工位15消除了瓶頸狀態(tài)。優(yōu)化后的工序分配如表7所示。

平衡優(yōu)化后對單件流水線進行再次仿真，得到流水線的日產(chǎn)量，如表8所示。

各工位的運行狀態(tài)如表9所示，大部分工位的空閑時間占比都控制在3%～7%之內(nèi)，但工位17的空閑時間為7.9%。

3.1.3實驗3

由于單件流水線要求每個工位必須完成各自的任務(wù)，所以前、后工位很難用互助作業(yè)方式來解決瓶頸問題，但可讓技能高的工人完成瓶頸工序，以確保單件流水線正常運轉(zhuǎn)。工位17的工序無法分割和重組，必須依靠技能水平較高的員工來完成。如表10所示，2位工人操作工位17工序用時不同，顯然工人B工時較少。

表6 作業(yè)狀態(tài)表Tab.6 Production status table

表7 優(yōu)化后工序分配Tab.7 Optimized process allocation

表8 優(yōu)化方案的產(chǎn)量記錄Tab.8 Production record of optimization scheme

表9 優(yōu)化后作業(yè)狀態(tài)表Tab.9 Production status table of optimization scheme

表10 員工作業(yè)時間對比Tab.10 Comparison of time quotas of two employees s

分別對工人A′、B′的現(xiàn)場測時進行了擬合，得到工人A′加工時間的分布擬合函數(shù)Uniiform(147,153)，工人B′作業(yè)時間分布擬合函數(shù)Trian-gular(126,133,131)。在Flexsim系統(tǒng)中，重新設(shè)置工位17的加工時間。優(yōu)化后的工位17的運行狀態(tài)，如表11所示。

表11 優(yōu)化前后作業(yè)狀態(tài)Tab.11 Job status before and after optimization

3.2 實驗分析

由實驗1可知，仿真出來的日產(chǎn)量為231件，穩(wěn)定在(230±5)件范圍內(nèi)，能夠較準確地反映實際生產(chǎn)情況。而且除工位17之外，各工位的運行空閑時間占作業(yè)時間的比例較小，基本在3%～7%范圍內(nèi)。各工位的空閑時間占比相近，表示此條流水線處于相對平衡狀態(tài)。

由實驗2可知，經(jīng)工序平衡，得到流水線日產(chǎn)量穩(wěn)定在235件，比優(yōu)化前的日產(chǎn)量(231件)平均提高了4件，生產(chǎn)效率由85%提高到87%。并且優(yōu)化后的流水線編制效率為85.3%，相對于優(yōu)化前的75.6%提高了9.7%。圖4示出優(yōu)化前后工位工時曲線圖?？芍?，優(yōu)化后各工位的工時波動幅度較小，較為接近平均節(jié)拍(133 s)，因此優(yōu)化后工序更加平衡。

圖4 優(yōu)化前后工位工時曲線圖Fig.4 Work hour curves before and after optimization

由實驗3可知，通過人員更換的方法，工位17空閑時間從7.90%降低到4.80%，工位17已不再是瓶頸工位。流水線日產(chǎn)量為236件，生產(chǎn)效率達到87.4%，生產(chǎn)更加流暢，。

上述3次Flexsim仿真模擬實驗中，通過工序重組和人員更換優(yōu)化了單件流水線，得到流水線工序編制效率由74%達到85.3%，提高了9.7%，生產(chǎn)效率由85%提高到87.4%，提高了2.4%，生產(chǎn)平衡指標值如表12所示。

表12 生產(chǎn)平衡指標值Tab.12 Indexes of production balance

在不改變現(xiàn)有生產(chǎn)條件下，上述流水線充分滿足了生產(chǎn)平衡、人員配置最優(yōu)、避免回流等條件，此優(yōu)化結(jié)果為最優(yōu)。如還需對該流水線做進一步優(yōu)化，必須要改變現(xiàn)有的生產(chǎn)條件，如從配置自動設(shè)備、提高整體人員技能和優(yōu)化加工工藝等方面優(yōu)化。

4 結(jié) 論

1)由于服裝單件流水線生產(chǎn)按固定的節(jié)拍傳遞，所以影響服裝單件流水線生產(chǎn)效率的因素很多，其中合理安排工作人員和作業(yè)時間是保證流水線通暢的重要手段。

2)借助Flexsim軟件的服裝單件流水線仿真模型，可提前預(yù)判流水線編排的效果，并且在預(yù)定優(yōu)化目標的前提下，經(jīng)過消除瓶頸工位，循序漸進地優(yōu)化生產(chǎn)流水線的工序編排，可使流水線生產(chǎn)效率不斷得到提升。

參考文獻：

[1] 沈曉來.基于單件流水線的服裝生產(chǎn)組織與管理探討[J].上海紡織科技，2013,41(5): 61-63.

SHEN Xiaolai. Discussion on organization and management of garment production based on one-piece flow[J]. Shanghai Textile Science & Technology, 2013, 41(5)：61-63.

[2] 許麗麗. 內(nèi)衣生產(chǎn)流水線編排及優(yōu)化研究[D].蘇州：蘇州大學(xué)，2015: 8-10.

XU Lili. Study on the underwear production line layout and optimization[D]. Suzhou: Soochow University, 2015: 8-10.

[3] 李克兢，崔世忠.模塊化服裝快速生產(chǎn)設(shè)計系統(tǒng)的開發(fā)[J].紡織學(xué)報，2006, 27(1): 50-53.

LI Kejing, CUI Shizhong. Development of modular design and manufacture of apparel[J]. Journal of Textile Research, 2006, 27(1): 50-53.

[4] 韓少杰.西服生產(chǎn)流水線作業(yè)平衡及數(shù)字化管理研究[D].上海：東華大學(xué)，2010: 24-34.

HAN Shaojie. Research on suit production lines operating balance and digital management[D]. Shanghai: Donghua University, 2010: 24-34.

[5] 王東云，劉惠琴，胡洛燕，等．基于遺傳算法服裝縫紉調(diào)度技術(shù)的研究[J]．紡織學(xué)報，2003, 24(5): 52-54．

WANG Dongyun, LIU Huiqin, HU Luoyan, et al.Research on garment sewing scheduling technology based on genetic algorithm[J]. Journal of Textile Research, 2003, 24(5): 52-54.

[6] OZBAKIR L, BAYKASOGLU A, GORKEMLI B, et al. Multiple-colony ant algorithm for parallel assembly line balancing ploblem[J]. Applied Soft Computing, 2011, 11(3): 3186-3198.

[7] 孟哲，王紅軍.基于Flexsim的混合流水線系統(tǒng)仿真與優(yōu)化研究[J].組合機床與自動化加工技術(shù)，2015(1): 142-145.

MENG Zhe, WANG Hongjun.Simulation and Optimization of the mixed assembly line based on flexsim software[J]. Modular Machine Tool & Automatic Manufacturing Technique, 2015(1): 142-145.

[8] 于昕辰.服裝生產(chǎn)管理系統(tǒng)縫紉流水線平衡優(yōu)化與仿真的研究[D].上海：東華大學(xué), 2013: 70-91.

YU Xinchen. Research on the optimization and simulation of garment production management system[D]. Shanghai: Donghua University, 2013: 70-91.

[9] 劉謠.基于Promodel仿真系統(tǒng)的服裝混合流水線平衡優(yōu)化[D].上海：東華大學(xué)，2015: 37-49.

LIU Yao. Clothing mixed-model assembly line balancing and optimization based on promodel simulation system[D]. Shanghai: Donghua University, 2015: 37-49.

[10] 楊以雄.服裝生產(chǎn)管理[M].上海：東華大學(xué)出版社，2011: 233.

YANG Yixiong. Fashion Manufacture Management[M]. Shanghai: Donghua University Press, 2011:233.