基于Flexsim的西裝單件流水線優(yōu)化仿真

周 穎，閆亦農(nóng),2，李融融

(1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 輕工與紡織學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010062；2.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 蒙古族服飾文化傳承與創(chuàng)新設(shè)計(jì)研究所，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010062)

隨著服裝市場(chǎng)的不斷發(fā)展，服裝生產(chǎn)越來(lái)越趨向于數(shù)字化、智能化，以滿足當(dāng)前小批量、多品種、高質(zhì)量、短交貨期的市場(chǎng)需求。在服裝單件流水線中，最重要的是生產(chǎn)效率。生產(chǎn)效率主要取決于流水線工序編排的平衡，流水線工序編排不合理，會(huì)導(dǎo)致流水線生產(chǎn)中出現(xiàn)等待、瓶頸、工序編制效率低等生產(chǎn)現(xiàn)象，從而使生產(chǎn)周期延長(zhǎng)、生產(chǎn)效率降低。在實(shí)際生產(chǎn)中，制品傳遞方式相對(duì)固定時(shí)，通常為直線型流水線、U型流水線或平行流水線，因此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究大多是對(duì)服裝單件流水線的工序編制和生產(chǎn)管理方法的探究。蔡鈺茹[1]通過(guò)對(duì)服裝流水線現(xiàn)狀進(jìn)行梳理，提出服裝企業(yè)應(yīng)用精益生產(chǎn)的可行性，并提出相應(yīng)優(yōu)化方案；許麗麗[2]通過(guò)工序拆分重組達(dá)到了內(nèi)衣生產(chǎn)流水線平衡；宋瑩[3]從影響服裝流水線生產(chǎn)效率因素入手，構(gòu)建了服裝流水線影響因素評(píng)價(jià)體系；胡少營(yíng)等[4]針對(duì)服裝流水線普遍存在的“起步損失”問(wèn)題，構(gòu)建了生產(chǎn)節(jié)拍和生產(chǎn)天數(shù)之間的熟練率模型；孫影慧等[5]利用建立的仿真優(yōu)化模型對(duì)服裝單件流水線進(jìn)行仿真研究；趙冉[6]針對(duì)目前我國(guó)服裝企業(yè)工時(shí)計(jì)算不完善的問(wèn)題，進(jìn)行服裝生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)工時(shí)制定的研究；閆亦農(nóng)[7]利用模塊化優(yōu)化技術(shù)，將服裝生產(chǎn)中關(guān)聯(lián)性較強(qiáng)的部分劃分為模塊進(jìn)行重構(gòu)優(yōu)化；還有國(guó)內(nèi)外其他學(xué)者借助遺傳算法[8-9]、蟻群算法[10-11]、粒子群算法[12]等智能優(yōu)化算法對(duì)服裝流水線進(jìn)行智能編排，用計(jì)算機(jī)代替人工，提高了服裝生產(chǎn)效率。

近年來(lái)提出了不少提高服裝生產(chǎn)效率的方法，但是大多針對(duì)影響服裝生產(chǎn)流水線的單一問(wèn)題進(jìn)行研究，本文通過(guò)平衡優(yōu)化加仿真的方法，在對(duì)W公司調(diào)研的基礎(chǔ)上，選取該公司生產(chǎn)的一款西裝進(jìn)行實(shí)例分析，通過(guò)對(duì)影響西裝生產(chǎn)線平衡的多種因素的綜合分析，根據(jù)工序重構(gòu)優(yōu)化原則，對(duì)W公司吊掛流水線進(jìn)行重構(gòu)優(yōu)化，利用Flexsim仿真軟件提前預(yù)判流水線的日產(chǎn)量，各工位的作業(yè)空閑、堵塞等的狀態(tài)結(jié)果和生產(chǎn)效率，在此基礎(chǔ)上對(duì)生產(chǎn)線再次進(jìn)行實(shí)際改進(jìn)與優(yōu)化，提升編排效率，促進(jìn)服裝生產(chǎn)企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

1 服裝流水線影響因素

1.1 人員技術(shù)水平

人員技術(shù)水平是工人在多次操作不同工序時(shí)達(dá)到的一種最佳操作狀態(tài)，如伸、抓、對(duì)、移、翻、按等動(dòng)作的熟練程度，操作熟練程度直接影響服裝生產(chǎn)效率。由于同一工序會(huì)因?yàn)槿藛T技術(shù)水平不同而有所不同，工人技術(shù)水平通常分為4個(gè)技術(shù)等級(jí)，如表1所示。人員技術(shù)水平的劃分便于根據(jù)工序需求合理安排作業(yè)工人，更合理高效地利用人力資源，避免出現(xiàn)制品積壓、工位空閑和批量返工等現(xiàn)象。

表1 工人操作技術(shù)等級(jí)Tab.1 Worker operating skill level

1.2 工序編排

工序編排的平衡程度直接影響服裝流水線的生產(chǎn)效率。工序編排方案要考慮工序難易程度和復(fù)雜程度，工序難易程度和復(fù)雜程度主要由工序的工時(shí)體現(xiàn)。一般來(lái)說(shuō)，難度越大、越復(fù)雜的工序工時(shí)就越長(zhǎng)。服裝生產(chǎn)流水線平衡評(píng)價(jià)指標(biāo)是評(píng)價(jià)服裝生產(chǎn)流水線工序編排是否達(dá)到優(yōu)化的重要指標(biāo)，理論平均節(jié)拍(SPT)、編制效率(η)、均衡指數(shù)(SI)是生產(chǎn)流水線平衡的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)，其計(jì)算公式分別為：

(1)

(2)

(3)

式中：SPT為理論平均節(jié)拍,s；N為作業(yè)工人數(shù),人；T為1天作業(yè)的總時(shí)間,s；k為流水線的工序數(shù),個(gè)；ti為第i道工序作業(yè)時(shí)間,s；Q為日產(chǎn)量,件；η為編制效率,%；SPTmax為瓶頸節(jié)拍,s；SPTi為第i個(gè)工作地的節(jié)拍,s；SI為均衡指數(shù)。

1.3 設(shè)備布局

設(shè)備布局應(yīng)盡可能符合服裝流水線工位布局，設(shè)備擺放位置應(yīng)與流水線流程流向一致。設(shè)備是一個(gè)籠統(tǒng)的概念，具體到特定的工序，雖然所用設(shè)備屬于同一類，但卻是不同的設(shè)備，所以在編排工序時(shí)，要考慮設(shè)備種類的多樣性，與工序需求匹配，即設(shè)備的種類和數(shù)量要保證能夠完成服裝流水線生產(chǎn)，盡量減少一人多機(jī)的數(shù)量，減少無(wú)用時(shí)間消耗，從而提高生產(chǎn)效率。

2 W公司西裝生產(chǎn)線優(yōu)化前的作業(yè)分析

2.1 W公司西裝生產(chǎn)線信息

W公司是內(nèi)蒙古自治區(qū)專業(yè)從事西裝設(shè)計(jì)、制作的知名企業(yè)，服裝流水線生產(chǎn)模式采用捆扎式和服裝吊掛系統(tǒng)相結(jié)合的生產(chǎn)方式。本文以一款男西裝為實(shí)例進(jìn)行分析。此款西裝為六開身休閑西裝，單排2?？?，有2個(gè)里兜、大兜和手巾袋，無(wú)開衩、有袖衩，不同于傳統(tǒng)西裝，具有休閑及運(yùn)動(dòng)性，西裝款式圖如圖1所示。W公司生產(chǎn)的此款休閑西裝不同于傳統(tǒng)西裝，工藝步驟相對(duì)簡(jiǎn)單，生產(chǎn)流程如圖2所示。此西裝生產(chǎn)線共有50道工序，其中第46道工序最為耗時(shí)，第3道工序最省時(shí)，各工序工時(shí)已包括作業(yè)的浮余時(shí)間。

2.2 W公司西裝生產(chǎn)作業(yè)現(xiàn)狀

對(duì)W公司西裝生產(chǎn)作業(yè)調(diào)研可知，西裝單件生產(chǎn)線上作業(yè)人員數(shù)為13人，日工作時(shí)間10 h，西裝流水線日產(chǎn)量58件，W公司優(yōu)化前工序與作業(yè)人員工位分配表如表2所示。

圖1 西裝款式圖Fig.1 Diagram of suit style

圖2 西裝工序流程圖Fig.2 Flowchart of suit process

表2 優(yōu)化前工序與工位分配表Tab.2 Process and station allocation table before optimization

由表2可知，單件西裝流水線作業(yè)時(shí)，每件服裝的總加工時(shí)間為3 041 s，瓶頸在工位2和工位5，根據(jù)式(1)～(3)，結(jié)合表2數(shù)據(jù)可知，優(yōu)化前平均節(jié)拍SPT為233 s，編制效率η為41%，均衡指數(shù)SI為41.0。

2.3 優(yōu)化前生產(chǎn)流水線的作業(yè)分析

由表2可知，大多數(shù)的工位作業(yè)時(shí)間與平均節(jié)拍數(shù)值偏差較大，影響流水線的生產(chǎn)平衡，優(yōu)化前的編制效率η為41%，遠(yuǎn)低于服裝單件流水線編制效率大于85%才能投入生產(chǎn)的要求[13]，導(dǎo)致企業(yè)的生產(chǎn)效率偏低。

依據(jù)服裝單件流水線影響因素對(duì)W公司生產(chǎn)作業(yè)情況進(jìn)行分析，W公司生產(chǎn)流水線主要存在的問(wèn)題有：①此服裝屬于新產(chǎn)品，生產(chǎn)人員對(duì)該產(chǎn)品工序不熟練，技術(shù)不穩(wěn)定；②西裝流水線上的人員工序分配沒(méi)有根據(jù)工序難易程度和工人技術(shù)水平及擅長(zhǎng)的工序合理安排工人，未發(fā)揮出工人的最大能力；③流水線工序編排沒(méi)有按照工序編排原則，只是根據(jù)組長(zhǎng)經(jīng)驗(yàn)大概編排，工序編排不合理，導(dǎo)致不同工位的節(jié)拍差距過(guò)大；④流水線設(shè)備布局不合理，增加了浮余時(shí)間，沒(méi)有使吊掛系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)最大化，影響了實(shí)際生產(chǎn)時(shí)的編制效率。

3 服裝單件流水線重構(gòu)優(yōu)化

3.1 工序重構(gòu)優(yōu)化原則

W公司采用的是吊掛系統(tǒng)，結(jié)合吊掛系統(tǒng)生產(chǎn)特點(diǎn)，工序重構(gòu)優(yōu)化原則如下：

①先部件后組裝，連續(xù)加工的工序最好分配在相同的工位中，相同設(shè)備工序最好放在一起做。

②工序合并時(shí)，工位內(nèi)各工序之間及各個(gè)工位之間應(yīng)盡量符合各工序的并列和先后加工順序,以避免在生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)制品逆流跳躍現(xiàn)象。

③每個(gè)工位的實(shí)際作業(yè)時(shí)間應(yīng)盡可能符合流水線生產(chǎn)平均節(jié)拍或平均節(jié)拍的倍數(shù)，以確保作業(yè)的均衡性。

④對(duì)于節(jié)拍太大或太小的工序，如果作業(yè)工序復(fù)雜、又受到前后加工順序的限定，不容易按比例分配時(shí)，可以將多個(gè)工序組合，使其作業(yè)時(shí)間基本接近有效平均節(jié)拍的倍數(shù)，將其分給2～3個(gè)工位協(xié)作完成，使每個(gè)工位作業(yè)時(shí)間在節(jié)拍界限內(nèi)。

⑤對(duì)生產(chǎn)工序進(jìn)行優(yōu)化重組時(shí)，每個(gè)工位的作業(yè)時(shí)間應(yīng)在節(jié)拍界線[LPT,UPT]內(nèi)(其中LPT=2SPT-UPT，UPT=SPT/0.9)。

⑥設(shè)備布局要盡可能符合服裝流水線工位布局，考慮設(shè)備擺放與吊掛系統(tǒng)流水線流程流向的關(guān)系，減少無(wú)用時(shí)間消耗。

3.2 西服單件流水線的優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)工序重構(gòu)優(yōu)化原則，對(duì)工序進(jìn)行重新拆分和重組，重新編制流水線。

首先，在工序編排方面，根據(jù)工序重構(gòu)優(yōu)化原則對(duì)西裝生產(chǎn)工序進(jìn)行重新編排，每個(gè)工位節(jié)拍要在節(jié)拍界線范圍內(nèi)。

其次，在人員分配方面，組長(zhǎng)根據(jù)每位工人的技能水平和擅長(zhǎng)的工序難易程度合理安排工人，做到位得其人，人盡其才，適才適所，人事相宜。

再次，在設(shè)備布局方面，當(dāng)一人多機(jī)或幾個(gè)工人共用一臺(tái)設(shè)備時(shí)，由于廠內(nèi)設(shè)備可以移動(dòng)，應(yīng)盡可能合理分配設(shè)備，減少浮余時(shí)間。

根據(jù)以上方法進(jìn)行生產(chǎn)流水線的優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化后的工序與作業(yè)人員工位分配表如表3所示。

表3 優(yōu)化后工序與工位分配表Tab.3 Optimized process and station allocation table

3.3 優(yōu)化后生產(chǎn)流水線的作業(yè)分析

由表3可知，重構(gòu)優(yōu)化后的西裝單件流水線上工人數(shù)為12人，根據(jù)式(1)可知，優(yōu)化后平均節(jié)拍SPT為253 s，根據(jù)工序重構(gòu)優(yōu)化原則可知節(jié)拍界線為(225，281)，結(jié)合表3可見每個(gè)工位的作業(yè)時(shí)間都在節(jié)拍界線(225，281)內(nèi)；根據(jù)式(2)(3)，優(yōu)化后工序編制效率η為92%，均衡指數(shù)SI為2.2，滿足生產(chǎn)要求，但是為了提前預(yù)判優(yōu)化后生產(chǎn)流水線實(shí)際生產(chǎn)情況，預(yù)測(cè)實(shí)際生產(chǎn)中可能存在的問(wèn)題，利用Flexsim仿真軟件進(jìn)一步模擬仿真。

4 服裝單件流水線Flexsim仿真設(shè)計(jì)

4.1 結(jié)構(gòu)建模

在實(shí)際生產(chǎn)中，運(yùn)用虛擬仿真技術(shù)對(duì)服裝單件流水線進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)判可提高優(yōu)化效率。虛擬仿真是指通過(guò)仿真軟件對(duì)構(gòu)建的模型或系統(tǒng)進(jìn)行虛擬運(yùn)行，以反映和預(yù)測(cè)在現(xiàn)實(shí)中可能出現(xiàn)的問(wèn)題。虛擬仿真在生產(chǎn)制造領(lǐng)域的應(yīng)用較為廣泛，主要有以下幾個(gè)方面：生產(chǎn)流程設(shè)計(jì)、工序編排、瓶頸工序分析和生產(chǎn)資源調(diào)度等[14]。Flexsim作為一種通用性極高的仿真軟件，具有成本低、運(yùn)算周期短、模擬能力強(qiáng)、操作簡(jiǎn)單、數(shù)據(jù)易讀取等特點(diǎn)。

針對(duì)服裝企業(yè)生產(chǎn)中普遍存在的邊生產(chǎn)邊改進(jìn)，主要表現(xiàn)為在制品積壓、工位空閑等問(wèn)題，本文基于Flexsim軟件對(duì)服裝單件流水線進(jìn)行優(yōu)化仿真設(shè)計(jì)，如圖3所示。圖中第1部分是Flexsim服裝生產(chǎn)流水線仿真，根據(jù)服裝單件流水線的生產(chǎn)情況，完成服裝生產(chǎn)線模擬仿真，其中發(fā)生器、暫存區(qū)、處理器、吸收器都是仿真軟件中的實(shí)體，發(fā)生器用來(lái)模擬發(fā)片區(qū)，吸收器用來(lái)存放成衣，處理器和暫存區(qū)用來(lái)模擬實(shí)際服裝生產(chǎn)線中的工位數(shù)量與位置，并對(duì)工位生產(chǎn)時(shí)間等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，運(yùn)輸系統(tǒng)的方向?yàn)樵谥破穫鬟f路徑；第2部分是根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)提前預(yù)判服裝單件流水線的日產(chǎn)量、生產(chǎn)效率、各工位作業(yè)狀態(tài)等生產(chǎn)情況，如果對(duì)流水線生產(chǎn)情況不滿意，針對(duì)仿真流水線中出現(xiàn)的問(wèn)題，根據(jù)服裝流水線影響因素進(jìn)行流水線優(yōu)化，優(yōu)化后的流水線再次在Flexsim中模擬仿真，流水線仿真優(yōu)化是一個(gè)“仿真—優(yōu)化—仿真—優(yōu)化”的過(guò)程，直到得到最佳效率的服裝單件生產(chǎn)流水線。

圖3 基于Flexsim軟件的服裝生產(chǎn)仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)圖Fig.3 Design diagram of clothing production simulation optimization based on Flexsim software

4.2 Flexsim仿真優(yōu)化實(shí)驗(yàn)

利用Flexsim軟件對(duì)優(yōu)化后的西裝單件流水線進(jìn)行模擬仿真，結(jié)合吊掛流水線特點(diǎn)，日工作時(shí)間為10 h，運(yùn)行時(shí)間設(shè)置為36 000 s，傳遞時(shí)間設(shè)置為0，說(shuō)明拿、取在制品時(shí)間包含在工時(shí)里，各工位加工時(shí)間主要是對(duì)處理器加工時(shí)間進(jìn)行設(shè)置，并根據(jù)在制品傳遞路徑進(jìn)行仿真模擬，仿真模型如圖4所示。

因?yàn)楣の?、6，工位7、8、9是協(xié)作完成相同組合工序，所以處理器4臨時(shí)實(shí)體流發(fā)送至端口設(shè)置為“循環(huán)”，分別向工位5和工位6依次發(fā)送衣片，暫存區(qū)7臨時(shí)實(shí)體流發(fā)送至端口設(shè)置為“循環(huán)”，分別向工位7、工位8和工位9依次發(fā)送衣片，其他實(shí)體臨時(shí)實(shí)體流發(fā)送至端口設(shè)置為“第1個(gè)可用”。

仿真結(jié)果包括日產(chǎn)量和空閑時(shí)間、操作時(shí)間占比。仿真結(jié)果為，優(yōu)化后西裝單件流水線日產(chǎn)量Q為121件，優(yōu)化后各工位作業(yè)狀態(tài)如表4所示。

圖4 西裝單件流水線仿真模型Fig.4 Simulation model of suit single piece pipeline

表4 優(yōu)化后作業(yè)狀態(tài)表Tab.5 Operation status table after optimization %

由優(yōu)化后生產(chǎn)流水線的作業(yè)分析可知，優(yōu)化后生產(chǎn)流水線符合投入生產(chǎn)要求，但是由表4可知，個(gè)別工位的空閑時(shí)間占比較大，如工位2空閑時(shí)間占比為13.44%，因此有必要對(duì)該工位的工人或加工工序進(jìn)行優(yōu)化重組，即讓工位空閑時(shí)間占比較少的工位上的工人，協(xié)助工位空閑時(shí)間占比較多的工人完成生產(chǎn)任務(wù)，減少生產(chǎn)中的等待和積壓現(xiàn)象。

從表3看出：工位1屬于瓶頸工位，工位2節(jié)拍為240 s，與流水線平均節(jié)拍相比，有13 s的浮余時(shí)間，將工位1的工序18分配到工位2；工位3的節(jié)拍為270 s，與平均節(jié)拍差值為17 s，說(shuō)明該工位存在在制品積壓，將工位3的工序24分配到工位4，再將工位4的工序35分配到工位5和工位6，使各個(gè)工位的作業(yè)時(shí)間接近平均節(jié)拍，仿真優(yōu)化后工序與工位分配情況如表5所示，仿真優(yōu)化后各工位作業(yè)狀態(tài)如表6所示。

4.3 實(shí)驗(yàn)分析

通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)可知，用Flexsim軟件進(jìn)行模擬仿真首先要建立西裝單件流水線，根據(jù)日產(chǎn)量和各工位作業(yè)狀態(tài)，對(duì)工序或工人進(jìn)行互相兼顧、優(yōu)化重組，減少生產(chǎn)中的工位空閑和積壓現(xiàn)象。仿真優(yōu)化后結(jié)果為，工序編制效率η由92%提高為95%，均衡指數(shù)SI由3.5減少為2.2，日產(chǎn)量Q由121件增加為124件,各工位的操作時(shí)間占比在85%以上，較重構(gòu)優(yōu)化后均有所改善，能夠較準(zhǔn)確地反映實(shí)際生產(chǎn)情況。在不改變現(xiàn)有生產(chǎn)條件下，優(yōu)化后流水線滿足了生產(chǎn)平衡。如還需對(duì)該流水線做進(jìn)一步優(yōu)化，可以通過(guò)改變現(xiàn)有的生產(chǎn)條件，如從配置自動(dòng)設(shè)備、提高整體人員技能和優(yōu)化加工工藝等方面進(jìn)行優(yōu)化。

表5 仿真優(yōu)化后工序與工位分配表Tab.5 Process and station allocation table after simulation optimization

表6 仿真優(yōu)化后作業(yè)狀態(tài)表Tab.6 Operation status table after simulation optimization %

5 結(jié) 論

①本文根據(jù)工序重構(gòu)優(yōu)化原則，結(jié)合W公司的實(shí)際生產(chǎn)作業(yè)狀況，對(duì)W公司西裝生產(chǎn)流水線進(jìn)行優(yōu)化，W公司編制效率由41%提高到95%，工人數(shù)由13人減少為12人，均衡指數(shù)由41.0減少為2.2，日產(chǎn)量由58件提高到124件。

②使用Flexsim軟件對(duì)優(yōu)化后的西裝單件流水線進(jìn)行模擬仿真，利用Flexsim提前預(yù)判了優(yōu)化后生產(chǎn)情況，為實(shí)際生產(chǎn)中生產(chǎn)管理提供參考依據(jù)，研究結(jié)果表明優(yōu)化后的作業(yè)線提高了企業(yè)的生產(chǎn)和管理效率，符合服裝精益生產(chǎn)要求。