服裝單件流水線的Flexsim仿真

孫影慧， 杜勁松,2

(1. 東華大學 服裝與藝術設計學院， 上海 200051； 2. 東華大學 現代服裝設計與技術教育部重點實驗室， 上海 200051)

服裝單件流水線生產方式一直備受服裝生產企業的重視，該加工方式強制要求員工以固定的方式生產，并且工位間協同生產、相互督促保證了該生產方式的高效性。在實際生產中，產品在直線或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場管理至關重要[1]。通常流暢的生產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、等待等現象。有學者通過對工序拆分組合[2]和流水線平衡設計[3]來解決上述問題，或者借助遺傳算法[4-5]和蟻群算法[6]等優化算法來對流水線進行平衡優化，上述文獻大都針對工序平衡進行研究，未對流水線的優化進行驗證和提前預判。

在實際生產中，影響單件流生產的因素很多，如員工疲勞、情緒、機器故障等因素是隨機出現的，又如員工技能、熟練程度、工藝復雜程度等是客觀存在的，所以需要循序漸進的優化。能夠準確地對生產線進行預判可提高優化效率，如借助Flexsim仿真軟件對流水線進行仿真優化[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，Flexsim功能更全面，簡單易操作，同時Flexsim非常方便與Excel表格數據進行連接，便于在Excel表中讀取大量的測試位參數[10]。

本文在對濟寧汶上縣某服裝企業調研的基礎上，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平衡和生產效率的影響。

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狀態，依據人員的技能水平可以對人員進行等級劃分，技能等級越高，越能熟練地完成復雜的工序。

人員技能水平直接影響著流水線的生產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

技能水平主要體現在對工序的了解和操作的熟練性，如伸、抓、移、對、按、翻等作業動作的熟練程度。通常工程人員依據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雜工序，低技能的工人分配簡單的工序，也便于根據工位的需求來合理安排作業工人。

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象出現。

服裝單件流水線是以固定的節拍運轉傳輸裝置(如流水槽、傳輸帶等)，要求工人強制跟上生產線平均節拍，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，而在單件流水線上應盡量安排技能水平在C等級以上的員工，并且應合理搭配不同技能等級的員工，如根據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 生產線編制

1.2.1工序難度系數

由于服裝縫制工序的難度不同，工程部門依據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線上各工序或作業量分配的平衡度系數[10]。其計算公式如下：

式中:E為編制效率，%；PSPT為平均節拍；Pmax為瓶頸節拍。

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拍±5%之內，以確保流水線的暢通。

2 服裝單件流水線Flexsim仿真建模

2.1 結構建模

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：分發裁片工位1個，加工工位n個，加工設備m個(包括平縫機、特種機、燙臺等)，質檢工位1個。班組長和流動質檢人員負責實時監督和解決流水線中出現的問題。

借助Flexsim仿真軟件對服裝單件流進行仿真模擬，主要包括7個內容:1)模型概念設定；2)模型布局，根據工位排布進行模型布局；3)模型邏輯，也是設定在制品的傳遞路徑；4)參數設置，對各工位進行參數設置；5)模型運行；6)結果輸出與分析；7)優化與再運行。

在實際生產中會出現生產不平衡現象，主要表現在流水線空槽流動、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化平衡?；贔lexsim軟件建立服裝單件流水線優化仿真過程的結構模型，如圖2所示。第1部分是Flexsim流水線仿真，根據服裝單件流水線的生產情況，完成流水線模擬仿真，其中發生器、暫存區都是仿真軟件中的實體，用來模擬流水線的工位；第2部分是流水線優化，針對仿真流水線出現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化，優化后的流水線再次在Flexsim中仿真模擬，這樣流水線的優化是一個“仿真—優化—仿真—優化”的循環過程，最終使得流水線生產更平衡，更流暢。

圖2 服裝單件流水線結構模型Fig.2 One-piece flow garment assembly line structure model

2.2 運行參數設置

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

μ=A

t/α

Φ(μ)

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

設置μ=A，說明工人作業熟練度穩定，波動不大的情況下選擇此種方法設置加工時間。

設置μ=t/α，說明加工時間是由額定工時和員工的生產效率決定的，如工人的生產效率為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時間應在節拍倍數的±5%范圍波動，所以用正態分布函數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)約為該正態分布函數的90%置信區間；當μ≤M時，μ～N(μ，9)，此時(0.95μ，1.05μ)也約為該正態分布函數的90%置信區間。

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

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

3 仿真模型單件流水線優化應用

3.1 實驗步驟

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

工序分配表如表4所示,出產量記錄如表5所示。根據工人數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、設備、工時等信息，并根據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，目標日產量270件，實際日產量(230±5)件，此單件流水線平均節拍為133 s，工序編制效率為75.6%，生產效率為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時間，對每個工位進行了12次作業時間測定，并借助Stat Fit分布擬合軟件對測量的12次作業時間進行分析，得到各工位加工時間的分布函數，將分布函數用來對加工時間進行設定。運行結果包括Flexsim summary report中的日產量和在Flexsim state report中的各工位的作業、空閑、堵塞等的狀態結果。表6示出其作業狀態。

表5 產量記錄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作業時間為148 s，而工位5作業時間只有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個工位的作業時間都較接近平均節拍。

工位11中的工序54可單獨加工，因此把工序54轉移到工位15，從而消除了工位11的瓶頸狀態。工位18中的工序47可和機縫工序組合，將工序47轉移到工位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轉移到工位15消除了瓶頸狀態。優化后的工序分配如表7所示。

平衡優化后對單件流水線進行再次仿真，得到流水線的日產量，如表8所示。

各工位的運行狀態如表9所示，大部分工位的空閑時間占比都控制在3%～7%之內，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，所以前、后工位很難用互助作業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。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 作業狀態表Tab.6 Production status table

表7 優化后工序分配Tab.7 Optimized process allocation

表8 優化方案的產量記錄Tab.8 Production record of optimization scheme

表9 優化后作業狀態表Tab.9 Production status table of optimization scheme

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

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

表11 優化前后作業狀態Tab.11 Job status before and after optimization

3.2 實驗分析

由實驗1可知，仿真出來的日產量為231件，穩定在(230±5)件范圍內，能夠較準確地反映實際生產情況。而且除工位17之外，各工位的運行空閑時間占作業時間的比例較小，基本在3%～7%范圍內。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。

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

圖4 優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。流水線日產量為236件，生產效率達到87.4%，生產更加流暢，。

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%，生產效率由85%提高到87.4%，提高了2.4%，生產平衡指標值如表12所示。

表12 生產平衡指標值Tab.12 Indexes of production balance

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

4 結 論

1)由于服裝單件流水線生產按固定的節拍傳遞，所以影響服裝單件流水線生產效率的因素很多，其中合理安排工作人員和作業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，可提前預判流水線編排的效果，并且在預定優化目標的前提下，經過消除瓶頸工位，循序漸進地優化生產流水線的工序編排，可使流水線生產效率不斷得到提升。

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