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指標

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指標，采用指數(shù)化分析和相關(guān)性分析對評價指標進行研究。在梳理平衡度和生產(chǎn)效率評價指標及計算方法的基礎(chǔ)上，提出了能夠體現(xiàn)服裝縫制流水線生產(chǎn)特點的仿真建模方法。利用所建立的模型，對T恤衫生產(chǎn)線進行了仿真實踐，并探究了各項平衡度指標之間以及這些指標與生產(chǎn)效率的關(guān)系，分析了各項平衡度指標在生產(chǎn)效率評價方面的準確性、適用性和互替性，提出了可用于評價流水線編制方案的平衡度指標。

服裝縫制； 評價指標； 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)計方法對服裝縫制流水線編制方案進行評價，流水線平衡度指標可對流水線的編制效率進行量化計算，可用來檢驗具體編制方案的縫制工位之間負荷均勻程度。目前，普遍使用的指標有編制效率、平衡延滯和損失系數(shù)、作業(yè)時間方差等[1-2]。這些指標計算方便，并可間接地反映生產(chǎn)效率，而實際流水線的生產(chǎn)效率主要由產(chǎn)量和資源利用率2個指標反映，并通過流水線的運行結(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)效率評價指標及計算方法的基礎(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)線進行實證分析，運用公式計算和生產(chǎn)線仿真建模的方法獲得流水線的評價指標數(shù)據(jù)，探究各項平衡度指標對生產(chǎn)效率反映的準確性、一致程度和靈敏度，分析它們的適用特點與不足。

1 服裝縫制流水線評價指標分析

在進行仿真研究以前，先對服裝縫制流水線的評價指標進行分析。在生產(chǎn)管理實踐中，服裝縫制流水線的評價指標分為2類：平衡度指標和生產(chǎn)效率指標。

1.1 平衡度指標

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，可采用工時平均偏差率、作業(yè)時間方差、編制效率、平衡延滯和損失系數(shù)、均衡指數(shù)等指標進行評價。

1.1.1 工時平均偏差率

工時平均偏差率關(guān)注工作地的標準作業(yè)時間與流水線標準節(jié)拍的偏差，計算公式如下：

(1)

式中：V為工時平均偏差率；Pn為工作地的標準作業(yè)時間，min，n為對應(yīng)的工作地編號；B為標準節(jié)拍時間，min；P為單件產(chǎn)品總工時，min。

1.1.2 作業(yè)時間方差

作業(yè)時間方差[2]反映了各工作地的標準作業(yè)時間與流水線平均節(jié)拍的偏離程度，計算公式如下：

(2)

式中：D為作業(yè)時間方差；N為工作地數(shù)。

1.1.3 編制效率

流水線的編制效率又稱流水線的負荷系數(shù)[10]，其計算公式如下：

(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]是以損失時間為研究對象的指標，計算公式如下：

(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用來評價流水線的負荷平衡[10]，計算公式如下：

(6)

1.2 生產(chǎn)效率指標

描述生產(chǎn)效率的性能指標包括產(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

單位時間的產(chǎn)量是評價生產(chǎn)效率的重要指標,用統(tǒng)計量Q表示某個時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)的時間占生產(chǎn)總時間的比例。

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)運行周期：

(8)

式中：U為資源利用率；T為生產(chǎn)時間。

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個方面進行。

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。生產(chǎn)線上的物料用黑色圓點表示,物料以衣片的形式在流水線開端等待并依次進入縫制流水線，通過傳送設(shè)備(圖中以帶箭頭的虛、實線表示)以半成品的形式在流水線運行過程中依次移動，按順序流經(jīng)各工位，如果半成品到達時工位是空閑的，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，進行一個先進先出的隊列等待。經(jīng)過檢驗工序的時候，出現(xiàn)2種情況：檢驗合格，繼續(xù)下一道工序；檢驗不合格，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； 黑色圓點表示生產(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、傳送時間、加工時間等參數(shù)進行設(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)為隨機分布；而傳送批量、傳送時間、加工時間依據(jù)流水線的實際情況可是常量也可來自隨機分布。如傳統(tǒng)捆扎式流水線中加工時間受到操作者技能水平和各種偶然因素的影響，標準加工時間在特定的數(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 運行參數(shù)設(shè)置Fig.2 Operating parameters setting

隨機輸入能有效地描述實際生產(chǎn)情況，而為使輸入的數(shù)據(jù)盡可能與實際接近且有效，采用如下的輸入分析過程：收集實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)，利用仿真軟件自帶功能進行數(shù)據(jù)擬合，找到與實際生產(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)用實例

以普通圓領(lǐng)T恤衫生產(chǎn)線作為應(yīng)用對象設(shè)計實驗。

3.1 實驗步驟

實驗過程分流水線編排、評價指標獲取和數(shù)據(jù)分析3大步驟，實驗流程如圖3所示。

注：ECRS技巧為對生產(chǎn)工序進行優(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 實驗流程圖Fig.3 Experiment flow chart

首先，進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計算公式計算流水線平衡度指標，通過仿真模型運行模擬實際生產(chǎn)，獲取生產(chǎn)效率指標值。最后，對獲得的數(shù)據(jù)結(jié)果分別進行指數(shù)化分析和相關(guān)度檢驗，得出最終結(jié)論。

3.2 實驗過程與數(shù)據(jù)

以普通圓領(lǐng)T恤衫為實驗應(yīng)用對象，其工序時間表如表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]。本例由計劃日產(chǎn)量和輪班方式計算出標準節(jié)拍時間，然后確定縫制流水線的工位安排和人員、設(shè)備配置。

該流水線的計劃日產(chǎn)量為1 000 件，每天工作時間為8 h，可得標準節(jié)拍時間為0.48 min/件，計算公式如下：

表1 工序時間表Tab.1 Operation time

注：a表示包縫機；b表示平縫機；c表示繃縫機。

B=H/Qd

(9)

式中：Qd為計劃日產(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)計了相同工作地數(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中平衡度指標計算公式計算得出的各項平衡度指標值。其中，工時平均偏差率相同，編制效率指標依次變大，其余平衡度指標值逐漸降低。其中生產(chǎn)效率與損失系數(shù)的指標值之和近似于1。

按照本文第2部分所述建立仿真模型，運行結(jié)果所得生產(chǎn)效率指標值如表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個工位加工，**表示該工序被分配到3個工位加工；a、b、c旁邊的數(shù)字為對應(yīng)類型設(shè)備的編號。

表3 平衡度指標值Tab.3 Line balancing measurement indexes

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

3.3 實驗數(shù)據(jù)處理與分析

實驗數(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 平衡度指標分析

各項平衡度指標數(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)致工時平均偏差率相同，利用指數(shù)化公式計算時分母為0，故不納入指數(shù)化分析。圖4示出平衡度指標指數(shù)化處理后的趨勢折線圖。其中，生產(chǎn)效率指標值用1與生產(chǎn)效率指標值的差代替，因為生產(chǎn)效率與其他指標變化趨勢相反，并且生產(chǎn)效率與損失系數(shù)計算公式相加近似于1。除V不變以外，其他指標呈現(xiàn)相對一致的變化趨勢，尤其是1-E和A，S和L。

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

3.3.2 平衡度指標與生產(chǎn)效率關(guān)系分析

通過計算指標間的相關(guān)系數(shù)來檢驗平衡度與生產(chǎn)效率的相關(guān)性，計算結(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)性檢驗結(jié)果Tab.5 Correlation test results

4 結(jié) 論

1)平衡度指標對流水線負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平均偏差率一致。作業(yè)時間方差越小，各工作地作業(yè)時間波動越小，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，則表明流水線因為作業(yè)分配不均造成的時間損失越小。均衡指數(shù)越小，表明負荷平衡越小，若均衡指數(shù)為零,意味著負荷達到絕對平衡。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個平衡度指標具有相互可替代性，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)新資金資助項目(BY2012115)

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

TS 941.63

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