虛擬仿真視域下服裝單件流水線優化研究

摘要： 結合中國服裝產業信息化、智能化的發展現狀，文章以Flexsim虛擬仿真軟件為研究對象，并以一款中式真絲旗袍為例，通過建立Flexsim仿真優化模型，模擬設計出該款旗袍的虛擬仿真流水線，進行仿真運行，然后對運行結果進行數據分析，找出流水線中影響生產平衡率的瓶頸環節。在此基礎上采用ECRS法對流水線工序進行優化組合后，再次或多次進行仿真運行，直至得出瓶頸最小、生產平衡率最高的流水線編制，從而驗證Flexsim虛擬仿真軟件在服裝流水線生產過程中進行實際應用的可行性及普適性。

關鍵詞： 虛擬仿真;Flexsim軟件;旗袍;單件流水線;生產平衡率

中圖分類號： TS941.19

文獻標志碼： A

文章編號： 10017003（2021）01007207

引用頁碼： 011111

DOI： 10.3969/j.issn.1001-7003.2021.01.011（篇序）

Research on optimization of garment assembly line based on virtual simulation

SONG Ying

（College of Clothing and Textile， Eastern Liaoning University， Dandong 118003， China）

Abstract：

Combined with the development status of information and intelligence in Chinas garment， a piece of Chinese silk Cheongsam was studied by means of Flexsim virtual simulation software. Through the establishment of Flexsim simulation optimization model， a virtual simulation assembly line of the cheongsam was designed for the simulation. Then， the simulation results were analyzed to find out the bottleneck that affected the production balance rate in the assembly line. On this basis， ECRS method was used to optimize the assembly line process and run the simulation again or more times until the assembly line system with minimum bottleneck and the highest production balance rate was obtained so as to verify the feasibility and universality on the application of Flexsim in the production process of garment assembly line.

Key words：

virtual simulation; Flexsim software; cheongsam; one-piece garment assembly line; production balance rate

進入21世紀以來，全球服裝產業也進入了數字化和智能化的生產時代，先進的科學技術手段為服裝產業的發展提供了強有力的技術支持[1]，而中國的服裝產業工業化起步相對較晚，發展程度也相對落后，很多服裝企業尚不具備智能化生產水平，在生產過程中機器設備的擺放及人員安排多是根據以往的經驗與習慣進行配置，造成了生產資源浪費、生產平衡率低下的行業現狀。因此，服裝產業如何實現從傳統制造向智能制造的市場快速反應，利用虛擬仿真技術對整個生產流程進行設計，在企業投入生產之前通過仿真優化得出最高效的流水線設置，從而達到提高生產平衡率的目標，已經成為現代服裝企業亟需解決的重要難題。

針對生產平衡率的提高及虛擬仿真技術的應用研究，Bongomin Ocident等[2]利用位置權重的方法，以一款女褲為研究對象，通過建立有設備約束和無設備約束兩種流水線，對生產平衡率進行驗證得出位置權重法更適用于設備數量少且相同的流水線設置，并對應用虛擬仿真技術提高流水線生產平衡率提出研究建議。N Samattapapong[3]利用Flexsim虛擬仿真技術對倉庫物流生產線進行虛擬仿真優化，通過仿真運行后找出生產線瓶頸，并通過循環測試驗證了Flexsim虛擬仿真軟件在提高生產線效率中的可行性。Kayar等[4]對啟發式生產線平衡與仿真優化生產線平衡進行比較研究，并通過實例驗證得出兩種技術均可以有效提高生產線的生產平衡率。國內方面，孟哲等[5]利用虛擬仿真技術對企業的混合流水線進行多次優化仿真，通過對仿真優化數據的分析，確定出最佳的生產線方案，并通過實際運行證明了方案的高效性。張旭靖等[6]為提高服裝生產線作業平衡，以男襯衫為例利用遺傳算法對不同的工作地布置方式的生產線進行應用分析，建立生產線優化平衡模型，并通過仿真模型驗證了各布置方式生產線的可行性，從而降低企業生產成本。郭曉萍[7]利用ED軟件創建布局仿真模型，對工人作業疲勞度進行仿真驗證，通過對服裝工序進行拆分重組實現了縮短作業時間提高生產效率的研究目的。李克兢等[8]利用服裝各部位工藝參數創建生產模塊平衡數學模型并建立數據庫，通過對各關聯數據進行優化分析，設計開發出服裝快速生產系統，并對該系統的實用性與可行性進行有效驗證。于昕辰[9]通過蟻群算法利用ProModel虛擬軟件對生產線中的在制品數量、返修率和人工作業效率進行優化研究，并運用編程軟件研發出一套穩定的生產運行系統，對服裝企業安排生產起到了一定的指導意義。上述研究，均采用了先進的技術手段對提高服裝流水線的生產平衡率進行分析，并提出了有效建議，但是所進行的研究較多采用邊生產、邊驗證、邊改進的形式，缺少相應的產前預判;同時缺乏在服裝企業實際生產中運用精益生產理論，針對服裝單件流水線工序編制優化的專門性研究，而服裝單件流水線作為目前中國服裝企業應用最為普遍的一種生產形式，其各工序之間的編制是否合理，對該流水線的生產平衡率產生決定性影響。

針對這一現狀，本文與丹東市某絲綢服裝有限公司作為合作企業，以該公司的一款旗袍產品[10]為例，選取Flexsim虛擬仿真軟件為研究對象，借助虛擬仿真軟件對流水線的工序編制進行模擬設計及仿真運行。準確預判出旗袍單件流水線的生產線平衡率，并創新性地將虛擬仿真技術與精益生產方法相結合對流水線的工序的編制進行兼顧重組，通過循環優化的方式使流水線的生產平衡率得到提高，從而對Flexsim虛擬仿真軟件在服裝企業單件流水線生產中的可行性與普適性進行驗證。

1 Flexsim虛擬仿真軟件概況

1.1 Flexsim優勢特征分析

Flexsim作為一種PC Base數字虛擬企業的仿真系統，可

用來建立各種生產、物流及制造等模型，同時可在Windows 7、Windows 10及Vista等多種微軟作業平臺上進行3D全窗口化虛擬仿真操作。該虛擬仿真軟件具有極強的面向對象功能，是目前唯一一個能夠實現在圖形建模的過程中集成C++ IDE和編譯器的虛擬軟件[11]。在Flexsim的運行環境中，基于C++的程序設計可以用來直接定義模型執行路徑，且不會在編譯的過程中出現誤差，從而將復雜的用戶定義變量鏈接變得簡單且易操作。除此之外，Flexsim虛擬仿真軟件還具有強大的3D動畫功能。通過Flexsim虛擬仿真軟件對企業生產線布局與編制進行仿真建模，將所建立的仿真模型利用3D動畫的形式進行逼真展示即模擬運行，使運行的效果與結果最大程度上接近企業實際生產現狀。

1.2 Flexsim建模過程

在服裝企業的實際生產過程中，利用Flexsim仿真軟件進行結構建模主要包括Flexsim流水線仿真、流水線模擬運行及優化和優化結果驗證3個模塊，如圖1所示[12]。其中仿真模塊中的暫存區和發生器主要用于模擬企業實際生產時單件流水線中的工位編制與數量，并通過流水線模擬運行及優化模塊對運行結果進行分析研判，找出制約生產效率的瓶頸環節，并對其進行優化改進，最后在優化結果驗證模塊中對優化后的流水線生產平衡率進行模擬驗證。如果優化結論依舊不能滿足企業生產要求，可在Flexsim中再次或多次進行反復循環優化，形成“仿真—優化—仿真—優化”的再循環路徑，直至得到最佳效率的單件生產流水線[13]。

2 流水線現狀分析

流水線的工序編制是否合理是決定服裝流水線生產平衡率的關鍵因素。中國傳統的服裝生產流水線通常采用大批量的推動式生產流程，粗放式管理。流水線中的工序編制通常由流水線中的生產組長根據個人經驗進行隨機安排，而工人在拿到自己的生產任務后，通常只注重個人產量，對整個流水線中瓶頸工序或平衡狀況缺乏重視。因此，雖然個別工人效率很高，但是整條流水線的生產平衡率卻相對較低急需優化改善[14]。

2.1 服裝流水線優化現狀

目前中國服裝企業對流水線的優化在理論上主要是通過提出某種理論或方法，通過計算來驗證其可行性，缺乏可以直接進行可視化應用、與企業實際生產相結合的智能化技術手段。在實際生產方面，生產管理者由于缺乏足夠的數據支持與產前研判，只能通過在生產過程中，邊發現問題邊改進的方法對流水線進行優化，無法在產前及時有效的發現并解決問題、設置出最優流水線編制，從而增加了企業的生產投入及因為反復修改操作所產生的額外工時，使流水線生產平衡率無法得到有效提高。因此，只有利用先進的智能手段，將可視化的虛擬仿真技術與企業實際生產相結合，通過虛擬仿真優化進行產前的研判，在實際投入生產前消除或減少瓶頸工序與節拍，制定出最佳流水線編制，才能最大限度地避免生產浪費，降低生產消耗，提高流水線生產平衡率。

2.2 服裝流水線平衡率影響因素

2.2.1 工序編制效率

在服裝單件流水線中，工序編制效率直接決定整個流水線的生產平衡率，是判斷流水線生產平衡率最重要、最直觀的指標，工序編制效率越高單件流水線的生產平衡率也就越高。單件流水線中生產平衡率的計算公式為：

E=PBP（1）

式中：E代表生產平衡率;P代表單件流水線節拍;BP（bottle pitch）代表單件流水線中的瓶頸節拍，即整個單件流水線中工時最長的工序時間[15]。

在一條流水線中如果存在多個瓶頸節拍的話，要選擇工時最大的瓶頸節拍來進行生產平衡率的計算。服裝行業單件流水線的生產平衡率評判標準如表1所示[16]。

2.2.2 工序難易程度

服裝工序的難易程度主要由該道工序的工時體現，通常難度越大的工序，工時就越長。服裝企業在實際生產過程中會結合工序的工時根據工序等級標準對工序進行等級劃分，在本次實驗的旗袍單件流水線加工生產過程中，可將旗袍的難度等級劃分為4個等級，如表2所示。

2.2.3 工人技術水平

由于同一工序會因為工人技能水平的不同而產生差異，因此，工人的技能水平同樣直接影響到單件流水線生產平衡率的高低。在服裝企業中，工人的操作技能水平表現在其對所執行工序的熟練度和完成質量。在服裝單件流水線的生產過程中，服裝企業根據工人的技能水平，會依照工人的實際操作技術水平將工人劃分為4個技術等級，如表3所示。

通過對工人操作技能進行等級劃分，可以更加高效合理地對工序加以分配，技能等級高的工人完成復雜繁瑣不易操作的工序;反之，技能等級低的工人則完成簡單易操作的工序。從而最大限度地減少人員閑置，避免制品積壓和大量返修等現象的出現。

3 旗袍單件流水線Flexsim仿真優化實驗

本文以丹東某絲綢服裝有限公司為合作企業，以該公司即將投入生產的一款真絲中式旗袍為例，如圖2所示。在實際生產中，對該旗袍的單件流水線的工序編制及生產平衡率進行虛擬仿真優化，進行產前研判，進一步對Flexsim虛擬仿真軟件在單件流水線優化過程中的可行性和高效性進行驗證。

3.1 旗袍工序流程

根據選定旗袍款式，將該旗袍的加工工序進行分析，制定出工序流程，如圖3所示。

3.2 虛擬流水線設定

將旗袍工序輸入圖1的Flexsim流水線仿真模塊中，借助軟件中的分布擬合功能對工序進行初次模擬編制分配，首次建立旗袍虛擬單件流水線，其工序及工位分配如表4所示。通過表4可知，該虛擬旗袍單件流水線共需工位21個、工人21名，單件旗袍加工總工時為1 332 s，流水線瓶頸節拍BP為工位7#的88 s，以及各工序的分配組合與所需設備情況。在此基礎上，利用下式計算單位流水線的節拍P：

P=TN（2）

式中：T為單件旗袍產品的加工總時間;N為流水線作業工人人數。

通過人工計算得出該單件流水線的節拍P為63 s，并最終計算得出該旗袍單件流水線的生產平衡率為72%，遠低于表1中高效率生產線所要求的85%，因此需要對其進行仿真優化。同時，以該企業計劃的日工作時間8 h、日生產量457件為例，而該虛擬流水線實際日產量則為329件，同樣需要進一步對流水線編制進行仿真優化。

3.3 流水線虛擬仿真優化

3.3.1 精益生產理論與方法

精益生產（lean production，LP）又稱精良生產，以消除無效的勞動、避免生產浪費，降低生產成本為核心，使企業以最少的投入獲得最大的收益。精益生產方式作為一種高效新興的企業管理與生產模式，正在被越來越多的服裝企業所接受和采用，并通過實行精益生產實現流水線優化、降低成本、保證質量，從而提升流水線生產平衡率[14]。

ECRS分析法是精益生產實施過程中最常采用的，對生產工序進行優化和改進的一種方法，其中E（eliminate）即取消，C（combine）即合并，R（rearrange）即重新排列，S（simplify）即簡化。本文利用ECRS法對旗袍單件流水線中的瓶頸工序與浮余工序進行兼顧合并，將工序組合進行重新排列與簡化，并將重新編制的旗袍單件流水線設置輸入虛擬仿真軟件進行循環仿真優化，直至得出生產平衡率最佳的流水線配置。

3.3.2 仿真優化過程

利用Flexsim軟件對旗袍單件流水線進行模擬仿真優化，通過軟件對所有工位、工時各進行12次測試，處理器中顯示時間為旗袍單件流水線中各工位的作業時間（即工時），借助擬合軟件對測試得到的工時進行函數分析，并將各工位的作業積壓與浮余狀態通過軟件進行輸出，如表5所示。通過對比表4中的數據可以發現，在該單件流水線中部分工位存在積壓或浮余嚴重的情況，如工位15#與節拍的差值為-23 s，表明工位15#的浮余時間占比較大;工位7#與節拍差值為25 s，說明工位7#產品積壓狀態相對明顯。針對存在問題的工位，通過人工干預采用ECRS法對流水線中工人及工序編制進行兼顧和優化重組，并再次通過仿真模擬運行對該旗袍單件流水線的生產平衡率進行驗證，優化后的工序分配如表6所示。對優化后的旗袍單件流水線進行模擬仿真運行，得到的日生產量如表7所示。

通過上述虛擬仿真可知，首先利用Flexsim創建虛擬仿真模型，再創建虛擬的旗袍單件流水線，利用工序組合與平衡優化對流水線中存在浮余或積壓狀態的工序進行仿真優化，改善各工位的浮余、積壓狀態，將流水線瓶頸節拍從88 s降至67 s。隨后對該單件流水線進行循環模擬運行，優化運行后該旗袍單件流水線的日生產量由之前的329件提升至430件，從而流水線的生產平衡率也由模擬仿真之前的72%提升至94%。根據表1中服裝行業單件流水線的生產平衡率評判標準可知該生產線屬于高效生產線，且仿真優化后的流水線各工位工時差相對較小，均比較接近流水線節拍，如圖4所示。

4 結 論

本文以Flexsim虛擬仿真軟件為研究對象，將其實際應用于旗袍流水線的加工生產中，通過Flexsim的仿真運行對該款旗袍流水線的加工工序及瓶頸節拍進行分析預判，并對流水線進行優化組合及循環仿真運行。通過對運行結果的研究分析可知：

1）利用先進的智能軟件——Flexsim對旗袍單件流水線進行虛擬仿真優化，通過編制虛擬流水線及流水線仿真運行實現減少浮余與積壓的現象，降低瓶頸節拍及提高生產量的目標，并最終使流水線生產平衡率得到大幅度提升。

2）借助Flexsim虛擬仿真軟件對服裝企業的單件流水線在實際生產之前進行模擬仿真優化，可以提前研判出需要進行優化的目標，并提前預判出流水線的實際運行效率。根據運行結果找出流水線瓶頸節拍，并采用精益生產中的ECRS法對流水線工序進行兼顧優化組合，通過循環仿真實現優化消除或降低瓶頸節拍，使流水線以最佳編制投入實際生產加工。與傳統的流水線優化方法相比，更具有降低生產成本、減少作業時間的優勢，并最大限度地提升了流水線的生產平衡率。

3）Flexsim作為一款通用性極強的虛擬仿真軟件，其操作流程方便易于掌握，模擬過程可視性極強，數據輸出簡便快捷，且具有極高的開放性和柔韌性，能為幾乎所有產業定制模擬仿真模型，并在模擬仿真運行過程中對數據進行實時讀取和分析。因此，在服裝產業的實際生產過程中具有極高的普適性，可應用于不同的服裝款式與流水線的模擬仿真優化。

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