基于WITNESS的襯衫縫制流水線仿真研究

何海洋

(河南工程學院 服裝學院，河南 鄭州 450007)

隨著時尚潮流更新速度的加快和服裝生命周期的不斷縮短，為滿足市場快速反應的要求，多品種、小批量的生產(chǎn)模式已逐漸成為訂單式服裝企業(yè)的必然選擇.頻繁變換的服裝品種要求企業(yè)隨時對現(xiàn)有生產(chǎn)流水線進行合理的配置變更，在有限的設備和人力資源條件下達到最優(yōu)生產(chǎn)效率和最大的經(jīng)濟效益.對于企業(yè)而言，因款式變化而帶來的流水線重新組織不僅費時費力，而且生產(chǎn)效率和計劃進度在一定程度上無法得到很好的控制.

近年來，仿真技術在制造業(yè)得到了廣泛應用.先進國家的生產(chǎn)企業(yè)在對生產(chǎn)線進行改擴建的前期或新產(chǎn)品投入生產(chǎn)之前，都會進行仿真測試，為生產(chǎn)線的調(diào)度決策、效率的提高以及生產(chǎn)能力的預測和設備的合理配置提供了量化依據(jù)[1].

對于訂單式服裝企業(yè)來說，如果在款式變化需要重新編排生產(chǎn)流水線之前，應用仿真技術及時發(fā)現(xiàn)流水線運行時可能出現(xiàn)的諸如瓶頸工序、設備利用率等問題，并對提出的解決方案進行模擬驗證，將會極大地節(jié)省時間和資金成本，還可以為生產(chǎn)計劃的制定和執(zhí)行提供合理的量化預測.本研究以實地調(diào)研的企業(yè)為例，對以變化款式襯衫為代表的縫制流水線進行了仿真建模和分析，以期為其他品種服裝生產(chǎn)線的仿真和優(yōu)化提供借鑒思路.

圖1 休閑長袖女襯衫款式圖 Fig.1 Illustration of leisure blouse with long sleeves

1 流水線工藝流程的簡化

調(diào)研中，以前生產(chǎn)普通男襯衫的某服裝企業(yè)，在接到變化款式的休閑女襯衫訂單后，需要對現(xiàn)有的普通襯衫生產(chǎn)流水線進行合理配置以適應新品種的變化.該訂單服裝為休閑長袖女襯衫，企領、普通襯衫袖，款式如圖1所示.與普通男襯衫相比，此款女襯衫減少了左胸貼袋，增加了前后衣身功能性和裝飾性分割線以及前門襟裝飾性褶等工藝.

在仿真研究中，一個模型不可能呈現(xiàn)被模擬的現(xiàn)實系統(tǒng)的所有方面，即使有一個模型能表現(xiàn)真實系統(tǒng)所有的細節(jié)，也常常是非常差的模型，因為它過于復雜和難以理解[2].因此，考慮合并相近和耗時較短的工序并簡化支線，將該襯衫縫制流水線工藝流程進行轉(zhuǎn)換，如圖2所示.同時，以現(xiàn)場調(diào)研和樣衣制作時實際測量的數(shù)值為依據(jù)，得到該女襯衫縫制流水線上各工序標準工時等數(shù)據(jù)，如表1所示.

圖2 女襯衫縫制簡化工藝流程圖Fig.2 Simplified flowchart of blouse sewing

工序名稱標準工時/min主要機器種類投入機器臺數(shù)平均單件工序耗時/minA 縫合后片0.75平縫機10.75B (支線1) 縫合左前片0.60平縫機10.60B (支線2) 縫合右前片0.60平縫機10.60C (支線1) 車左門襟和褶1.10平縫機11.10C (支線2) 車右門襟和褶1.10平縫機11.10D 合肩縫0.50平縫機10.50E 縫合左右袖和車袖口0.60平縫機10.60F 绱袖和合側(cè)縫0.80平縫機10.80G 縫領1.20平縫機11.20H 绱領0.96平縫機10.96I 釘扣、剪線頭1.00特種機11.00合計9.21119.21

對仿真模擬的生產(chǎn)流水線有以下幾點說明：①初始仿真時，各道工序均設置為只有1臺機器進入流水線；②半成品的傳遞方式為單件傳遞，移動方式為傳送帶傳送；③生產(chǎn)開始時，各主線支線工序同時進行；④假設機器沒有故障，流水線能夠連續(xù)推進且不考慮有殘次品出現(xiàn)的情況.

2 仿真模型

本研究使用WITNESS仿真軟件對襯衫縫制流水線進行建模分析.WITNESS仿真軟件是英國Lanner集團所開發(fā)的面向工業(yè)和商業(yè)系統(tǒng)的動態(tài)建模仿真軟件，它以廣泛的應用領域、眾多的模型元素、強大的仿真引擎、方便的圖形界面功能和層次建模等優(yōu)點而成為世界主流仿真軟件之一[3].

2.1 仿真元素及屬性

WITNESS采用面向?qū)ο蟮慕C制，主要通過5類系統(tǒng)建模元素構建仿真模型——離散型、連續(xù)型、運輸邏輯、邏輯型和圖形元素.本研究選用了離散型元素中的零件(Part)、機器(Machine)、傳送帶(Conveyor)以及邏輯型元素中的屬性和變量構建模型，各元素在模型中實現(xiàn)的功能如下：

(1)零件(Part)元素.考慮到流水線的實際情況和模型建立后的可操作性，將縫制流水線上的4個支線，分別對應工序流程圖中第1，第2，第5和第7道工序，選為零件元素，屬性設置為主動型(Active)，并根據(jù)各支線工序的標準工時設定初始到達時間值(First arrival)和輸送間隔時間值(Inter arrival).

(2)機器(Machine)元素.主要包括了流水線上3個拼裝作業(yè)工序和其他2道支線工序，分別對應工序流程圖中第3，第4，第6，第8和第9道工序.它們根據(jù)仿真邏輯，接收由上道工序或傳送帶上發(fā)過來的半成品，并設置一定條件更新仿真事件并驅(qū)動仿真時間進行仿真，體現(xiàn)了流程圖中各關鍵工序的關系.例如，機器元素“合肩縫”負責接收第1，3兩道工序所加工過的3個零件元素(左右前片和后片)半成品，然后再加工成一個新的半成品繼續(xù)向下傳遞，所以該機器元素的Type屬性需要設置為“Assembly”(裝配機).

(3)傳送帶(Conveyor)元素.主要作為流水線上作業(yè)工序之間半成品的傳遞工具.通過設置部件移動單位長度所用時間(Index time)、傳送帶容納部件個數(shù)(Length in parts)和最大容量(Maximum capacity)屬性來控制部件的傳遞方式和速度.為了更逼近生產(chǎn)實際，可在此元素中加入一定的寬放時間，如工人的生理和工作浮余等.

圖3 模型的仿真邏輯Fig.3 Simulation logic of the model

(4)屬性元素.設置上述3種離散型元素的相應屬性.

(5)變量元素.用于識別零件元素的臨時狀態(tài)以進行仿真邏輯判斷，并為輸出分析統(tǒng)計數(shù)據(jù).

2.2 仿真邏輯

仿真邏輯結(jié)構主要是半成品的裝配判斷邏輯，如圖3所示.

由于各個零件元素加工的時間并不相等，到達拼裝工序的時間也有差別，所以其中3個機器元素所代表的拼裝工序(D，E，F(xiàn))都需要設定嚴格的邏輯來進行判斷.在進行仿真時，拼裝工序需要判斷部件是否齊全，如果齊全，則進行拼裝操作并將半成品往下傳遞，否則繼續(xù)等待.

2.3 建立模型

將表1各道工序的標準工時輸入仿真系統(tǒng)，同時考慮到工人喝水、上衛(wèi)生間等生理和工作浮余，將寬放時間參數(shù)加入傳送帶元素，得到的仿真模型如圖4所示.

圖4 襯衫縫制流水線仿真模型Fig.4 Simulation model of blouse production line

3 仿真實驗及數(shù)據(jù)分析

仿真運行一天(即工作日8 h，共480 min)，得到實驗運行數(shù)據(jù)如圖5,圖6和圖7所示.

圖5 機器元素運行數(shù)據(jù)Fig.5 Machine statistics reported by on shift time

圖5反映的是流水線主線工序(即機器元素)的設備利用率情況，圖中左右深淺色塊的比例關系顯示了各道拼裝工序設備的工作(Busy)與閑置(Idle)情況.其中,第3道工序C1,C2“車門襟和褶”設備的利用率達到了91.56%，表明它是整條流水線上的薄弱環(huán)節(jié)，有可能成為該車間的瓶頸工序；而第4道拼裝工序D“合肩縫”的設備利用率僅為38.05%，說明如果能夠合理解決瓶頸工序的問題，該工序產(chǎn)能還有大幅度提升的空間.

圖6 零件元素運行數(shù)據(jù)Fig.6 Part statistics reported by on shift time

圖6反映的是各支線工序(即零件元素)零部件生產(chǎn)能力情況，從左至右不同深淺顏色的直方柱分別代表進入流水線加工部件數(shù)量(NO. Entered)、半成品積壓數(shù)量(NO. Rejected)和在制品庫存量(W.I.P)等主要指標.從圖中可以看出，支線B1，B2和E這三道工序部件積壓量較大，均接近400件，這和B1，B2支線所連接的下道工序C1，C2有直接關系，進一步證明工序C1，C2為該流水線上的瓶頸工序.從進入流水線的加工部件數(shù)量來看，基本上反映了該流水線目前的產(chǎn)能狀況，仿真模擬結(jié)果為390件的日產(chǎn)量.如果對以瓶頸工序為代表的流水線工序進一步加以合理優(yōu)化，則有望將產(chǎn)量提高至800件左右.此外，單件制成品的平均通過時間為30.43 min，對比表1中9.21 min的實際總加工時間可知，相當大一部分時間(70%左右)被消耗在了排隊和等待當中.

圖7 傳送帶元素運行數(shù)據(jù)Fig.7 Conveyor statistics on shift time

圖7表示的是半成品沿著流水線上8條不同移動路線(即傳送帶元素)傳遞的情況，從圖中可以看出，在傳遞到3道主線主要拼裝工序(即D,F,H)的路線時，均有不同程度(百分比)的半成品積壓(Blocked)和排隊(Queue)情況，其他傳遞路線基本運行正常(Move)，說明這些主線工序加工能力低于支線加工能力，有成為潛在瓶頸工序的可能，可考慮嘗試不同工序組合或增加主線工序設備的方法，使生產(chǎn)流水線達到總體平衡.

由上述仿真實驗結(jié)果來看，擬對瓶頸工序C1,C2,主要拼裝工序F,H,I和支線工序G進行調(diào)整，采用增加機器臺數(shù)的辦法優(yōu)化流水線，使產(chǎn)能得到提高，改進方案如表2所示.

表2 襯衫縫制流水線各工序改進方案Tab.2 Improved program for each process in blouse sewing production line

改進后的方案總計增加投入機器7臺，其中平縫機6臺、特種機1臺.按照該方案進行仿真實驗，仍然運行一天，共計480 min，仿真結(jié)果以機器元素為例，設備利用情況如圖8所示.

圖8 改進方案后機器元素運行數(shù)據(jù)Fig.8 Machine statistics reported by on shift time of improved program

從圖8不難看出，與圖5相比，經(jīng)過方案改進后，之前利用率不到40%的D(合肩縫)工序的設備利用率得到了大幅度的提高，為82.81%；該流水線總?cè)债a(chǎn)量則達到了783件，產(chǎn)能提升了1倍，工序基本得到平衡，有效提升了生產(chǎn)效率. 當然，對于設備利用率不高的工序，還可以進一步反復進行仿真優(yōu)化，直到達到資源的最優(yōu)配置.

4 結(jié)論

(1)運用WITNESS對變化款式女襯衫縫制流水線建立仿真模型，在多品種、小批量服裝企業(yè)進行流水線改造和擴建時，利用所建模型輸入相關實際參數(shù)，就能發(fā)現(xiàn)潛在的瓶頸工序，為優(yōu)化流水線布局提供數(shù)據(jù)基礎.同時，優(yōu)化后的方案還可以重復輸入仿真模型來進行驗證和修改，節(jié)省了資金和時間成本.

(2)后續(xù)研究可和IE(工業(yè)工程)研究的數(shù)據(jù)相結(jié)合，進一步細分工序、細化流水線模型，比如改變部件傳遞和移動的方式、增加機器設備故障的維修等，得到更加符合生產(chǎn)實際的流水線模型.

參考文獻：

[1] 王建青，邵延君.基于WITNESS的制造系統(tǒng)優(yōu)化 [J].機械制造與自動化,2008(8):36-37,45.

[2] 王亞超，馬漢武.生產(chǎn)物流系統(tǒng)建模與仿真：WITNESS系統(tǒng)及應用[M].1版.北京：科學出版社，2007.

[3] Lanner Group. Witness Technology for Knowing: Manufacturing Performance Edition Tutorial Manual[Z].UK:Lanner Group Ltd,2007.