基于粒子群算法的服裝生產(chǎn)流水線編制

閆亦農(nóng)， 劉立枝， 雒彬鈺， 崔慧榮

(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 010080)

隨著科技的發(fā)展及消費者對服裝要求的提高，計算機輔助服裝流水線生產(chǎn)越來越受到人們的關(guān)注，基于粒子群算法的智能化優(yōu)化編排在諸多行業(yè)都有研究。

粒子群算法可有效地解決離散型組合優(yōu)化問題[1]。基于粒子群優(yōu)化算法的流水線優(yōu)化在工程、機械方面的函數(shù)優(yōu)化、計算機防護和決策支持等領(lǐng)域已有較多的研究，大都以粒子迭代為作用機制[2-4]，實現(xiàn)有效縮短粒子路徑的目的。隨著對優(yōu)化算法研究的深入以及對智能優(yōu)化的要求，遺傳優(yōu)化算法、蟻群優(yōu)化算法、結(jié)構(gòu)方程模型等逐漸運用于服裝生產(chǎn)流水線的優(yōu)化中，用來提高生產(chǎn)流水線的平衡[5-7]。

但是關(guān)于粒子群算法應(yīng)用服裝生產(chǎn)流水線優(yōu)化方面的研究很少，研究尚不成熟。本文在前人研究基礎(chǔ)上，結(jié)合服裝吊掛系統(tǒng)，參考其他行業(yè)粒子群算法優(yōu)化生產(chǎn)思想，以計算機編程軟件為依托，對服裝生產(chǎn)流水線優(yōu)化進行了研究。

1 生產(chǎn)流水線平衡指標分析

縫制流水線平衡評價指標是評價服裝企業(yè)生產(chǎn)流水線生產(chǎn)工序是否達到優(yōu)化，人員是否得到最佳配置的重要指標。平均流水節(jié)拍、工作地數(shù)、編制效率和均衡指數(shù)是生產(chǎn)流水線平衡的4項重要評價指標[8]。通過評價指標可發(fā)現(xiàn)流水線上存在的問題，并針對問題對縫制流水線進行重組優(yōu)化[9]。通過對生產(chǎn)流水線的具體分析，列出了評價指標的公式見表1。

表1 流水線平衡度評價指標Tab.1 Evaluation index of line balance

注：SPT為理論平均節(jié)拍；N為作業(yè)工人數(shù)；k為流水線的工序數(shù)；ti為第i道工序作業(yè)時間；T為一天作業(yè)的總時間；Q為日產(chǎn)量；Wmin為最小工作地數(shù)；T′為1件服裝的總加工時間；η為編制效率；maxT(Si)為瓶頸節(jié)拍；SSI為均衡指數(shù)；T(Si)為第i個工作地的節(jié)拍。

2 基于粒子群的服裝生產(chǎn)線編制原理

服裝生產(chǎn)流水線編制問題屬于離散組合優(yōu)化問題，這與普通的組合優(yōu)化問題不同，它不能用公式進行系統(tǒng)化的求解，具有多項式復(fù)雜程度的非確特性(NP)。通過借鑒遺傳算法中染色體交叉和變異等思想[10]，結(jié)合粒子群算法快速搜索最優(yōu)值的能力，對服裝生產(chǎn)流水線進行編排。因為遺傳算法中的交叉、變異思想能更好地實現(xiàn)工序重新組合和再分配，但在搜索最優(yōu)位置的能力方面，粒子群基于速度優(yōu)勢，能更準確、快速地搜索到最優(yōu)位置，減少迭代次數(shù)，避免發(fā)散。

2.1 粒子群優(yōu)化算法流程的改進設(shè)計

基于遺傳算法，對粒子群優(yōu)化算法進行重新改進設(shè)計，其改進后的設(shè)計流程[11-12]如下。

步驟1：種群初始化，設(shè)定種群規(guī)模S，交叉概率J，變異概率B，迭代次數(shù)X，隨機產(chǎn)生粒子群的初始位置，即隨機賦予各工序初始位置；

步驟2：依據(jù)當前初始位置，計算適應(yīng)度值(平均節(jié)拍界限)，并將該值作為個體極值，然后確定全局極值及位置；

步驟3：通過運用遺傳算法中的思想，對粒子群進行交叉和變異；

步驟4：利用遺傳算法進行交叉和變異后，計算各個體的適應(yīng)度(各節(jié)拍界限)，將各粒子的適應(yīng)度與先前適應(yīng)度進行比較，判斷是否優(yōu)于先前的個體極值位置，若滿足，新的個體極值位置代替原個體極值位置；若不滿足，原有個體極值位置不變；

步驟5：通過個體極值(工作地節(jié)拍)，重新更新了粒子的位置，然后找出全局最優(yōu)位置；

步驟6：判斷程序運行是否滿足終止條件，如果滿足，則執(zhí)行步驟7，如果不滿足，則步驟3將被繼續(xù)運行，直至滿足終止條件；

步驟7：輸出全局極值(工作地節(jié)拍)及全局極值位置(最佳工序排序)。

改進后的粒子群優(yōu)化算法的流程，如圖1所示。

圖1 改進的粒子群算法流程圖Fig.1 Improved particle swarm algorithm flow chart

2.2 服裝縫制流水線數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建

數(shù)學(xué)模型是高效處理服裝生產(chǎn)線編制問題的重要組成部分，是決定流水線編制能否正常進行的基礎(chǔ)。而在評價流水線平衡的指標中，均衡指數(shù)SI是評價服裝流水線作業(yè)平衡的重要指標。本文將其最小化，并作為目標函數(shù)。流水線作業(yè)是一個宏觀的過程，要想實現(xiàn)流水線的最佳優(yōu)化，必須要對流水線作業(yè)的相關(guān)設(shè)備、數(shù)據(jù)、專業(yè)術(shù)語等進行細致、詳細的了解，然后通過數(shù)學(xué)的思想，將流水線作業(yè)的相關(guān)參數(shù)建立數(shù)學(xué)的模型?；诖耍⒘朔狭魉€編制的數(shù)學(xué)模型如下：

式中：確定作業(yè)工序集A={1，2，…，M}的一個劃分{Si|i=1，2，…，W}，其中，M為工序總數(shù)。Min(SSI)為最優(yōu)均衡指數(shù)值。

在運用均衡指數(shù)建立數(shù)學(xué)模型時，有如下約束條件：

1)單件服裝作業(yè)的總時間與實際作業(yè)的總時間在數(shù)值上相等；

2)工序分配時，各工序節(jié)拍應(yīng)控制在[SPT(1-5%)，SPT(1+5%)]范圍內(nèi)；

3)作業(yè)員對所負責(zé)工序熟練程度基本一致；

4)在作業(yè)過程中，同一個工作地或不同的工作地之間，作業(yè)工序要遵循生產(chǎn)的前后關(guān)系，保證流水線作業(yè)流暢；

5)在工序組合過程中不同工作性質(zhì)的工序盡量不要組合在一起，當且僅當同種作業(yè)性質(zhì)的工序組合排列后編制效率低于85%不符合企業(yè)生產(chǎn)時，方可將部分2種不同作業(yè)性質(zhì)的工序進行組合。當將2種不同作業(yè)性質(zhì)的工序組合后編制效率仍低于85%，可在個別工作地將3種不同作業(yè)性質(zhì)的工序進行組合，同時增加該工作地總作業(yè)時間的5%，以此降低流水線因不同性質(zhì)工序組合帶來的誤差。

2.3 操作系統(tǒng)軟件的建立

采用Windows 7作為服務(wù)器操作系統(tǒng)，My Eclipse 9.0 作為開發(fā)工具，Tomcat 5.0 作為系統(tǒng)Web應(yīng)用服務(wù)器，Java語言開發(fā)工具包(JDK)作為系統(tǒng)的運行平臺，Java作為編程的基礎(chǔ)語言，數(shù)據(jù)庫采用My SQL數(shù)據(jù)庫。

服裝縫制流水線編制系統(tǒng)為體現(xiàn)系統(tǒng)化、一體化原則，建立用戶登錄的權(quán)限。登錄系統(tǒng)后，用戶進入主界面，對服裝吊掛生產(chǎn)流水線優(yōu)化系統(tǒng)中的相關(guān)數(shù)據(jù)進行有效管理。主界面的左側(cè)是系統(tǒng)主要的4大信息模塊，每個模塊都有下拉菜單，也是模塊展現(xiàn)功能的指令。本文系統(tǒng)中的用戶一般為企業(yè)車間的管理人員以及車間的技術(shù)員。

服裝生產(chǎn)流水線優(yōu)化系統(tǒng)的功能模塊設(shè)計，其出發(fā)點是實用、簡單、操作性強。在工序信息管理功能中，主要包括3方面的內(nèi)容：工藝流程、工序信息和流水線優(yōu)化。單擊生產(chǎn)工序信息管理，會出現(xiàn)下拉菜單，通過流水線優(yōu)化可直接實現(xiàn)服裝縫制流水線智能化編制。

此外，在對服裝縫制流水線進行計算機編制時，需要對車間的設(shè)備狀況和人員配備狀況進行了解和分析，設(shè)備及人員數(shù)量是否符合計算機優(yōu)化的結(jié)果，資源是否得到合理、充分的利用等。

3 生產(chǎn)實例分析

為進一步體現(xiàn)服裝縫制流水線編制系統(tǒng)的實際可操作性和普遍性，對男士制服褲裝的縫制流水線進行編制，并計算各平衡指標，使其達到精益化生產(chǎn)的要求。

3.1 男式制服褲裝的生產(chǎn)流程

男式制服褲裝的生產(chǎn)工序流程如圖2所示。其詳細描述了各工序之間的先后關(guān)系、各工序的作業(yè)時間及作業(yè)性質(zhì)。

圖2 男式制服褲裝生產(chǎn)工序流程圖Fig.2 Production process flow chart of uniform male trousers

3.2 服裝縫制流水線編制

3.2.1生產(chǎn)流水線編制參數(shù)的設(shè)定

運用基于粒子群算法的流水線智能編制系統(tǒng)對服裝生產(chǎn)流水線進行編制，首先計算出男士制服褲裝流水線的理論最小工作地數(shù)，并確定流水線上的理論平均節(jié)拍。在確定最小工作地數(shù)和理論平均節(jié)拍的基礎(chǔ)上，運用基于粒子群算法的服裝生產(chǎn)線智能編制系統(tǒng)對男士制服褲裝的流水線進行編制。已知該款褲裝的目標日產(chǎn)量Q=220件/d，有效作業(yè)時間t為9 h/d，單件服裝縫制總時間t′為1 580 s，通過表1中公式(1)計算，得出理論平均節(jié)拍為147 s。

在求出理論平均節(jié)拍的基礎(chǔ)上，根據(jù)表1中公式(2)計算，得出最小工作地數(shù)Wmin為11。在編制系統(tǒng)內(nèi)輸入以上2項參數(shù)，為后續(xù)智能化生產(chǎn)流水線編制做好準備。

3.2.2優(yōu)先區(qū)域的劃分

根據(jù)表1，制定制服男褲褲裝作業(yè)任務(wù)圖。通過優(yōu)先區(qū)域劃分確定作業(yè)高度，同時確定每道工序的前驅(qū)工序和緊后工序。將優(yōu)先區(qū)信息錄入數(shù)據(jù)庫，為編制系統(tǒng)編制男士制服襯衫流水線做準備，優(yōu)先區(qū)域劃分如圖3所示。

圖3 男式制服褲裝優(yōu)先區(qū)域劃分圖Fig.3 Priority area division graph of uniform male trousers

3.3 服裝縫制流水線編制結(jié)果

在系統(tǒng)軟件相應(yīng)界面輸入男式制服褲裝的種群規(guī)模、最小工作地數(shù)、迭代次數(shù)等相關(guān)參數(shù)，輸入?yún)?shù)后單擊流水線優(yōu)化，經(jīng)過系統(tǒng)運算就會呈現(xiàn)其流水線的編制結(jié)果，每個工作地的工序組合及作業(yè)時間分配如表2所示。

3.4 生產(chǎn)作業(yè)分析

作業(yè)時間曲線能夠直觀形象地反映生產(chǎn)的同步化程度，智能編制男褲褲裝的作業(yè)時間曲線如圖4所示?？梢姡毫魉€平均節(jié)拍為147 s；各工作地工序節(jié)拍均在節(jié)拍界限范圍內(nèi)，縫制流水線平衡性較好，總體可實現(xiàn)生產(chǎn)的同步化。

表2 智能編制制服男褲流水線工序分配表Tab.2 Intelligent design uniform male trousers pipeline process distributionTable

注：P表示平縫作業(yè)；S表示手工作業(yè)；T表示特殊作業(yè)。

圖4 生產(chǎn)線SPT與編制效率關(guān)系圖Fig.4 Relationship between of SPT and establishment efficiency of assembly line

3.5 平衡指標結(jié)果分析

依托服裝吊掛系統(tǒng)，運用粒子群優(yōu)化算法對制服褲裝縫制流水線進行編制，計算出表征服裝縫制流水線平衡的平衡性指標。均衡指數(shù)為16.5，編制效率η為96.1%，最小工作地數(shù)Wmin為11，編制效率η遠遠高于85%，可運用于實際生產(chǎn)，且滿足服裝企業(yè)精益化生產(chǎn)要求。

4 結(jié) 論

通過實例驗證，可實現(xiàn)基于粒子群算法服裝生產(chǎn)流水線的智能化編制。通過智能化編制的制服男褲生產(chǎn)流水線各工位節(jié)拍相對平穩(wěn)，均衡指數(shù)為16.5，編制效率為96.1%(≥85%)，最小工作地數(shù)為11，符合企業(yè)精益化生產(chǎn)需要。