基于服裝吊掛流水線的瓶頸工序調(diào)度

湯夢娜, 邵一兵, 季曉芬, 陳才芽

(1.浙江理工大學(xué) 服裝學(xué)院,浙江 杭州 310018;2.浙江理工大學(xué) 國際教育學(xué)院,浙江 杭州 310018;3.中國絲綢博物館,浙江 杭州 310002;4.卓尚服飾(杭州)有限公司,浙江 杭州 310018)

在“中國制造2025”的引領(lǐng)下,越來越多的服裝制造企業(yè)采用了吊掛系統(tǒng),以助力企業(yè)的數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型升級。服裝吊掛系統(tǒng)有著智能控制和靈活運(yùn)輸?shù)膬?yōu)勢[1],但多數(shù)企業(yè)在控制生產(chǎn)平衡方面并未最大化體現(xiàn)吊掛系統(tǒng)的優(yōu)勢。如不能實(shí)現(xiàn)瓶頸工序的自動(dòng)判定和調(diào)度,則生產(chǎn)效率無法有效提升。瓶頸工序是指在整個(gè)生產(chǎn)流程中,生產(chǎn)能力小于工作負(fù)荷或滿足不了生產(chǎn)節(jié)拍的工序[2]。在傳統(tǒng)吊掛流水線中,當(dāng)出現(xiàn)瓶頸工序,衣架堆積于站位緩沖區(qū),如果容量已滿,衣架將在吊掛流水線的主軌道內(nèi)循環(huán)傳輸?shù)贿M(jìn)站,直至工人完成工序有衣架出站;或者依賴班組長的經(jīng)驗(yàn)調(diào)度工序。這兩種方法均會(huì)導(dǎo)致瓶頸工序不能及時(shí)解決,不利于提升生產(chǎn)效率。

以往學(xué)者對瓶頸工序的研究主要針對工序自身的工藝進(jìn)行優(yōu)化,縮短工序工時(shí);或者對設(shè)備進(jìn)行改善,以提高單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)量。張?zhí)m[3]等通過減少浮余動(dòng)作、對員工進(jìn)行定期培訓(xùn)和加強(qiáng)管理水平等,改善瓶頸工序。戴旭陽[4]運(yùn)用精益生產(chǎn)工具(ECRS分析法)對瓶頸工序進(jìn)行了優(yōu)化。何慶[5]運(yùn)用生產(chǎn)線現(xiàn)場作業(yè)觀察法、作業(yè)周期時(shí)間抽樣法和生產(chǎn)線工藝流程分析法測試了生產(chǎn)線工序產(chǎn)能,找到生產(chǎn)線產(chǎn)能瓶頸工序存在的主要問題,及需要改善的4大原因。盛楠[6]應(yīng)用服裝工藝模板技術(shù)降低了瓶頸工序的工藝難度。但是,如果生產(chǎn)系統(tǒng)受到不穩(wěn)定和不確定性因素的干擾(包含人員離崗、工人疲勞、物料短缺、設(shè)備故障等),有可能導(dǎo)致生產(chǎn)過程中出現(xiàn)瓶頸工序。因此,瓶頸工序的產(chǎn)生是隨機(jī)的、動(dòng)態(tài)的,吊掛流水線需要根據(jù)不斷變化的生產(chǎn)狀態(tài),實(shí)施持續(xù)動(dòng)態(tài)重復(fù)調(diào)度。

文中采用基于事件驅(qū)動(dòng)的重調(diào)度策略,設(shè)計(jì)了一種服裝吊掛流水線的瓶頸工序調(diào)度方案。為驗(yàn)證方案的可行性,利用Plant Simulation軟件構(gòu)建仿真環(huán)境并根據(jù)歷史數(shù)據(jù)和專家經(jīng)驗(yàn)設(shè)置了仿真參數(shù)。針對襯衫流水線進(jìn)行實(shí)證分析,通過對比分析最大完工時(shí)間、堆積量方差、資源利用率,驗(yàn)證調(diào)度方案的可行性。

1 瓶頸工序調(diào)度方案設(shè)計(jì)

1.1 瓶頸工序的判定

若要實(shí)現(xiàn)瓶頸工序的自動(dòng)調(diào)度,首先需要設(shè)定瓶頸工序的判定規(guī)則,并將其作為重新調(diào)度的觸發(fā)信號。為更好地監(jiān)測生產(chǎn)效率,文中為吊掛流水線設(shè)置了流水線節(jié)拍。由于每個(gè)站位的緩沖區(qū)都有一定的半成品,流水線并非嚴(yán)格意義上的“單件流”,而是“小包流”,工人可按照自身節(jié)奏完成半成品的制作。當(dāng)工人的實(shí)際制作時(shí)間大于生產(chǎn)節(jié)拍時(shí),隨著時(shí)間的推移,出站衣架數(shù)小于進(jìn)站衣架數(shù),緩沖區(qū)的衣架逐漸累積,瓶頸工序形成。瓶頸工序調(diào)度的目的是在緩沖區(qū)衣架有累積趨勢時(shí)將即將進(jìn)站的衣架調(diào)度至有多余產(chǎn)能的站位,但又不能過度調(diào)度。設(shè)定瓶頸工序判定規(guī)則為

tY(Sk)a=tS(Sk)a-tTk=1,2,3,…,m,a=1,2,3,…,b(Sk) 。

(1)

式中:Sk為第k個(gè)站位;tY(Sk)a為站位Sk在加工第a件半成品時(shí)的延遲出站時(shí)間;tS(Sk)a為站位Sk加工第a件半成品的實(shí)際加工時(shí)間;tT為流水線理論節(jié)拍時(shí)間;m為站位總數(shù);b(Sk)為站位Sk總共需要加工的半成品數(shù)量。

若tY(Sk)累計(jì)達(dá)到流水線節(jié)拍tT的n倍,則觸發(fā)調(diào)度[當(dāng)tS(Sk)a

1.2 瓶頸工序的調(diào)度條件

將即將進(jìn)入瓶頸工序所在站位的衣架,調(diào)度至最近3次半成品制作沒有延遲出站的站位。但是,有多余產(chǎn)能的站位并非都是可調(diào)度對象,還需要滿足設(shè)備、線材和人員技能兼容。在進(jìn)行產(chǎn)前準(zhǔn)備時(shí),可在《人機(jī)工序表》上設(shè)定設(shè)備和技能要求的識別條件,選取兩道工序進(jìn)行示例,具體見表1。

表1 人機(jī)工序表示例

1.3 瓶頸工序的調(diào)度優(yōu)先級

若存在多個(gè)站位符合調(diào)度條件,則按照以下優(yōu)先級進(jìn)行調(diào)度安排:①緩沖區(qū)內(nèi)衣架堆積量最少的站位優(yōu)先調(diào)度;②若堆積量相同,則平均實(shí)際加工時(shí)間最短的站位優(yōu)先。瓶頸工序調(diào)度流程如圖1所示。

圖1 瓶頸工序調(diào)度流程

2 服裝吊掛流水線仿真

2.1 仿真模型構(gòu)建

服裝吊掛流水線的組成元素包括半成品、衣架、工作站(配備有接受軌道、回收軌道、相應(yīng)的人員和縫制設(shè)備)、感應(yīng)裝置和傳送設(shè)備等。將這些組成元素抽象至仿真軟件即為零件、容器、站位、流量控制和傳送器。

根據(jù)流水線布局,利用Plant Simulation軟件進(jìn)行流水線建模。在模型中,分別設(shè)置1個(gè)物料源(分料站位)、24個(gè)站位(包含23個(gè)縫紉站位和1個(gè)質(zhì)檢站位,每個(gè)站位都配備1個(gè)緩沖區(qū),用于緩存待加工的半成品)、1個(gè)物料終結(jié)(代表成衣入倉)。其中,每個(gè)站位都設(shè)置了啟動(dòng)按鈕,若實(shí)際生產(chǎn)需要的站位少于24個(gè),可關(guān)閉部分站位的啟動(dòng)按鈕,以達(dá)到靈活配置生產(chǎn)站位的目的。根據(jù)調(diào)度方案,用Simtalk語言設(shè)計(jì)代碼,創(chuàng)建的服裝吊掛流水線仿真模型如圖2所示。

圖2 服裝吊掛流水線仿真模型

2.2 仿真參數(shù)設(shè)置

為了更好地模擬實(shí)際生產(chǎn)過程,需要通過設(shè)置仿真參數(shù)來控制仿真模型中的各種行為和事件,根據(jù)參數(shù)的性質(zhì)將其分為常量參數(shù)和變量參數(shù)。常量參數(shù)是指在整個(gè)仿真過程中保持不變的參數(shù),如訂單量、工作時(shí)間、軌道運(yùn)行速度等;變量參數(shù)的設(shè)置可以更真實(shí)地模擬實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)生的干擾事件,也可以更好地測試調(diào)度方案的魯棒性。常見的變量有工人實(shí)際加工時(shí)間、工人離席、設(shè)備故障等,通常是隨機(jī)發(fā)生的,其分布可以用統(tǒng)計(jì)學(xué)中的隨機(jī)分布來描述。

工人實(shí)際加工時(shí)間通常會(huì)受到工人技能水平、心情及各種偶然因素的影響,導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)工時(shí)左右波動(dòng),可設(shè)置為三角分布[7];而在工人實(shí)際加工過程中會(huì)發(fā)生學(xué)習(xí)效應(yīng),即隨著單位累計(jì)產(chǎn)量增加,單位生產(chǎn)成本或時(shí)間逐漸減少[8],通常可被擬合為冪指數(shù)函數(shù);對于設(shè)備故障和工人離席這類隨機(jī)事件的發(fā)生時(shí)間間隔,可采用指數(shù)分布進(jìn)行描述。指數(shù)分布在描述隨機(jī)事件發(fā)生的時(shí)間間隔方面具有較好的適用性,其概率密度函數(shù)呈指數(shù)下降形態(tài),隨著時(shí)間的增加,事件發(fā)生的概率會(huì)逐漸增大。仿真模型設(shè)置的常量參數(shù)和變量參數(shù)見表2。

表2 常量參數(shù)和變量參數(shù)

為使分布函數(shù)和冪指數(shù)函數(shù)中的參數(shù)設(shè)置盡可能與實(shí)際情況接近并確保有效性,文中采用以下2種方法進(jìn)行參數(shù)設(shè)置:①利用歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,使用仿真軟件自帶的擬合功能,并根據(jù)擬合結(jié)果來設(shè)置參數(shù),如流水線節(jié)拍(過程值)、工人實(shí)際加工時(shí)間(過程值)、設(shè)備故障和工人離席;②參考專家經(jīng)驗(yàn)值來設(shè)置參數(shù),如工人實(shí)際加工時(shí)間(初始值)。

3 生產(chǎn)實(shí)例分析

3.1 襯衫吊掛流水線編排

以Z公司的一款普通襯衫為實(shí)驗(yàn)對象,該款訂單量為500件,工人工作時(shí)間為8 h/d,其《人機(jī)工序表》見表3。由表3可知,站位2與站位3、站位13與站位14、站位16與站位17為并行站位,分別加工相同的工序。

表3 襯衫人機(jī)工序表

3.2 襯衫吊掛流水線模型驗(yàn)證

在對所建模型進(jìn)行仿真運(yùn)行之前,需要對模型進(jìn)行驗(yàn)證。驗(yàn)證的方法有編譯過程檢驗(yàn)[9-10]、仿真結(jié)果虛實(shí)對比[11]。為確保模型的可行性,采用Plant Simulation軟件中的編譯過程對模型進(jìn)行檢驗(yàn),并觀察模型仿真運(yùn)行時(shí)的動(dòng)畫效果。結(jié)果表明,所建模型能夠準(zhǔn)確執(zhí)行每條程序。為確保模型準(zhǔn)確反映真實(shí)生產(chǎn)過程,在實(shí)際生產(chǎn)中投入該訂單,并采用與表3相同的流水線編排方案。對比仿真最大完工時(shí)間和實(shí)際最大完工時(shí)間,發(fā)現(xiàn)除去工人培訓(xùn)時(shí)間,在未采用調(diào)度方案之前,仿真結(jié)果的最大完工時(shí)間為29 h 31 min,實(shí)際最大完工時(shí)間為30 h 20 min,說明模型的仿真結(jié)果雖有偏差,但基本與實(shí)際情況一致。

3.3 襯衫縫制流水線運(yùn)行模擬

按照表3運(yùn)行仿真模型,運(yùn)行結(jié)果包括最大完工時(shí)間、堆積量方差、資源利用率。對比分析實(shí)施調(diào)度方案前、后運(yùn)行結(jié)果的差異。

3.3.1最大完工時(shí)間 最大完工時(shí)間是指完成訂單所需的最長時(shí)間,它是由各個(gè)工序所需的加工時(shí)間和半成品運(yùn)輸時(shí)間等決定的[12]。實(shí)施調(diào)度方案前后事件控制器顯示的最大完工時(shí)間分別為29 h 31 min和27 h 58 min。實(shí)施調(diào)度方案后,最大完工時(shí)間減少1 h 39 min。生產(chǎn)效率[13]計(jì)算公式為

(2)

式中:E為生產(chǎn)效率;ta為標(biāo)準(zhǔn)總工時(shí);tb為實(shí)際總投入工時(shí)。

由式(2)可知,在固定訂單投入量和相同生產(chǎn)資源前提下,標(biāo)準(zhǔn)總工時(shí)不變,而調(diào)度后的實(shí)際總投入工時(shí)減少,說明該方案實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)過程的控制,使衣架在生產(chǎn)流水線上快速流轉(zhuǎn),避免堆積和擁堵,減少了生產(chǎn)過程中的等待時(shí)間,進(jìn)而使生產(chǎn)效率和整體的生產(chǎn)能力得到提升。

3.3.2堆積量方差 堆積量方差是指衣架在各個(gè)站位緩沖區(qū)內(nèi)堆積情況的方差,反映流水線的平衡度。計(jì)算公式為

D=∑(Cn-C)2/N。

(3)

式中:D為堆積量方差;Cn為各站位衣架堆積量;C為衣架堆積量均值;N為站位數(shù)。

實(shí)施調(diào)度方案前后不同時(shí)間點(diǎn)的堆積量方差見表4。由表4可知,實(shí)施調(diào)度方案后,各時(shí)間點(diǎn)的堆積量方差均顯著下降,這一變化直接表明流水線作業(yè)的平衡度得到了有效提升。

表4 調(diào)度前、后堆積量方差

3.3.3資源利用率 資源利用率是指生產(chǎn)過程中使用的資源在生產(chǎn)中得到充分利用的程度[14]。

定義B(t)為資源“忙態(tài)”函數(shù)[7],即:

(4)

那么資源利用率即為曲線B(t)下的面積除以生產(chǎn)運(yùn)行周期:

(5)

式中:U為資源利用率;T為生產(chǎn)運(yùn)行周期;t2為最大完工時(shí)間;t為時(shí)間變量;dt為微元時(shí)間間隔。

圖3和圖4為實(shí)施調(diào)度方案前后18個(gè)站位的資源利用率和站位空閑時(shí)間占比。

圖3 調(diào)度前、后資源利用率

圖4 調(diào)度前、后空閑時(shí)間占比

由圖4和5可知,實(shí)施調(diào)度方案后,各站位的資源利用率均有所上升,平均資源利用率由61.2%上升至64.8%,并且各站位的空閑時(shí)間占比均有所下降。說明實(shí)施調(diào)度方案后,瓶頸工序得到了有效地轉(zhuǎn)移,減少了生產(chǎn)資源的浪費(fèi)和閑置,生產(chǎn)過程變得更加穩(wěn)定和高效。

4 結(jié)語

1)文中設(shè)計(jì)了基于事件驅(qū)動(dòng)的瓶頸工序調(diào)度方案,方案考慮了瓶頸工序的判定、調(diào)度條件和調(diào)度優(yōu)先級。通過襯衫實(shí)例分析,發(fā)現(xiàn)調(diào)度后該流水線的最大完工時(shí)間、堆積量方差和資源利用率都有所優(yōu)化,表明調(diào)度方案能有效提升吊掛流水線的生產(chǎn)效率和流水線各站工作負(fù)荷的平衡。

2)分析吊掛流水線的構(gòu)成與仿真軟件中對象的映射關(guān)系,利用Plant Simulation軟件構(gòu)建服裝縫制流水線仿真模型。為使模型更貼近實(shí)際生產(chǎn)情況,文中分析了生產(chǎn)中可能出現(xiàn)的干擾因素,并根據(jù)其特點(diǎn)匹配了分布函數(shù),為服裝生產(chǎn)線的仿真建模提供了設(shè)計(jì)思路。

3)由于 Plant Simulation 軟件具有極高的通用性,因此,在實(shí)際投入生產(chǎn)前可以利用該仿真模型進(jìn)行不同款式的瓶頸工序預(yù)測、生產(chǎn)平衡驗(yàn)證,提前規(guī)避風(fēng)險(xiǎn),進(jìn)一步提升生產(chǎn)效率。