虚拟仿真视域下服装单件流水线优化研究

摘要： 结合中国服装产业信息化、智能化的发展现状，文章以Flexsim虚拟仿真软件为研究对象，并以一款中式真丝旗袍为例，通过建立Flexsim仿真优化模型，模拟设计出该款旗袍的虚拟仿真流水线，进行仿真运行，然后对运行结果进行数据分析，找出流水线中影响生产平衡率的瓶颈环节。在此基础上采用ECRS法对流水线工序进行优化组合后，再次或多次进行仿真运行，直至得出瓶颈最小、生产平衡率最高的流水线编制，从而验证Flexsim虚拟仿真软件在服装流水线生产过程中进行实际应用的可行性及普适性。

关键词： 虚拟仿真;Flexsim软件;旗袍;单件流水线;生产平衡率

中图分类号： TS941.19

文献标志码： A

文章编号： 10017003（2021）01007207

引用页码： 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世纪以来，全球服装产业也进入了数字化和智能化的生产时代，先进的科学技术手段为服装产业的发展提供了强有力的技术支持[1]，而中国的服装产业工业化起步相对较晚，发展程度也相对落后，很多服装企业尚不具备智能化生产水平，在生产过程中机器设备的摆放及人员安排多是根据以往的经验与习惯进行配置，造成了生产资源浪费、生产平衡率低下的行业现状。因此，服装产业如何实现从传统制造向智能制造的市场快速反应，利用虚拟仿真技术对整个生产流程进行设计，在企业投入生产之前通过仿真优化得出最高效的流水线设置，从而达到提高生产平衡率的目标，已经成为现代服装企业亟需解决的重要难题。

针对生产平衡率的提高及虚拟仿真技术的应用研究，Bongomin Ocident等[2]利用位置权重的方法，以一款女裤为研究对象，通过建立有设备约束和无设备约束两种流水线，对生产平衡率进行验证得出位置权重法更适用于设备数量少且相同的流水线设置，并对应用虚拟仿真技术提高流水线生产平衡率提出研究建议。N Samattapapong[3]利用Flexsim虚拟仿真技术对仓库物流生产线进行虚拟仿真优化，通过仿真运行后找出生产线瓶颈，并通过循环测试验证了Flexsim虚拟仿真软件在提高生产线效率中的可行性。Kayar等[4]对启发式生产线平衡与仿真优化生产线平衡进行比较研究，并通过实例验证得出两种技术均可以有效提高生产线的生产平衡率。国内方面，孟哲等[5]利用虚拟仿真技术对企业的混合流水线进行多次优化仿真，通过对仿真优化数据的分析，确定出最佳的生产线方案，并通过实际运行证明了方案的高效性。张旭靖等[6]为提高服装生产线作业平衡，以男衬衫为例利用遗传算法对不同的工作地布置方式的生产线进行应用分析，建立生产线优化平衡模型，并通过仿真模型验证了各布置方式生产线的可行性，从而降低企业生产成本。郭晓萍[7]利用ED软件创建布局仿真模型，对工人作业疲劳度进行仿真验证，通过对服装工序进行拆分重组实现了缩短作业时间提高生产效率的研究目的。李克兢等[8]利用服装各部位工艺参数创建生产模块平衡数学模型并建立数据库，通过对各关联数据进行优化分析，设计开发出服装快速生产系统，并对该系统的实用性与可行性进行有效验证。于昕辰[9]通过蚁群算法利用ProModel虚拟软件对生产线中的在制品数量、返修率和人工作业效率进行优化研究，并运用编程软件研发出一套稳定的生产运行系统，对服装企业安排生产起到了一定的指导意义。上述研究，均采用了先进的技术手段对提高服装流水线的生产平衡率进行分析，并提出了有效建议，但是所进行的研究较多采用边生产、边验证、边改进的形式，缺少相应的产前预判;同时缺乏在服装企业实际生产中运用精益生产理论，针对服装单件流水线工序编制优化的专门性研究，而服装单件流水线作为目前中国服装企业应用最为普遍的一种生产形式，其各工序之间的编制是否合理，对该流水线的生产平衡率产生决定性影响。

针对这一现状，本文与丹东市某丝绸服装有限公司作为合作企业，以该公司的一款旗袍产品[10]为例，选取Flexsim虚拟仿真软件为研究对象，借助虚拟仿真软件对流水线的工序编制进行模拟设计及仿真运行。准确预判出旗袍单件流水线的生产线平衡率，并创新性地将虚拟仿真技术与精益生产方法相结合对流水线的工序的编制进行兼顾重组，通过循环优化的方式使流水线的生产平衡率得到提高，从而对Flexsim虚拟仿真软件在服装企业单件流水线生产中的可行性与普适性进行验证。

1 Flexsim虚拟仿真软件概况

1.1 Flexsim优势特征分析

Flexsim作为一种PC Base数字虚拟企业的仿真系统，可

用来建立各种生产、物流及制造等模型，同时可在Windows 7、Windows 10及Vista等多种微软作业平台上進行3D全窗口化虚拟仿真操作。该虚拟仿真软件具有极强的面向对象功能，是目前唯一一个能够实现在图形建模的过程中集成C++ IDE和编译器的虚拟软件[11]。在Flexsim的运行环境中，基于C++的程序设计可以用来直接定义模型执行路径，且不会在编译的过程中出现误差，从而将复杂的用户定义变量链接变得简单且易操作。除此之外，Flexsim虚拟仿真软件还具有强大的3D动画功能。通过Flexsim虚拟仿真软件对企业生产线布局与编制进行仿真建模，将所建立的仿真模型利用3D动画的形式进行逼真展示即模拟运行，使运行的效果与结果最大程度上接近企业实际生产现状。

1.2 Flexsim建模过程

在服装企业的实际生产过程中，利用Flexsim仿真软件进行结构建模主要包括Flexsim流水线仿真、流水线模拟运行及优化和优化结果验证3个模块，如图1所示[12]。其中仿真模块中的暂存区和发生器主要用于模拟企业实际生产时单件流水线中的工位编制与数量，并通过流水线模拟运行及优化模块对运行结果进行分析研判，找出制约生产效率的瓶颈环节，并对其进行优化改进，最后在优化结果验证模块中对优化后的流水线生产平衡率进行模拟验证。如果优化结论依旧不能满足企业生产要求，可在Flexsim中再次或多次进行反复循环优化，形成“仿真—优化—仿真—优化”的再循环路径，直至得到最佳效率的单件生产流水线[13]。

2 流水线现状分析

流水线的工序编制是否合理是决定服装流水线生产平衡率的关键因素。中国传统的服装生产流水线通常采用大批量的推动式生产流程，粗放式管理。流水线中的工序编制通常由流水线中的生产组长根据个人经验进行随机安排，而工人在拿到自己的生产任务后，通常只注重个人产量，对整个流水线中瓶颈工序或平衡状况缺乏重视。因此，虽然个别工人效率很高，但是整条流水线的生产平衡率却相对较低急需优化改善[14]。

2.1 服装流水线优化现状

目前中国服装企业对流水线的优化在理论上主要是通过提出某种理论或方法，通过计算来验证其可行性，缺乏可以直接进行可视化应用、与企业实际生产相结合的智能化技术手段。在实际生产方面，生产管理者由于缺乏足够的数据支持与产前研判，只能通过在生产过程中，边发现问题边改进的方法对流水线进行优化，无法在产前及时有效的发现并解决问题、设置出最优流水线编制，从而增加了企业的生产投入及因为反复修改操作所产生的额外工时，使流水线生产平衡率无法得到有效提高。因此，只有利用先进的智能手段，将可视化的虚拟仿真技术与企业实际生产相结合，通过虚拟仿真优化进行产前的研判，在实际投入生产前消除或减少瓶颈工序与节拍，制定出最佳流水线编制，才能最大限度地避免生产浪费，降低生产消耗，提高流水线生产平衡率。

2.2 服装流水线平衡率影响因素

2.2.1 工序编制效率

在服装单件流水线中，工序编制效率直接决定整个流水线的生产平衡率，是判断流水线生产平衡率最重要、最直观的指标，工序编制效率越高单件流水线的生产平衡率也就越高。单件流水线中生产平衡率的计算公式为：

E=PBP（1）

式中：E代表生产平衡率;P代表单件流水线节拍;BP（bottle pitch）代表单件流水线中的瓶颈节拍，即整个单件流水线中工时最长的工序时间[15]。

在一条流水线中如果存在多个瓶颈节拍的话，要选择工时最大的瓶颈节拍来进行生产平衡率的计算。服装行业单件流水线的生产平衡率评判标准如表1所示[16]。

2.2.2 工序难易程度

服装工序的难易程度主要由该道工序的工时体现，通常难度越大的工序，工时就越长。服装企业在实际生产过程中会结合工序的工时根据工序等级标准对工序进行等级划分，在本次实验的旗袍单件流水线加工生产过程中，可将旗袍的难度等级划分为4个等级，如表2所示。

2.2.3 工人技术水平

由于同一工序会因为工人技能水平的不同而产生差异，因此，工人的技能水平同样直接影响到单件流水线生产平衡率的高低。在服装企业中，工人的操作技能水平表现在其对所执行工序的熟练度和完成质量。在服装单件流水线的生产过程中，服装企业根据工人的技能水平，会依照工人的实际操作技术水平将工人划分为4个技术等级，如表3所示。

通过对工人操作技能进行等级划分，可以更加高效合理地对工序加以分配，技能等级高的工人完成复杂繁琐不易操作的工序;反之，技能等级低的工人则完成简单易操作的工序。从而最大限度地减少人员闲置，避免制品积压和大量返修等现象的出现。

3 旗袍单件流水线Flexsim仿真优化实验

本文以丹东某丝绸服装有限公司为合作企业，以该公司即将投入生产的一款真丝中式旗袍为例，如图2所示。在实际生产中，对该旗袍的单件流水线的工序编制及生产平衡率进行虚拟仿真优化，进行产前研判，进一步对Flexsim虚拟仿真软件在单件流水线优化过程中的可行性和高效性进行验证。

3.1 旗袍工序流程

根据选定旗袍款式，将该旗袍的加工工序进行分析，制定出工序流程，如图3所示。

3.2 虚拟流水线设定

将旗袍工序输入图1的Flexsim流水线仿真模块中，借助软件中的分布拟合功能对工序进行初次模拟编制分配，首次建立旗袍虚拟单件流水线，其工序及工位分配如表4所示。通过表4可知，该虚拟旗袍单件流水线共需工位21个、工人21名，单件旗袍加工总工时为1 332 s，流水线瓶颈节拍BP为工位7#的88 s，以及各工序的分配组合与所需设备情况。在此基础上，利用下式计算单位流水线的节拍P：

P=TN（2）

式中：T为单件旗袍产品的加工总时间;N为流水线作业工人人数。

通过人工计算得出该单件流水线的节拍P为63 s，并最终计算得出该旗袍单件流水线的生产平衡率为72%，远低于表1中高效率生产线所要求的85%，因此需要对其进行仿真优化。同时，以该企业计划的日工作时间8 h、日生产量457件为例，而该虚拟流水线实际日产量则为329件，同样需要进一步对流水线编制进行仿真优化。

3.3 流水线虚拟仿真优化

3.3.1 精益生产理论与方法

精益生产（lean production，LP）又称精良生产，以消除无效的劳动、避免生产浪费，降低生产成本为核心，使企业以最少的投入获得最大的收益。精益生产方式作为一种高效新兴的企业管理与生产模式，正在被越来越多的服装企业所接受和采用，并通过实行精益生产实现流水线优化、降低成本、保证质量，从而提升流水线生产平衡率[14]。

ECRS分析法是精益生产实施过程中最常采用的，对生产工序进行优化和改进的一种方法，其中E（eliminate）即取消，C（combine）即合并，R（rearrange）即重新排列，S（simplify）即简化。本文利用ECRS法对旗袍单件流水线中的瓶颈工序与浮余工序进行兼顾合并，将工序组合进行重新排列与简化，并将重新编制的旗袍单件流水线设置输入虚拟仿真软件进行循环仿真优化，直至得出生产平衡率最佳的流水线配置。

3.3.2 仿真优化过程

利用Flexsim软件对旗袍单件流水线进行模拟仿真优化，通过软件对所有工位、工时各进行12次测试，处理器中显示时间为旗袍单件流水线中各工位的作业时间（即工时），借助拟合软件对测试得到的工时进行函数分析，并将各工位的作业积压与浮余状态通过软件进行输出，如表5所示。通过对比表4中的数据可以发现，在该单件流水线中部分工位存在积压或浮余严重的情况，如工位15#与节拍的差值为-23 s，表明工位15#的浮余时间占比较大;工位7#与节拍差值为25 s，说明工位7#产品积压状态相对明显。针对存在问题的工位，通过人工干预采用ECRS法对流水线中工人及工序编制进行兼顾和优化重组，并再次通过仿真模拟运行对该旗袍单件流水线的生产平衡率进行验证，优化后的工序分配如表6所示。对优化后的旗袍单件流水线进行模拟仿真運行，得到的日生产量如表7所示。

通过上述虚拟仿真可知，首先利用Flexsim创建虚拟仿真模型，再创建虚拟的旗袍单件流水线，利用工序组合与平衡优化对流水线中存在浮余或积压状态的工序进行仿真优化，改善各工位的浮余、积压状态，将流水线瓶颈节拍从88 s降至67 s。随后对该单件流水线进行循环模拟运行，优化运行后该旗袍单件流水线的日生产量由之前的329件提升至430件，从而流水线的生产平衡率也由模拟仿真之前的72%提升至94%。根据表1中服装行业单件流水线的生产平衡率评判标准可知该生产线属于高效生产线，且仿真优化后的流水线各工位工时差相对较小，均比较接近流水线节拍，如图4所示。

4 结 论

本文以Flexsim虚拟仿真软件为研究对象，将其实际应用于旗袍流水线的加工生产中，通过Flexsim的仿真运行对该款旗袍流水线的加工工序及瓶颈节拍进行分析预判，并对流水线进行优化组合及循环仿真运行。通过对运行结果的研究分析可知：

1）利用先进的智能软件——Flexsim对旗袍单件流水线进行虚拟仿真优化，通过编制虚拟流水线及流水线仿真运行实现减少浮余与积压的现象，降低瓶颈节拍及提高生产量的目标，并最终使流水线生产平衡率得到大幅度提升。

2）借助Flexsim虚拟仿真软件对服装企业的单件流水线在实际生产之前进行模拟仿真优化，可以提前研判出需要进行优化的目标，并提前预判出流水线的实际运行效率。根据运行结果找出流水线瓶颈节拍，并采用精益生产中的ECRS法对流水线工序进行兼顾优化组合，通过循环仿真实现优化消除或降低瓶颈节拍，使流水线以最佳编制投入实际生产加工。与传统的流水线优化方法相比，更具有降低生产成本、减少作业时间的优势，并最大限度地提升了流水线的生产平衡率。

3）Flexsim作为一款通用性极强的虚拟仿真软件，其操作流程方便易于掌握，模拟过程可视性极强，数据输出简便快捷，且具有极高的开放性和柔韧性，能为几乎所有产业定制模拟仿真模型，并在模拟仿真运行过程中对数据进行实时读取和分析。因此，在服装产业的实际生产过程中具有极高的普适性，可应用于不同的服装款式与流水线的模拟仿真优化。

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