服装生产线平衡分析与仿真优化研究

VI大杨创世服装生产线平衡分析与仿真优化研究摘要当前，采用大规模流水线生产是中国服装制造业的重要组成部分。高效的生产线可促进连续生产，缩短生产周期。同时，针对不合理的生产流程带来的未完成工作的积压和短暂的生产放缓，也会产生有效的改变。这些改进将帮助企业减少开支，实现利润最大化。本研究选取了大杨创世服装公司的校服西裤生产线作为研究对象，目的是通过解决公司生产过程中的实际问题来提高生产线的平衡率。为了综合本地和全球在工业工程方法、仿真优化和精确算法方面的研究进展，本文首先简要概述了研究背景和相关性。其次，针对大杨公司校服西裤生产线的现有状况，将各工序的运行组件分开，并采用秒表计时法测量和计算平均时间。生产线平衡是校服西裤生产线平衡的评估指标。使用FlexSim仿真软件建立校服西裤生产线的模拟模型，并对各车间的加工和空闲概率进行了整理。FlexSim仿真再次证明了优化方案的有效性。为第Ⅰ类和第Ⅱ类创建了0-1整数规划模型以及用LINGO软件寻求最优解，重新分配了工作项目，并通过FlexSim模型验证了优化方案。通过优化，搬运操作的总距离从47266.3米减少到22640.36米，减少了47.9%。第Ⅰ类生产线平衡后，工作站数量从16个减少到14个，操作人员数量从18人减少到16人。根据仿真结果显示，最低闲置率32.62%，加工率最高达67.38%，闲置率超过50%的工序从11个降至8个。第Ⅱ类生产线平衡后，操作人员减少至17个。FlexSim仿真显示，闲置率最低仅为50.63%，加工率最高达51.18%。综合对比后，最终采用第Ⅰ类平衡优化方案，FlexSim仿真验证后，空闲率超过50%的工位从11个减少至8个。最终实现了生产平衡的提升，生产效率得到了提高。关键词：生产线平衡，FlexSim仿真，0-1整数规划ResearchonBalanceAnalysisandSimulationOptimizationofClothingProductionLineinDayangTrandsAbstractAtpresent,themainfeatureofChina'sgarmentmanufacturingindustryislarge-scaleassemblylineproduction,throughhigh-efficiencyproductionlinescanpromotethesmoothproductionofenterprises,whileshorteningtheproductioncycleofproducts.Backlogofworkinprogressandtemporarysuspensionofproductionduetoirrationalproductionprocesses,etc,itwillalsobeeffectivelyimproved,whichwillhelpenterprisessavecostsandimproveeconomicbenefits.ThispapertakestheproductionlineofschooluniformsandtrousersofDayangChuangshiGarmentCompanyastheresearchobject,solvestheactualproductionproblemofschooluniformsandtrousersofDayangChuangshiCompany,andachievestheresearchpurposeofimprovingthebalancerateoftheproductionline.Firstly,thispaperbrieflysummarizestheresearchbackgroundandresearchsignificance,aimingtoreviewtheresearchprogressonindustrialengineeringmethods,simulationoptimizationandaccuratealgorithmsathomeandabroad.Secondly,combinedwiththecurrentsituationofDayangCompany'sschooluniformtrousersproductionline,theoperationelementsofeachprocessweredivided,thestopwatchtimemeasurementmethodwasusedtomeasureandcalculatetheaveragetime,thebalanceoftheschooluniformtrousersproductionlinewasreflectedthroughtheevaluationindicatorssuchasthebalancerateoftheproductionline,andthesimulationmodeloftheschooluniformtrousersproductionlinewasestablishedbyFlexSimsoftware,andtheprocessingrateandidlerateofeachstationweresummarized.Thirdly,theFlexSimsimulationisusedtoverifytherationalityoftheoptimizationscheme.Then,byestablishingtheclassIandclassII0-1integerprogrammingmodels,theLINGOsoftwarewasusedtosolvetheproblemtorealizetheredistributionofjobelements,andtheoptimizationeffectwasverifiedbyFlexSimsimulation.Afteroptimization,thetotalhandlingdistanceofoperatorswasreducedfrom47,266.3mto22,640.36m,areductionof47.9%.AfterthebalanceoftheClassIproductionline,thenumberofworkstationswasreducedfrom16to14,andthenumberofoperatorswasreducedfrom18to16,andtheFlexSimsimulationresultsshowedthatthelowestprocessidleratewas32.62%,thehighestprocessprocessingratewas67.38%,thenumberofprocesseswithanidlerateofmorethan50%wasreducedfrom11to8,andaftertheClassIIbalance,thenumberofoperatorswasreducedfrom18to17,andtheFlexSimsimulationresultsshowedthatthelowestprocessidleratewasonly50.63%.Theprocessprocessingratereachedthehighest51.18%.Throughcomprehensivecomparativeanalysis,theTypeIbalanceoptimizationschemewasfinallyselected,thenumberofsiteswithmorethan50percentidlenesswasreducedfrom11to8aftervalidationbyFlexSimsimulation.Keywords:Linebalancing,FlexSimsimulation,0-1integerprogramming目录TOC\o"1-3"\u摘要 IAbstract II第1章绪论 11.1研究背景和意义 11.1.1研究背景 11.1.2研究意义 21.2国内外现状分析 21.2.1国内研究现状 21.2.2国外研究现状 41.3研究思路与内容 51.3.1研究思路 51.3.2研究内容 6第2章理论基础 72.1工业工程技术 72.1.1作业测定法 72.1.2鱼骨图分析法 72.1.3方法研究分析法 82.2物流系统仿真 82.2.1物流仿真建模 82.2.2FlexSim仿真 92.30-1整数规划 102.4生产线平衡 112.4.1生产线平衡的定义 112.4.2生产线平衡的评价指标 112.4.3生产线平衡计算 12第3章大杨创世服装生产线仿真建模 133.1大杨创世公司概况 133.2服装生产线概况 143.2.1调查对象分析 143.2.2生产过程描述 153.2.3作业元素划分 163.2.4作业测定 183.3基于Flexsim的大杨集团服装生产线仿真分析 203.3.1建立仿真模型 203.3.2仿真参数设置 213.3.3运行仿真模型 233.3.4仿真结果分析 23第4章大杨创世服装生产线平衡优化 244.1基于FlexSim的生产线作业仿真 244.1.1仿真模型的假设 244.1.2优化前仿真模型的建立 244.2.3优化后仿真模型的建立 314.2生产线平衡问题的数学模型 314.2.1模型建立的前提及约束条件 314.2.2第Ⅰ类平衡问题的0-1整数规划模型 334.2.3第Ⅱ类平衡问题的0-1整数规划模型 344.30-1整数规划模型的求解 344.3.1LINGO软件简介 344.3.2第Ⅰ类平衡问题的求解 344.3.3第Ⅱ类平衡问题的求解 35第5章服装生产线平衡优化仿真验证 385.1构建优化后仿真模型 385.2优化后指标分析 38第6章结论 40参考文献 41致谢 43附录 44-第1章绪论1.1研究背景和意义1.1.1研究背景随着经济的全球化，生产面临着新的挑战，生产方式和技术的变革对生产系统的规划、设计和管理产生了深刻的影响。生产者必须根据市场需求和生产能力选择合适的生产方式，提高核心竞争力。服装行业作为我国重要产业之一，出口贸易总额占据我国贸易总额的11%。我国服装业较其它行业起步晚，市场化程度较高，智能化水平低，且具有多工序、多品种、流程繁琐和小批量等特点。服装生产的流水线编排和设计在很大程度上取决于管理人员的经验，要达到理想的平衡状态，就必须不断进行调整。随着市场竞争日益激烈和客户需求的多样化增加。1986年，大杨创世集团投入大量资金引进国内第一条西装生产线，继而推出单批单件定制服务，进一步开发自主研发的信息化定制系统，采用智能单裁机、AGV自动输送机、智能传输系统，将智能仓储车间与ERP全流程无缝对接。大杨创世集团是一家以生产和销售高品质产品为主的企业，同时也有很多出口企业对大洋创世生产线有更高的要求。。本文以生产线平衡优化为研究对象，对大杨创世服装生产线进行仿真与优化研究。针对实际生产线在制品积压、生产暂时性停滞等问题，通过将FlexSim仿真与0-1整数规划模型相结合，建立生产线仿真模型，实现作业元素重新分配，为企业优化改进提供有效方案。1.1.2研究意义（1）理论意义本文研究首先用0-1整数规划，分析并改善大杨创世生产线，然后使用FlexSim软件对优化前后的平衡线进行建模和分析，并对优化效果进行比较和分析。（2）现实意义大杨生产线平衡率得到提高。平衡生产线意味着改进瓶颈工序，提高各工序的处理速度，平衡工时分配，缩短整个生产周期，改善生产平衡。降低生产成本。通过优化生产线上的工艺，重新安排不同的作业分配，减少库存和生产中的浪费，以及消除不必要的工作站，可以降低企业的生产成本。提高员工工作的积极性。对生产线进行平衡优化使得各作业元素重新调整，各工序时间更加均衡，均衡了员工的作业量，避免了因为工作量不一样，而造成某些职工的工作积极性降低的事情发生。1.2国内外现状分析1.2.1国内研究现状工业工程法尚悦悦研究产品生产线生产平衡率低的平衡问题，对其优化后提高了生产线工序处理率，瓶颈工序平衡率[1]。董晋采用SLP方法研究生产线的平衡问题。发现了在生产现场布局、瓶颈工序作业、作业分配和现场管理等方面的造成生产不平衡的原因，并提出了相对的优化方案[2]。岳志春等人运用“ECRS”原则、双手作业分析等工业工程方法，对操作人员作业负荷不均衡、工位布局不合理等问题进行平衡优化[3]。王红等人以工业工程技术为基础，结合精益生产与PDCA持续改进理论对装配线平衡率进行改善，最终实现企业装配线生产效率、生产成本的优化，增加企业竞争力[4]。刘天琪以制砖生产线为研究对象发现目前该生产线存在作业时间不均衡、生产布局不合理、产能未达标的问题。随后运用基础工业工程思想中的“5W1H”、“ECRS”原则对作业时间以及SLP方法对生产布局进行优化[5]。王霞等人针对MT6生产线运用工业工程理论和方法，优化了生产线以及提高了产能[6]。模拟仿真优化法仿真技术的加入丰富了生产线平衡方法的研究内容。将工业工程等方法与仿真方法结合，利用前者进行生产线优化，通过后者对需要改善的生产系统进行仿真建模，根据模型运行结果来验证优化效果[2]。郭姣等人通过分析某电机制造厂生产车间设施布局现状及存在问题，发现了FlexSim系统仿真结果表明优化方案可以有效降低电机制造厂生产车间的搬运路线重复交叉点、物流搬运距离以及物料搬运物流强度[7]。张敬伟等人使用FlexSim软件对单相电能表生产线进行了动态仿真，实现了电能表上下工装载具的过程，通过三维模型动态模拟了电能表在生产线上的加工过程，并对校表过程的多回路调度算法进行了研究，试验了缓冲区数量和电能表工装载具数量对校表效率的影响，为提升电能表生产线效率提供了依据[8]。赖丽娟等人使用FlexSim、3Dmax等软件进行建模仿真，对智能产线的功能性、技术性、经济性、安全性等进行系列分析，通过人机之间的分工协作和流程优化，极大地提高生产效率的同时，有效地降低了人工成本[9]。郭姣等人运用SLP方法对其生产车间总体布局进行评价和优化，并结合FlexSim系统仿真软件对提出的优化方案进行模拟和验证，FlexSim系统仿真结果表明优化方案可以有效降低电机制造厂生产车间的搬运路线重复交叉点、物流搬运距离以及物料搬运物流强度[10]。（3）0-1整数规划模型陈昌平等人，基于0-1整数规划模型,根据渔船作业渔场的地理位置、避风渔港的地理位置，对避风型渔港的布局进行了优化计算[11]。李柯建立了产品的工艺流程和工序工时的0-1整数规划模型,通过Lingo软件求出解,得到最优分配方案。重新分配各工序作业负荷以提高生产线平衡率,减少工作站数量,提高生产效率,进而降低制造成本,提高企业在行业内的竞争力[12]。林雯琦等人对大学实验课程排课问题进行研究,建立了0-1整数规划模型在满足各种硬性条件约束的前提下,对模型进行优化,从而满足一些软性约束,力求得到更为合理和人性化的排课策略[13]。汤炜欢提出0-1整数规划是一种特殊的整数规划。在生产实践中若有涉及逻辑现象的问题,则可引进0-1变量,建立0-1整数规划模型,在满足这个问题的已知条件下,使得目标函数达到最优[14]。1.2.2国外研究现状（1）模拟仿真法PoloczekR.等人在钢铁行业使用了优化模拟，利用FlexSim软件进行了仿真，所提出的模型能够可靠地模拟炼钢过程中多工序操作的行为[15]。NigischerChristian等人利用FlexSim仿真环境来检查为复杂工业生产系统创建的一系列模型的不同层次的细节。首先,提出了一种迭代建模方法,从开发低细节模型开始,然后创建具有更高保真度的进一步细化模型。使用4个保真维度对模型之间的保真度进行了定性比较。此外,在模型验证过程中,通过比较模拟和真实生产系统吞吐量,评估了给定精度目标所需的细节水平。最后,在实验的基础上,利用合适的模型实现了生产系统的优化[16]。IshakAulia等人生产线仿真在Vise中使用FlexSim应用程序，研究签证生产工艺时间与生产目标数量是否能够满足和有效[17]。LuscinskiSlawomir等人利用FlexSim(R)3D软件建立了柔性制造系统的通用仿真模型,然后利用实例数据对所开发模型的适用性进行了论证将柔性本体应用于制造系统已实现柔性的评价[18]。QiangCheng等人建立了基于FlexSim的生产线物流仿真模型。对原始模型和优化模型进行了比较分析。仿真结果表明，优化后的生产线设备任务分配趋于合理，设备利用率提高了，产品周期缩短了，实现了优化规划设计[19]。（2）0-1整数规划WangShiwen等人提出了正交试验和0-1整数规划算法相结合的方法来探索模型的最优解。应用国内某单机组泵站的实际案例,证明了算法的有效性。所提算法为类似的复杂非线性模型提供了参考[20]。TangZhen等人以DNA链置换反应为基本原理,设计了3个化学反应模块,分别为加权反应模块、求和反应模块和阈值反应模块。这些模块作为基本元素形成化学反应网络,可以用来求解0-1整数规划问题[21]。XuRujie等人将DNA循环杂交和磁珠模型相结合,求解0-1整数规划问题。0-1整数规划模型的约束条件是通过检测生物条形码的信号强度来求最优解。最后,该模型可用于求解一般的0-1整数规划问题,比以往的DNA计算模型具有更广泛的应用[22]。SusanaBaptista等人引入了一个两阶段多周期随机混合0-1双线性优化模型，在该模型中，期初可用实体和产品在实体间流动的联合定义使得期望总利润在时间范围内的净现值最大化[23]。1.3研究思路与内容1.3.1研究思路为保证研究的科学性和严谨性，本课题采用的研究方法包括：（1）工业工程的作业测定法工业工程利用作业测定来确定标准工时，以减少闲置率，帮助员工提高利用率。（2）定性方法与定量方法相结合这篇文章运用数量分析方法研究不同工作单元间的物流量，对大杨创世公司的生产线进行了研究，使用0-1整数规划来合理分配生产线上的工作站，并采用质性方法分析了生产线各工作单元之间的相互关系。（3）实地调研法实地参观大杨创世公司，深入了解公司的背景、文化和管理层，通过现场调研获得相关知识，确保对论文涉及的问题进行综合分析。（4）文献研究法通过收集、研究、完善大量文献，对工业工程理论的知识体系进行深入系统的研究，详细整理和分析相关文献，如工业工程、仿真系统、0-1整数规划，以此达到研究目的，为本文奠定坚实的理论基础。首先，获取生产线操作要素的标准操作时间，并评估生产线的当前平衡状态；基于收集到的资料建立生产线的FlexSim仿真模型，并进一步构建了作业元素的0-1整数规划模型，综合对比得出平衡优化方案，研究结果可以为企业提高生产线平衡率提供建议。基于上述目标，完成“基于FlexSim的大杨创世生产线平衡优化与仿真研究”的论文。1.3.2研究内容本文的主要研究内容包括：第1章，绪论。本文旨在讨论工业工程方法、模拟仿真优化和精确算法三个研究领域，包括研究动机和目的，综述了国内外学者在这些领域取得的研究成果。最后，总结研究内容和结果。第2章，理论基础。介绍本文所用到的理论方法，概括0-1整数规划、生产线平衡以及FlexSim仿真等理论，并将其作为本研究的理论支持。第3章，建立生产线仿真建模。简单介绍大杨公司及其生产线的情况。使用FlexSim软件创建生产线模型并分析结果。第4章，生产线的平衡优化。用FlexSim软件建立仿真模型，对比优化前和优化后的效果。建立第Ⅰ类和Ⅱ类生产线平衡的0-1整数规划模型。最后，通过使用LINGO软件求解。第5章，生产线平衡的仿真优化验证。用FlexSim建模仿真，验证两种优化方案的可行性。第6章，结论。优化方案的实施效果得到巩固和改善，采取一些保障措施。第2章理论基础2.1工业工程技术2.1.1作业测定法工业工程利用连续测量来确定标准工时，使员工能够更好地利用时间，减少闲置时间。在监测和记录现场人员的移动时间时，可以直接或间接地观察和设定适当的标准估算系数和放大系数，从而计算出标准工时。获取多个工作项目的基本工时，然后对工作项目的基本工时进行累加，获得稳定的工序基本工时，旨在通过改变和影响工作完成的因素来降低系统效率，降低成本。作业测定是一种以时间和生产时间为基础的工作方法，有助于减少或防止生产率下降。发达国家采用这种科学、客观、可靠的时间标准方法，根据劳动指标确定就业率。2.1.2鱼骨图分析法在工业工程领域，当发现问题或缺陷时，通常会采用鱼骨图分析法来确定问题的原因。鱼头上是目前存在的主要问题和缺点，也就是结果。以鱼骨的形式向外延伸，根据各个原因影响结果的概率，指出问题的可能原因。鱼骨图的一般形式如图2.1所示。图2.1鱼骨图分析法2.1.3方法研究分析法这种方法通常是指研究人员对当前工作方法的实施情况进行监控和记录，并根据监控和记录的结果对生产线进行改进、完善和优化，从而提高生产线上当前工作方法的效率、简化程度和成本效益。具体分类如图2.2所示。图2.2方法研究的具体分类2.2物流系统仿真2.2.1物流仿真建模在系统仿真建模过程中，使用了生产线和计划车间等现有数据。基于FlexSim等仿真软件建立模型，模拟现场。FlexSim建模的基本步骤如图2.3所示。图2.3FlexSim建模的基本步骤2.2.2FlexSim仿真FlexSim仿真软件，用于模拟离散系统的运行过程，即系统的状态随着特定时间点的元素变化而变化。建模过程中的元素包括实体、属性、状态、流程等。通过FlexSim软件创建一个三维虚拟环境，尽可能真实地模拟产品或组件的生产线。在各种评估环境中部署仿真系统，根据具体要求调整相关数据，并启动仿真模型以收集所需数据。。以FlexSim2019为例，常用的FlexSim实体如图2.4所示。图2.4常用的FlexSim实体2.30-1整数规划对于整数规划中的一种特殊形式0-1型整数规划。这种解决方法一般用于解决分配、互斥和带有固定费用的问题，因此在实际问题中有着广泛的应用，比如旅行购物、背包、编码和选址等。0-1整数规划的决策变量虽然只能取值0和1，但是求解起来却是十分繁琐，常用的求解方法是穷举法和隐枚举法[1]。（1）穷举法是把所有决策变量可以取到的值都列出来，在所有取值中找到满足目标函数的最优解，如果变量有n个的话，那么变量取值就有2n个组合。穷举法只适合解决小规模问题，对于求解稍微繁琐的问题，计算负担很重，不适合用。（2）隐枚举法区别于穷举法的是，它不需要一一列举出全部可取变量。它是把全部的变量取值定为0，再把某些可能的变量取值改成1，直到出现一个可行解，并把此解代入到目标函数中，若该目标函数是求解最大值，则得到一个下界，否则为上界。然后，去改变另一些变量取值的0和1，依次代入目标函数检验，如果超出界限，则舍弃，依次往复，得出这个目标函数的最优解。例如：x=1,若Ej2.4生产线平衡2.4.1生产线平衡定义生产线平衡就是调整所有生产流程，调整工作量，利用技术和方法尽快完成每道工序，实现平衡，在纠正生产过程中的工序不平衡、提高效率和防止生产过剩方面发挥着作用。平衡线直接影响生产线的连续运行，在技术管理中非常重要。生产线平衡包含了过程中的各种评价原则、方法、价值计算和改进措施。。2.4.2生产线平衡指标（1）生产线平衡率生产线平衡用于测量生产线平衡；确保每个工位的工作时间平衡，并要求优化。生产线平衡率的计算公式如下：LB=i=1MTiP×M式中，Ti——第i个工序的作业时间(s)；P——瓶颈工序时间(s)；M——工序数量(个)。（2）平衡损失率生产线平衡损失率的计算公式如下：d=1－LB式（2-3）平衡损失率的评价标准如表2.1所示：表2.1平衡损失率评价等级表损失率d等级d≤10%优10%≤d≤20%良d≥20%差2.4.3生产线平衡计算要评价生产线上的总体平衡情况，需要确定平衡线的百分比或平衡损失率。各工序的工时不同，但决定生产线工作周期的工作时间只有一个：最长工时，也就是瓶颈工时。计算方法是工作时间*3600秒/需求产量。（1）生产线的平衡计算公式平衡率=（各工序作业时间总和/（工序数*瓶颈工序时间））*100%=（∑ti/（工序数*CT））*100%[2]（2）生产线的平衡损失率计算公式平衡损失率=1-（各工序作业时间总和/（工序数*Takt时间））*100%[2];第3章大杨创世服装生产线仿真建模3.1大杨创世公司概况大连大杨创建公司成立于1979年9月，专业生产和销售各种高档服装。经过33年的不断发展和创新，公司已发展成为世界知名的工业缝纫专家，年产量达600万套，居全国首位。公司于2000年6月上市，2007年3月在世界经济论坛上市。大杨集团主要生产和流通各种高档服装，拥有生产加工设备一万多台。公司年生产服装1100万件，年出口服装600万件，居全国服装生产基地首位，服装出口量130万件。近年来，大杨集团依托自主研发的信息系统平台和智能化工厂改造，实现了多层次、低数量、高质量、反应灵敏的定制化生产模式。其中，海洋集团于2018年启动了全球首家柔性服装加工厂，生产量达90万件。图3.1组织职能制结构大杨集团的决策机制是由总经理、副总经理和顾问委员会召开会议讨论重大事宜，并做出决策。其下设营销管理、企业管理、生产技术、质量管理和物流中心五大部门。服装的生产制造主要由生产技术中心的生产部门负责。大杨集团的组织结构和职能安排可参考图3.1。3.2服装生产线概况3.2.1调查对象分析通过实地调研，得到了大杨集团的有关数据。整理有关大杨集团不同服装产品及产量信息，基于收集到的数据进行P-Q分析，如图3.2所示。图3.2P-Q分析大杨集团的缝纫车间遵循工艺专业化原则，生产方式为成批生产，也包括订货生产和连续生产。大杨集团的生产车间主要分为小仓库、裁剪区、模块化区、吊挂缝制区、成品暂存区、熨烫区、质检区、成品区等各个区域。具体车间区域的划分参考图3.3。图3.3车间布局在服装生产的整个车间中，吊挂缝制区采用自动化的吊挂式流水线进行运输，避免了工人的搬运工作。在生产过程中，搬运工人的工作是在不同作业单元之间搬运服装半成品和其他物料。服装的生产流程包括裁剪、缝纫、熨烫、后整理等环节。一旦服装裁剪和缝制完成，就需要运送到后整理车间进行水洗等后续工序。因此，本文重点研究分析的对象是校服西裤缝纫车间内的生产活动。3.2.2生产过程描述根据现场调查结果，已绘制出大杨创世公司服装生产工艺流程图，具体参见图3.4。图3.4生产线工艺流程图通过查看大杨集团服装生产线的工艺流程图，我们可以准确地了解到每一个生产工序所需的工作台和设备，以及具体工作任务的分工。透彻了解了各工序的操作后，将有助于我们在接下来深入细分校服西裤生产线的工序。3.2.3作业元素划分为了更好地研究工序，通常会将每个流程合理划分为多个作业要素，以达到更好的效果。作业的合理分配与生产效率密切相关。在进行作业元素分配时，有以下原则：(1)为便于研究，将不能再拆分的流程划分为一个作业元素。(2)对于固定的工序方法，作业元素的划分必须与方法相匹配。(3)划分作业要素时，应确保每个部分的时间是可以明确确定的。根据上述准则，结合大杨集团的服装生产线实际情况，确定了生产线作业元素的分组情况，详见表3.1。表3.1大杨集团校服西裤产品生产线作业元素划分工序编号工序内容作业元素编号作业元素内容人数1裁片1裁片12模块化2模块化23材料上架3材料上架14勾兜底，缉明线45勾兜底缉兜底明线15缝前兜6789缉弯线明线缉暗线缉前兜口封前兜口110缝标签6上底襟，埋前裆11上底襟，埋前裆17缝后兜1213缝左后兜缝右后兜18打结14半成品打结19合内裆1516缝内裆缉内裆明线110合侧缝1718合侧缝侧缝护臀119侧缝埋夹11缝腰202122装腰平腰缉腰橡根中间线123封腰头12缝脚口2425缝合布条松紧圈缝制裤脚和双线113下架26下架114熨烫27熨烫215检查28质检116入库29入库13.2.4作业时间测定（1）搜集相关的资料研究中使用秒表进行计时，需要实时记录员工的工时、系统正常运行时间和生产线产出数据，收集需要的硬件数据、材料需求以及工作人员信息。（2）确定研究对象对校服西裤生产线进行作业测定时，需要考察各道工序。在现场勘查和调查过程中，应明确各流程之间的界限，避免工作重复或遗漏，从而影响后续工作的顺利进行。（3）确定观测次数一般情况下，每次观测都会受到多种外部因素的影响，为确保数据的代表性，需要进行多次观测。一般来说，样本量越大，结果越准确。然而，由于时间和精力有限，样本量既不能过多也不能过少，因此需确定适当的观测次数。校服西裤是通过流水线技术生产的，观测主要用于研究下游生产线的平衡优化。观测的大致次数可根据工作周期确定。观测次数确定标准如表3.2所示。表3.2观测次数确定标准表作业周期（分钟）0.751 2 5 10 20 40观测次数（次）200100604030 20 15 10 8 5在与公司生产部门负责人交流后发现，校服西裤从裁片到入库通常需要30-35分钟。为了更好地将观察数据与实际生产联系起来，便于今后的分析和研究，本文需要在每个工作阶段进行8次测量。。（4）公式测定根据企业实际生产情况，用秒表测量工时。本文结合大杨集团校服车间的现状，对校服车间的工作时间进行了分析，获得的数据如表3.3所示。表3.3作业元素测试数据编号作业元素内容123456781裁片125.7122.1125.5126.5124.6129.7127.6121.22模块化145.6155.3142.9155.8153.7150.4147.2152.13材料上架103.6102101.2106.2102.1101.9101.6100.44勾兜底36.841.242.337.638.743.138.935.45缉兜底明线25.725.824.624.927.622.522.225.26缉弯线明线17.319.217.520.120.317.418.318.27缉暗线23.621.523.522.624.524.322.920.58缉前兜口59.360.159.962.160.259.956.758.99封前兜口60.354.657.555.459.660.255.761.910缝标签50.25148.553.449.748.547.448.411上底襟，埋前裆58.654.958.655.65755.258.258.812缝左后兜75.276.77874.376.272.975.972.613缝右后兜70.274.273.170.576.371.372.874.314半成品打结42.639.142.642.842.539.738.838.315缝内裆55.252.654.351.552.416合内裆明线53.554.25151.753.552.251.351.717合侧缝95.798.996.1100.597.298.398.299.818侧缝护臀39.641.619侧缝埋夹24.327.225.630.225.426.827.624.620装腰55.756.357.857.354.15859.552.421平腰35.940.54140.237.635.235.733.422缉腰橡根中间线59.554.857.156.356.554.759.259.823封腰头19.116.514.215.818.511.912.815.824缝合布条松紧圈126.3125.2127.1127.6128128.6130.1123.625缝制裤脚及双线96.2102.1100.1101.699.7106.2107.5102.126下架40.135.737.538.634.127熨烫100.9103.1100.294.8100.698.1102.199.528质检71.874.673.675.38072.67276.829入库38.239.538.539.234.937.339.234.4（5）剔除异常值工时测量完成后，需保证接下来的工作有序进行，同时预防测定数据的准确性问题，可以通过科学筛选所得数据来达到这一目的。本文使用三倍标准差法将数据集的正常范围定义为数据集算术平均偏差的三个标准范围。具体的计算方法如下：假设某一操作单元的观测时间为X（i=1,2,3，...n），则该组数据平均值为：X=i=1nXi标准偏差为：σ≈S=i=1nX根据以上公式进行异常值检验，检验结果如表3.4所示。表3.4异常值检验表编号作业元素内容均值标准偏差x+3dx-3d最大值最小值异常值1裁片125.382.98134.3116.4129.7121.2无2模块化150.364.02162.4138.3155.8142.9无3材料上架102.361.66107.397.4106.2100.4无4勾兜底39.252.1445.732.843.135.4无5缉兜底明线24.811.6329.719.927.622.2无6缉弯线明线18.541.2322.214.820.317.3无7缉暗线22.931.828.317.524.520.5无8缉前兜口59.641.8865.35462.156.7无9封前兜口58.152.3865.35161.954.6无10缝标签49.641.8347.4无11上底襟，埋前裆57.111.956351.358.854.9无12缝左后兜75.231.3579.371.27872.6无13缝右后兜72.842.2379.566.276.370.2无14半成品打结40.801.5545.436.242.838.3无15缝内裆53.131.7858.547.855.251.5无16合内裆明线52.391.3356.448.454.251无17合侧缝98.092.08104.391.9100.595.7无18侧缝护臀41.311.8646.935.744.239.3无19侧缝埋夹26.461.9232.220.730.224.3无20装腰56.392.5664.148.759.552.4无21平腰37.442.4744.8304133.4无22缉腰橡根中间线57.241.7662.55259.854.7无23封腰头15.582.1711.9无24缝合布条松紧圈127.061.53131.7122.5130.1123.6无25缝制裤脚及双线101.943.711390.8107.596.2无26下架37.141.4541.532.840.134.1无27熨烫99.912.3106.893103.194.8无28质检74.592.5782.366.98071.8无29入库37.651.6942.732.639.534.4无经过检查，测得的数据全部落在正常范围内，未发现异常数值，数据有效。3.3基于FlexSim的大杨集团服装生产线仿真分析3.3.1建立仿真模型根据3.2.4作业测定所得数据，在FlexSim仿真软件中对校服西裤生产线进行模拟，详细记录各个工位的运作情况。在建立仿真模型之前，需首先明确模型中所涉及的实体对象的定义，详见表3.5。表3.5实体对象的定义模型元素系统元素备注发生器仓库将尚未投入生产的原材料储存起来处理器生产线的各个工位工位标准时间等于运行时间暂存区临时存储区用来存放生产完成的牛仔裤吸收器后整区下一阶段的工作区域临时实体半成品区正在进行裁剪和缝制的校服西裤大杨集团校服西裤生产线的仿真模型由发生器、处理器、暂存区和吸收器组成。连接实体，创建仿真模型，如图3.5所示。图3.5仿真模型3.3.2仿真参数设置（1）发生器的参数设置发生器的参数设置如图3.6所示。图3.6发生器的参数设置（2）处理器的参数设置在进行生产流程仿真时，假设生产线工人在工作时保持静止不动。使用处理器模拟实际生产线上的工位，把处理器名称改为实际生产线工序的名称。处理时间为平均时间。具体设置如图3.7所示。图3.7处理器的参数设置（3）暂存区参数设置未完成的产品积压时仿真模型可能无法正常工作。因此，需要避免过大的临时存储容量。具体设置如图3.8所示。图3.8暂存区的参数设置（4）吸收器参数设置吸收器参数设置如图3.9所示。图3.9吸收器的参数设置（5）设置仿真运行时间根据实地调研，了解到大杨集团校服西裤生产车间实行8小时工作制。因此将模型运行时间设置为28800s。3.3.3运行仿真模型运行仿真模型模拟生产线的生产流程，添加Dashboard收集每个工作站的加工数据，得到生产线各工位工作状态，如表3.6所示。表3.6各工位工作状态序号工序内容平均时间处理率空闲率1裁片125.3843.41%56.59%2模块化150.3650.05%49.95%3材料上架102.3635.61%64.39%4勾兜底，缉明线105.5335.93%64.07%5缝前兜167.4356.97%43.03%6上底襟，埋前裆57.1119.31%80.69%7缝后兜148.0649.87%50.13%8打结40.8013.74%86.26%9合内裆105.5135.40%64.60%10合侧缝165.8655.29%44.71%11缝腰166.6455.26%44.74%12缝脚口229.0075.47%24.53%13下架37.1412.12%87.88%14熨烫99.9132.61%67.39%15检查74.5924.35%75.65%16入库37.6512.29%87.71%3.3.4仿真结果分析表3.6的仿真结果显示，校服西裤生产线的处理率和空闲率之间存在显著差异，说明车间之间的工作量分配很不均匀。整条生产线所有工序的最大空闲率达到87.88%，最大加工率达到75.47%，说明瓶颈工序是缝脚口工序。此外，在由16个工序组成的生产线中，有11个工序的闲置率超过了50%，说明整条生产线的平衡性也不高。有必要找出校服西裤生产线的问题，以此优化生产线。3.3.5鱼骨图分析与生产车间负责人和工人沟通了解到了影响大杨公司校服西裤生产线平衡的因素，以此绘制鱼骨图，如图3.10所示。图3.10鱼骨图分析

第4章大杨创世服装生产线平衡优化4.1基于FlexSim的生产线作业仿真4.1.1优化前仿真模型的建立（1）建立仿真模型根据图3-3生产车间布局图，连接所有实体。具体仿真模型如图4.1所示。图4.1优化前仿真模型（2）发生器参数设置发生器产生的临时实体代表生产线上的校服西裤原材料。具体设置如图4.2所示。图4.2发生器参数设置（3）暂存区参数设置为了避免在生产过程中堆积大量半成品的情况，设定出料和入库暂存区的最大容量为1000，采用批量操作，设置目标批量为10。操作员需要进行搬运工作，选择“使用运输工具”。具体设置如图4.3和图4.4所示。图4.3暂存区参数设置1图4.4暂存区参数设置2使用暂存区模拟小型仓库。假设临时实体将被按照百分比发送至端口。具体设置如图4.5所示。图4.5仓库参数设置（4）处理器参数设置加工器件所需时间为平均时间。具体设置如图4.6所示。图4.6处理器参数设置（5）连接节点参数设置为了获得准确的统计数据，操作员必须遵循固定的路径。两个作业单元之间安装连接节点，限制操作员移动路径的规划模型。具体设置如图4.7所示。图4.7连接节点参数设置（6）操作员参数设置该模型包含8个操作单元，其中1-2和1-3的搬运均由操作员1负责，总共有7名操作员。操作员根据预先设定的连接节点路径进行移动，模拟现场的搬运情况。每名操作员的容量均设定为10，移动速度不超过1，装载和卸载时间均为5。具体设置如图4.8所示。图4.8操作员参数设置（7）设置仿真运行时间根据前文所提到的大杨集团校服西裤生产线的现状调查，得知大杨集团校服西裤生产车间的工作时间8小时，将模型的运行时间设置为28800s。如图4.9所示。图4.9仿真时间设置（8）运行仿真模型一旦完成仿真模型的建立和参数设置，即可开始点击“开始运行”以运行仿真模型，模拟大杨集团校服西裤生产车间的布局和搬运情况。执行模型后获取仿真数据，并提取其中有用的部分，以得到7名操作员的移动距离数据，详见表4.1。表4.1优化前操作员行进总距离操作员行进总距离16488.525353.3137077.1143153.8753824.7669664.14711704.614.2.3优化后仿真模型的建立根据图3.3所示的布局，建立优化后的仿真模型，如图4.10所示。图4.10优化后仿真布局对模型中的实体进行参数设置。为了确保变量受控，经过优化的模型设置除了网络节点的参数外，其余参数设定与优化之前相同。点击“运行”按钮以启动仿真模型，在模拟中展示大杨创世集团校服西裤生产车间经过优化后的布局和运行情况。运行模型后，获得了7名操作员的移动距离数据，如表4.2所示。表4.2优化后操作员行进总距离操作员行进总距离14719.6521496.4533267.8342699.853135.4565516.971804.284.2生产线平衡问题的数学模型4.2.1模型建立的前提及约束条件为了便于模型的创建，并结合大杨创世校服西裤生产线的实际情况，模型中的变量和符号定义如下：（1）相关符号及参数CT：生产节拍；K：工作站的数量；k：工作站的序号，k=1,2,3,…K；m：作业元素的数量；i，j：作业元素的序号；ti：第i个作业元素所需的时间；i=1,2,3,…m；Tasks=｛1,2…m｝表示作业元素的集合；Pred：作业元素优先关系的集合；Pred=｛（i,j）︱作业元素i是j的上一道工序｝（2）决策变量Xik：0-1变量

式（4-1）Ak：工作站K的指示变量式（4-2）相应的0-1整数规划模型的具体约束条件如下：（1）确保在工作站上分配对应每个流程的作业元素。数学表达式为：式（4-3）其展开为：式（4-4）（2）在作业序列中，若作业i是作业j的前驱作业，则当作业j分配到工作站K时，作业i必定在作业j之前进行。数学表达式如下：式（4-5）其展开为：（3）每个工位上各作业元素时间之和必须小于生产线的生产节拍。其数学表达式为：式（4-6）其展开为：式（4-7）（4）若某作业元素被分配到工作站上，那么该工作站的指示值为1，否则为0。其数学表达式为：式（4-8）其展开为：式（4-9）4.2.2第Ⅰ类平衡问题的0-1整数规划模型根据2.2.4中生产线平衡问题的分类，第Ⅰ类平衡问题应满足的式中的约束条件为（1）、（2）、（3）和（4）。建立第Ⅰ类平衡问题的0-1整数规划模型为：目标函数为：式（4-10）约束条件式（4-11）4.2.3第Ⅱ类平衡问题的0-1整数规划模型第Ⅱ类平衡应满足的式中的约束条件为（1）、（2）和（3）。建立第Ⅱ类平衡问题的0-1整数规划模型为：目标函数：Minz=CT式（4-12）约束条件：式（4-13）4.30-1整数规划模型的求解4.3.1LINGO软件简介LINGO是美国LINDO系统公司推出的交互式线性和通用优化求解器，全称LinearInteractiveandGeneralOptimizer，可广泛应用于解决非线性规划问题，也可处理各类线性和非线性方程组。LINGO的独特之处在于它提供多达10个以上内部函数，是一种支持整数决策变量（包括0-1整数编程）的集成建模语言。它灵活、方便、快捷。此外，它也可与EXCEL、数据库等其他软件实现数据交互。4.3.2第Ⅰ类平衡问题的求解用集合的形式表示S公司T产品生产线各作业元素之间的优先关系：Pred={(1,2)(2,3)(3,4)(4,5)(5,6)(6,7)(7,8)(8,9)(9,10)(10,11)(11,12)(12,13)(13,14)(14,15)(15,16)(16,17)(17,18)(18,19)(19,20)(20,21)(21,22)(22,23)(23,24)(24,25)(25,26)(26,27)(27,28)(28,29)}。编写第Ⅰ类0-1整数规划模型的LINGO软件程序如图所示图4.11第Ⅰ类平衡问题的0-1整数规划模型的编写程序运行LINGO，得到第Ⅰ类0-1整数规划模型的求解结果如图4.12所示：图4.12第Ⅰ类0-1整数规划问题求解的编组矩阵图结果显示，根据CT=229的生产节拍，实际最小工作站数量为14个。每个工作站分配了不同的工作任务，如表4.3所示。表4.3第Ⅰ类各作业元素分配情况工序编号作业元素工序内容平均时间11裁片125.422模块化150.433、4、5、6材料上架勾兜底缉明线185.047、8缉暗线和前兜口82.659封前兜口58.2610、11缝标签上底襟埋前裆106.8712、13、14缝左右后兜打结188.9815、16、17缝内裆合内裆明线合侧缝203.6918、19、20、21侧缝护臀埋夹装腰平腰161.61022、23、24缉腰橡根封腰头缝制左裤脚199.91125、26缝制右裤脚并下架139.11227熨烫99.91328质检74.61429入库37.74.3.3第Ⅱ类平衡问题的求解校服西裤生产线的作业时间和优先顺序保持不变。为第Ⅱ类均衡问题建立0-1整数规划模型如图4.13所示。图4.13第Ⅱ类平衡问题的0-1整数规划模型的编写程序LINGO软件运行后，0-1整数编程模型解决第Ⅱ类平衡问题的结果如图5.7所示。图4.14第Ⅱ类0-1整数规划问题求解的编组矩阵图如结果图所示，有16个固定数量的工作，则生产线的最小生产周期为CT=150.36。根据软件解决方案，实际工作站数量少于16个，只需要15个工作站。各作业元素的分配情况如表4.4所示。表4.4第Ⅱ类各作业元素分配情况工序编号作业元素工序内容平均时间11裁片125.422模块化150.433材料上架102.444、5、6勾兜底缉明线82.657、8、9缉暗线和缉封前兜口140.7610、11缝标签上底襟埋前裆106.8712、13缝左右后兜148.1814、15、16打结缝内裆合内裆明线146.3917合侧缝98.11018、19、20侧缝护臀埋夹装腰124.21121、22、23平腰缉腰橡根封腰头110.31224缝制左裤脚127.11325、26缝制右裤脚并下架139.11427熨烫99.91528、29质检入库112.2第5章服装生产线平衡优化仿真验证5.1优化后仿真模型对Ⅰ类和Ⅱ类进行均衡分析后，建立仿真模型，对0-1整数程序模型求解结果进行验证和分析。根据优化过程，经过两类均衡优化，选择实体联系，建立优化后的FlexSim仿真模型如图5.1和图5.2所示。图5.1第Ⅰ类平衡后的仿真模型图5.1第Ⅱ类平衡后的仿真模型根据第Ⅰ类和第Ⅱ类0-1整数规划模型的求解结果，设置FlexSim模型的相关参数。关于其余实体的相关参数的设置方法与第3章中FlexSim仿真模型的设置类似，本节不再详细说明。5.2优化后指标分析添加Dashboard，，运行两个FlexSim仿真模型，记录每个工作站的运行状态，并将仪表盘提供的闲忙率汇总到表格中。第Ⅰ类校服西裤生产线平衡后各工作站的空闲率和处理率情况如表5.1所示。表5.1第Ⅰ类平衡后各工序忙闲率仿真结果工序编号作业元素工序内容平均时间空闲率处理率11裁片125.457.02%42.98%22模块化150.448.82%51.18%33、4、5、6材料上架勾兜底缉明线185.037.33%62.67%47、8缉暗线和前兜口82.672.18%27.82%59封前兜口58.280.40%19.60%610、11缝标签上底襟埋前裆106.864.16%35.84%712、13、14缝左右后兜打结188.937.03%62.97%815、16、17缝内裆合内裆明线合侧缝203.632.62%67.38%918、19、20、21侧缝护臀埋夹装腰平腰161.646.74%53.26%1022、23、24缉腰橡根封腰头缝制左裤脚199.934.75%65.25%1125、26缝制右裤脚并下架139.154.81%45.19%1227熨烫99.967.74%32.26%1328质检74.675.91%24.09%1429入库37.787.83%12.17%在建立了第Ⅰ类校服西裤生产线的0-1整数编程模型后，为了使整条生产线保持一定的速度平衡，工位数量从16个减少到14个，操作员数量从18个减少到16个。目前FlexSim的模拟结果显示，最小工序空闲率为32.62%，最大处理率为67.38%。空闲率超过50%的工序数量从11个减少到8个，改善了整条生产线的平衡性。第Ⅱ类校服西裤生产线的平衡处理后，各工位的空闲率和处理率情况列于表5.2中。表5.2第Ⅱ类平衡后各工序忙闲率仿真结果工序编号作业元素工序内容平均时间空闲率处理率11裁片125.457.02%42.98%22模块化150.448.82%51.18%33材料上架102.465.16%34.84%44、5、6勾兜底缉明线82.672.17%27.83%57、8、9缉暗线和缉封前兜口140.752.61%47.39%610、11缝标签上底襟埋前裆106.864.16%35.84%712、13缝左右后兜148.150.63%49.37%814、15、16打结缝内裆合内裆明线146.351.38%48.62%917合侧缝98.167.64%32.36%1018、19、20侧缝护臀埋夹装腰124.259.03%40.97%1121、22、23平腰缉腰橡根封腰头110.363.91%36.09%1224缝制左裤脚127.158.52%41.48%1325、26缝制右裤脚并下架139.154.81%45.19%1427熨烫99.967.74%32.26%1528、29质检入库112.263.77%36.23%建立第Ⅱ类校服西裤生产线0-1整数规划模型。平衡后，模型表明只需要15个工作岗位。操作员人数从18人减少到17人。通过FlexSim仿真，最小空闲率达到50.63%，最大处理率达到51.18%。。上述数据表明，第I类平衡优化方案的效果优于第II类型平衡优化方案。经过综合比较分析，最终选择I型平衡优化方案。

第6章结论本研究选取了大杨创世服装公司的校服西裤生产线作为研究对象，平衡和优化生产线的最主要使用的方法是系统建模和0-1整数规划。研究成果如下：（1）实地考察了大杨创世公司的校服裤子生产线，收集了相关信息，深入了解了生产线的整体布局和流程，明确了工作要素，并用秒表测量了平均流程持续时间。通过因素分析和访谈，主要从工厂布局、流程瓶颈、采购和现场管理四个方面总结分析了生产线不平衡的主要原因。（2）为第Ⅰ类和第Ⅱ类生产线的平衡问题创建0-1整数规划模型，并使用LINGO软件求解该模型，以获得工作要素的组合优化结果。（3）使用FlexSim软件优化每个工作站闲忙率数据，并在采集前后创建仿真模型，并通过比较生产线平衡前后的各项指标，验证优化方案的合理性。由于生产线的不断优化和改进，以及研究时间和个人能力的限制，本文还存在一些需要进一步研究和改进的问题，具体如下：（1）使用FlexSim软件时，通常会忽略实际生产中系统错误、硬件损坏和其他可能影响仿真结果的问题。（2）在模拟过程中，实体参数相对简单。但在实际生产中，需要处理更复杂多样的数据要求和变化。为了建立更逼真的仿真模型，需要引入更复杂的仿真环境。（3）服装行业批量生产趋势明显，企业迫切需要提高生产灵活性。这是下一个发展目标，未来的研究方向可能涉及在企业的混合生产线上实现生产平衡。参考文献尚悦悦.S公司Y产品生产线平衡优化研究[D].河北工程大学,2022.董晋.基于FlexSim的S公司T产品生产线平衡优化研究[D].河北工程大学,2022.岳志春,韩玥.基于工业工程方法的H公司插线板装配线平衡优化研究[J].机电工程技术,2023,52(08):129-133.王红,王丽玲.工业工程(IE)技术在企业装配线平衡中的应用[J].宁波职业技术学院学报,2018,22(04):102-105.刘天琪.基于改进蚁群算法的X公司制砖生产线优化研究[D].中国矿业大学,2023.王霞,黄蔚,李睿哲.基于IE的MT车间流水线改进[J].机械设计与制造工程,2019,48(12):90-94.