基于Flexsim的生產線優化研究

邱慧聰

（河北工程大學管理工程與商學院，河北 邯鄲 056038）

0 引言

隨著精益生產理論的不斷普及和發展，生產線的平衡問題引起學者的廣泛關注。葉曉素等［1］在進行生產線的平衡研究時，運用人因工程的理論方法，在“人、機、物、法、環”5 個方面進行分析、改進，減少生產線安全事故的發生并營造一個安全、舒適、合理的工作環境等，從而提高生產效率。覃乾［2］運用MOD 法模特法對某軸承裝配生產線上的工序和作業時間進行分析，發現其中存在的問題，并用MOD 法解決問題。PEARCE 等［3］應用啟發式算法，結合排名-位置加權、迭代阻塞方案，建立能夠同時處理多種約束類型的整數規劃模型用，解決復雜裝配線平衡問題。

服裝制造業為應對多品種、小批量的生產局面，其生產線的平衡和優化勢在必行。企業可以通過減少不必要的停工和生產阻塞，進行更有效的任務分配，提高生產效率。隨著市場需求不斷變化，消費者對服裝時尚和款式的喜好也在變化，優化的生產線能夠迅速地響應市場需求的變化，生產新款式或批量訂單，確保產品的時效性。本文以Q 公司的C 襯衫生產線為研究對象，運用工業工程知識結合ECRS 原則及5W1H法進行分析，對C生產線的各個工序進行調整和優化，以提高生產線的平衡率。此外，通過Flexsim 軟件對優化后的方案進行建模仿真，驗證方案的合理性［4］。

1 C襯衫生產線現狀分析

1.1 制造工序分析

Q公司是一家中小型服裝制造企業，其包含多條服裝生產線，本文以其中的C 生產線為研究對象進行分析和改進。C 生產線是一條襯衫生產線，生產工藝流程由門禁黏襯、折燙門禁、收省前片、收省后片、訂商標、合肩縫與側縫、鎖肩縫與側縫、倒燙省縫與折燙下擺、領子黏襯、勾領凈樣、修剪翻燙、領角定型、袖子合側縫、鎖邊側縫、倒燙側縫與折燙袖口、袖口明線、縫合領子、縫合袖子、鎖邊袖籠、衣身下擺明線、鎖眼、釘扣、整燙組成。C 襯衫生產線的工藝流程如圖1所示。

圖1 C襯衫生產線的工藝流程圖

1.2 C生產線作業時間測定

在生產線中測量每道工序的工時是優化生產過程和提高效率的關鍵步驟之一。本文采用停表法計算C 生產線每道工序的作業時間，考慮可能存在的隨機誤差，減少因臨時干擾或個別異常值而引起的影響，本文使用三倍標準差法剔除測量過程中可能出現的異常值。對于選定的工序，進行多次獨立的測量，計算多次測量結果的平均值X和標準差σ。將篩選后的測量值相加，然后除以測量次數，計算篩選后的平均工時，這個平均值代表多次測量結果的集中趨勢，并且通常更接近真實工時。為使結果更加準確，本文對每道工序進行8 次觀測測量，為簡化標準工時測量過程，以工序1 門禁黏襯為例，寫出計算過程，工序1門禁黏襯的工時測量結果見表1。

表1 工序時間測定數據表

應用三倍標準差法剔除異常值［5］，計算標準差和平均值。

平均值計算公式：

其中，Xi為一個作業單元的第i次觀測數據。

標準差計算公式：

表2 工序測時異常值檢驗表

根據以上步驟剔除異常值后，采用求平均值的方法求出每道工序的平均測時結果，根據現場觀測結果給定評定系數為1，寬放率為5%，根據ST=觀測時間×評定系數×（1+寬放率）計算出標準工時［6］，各工序的標準工時見表3。

表3 各工序的標準時間

1.3 C生產線平衡情況分析

本文通過計算生產線平衡率評估C 生產線的平衡程度，它表示在一個生產線上，每個工位的工作負荷與節拍時間相比的平衡度［7］。

生產平衡率計算如下：

其中：ηLB為生產線平衡率（%）；n為工位個數（個）；i為第ti個工序的操作時間（s）；p為瓶頸工序的生產時間（s）。

通過計算生產線不平衡損失率可以衡量生產線因不平衡而導致的生產損失，表示不平衡對生產效率的影響程度［8］。如果不平衡損失率較高，說明生產線上的不平衡問題可能會導致生產效率下降和浪費增加；較低的不平衡損失率意味著生產線更加平衡，生產效率更高。

生產線不平衡損失率計算如下：

通過計算平滑性指數衡量生產線上產品的生產速度的波動程度。一個平衡的生產線通常會具有較低的平滑性指數，其生產速度的波動較小。低平滑性指數的生產線有助于確保產品在生產過程中能夠按照預定的節拍時間進行流動，減少了生產線上的浪費和不穩定性。如果平滑性指數較高，說明生產線存在波動和不均勻的問題，需要進一步的平衡工作，以改進生產效率。

平滑性指數計算如下：

其中：φSI為平滑性指數；tc為瓶頸工序時間（s）；ti為第i個工序的操作時間（s）。

根據以上計算結果可知，該生產線的平衡率較低，只有40.06%；生產線不用平衡損失率較高，為59.94%；平滑性指數較高，為42.14。說明C 生產線進行實際生產的過程中生產線存在波動較大的問題且C生產線的生產資源浪費嚴重，部分工位處于長時間空閑狀態。

1.4 C生產線存在問題分析

（1）瓶頸工序的制約。C生產線中存在瓶頸工序，工序18 绱袖子為C 生產線中的瓶頸工序，其生產節拍為65.7 s。工序18 的生產節拍過長，導致生產線的平衡率極大地降低。由于需要投入更多資源滿足瓶頸工序的需求，其他工序可能會被閑置或資源分配不均勻，導致資源浪費和成本增加，對生產線的資源利用率產生不利影響。此外，瓶頸工序通常承受較大的工作負荷，可能導致工作壓力大、員工疲勞和過度工作的問題，使產品質量下降，因此改善瓶頸工序迫在眉睫。

（2）設備利用率低。C 生產線中各道工序的作業時間差距較大，因此會造成生產線上貨物的大量堆積或試部分設備長時間處于閑置狀態。工序12 領角定型的作業時間為15 s，工序13 绱領子的作業時間為55 s，作業時間相差3 倍之多，會造成12 工序的貨物堆積，工序17 袖口明顯和工序18 绱袖子亦是如此；工序18 绱領子的作業時間為65 s，而其緊后工作工序19 鎖邊袖籠的作業時間僅為28 s，會造成工序19 的工作設備長時間閑置，一個工序的緊前工序或者緊后工序與本工序的相差時間過大均不利于生產線的平衡。

（3）工作站劃分不平衡。C 生產線的工作站劃分存在一定的問題，各個工作站之間包含的作業元素不同，所需的作業時間也大不相同，會造成各個工作站的任務量不平衡。如果某個工作站上的任務過于繁重，工人需要在短時間內完成大量工作，可能會導致工人疲勞、質量下降，甚至出現健康問題，從而導致工作站的停機時間增加，任務難以按計劃完成；相反，如果某個工作站的任務太少或太簡單，工人可能會感到無所作為，而且生產線的整體效率會降低，導致資源浪費，工人和設備未能得到充分利用。通過精確劃分工作站，可以最大限度地優化資源使用，減少不必要的浪費，包括減少材料浪費、節省勞動力成本和減少設備停機時間。

2 C生產線的優化分析

2.1 優化瓶頸工序

瓶頸工序限制了整個生產線的產能，其通常需要更多的資源，如設備和工人，通過優化瓶頸工序，可以增加整體產量、減少生產時間、提高生產線的吞吐量，更有效地利用資源，減少浪費。C生產線的瓶頸工序的工序18 绱袖子，用時65.7 s。采用5W1H 法結合ECRS原則對工序18進行分析，具體步驟見表4。

表4 工序18的5W1H分析表

根據上述分析，工序18 不能取消且不能簡化工藝流程，所以本文對瓶頸工序采用增加一臺設備和一名操作工人的方式進行改進。工序18改進之后，工序13成為新的瓶頸工序，工序13與工序18的工作原理相同，故也采用增加一臺設備和一名操作工人的改進方式減少該工序的作業時間［9］。

2.2 劃分工作站

當前，C 生產線的工作站劃分混亂，各個工作站的工作負荷差距較大，不利于生產線的平衡，本文采用5W1H 法和ECRS 原則對C 生產線的各個工序進行重新劃分［10］。應用5W1H法對C生產線的各道工序進行提問，即“為什么要進行工序的合并？”“如何進行合并？”“合并的工序發生整個流程的那個位置？”“工序的操作人員是誰？”“工序何時進行？”“這道工序的工作內容是什么？”根據分析可以得出，工序4收省后片與工序5訂商標進行合并，合并后作業時間為20.9 s；工序9 領子黏襯與工序10 勾領凈樣進行合并，合并后作業時間為35.1 s；工序15 鎖邊側縫與工序16倒燙側縫、折燙袖口進行合并，合并后作業時間為28.3 s。合并后工序的作業時間與其緊前工序和緊后工序的作業時間相近，平均了工人的工作量且減少了工作站的數量，提高各個工作站之間的平衡率。合并后的工序見表5。

2.3 改裝成“U”形生產線

針對C 生產線的設備利用率低的問題，結合生產線現狀，本文把C 生產線原來的直線型生產線改裝為由兩條生產線組裝而成的“U”形生產線。工序1門禁黏襯是生產線的第一道工序，無緊前工序且其作業時間遠遠小于其緊后工序，所以其可以同時供給兩條生產線的投量生產。工序14 袖子合側縫的工作內容是將衣物的袖子與側縫（也稱為側縫線）相連，其沒有緊前工序并且作業時間較短，所以工序14也可以位于兩條生產線的中間同時供給兩條生產線的生產。

3 基于Flexsim軟件建立生產線仿真模型

本文利用Flexsim 對優化后的生產線建立仿真模型，圖2 為優化后的生產線布局。為提高生產線上各設備的利用率，本文把一條單獨的直線型生產線，改裝成為由兩條生產線組成的“U”形生產線。改裝后生產線中的processor1--processor20為原生產線的各個生產設備，processor11-2、processor15-2、gx11-2、gx15-2 是為了減少瓶頸工序作業時間而增加的設備，gx2--gx20 為另一條生產線的設備；為實現工藝要求，生產線中加入了結合器combiner1-combiner4，其目的是使結合器的兩道緊前工序都完成后再通過結合進行下一代工序，以ccombiner1 為例，其緊前工序為工序13 鎖邊側縫倒燙側縫、折燙袖口和工序11绱領子，只有同時完成這兩道工序，才能在衣服主體上盡行下一道工序绱袖子。

經過Flexsim 對優化后的生產線進行仿真，可以得出各個工序的設備利用率如圖3所示。

優化后的生產線，設備利用率最高的為processor8，為99.84%，設備利用率最低的為gx11-2，為43.44%，平均設備利用率為73.77%。

優化后生產線的生產平衡率、生產不平衡損失率以及平滑性指數均得改善具體計算過程和結果如下所示。

優化后的生產平衡率：

優化后生產線的生產不平衡損失率：

優化后生產線的平滑性指數：

由以上數據可知，優化后的生產平衡率由之前的40.06% 提高至60.08%，生產不平衡損失率由59.94%降低至39.92%，平滑指數由42.14 降低至19.27，各項指標均有較大改善。

4 結論

本文通過停表測時法對C 生產線上的工序作業時間進行測量，利用5W1H 法結合ECRS 原則對所得數據進行分析。針對原生產線中瓶頸工序作業時間過長、設備利用率低、工作站劃分不平衡等問題，提出解決方案，用Flexsim 仿真軟件進行建模驗證方案的有效性，最終C 生產線的平衡率有所提升，生產線的生產速度波動程度有所降低，生產線的不平衡損失率降低表示生產線因不平衡而導致的生產損失減少。