基于ECRS和SLP的精品化單件流生產(chǎn)優(yōu)化設(shè)計(jì)

楊怡潔， 陳敏之， 徐慧娟

(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.溫州大學(xué) 美術(shù)與設(shè)計(jì)學(xué)院，浙江 溫州 325035)

傳統(tǒng)的捆包式生產(chǎn)存在生產(chǎn)線不均衡、生產(chǎn)效率低、半成品積壓等問題，不能滿足當(dāng)前服裝生產(chǎn)“快速反應(yīng)”的需求，而單件流作為精益生產(chǎn)的重要組成部分，能有效縮短產(chǎn)品的生產(chǎn)周期、減少制品庫存、提高產(chǎn)品質(zhì)量，最終實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)效率的提升。

單件流作為對(duì)工序平衡和流水線節(jié)拍要求較高的生產(chǎn)方式，合理的工序優(yōu)化規(guī)則和工序編排是達(dá)到單件流生產(chǎn)平衡的關(guān)鍵。常見的工序優(yōu)化和編排方法有5W1H分析法(WWWWWH，5W1H)、改善法則(eliminate combine rearrange simplify，ECRS)、ABC法(activity based classification，ABC)、系統(tǒng)布局法(systematic layout planning，SLP)，及蟻群算法、粒子群算法等智能算法。宋思哲[1]將ECRS法與5W1H法相結(jié)合，對(duì)塔架的生產(chǎn)流程進(jìn)行改善，優(yōu)化了單項(xiàng)工序內(nèi)容并有效縮短搬運(yùn)時(shí)間和距離。馬正君等[2]結(jié)合ABC法和ECRS法對(duì)微電機(jī)樣品生產(chǎn)管理流程進(jìn)行優(yōu)化，有效提高產(chǎn)品質(zhì)量、縮短交貨周期。于昕辰等[3]采用蟻群算法快速編排服裝生產(chǎn)流水線，有效減少工人數(shù)目、半成品傳遞距離及總加工時(shí)間。陳學(xué)詣等[4]將粒子群算法用于工序編排，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)流程中，在一定工人數(shù)目下達(dá)到最快生產(chǎn)速度。智能算法的引入使得工序優(yōu)化及編排更為智能高效，但對(duì)于中國中小型服裝企業(yè)，人才素質(zhì)不高的現(xiàn)狀使得智能算法的具體實(shí)施有一定難度。而ECRS改善法因其通用性和簡易性，被廣泛用于工序流程的改善，更適用于中國中小型服裝企業(yè)。

SLP主要是對(duì)車間內(nèi)作業(yè)單位之間的物流關(guān)系和非物流關(guān)系進(jìn)行分析，通過各影響因素的量化，得到各作業(yè)單位間的綜合相關(guān)關(guān)系，一般用于優(yōu)化生產(chǎn)車間布局[6]。工序優(yōu)化后的流水線編排通過分析工序之間的密切程度進(jìn)行目標(biāo)優(yōu)化，并確定流水線作業(yè)單位的工序內(nèi)容及先后順序，經(jīng)過多年的研究和驗(yàn)證，SLP已經(jīng)成為一種系統(tǒng)且邏輯性很高的分析方法[6]。如郭曉萍[5]運(yùn)用SLP方法進(jìn)行西服車間布局優(yōu)化，減少物流搬運(yùn)過程中的交叉，縮短物流距離；韓昉等[6]運(yùn)用SLP方法對(duì)車間的作業(yè)單位進(jìn)行相關(guān)性分析，對(duì)原有布局進(jìn)行優(yōu)化。

綜上所述，ECRS原則有利于消除瓶頸工序，協(xié)調(diào)流程節(jié)拍;傳統(tǒng)的SLP理論僅用于車間布局的設(shè)計(jì)優(yōu)化，將兩種方法的核心理念用于工序研究，可定義工序間的相互關(guān)系。由此，文中基于SLP理論[7]中的非物流關(guān)系概念，量化工序之間的相互關(guān)系，并結(jié)合ECRS原則建立一種新的工序優(yōu)化規(guī)則，以捆包式女襯衫流水線為研究對(duì)象，實(shí)現(xiàn)單件流生產(chǎn)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高生產(chǎn)效率，減少空間、人力資源浪費(fèi)。

1 服裝縫制流水線平衡指標(biāo)

流水線平衡過程中，平均生產(chǎn)節(jié)拍、編制效率、生產(chǎn)平衡對(duì)流水線生產(chǎn)效率有很大影響, 是服裝生產(chǎn)線優(yōu)化的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)[8]，通過評(píng)價(jià)指標(biāo)可以發(fā)現(xiàn)并解決流水線存在的問題[9]。

1.1 生產(chǎn)節(jié)拍

實(shí)施單件流的關(guān)鍵在于保證各作業(yè)單元的時(shí)間與生產(chǎn)節(jié)拍完全一致，即實(shí)現(xiàn)各工序生產(chǎn)的同步化[10]。采用10%的浮動(dòng)確定節(jié)拍的上限和下限，計(jì)算公式為

tSPT=tH/Q

(1)

式中：tSPT為各作業(yè)單元的平均作業(yè)時(shí)間，即生產(chǎn)節(jié)拍；tH為計(jì)劃日作業(yè)時(shí)間；Q為計(jì)劃日產(chǎn)量。

1.2 流水線編制效率

流水線編制效率E即流水線負(fù)荷系數(shù)[11]，其計(jì)算公式為

(2)

式中：t為單件服裝標(biāo)準(zhǔn)總加工時(shí)間；N為工位數(shù)；tCT為各作業(yè)單位中最長的作業(yè)時(shí)間，即瓶頸工時(shí)；tSPT為節(jié)拍。

1.3 生產(chǎn)平衡

生產(chǎn)不平衡損失率為d[12]，d≤10%說明平衡結(jié)果為優(yōu)，10%20%為差；流水線平滑性系數(shù)IS的數(shù)值越小，生產(chǎn)線各個(gè)工位作業(yè)時(shí)間分布偏差越小，生產(chǎn)線平衡的效果越好[13]，計(jì)算公式為

(3)

(4)

式中：t為單件服裝標(biāo)準(zhǔn)總加工時(shí)間；ti為第i個(gè)工作地標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)時(shí)間。

2 單件流生產(chǎn)工序優(yōu)化方法

通過ECRS原則和SLP理論進(jìn)行工序分析和優(yōu)化。若生產(chǎn)線作業(yè)時(shí)間波動(dòng)幅度大，可采取拆分瓶頸工位、合并耗時(shí)較短工位等處理方法，如瓶頸工位耗時(shí)過長，可以增加工人數(shù)或?qū)⒃摴の蛔鳂I(yè)內(nèi)容拆分為多個(gè)工序。

考慮到單件流的同步化生產(chǎn)特點(diǎn)，借鑒SLP理論中物流因素和非物流因素分析作業(yè)單元相關(guān)性方法，最終采用非物流因素分析工序間密切關(guān)系程度，以定義工序編排的優(yōu)先規(guī)則。

2.1 確定工序間非物流因素

服裝縫制流水線中，可將影響工序密切程度的非物流因素分為順序因素、聚類因素及工藝因素。其中順序因素即工序的前后順序，有緊前關(guān)系的工序認(rèn)為是強(qiáng)聯(lián)系;無緊前關(guān)系的工序較為自由，認(rèn)為同其他工序強(qiáng)聯(lián)系.聚類因素即設(shè)備類型，將設(shè)備相同的工序認(rèn)為是強(qiáng)聯(lián)系,手工作業(yè)由于無需設(shè)備較為靈活，因此認(rèn)為與任何工序都為強(qiáng)聯(lián)系。工藝因素即工藝分支，以女襯衫為例，其生產(chǎn)工藝分為衣身、袖子、領(lǐng)子3條分支以及分支合流，分支內(nèi)部工序?yàn)閺?qiáng)聯(lián)系，分支之間為弱聯(lián)系。以此為依據(jù)，建立非物流影響因素并進(jìn)行賦值，由于工序間的緊前關(guān)系是首要滿足的，因此賦值2，滿足其余條件則賦值1，不滿足則賦值0，具體見表1。

表1 非物流因素

2.2 劃分工序間非物流關(guān)系

根據(jù)表1，計(jì)算工序?qū)χg的非物流關(guān)系量化值并劃分優(yōu)先級(jí)，將工序間密切程度作為工序編排的判斷依據(jù)，具體等級(jí)含義見表2。例如，某工序?qū)υO(shè)備類型相同，均非手工作業(yè)，均有緊前工序，且所屬同一分支，其非物流關(guān)系量化值為4，關(guān)系等級(jí)為E，說明工序間關(guān)系比較密切，可優(yōu)先組合編排。

表2 非物流關(guān)系等級(jí)含義

2.3 定義工序編排規(guī)則

結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)情況，根據(jù)所得工序間優(yōu)先級(jí)進(jìn)行工序編排。同時(shí)需注意在優(yōu)化組合過程中嚴(yán)格遵循服裝生產(chǎn)加工中的緊前關(guān)系；各工作地節(jié)拍需盡可能接近平均節(jié)拍，對(duì)工時(shí)遠(yuǎn)超平均節(jié)拍的工作地可采取平行工位的方式進(jìn)行負(fù)荷均衡。

3 女襯衫單件流生產(chǎn)流水線優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 產(chǎn)品信息及生產(chǎn)線現(xiàn)狀

選取樣本企業(yè)實(shí)際投入生產(chǎn)的一款女襯衫為研究對(duì)象，該襯衫款式如圖1所示。由圖1可知，衣身門襟設(shè)6粒扣，翻折領(lǐng)，前衣身左右片各有胸褶和腰省，后衣身有腰省，下袖口開叉、2?？蹟[為圓弧形。經(jīng)數(shù)據(jù)采集和處理得到該女襯衫的工序流程，具體如圖2所示。

經(jīng)實(shí)地調(diào)研可知，樣本企業(yè)原有女襯衫的生產(chǎn)作業(yè)采用傳統(tǒng)捆包式流水線，縫制生產(chǎn)流水線共有40道工序，分成19個(gè)工位，單件服裝總加工時(shí)間為1 766.4 s，平均生產(chǎn)節(jié)拍tSPT為93.0 s。已知現(xiàn)有流水線依靠管理人員的主觀經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行生產(chǎn)，整體平衡度較差，生產(chǎn)效率不高。

圖1 女襯衫款式Fig.1 Blouse style

圖2 女襯衫工序流程Fig.2 Blouse process flow

3.2 精品化單件流生產(chǎn)流水線

單件流是以生產(chǎn)節(jié)拍為基準(zhǔn)，在生產(chǎn)過程中進(jìn)行單件產(chǎn)品傳遞，不停滯、不堆積的生產(chǎn)模式，此模式能有效縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期，提高生產(chǎn)效率。傳統(tǒng)的單件流生產(chǎn)多數(shù)優(yōu)先考慮設(shè)備類型，嚴(yán)格按照工藝順序進(jìn)行排產(chǎn)，可以達(dá)到生產(chǎn)較為平衡的效果，但一人一機(jī)的人員配置使得設(shè)備人力資源浪費(fèi)較為嚴(yán)重。而模塊式快速反應(yīng)流水線以人為中心，配備多臺(tái)機(jī)器形成模塊工作地，這種生產(chǎn)模式使得作業(yè)人員技能全面，工作地功能多樣化，可以適應(yīng)多品種、小批量的生產(chǎn)需求。由此，借鑒模塊式快速反應(yīng)流水線，組織工作地少于10個(gè)、每人配置多臺(tái)設(shè)備的精品化單件流生產(chǎn)流水線，以精簡生產(chǎn)線長度，最大化作業(yè)人員工作效率和生產(chǎn)資源。

3.3 生產(chǎn)流水線工序編排

根據(jù)人均日產(chǎn)量估算生產(chǎn)節(jié)拍，經(jīng)過多次嘗試組合后確定最佳作業(yè)人員數(shù)為9人，確定生產(chǎn)節(jié)拍tSPT為196.3 s。應(yīng)用2.1～2.2小節(jié)提出的工序優(yōu)化方法進(jìn)行工序分析，根據(jù)表2中非物流因素的賦值計(jì)算工序間非物流關(guān)系的量化值，劃分優(yōu)先級(jí)并以菱格圖的形式體現(xiàn)工序間關(guān)系密切程度，具體如圖3所示。根據(jù)優(yōu)先級(jí)進(jìn)行作業(yè)單元的組合編排、再分配，使得作業(yè)單元的生產(chǎn)節(jié)拍一致，達(dá)到工序同步化。如T1,T2工序間的優(yōu)先級(jí)為A，因此優(yōu)先組合，T1、T2的生產(chǎn)節(jié)拍之后距離理論生產(chǎn)節(jié)拍還差約90 s，綜合考慮工序工時(shí)、相互間的優(yōu)先級(jí)，緊前工序和設(shè)備因素，選擇T5和T21的工序組合，兩者工時(shí)之和恰好等于90 s，由此可知該作業(yè)單位的生產(chǎn)節(jié)拍等于理論節(jié)拍，已達(dá)到最優(yōu)，因此得出該作業(yè)單元由T1,T2,T5,T21組合而成。

圖3 工序間密切關(guān)系等級(jí)Fig.3 Relationship between work processes

經(jīng)過多次組合編排分析比較，最優(yōu)化后瓶頸工時(shí)為199.2 s，因此將199.2 s作為實(shí)際生產(chǎn)節(jié)拍，最終得出編制方案。精品化流水線編制方案見表3。此方案的流水線設(shè)計(jì)采用U型流水線的排列方式。由于蒸汽燙臺(tái)需設(shè)置蒸汽管道，為便于管道及精品化流水線設(shè)備排布，將需用到蒸汽燙臺(tái)的工位安排在主道上。按照9個(gè)工位及設(shè)備種類編排，具體如圖4所示。

表3 精品化流水線編制方案

圖4 精品化流水線工位編排Fig.4 Boutique assembly line workstation arrangement

3.4 流水線優(yōu)化結(jié)果評(píng)價(jià)

將捆包式流水線、傳統(tǒng)單件流生產(chǎn)線與精品化單件流生產(chǎn)線進(jìn)行比較，得到改善前后的流水線工位負(fù)荷，具體如圖5所示。由圖5可知，改善前流水線部分工位之間的負(fù)荷差異較大，整體平衡度一般；改善后的流水線工位負(fù)荷波動(dòng)幅度小，整體平衡有較大改善，且精品化流水線的生產(chǎn)線長度顯著縮短。

圖5 改善前后生產(chǎn)線工位負(fù)荷曲線Fig.5 Production line station load curve before and after improvement

根據(jù)第1節(jié)提出的評(píng)價(jià)指標(biāo)得到的評(píng)價(jià)結(jié)果見表4。由表4可知，傳統(tǒng)單件流生產(chǎn)線與改善前的捆包式流水線設(shè)置同樣的工位數(shù)，生產(chǎn)線的編制效率為91.2%，提升了8.8%，生產(chǎn)線不平衡損失率和平滑指數(shù)都達(dá)到了優(yōu)的標(biāo)準(zhǔn)，生產(chǎn)線整體較為平衡。精品化流水線的生產(chǎn)線長度從19個(gè)作業(yè)單元有效縮短至9個(gè)，同時(shí)節(jié)省了生產(chǎn)空間和機(jī)器設(shè)備；生產(chǎn)線的編制效率達(dá)到98.5%，提升16.1%；不平衡損失率由17.6%降低至1.5%，達(dá)到極優(yōu)標(biāo)準(zhǔn)；生產(chǎn)線平滑性指數(shù)由22.9降低至3.8，生產(chǎn)平衡有了極大的改善。

表4 生產(chǎn)平衡評(píng)價(jià)結(jié)果

4 結(jié)語

文中以樣本企業(yè)女襯衫捆包式流水線為研究對(duì)象，提出基于ECRS和SLP的生產(chǎn)工序優(yōu)化方法，結(jié)合模塊式快速生產(chǎn)流水線，設(shè)計(jì)了以人為中心，將作業(yè)人員效率和生產(chǎn)資源最大化的精品化單件流生產(chǎn)流水線，經(jīng)指評(píng)價(jià)和結(jié)果分析，可以提出以下結(jié)論：

1)基于SLP理論的工序分析方法，能量化工序間相互關(guān)系的密切程度，為工序編排提供直觀的參考，降低了生產(chǎn)管理人員僅憑主觀經(jīng)驗(yàn)的合理性不足問題。

2)提出的精品化單件流生產(chǎn)流水線極大地縮短了流水線長度，生產(chǎn)線的編制效率提升了16.1%，達(dá)到98.5%；不平衡損失率由17.6%降低至1.5%；生產(chǎn)線平滑指數(shù)由22.9降低至3.8，實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)捆包式向單件流流水線的高效轉(zhuǎn)型。

3)優(yōu)先考慮人員效率的精品化模式雖然對(duì)作業(yè)人員技能要求提高，但能夠大幅度提升工序編排的自由度及生產(chǎn)節(jié)拍，節(jié)省了生產(chǎn)空間、作業(yè)人員數(shù)和機(jī)器設(shè)備。