CN102831492B - 工业缝制行业中平衡生产线的方法 - Google Patents

Abstract

一种工业缝制行业中平衡生产线的方法，具体步骤包括：(1)将生产线上的任务节点依据任务的先后依赖关系连接，生成任务前驱图；(2)按照任务前驱图中任务节点的顺序，对前驱图中的任务节点进行拓扑排序，生成拓扑序列；(3)按照拓扑序列，依次为任务节点分配与其类型相匹配的缝制设备，若相邻的任务节点使用同种类型的缝制设备，则将其按照原有的顺序合并在同一道工序中；(4)按照划分的工序和缝制设备类型的分配结果，并结合生产线平衡率公式，为各道工序分配合理数量的缝制设备；(5)按照分配结果，用户在可视化界面中虚拟出与实际生产线对应的逻辑生产线；(6)查看逻辑生产线的生产线信息，用户可及时平衡生产线。

Description

工业缝制行业中平衡生产线的方法

技术领域

本发明属于计算机技术领域，更进一步涉及计算机软件应用领域的工业缝制行业中平衡生产线的方法。本方法按照生产线上任务的先后依赖关系，对生产任务集进行拓扑排序，根据相邻的任务节点使用的缝制设备的类型，对拓扑序列中的任务划分工序，分配相应类型和数量的缝制设备；并且通过ZigBee网络，从生产线上缝制设备的控制箱中采集数据，利用可视化界面对生产线进行实时监控，可应用于平衡生产线，提高生产效率。

背景技术

目前，在生产线平衡领域中，为了实现提高生产线平衡率的目标，广泛采用的方法有：Jacson算法，分支定界法，启发式方法，最优化方法(数学模型法)和工业工程方法等。

沈维蕾等人在“基于启发式平衡搜索法的装配线平衡方法”(《组合机床与自动化加工技术》，2008年第11期，86-89)中提出了一种启发式平衡搜索法，该方法以某企业的半轴装配线为基础，利用生产线平衡理论，通过调整设备布局对装配线进行改善，使设备和人员生产率得到了提高，同时也使生产线保持了一定的柔性。实践证明，这种方法可以有效提高生产线效率。但该方法存在的不足是：用户需要在生产车间中进行实地监管，对人力资源造成浪费，监管效率不高，并且该方法需要人为统计经过各道工序的产品数量和完成各道工序花费的时间，无法高效地获取生产线信息，及时对生产线进行调整。

何洋林等人在“装配生产线平衡问题DNA遗传算法研究”(《机械设计与制造》，2008年03期，68-70)中建立了生产线平衡的数学模型，并运用DNA遗传算法求解。基于遗传算法思想及DNA编码方法，DNA遗传算法设计了相应的交叉和变异等操作算子，并通过实例仿真验证了该方法解决生产线平衡问题的可行性。但该方法存在的不足是，只能解决工序数确定的情况，不能解决可变工序数的生产线平衡问题。

MSC有限公司申请的专利“利用射频识别装置改进生产的系统和方法”(专利申请 号：200610098511.7，公布号CN101017539A)公开了一种基于RFID技术改进生产系统的方法：利用RFID技术实时采集生产线上的工作数据，通过分析、实现生产线平衡，从而提高生产效率。该方法的思想是利用RFID技术获得各种生产线上的相关信息，再将获取的信息传送至控制器，并经由控制器将采集到的生产线信息上传至服务器，以进行分类统计，根据统计，进而识别出生产线上的工作瓶颈，服务器可以重新匹配工件射频识别卡与工件组号之间的关系，重新分配工序，从而达到生产线平衡的目的。该方法的不足之处在于，生产线上的任务数据必须依靠打卡方式人工采集，数据的可靠性和准确性不高，无法正确有效地计算出生产线平衡率，有可能导致对生产线进行错误地调整。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提出一种改进缝制行业中平衡生产线的方法。本方法能够对生产线上的任务进行合理的工序划分，根据各道工序的执行内容和时间，为其分配对应种类和数量的缝制设备，消除各道工序之间进行交付时因等待造成的时间浪费现象，减少生产线上半成品滞留的情况，平衡生产线。并且能够对生产线上的缝制设备进行可视化显现，对整条生产线进行实时监控，调整生产线上缝制设备的分配，提高生产线的生产效率。

本发明实现的思路是，对生产线上的任务按照其先后依赖关系进行拓扑排序：根据相邻的任务节点使用的缝制设备的类型，对拓扑序列中的任务划分工序；依据所划分的工序数目、完成各道工序花费的时间和瓶颈工序的生产时间，利用生产线平衡公式求得生产线平衡率最高的分配方式，按照该分配方式为各道工序分配对应数量的缝制设备，并将生产线的组织方式进行可视化显示，实现对生产线上缝制设备的实时监控，减少了各道工序之间进行交付时因等待浪费的时间，达到了平衡生产线，提高生产效率的目的。

本发明的具体步骤如下：

(1)任务前驱图初始化

将生产线上的任务节点用矩形框表示，按照任务执行流程对矩形框从1开始逐个编号，并依据任务的先后依赖关系连接矩形框，生成任务前驱图。

(2)获取拓扑序列

按照任务前驱图中任务节点的顺序，对前驱图中的任务节点进行拓扑排序，生成 拓扑序列。

(3)划分工序和分配缝制设备的类型

按照拓扑序列中任务节点的排列顺序，依次为任务节点分配与其类型相匹配的缝制设备，若相邻的任务节点使用同种类型的缝制设备，则将其按照原有的顺序合并在同一道工序中，并按照工序的执行顺序，为每道工序从1开始进行编号。

(4)分配缝制设备的数量

按照划分的工序和缝制设备类型的分配结果，为每个工序至少先分配一台对应类型的缝制设备，在不超过该类型缝制设备总数的前提下，逐台增加每道工序使用的缝制设备，获得所有分配情况的结果集，并按照生产线平衡率公式逐个求得分配结果的生产线平衡率，选择生产线平衡率最高的分配结果。

(5)分配结果的可视化

5a)根据分配结果，用户将生产线上的缝制设备所属的工序、使用的设备类型和数量通过操作面板依次输入到缝制设备的控制箱中，控制箱通过ZigBee网络将数据上传并存储到监控设备的数据库中；

5b)根据监控设备采集的数据，用户在生产线设计界面中选择工序图标，按照工序划分的顺序，依次拖放到界面中，将各道工序用工序方向图标连接起来；

5c)选择不同类型缝制设备的图标，按照各道工序使用的缝制设备的类型和数量，将缝制设备图标依次拖放到对应工序中，得到一条虚拟的逻辑生产线；

5d)按照实际生产线中缝制设备的标识，依次将逻辑生产线中的逻辑缝制设备与实际生产线中的物理缝制设备进行绑定。

(6)实时监控生产线

在生产过程中，控制箱周期性地将各道工序执行的时间以及经过该工序的产品数量信息通过ZigBee网络上传并存储到监控设备的数据库中，用户通过单击可视化面板中的逻辑生产线查看该生产线上经过各道工序的产品数量、各道工序的实时效率和该生产线的生产线平衡率，查找出瓶颈工序，调整生产线上缝制设备的数量。

本发明与现有的技术，相比具有以下优点：

第一，由于本发明采用可视化界面，将生产线的组织方式进行可视化显示，用户利用可视化界面监控生产线上的缝制设备，避免了现有技术中由于用户的实地监管造成对人力资源的浪费，解决了监管效率低下，无法高效地获取生产线信息并及时对生 产线进行调整的问题。使得本发明用户无需在生产车间中进行实地监管，节省了人力资源；并且通过查看可视化界面中逻辑生产线，用户能够获取当前生产线的所有信息，查找出生产线上的瓶颈工序，及时对生产线进行调整。

第二，由于本发明采用根据生产线任务使用的缝制设备类型对工序进行划分的方法，避免了现有技术中需要预先确定工序数的缺陷，使得本发明提高了生产线工序划分的灵活性和可扩展性。

第三，由于本发明采集数据的方法是通过ZigBee网络，利用生产线上缝制设备中的控制箱将该设备的任务数据上传并存储到监控设备的数据库中，克服了现有技术中人工采集数据造成的数据准确性和可靠性不高的弊端，使得本发明能够确保获取的生产线数据的客观性和准确性，从而正确地计算出生产线平衡率并有效地对其进行改进。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为本发明的任务前驱图；

图3为本发明的拓扑序列图；

图4为本发明效果仿真图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述。

参照附图1，本发明的具体实施步骤如下。

步骤1，任务前驱图初始化

将生产线上的任务节点用矩形框表示，按照任务执行流程对矩形框从1开始逐个编号，并依据任务的先后依赖关系连接矩形框，生成任务前驱图。在本发明中，生成的任务前驱图如附图2所示，图中的矩形分别代表生产线上各个任务，矩形下方的编号表示任务在生产线上执行的先后顺序，矩形中的数字表示完成该任务花费的时间，箭头方向表示任务之间的先后依赖关系。任务前驱图能够直观地将生产线上的任务及其依赖关系表现出来，作为拓扑排序的依据。

步骤2，获取拓扑序列

按照任务前驱图中任务节点的顺序，对前驱图中的任务节点进行拓扑排序，生成拓扑序列。在本发明中，生成的拓扑序列如附图3所示，图中的矩形分别代表生产线 上各个任务，矩形下方的编号表示任务在生产线上执行的先后顺序，矩形中的数字表示完成该任务花费的时间，箭头方向表示任务执行的先后顺序。根据该拓扑序列，将生产线上的任务排列成为一个线性序列，作为划分工序和分配缝制设备的依据。

步骤3，划分工序和分配缝制设备的类型

按照拓扑序列中任务节点的排列顺序，依次为任务节点分配与其类型相匹配的缝制设备。生产线上的缝制设备类型包括：平缝缝纫机，包缝缝纫机，曲折缝纫机，链缝缝纫机和安全缝包缝纫机。在划分工序时，若相邻的任务节点使用同种类型的缝制设备，则将其按照原有的顺序合并在同一道工序中，并按照工序的执行顺序，为每道工序从1开始进行编号。附图2中的拓扑序列，划分工序和分配缝制设备的具体过程如下：定义搜索树，其根节点为步骤2获得的拓扑序列，搜索树的内部节点为一个向量，向量的各个域分别为：节点扩展顺序编号、任务编号、工序编号和为其缝制设备类型，用(ExpandSeq，Task，Operation，DeviceType)表示。搜索树的叶子节点是一个工序划分和缝制设备类型分配方案。搜索树中包含三类节点：激活节点、待完成节点和完成节点。激活结点是当前正在扩展的节点。如果激活节点在扩展操作完成后且扩展出的节点只有1个，那该节点就变成完成节点，否则成为待完成节点。如果一个节点没有待完成的子节点，那么该节点成为完成节点。搜索树的根节点是激活节点，从根节点开始扩展。在当前拓扑排序序列中，任务1作为第1工序，但由于任务1可使用第1和第3类缝制设备，因此从根节点扩展出(1，1，1，1)和(2，1，1，1)，采用深度优先搜索的方式，接着(1，1，1，1)节点成为激活节点，其余节点成为待完成节点。拓扑序列中的第二个任务是任务3，由于任务3可使用第1种缝制设备，因此任务3可与任务1合并为一个工序，从(1，1，1，1)扩展出(3，3，1，1)。当然，任务3可以使用第1种缝制设备，但是作为一个独立的工序，从(1，1，1，1)扩展出(4，3，2，1)。或者任务3使用第2种设备，这时任务3无法与任务1合并，只能划入一个新的工序，从(1，1，1，1)扩展出(5，3，2，2)。然后将(3，3，1，1)作为激活节点，其余节点作为待完成节点，进行新一轮的扩展和激活，直至扩展拓扑序列中最后一个任务。扩展完成时就可以从根节点开始到当前节点构造一个工序划分和缝制设备类型分配方案，作为叶子节点。可以从当前的路径(1，1，1，1)→(3，3，1，1)→(6，2，2，2)→(7，4，2，2)→(9，5，3，3)中得到，任务1和任务3划分到 1号工序，使用平缝缝纫机，任务2和任务4划分到2号工序，使用曲折缝纫机，任务5划分到3号工序，使用链缝缝纫机。按照上述流程对拓扑序列进行工序划分和分派缝制设备类型，并依据此为各道工序分配相应数量的缝制设备。

步骤4，分配缝制设备的数量

按照划分的工序和缝制设备类型的分配结果，为每个工序至少先分配一台对应类型的缝制设备，在不超过该类型缝制设备总数的前提下，逐台增加每道工序使用的缝制设备，获得所有分配情况的结果集，并按照生产线平衡率公式逐个求得分配结果的生产线平衡率，选择生产线平衡率最高的分配结果。在本发明中，生产线平衡率公式如下：

$\mathrm{Pl}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}[\left(\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{t}_j\right)/p_i]/\mathrm{nb}$

其中，Pl是生产线平衡率，n为生产线上的工序总数，i表示生产线上第i道工序；m为第i道工序所包含的任务总数，j表示第i道工序中第j个任务，t_j为完成第i道工序中第j个任务花费的时间，p_i为完成第i道工序需要的缝制设备的数量；b为完成各道工序所花费时间中的最大值。

在每个工序环节，操作工完成任务后将按下“完成任务”按钮，缝制设备的控制箱会自动记录下完成该任务花费的时间通过ZigBee网络上传并存储到监控设备的数据库中；当完成改道工序的所有任务时，操作人员将按下“完成工序”按钮，缝制设备将采用相同机制上传并存储完成该道工序花费的时间。因此，生产线信息完全的采集无需人工采集，保证了计算生产线平衡率所需参数的客观性和准确性，从而确保了生产线平衡率的真实性。

步骤5，分配结果的可视化

根据步骤3和4的分配结果，用户将生产线上的缝制设备所属的工序、使用的设备类型和数量通过操作面板依次输入到缝制设备的控制箱中，控制箱通过ZigBee网络将数据上传并存储到监控设备的数据库中。根据监控设备数据库中存储的数据，用户在可视化界面中虚拟出一条逻辑生产线：用户在界面中选择工序图标，按照工序划分的顺序，依次拖放到界面中，将各道工序用工序方向图标连接起来。选择不同类型缝制设备的图标，按照各道工序使用的缝制设备的类型和数量，将缝制设备图标依次拖放到对应工序中，得到一条虚拟的逻辑生产线。逻辑生产线由表示缝制设备，工 序和工序方向的图标构成，且生产线设计界面中只有一条逻辑生产线，其中至少包含一个工序图标，每个表示工序的图标中至少包含一台缝制设备图标。按照实际生产线中缝制设备的标识，依次将逻辑生产线中的逻辑缝制设备与实际生产线中的物理缝制设备依次进行绑定。通过ZigBee网络从实际生产线上的缝制设备采集的数据可传递到生产线设计界面中对应的虚拟缝制设备中。用户可利用可视化界面中的逻辑生产线实现对各道工序的实时监控。

步骤6，实时监控生产线

在生产过程中，控制箱周期性地将各道工序执行的时间以及经过该工序的产品数量信息通过ZigBee网络上传并存储到监控设备的数据库中，用户通过单击可视化面板中的逻辑生产线查看该生产线上经过各道工序的产品数量、各道工序的实时效率和该生产线的生产线平衡率，查找出瓶颈工序，调整生产线上缝制设备的数量。本发明采用可视化界面对生产线进行监控，不但节省了人力资源，加大了监管力度，并且通过查看可视化界面中逻辑生产线，用户能够获取当前生产线的所有信息，查找出生产线存在的问题，及时对生产线进行调整。

本发明的效果可以通过下述仿真实验得到验证。

本发明图的仿真环境是：采用VisualStudio2010软件平台。仿真数据来自生产一条西裤裙的生产线监控设备的数据库。

仿真内容

本发明的仿真实验模拟在生产线上生产一条西裤裙。生产一条西裤裙需要完成如下任务：缝两个前幅褶、缝两个后幅褶、缝拉链、缝拉链面线、缝左右侧缝。将生产线任务按照本发明的步骤1、步骤2、步骤3、步骤4对该生产线任务进行工序划分和设备分配。附图4(a)是可视化界面中虚拟的逻辑生产线。该生产线一共分为3道工序，缝两个前幅褶和缝两个后幅褶划分到1号工序，使用平缝缝纫机，缝拉链和缝拉链面线划分到2号工序，使用曲折缝纫机，缝左右侧缝划分到3号工序，使用链缝缝纫机。

同时，本仿真实验将本发明获取生产线平衡率的方法与启发式平衡搜索法和遗传法获得生产线平衡率的方法进行对比，附图4(b)是得到生产线平衡率的对比的仿真结果。

仿真结果

从附图4(a)可以看出，本发明采用可视化界面对生产线进行管理，用户可以直观地获取整条生产线信息。同时可以根据对当前生产线生产状况的分析，提出改进方案，及时对生产线进行调整。

从附图4(b)可以看出，按照本发明方法所获得的生产线平衡率优于其它两种方法。随着工序数的增加，本发明方法获得的生产线平衡率高于其他两种方法；在同一道工序中，本发明方法获取的生产线平衡率也高于其他两种方法。

Claims (4)

1.一种工业缝制行业中平衡生产线的方法，包括以下步骤：

(1)任务前驱图初始化

将生产线上的任务节点用矩形框表示，按照任务执行流程对矩形框从1开始逐个编号，并依据任务的先后依赖关系连接矩形框，生成任务前驱图；

(2)获取拓扑序列

按照任务前驱图中任务节点的顺序，对前驱图中的任务节点进行拓扑排序，生成拓扑序列；

(3)划分工序和分配缝制设备的类型

按照拓扑序列中任务节点的排列顺序，依次为任务节点分配与其类型相匹配的缝制设备，若相邻的任务节点使用同种类型的缝制设备，则将其按照原有的顺序合并在同一道工序中，并按照工序的执行顺序，为每道工序从1开始进行编号；

(4)分配缝制设备的数量

按照划分的工序和缝制设备类型的分配结果，为每个工序至少先分配一台对应类型的缝制设备，在不超过该类型缝制设备总数的前提下，逐台增加每道工序使用的缝制设备，获得所有分配情况的结果集，并按照生产线平衡率公式逐个求得分配结果的生产线平衡率，选择生产线平衡率最高的分配结果；

(5)分配结果的可视化

5a)根据分配结果，用户将生产线上的缝制设备所属的工序、使用的设备类型和数量通过操作面板依次输入到缝制设备的控制箱中，控制箱通过ZigBee网络将数据上传并存储到监控设备的数据库中；

5b)根据监控设备采集的数据，用户在生产线设计界面中选择工序图标，按照工序划分的顺序，依次拖放到界面中，将各道工序用工序方向图标连接起来；

5c)选择不同类型缝制设备的图标，按照各道工序使用的缝制设备的类型和数量，将缝制设备图标依次拖放到对应工序中，得到一条虚拟的逻辑生产线；

5d)按照实际生产线中缝制设备的标识，依次将逻辑生产线中的逻辑缝制设备与实际生产线中的物理缝制设备进行绑定；

(6)实时监控生产线

在生产过程中，控制箱周期性地将各道工序执行的时间以及经过该工序的产品数量信息通过ZigBee网络上传并存储到监控设备的数据库中，用户通过单击可视化面板中的逻辑生产线查看该生产线上经过各道工序的产品数量、各道工序的实时效率和该生产线的生产线平衡率，查找出瓶颈工序，调整生产线上缝制设备的数量。

2.根据权利要求1所述的工业缝制行业中平衡生产线的方法，其特征在于，步骤(3)中所述的生产线上的缝制设备类型包括：平缝缝纫机，包缝缝纫机，曲折缝纫机，链缝缝纫机和安全缝包缝纫机。

3.根据权利要求1所述的工业缝制行业中平衡生产线的方法，其特征在于，步骤(4)中所述的生产线平衡率公式如下：

$\mathrm{Pl}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}[\left(\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{t}_j\right)/p_i]/\mathrm{nb}$

其中，Pl是生产线平衡率，n为生产线上的工序总数，i表示生产线上第i道工序；m为第i道工序所包含的任务总数，j表示第i道工序中第j个任务，t_j为完成第i道工序中第j个任务花费的时间，p_i为完成第i道工序需要的缝制设备的数量；b为完成各道工序所花费时间中的最大值。

4.根据权利要求1所述的工业缝制行业中平衡生产线的方法，其特征在于，步骤5c)中所述的逻辑生产线是指在生产线设计界面中，用表示缝制设备，工序和工序方向的图标组织起来的虚拟生产线，生产线设计界面中只有一条逻辑生产线，其中至少包含一个工序图标，每个表示工序的图标中至少包含一台缝制设备的图标，逻辑生产线中的每个缝制设备图标分别于与实际生产线中的缝制设备一一对应，通过ZigBee网络从实际生产线上的缝制设备采集的数据可传递到生产线设计界面中对应的虚拟缝制设备中，实现对各道工序的实时监控。