基于智能化缝制单元的服装柔性生产线的构建

李雪霞，张志斌，褚建立

(1.邢台职业技术学院 电气工程系，河北 邢台 054000； 2.邢台职业技术学院 服装工程系，河北 邢台 054000； 3.邢台职业技术学院 信息工程系，河北 邢台 054000)

鉴于当前服装订单款式多、批量小、周转快、交期短的特点，提出构建基于智能化缝制单元的服装智能制造生产线的对策。对相同的服装工艺进行优化并标准化，按照服装工艺标准来做服装工艺模板和夹具，构建智能化缝制单元[1]。在物联网和5G等技术的支持下，改造升级单元制造生产线体系，通过工业物联网平台快速重组服装生产线，整合人员、机器、物料等制造资源，运用制造执行系统(Manufacturing Execution System，MES)调度自动导引运输车或吊挂线配送物料，实现服装动态模块化生产。本文运用模拟法、实验法和文献法等，用新一代信息技术解决服装柔性生产线的技术文件、管理指令等信息的精准传输问题，用自动导引运输车或吊挂生产线解决物料配送问题。

1 智能化缝制单元

1.1 智能化缝制单元概念

智能化缝制单元是指由电控自动缝纫机和其他辅助功能的程控驱动器组合而成，具备自动定位、自动送料、自动缝纫等功能的机电一体化缝制设备[2]，如自动开袋机、自动绱袖机、自动模板缝纫机、自动裤片包缝缝制单元等均是智能型的缝制设备。

智能化缝制单元是集机械、电子、传感器和物联网等技术于一体的智能化、集成化产品，是实现服装模块化、集成化、标准化制造的关键环节[3]。比如衬衫产品的模块化，包括：前后身模块、领子模块、袖子模块、组装模块、整烫包装模块等。这些模块均可由相应的智能化缝制单元完成缝制。智能化缝制单元通过减少服装工序或合并相同工序，使服装生产线变短，且能做到生产线顺畅快速换款。

1.2 智能化缝制单元构成

智能化缝制单元具备自动化、信息化和智能化功能模块，可以实现自动化生产、信息化联网、智能化决策等功能。自动化模块包括自动化缝制单元、物流模块和机器人模块等[4]。信息化模块包括5G通信模块、传感器模块和可视化模块。智能化模块包括智能排产、智能管理和智能互联。智能化缝制单元的模块构成图见图1。

智能化缝制单元的特点：①机器智能记忆，包括缝制记忆、布料薄厚操作记忆、压力记忆等。②可以及时抓取生产数据，包括缝制进度、工时等数据。③可以通过物联网和5G网络快速组成服装柔性生产线[5]。

图1 智能化缝制单元的模块构成图

使用智能化缝制单元能提升服装加工的品质和效率，可以较大地节约劳动力成本，降低对操作工熟练程度的要求，确保服装批量加工时品质的一致性。

2 基于智能化缝制单元的服装生产线网络的构建

把智能化缝制单元和其他智能化缝制设备连网，通过将智能硬件终端采集到的数据上传到工业物联网平台，构建由工业物联网平台、智能缝制单元、管理平台移动端/客户端组成的远程管理监控网络架构。

2.1 服装智能生产线网络构建

将各个智能化缝制单元通过物联网、5G网络等实现设备网络连接，在任何地方都可通过工业物联网平台获取生产现场信息，实现服装行业生产线中设备联网管理和远程运维服务，实时监控服装生产各环节的效率、产量、工时等，实时进行生产管理。通过构建服装智能生产线网络，可以实现服装制造业的大数据采集、分析和智能服务，从而大幅提升生产效率、降低生产成本，达到将传统服装工厂升级改造成为智能工厂的目的。基于5G技术的服装智能生产线网络架构示意图见图2。网络服务器自动收集智能化缝制单元的服装生产信息，省去服装IE人员(现场生产工艺负责人员)使用秒表等工具进行数据测试等工作[6]。网络服务器实时统计并分析生产数据，以便服装IE人员及时发现问题，及时进行作业或流程改善活动。摄像头记录下作业人员完整的作业视频，运用标准工时系统(General Sewing Time, GST)对作业人员动作进行分析，便于及时纠正作业人员的不当操作。管理人员通过网络远程指导和管理车间，实现生产管理数字化和透明化。

图2 基于5G技术的服装智能生产线网络架构示意图

随着5G技术、大数据、云计算、物联网等新技术的应用，让“人员-机器-网络” “云服务-信息传送-移动终端”融合在一起，形成“互联网+”服装智能生产线，达到服装生产过程中信息流、工作流、物流的有机融合。

2.2 服装智能生产线管理

智能化缝制设备通过物联网和5G网络连网后，工业物联网平台提供设备运行数据实时上传、任务指令下发、设备效率分析、设备参数远程设置、故障状态及时提醒等应用[7]。运用标准工时系统(GST)推送服装工艺作业标准书和服装作业视频，通过MES系统管理智能化缝制单元实现智能缝制，从而实现服装缝制的信息化和数据化。运用服装制造高级计划与排程系统(解决生产调度和生产排程问题，常被称为资源分配问题或排序问题)完成生产计划管理、产能负荷管理与排产优化，通过可视化车间监控系统实现智能化缝制单元运行数据的分析和生产数据的可视化管理，帮助企业实现生产、设备、成本、服务、绩效管理的优化和提升。利用大数据分析进行服装生产决策，让企业管理更加高效。

通过服装工业物联网平台连接服装车间的人员、机器、物料等，可以达到3个方面的可视化，提高生产管理效率[8]。一是生产线的可视化管理，可以实时显示生产进度显示每台设备的产量对比、显示每个人员的实时操作情况，可以图形化反应生产线的布局。二是智能化缝制单元设备的可视化，把智能化缝制单元的运转时间、缝制速度用图标显示出来。三是工作的可视化，包括生产线平衡度、生产数量推移、工序分析、动作分析等。

3 动态模块化服装柔性生产线的构建

动态模块化服装柔性生产线是指把服装的生产环节拆分成多个相互独立的模块单元，每个模块单元都由智能化缝制单元完成缝制，把多台智能化缝制单元通过物联网和5G网络连接起来，配以自动化物流设备(自动导引运输车或服装吊挂系统)组成的生产线[9]。利用MES、 GST软件系统，实现对数据的采集、存储、挖掘和运用。每款个性化服装订单都会被电脑记录，并能清楚地显示该服装目前的生产进展情况[10]。动态模块化生产线可以允许不同型号、不同款式的服装在同一生产线进行混流生产。

3.1 MES系统与自动导引运输车融合构建动态模块化服装柔性生产线

动态模块化技术是由MES系统集中控制与调度自动导引运输车配送物料来实现生产的纵向集成和端到端的集成(端到端集成是把所有该连接的端点都通过网络互联起来进行集成)[11]，其继承了产品定制化生产和垂直集成的概念。

在服装制造业中，自动导引运输车通过MES系统来控制其行进路线及动作，其主要任务是配送生产线上服装物料。搬运路线可随时调整，能实现高效、灵活的物料配送。自动引导运输车的使用提高了服装生产线组织编排的柔性和及时反应能力[12]。不同款式的服装产品有不同的工艺流程，需要一条单独的生产线与之对应，自动导引运输车根据不同款式服装的工序编排，把服装半成品从一个工位运送到另外一个工位。通过定义不同款式服装的虚拟生产线，适应不同款式的服装产品生产。通过物料配送、员工配置、设备监控和在制品自动识别等方式实现服装生产协同，满足服装小批量、多品种的生产要求，降低瓶颈工序对生产的限制，均衡生产任务。基于5G网络的虚拟生产线设计示意图见图3。

图3 基于5G网络的虚拟生产线设计示意图

个性化服装生产物料调度的变化性和随机性比较大，为了提高服装厂在裁剪区、车缝区的工位和线外工序区工位的生产效率[13]。服装动态模块化可重构柔性生产线的物料配送方式： MES系统对各模块单元暂存物料进行分析，并根据生产优先顺序进行排序，ERP(Enterprise Resource Planning)的物流需求或生产计划向自动导引运输车控制系统发送调度指令(包含位置、路径、时间)，自动导引运输车根据收到的指令自动运输物料至指定模块单元工位位置。物理工位包括裁剪、缝制、整烫、质检、包装等工位。

3.2 MES系统与服装吊挂系统融合构建动态模块化服装柔性生产线

服装吊挂生产线运用单元模块化的生产模式进行服装生产。服装吊挂系统的基本原理是将服装部件的裁片挂在吊架上，通过一个环形传输轨道把服装吊挂生产线上的各个工位连接起来，载有裁片的吊架按预先设置的流程，在各工位之间自动传输[14]。不同款式、颜色、规格、面料的裁片可以同时进入服装吊挂生产线，系统会准确地将其配送到指定的工作站，从而可以实现同一条服装吊挂生产线中同时生产多种服装的柔性化生产。

MES系统与服装吊挂系统的深度融合，完全实现数据驱动生产。通过电子标签 (RFID)等多种传感器与MES系统的配合，实现对服装吊挂生产线上每个衣料的位置和加工等信息精确识别和实时追踪。面对关键工作中心等问题时，MES系统会根据该工序的工艺、设备、人员等信息，在服装吊挂生产线查找可代替的工作站，找到可替代瓶颈工序的人员。MES系统自动消除生产瓶颈，保障服装吊挂生产线高效运转，实现工序间的生产动态平衡，持续推动服装吊挂生产线提质增效。

4 结束语

通过实验法、模拟法、文献法等研究方法，从智能化缝制单元、5G+边缘云平台、动态模块化生产技术、生产组织形式等方面，对动态模块化服装柔性生产线构建进行研究。研究表明，个性化定制柔性化生产是服装企业向智能制造转型升级的重要方向。而智能化缝制单元正是服装智能制造落地最有效的抓手。由智能化缝制单元构建动态模块化生产线是建设服装柔性生产线的模式之一。基于智能化缝制单元的服装柔性生产线，充分发挥了智能化缝制单元、5G+边缘云平台、动态模块化生产技术的作用，实现动态、可重构的服装柔性化生产。动态模块化服装生产线能适应生产组织形式、产品和工艺的多样性和可变性，能进行个性化服装产品的柔性生产，在多品种、小批量生产条件下实现接近大批量生产的高效率和低成本。动态模块化生产线设计方案可以为服装柔性生产线的设计、规划、建设提供参考和借鉴。