智能生產(chǎn)線是實現(xiàn)智能制造的重要載體，主要通過構(gòu)建智能化生產(chǎn)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)化分布生產(chǎn)設(shè)施，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的智能化。服裝吊掛流水線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是一套集、計算機信息處理、電子系統(tǒng)設(shè)計、優(yōu)化算法設(shè)計、工業(yè)自動化控制技術(shù)及現(xiàn)代管理方法于一體的服裝制造設(shè)備，也稱柔性生產(chǎn)系統(tǒng)或靈活生產(chǎn)系統(tǒng)(FMS)，是提升服裝生產(chǎn)效率和企業(yè)生產(chǎn)管理水平的有效工具。在服裝生產(chǎn)中，服裝吊掛流水線是服裝生產(chǎn)的執(zhí)行系統(tǒng)，它本身并不能實現(xiàn)智能化生產(chǎn);而MES(ManufacturingExecution System )是一套對生產(chǎn)現(xiàn)場綜合管理系統(tǒng)。MES用集成的思想替代原來的設(shè)備管理、質(zhì)量管理、生產(chǎn)排程、DNC、數(shù)據(jù)采集軟件等車間需要用的孤立軟件系統(tǒng)。服裝吊掛流水線(FMS)只有通過具有通信功能的云平臺與MES系統(tǒng)對接，實現(xiàn)對自身工作狀態(tài)的感知;具有自適應(yīng)能力，能夠根據(jù)作業(yè)數(shù)據(jù)進行調(diào)整;這樣才能通過數(shù)據(jù)應(yīng)用和工業(yè)云服務(wù)，實現(xiàn)企業(yè)整個業(yè)務(wù)流程的智能制造與科學(xué)運營。

　　一、服裝吊掛流水線FMS系統(tǒng)

　　服裝吊掛流水線系統(tǒng)是服裝工業(yè)“快速反應(yīng)生產(chǎn)技術(shù)”中的一項高科技自動化設(shè)備，其基本組成是一臺主電腦、一套懸空的物體傳送系統(tǒng)和一套含有電腦終端機的工作站(工位)。

　　服裝吊掛系統(tǒng)的基本理念是將服裝各部件的裁片掛在衣架上，通過一個環(huán)形傳輸軌道把流水線上的各個生產(chǎn)工作站(工位)結(jié)合起來，負載衣料的吊架按預(yù)先設(shè)置的加工方案流程，并結(jié)合生產(chǎn)現(xiàn)實際情況進行智能調(diào)整，在各個工作站(工位)之間自動傳輸，經(jīng)傳輸軌道自動將衣料輸送到每一個員工所在的加工工作站(工位)位置上，能大幅度地減少搬運、綁扎、折疊等的非生產(chǎn)時間的生產(chǎn)流水線，并能提前發(fā)現(xiàn)及解決生產(chǎn)過程中的瓶頸。當生產(chǎn)員工完成一個工序后，只需輕按控制鈕，吊掛系統(tǒng)就自動地將衣架轉(zhuǎn)送到下一個工序站。

　　一個最基本的吊掛系統(tǒng)分為：主傳動系統(tǒng)、主軌道、進站機構(gòu)與支軌道、工作站(工位)、出站機構(gòu)、氣動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、電子件和軟件部分以及型材支架、儲備站衣架等。每一個工作站(工位)又包括進、出站放行機構(gòu)、衣架提升機構(gòu)和操作終端等。其中最核心的軟件部分，包括生產(chǎn)信息的采集、整理、分析和智能調(diào)度系統(tǒng)和整個吊掛系統(tǒng)運行所需的驅(qū)動軟件。

　　服裝吊掛流水線系統(tǒng)是利用單元生產(chǎn)模式進行服裝加工。同一個工序可由多個工作站加工，一個工作站也可以加工不同的工序。服裝吊掛流水線系統(tǒng)從整體構(gòu)成來看，可分為：機械架構(gòu)部分和管理控制系統(tǒng)兩部分。機械架構(gòu)從外觀上可分高吊懸空式和落地式兩種;管理控制系統(tǒng)按管理控制方式可分為：人工控制、電腦自動控制、人工與電腦控制?？刂葡到y(tǒng)由上機位軟件管理中心、硬件控制節(jié)點、操作終端和主軌道四部分構(gòu)成。其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1所示。

　　上位機軟件是整套控制系統(tǒng)的“大腦”，上機位實時與終端程序進行數(shù)據(jù)交換，對數(shù)據(jù)進行保存、分析和顯示，通過有效的調(diào)度算法控制每一件衣服的整個生產(chǎn)過程。主要是根據(jù)下位機采集反饋的數(shù)據(jù)對負載衣料的吊架進行調(diào)度，完成制衣工作站監(jiān)控管理和企業(yè)生產(chǎn)管理，控制服裝加工過程的順利進行。同時將采集的數(shù)據(jù)進行分析，以報表形式展現(xiàn)給用戶。上位機軟件也支持跟其他信息管理軟件，如：ERP、OA進行不同方式的數(shù)據(jù)對接，將整個公司信息整合起來。

　　上位機管理軟件本質(zhì)上是以數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)操作、分析系統(tǒng)。分為三大部分：管理終端、網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)據(jù)庫操作。上位機軟件總體結(jié)構(gòu)圖見圖2所示。

　　PC程控器電腦(上位機)與工作站之間是一對多的關(guān)系。工作站與信息管理系統(tǒng)通過串行通訊方式上下傳輸數(shù)據(jù)，通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖見圖3所示。PC電腦上位機以網(wǎng)絡(luò)分布形式連接每一個工作站內(nèi)的控制器，在PC電腦上位機上可實時監(jiān)控到各個工作站當前產(chǎn)量以及其它方面的生產(chǎn)數(shù)據(jù)和生產(chǎn)故障等信息，使生產(chǎn)管理具有良好的可視性和可控性。

　　工作站控制器系統(tǒng)主要包括中轉(zhuǎn)器和制衣工作站智能控制節(jié)點兩部分，完成對各個制衣工位的控制和上下交互數(shù)據(jù)的傳輸。STC單片機作為整個工位控制核心，管理整個工作站及外圍擴展資源的工作運行，對工作模塊進行控制。其中中轉(zhuǎn)器是以STC為核心實現(xiàn)總線通信方式的轉(zhuǎn)換?？刂乒?jié)點以STC為核心，連接有數(shù)據(jù)采集設(shè)備和手持設(shè)備等外設(shè)。

　　中轉(zhuǎn)器是上下通信的橋梁，負責處理所有工作站的數(shù)據(jù)。上位機下發(fā)給工作站的數(shù)據(jù)，先進入發(fā)送緩存區(qū)，再由MCU取出轉(zhuǎn)換處理后下發(fā)給工位，工作站接到命令響應(yīng)動作后反饋應(yīng)答，應(yīng)答數(shù)據(jù)也是先由MCU轉(zhuǎn)換后填入接收緩存區(qū)。正常工作時，MCU實時去判斷發(fā)送緩存區(qū)(TX )是否有數(shù)據(jù)，如果有數(shù)據(jù)，取出數(shù)據(jù)放入數(shù)組進行處理，再把這部分數(shù)據(jù)下發(fā)給所有工位，數(shù)據(jù)中含有工作站地址，每個工作站根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)進行地址匹配，如果是自己的數(shù)據(jù)就按受處理并立即應(yīng)答給上位機。MCU接收到工作站的應(yīng)答數(shù)據(jù)后，先將數(shù)據(jù)存入數(shù)組，再將這部分數(shù)據(jù)發(fā)送到接收緩存區(qū)(RX)。中轉(zhuǎn)器處理程序的流程如圖4所示。

　　工作站接受到中轉(zhuǎn)站下發(fā)的控制信號之后產(chǎn)生相應(yīng)動作。工作站作為員工直接操作的工作平臺，是吊掛流水線系統(tǒng)員工直接操作的部分，主要完成與上位機的信息交互，通過執(zhí)行命令和發(fā)送命令對工作站的機電設(shè)備進行控制，如讀卡器的信息交互，電磁閥的開關(guān)、負載電機的運轉(zhuǎn)、手持設(shè)備命令控制等等。另外，手持器的控制信號及數(shù)據(jù)采集裝置(RFID讀卡器)所讀取的RFID卡信息，也通過工作站上傳中轉(zhuǎn)站，再由中轉(zhuǎn)站傳送至PC終端。

　　通過RFID多種傳感器的配備，可以實現(xiàn)精確識別和實時追蹤生產(chǎn)線上每一個布料的加工信息和位置信息，不同的款式、不同品種的面料可以同時掛入生產(chǎn)線，系統(tǒng)會準確的將不同款式和品種的面料傳送到對應(yīng)的工序和工人手中，在工人和縫制設(shè)備充足的條件下，實現(xiàn)了一條生產(chǎn)線中同時對不同品種、多款式服裝等產(chǎn)品的加工生產(chǎn)。

　　控制節(jié)點的數(shù)據(jù)采集裝置要實現(xiàn)對RFID卡信號的采集，借助RFID讀卡器的實時信息讀取及記錄，可以方便的實現(xiàn)生產(chǎn)信息的及時反饋和交互，從而實現(xiàn)整個生產(chǎn)流程實時監(jiān)測和控制。讀卡器可以讀取員工上下班、工作數(shù)量、時間等信息，并傳輸給工作站，工作站再通過中轉(zhuǎn)站傳送給上位機，控制系統(tǒng)的信息處理分析，方便對員工工資及產(chǎn)品數(shù)量統(tǒng)計處理。

　　管理終端即人機交互模塊，是流水線管理者可以直接操作的軟件平臺。管理終端可以調(diào)用網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)據(jù)庫操作兩個模塊，網(wǎng)絡(luò)通信模塊存儲數(shù)據(jù)時可以對數(shù)據(jù)庫模塊進行操作。也就是把整個上位機管理軟件從邏輯結(jié)構(gòu)上劃分為了3層：表示層 (USL)、業(yè)務(wù)邏輯層(BLL)，數(shù)據(jù)訪問層(DAL)。其管理終端功能架構(gòu)如圖5所示。

　　二、服裝流水線生產(chǎn)調(diào)度優(yōu)化算法

　　服裝流水線生產(chǎn)調(diào)度的關(guān)鍵技術(shù)是流水線負荷平衡，而服裝生產(chǎn)流水線負荷平衡問題是個組合優(yōu)化問題，問題的求解具有【數(shù)學(xué)】非線性規(guī)劃NP(NonLinear Programming) 特征。

　　具有非線性約束條件或目標函數(shù)的數(shù)學(xué)規(guī)劃，是運籌學(xué)的一個重要分支。非線性規(guī)劃研究一個 n元實函數(shù)在一組等式或不等式的約束條件下的極值問題，且目標函數(shù)和約束條件至少有一個是未知量的非線性函數(shù)。實用非線性規(guī)劃問題要求整體解，而現(xiàn)有解法大多只是求出局部解。目標函數(shù)和約束條件都是線性函數(shù)的情形則屬于線性規(guī)劃。

　　對于靜態(tài)的最優(yōu)化問題，當目標函數(shù)或約束條件出現(xiàn)未知量的非線性函數(shù)，且不便于線性化，或勉強線性化后會招致較大誤差時，就可應(yīng)用非線性規(guī)劃的方法去處理。對實際規(guī)劃問題作定量分析，必須建立數(shù)學(xué)模型。建立數(shù)學(xué)模型首先要選定適當?shù)哪繕俗兞亢蜎Q策變量，并建立起目標變量與決策變量之間的函數(shù)關(guān)系，稱之為目標函數(shù)。然后將各種限制條件加以抽象，得出決策變量應(yīng)滿足的一些等式或不等式，稱之為約束條件。

　　非線性規(guī)劃問題的一般數(shù)學(xué)模型可表述為求未知量x1，x2，…，xn，使?jié)M足約束條件：

　　gi(x1，…，xn)≥0 i=1,…

　　hj(x1，…，xn)=0 j=1,…

　　并使目標函數(shù)f(x1，…，xn)達到最小值(或最大值)。其中f，諸gi和諸hj都是定義在n維向量空間Rn的某子集D(定義域)上的實值函數(shù)，且至少有一個是非線性函數(shù)。 上述模型可簡記為：

　　s.t. gi(x)≥0 i=1,…

　　hj(x)=0 j=1,…

　　其中x=(x1，…，xn)屬于定義域D，符號min表示“求最小值”，符號s.t.表示“受約束于”。

　　定義域D 中滿足約束條件的點稱為問題的可行解。全體可行解所成的集合稱為問題的可行集。對于一個可行解x*,如果存在x*的一個鄰域，使目標函數(shù)在x*處的值f(x*)優(yōu)于(指不大于或不小于)該鄰域中任何其他可行解處的函數(shù)值，則稱x*為問題的局部最優(yōu)解(簡稱局部解)。如果f(x*)優(yōu)于一切可行解處的目標函數(shù)值，則稱x*為問題的整體最優(yōu)解(簡稱整體解)。實用非線性規(guī)劃問題要求整體解，而現(xiàn)有解法大多只是求出局部解。

　　服裝生產(chǎn)流水線工序平衡(既目標涵數(shù)min)與合并規(guī)則(即約束條件)和算法是計算機輔助工藝過程設(shè)計CAPP、生產(chǎn)過程執(zhí)行MES管理系統(tǒng)開發(fā)中的關(guān)鍵技術(shù)?，F(xiàn)在一般服裝吊掛流水線FMS系統(tǒng)生產(chǎn)過程建模方式，采用靜態(tài)的線性規(guī)劃法，將服裝生產(chǎn)流水線工序平衡問題轉(zhuǎn)化為線性規(guī)劃問題，利用系統(tǒng)基本信息(批量、交貨期等)生成工序平衡的目標涵數(shù)min，以合并規(guī)劃、合并概率為約束條件進行計算，這種算法已不能滿足智能制造的要求。

　　服裝生產(chǎn)屬于離散制造業(yè)，而服裝柔性生產(chǎn)線，它區(qū)別于剛性生產(chǎn)線，未來的發(fā)展是基于互聯(lián)網(wǎng)平臺和大數(shù)據(jù)來驅(qū)動企業(yè)實現(xiàn)智能化與柔性化制造，提高生產(chǎn)過程可控性。對于離散制造業(yè)而言，產(chǎn)品往往由多個零部件經(jīng)過一系列不連續(xù)的工序裝配而成，其過程包含很多變化和不確定因素，在一定程度上增加了離散型制造生產(chǎn)組織的難度和配套復(fù)雜性。離散型制造過程建模方式，則需采用動態(tài)的離散數(shù)學(xué)模型。工序平衡，采用服裝IE智能建模方式，通過計算機對工序競爭進行合理排序，通過優(yōu)先權(quán)區(qū)域，把設(shè)備、工人技能等部確定因素也考慮進去，建立IE調(diào)度數(shù)學(xué)模型，運用人工智能算法求得問題的優(yōu)化解;動態(tài)調(diào)度采用多線網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同生產(chǎn)，所有的生產(chǎn)數(shù)據(jù)連接起來，用人工智能算法來實現(xiàn)智能調(diào)度，解決工序平衡問題。

　　三、服裝柔性生產(chǎn)MES智能管理系統(tǒng)

　　眾所周知，MES是一個承上啟下的車間級綜合信息系統(tǒng)，涉及到與底層自動化系統(tǒng)和各類設(shè)備的信息采集，需要承接ERP下達的生產(chǎn)計劃，實現(xiàn)設(shè)備與工裝管理、質(zhì)量管理、人員派工、在制品管理、生產(chǎn)追溯、車間排產(chǎn)等功能的集成應(yīng)用，并與倉儲物流系統(tǒng)集成。

　　MES可以為企業(yè)提供包括制造數(shù)據(jù)管理、計劃排程管理、生產(chǎn)調(diào)度管理、庫存管理、質(zhì)量管理、人力資源管理、工作中心/設(shè)備管理、工具工裝管理、采購管理、成本管理、項目看板管理、生產(chǎn)過程控制、底層數(shù)據(jù)集成分析、上層數(shù)據(jù)集成分解等管理模塊，為企業(yè)打造一個扎實、可靠、全面、可行的制造協(xié)同管理平臺。

　　MES系統(tǒng)的應(yīng)用與制造企業(yè)所處的行業(yè)、產(chǎn)品特點、工藝路線、生產(chǎn)模式、設(shè)備布局、車間物流規(guī)劃、生產(chǎn)和物流自動化程度、數(shù)據(jù)采集終端、車間聯(lián)網(wǎng)以及精益生產(chǎn)推進等諸多因素息息相關(guān)，非常具有行業(yè)特質(zhì)。同時，MES的應(yīng)用又與車間無紙化、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用、工業(yè)大數(shù)據(jù)分析、Digital Twin(數(shù)字化映射)等諸多新興技術(shù)交叉，本身正在不斷進化。因此，MES應(yīng)用要真正取得實效，不但需要一個適合企業(yè)的MES軟件平臺，以及滿足行業(yè)共性需求和企業(yè)的個性化需求的系統(tǒng)功能，更需要專業(yè)的MES咨詢和實施服務(wù)伙伴，來實現(xiàn)MES系統(tǒng)的落地。不同行業(yè)、不同生產(chǎn)模式的企業(yè)，應(yīng)用的是MES中的某些模塊或者在MES的基礎(chǔ)上進行拓展應(yīng)用。離散制造型企業(yè)更加重視生產(chǎn)的柔性，其智能工廠建設(shè)的重點是智能制造生產(chǎn)線。

　　服裝柔性生產(chǎn)智能管理MES系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖6所示。MES系統(tǒng)結(jié)構(gòu)： 包括柔性生產(chǎn)智能管理系統(tǒng)(服務(wù)器、云平臺(B/S架構(gòu))、客戶端(C/S架構(gòu))、無線路由器、無線終端機、無線手持機和電子看板組成)、工藝數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)云智造平臺、手機APP系統(tǒng)?？蓪臃b訂單生成系統(tǒng)、服裝制造計劃與排程優(yōu)化系統(tǒng)、裁剪管理系統(tǒng)、服裝CAT/CAD/CAM快速成衣系統(tǒng)、自動縫制專用機、單元自動系統(tǒng)、RFID智能吊掛系統(tǒng)、吊掛線下系統(tǒng)、柔性整燙中心、智能分揀系統(tǒng)、吊掛輸送式立方體倉儲等系統(tǒng)。各終端機、手持機或手機通過無線網(wǎng)絡(luò)與客戶端連接;客戶端通過外網(wǎng)與云平臺連接。

　　通過GST全自動工藝分析功能與MES的結(jié)合，將生產(chǎn)指令及工序SOP(標準作業(yè)指導(dǎo)書)直接推送到每個工位的平板顯現(xiàn)屏上顯現(xiàn)。面對瓶頸工序等問題時，系統(tǒng)會根據(jù)工序的工種、設(shè)備、匹配職工等信息，在生產(chǎn)線智能查找可代替的工序站點，在不影響整體工序正常工作的情況下，預(yù)先找到可替代瓶頸工序的職工。實現(xiàn)工序內(nèi)、工序間自動消除生產(chǎn)瓶頸，保障生產(chǎn)線整體高速運轉(zhuǎn)。通過獨有的IE智能平衡技術(shù)，系統(tǒng)不僅實現(xiàn)工序內(nèi)平衡，更實現(xiàn)了工序間的生產(chǎn)平衡。

　　在生產(chǎn)過程中，實時生產(chǎn)分析技術(shù)可以提前預(yù)測可能發(fā)生的生產(chǎn)瓶頸等問題，并根據(jù)生產(chǎn)線的縫制設(shè)備和職工 情況給出最優(yōu)化的生產(chǎn)調(diào)節(jié)方案，用戶只需要提前與相應(yīng)職工進行溝通，便可以根據(jù)系統(tǒng)意見直接在管理軟件系統(tǒng)中對生產(chǎn)線進行調(diào)整，吊掛生產(chǎn)線設(shè)備則會自動化的完成生產(chǎn)調(diào)節(jié)，無須人工的搬運吊架和面料?？旖荨⒏咝У闹悄芑{(diào)整免去了組長、車間主任、IE等人的繁重工作，直接為用戶節(jié)約了大量的管理成本。

　　通過“云智造平臺”獨有的智能優(yōu)化分析技術(shù)，實現(xiàn)了生產(chǎn)線的智能化自動調(diào)度，在生產(chǎn)線出現(xiàn)瓶頸之前將其避免，并根據(jù)生產(chǎn)情況的變化不斷地動態(tài)調(diào)整生產(chǎn)線，幫助企業(yè)實現(xiàn)IE的智能平衡。并將相關(guān)生產(chǎn)、調(diào)度和統(tǒng)計信息實時推送給企業(yè)的各級管理人員。幫助用戶及時消除生產(chǎn)瓶頸，提高生產(chǎn)效率，并顯著降低企業(yè)對組長等管理人員的專業(yè)技能要求，生產(chǎn)管理成本降低顯著。

　　四、MES與吊掛深度集成

　　智能制造應(yīng)關(guān)注制造系統(tǒng)的協(xié)調(diào)能力、推理能力及對市場與客戶的適應(yīng)能力，MES與制造設(shè)備將給予企業(yè)管理提供高效、精確的工作方式。

　　MES與服裝吊掛流水線深度融合系統(tǒng)，完全實現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動，內(nèi)置CPS與智能調(diào)度IE算法。實現(xiàn)了工藝自動分解、在制品智能調(diào)度、生產(chǎn)動態(tài)平衡、機位能力評估、設(shè)備在線檢測等諸多智能制造剛性需求。是集人工智能、大數(shù)據(jù)、無線通訊、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)于一體的綜合技術(shù)應(yīng)用。

　　主要特征如下：

　　1.MES與吊掛深度融合：只有融合才能使整個車間成為統(tǒng)一的調(diào)度單元，傳統(tǒng)制造中的生產(chǎn)平衡、現(xiàn)場調(diào)度等難題在智能軟件的管理下蕩然無存;2.工藝自動分解：所有的工藝將按照現(xiàn)場實際能力動態(tài)分解、分配并驅(qū)動現(xiàn)場制造過程，傳統(tǒng)制造中的員工請假、人員不足等問題完全解決;3.跨線調(diào)度：拋棄傳統(tǒng)管理僅在產(chǎn)線內(nèi)部調(diào)度的限制，車間作為統(tǒng)一的在線調(diào)度單元;4.全數(shù)據(jù)驅(qū)動：生產(chǎn)計劃僅僅簡單拋入系統(tǒng)即可，所有管理都由數(shù)據(jù)驅(qū)動，這得益于MES內(nèi)置的CPS系統(tǒng)，該系統(tǒng)時刻監(jiān)視車間現(xiàn)狀，人工智能驅(qū)動工位/工藝分解、推送及檢測;5.設(shè)備聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)全數(shù)字化模型：吊掛、縫制設(shè)備等所有產(chǎn)線設(shè)備聯(lián)網(wǎng)，數(shù)據(jù)精確到車縫的針數(shù)，自動進行工藝校驗，提升在制品制造;6.進度及風險預(yù)測：通過歷史大數(shù)據(jù)分析，按照實際訂單進度實現(xiàn)交期預(yù)測，風險管控。

　　工業(yè)4.0的重心在于工業(yè)領(lǐng)域的智能制造，其技術(shù)難點在于聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的智能化水平足以進行實時數(shù)字化溝通。不僅設(shè)備與設(shè)備，設(shè)備與人，人與人，設(shè)備與產(chǎn)品也都要進行實時數(shù)字化交流。智造車間數(shù)據(jù)化，根據(jù)大數(shù)據(jù)，使每個環(huán)節(jié)有機結(jié)合從而提升綜合實力，最快的速度生產(chǎn)出來，這就是智能制造最大的價值。