板材优化下料的数学模型的研究
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基于遗传算法对二维下料问题的研究二维下料问题是在给定一个固定尺寸的矩形板材上,如何合理地摆放不同形状的零件,使得利用率最高的问题。
这是一个经典的组合优化问题,其最终目标是通过合理的摆放方式最大限度地减少原材料的浪费。
遗传算法是一种启发式求解方法,通过模拟自然界中的生物进化过程来寻找最优解。
在二维下料问题中,遗传算法可以通过交叉、变异和选择等操作来搜索最优的零件摆放方案。
需要对问题进行建模。
将矩形板材和各个零件抽象为基本形状,定义其尺寸和位置信息。
然后,我们可以通过编码方式表示每个摆放方案,例如使用二进制串表示零件在矩形板上的位置和摆放方向。
接下来,需要确定适应度函数。
适应度函数用来评估每个摆放方案的好坏程度,通常定义为利用率的倒数,即板材的浪费程度越小,适应度越高。
然后,就可以开始进行遗传算法的操作。
初始化一个种群,其中包含多个个体,每个个体代表一个摆放方案。
然后,通过轮盘赌等选择算子,选择一部分适应度较高的个体用于后续操作。
接下来,可以使用交叉操作对选中的个体进行组合,生成新的子代个体。
交叉操作可以通过交换二进制串的一部分来实现。
交叉产生的子代个体可能具有更好的适应度,可以替代部分较差的个体。
然后,使用变异操作对子代个体进行微调,引入一定程度的随机性。
变异操作可以通过随机翻转二进制串的某些位来实现。
变异可以保持种群多样性,避免陷入局部最优解。
重复选择、交叉和变异操作,直到达到停止准则。
停止准则可以是达到一定的迭代次数,或者种群中最优个体的适应度达到一定的要求。
在每一代进化过程中,可以根据适应度函数对种群进行排序,记录下适应度最高的个体和相应的摆放方案。
这样,在遗传算法完成后,可以得到最优的摆放方案,并计算出最佳利用率。
基于遗传算法的二维下料问题研究包括建模、选择适应度函数、初始化种群、选择操作、交叉操作、变异操作和停止准则等步骤。
通过遗传算法的不断演化,可以找到最优的零件摆放方案,最大限度地减少原材料的浪费。
板材下料优化方案随着工业的快速发展,板材在建筑、装修、家具制造等众多行业中应用广泛。
然而,板材的成本往往占据整个项目的相当大比例,有效地利用板材资源成为了一项重要的任务。
在这篇文章中,我们将探讨板材下料的优化方案,以实现资源的最大化利用。
1. 板材下料的挑战在进行板材下料之前,我们首先需要了解板材的特性和下料过程中面临的挑战。
常见的板材材料包括胶合板、刨花板、中密度纤维板等,它们具有相对固定的尺寸和形状。
而在实际的项目中,板材的需求量和不同尺寸的板材数量往往是不确定的,这就使得下料过程变得复杂。
另外,由于不同项目对板材质量和外观的要求不同,我们需要考虑到板材的纹理、颜色以及表面质量等因素。
因此,在进行下料时,我们需要在满足项目需求的前提下,尽可能地减少浪费和成本。
2. 下料优化方法2.1 利用优化软件随着计算机技术的不断进步,出现了一些优化软件,能够根据输入的板材尺寸和项目需求,自动给出最佳的下料方案。
这些软件利用数学算法进行计算,通过优化材料的利用率,减少浪费。
它们能够自动对板材进行排样,以实现资源的最大化利用。
2.2 微调尺寸在进行下料时,我们可以根据板材的实际尺寸进行微调,以适应项目需求。
这种微调可以包括调整板材的宽度、长度以及厚度等方面。
通过合理的微调,我们可以尽量减少浪费,并满足项目对板材尺寸的要求。
2.3 考虑定制下料有些项目对板材的尺寸要求非常特殊,无法通过常规下料方案满足。
在这种情况下,我们可以考虑定制下料。
通过与板材供应商进行合作,我们可以获得符合项目需求的定制尺寸的板材,以提高资源的利用率。
3. 效果与案例分析对于以上提到的下料优化方法,我们可以通过实际案例来进行分析。
以某家具生产企业为例,他们利用优化软件进行下料,将浪费降低了20%以上。
同时,他们采用微调尺寸和定制下料相结合的方式,将板材利用率提高到了90%以上,大大降低了生产成本。
4. 结论综上所述,板材下料的优化方案是实现资源最大化利用的关键。
面向多原料多零件的大规模优化下料技术研究的开题报告一、选题背景在现代制造领域,下料技术一直扮演着至关重要的角色。
下料技术的优化,可以降低材料浪费,提高产能和精度,降低生产成本,增强企业竞争力。
然而,目前的下料技术还存在一些问题,比如针对多原料多零件的大规模生产下料难度大、效率低等问题,在生产中往往需要大量人工干预,造成生产成本的增加,降低了企业的竞争力。
因此,开展面向多原料多零件的大规模优化下料技术研究,对促进现代制造业的发展具有重要意义。
二、研究内容本研究主要针对多原料多零件的大规模生产下料优化这一问题进行研究。
具体研究内容如下:1.建立下料优化模型通过对多原料多零件下料问题进行深入分析,建立能够精确描述多原料多零件下料问题的数学模型,包括材料利用率、排布密度和切割精度等因素,为优化下料提供依据。
2.优化下料算法采用现代优化算法,如遗传算法、模拟退火算法等,对下料优化模型进行求解。
将最优解应用到生产中,为企业降低成本,提高产能和质量提供保障。
3.研发下料装备根据所建立的下料优化模型和算法,研发相应的下料装备。
该装备能够自动进行多原料多零件的下料,实现智能化生产,提高生产效率。
三、研究意义本研究将建立能够精确描述多原料多零件下料问题的数学模型,基于现代优化算法实现下料优化,研发相应的下料装备,实现智能化生产。
这对提高生产效率、降低成本和提高产品质量具有重要的实际意义,有助于促进现代制造业的发展。
四、研究方法本研究将采用理论分析、计算机模拟、实验研究等方法,建立下料优化模型,分析优化算法的性能,进行下料装备的设计、制造和测试,探究多原料多零件下料优化技术。
五、研究计划第一年:开展多原料多零件下料问题的调研与分析,研究现代优化算法及其应用,设计下料优化模型。
第二年:实验研究多原料多零件下料优化的效果和装备的性能,并进行初步优化及调试。
第三年:进一步完善下料优化算法、装备,应用到实际生产中。
同时开展推广与应用,为工业领域提供技术支持。
材料加工过程中的建模与优化研究Introduction材料加工是制造业的核心环节之一,在该领域中,建模和优化都是非常重要的应用技术。
本文将深入探讨材料加工过程中的建模与优化研究相关内容,以期为该领域的研究和应用提供有价值的参考。
Chapter 1: 材料加工的建模方法建模是材料加工过程中的重要环节,准确的建模可以为优化加工流程提供重要的参考。
材料加工的建模方法主要分为以下三种:1. 实验建模实验建模是通过实验数据获得模型参数,进而建立材料加工过程的模型。
该方法的优点在于直接、真实、可靠,但其缺点也显而易见,即需要大量样本和实验条件,而且很难对所有的因素进行全面考虑。
2. 数值建模数值建模是一种利用计算机模拟材料加工过程的方法。
数值建模可以快速创建三维模型并进行材料特性的分析,因此在工程设计和研究中得到了广泛应用。
数值建模的优点在于可以考虑更多的因素,并可提前发现问题,但其缺点是需要大量的计算,且对计算条件的要求很高。
3. 统计建模统计建模是一种结合实验和数值分析的方法。
该方法可以通过建立模型来预测未来的加工过程,并进行优化。
统计建模的优点在于可以在大量实验数据的基础上建立模型,但其缺点是数据的可信度有待提高。
Chapter 2: 材料加工的优化方法材料加工的优化方法主要分为以下三种:1. 经验法经验法是指根据经验和观察,对加工过程进行反复试验和调整,以达到最佳加工效果的方法。
这种方法有明显的局限性,因为最终结果往往只靠技术人员个人经验。
2. 数学规划法数学规划法是通过数学模型的建立,从理论上确定最佳的加工参数,并进行优化,使得材料加工的效率和质量达到最佳。
该方法在现代加工中得到了广泛的应用,可以大大提高材料加工的效率和质量。
3. 人工神经网络法人工神经网络法是一种结合数学和技术的方法,通过模拟生物神经网络的原理,建立非线性的数学模型,模拟材料加工过程,并用于寻找最佳的加工参数。
该方法对加工数据有特殊的处理要求,但是可以更好地拟合材料加工过程,提高工业生产的效益。
五一数学建模竞赛承诺书我们仔细阅读了五一数学建模竞赛的竞赛规则。
我们完全明白,在竞赛开始后参赛队员不能以任何方式(包括电话、电子邮件、网上咨询等)与本队以外的任何人(包括指导教师)研究、讨论与赛题有关的问题。
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我们授权五一数学建模竞赛组委会,可将我们的论文以任何形式进行公开展示(包括进行网上公示,在书籍、期刊和其他媒体进行正式或非正式发表等)。
参赛题号(从A/B/C中选择一项填写): B参赛队号:参赛组别(研究生、本科、专科、高中):所属学校(学校全称):参赛队员:队员1姓名:XXX队员2姓名:XXX队员3姓名:XXX联系方式:Email:联系电话:日期:年月日(除本页外不允许出现学校及个人信息)五一数学建模竞赛题目:木料切割最优化问题关键词:矩形件下料切割问题guillotine摘要:随着社会的发展、人们对环境资源的重视,提高材料的利用率、获得最大利润就成了不可避免的问题,而解决这个问题的关键就是对产品的生产进行紧凑型的布局。
本文旨在解决家具厂木料的切割问题,由一维问题(或者说是1.5维问题)递推到二维问题,通过寻找合适的切割方法(采用guillotine,贪心启发式算法的多目标二维切割),使得我们从目标木板上切割出的所需产品的面积和最大或者利润最大,后对方案进行优化处理,最终得出最优方案。
问题一用guillotine方法切割可得一块木板上P1最多能切割59个。
问题二在问题一的基础上,通过迭代的方法,分析得出前三甲利用率分别为99.64%,99.23%和99.03%的最佳方案。
问题三又在问题二的基础上,引入了生产任务作为限制因素,并结合贪心启发式算法的多目标二维切割和问题使问题得到解决。
木料加工数学建模与算法分析摘要:家具加工厂对于木料的处理是要尽量提高木料使用率。
首先我们介绍木料使用的原则,接下来以一个加工厂收到的一批木料为研究对象,分析木料使用情况,先给出算法描述,然后根据算法描述,分别给出第三类搭配方案,根据第三类搭配方案确定出第二类搭配方案,根据第二类搭配方案,确定出第一类搭配方案,并用表格形式列举出来。
最后我们对此算法进行了评价。
此方案方便人工操作,提高了木料利用率。
关键词:木料加工;算法;降级;利用率;原料一、问题描述家具加工行业是我国的传统产业之一,出口品种和出口质量都是我国家具出口的亮点。
木材加工厂(wood processing)以木材为原料,主要用化学、机械或者人工方法进行的加工,其产品仍保持木材的基本特性。
比如最常见的就是我们平时使用的家具都属于这一类产品。
在森林工业中,木材加工业和林产化学加工同为森林采伐运输的后续工业,是木材资源综合利用的重要部门。
另外一些废旧木料回收企业和家具加工厂合作也可以提高木料利用率。
我国家具行业的整体档次较高,约80%的家具企业为中小型企业.一方面,随着城市中高收入人口数量和高档酒店宾馆等日益增加,人们对高档家具需求的增加和消费观念大幅升级,高档家具和个性化家具的需求逐渐提高。
另一方面,城镇化的发展导致一些低产的农村人口进入城市,带给家具行业新一轮的低端需求。
为了提高生产效率和原料利用率,公司打算改变搭配方案,先丈量所有原料,建立一个原料表。
根据以上成品和原料描述,设计一个原料搭配方案,工人根据这个方案“照方抓药”进行生产。
二、变量及符号说明n1:表示原材料长度在3-6.5dm范围内的木料捆数;n2:表示原材料长度在7-13.5dm范围内的木料捆数;n3:表示原材料长度在14-∞范围内的木料捆数。
N:各种规格木料的捆数总和。
x1:原材料满足第一种类别后的剩余材料的长度范围(求最优解);x2:原材料满足第二类别后的剩余材料的长度范围(考虑降级);x3:原材料满足第三类别后的剩余材料的长度范围(考虑降级);b1i第一种类别的成品每捆中含有各档原材料的数量(i≤8,i∈Z);b2i第二类别的成品每捆中含有各档原材料的数量(i≤14,i∈Z);b3i第三类别的成品每捆中含有各档原材料的数量(i≤24,i∈Z)。
防盗窗下料问题摘要本文针对寻找经济效果最优的钢管下料方案,建立了优化模型。
问题中的圆形管下料设定目标为切割原料圆形管数量尽可能少且在使用一定数量圆形管的过程中使被切割利用过的原料总进价尽可能低。
问题中的方形管原料不足以提供所需截得的所用钢管,故设目标为使截得后剩余方形管总余量最小。
模型的建立过程中,首先运用了C语言程序,利用逐层分析方法,罗列出针对一根钢材的截取模式;然后根据条件得出约束关系,写出函数关系并对圆形管下料建立了线性模型,对方形管下料建立了非线性模型;接着,在对模型按实际情况进行简化后,借助lingo程序对模型求解,得出了模型的最优解,并给出了最符合经济效果最优原则的截取方案。
关键词:钢管下料;最优化;lingo;问题提出某不锈钢装饰公司承接了一住宅小区的防盗窗安装工程,为此购进了一批型号为304的不锈钢管,分为方形管和圆形管两种,方管规格为25×25×1.2(mm),圆管规格Φ19×1.2(mm)。
每种管管长有4米和6米两种,其中4米圆形管5000根,6米圆形管9000根,4米方形管2000根,6米方形管2000根。
根据小区的实际情况,需要截取1.2m圆管8000根, 1.5m圆管16500根,1.8m圆管12000根,1.4m方形管6000根,1.7m方形管4200根,3m方形管2800根。
请根据上述的实际情况建立数学模型,寻找经济效果最优的下料方案。
基本假设和符号说明1、假设钢管切割过程中无原料损耗或损坏;2、假设余料不可焊接;3、假设同种钢材可采用的切割模式数量不限;4、假设不同长度钢管运费、存储资源价值没有区别;5、假设该304型号不锈钢管未经切割则价值不变,可在其它地方使用。
为便于描述问题,文中引入一些符号来代替基本变量,如表一所示:问题分析与模型建立问题中的圆形管原料足够,寻找经济效果最优的下料方案,即目标为切割原料圆形管数量尽可能少。
考虑到6米圆形管与4米圆形管的采购价格应该是不同的,所以我们寻求的是在使用一定数量6米圆形管与4米圆形管的过程中使被切割利用过的原料总进价尽可能低。
基于改进粒子群算法的木材板材下料方法黄秀玲;陶泽;尤华政;李宸;刘俊【期刊名称】《林业工程学报》【年(卷),期】2024(9)1【摘要】木材板材在家具行业应用广泛,以绿色环保、节约能源为目的的木材板材优化下料已经成为研究的热点。
木材板材下料优化问题属于二维矩形下料问题,是一种具有高度计算复杂性的问题。
本研究主要针对单规格木材板材进行矩形零件下料问题,在木材板材长和宽都大于零件长和宽的情况下,通过建立二维下料的数学模型,采用标准粒子群算法、变邻域搜索算法、粒子群混合变邻域搜索算法分别进行求解,并以某企业的下料实例进行分析计算。
首先,利用标准粒子群算法求解单规格板材下料问题;其次,利用变邻域搜索算法求解单规格板材下料问题。
在获得局部最优解的基础上改变其邻域结构再进行局部搜索,找到另一个局部最优解,如此不断迭代,直到满足算法的终止条件,获得全局最优解;最后,利用粒子群变邻域搜索混合算法求解单规格板材下料问题。
针对粒子群算法局部搜索能力较差、容易过早收敛的问题和具有较好包容性的特点,将变邻域搜索的思想融入粒子群算法中,使结果更加趋向全局最优。
结果表明:粒子群变邻域搜索混合算法相比粒子群算法和变邻域算法效率都有显著提升,能显著提高该木材板材的利用率,增加企业经济效益。
【总页数】7页(P125-131)【作者】黄秀玲;陶泽;尤华政;李宸;刘俊【作者单位】南京林业大学机械电子工程学院【正文语种】中文【中图分类】TH164【相关文献】1.基于改进的粒子群算法优化开关神经网络的木材表面缺陷识别2.基于分组降维规则和遗传算法的人造板材矩形件优化下料方法3.一种板材下料问题的优化求解方法4.板材横截锯改进优化下料算法研究与设计5.基于改进粒子群算法优化的染色木材颜色检测算法研究因版权原因,仅展示原文概要,查看原文内容请购买。
基于工艺优化的中厚板材生产理论研究摘要:中厚板生产合同组批优化问题是一个典型的组合优化问题,对中厚板生产企业的计划排程、生产效率及市场反应速度等有重要影响。
本文以废料最小和坯料长度最大为优化目标,考虑了公差、压缩比、展宽比和最大板坯长度等约束条件,使用启发式算法解决该优化问题,并已运用于生产实际中。
关键词:中厚板组批启发式算法中厚板的生产是一种典型的小批量、多品种按照合同制造的生产方式。
按照长度、宽度、厚度、钢种、定尺方式、公差等工艺参数分为不同的规格,各种规格有不同的工艺方法和生产路线,并对各项技术指标有严格的要求。
中厚板厂每个月一般要处理上千份合同,生产数百种不同规格的产品,同时生产过程又十分复杂,要经过连铸、切割、加热、粗轧、精轧、控冷、矫直、切头、切边、定尺等十几道工序。
这就不仅要求生产过程具有较大的柔性,能在不同的规格之间进行高效的转换,更重要的是如何通过扩大各个规格的批量,来减少转换时间,提高生产效率。
中厚板的生产批量由两个因素决定:一是合同的工艺参数要求,只有相同规格的产品才能在同一批进行生产;二是轧制后的母板。
母板有效长度一般较长,必须进行分割以达到用户要求的交货长度。
而生产母板的轧制过程往往是整个生产过程的瓶颈,并且每次的生产转换成本很高,为提高它的生产效率,同一批生产的合同必须有相同的母板长度。
因此,中厚板生产的一个关键问题,就是如何使尽可能多的规格相同但交货长度不同的合同组合在一个生产批次中,按相同母板长度进行生产。
这一过程通常称为合同组批。
1、模型的提出作如下约定———坯料长度;———坯料宽度;———坯料厚度;———合同钢板长度;———合同钢板宽度;———合同钢板厚度;———母板长度;———单块定尺板所需的连铸坯长度;———倍尺数———展宽比;———压缩比;———母板切头长度;———母板切尾长度;———烧损率;———单边切边量;d———母板纵向宽度差;如果,则表示小于或等于的最大整数。
数学建模第三次作业下料问题摘要本文是针对如何对钢管进行下料问题,根据题目要求以及下料时有关问题进行建立切割费用最少以及切割总根数最少两个目标函数通过结果分析需要使用何种切割模式。
生产方式所花费的成本价格或多或少有所不同,如何选取合理的生产方式以节约成本成为了很多厂家的急需解决的问题。
这不仅仅关系到厂家的利益,也影响到一个国家甚至整个人类星球的可利用资源,人们的生活水平不断提高对物资的需求量也不断上升,制定有效合理的生产方式不仅可以为生产者节约成本也可以为社会节约资源,以达到资源利用最大化。
本文以用于切割钢管花费最省及切割总根数最少为优化目标,通过构建多元函数和建立线性整数规划模型,利用数学及相关方面的知识对钢管的切割方式进行优化求解最佳方案。
本文最大的特色在于通过求解出切割钢管花费最省及切割总根数最少时分别得出两种目标函数取最小值时的切割模式。
通过结果发现两种目标函数取最小值时所需切割根数都一样。
于是选择切割钢管花费最省为目标函数,此时的切割模式达到最少,这样既满足了总根数最小有满足了切割费用最小。
关键词:切割模式LINGO软件线性整数一、问题的提出某钢管零售商从钢管厂进货,将钢管按照顾客的要求切割后出售。
从钢管厂进货时得到的原料钢管的长度都是1850mm。
现有一客户需要15根290mm、28根315mm、21根350mm和30根455mm的钢管。
为了简化生产过程,规定所使用的切割模式的种类不能超过4种,使用频率最高的一种切割模式按照一根原料钢管价值的1/10增加费用,使用频率次之的切割模式按照一根原料钢管价值的2/10增加费用,依次类推,且每种切割模式下的切割次数不能太多(一根钢管最多生产5根产品)。
此外,为了减少余料浪费,每种切割模式下的余料不能超过100mm。
为了使总费用最小,应如何下料?二、基本假设1、假设所研究的每根钢管的长度均为1850mm的钢管。
2、假设每次切割都准确无误。
3、假设切割费用短时间内不会波动为固定值。
基于整数规划下木板排样优化问题的研究作者:吴雨婷张玉来源:《科技风》2020年第17期摘要:目前,大多数工业生产过程中主要使用人工神经网络算法以及模拟退火等现代化算法来分割木材。
而在实际排样过程中,使用单一的算法往往得不到最优方案。
故本文根据不同排样问题的复杂程度,建立整数线性规划模型、木板排样优化模型,运用遗传算法,并利用Matlab、C++进行编程求解,得出不同生产条件下板材的最优分割方案和最大利用率,易与实际生产联系紧密。
关键词:遗传算法;整数线性规划;木板排样优化模型;Matlab1 概述在实际工程技术与工业生产中,将较大的矩形板材分割为若干个不同类型矩形零件的问题,对机器设备的制造成本以及生产周期有着非常深远的影响。
如何使板材的利用率最大化,是一个好的切割方案首先要解决的问题。
板材优化问题就是规划原材料与每个零件的最优布局问题,使板材余料尽可能的减少,从而减少资源浪费,降低成本,提高经济效益。
2 问题分析在解决板材分割问题时,首先要建立木板排样优化模型,寻求木板切割的最优方案,再利用整数线性规划模型做出进一步的划分,得到目标函数方程及约束条件组,运用Matlab进行编程求解,即可求解出简单的木板分割问题。
为了简化计算的复杂,我们假设木板的长、宽、生产任务等均为整数。
对于更复杂的问题,如目标产品种类过多,在这种情况下,通过整数线性规划很难求出最优解,故本文引进了遗传算法来计算木板的最大利用率,并采用整数编码的方式来解决木板排样问题。
另外,在解决切割多种目标产品问题时,本文引进了一个新的概念—重要度。
根据每块木板上产品最多可切割的数量,得出各产品的重要度,每次进行板材切割时,按照板材的重要度依次切割,重要度靠前的板材尽可能多的切割,从而简化问题的复杂程度。
3 算法设计在算法设计过程中,不考虑木板厚度的影响,仅以长宽作为考量标准,并忽略切割时,因技术带来的余料损失的误差。
假设木板分割方式均是按照横向切割(沿木板长的方向)和纵向分割(沿木板宽的方向),不考虑其他切割方式。
P1,P2,P3,P4的块数分别为,总利润作为目标函 ,然后归一化为新的目标函数:数求最大值,建立约束规划模型如下。
[4][5]对于权重的分析,主要有层次分析法、专家打分法等方(2)法。
本文中目标函数个数较少,可以采取对其进行分析,直接 给出权重的方法。
三个目标函数中,由于5种切割方案的木板利用率均较高,故对于目标函数 的权重可以选取较小值。
完成生产任务后,多生产的木板需要存储到仓库,占用工厂资金和求解得结果为:按照5种方案切割的块数分别为100,0,仓库容量,故工厂对库存率比较敏感。
不同的切割方案需要使0,0,0(即只按照第一种方案切割),总利润为117410元,木用不同的机器进行切割,工厂一般都备有多台套机器用于木板板总利用率为98.3%。
的切割,相对于库存率,该问题的重要性要小得多。
根据上述3.4 问题3的建模及求解对于该问题,将工厂的三个要求作为目标函数,建立三目标的约束规划模型来求解。
①希望需要使用的机器数量越少越建立约束规划模型:好,即选择5种切割方式中的数量越少越好,设选择的切割方式的数量为X,求最小值;②工厂希望存储量越少越好,切割出的板材减去销售的数量再乘以面积,即为工厂的存储量。
其中S ,1 (4)S ,S ,S 是P1,P2,P3,P4的面积;③希望木板总利用率越高234越好,将总利用率设为Z,求最大值。
其中Q1既指用切割的木板求解得结果为:切割Q1木板总块数为139块,选取第2种,又指其面积。
第3种,第4种方案进行切割,切割的数量分别为20,52,67块,木板总利用率为96.3%。
工厂可以根据实际情况对三个权重根据进行调整,例如工 预期进行分析来调整权重 的取值,根据销售切割的板材是否4 结语本文对矩形板材的切割问题进行了研究,使用遗传算法对切割方案进行分析,将木板利用率从高到低排列得出多种切割方案。
对于问题3中三个需求目标,建立了满足条件的三目标约 (3)束规划模型,进一步归一化加权为单目标模型,求解得出最优结果。
1 996车3月 重废大学学报(自热科学版) 第l9巷第2期 Journal of Chongqing University(Natural Science Edition) Vo1.】9.№.2
Mat.1006
、、—/ 板材优化下料的数学模型的研究‘
A Study on the Mathematical Models for TWO Dimensional Guillotine Cullting—stock
昱 连 .壅坚。 刘飞 窘 Cai Zhengjun Gong 2ian L.u Fei L (重庆大学机械工程一幕,重庆,630044}第一作耆27岁.女.讲师.礓士)丁
’。摘要对国内外已有的几种板材下料数学模型进行了舟析,指出了某些模型可能导 致一些较好的韧始切割方式的漏选,有些模型单纯追求剩余面积最小的下料方式而使下料 结果不适当。在此基础上建立了修正过的下料数学模型。该模型采用降维启发式法将二维 问题转化为一维问题,其中初始切割方式的选取综合考虑了最小剩余面积、待隶零件的相 枥 Guil lotine 包 数 柏材 关键词 下料 最优化;背包问题;数学规划 … 中国图书资料分类 号TBII 4.1 瓣I, 最佳坨,
ABsTRACT Based on the analysis and study on some existed models for two—dimensional Guillotine Cutting—Stock problem,it is pointed out that some kinds of the models may miss some go0d Cutting patterns,and some may result in inadequate solutions because of only considering the patterns with the smallest waste.A kind of revised twc--dimensional cutting—stock models are devek oped,witieh transfort ̄the two-dimensional problem into the one-dimensionat one usln¥the dimen— sion—decreasing heuristic method and whose initial patterns are considered comprehensively·In this kind of models,not only the least waste,but also the other constraints,such as the demands and the relative area of the order plates are considered. KEYWORDS Guillotine cutdng;optimization;knapsack—problem;mathematical program— ming
0引 言 优化下料,提高材料利用率,是国内外非常活跃的研究课题。最常见的一类二维下料问 题(Two—dimensional Cuting—stock Problem)是把一定数量的大矩形板切割成所需要的各种规 格大小和数量的小矩形 玻璃的下料和钢板、木板等的剪切下料就属于此类下料问题。 由于切割工艺以及原材料性质的不同,大量切割需要Guillotine切割,Guilotine切割定
+收文日期I 995-01.06 国家自然科学基金资助项目一部分 第19卷第2期 綦正军等 板材优化下抖的鼓学模型的研究 83 义为;每次切割线平等于待切割矩形中的其中两边,并且连通待切割矩形的男两边。Guillo- tine切割也叫直通切割。玻璃切割及剪板机上剪切材料的切割就是Guillotine切割最典型的 例子。 自60年代以来,国内外对Guillotine下料问题的研究非常活跃,已取得不少的研究结论 和研究成果 】.但是,通过对其中几种模型的分析.发现有些模型可能漏选一些较好的韧 始下料方式,有些模型单纯追求剩余面积最小的下料方式而使总的下料结果不当。固而有必 要对二维Guillotine优化下料数学模型作进一步的研究。
l方案优化模型的确定 下料问题模型主要由密切相关的两部分组成。第一部分为初始切割方式下的优化选取 模型,第二部分为下料方案的优化模型。其中,后者是一种.大型线性规划模型。 设现有原材料规格长为 ,宽为W,待下料的零件规格为m种,‘, (i=l,2,…,m)为第 种规格零件的长、宽 为第 种零件需求量。 要进行合理下料,现有模型主要有两类。第一类是以原材料消耗总张数最少为目标函 数 】:
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第二类是以残料总和最小为目标函数 ; i) rain∑也 】一I
s.t. ∑碥J ≥ |=l,…,,,l;J=l,…,# J—l ≥0 j=l,…,
式中 Oi¥- ̄一为第J种切割方式切割出的第;种规格零件的数量; 为在一张原材料上采用第』种切割方式后的剩余(或称残料)面积; ≈—一为决策变量 为获得用户所要求的各种规格零件的数量而使用第j种切割方 下料的原材张数。 早期的研究伽已指出i类模型由于实质上只追求余量最小而没有充分考虑零件的配 套性,用=F解决某些实际下料问题时可能会出现无解或虽然有解但其材料利用率很低等问 题,因而{籍要把目标修正为等价于模型1的目标的模型。另外,以上模型中,如果限制 为 整数,则可得到更好的结果,但太多文献采取舍弃 为整数这一条件,优选出下料方案后再 人工调 £,造成一定程度的浪费,所以我们选择模型I作为下料模型的方案优化模型,且加 上q为 睦数这一约束。 84 重废大学学报 (自然科学版) 996正 2 初始切割方式的优化选取模型的建立 初始切割方式的确定是下料问题中至关重要的内容 如果要得到理论上的最优下料方 案,就要求所有可行下料方式都进入线性规模模型的系数矩阵,但计算机的容量和速度决定 了这种方法不可行。因为即使对于一维下料,下料方式的数量也相当巨大.如在6 m的条材 上套裁4D种尺寸从600mm至2400mm的零件,可行的下料方式总数就超过了一千万种,即 使是4种零件套裁,下料方式数量也非常巨大。而对于二维下料,下料方式不仅要满足各下 料件面积总和小于原材料面积.还要满足零件长、宽分别在原材料长、宽方向上的套裁,因而 二维下料方式远比一维下料复杂且数量大得多 所以,下科方式的选择是下料问题研究中国 内外大量研究文献公认的难题之一。 文献[1]采用带AMT树的启发式方法,文献[5~7],采用组合选优的列生成法优选出 于下料方式。AMT树法具有简单易行、优化速度快等优点,但是,由于其首先把零件分为几 个不相容的子集,有时导致各子集问的零件不能套裁以及剩余面积没有加以利用,从而可能 造成原材料的利用率不高。后一种方法在一定程度上是一种压缩枚举法,当零件规格(m)较 9 多时如m一10,就得到 a o=1 022种下抖方式,计算机要解如此多决策变量的线性规划
1 l 问题是很困难的.因而研制的程序一般用于解决m较小的下料问题
怎样避免对所有下料方式的究举而叉能找到改进目标函数值的下料方式?仔细分析.下 料方式的产生类似于动态规划中的背包问题,通过解一个背包问题0 .
max∑ , s.t.∑ .*≤W ≥0,且为整数 便可得到满足目标函数改进的下料方式(其中,蜀为模型I在单纯形算法中基于某个基的 影子价格系数,W.为所产生的板条宽度 为一种切割方式中所切出的第 种规格件的数 量),如果单纯解以上模型,由以下的分析结果,会发现由此得到的下料方式并不一定能保证 得到最优结果。 2.1 确定初始切割方式的模型修正 下料问题中引进背包问题来确定初始切割方式,避免了对所有各种可能的初始切割方 式的列举。背包问题的解对应一种切割方式,此解可作为一个列向量通过转轴运算进入基解 矩阵,以获得改进的目标函数。为获得最优解就需要不断生成新的列向量直至获福 满意的结 果。 首先,通过简单的方法获取在原材料上只下单一零件的下料方式 用n 表示在原材上 只下第 种规格零件的数量,则(0,… ,…,0) 构成一种可行切割方式 用这种方 武构造单 纯形表的初始可行基.模型I的初始单纯形表可写为: 第l9毒第2期 幕正军等: 教材优化下科的教学模型的研宽 85 其中,负单位阵对应松弛变量。 由于改进单纯形法易于获得影子价格向量 ,且其计算量可大为减小(当列数远大于行 数时),所以计算中采用改进单纯形法。另外,由以上的初始单纯形表,可以取初始可行基为:
B ll 0 0 、. ; 0 0 算法步骤: j)构造上表所描述的初始单纯彤表,B为初始可行基; 2)用改进单纯形法进行转轴变换,得到基于当前基的影子价格系数; 3)解背包问题:
m“∑鼠% s.t.∑ka ≤L 可得新的切害I方式 4)检验判别数是否全≥0,若是,得最优解,否则,新的切害I方式通过转轴运算进入基 解矩阵,转2). 在某些情况下,尺寸小的零件的组合较尺寸大的零件参与的组合具有更小的余废料,这 样小尺寸零件先进人基解矩阵.导致后面的大尺寸零件无法与小尺寸零件套裁而造成了一 定的浪费。 同理,由于没有考虑零件本身的数量要求,当数量要求很小的零件恰好满足剩余面积最 小的条件时,背包问题的初解中必然很少包含需求量很大的零件,此零件被逼到最后阶段决 策,很可能仅靠剩余面积较大的单一下料方式得到,从而使总体目标值增大。 换言之,选取初始下料方式是为了追求所用原材料总数最小,这可看作一个两阶段决策 问题。前一阶段的状态和决策应和后一阶段的状态和决策共同构成最佳决策,后一阶段的决 策和所需的下料件的数量直接有关。和下料件的面积相对大小问接有关。所以在选择初始切 割方式时不能仅仅以剩余面积最小作为判别标准,还必须综合考虑下料件的相对面积大小, 数量要求等因素。 此外,如果不对一种零件出现在一种切害I方式中的次数加以限制,当遇到小数量的零件 要求时,所选择出的方式中这种零件可能超出其需求量而导致此种方式无效。 总之,利用背包问题选择初始切割方式,还应当综合考虑影响解的各种因素,所以这一 阶段的模型可修正为
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