一种可变尺寸的多规格板材二维不规则排样方法及系统

1.本发明涉及二维排样领域，尤其涉及一种可变尺寸的多规格板材二维不规则排样方法及系统。


背景技术：

2.可变尺寸的多规格板材二维不规则排样属于二维排样问题，这种问题在工业生产中有着广泛的应用，如在服装制造、钣金切割、皮革切割、制鞋等制造工业等都需要处理二维排样问题。由于材料费用在产品成本中占很大比例，还有一些行业，材料非常昂贵，如汽车制造业，所采用的是比较昂贵的薄钢板。因此材料的节约对于降低整个行业的制造成本有重要的影响，特别是在大批量生产中，材料利用率的提高可以带来显著的经济效益。所以，众多行业对排样问题的解决产生了迫切的需求。目前，较多企业采用的是一个单规格板材二维不规则排样方法，他们对于多规格板材排样更多依赖于人工，因为目前技术还解决不了在多种规格板材上面排样二维不规则零件，更何况板材是可以不规则的和不规则零件是可以带孔洞的。人工排样受人的各种主观因素所限制，很难给出材料利用率较好的排样方案。为了得到一个较好的排样方案，人工排样往往需要长时间的反复工作。且人工排样成本较高，速度较慢，且使用人工排样不利于企业实现自动化生产，这使得企业的生产成本增加。


技术实现要素：

3.为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种可变尺寸的多规格板材二维不规则排样方法及系统，能够自动生成排样方案，节省原材料、提高排样工作效率，从而降低企业生产成本。
4.本发明所采用的第一技术方案是：一种可变尺寸的多规格板材二维不规则排样方法，包括以下步骤：
5.获取原料板信息和零件信息并计算单个原料板面积和零件总面积；
6.根据零件总面积确定原料板组合总面积范围，并结合单个原料板面积构建原料板组集合；
7.基于二分法对原料板组集合进行搜索选取，得到选取的原料板组合；
8.基于选取的原料板组合对零件进行排样，判断到零件重叠率为零，记录排样结果；
9.判断到排样结果为最优解，输出最佳排样结果。
10.进一步，还包括：
11.判断到原料板组集合为空集，增加原料板并重新确定原料板组合总面积范围，直至原料板组集合非空集。
12.进一步，所述获取原料板信息和零件信息并计算单个原料板面积和零件总面积这一步骤，其具体包括：
13.获取原料板尺寸信息、原料板数量信息、零件尺寸信息和零件数量信息；
14.根据原料板尺寸信息计算对应的单个原料板面积；
15.根据零件尺寸信息和零件数量信息计算零件的总面积。
16.进一步，所述根据零件总面积确定原料板组合总面积范围，并结合单个原料板面积构建原料板组集合这一步骤，其具体包括：
17.以零件总面积为原料板组合总面积的下界，以两倍零件总面积为原料板组合总面积的上界，得到原料板组合总面积范围；
18.基于回溯算法和剪枝算法，根据原料板组合总面积范围和单个原料板面积，确定不同组合的对应原料板的数量，得到原料板组集合。
19.进一步，所述基于回溯算法和剪枝算法，根据原料板组合总面积范围和单个原料板面积，确定不同组合的对应原料板的数量，得到原料板组集合这一步骤，其具体包括：
20.基于回溯算法穷举原料板组合，按照单个原料板面积由大至小的顺序，根据原料板类别逐步生成原料板组合树；
21.结合剪枝算法，判断到当前组合的原料板总面积大于原料板组合总面积的上界，将该成原料板组合树的分枝删除；
22.生成最终原料板组合树；
23.根据最终原料板组合树确定不同组合的对应原料板的数量，得到原料板组集合。
24.进一步，所述基于二分法对原料板组集合进行搜索选取，得到选取的原料板组合这一步骤，其具体包括：
25.将原料板组集合内的原料板组合按面积进行排序，得到排序集合；
26.以排序集合中间的组合为选取的原料板组合。
27.进一步，所述基于选取的原料板组合对零件进行排样，判断到零件重叠率为零，记录排样结果这一步骤，其具体包括：
28.基于左下放置法在选取的原料板组合内对零件进行排样，得到初始解；
29.判断到初始解存在零件重叠，对零件进行交换直至零件重叠率最低，得到交换后的排样解；
30.判断到交换后的排样解的零件重叠率没有降低，调用插入步骤移动零件，得到插入后的排样解；
31.循环交换步骤和插入步骤直至零件重叠率为零，记录排样结果。
32.进一步，还包括：
33.判断到选取的原料板组合没有排样可行解，以原料板组集合内后半序号的中间序号为选取的原料板组合；
34.判断到选取的原料板组合存在排样可行解，以原料板组集合内前半序号的中间序号为选取的原料板组合；
35.更新选取的原料板组合并进行零件排样。
36.本发明所采用的第二技术方案是：一种可变尺寸的多规格板材二维不规则排样系统，包括：
37.获取模块，用于获取原料板信息和零件信息并计算单个原料板面积和零件总面积；
38.组合模块，用于根据零件总面积确定原料板组合总面积范围，并结合单个原料板
面积构建原料板组集合；
39.选取模块，基于二分法对原料板组集合进行搜索选取，得到选取的原料板组合；
40.排样模块，基于选取的原料板组合对零件进行排样，判断到零件重叠率为零，记录排样结果；
41.输出模块，判断到排样结果为最优解，输出最佳排样结果。
42.本发明方法及系统的有益效果是：本发明解决了在不规则原料板上进行排样的问题，并可以排样带孔洞的二维不规则零件，适应于工厂的实际生产条件，另外，通过二分法选取原料板组合进行排样，以实现能够更快选取到最优解的排样结果，提高企业效益。
附图说明
43.图1是本发明一种可变尺寸的多规格板材二维不规则排样方法的步骤流程图；
44.图2是本发明具体实施例排样步骤示意图；
45.图3是本发明具体实施例基于回溯算法和剪枝算法构建原料板组集合的步骤示意图；
46.图4是本发明具体实施例一种可变尺寸的多规格板材二维不规则排样系统的结构框图；
47.图5是本发明具体实施例可变尺寸的多规格板材二维不规则排样方法的示意图。
具体实施方式
48.下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。
49.本发明首先需要数据预处理，也就是获取所需排样零件和原料板的尺寸信息并计算它们的面积，并根据零件的总面积产生上界和下界，这个上下界范围指的是选取的原料板组合其总面积的范围。然后，在该范围内产生一系列的原料板组合为后续的变尺寸操作做准备，且原料板组合按其总面积从小到大的顺序用一个集合储存。最后，通过二分法来选取原料板组合，并在选好的原料板组合上排样二维不规则零件，假若规定时间内当前的原料板组合可排样成功，下一步则采用总面积更小的原料板组合进行排样，否则就采用总面积更大的原料板组合进行排样。
50.参照图1和图5，本发明提供了一种可变尺寸的多规格板材二维不规则排样方法，该方法包括以下步骤：
51.s1、数据预处理：获取原料板信息和零件信息并计算单个原料板面积和零件总面积；
52.s1.1、获取原料板尺寸信息、原料板数量信息、零件尺寸信息和零件数量信息；
53.s1.2、根据原料板尺寸信息计算对应的单个原料板面积；
54.s1.3、根据零件尺寸信息和零件数量信息计算零件的总面积。
55.具体地，记录好输入的原料板和不规则零件的尺寸信息和数量信息，根据尺寸信息计算不规则零件的总面积和每类原料板各自的面积，为后面确定原料板组合的选取范围做准备。
56.s2、生成原料板组合：根据零件总面积确定原料板组合总面积范围，并结合单个原料板面积构建原料板组集合；
57.具体地，首先，根据零件总面积先制定一个原料板组合的总面积范围，假设该零件总面积为s，那么选取的原料板组合的总面积必须在[s,2s]这个范围内。该范围也可理解为原料板组合的选取范围，因为原料板组合的选取是根据该总面积范围选取的。然后，在这个总面积范围内生成原料板组合，生成的方法采用了回溯算法和剪枝策略，如图5所示，由原料板a和原料板b其数量各为两个，一开始生成的原料板组合应为：2个原料板a、1个原料板a和1个原料板b、2个原料板b。此时，就可以确定原料板组合的下界了，该下界就为总面积最小的原料板组合——2个原料板a。最后，就是原料板组合上界的确定了，一般情况下，上界可以为[s,2s]范围内面积最大的原料板组合，但是这样处理有可能会造成整一个变尺寸排样过程找不到一个可行解，为了完全杜绝这种情况的发生，就需要采取另外一种解决方案。这个方案就是对当前[s,2s]范围内那个面积最大的原料板组合加板，并采用左下放置法生成初始解，直到得到一个可行的初始解为止，加板策略就是从面积最大那个板开始添加，直到数量用完再添加下一个面积最大的板。当得到一个可行的初始解时，此时得到的原料板组合就是原料板组合的上界了，同时要在原料板组合的上下界范围内再运用一次回溯算法和剪枝策略生成还没生成的原料板组合，如图5所示，在得到原料板组合的上界——1个原料板a和2个原料板b，还要再生成未生成的原料板组合——2个原料板a和1个原料板b，这时候，就已经生成好全部的原料板组合了。顺便提一下的是，在原料板组合生成的过程中，每生成一个原料板组合都会按其总面积进行排序并储存到集合中，为后续原料板组合的选取策略做准备。
[0058]
s2.1、以零件总面积为原料板组合总面积的下界，以两倍零件总面积为原料板组合总面积的上界，得到原料板组合总面积范围；
[0059]
s2.2、基于回溯算法和剪枝算法，根据原料板组合总面积范围和单个原料板面积，确定不同组合的对应原料板的数量，得到原料板组集合。
[0060]
具体地，参照图3，回溯算法也可以叫做回溯搜索算法，它是一种搜索的方式，回溯是递归的副产品，只要有递归就会有回溯，回溯的本质就是穷举，穷举所有的可能，然后选出我们想要的答案，如果想让回溯算法高效一点，可以加一些剪枝的操作。如图3所示，假若确定的原料板总面积范围为[s,x]，那么在该范围内的{b,a}的数量集合为{{0,2}，{1,1}，{2,0}，{1,2}，{2,1}}，因为{0,0}，{0,1}，{1,0}小于零件总面积s，所以不是我们需要的原料板组合，{2,2}是大于总面积x，也不是我们需要的原料板组合。图中红色叉的部分为剪枝策略，剪枝策略就是假若一个组合的总面积已超过预设总面积范围的最大值，那么就不用再往下面添加组合的分枝了，毕竟添加之后其总面积会越来越大，就可以在此位置进行剪枝，该例子算小例子，所以体现不出来它的优势，假若有很多种原料板其数量也很多，剪枝策略的优化是很明显的。
[0061]
s2.2.1、基于回溯算法穷举原料板组合，按照单个原料板面积由大至小的顺序，根据原料板类别逐步生成原料板组合树；
[0062]
s2.2.2、结合剪枝算法，判断到当前组合的原料板总面积大于原料板组合总面积的上界，将该成原料板组合树的分枝删除；
[0063]
s2.2.3、生成最终原料板组合树；
[0064]
s2.2.4、根据最终原料板组合树确定不同组合的对应原料板的数量，得到原料板组集合。
[0065]
s3、原料板组合选取：基于二分法对原料板组集合进行搜索选取，得到选取的原料板组合；
[0066]
s3.1、将原料板组集合内的原料板组合按面积进行排序，得到排序集合；
[0067]
s3.2、以排序集合中间的组合为选取的原料板组合。
[0068]
s3.3、判断到选取的原料板组合没有排样可行解，以原料板组集合内后半序号的中间序号为选取的原料板组合；
[0069]
s3.4、判断到选取的原料板组合存在排样可行解，以原料板组集合内前半序号的中间序号为选取的原料板组合；
[0070]
s3.5、更新选取的原料板组合并进行零件排样。
[0071]
具体地，在原料板组合都生成好了后，就到了选择原料板组合的环节了。首先，原料板组合的选取策略是一个切换原料板组合的过程，而之所以要不断地切换原料板组合，其目标就是要不断地寻找利用率高的原料板组合，并且不规则零件需无重叠地排样在原料板内。切换原料板组合的方法我选择的是二分法，该方法的最大优势就是可以加快获取更优可行解这个过程，而且采用的二分法主要针对的是寻找利用率更高的原料板组合的一个过程，所以和传统的二分法会不一样。同样参照图5的例子来说明选用的二分法，由生成了总共为5个并且已经排序好的原料板组合，一开始二分法选取的是序号为中间的组合3进行排样，如果排样完后可以得到可行解，那么此时本二分法下一步切换的原料板组合为组合2，否则切换的原料板组合为组合4，以此类推，直到时间限制时结束并输出找到的最优可行解。总而言之，以上的选用二分法的原料板切换方法就是原料板组合的选取策略了。
[0072]
s4、在选定的原料板上排样不规则零件：基于选取的原料板组合对零件进行排样，判断到零件重叠率为零，记录排样结果；
[0073]
s4.1、基于左下放置法在选取的原料板组合内对零件进行排样，得到初始解；
[0074]
s4.2、判断到初始解存在零件重叠，对零件进行交换直至零件重叠率最低，得到交换后的排样解；
[0075]
s4.3、判断到交换后的排样解的零件重叠率没有降低，调用插入步骤移动零件，得到插入后的排样解；
[0076]
具体地，从图2的流程图我们可以看到，降低重叠率的惯用操作为交换零件，当重叠率未得到进一步降低的时候，我就去移动一个零件。这个操作目的有两个，一个是移动一个零件有时候确实可以降低重叠率，第二个是即使未能降低重叠率，有时候像这样交换移动操作互换的变领域搜索可使其跳出局部最优，说不准在移动操作之后的交换操作又可以进一步降低重叠率了。具体的移动规则是随机挑选一个零件，然后重新挑选它的放置位置，这个放置位置是根据哪个放置位置的重叠率最低选哪个来选择的，但是就是不能放在原本的放置位置。
[0077]
移动后是不一定能降低重叠率的，就好像交换后也不一定能降低重叠率一样，毕竟当移动操作开始实行的时候可能已经陷入了局部最优了，只是说这个操作有利于我们重叠率降低的进一步进行。
[0078]
s4.4、循环交换步骤和插入步骤直至零件重叠率为零，记录排样结果。
[0079]
具体地，排样过程就是在选好的原料板上排布二维不规则零件，其包括获取初始解步骤、交换步骤和插入步骤。该二维不规则排样过程选用的几何工具是临界多边形，其用处主要是生成放置点供零件放置。
[0080]
初始解步骤就是用左下放置法一个一个地把不规则零件放置到原料板内，左下放置法就是根据生成的放置点把零件放置在排列好的原料板组合的最左下处，并且在一开始的放置过程中，零件是不可以和其他零件重叠且只能放置在原料板的里面。除非，当原料板内放不下不规则零件时，这时就只能把剩下的零件插入到原料板中，也就是该过程会导致零件之间重叠的发生。所以，该排样过程中的初始解是可以发生重叠的。
[0081]
当存在初始解发生重叠情况时，就要想方设法地把重叠率降低，直至重叠率为0才能得到一个可行的排样方案。交换步骤和插入步骤主要用来降低零件之间的重叠率的。交换步骤就是对原料板材内的不规则零件进行交换，当交换失败时，也就是交换到重叠率不能再降低时，则退出交换步骤并调用一次插入步骤，插入步骤也就是把原料板材内的不规则零件移动到一个新的位置来降低零件之间的重叠率，主要用来跳出当前局部最优。两个步骤结合来使用就可以构成变领域搜索算法，可使二维不规则排样达到一个好的效果，具体流程参照图2。
[0082]
s5、判断到排样结果为最优解，输出最佳排样结果。
[0083]
具体地，原料板集合是根据原料板组合的总面积从小到大排序的，所以排序在最前的那个原料板组合为最优解的原料板组合，即面积最小的原料板组合，当在选到该原料板组合并在其上面得到一个可行的排样方案的时候，就是最优解了。所以，需要注意的是一般情况求得最优解的情况可能会比较少，如图5所示最后显示的排样结果为最优解。
[0084]
进一步作为本方法的优选实施例，还包括：
[0085]
加板策略：判断到原料板组集合为空集，增加原料板并重新确定原料板组合总面积范围，直至原料板组集合非空集。
[0086]
具体地，实际过程中先预确定[s,2s]这个范围，由该范围生成的组合为3个，第三个组合虽然在该范围内总面积是最大的，但是其生成的初始解不为可行解。所以这个时候就要把[s,2s]范围扩大，扩大的方法就是加板，由一开始提供的原料板a和原料板b各为两个，组合三为两个原料板b，虽然原料板b面积比原料板a大但此时其数量已经用完，所以就在组合三的基础上加上一块原料板a。此时，新的面积最大原料板组合为1个原料板a和2个原料板b，因为该组合生成的初始解为可行解，所以此时上界确定为该组合，假若该组合的总面积为x，那此时范围就被扩大为[s,x]，然后再在该范围内生成还未生成的原料板组合。
[0087]
如图4所示，一种可变尺寸的多规格板材二维不规则排样系统，包括：
[0088]
获取模块，用于获取原料板信息和零件信息并计算单个原料板面积和零件总面积；
[0089]
组合模块，用于根据零件总面积确定原料板组合总面积范围，并结合单个原料板面积构建原料板组集合；
[0090]
选取模块，基于二分法对原料板组集合进行搜索选取，得到选取的原料板组合；
[0091]
排样模块，基于选取的原料板组合对零件进行排样，判断到零件重叠率为零，记录排样结果；
[0092]
输出模块，判断到排样结果为最优解，输出最佳排样结果。
[0093]
上述方法实施例中的内容均适用于本系统实施例中，本系统实施例所具体实现的功能与上述方法实施例相同，并且达到的有益效果与上述方法实施例所达到的有益效果也相同。
[0094]
一种可变尺寸的多规格板材二维不规则排样装置：
[0095]
至少一个处理器；
[0096]
至少一个存储器，用于存储至少一个程序；
[0097]
当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现如上所述一种可变尺寸的多规格板材二维不规则排样方法。
[0098]
上述方法实施例中的内容均适用于本装置实施例中，本装置实施例所具体实现的功能与上述方法实施例相同，并且达到的有益效果与上述方法实施例所达到的有益效果也相同。
[0099]
一种存储介质，其中存储有处理器可执行的指令，其特征在于：所述处理器可执行的指令在由处理器执行时用于实现如上所述一种可变尺寸的多规格板材二维不规则排样方法。
[0100]
上述方法实施例中的内容均适用于本存储介质实施例中，本存储介质实施例所具体实现的功能与上述方法实施例相同，并且达到的有益效果与上述方法实施例所达到的有益效果也相同。
[0101]
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本技术权利要求所限定的范围内。