毛皮料优化排版系统及方法
【专利摘要】一种毛皮料优化排版系统，该系统包括目标函数的确定模块、样本图像采集模块、最小包络矩形规范模块、母本规格输入模块、模拟退火计算模块、排版结果显示模块和输出模块；这种排版系统和方法减少毛皮的使用，更加降低物资清耗，增加企业的市场占有率，更加有利于资源节约型、环境友好型社会的发展。
【专利说明】
毛皮料优化排版系统及方法
技术领域
[0001] 本发明涉及毛皮料的排版裁剪的系统和方法，具体地说是一种能够实现预定图样 最优排版的系统和方法。
【背景技术】
[0002] 当下皮革行业在下料时，排版的方法通常是采用普通的手工排版，先是按照设计 师设计好的制品款式制作成纸质的下料样板，然后操作人员按照该下料纸质的样板在标记 好伤残缺陷的皮革上进行画线排版。在毛皮厂正常裁剪过程中，多为一刀切和技术工人凭 借经验进行裁剪的制造工艺，对于图形的排列则是技术工人凭借经验进行裁剪的制造工 艺，难以保证达到排版的最优化，这种手工排版方法会带来排样图案不能够最省料、耗时长 以及无法便捷重复使用的问题，并且需要很大的工作量，无法很好适应机器化，产业化的生 产需求。
【发明内容】
[0003] 本发明是针对【背景技术】中提及的技术缺陷，一是提供一种毛皮料优化排版的系 统，二是提供应用该系统对毛皮料进行优化排版的方法。这种系统及方法通过建立毛皮料 排样的优化模型公式，运用最小包络矩形规范化得到零件的最小矩形，最后运用模拟退火 算法对毛皮进行最终优化排版。
[0004] 本发明采用的技术方案是：
[0005] -种毛皮料优化排版系统，该系统包括目标函数的确定模块、样本图像采集模块、 最小包络矩形规范模块、母本规格输入模块、模拟退火计算模块、排版结果显示模块和输 出模块;其中：
[0006] 目标函数的确定模块，用以对排样结果进行比对，确定最终方案；
[0007] 样本图像采集模块，用以摄取预定样本图形信息；
[0008] 最小包络矩形规范模块，用以计算所采集图像的最小包络矩形；
[0009] 母本规格输入模块，用以导入毛皮料母本的规格数据；
[0010]模拟退火计算模块，用以计算毛皮料母本中最小包络矩形的最优排布方式；
[0011]排版结果显示模块，通过显示器显示最优排版结果；
[0012]输出模块，与切割系统连接传输，为切割系统提供数据。
[0013]最小包络矩形规范模块中设置有至少一种最小包络矩形规范化的计算数据。
[0014] 模拟退火计算模块中设置有模拟退火计算数据，该数据中存储有至少一种毛坯料 所需的退火温度。
[0015] -种毛皮料优化排版方法，按照以下步骤进行：
[0016] 启动毛皮料优化排版、剪裁系统；
[0017] 通过目标函数确定模块输入最终的目标函数；
[0018] 通过样本图像采集模块采集预定样本图像；
[0019] 再通过最小包络矩形规范模块对采集到的样本图形作计算，得出该样本图形的最 小包络矩形；
[0020] 通过母本规格输入模块向系统中输入母本的规格数据；
[0021] 再通过模拟退火计算模块，将样本图像的最小包络矩形在母本中进行排版，得到 全局最优排版方式；
[0022] 排版结果显示模块通过显示器将排版方式显示出来，并通过输出模块将排版数据 传输给切割设备，进行切割。
[0023] 通过目标函数确定模块明确目标函数，求得最优化排版式样，具体内容如下：
[0024]假设在排样过程中待排零件总数为n，经过最小包络矩形规范化算法处理后，待排 矩形零件总数为1(，&^1^分别表示第1个待排矩形件的长度和宽度&1\1^4 = 1，2，...，1(表 示每个矩形零件所占用的面积;所用毛皮的长度为X，宽度为Y;排样过程中应该遵循以下原 贝1J，每一个矩形件可在板材上横向排放或竖向排放;排样过程中矩形零件之间不能有相互 重叠区域，且矩形件不能有排出板材之外的部分；
[0025] 求解的实质就是通过设计一种合适的排样方法和一个合理的排样顺序，使得所有 矩形件排放在板材上后，毛皮利用率达到最大的过程。根据毛皮的利用率，可以得到在一张 板材上进行排样时，所要达到的目标函数计算公式为：
[0026]
[0027] 式中m表示所能够排下的矩形零件的个I
表示所能够排下的零件所占用 的总面积，X · Y表示一块毛皮的面积，这样可以将排版问题量化以便后期求解。
[0028] 最小包络矩形规范模块中设置有最小包络矩形规范化的计算数据，最小包络矩形 规范化算法如下：
[0029] 设G(0)为图形G旋转Θ后得到的图形，z(t)=x(t)+iy(t)，（0〈t〈l)，ζ(0) = ζ(1)， 为封闭曲线，旋转Θ后的坐标与原坐标之间的关系为：
[0030]
[0031]对给定的θ(ο < θ q)，分别求出丨巧⑴，丨％ 得作为矩形包络的长，^0^/(0-⑴作为矩形包络的宽，这样就 得到了包含图形G的最小矩形。
[0032]模拟退火计算模块中设置有模拟退火计算数据，该模拟退火计算模块中模拟退火 算法的基本步骤为：
[0033] (1)初始化退火温度To和解S(令k = 0);
[0034] (2)重复执行如下操作，直到达到温度的平衡态，达到温度循环终止条件：在Xk的 邻域N(Xk)中运用random函数随机选择一解Xj，计算目标函数增量Δ f = f(Xj)-f (Xk)，并以 概率1接受当前解(即Xk+1 = Xj，否则以概率exp(-Af/T)接受当前解；
[0035] (3)令Tk+i = d(Tk)，如果满足收敛标准，则退火过程结束，停止计算；否则，k = k+l 进入循环步骤(2);
[0036] 步骤中的退火温度Tk控制整个退火过程向最优进行，并且以概率exp(-Af/Tk)来 得到劣质的解，保证初始温度设置的足够高，退火工艺足够慢，由退火算法逐渐得到全局的 最优解。
[0037] 本发明所公开的这种排版系统和方法，是在原有的毛皮切割工艺的基础上对排样 版式操作的算法进行了进一步的优化以及改进，使排版这个步骤由原来的手工操作改变为 零件图像采集之后的程序执行，得到目标函数的最优解，同时此时得到的排版图像也是最 佳符合最省料的目的，简化中间的人工部分，提到效率，尽可能保证达到排版的最优化，从 而实现利益的最大化;通过使用这种排版方法将改进以往所通用的算法，从而减少毛皮的 使用，从而更加降低物资清耗，增加企业的市场占有率，更加有利于资源节约型、环境友好 型社会的发展。
【附图说明】
[0038]图1为本发明的算法流程框图。
[0039]图2为原始排版方法示意图。
[0040]图3为最小包络矩形示意图。
[0041 ]图4为配料式样图。
[0042]图5为普通矩形排样图。
[0043] 图6为经模拟退火算法计算后的排样图。
【具体实施方式】
[0044] 下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
[0045] 本发明所公开的这种毛皮料优化排版系统包括：目标函数的确定模块，用以对排 样结果进行比对，确定最终方案;样本图像采集模块，用以摄取预定样本图形信息；最小包 络矩形规范模块，用以计算所采集图像的最小包络矩形;母本规格输入模块，用以导入毛皮 料母本的规格数据;模拟退火计算模块，用以计算毛皮料母本中最小包络矩形的最优排布 方式;排版结果显示模块，通过显示器显示最优排版结果;输出模块，与切割系统连接传输， 为切割系统提供数据。
[0046] 最小包络矩形规范模块中设置有至少一种最小包络矩形规范化的计算数据。模拟 退火计算模块中设置有模拟退火计算数据，该数据中存储有至少一种毛坯料所需的退火温 度。通过建立毛皮排样的优化模型公式，运用最小包络矩形规范化得到零件的最小矩型最 后运用模拟退火算法对毛皮进行最终排版。
[0047] 应用上述系统进行毛皮料优化排版方法，如附图1，按照以下步骤进行。
[0048] 启动毛皮料优化排版、剪裁系统;通过目标函数确定模块输入最终的目标函数;通 过样本图像采集模块采集预定样本图像;通过最小包络矩形规范模块对采集到的样本图形 作计算，得出该样本图形的最小包络矩形;通过母本规格输入模块向系统中输入母本的规 格数据;通过模拟退火计算模块，将样本图像的最小包络矩形在母本中进行排版，得到全局 最优排版方式;排版结果显示模块通过显示器将排版方式显示出来，并通过输出模块将排 版数据传输给切割设备，进行切割。
[0049] 目标函数确定模块中对最终函数进行设定，假设在排样过程中待排零件总数为n， 经过最小包络矩形规范化算法处理后，待排矩形零件总数为Lanb 1分别表示第i个待排矩 形件的长度和宽度&ΧΙη4 = 1，2, ...，K表示每个矩形零件所占用的面积;所用毛皮的长度 为X，宽度为Υ。排样过程中应该遵循一下原则，每一个矩形件可在板材上横向排放或竖向排 放;排样过程中矩形零件之间不能有相互重叠区域，且矩形件不能有排出板材之外的部分。
[0050] 求解的实质就是通过设计一种合适的排样方法和一个合理的排样顺序，使得所有 矩形件排放在板材上后，毛皮利用率达到最大的过程。根据毛皮的利用率，可以得到在一张 板材上进行排样时，所要达到的目标函数计算公式为：
[0051]
[0052] 式中m表示所能够排下的矩形零件的
表示所能够排下的零件所占用 的总面积，X · Y表示一块毛皮的面积。这样可以将排版问题量化以便后期求解。
[0053]目标函数确定模块能够对排样过程中出现的结果进行比对，使最终的排样结果达 到最优，使最终由最小包络矩形规范模块和模拟退火计算模块得到的方案最符合优化的目 的。
[0054] 参见附图2-图3,最小包络矩形规范模块中设置有最小包络矩形规范化的计算数 据，最小包络矩形规范化算法如下：
[0055] 设 G(0)为图形 G 旋转 Θ 后得到的图形，z(t)=X(t)+iy(t)，（0〈t〈l)，z(0)=Z(l)，为 封闭曲线，旋转Θ后的坐标与原坐标之间的关系为： I X0 it) = x{t)y，cos0 - v(r)xsin0
[0056] ( 八
[Vi^/1) = χ(0χsin(7- '.(/)χ cos/?
[0057] 对给定的0(〇<0q)，分别求出器泛⑴以iq/⑴求 ? .? ' J -+' 一 ? 9 得max / (〇 - (〇作为矩形包络的长，/ (?)-/ (〇作为矩形包络的宽，这样就 0<?<1 0<?<! 0</<! 0</<! 得到了包含图形G的最小矩形。
[0058] 进行裁剪时，首先选定恰当的Θ值，如果Θ过小，虽然精度很高但是耗时长;如果Θ过 大，可能会丢失最优解。实际应用中，应该根据所需要裁剪的形状以及毛皮的质量来综合考 虑确定最终值。
[0059]表1最小包络矩形规范化对照表
LUUW」 悮拟退X计算悮块中坟置有悮拟退X计算数据，该悮拟退X计算悮块中悮拟退X 算法的基本步骤为：
[0063] (1)初始化退火温度To和解S(令k = 0);
[0064] (2)重复执行如下操作，直到达到温度的平衡态，达到温度循环终止条件：在Xk的 邻域N(Xk)中运用random函数随机选择一解Xj，计算目标函数增量Δ f = f(Xj)-f (Xk)，并以 概率1接受当前解(即Xk+1 = Xj，否则以概率exp(-Af/T)接受当前解；
[0065] (3)令Tk+1 = d(Tk)，如果满足收敛标准，则退火过程结束，停止计算；否则，k = k+l 进入循环步骤(2);
[0066] 步骤中的退火温度Tk控制整个退火过程向最优进行，并且以概率exp(-Af/Tk)来 得到劣质的解，保证初始温度设置的足够高，退火工艺足够慢，由退火算法逐渐得到全局的 最优解。
[0067] 前期最小矩形包络处理与后期模拟退火算法排版的结合，最小矩形包络使得到的 矩形面积最小，而模拟退火算法在矩形排样中有较优的效果，两者结合使排版得到较优的 结果。
[0068]这种结合带来的有益效果有：
[0069] 首先，对材料的使用进行缩减，通过更加智能化的产业制造工艺，避免人脑在设计 过程中对材料的不适当使用；
[0070] 其次，节省时间，普通制造工艺中，都是技术工人首先对图案进行排布，再进行机 械切割，这些都需要大量的人工时间，通过运用算法进行得出最终的结果，可以大大提高效 率；
[0071] 最后，提高企业的经济效益，通过在时间和材料上进行节省，同时也可以减少对 人工费的支出，大大增加了企业的经济效益。
[0072] 为了验证此算法的有效性，以生活中毛皮的实际应用为例，运用上述算法对所需 要的零件图形进行排样，得到最终的版样图。在皮包制造过程中，手挽及袋口还有包边的面 料叫"配料"，如图2中矩形图形中显示的不规则图形，同时还需要做装饰品的一个图案如图 4,现将图2中图形定义为零件A，图4中图形为零件B。现有一张可用于裁剪配料的毛皮，规格 为0.25m*0.15m的矩形毛皮中进行实验。在批量生产中对配件的数量有一定的预算，此次验 证实验将分为两个组别，分别为组1和组2,根据实际配料的需求量在给定的毛皮上进行排 样，得到的结果分别对应图5和图6。
[0073] 表2配件需求量表
[0075]在实际应用中，零件的图样分为大尺寸件、中等尺寸件和小尺寸件，用最小矩形包 络规范化对小尺寸件进行规范化反而降低效率，故本文对于图3中的图形采取的是采用普 通的手工排版，最终排样结果对比如表3。
[0076]表3优化算法结果对比表 L〇〇78」注：矩形毛皮面积为375cm2
[0079]从结果可以得出，本次排样需要得到零件A共15个，零件B共45个，在实际排样中组 2满足要求，且毛皮的利用率得到很大提升，从而验证算法的有效性和可行性。
【主权项】
1. 一种毛皮料优化排版系统，其特征在于，该系统包括目标函数的确定模块、样本图像 采集模块、最小包络矩形规范模块、母本规格输入模块、模拟退火计算模块、排版结果显示 模块和输出模块;其中： 目标函数的确定模块，用W对排样结果进行比对，确定最终方案； 样本图像采集模块，用W摄取预定样本图形信息； 最小包络矩形规范模块，用W计算所采集图像的最小包络矩形； 母本规格输入模块，用W导入毛皮料母本的规格数据； 模拟退火计算模块，用W计算毛皮料母本中最小包络矩形的最优排布方式； 排版结果显示模块，通过显示器显示最优排版结果； 输出模块，与切割系统连接传输，为切割系统提供数据。2. 根据权利要求1所述的毛皮料优化排版系统，其特征在于，最小包络矩形规范模块中 设置有至少一种最小包络矩形规范化的计算数据。3. 根据权利要求1所述的毛皮料优化排版系统，其特征在于，模拟退火计算模块中设置 有模拟退火计算数据，该数据中存储有至少一种毛巧料所需的退火溫度。4. 一种毛皮料优化排版方法，其特征在于，按照W下步骤进行： 启动毛皮料优化排版、剪裁系统； 通过目标函数确定模块输入最终的目标函数； 通过样本图像采集模块采集预定样本图像； 再通过最小包络矩形规范模块对采集到的样本图形作计算，得出该样本图形的最小包 络矩形； 通过母本规格输入模块向系统中输入母本的规格数据； 再通过模拟退火计算模块，将样本图像的最小包络矩形在母本中进行排版，得到全局 最优排版方式； 排版结果显示模块通过显示器将排版方式显示出来，并通过输出模块将排版数据传输 给切割设备，进行切割。5. 根据权利要求4所述毛皮料优化排版方法，其特征在于，通过目标函数确定模块明确 目标函数，求得最优化排版式样，具体内容如下： 假设在排样过程中待排零件总数为n，经过最小包络矩形规范化算法处理后，待排矩形 零件总数为K，ai、bi分别表示第i个待排矩形件的长度和宽度ai X bi，i = 1，2，. . .，Κ表示每 个矩形零件所占用的面积;所用毛皮的长度为X，宽度为Υ;排样过程中应该遵循W下原则， 每一个矩形件可在板材上横向排放或竖向排放;排样过程中矩形零件之间不能有相互重叠 区域，且矩形件不能有排出板材之外的部分； 求解的实质就是通过设计一种合适的排样方法和一个合理的排样顺序，使得所有矩形 件排放在板材上后，毛皮利用率达到最大的过程。根据毛皮的利用率，可W得到在一张板材 上进行排样时，所要达到的目标函数计算公式为：式中m表示所能够排下的矩形零件的个数：表示所能够排下的零件所占用的总 面积，X · Y表示一块毛皮的面积，运样可W将排版问题量化W便后期求解。6. 根据权利要求4所述的毛皮料优化排版方法，其特征在于，最小包络矩形规范模块中 设置有最小包络矩形规范化的计算数据，最小包络矩形规范化算法如下： 设G(0)为图形G旋转Θ后得到的图形，z(t) = x(t)+iy(t)，（0<t<l)，z(0) = z(l)，为封闭 曲线，旋转Θ后的坐标与原坐标之间的关系为：对给定的e (0 < Θ < 31)，分别求出求得作为矩形包络的长：。作为矩形包络的宽，运样就得 到了包含图形G的最小矩形。7. 根据权利要求4所述的毛皮料优化排版方法，其特征在于，模拟退火计算模块中设置 有模拟退火计算数据，该模拟退火计算模块中模拟退火算法的基本步骤为： (1) 初始化退火溫度To和解S(令k = 0); (2) 重复执行如下操作，直到达到溫度的平衡态，达到溫度循环终止条件:在Xk的邻域N (Xk)中运用random函数随机选择一解Xj，计算目标函数增量Δ f = f (Xj)-f (Xk)，并W概率1 接受当前解(即Xk+i = Xj)，否则W概率exp(-Af/T)接受当前解； (3) 令Tk+i = d(化），如果满足收敛标准，则退火过程结束，停止计算;否则，k = k+l进入循 环步骤(2); 步骤中的退火溫度化控制整个退火过程向最优进行，并且W概率e邱(-Δ?7化)来得到 劣质的解，保证初始溫度设置的足够高，退火工艺足够慢，由退火算法逐渐得到全局的最优 解。
【文档编号】G06Q10/04GK105844341SQ201610143306
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年3月14日
【发明人】阎少宏, 杨柳丛, 王鑫, 胡鸿奎, 吴宇航, 丰菲, 李康康
【申请人】华北理工大学