一种面向带缺陷矩形板材的排样下料方法及系统

1.本发明涉及生产排样的技术领域，特别是一种面向带缺陷矩形板材的排样下料方法及系统。


背景技术：

2.排样问题是指需要开料的工件在板料上的布置和开切方式，选择合理的排样布局方式，是提高材料利用率、降低生产成本和保证工件质量的有效措施。排样的效果优良性将直接影响原材料利用率，我国作为制造大国，每年需要大量的原材料用于制造各种产品，其中相当一部分材料需要进行切割，如果能将材料的利用率提高一个百分点，所带来的经济效益是非常显著的。
3.在许多制造业中，通常需要将原材料切割成不同类型的零件，来用于加工生产。例如木制板材及玻璃的切割，这类问题称为二维排样优化问题。然而，由于其性质和制造工艺的影响，原料中可能存在缺陷，不能被用于生产。例如：木材中含有的结点、玻璃在加工过程中出现的气泡、钢铁中含有的污染区域、天然皮革中存在的孔洞等。因此，在原材料切割过程中，需要规避这些缺陷区域，并且使原材料的利用率尽可能大。除此之外，还需要满足若干约束，如“一刀切”和“非一刀切”、是否限制货物的最大数量、货物切割方向是否可旋转等。尽管在不同工业领域中的排样有各种不同的限制约束，但是它们共同的基本问题在于找到所需部件在原材料上的一种有效布排，使得原材料上平面区域的面积利用率较高，尽可能地节约材料。
4.目前，现有技术主要针对无缺陷的排样问题，主要方法可分为精确求解算法、智能优化算法和启发式算法。而对于带缺陷的排样问题，目前研究较少，主要运用的是启发式算法和智能优化算法。启发式算法是一个基于直观或经验构造出来的算法，在一定时间内得到一个可行解，但是该可行解的质量无法保障，且每次得到的可行解不稳定，也无法判断是否为最优解；智能优化算法一般都是基于在生物智能或物理现象基础上的随机搜索算法，主要有模拟退火算法和遗传算法等。模拟退火是一种有可能得到优化问题的全局最优解的问题求解方法,并且已经逐步成为一种用于优化问题求解的通用方法,但是其问题求解过程较长，求解效率低下；遗传算法是具有良好的全局搜索能力的算法,但是其存在局部搜索能力较差、搜索时间较长、进化效率低、收敛速度慢和易陷入局部最优解的缺点。


技术实现要素：

5.针对上述缺陷，本发明的目的在于提出一种面向带缺陷矩形板材的排样下料方法及系统，应用在具有“一刀切”约束的带缺陷二维矩形排样问题中，能够大幅度地减少排样问题的搜索空间，提高求解的收敛速度，具有提高带缺陷矩形板材的排样下料效率的效果。
6.为达此目的，本发明采用以下技术方案：
7.一种面向带缺陷矩形板材的排样下料方法，包括以下步骤：
8.步骤a1：获取板材的板材信息，所述板材信息包括原料板的尺寸信息、目标块的尺
寸信息和缺陷的位置信息；
9.步骤a2：获取原料板上的切割位置离散点集，根据切割位置离散点集对原料板尝试切割，一次切割后将原料板分割成两块子板；若子板为无缺陷板，则执行步骤a3；若子板为带缺陷板，则执行步骤a4；
10.步骤a3：按照无缺陷板的切割位置离散点集，将无缺陷板继续切割成若干目标板；
11.步骤a4：按照带缺陷板的切割位置离散点集，将带缺陷板继续切割成两块子板，若子板为无缺陷板，则执行步骤a3；若子板为带缺陷板，则循环此步骤；
12.步骤a5：计算若干目标块的价值的总和，选出具有最大的价值总和的切割方式作为最优切割方案；
13.步骤a6：按照最优切割方案所对应的切割位置离散点集对原料板进行切割。
14.优选的，优选的，步骤a3中，通过切割位置搜索算法计算出无缺陷板的切割位置离散点集，具体步骤为：获取目标块和待切割板的尺寸信息，将目标块按照长宽分别进行线性组合，产生不同的尺寸组合块；
15.设原料板左下角为笛卡尔坐标原点，分别将目标块长宽的线性组合以原点为基准产生两组在待切割板的尺寸边界内的组合点集合；
16.对于x轴方向的离散点集合，用待切割板的长w，依次减去点集合中的每一个点r，在组合点集合中寻找一个不大于w-r的最大的点，将其添加至x轴离散点集中，且在y方向上进行同理操作，得到y轴离散点集；
17.用rv(w)表示原料板在x轴方向离散点集合，nh(h)表示原料板在y轴方向离散点集合，具体定义为：
[0018][0019][0020]
其中：
[0021][0022][0023][0024][0025]
其中：w和h分别为原料板的长和宽，为目标块i的长和宽，i为目标块集合；nv(w)，nh(h)为目标块的长、宽尺寸组合点集合；表示组合点集合nv(w)，nh(h)中不大于n的最大数；α表示组合的目标块个数，可取0,1,2，
…
；z表示集合nh(h)中的一个点。
[0026]
优选的，步骤a4中，通过切割位置搜索算法计算出带缺陷板的切割位置离散点集，
具体步骤为：对于x轴方向的离散点集合，分别用切割板的长w和缺陷j的左边界依次减去点集合中的每一个点r，在组合点集合中寻找一个不大于w-r和的最大点，将其添加至x轴离散点集中；同理，在y方向上考虑切割板的宽h和缺陷j的下边界
[0027]
用表示带缺陷的原料板在x轴方向离散点集合，用表示带缺陷的原料板在y轴方向离散点集合，具体定义如下：
[0028][0029][0030]
其中：
[0031][0032][0033][0034][0035][0036][0037]
w和h分别为原料板的长和宽，为目标块i的长和宽，i为目标块集合；为缺陷j的左下角坐标，为缺陷j的长和宽，d为缺陷的集合；nv(w)，nh(h)为目标块的长、宽尺寸组合点集合；分别表示组合点集合nv(w)、nh(h)中不大于n的最大数，α表示组合的目标块个数，可取0,1,2，
…
；z表示集合nh(h)中的一个点。
[0038]
优选的，在所述步骤a3中,对无缺陷板的切割方法为：
[0039]
步骤a31：搜索无缺陷板的二分之一长度范围内的切割位置离散点集；
[0040]
步骤a32：根据所有可能的组合方式，计算该无缺陷板能切割出的目标板的最大价值；
[0041]
步骤a33：根据最大价值对应的切割位置离散点集对该无缺陷板进行切割。
[0042]
优选的，所述排样问题满足以下条件：定义所述原料板上具有d＝{1，2，
…
，m}个缺陷，每个缺陷j∈d的左下角坐标为宽和高分别为带缺陷的所述原料板的宽和高分别为w和h，切割出i＝{1，2，
…
，n}种不同类型的宽和高分别为和且价值为vi的目标块，切割动作满足“一刀切”约束；所切割出的目标块与缺陷区域不相交，且目标块方向固定，不能旋转；原料板、目标块和缺陷的尺寸均为整数。
[0043]
优选的，所述步骤a5中计算所述目标板的价值的具体操作骤为：用g(w，h)表示将无缺陷板s＝(w，h)按照小矩形块切割，得到的n种方案中的最大值，其定义如下：
[0044][0045]
其中，表示目标块i的长和宽；vi表示目标块价值；n表示目标块种类；w和h分别表示子板的长和宽。
[0046]
一种面向带缺陷矩形板材的排样下料系统，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上文所述方法的步骤。
[0047]
一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上文所述方法的步骤。
[0048]
上述技术方案包括以下有益效果：
[0049]
本发明针对具有“一刀切”约束的带缺陷二维矩形排样问题提出一种排样方法，对于带缺陷板或无缺陷板，分别使用两种不同的切割位置离散点集搜索策略，根据目标块的尺寸信息和缺陷的位置信息，计算出一个不丧失最优解的切割位置离散点集，通过此离散点集来尝试切割原料板，可以大幅度减少排样过程的搜索空间，达到提高生产排样效率的效果。
附图说明
[0050]
图1是本发明的带缺陷的二维矩形原料板的排样示意图；
[0051]
图2是本发明的排样过程示意图；
[0052]
图3是本发明的算法运行流程图；
[0053]
图4是无缺陷板切割位置搜索算法流程图；
[0054]
图5是带缺陷板切割位置搜索算法流程图。
具体实施方式
[0055]
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0056]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征，用于区别描述特征，无顺序之分，无轻重之分。
[0057]
在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
[0058]
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可
以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0059]
下面结合图1至图5描述本发明实施例的一种面向带缺陷矩形板材的排样下料方法及系统：
[0060]
一种面向带缺陷矩形板材的排样下料方法，包括以下步骤：
[0061]
步骤a1：获取板材的板材信息，所述板材信息包括原料板的尺寸信息、目标块的尺寸信息和缺陷的位置信息；
[0062]
步骤a2：获取原料板上的切割位置离散点集，根据切割位置离散点集对原料板尝试切割，一次切割后将原料板分割成两块子板；若子板为无缺陷板，则执行步骤a3；若子板为带缺陷板，则执行步骤a4；
[0063]
步骤a3：按照无缺陷板的切割位置离散点集，将无缺陷板继续切割成若干目标板；
[0064]
步骤a4：按照带缺陷板的切割位置离散点集，将带缺陷板继续切割成两块子板，若子板为无缺陷板，则执行步骤a3；若子板为带缺陷板，则循环此步骤；
[0065]
步骤a5：计算若干目标块的价值的总和，选出具有最大的价值总和的切割方式作为最优切割方案；
[0066]
步骤a6：按照最优切割方案所对应的切割位置离散点集对原料板进行切割。
[0067]
具体的，本发明针对具有“一刀切”约束的带缺陷二维矩形排样问题提出一种排样方法，对于带缺陷板或无缺陷板，分别使用两种不同的切割位置离散点集搜索策略，根据目标块的尺寸信息和缺陷的位置信息，计算出一个不丧失最优解的切割位置离散点集，通过此离散点集来尝试切割原料板，可以大幅度减少排样过程的搜索空间，达到提高生产排样效率的效果。
[0068]
具体的，本实施例的排样方法首先获取原料板的尺寸信息、目标块尺寸信息和缺陷坐标信息，通过切割位置搜索算法计算出原料板中的切割位置离散点集，再根据离散点集中的点对原料板尝试切割：在每一次切割过程后，将得到两块子板，子板的类型包括无缺陷板和带缺陷板，对一次切割后产生的子板类型进行判断，若是无缺陷板，则将无缺陷板按照需求切割成目标板，并计算得到的目标块的价值；若是带缺陷板，则按照带缺陷板的切割位置离散点集继续迭代搜索，以进行下一步切割，逐渐将带缺陷板分割成越来越小的子板，最后形成多个面积较小的无缺陷板和带缺陷板，直至带缺陷板面积大致等于缺陷区域的面积时停止切割；将获得的所有目标板的价值相加，以得到价值的总和；遍历所有可能的切割位置，计算每个分割方案得到的若干目标块的价值的总和并进行储存，循环遍历不同的切割方案，重复上述的尝试切割及计算价值并储存的步骤，将多个不同切割方案分对应的最大价值进行对比，找出具有最大的价值总和的切割方式，作为最优的切割方式应用至实际生产中。
[0069]
本发明的排样方法应用在“一刀切”约束的二维矩阵板材排样问题中。“一刀切”指的是在切割板材的过程中，一次切割动作必须从矩形块的一边切割至其相对边，将其分割为两个独立的小矩形块；切割位置点的集合称为离散点集。其中，按照一刀切的切割方式，原料板经过多次切割后会形成若干个矩形板，它们既不是废料也不是货品，称之为子板，根据子板是否含有缺陷，将子板分为p-板(无缺陷板)和c-板(带缺陷板)；在子板上进行一刀
切的位置称为切割位置；所述目标块为子板上切割成的无缺陷的板材，目标板的尺寸按产品的需求设定。
[0070]
优选的，步骤a3中，通过切割位置搜索算法计算出无缺陷板的切割位置离散点集，具体步骤为：获取目标块和待切割板的尺寸信息，将目标块按照长宽分别进行线性组合，产生不同的尺寸组合块；
[0071]
设原料板左下角为笛卡尔坐标原点，分别将目标块长宽的线性组合以原点为基准产生两组在待切割板的尺寸边界内的组合点集合；
[0072]
对于x轴方向的离散点集合，用待切割板的长w，依次减去点集合中的每一个点r，在组合点集合中寻找一个不大于w-r的最大的点，将其添加至x轴离散点集中，且在y方向上进行同理操作，得到y轴离散点集；
[0073]
用rv(w)表示原料板在x轴方向离散点集合，nh(h)表示原料板在y轴方向离散点集合，具体定义为：
[0074][0075][0076]
其中：
[0077][0078][0079][0080][0081]
其中：w和h分别为原料板的长和宽，为目标块i的长和宽，i为目标块集合；nv(w)，nh(h)为目标块的长、宽尺寸组合点集合；表示组合点集合nv(w)，nh(h)中不大于n的最大数；α表示组合的目标块个数，可取0,1,2，
…
；z表示集合nh(h)中的一个点。
[0082]
优选的，步骤a4中，通过切割位置搜索算法计算出带缺陷板的切割位置离散点集，具体步骤为：对于x轴方向的离散点集合，分别用切割板的长w和缺陷j的左边界依次减去点集合中的每一个点r，在组合点集合中寻找一个不大于w-r和的最大点，将其添加至x轴离散点集中；同理，在y方向上考虑切割板的宽h和缺陷j的下边界
[0083]
用表示带缺陷的原料板在x轴方向离散点集合，用表示带缺陷的原料板在y轴方向离散点集合，具体定义如下：
[0084]
[0085][0086]
其中：
[0087][0088][0089][0090][0091][0092][0093]
w和h分别为原料板的长和宽，为目标块i的长和宽，i为目标块集合；为缺陷j的左下角坐标，为缺陷j的长和宽，d为缺陷的集合；nv(w)，nh(h)为目标块的长、宽尺寸组合点集合；分别表示组合点集合nv(w)、nh(h)中不大于n的最大数，α表示组合的目标块个数，可取0,1,2，
…
；z表示集合nh(h)中的一个点。
[0094]
具体的，对于带缺陷板，在无缺陷离散点的基础上，还需要考虑缺陷的影响。在计算组合点集合是不但需要考虑以切割板左下角为基准生成的离散点，在x轴方向还需要考虑以缺陷的右边界为基准生成的离散点，在y轴方向还需要考虑以缺陷的右边界为基准生成的离散点。
[0095]
优选的，在所述步骤a3中,对无缺陷板的切割方法为：
[0096]
步骤a31：搜索无缺陷板的二分之一长度范围内的切割位置离散点集；
[0097]
步骤a32：根据所有可能的组合方式，计算该无缺陷板能切割出的目标板的最大价值；
[0098]
步骤a33：根据最大价值对应的切割位置离散点集对该无缺陷板进行切割。
[0099]
具体的，因为无缺陷板是矩形板，具有对称性，且因为无缺陷板上不具有缺陷区域，可直接读取目标块的尺寸大小，按照目标块的尺寸，迭代搜索二分之一长度范围内的切割位置离散集，获得能使目标块价值最大的切割方式，按照切割位置离散集将无缺陷板分割成若干块目标板，具有提高搜索效率的效果。
[0100]
优选的，所述排样问题满足以下条件：定义所述原料板上具有d＝{1，2，
…
，m}个缺陷，每个缺陷j∈d的左下角坐标为宽和高分别为带缺陷的所述原料板的宽和高分别为w和h，切割出i＝{1，2，
…
，n}种不同类型的宽和高分别为和且价值为vi的目标块，切割动作满足“一刀切”约束；所切割出的目标块与缺陷区域不相交，且目标块方向固定，不能旋转；原料板、目标块和缺陷的尺寸均为整数。
[0101]
具体的，本方案中预先设定了缺陷区域及目标块区域的标注方式，使得在切割位置搜索算法中能够方便标记不同的缺陷区域及目标块，方便了算法的搜索及计算。
[0102]
优选的，所述步骤a5中计算所述目标板的价值的具体操作骤为：用g(w，h)表示将无缺陷板s＝(w，h)按照小矩形块切割，得到的n种方案中的最大值，其定义如下：
[0103][0104]
其中，表示目标块i的长和宽；vi表示目标块价值；n表示目标块种类；w和h分别表示子板的长和宽。
[0105]
在本方案中，先在算法中输入目标块和缺陷区域的信息，并初始化g0＝0，判别子板的类型，分别对缺陷板和无缺陷板计算切割位置离散点集，遍历不同位置的切割位置离散点集并做出对比，具体操作为在每一次切割之后计算得到的两个子板的最优值g(w
s1
,h
s1
)和g(w
s2
,h
s2
)，计算gi,gi＝g(w
s1
,h
s1
) g(w
s2
,h
s2
)，其中w
s1
,h
s1
，w
s2
,h
s2
为目标板的位置参数，循环遍历和计算gi的步骤，直至目标值gi出现最大时，结束循环，输出最大的价值数据及对应的切割方案，应用在实际切割过程中。
[0106]
本实施例还公开一种面向带缺陷矩形板材的排样下料系统，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上文所述方法的步骤。
[0107]
本实施例还公开一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上文所述方法的步骤。
[0108]
根据本发明实施例的一种面向带缺陷矩形板材的排样下料方法及系统的其他构成等以及操作对于本领域普通技术人员而言都是已知的，这里不再详细描述。
[0109]
上述一种面向带缺陷矩形板材的排样下料系统中的各模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于电子设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于电子设备的存储器中，以便于处理器调用执行以上各模块对应的操作。
[0110]
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本技术所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器(rom)、可编程rom(prom)、电可编程rom(eprom)、电可擦除可编程rom(eeprom)或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器(ram)或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，ram以多种形式可得，诸如静态ram(sram)、动态ram(dram)、同步dram(sdram)、双数据率sdram(ddrsdram)、增强型sdram(esdram)、同步链路(synchlink)dram(sldram)、存储器总线(rambus)直接ram(rdram)、直接存储器总线动态ram(drdram)、以及存储器总线动态ram(rdram)等。
[0111]
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述
的全部或者部分功能。
[0112]
以上对本发明的具体实施例进行的描述只是为了说明本发明的技术路线和特点，其目的在于让本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，但本发明并不限于上述特定实施方式。凡是在本发明权利要求的范围内做出的各种变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。