解决三维装箱问题的三叉树规划计算方法技术

本发明专利技术提供一种解决三维装箱问题的三叉树规划计算方法，在现有技术的基础上，通过创造性的问题解决思路，将三维空间的X，Y，Z轴转化为三叉树的树形图的三个分支来研究，装箱顺序可自然形成。可实现逐级搜索，简化计算过程。同时该方案可以考虑到所有方向性约束条件，将装入物体的前面、右面、上面为待装空间的可以归为此类，平行于高度方向的二叉树装箱方案也可以归为此类。本发明专利技术技术方案能弥补装箱方案的多约束条件的“组合爆炸”问题，与现有装箱方案相比，本方法的优势在于：形成三叉树结构，装箱顺序可自然形成；逐级搜索，整个计算过程简单有效；通过优化计算，可得完全的优化结果；给出待装物体不同方向性时的装箱方案。

A tri tree programming method for solving three dimensional bin packing problem

The invention provides a three fork tree planning calculation method to solve the three-dimensional packing problem. On the basis of the existing technology, the X, Y and Z axis of the three-dimensional space are transformed into three branches of the tree pattern of a trigeminal tree. The packing order can be naturally formed. It can realize step by step search and simplify the calculation process. At the same time, all directional constraints can be taken into account, and the front, right side, and above of the object can be classified as such, and the two fork tree packing scheme parallel to the high direction can also be classified as such. Compared with the existing packing scheme, the advantages of this method are: forming the structure of the trigeminal tree, the packing order can be formed naturally, the whole calculation process is simple and effective, and the complete optimization results can be obtained by optimizing the calculation. The packing scheme for different directions of the object to be loaded is given.

【技术实现步骤摘要】
解决三维装箱问题的三叉树规划计算方法
本专利技术属于物流拣选和仓储工业应用领域，涉及在保证满足各种约束条件下实现三维装箱问题的最佳直观优化方法，尤其是考虑方向约束条件下的最大装载率及最小剩余空间方法。
技术介绍
装箱问题作为物流拣选过程中的一个关键性技术，对提高货物装载的优化程度、提高配送效率和规范业务流程都具有重要的意义。然而目前，国内很多企业依旧凭借人工经验来计算装箱，这种经验装箱的装箱流程信息化水平较低，受人为因素影响较大，存在着极大的不确定性，大大降低了装箱效率，提升了运输成本，同时也不利于企业物流管理的智能化的推进。对于装箱问题，本身就是组合爆炸问题，每增加一个约束条件，相应数据结构就会变得更加复杂，问题的求解难度也大大增加，从理论上讲，装箱问题属于NP-hard问题。而且应用领域的不同，其约束条件和优化目标相差较大，目前国内大多文献都采用智能算法，如启发式算法、禁忌搜索算法、模拟退火算法、遗传算法、贪心算法等等，但是装箱模型一般都是通过降维把三维装箱问题转化为二维问题来研究，还有很多仅仅考虑沿高度方向的水平布局问题，还有些仅仅考虑货物不能翻转等方向性约束条件下的装箱方案，没有一种通用而直观的求解方式，为此设计可以整合多种约束条件的装箱方案势在必行。
技术实现思路
针对现有技术存在的不足和空白，本专利技术采用以下技术方案：一种解决三维装箱问题的三叉树规划计算方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：以观察者的视角，将形状为长方体的箱子的左后下方设为坐标原点，将箱子的长、宽、高设为三维空间的X，Y，Z三个坐标轴，建立坐标系；步骤2：以所述坐标原点为根节点，以所述X，Y，Z三个坐标轴为根节点的三个分支节点构造装箱方案三叉树；所述装箱方案三叉树的根节点对应箱子为空的初始状态，除所述X，Y，Z三个坐标轴对应的三个分支节点和根节点外，所述装箱方案三叉树上的每个节点对应一种装箱方式；步骤3：初始化装箱方案，将所述装箱方式分为三种装箱方案：(1)将货物的长(l)平行于箱子的长(X)，货物的宽(w)平行于箱子的宽(Y)，货物的高(h)平行于箱子的高(Z)装箱，或将货物的长(l)平行于箱子的宽(w)，货物的宽(w)的平行于箱子的长(l)，货物的高(h)平行于箱子的高(Z)装箱的装箱方式构成平放方案；所述平放方案对应装箱方案三叉树的左子树；(2)将货物的长(l)平行于箱子的长(X)，货物的高(h)平行于箱子的宽(Y)，货物的宽(w)平行于箱子的高(Z)装箱，或将货物的长(l)平行于箱子的宽(w)，货物的高(h)的平行于箱子的长(l)，货物的宽(w)平行于箱子的高(Z)装箱的装箱方式构成侧放方案；所述侧放方案对应装箱方案三叉树的中子树；(3)将货物的宽(l)平行于箱子的长(X)，货物的高(h)平行于箱子的宽(Y)，货物的长(l)平行于箱子的高(Z)装箱，或将货物的宽(w)平行于箱子的宽(w)，货物的高(h)的平行于箱子的长(l)，货物的长(l)平行于箱子的高(Z)装箱的装箱方式构成竖放方案；所述竖放方案对应装箱方案三叉树的右子树；步骤4：根据每一种装箱方案的两种装箱方式遍历所有的装箱方案，直至生成所述装箱方案三叉树的全部叶子节点；所述叶子节点对应的装箱方式执行完毕后，无法再执行任何装箱方式；步骤5：计算每一个所述叶子节点到根节点之间的过程节点数，其中过程节点数最多的叶子节点分支构成的装箱方案即为最佳装箱方案。进一步地，还包括最佳装箱方案的校验过程，具体步骤为：步骤6：计算货物的长(l)、宽(w)、高(h)分别平行于箱子的长(X)、宽(Y)、高(Z)时的最大装载层数ai,bi,ci,(i＝1,2,3)；当货物的长、宽、高分别平行于箱子的长度时，最大装载数为：当货物的长、宽、高分别平行于箱子的宽度时，最大装载数为：当货物的长、宽、高分别平行于箱子的高度时，最大装载数为：步骤7:分别在[0,ai],[0,bi],[0,ci]内取整数in,jn,kn,(n＝1,2)，使得装填后在Xi,Yi,Zi方向空隙最小：Xmin＝X-i1×l-j1×w-k1×h,Ymin＝Y-i2×l-j2×w-k2×h,；Zmin＝Z-i3×l-j3×w-k3×h.步骤8：计算得到的in,jn,kn,(n＝1,2)分别为平放、侧放、竖放放置的层数，每个方向上的总层数即为in+jn,+kn,(n＝1,2)；步骤9：根据水平层的最优布局计算方法，动态规划求出最优布局层参数：令则且满足：或本专利技术技术方案是在现有技术的基础上，通过创造性的问题解决思路，提出一种直观的解决方案：将三维空间的X，Y，Z轴转化为三叉树的树形图的三个分支来研究，装箱顺序可自然形成。可实现逐级搜索，简化计算过程。同时该方案可以考虑到所有方向性约束条件，将装入物体的前面、右面、上面为待装空间的可以归为此类，平行于高度方向的二叉树装箱方案也可以归为此类。本专利技术技术方案能弥补装箱方案的多约束条件的“组合爆炸”问题。与现有装箱方案相比，本方法的优势在于：(1)形成三叉树结构，装箱顺序可自然形成；(2)逐级搜索，整个计算过程简单有效；(3)通过优化计算，可得完全的优化结果；(4)给出待装物体不同方向性时的装箱方案。附图说明下面结合附图和具体实施方式对本专利技术进一步详细的说明：图1为本专利技术实施例装箱方案三叉树构造示意图。具体实施方式为让本专利的特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，作详细说明如下：如图1所示，本专利技术实施例包括以下步骤：步骤1：以观察者的视角，将形状为长方体的箱子的左后下方设为坐标原点，将箱子的长、宽、高设为三维空间的X，Y，Z三个坐标轴，建立坐标系；步骤2：以坐标原点为根节点，以X，Y，Z三个坐标轴为根节点的三个分支节点构造装箱方案三叉树；装箱方案三叉树的根节点对应箱子为空的初始状态，除X，Y，Z三个坐标轴对应的三个分支节点和根节点外，装箱方案三叉树上的每个节点对应一种装箱方式；步骤3：初始化装箱方案，将装箱方式分为三种装箱方案：(1)将货物的长(l)平行于箱子的长(X)，货物的宽(w)平行于箱子的宽(Y)，货物的高(h)平行于箱子的高(Z)装箱，或将货物的长(l)平行于箱子的宽(w)，货物的宽(w)的平行于箱子的长(l)，货物的高(h)平行于箱子的高(Z)装箱的装箱方式构成平放方案；平放方案对应装箱方案三叉树的左子树；(2)将货物的长(l)平行于箱子的长(X)，货物的高(h)平行于箱子的宽(Y)，货物的宽(w)平行于箱子的高(Z)装箱，或将货物的长(l)平行于箱子的宽(w)，货物的高(h)的平行于箱子的长(l)，货物的宽(w)平行于箱子的高(Z)装箱的装箱方式构成侧放方案；侧放方案对应装箱方案三叉树的中子树；(3)将货物的宽(l)平行于箱子的长(X)，货物的高(h)平行于箱子的宽(Y)，货物的长(l)平行于箱子的高(Z)装箱，或将货物的宽(w)平行于箱子的宽(w)，货物的高(h)的平行于箱子的长(l)，货物的长(l)平行于箱子的高(Z)装箱的装箱方式构成竖放方案；竖放方案对应装箱方案三叉树的右子树；步骤4：根据每一种装箱方案的两种装箱方式遍历所有的装箱方案，直至生成装箱方案三叉树的全部叶子节点；叶子节点对应的装箱方式执行完毕后，无法再执行任何装箱方式；步骤5：计算每一个叶子节本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种解决三维装箱问题的三叉树规划计算方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：以观察者的视角，将形状为长方体的箱子的左后下方设为坐标原点，将箱子的长、宽、高设为三维空间的X，Y，Z三个坐标轴，建立坐标系；步骤2：以所述坐标原点为根节点，以所述X，Y，Z三个坐标轴为根节点的三个分支节点构造装箱方案三叉树；所述装箱方案三叉树的根节点对应箱子为空的初始状态，除所述X，Y，Z三个坐标轴对应的三个分支节点和根节点外，所述装箱方案三叉树上的每个节点对应一种装箱方式；步骤3：初始化装箱方案，将所述装箱方式分为三种装箱方案：(1)将货物的长(l)平行于箱子的长(X)，货物的宽(w)平行于箱子的宽(Y)，货物的高(h)平行于箱子的高(Z)装箱，或将货物的长(l)平行于箱子的宽(w)，货物的宽(w)的平行于箱子的长(l)，货物的高(h)平行于箱子的高(Z)装箱的装箱方式构成平放方案；所述平放方案对应装箱方案三叉树的左子树；(2)将货物的长(l)平行于箱子的长(X)，货物的高(h)平行于箱子的宽(Y)，货物的宽(w)平行于箱子的高(Z)装箱，或将货物的长(l)平行于箱子的宽(w)，货物的高(h)的平行于箱子的长(l)，货物的宽(w)平行于箱子的高(Z)装箱的装箱方式构成侧放方案；所述侧放方案对应装箱方案三叉树的中子树；(3)将货物的宽(l)平行于箱子的长(X)，货物的高(h)平行于箱子的宽(Y)，货物的长(l)平行于箱子的高(Z)装箱，或将货物的宽(w)平行于箱子的宽(w)，货物的高(h)的平行于箱子的长(l)，货物的长(l)平行于箱子的高(Z)装箱的装箱方式构成竖放方案；所述竖放方案对应装箱方案三叉树的右子树；步骤4：根据每一种装箱方案的两种装箱方式遍历所有的装箱方案，直至生成所述装箱方案三叉树的全部叶子节点；所述叶子节点对应的装箱方式执行完毕后，无法再执行任何装箱方式；步骤5：计算每一个所述叶子节点到根节点之间的过程节点数，其中过程节点数最多的叶子节点分支构成的装箱方案即为最佳装箱方案。...

【技术特征摘要】
1.一种解决三维装箱问题的三叉树规划计算方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：以观察者的视角，将形状为长方体的箱子的左后下方设为坐标原点，将箱子的长、宽、高设为三维空间的X，Y，Z三个坐标轴，建立坐标系；步骤2：以所述坐标原点为根节点，以所述X，Y，Z三个坐标轴为根节点的三个分支节点构造装箱方案三叉树；所述装箱方案三叉树的根节点对应箱子为空的初始状态，除所述X，Y，Z三个坐标轴对应的三个分支节点和根节点外，所述装箱方案三叉树上的每个节点对应一种装箱方式；步骤3：初始化装箱方案，将所述装箱方式分为三种装箱方案：(1)将货物的长(l)平行于箱子的长(X)，货物的宽(w)平行于箱子的宽(Y)，货物的高(h)平行于箱子的高(Z)装箱，或将货物的长(l)平行于箱子的宽(w)，货物的宽(w)的平行于箱子的长(l)，货物的高(h)平行于箱子的高(Z)装箱的装箱方式构成平放方案；所述平放方案对应装箱方案三叉树的左子树；(2)将货物的长(l)平行于箱子的长(X)，货物的高(h)平行于箱子的宽(Y)，货物的宽(w)平行于箱子的高(Z)装箱，或将货物的长(l)平行于箱子的宽(w)，货物的高(h)的平行于箱子的长(l)，货物的宽(w)平行于箱子的高(Z)装箱的装箱方式构成侧放方案；所述侧放方案对应装箱方案三叉树的中子树；(3)将货物的宽(l)平行于箱子的长(X)，货物的高(h)平行于箱子的宽(Y)，货物的长(l)平行于箱子的高(Z)装箱，或将货物的宽(w)平行于箱子的宽(w)，货物的高(h)的平行于箱子的长(l)，货物的长(l)平行于箱子的高(Z)装箱的装箱方式构成竖放方案；所述竖放方案对应装箱方案三叉树的右子树；步骤4：根据每一种装箱方案的两种装箱方式遍历所有的装箱方案，直至生成所述装箱方案三叉树的全部叶子节点；所述叶子节点对应的装箱方式执行完毕后，无法再执行任何装箱方式；步骤5：计算每一个所述叶子节点到根节点之间的过程节点数，其中过程节点数最多的叶子节点分支构成的装箱方案即为最佳装箱方案。2.根据权利要求1所述的解决三维装箱问题的三叉树规划计算方法，其特征在于，还包括最佳装箱方案的校验过程，具体步骤为：步骤6：计算货物的长(l)、宽(w...

【专利技术属性】
技术研发人员：王海玲，郭一晶，周牡丹，刘萍，魏雅君，颜淼，李剑辉，林长杰，苏岚，
申请(专利权)人：厦门大学嘉庚学院，
类型：发明
国别省市：福建,35