Раскрой в excel двумерный

Двухмерный раскрой, это то, что Вы описали в первом посте, есть прямоугольник из него нужно вырезать много других прямоугольников.
При этом есть различии: нужны прямоугольники или криволинейные фигуры, можно ли вращать фигуры? прямоугольники тоже о разному кроятся — стекло и ДСП.
Стекло раскраивается гильотинным раскроем (от края до края), ДСП — можно по другому.
Отношение к ширине реза, кромкам и отступам по разному учитывается при раскрое стекла и ДСП

Под линейным раскроем подразумевается, что у вас есть прутки (или профиль), где производится оптимизация только в одном измерении — по длине, ширина не имеет значения.
Двухмерный раскрой можно привести к одномерному, задав везде одинаковую ширину, но линейный раскрой реализовать значительно проще, получив при этом более качественное решение.

Задача линейного раскроя — это NP-полная задача оптимизации, по существу, сводимая к задаче о ранце.
Можно решать динамическим программированием либо, что лучше, линейным программированием.

Если Вам нужно линейный раскрой, например раскроить оконный профиль, то смогу помочь.
По двухмерному раскрою у меня эффективного алгоритма нет.

Опубликовано 11 Июн 2019
Рубрика: Справочник Excel | 14 комментариев

Достаточно функциональную программу для решения задач экономного линейного раскроя погонажных материалов можно создать самостоятельно и абсолютно бесплатно, используя исключительно встроенные функции и штатную надстройку «Решатель» программы Calc…

…из свободно распространяемого офисного пакета  LibreOffice. При этом ни к созданию макросов, ни к написанию пользовательских функций, ни к программированию вообще обращаться нет необходимости!

«Решатель» Calc — это NLPSolver (wiki.openoffice.org/wiki/NLPSolver).

Предложенное далее решение прекрасно работает и в Calc, и в Excel. Причем даже переписывать формулы не нужно! Достаточно просто скопировать ячейки с формулами и данными и вставить на лист Excel, а вместо «Решателя» использовать надстройку «Поиск решения» — Excel Solver (solver.com/excel-solver-online-help) или лучше – надстройку OpenSolver (opensolver.org).

И все-таки – почему в данном случае стоит попробовать использовать не Excel, а Calc?

• Во-первых (и это важно), в «Решателе» Calc нет ограничения по количеству переменных. В Excel «Поиск решения» может принять для поиска оптимального раскройного плана только 200 схем раскроев. (Но, если скачать и в Excel подключить OpenSolver, то получите еще более широкие возможности, чем в LibreOffice Calc!)
• Во-вторых, интерфейс «Решателя» — на русском языке. Интерфейс OpenSolver — на английском языке.
• В-третьих, в «Решателе» Calc представлены 5 различных алгоритмов поиска решения. В Excel без надстройки OpenSolver набор алгоритмов скромнее.
• В-четвертых, LibreOffice Calc, в отличие от MS Excel, бесплатен для коммерческого использования.
• В-пятых, LibreOffice Calc не обязательно устанавливать на компьютер. На официальном сайте можно скачать полнофункциональную версию — LibreOffice Portable (libreoffice.org/download/portable-versions/).

Структура задачи и терминология.

Данная тема уже была подробно рассмотрена на блоге в статье «Линейный раскрой в Excel» 4 года назад. Вновь обратиться к ней побудило желание автоматизировать генерацию схем раскроев и сравнить результаты работы «Решателя» и OpenSolver.

Полную «задачу о распиле» можно разделить на две значительные подзадачи:

1. Генерация всех возможных схем раскроев.
2. Поиск на основе сгенерированных схем оптимального раскройного плана.

Первая подзадача в статье «Линейный раскрой в Excel» решалась методом составления схем раскроев «вручную» по определенному алгоритму.

Вторая подзадача решалась автоматически с использованием надстройки Excel «Поиск решения» (Excel Solver).

В представленной далее программе генерация схем раскроев выполняется автоматически! Это существенно упрощает работу, защищает от ошибок и экономит время при значительном количестве типоразмеров деталей и схем раскроев.

Поиск плана раскроя осуществим тремя способами:

1. В LibreOffice Calc с помощью «Решателя» (NLPSolver).
2. В MS Office Excel посредством штатного «Поиска решения» (Excel Solver).
3. В MS Office Excel при помощи надстройки OpenSolver.

 Определимся с терминологией и ограничениями:

1. Заготовки – это исходный материал в виде рулонов, прутков, полос, стержней и т.д. одинаковой длины.
2. Детали – это элементы, которые необходимо получить, разрезав исходные заготовки на части.
3. Схема раскроя – один из вариантов раскроя заготовки, при котором длина отхода всегда меньше длины самой короткой детали.
4. План раскроя – это перечень схем раскроя с количеством их повторений.
5. *Ширина реза равна нулю.

Пример.

Исходные данные для примера я и в этот раз придумывать не стал, а взял из статьи «Задача раскроя» в Википедии (ru.wikipedia.org/wiki/Задача_раскроя).

Условие задачи:

Бумагоделательная машина производит рулоны (заготовки) шириной 5600 мм.

Нужно найти план раскроя для нарезки 13 типоразмеров конечных рулонов (деталей), используя минимальное количество исходных рулонов (заготовок).

Ширины конечных рулонов (размеры деталей) и их необходимое количество — в таблице слева.

Скриншот программы:

Область для генерации схем раскроев имеет размер 13×213 ячеек, что обусловлено исключительно условиями этой конкретной задачи, и может быть изменена и в ширину и в высоту в сторону увеличения или уменьшения по желанию пользователя с соответствующей корректировкой формул.

К сожалению, качественно показать на скриншоте всю область программы для раскроя затруднительно. Скачайте файлы по ссылке под рисунком для детального просмотра листов Calc и Excel с программами.

В ячейках с желтой заливкой – не защищенные от изменений формулы!!! Будьте внимательны! Изменять значения можно только в ячейках со светло-бирюзовой заливкой.

Прошу уважающих труд автора скачать файлы с программой после подписки на анонсы статей. Подписные окна расположены в конце статьи и наверху страницы.

Ссылки на скачивание файлов с программой:

• linejnyj-raskroj-2 (ods 106,4KB);
• linejnyj-raskroj-2 (xlsx 60,3KB).

Правила ввода исходных данных:

В светло-бирюзовые ячейки записываем исходные данные из условия задачи:

• длину исходных рулонов – заготовок — Lз;
• длины конечных рулонов – деталей — Lд_i;
• количество конечных рулонов – деталей — Nд_i.

Длины деталей Lд_i следует вписывать в порядке уменьшения размеров, слева – направо:

Lд₁ > Lд₂  > Lд₃ > … > Lд₁₂ > Lд₁₃

Внимание! Если типоразмеров деталей в другой вашей задаче будет меньше 13, например 10, то, чтобы не переделывать каждый раз поле схем раскроев, в первые 3 ячейки для длин деталей следует записать значения больше размера заготовки, а их количество указать равным нулю:

Lд₁ = Lд₂ = Lд₃ = А

А > Lз

Nд₁= Nд₂= Nд₃=0

Решение:

После ввода всех исходных данных программа для раскроя автоматически сгенерирует 213 схем, решив, таким образом, первую подзадачу.

Действия пользователя при решении второй подзадачи – поиск оптимального плана раскроя — подробно описаны в статье о линейном раскрое в Excel. Эти действия полностью идентичны при работе со всеми тремя вышеназванными надстройками. Повторять их здесь нет смысла, так как, перейдя по ссылке, можно получить подробную, развернутую инструкцию.

Единственное, что следует дополнительно настроить:

• Из окна «Решателя» нужно перейти в окно «Параметры» и выбрать в выпадающем списке «Механизма решателя»: LibreOffice CoinMP линейный решатель.
• Там же в окне «Настройки» рекомендую проставить все галочки, так как переменные у нас в примере неотрицательные и целочисленные.

Ответ:

Минимум из 73 заготовок (исходных рулонов) можно изготовить все детали (конечные рулоны) с долей отходов всего 0,401%! В плане раскроя используется 12 схем раскроев. Время поиска решения – менее 10 секунд! (План раскроя показан выше на скриншоте программы.)

Ответ в Википедии: 73 заготовки; 0,401% отходов; в плане – 10 схем раскроев.

Итоги.

Существует несколько решений — планов раскроя с 13, 12, 11, 10 схемами раскроев, состоящих из 73 заготовок.

В таблице ниже представлены решения, найденные с использованием разных программ и надстроек. При расчетах в Excel и Calc использовались линейные механизмы поиска.

Все программы справились с поставленной задачей – нашли раскройные планы, обеспечивающие минимальное количество отходов.

Для обеспечения работоспособности стандартного «Поиска решения» (Excel Solver) в Excel пришлось удалить из поиска 13 схем раскроев с большими длинами остатков.

Если для этой задачи применить прямолинейный «жадный» алгоритм, традиционно используемый на многих производствах (сначала режем широкие рулоны, а узкие – в конце, используя по возможности отходы), то потребуется 82 исходных рулона-заготовки. Более 11,3% материала уйдет в отходы. При этом в плане будет 15 схем раскроев.

В случае необходимости минимизировать количество схем раскроев в плане стоит применить нелинейные алгоритмы надстроек из списков механизмов поиска решения.

Не используя специальных программ с помощью свободной программы LibreOffice Calc или MS Excel можно эффективно решать весьма громоздкие задачи по линейному раскрою погонажных материалов.

Возможности программы для раскроя можно существенно расширить под соответствующие задачи, увеличив количество типоразмеров деталей и пространство для схем раскроя. Ограничивающими факторами расширения являются только размеры листа программы Calc или Excel, производительность процессора  и … здравый смысл.

Другие статьи автора блога

На главную

Статьи с близкой тематикой

Отзывы

Библиографическое описание:

Каюгина, С. М. Решение задач оптимального раскроя средствами MS Excel / С. М. Каюгина. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2016. — № 23 (127). — С. 54-57. — URL: https://moluch.ru/archive/127/35159/ (дата обращения: 17.04.2023).



В статье рассматривается методика решения задачи оптимального раскроя материалов на заготовки средствами MSExcel.

Ключевые слова: математическая модель, критерий оптимальности, рациональный способ раскроя

Большинство материалов, используемых в промышленности, поступает на производство в виде стандартных форм. Непосредственное использование таких материалов, как правило, невозможно. Предварительно их разделяют на заготовки необходимых размеров. Это можно сделать, используя различные способы раскроя материала.

Задача оптимального раскроя состоит в том, чтобы выбрать один или несколько способов раскроя материала и определить, какое количество материала следует раскраивать, применяя каждый из выбранных способов. В качестве критерия выбора оптимальных способов раскроя могут быть использованы минимум отходов, минимальный расход материалов, максимум комплектов, включающих заготовки различных видов.

Задачи такого типа возникают в строительстве, машиностроении, лесной, деревообрабатывающей и лёгкой промышленности. От успешности их решения зависят экономия материалов и снижение отходов.

Рассмотрим методику решения задачи раскроя листовых материалов средствами MSExcel.

Пример. На предприятии имеются древесностружечные плиты (ДСтП) нескольких форматов, приведенные в таблице 1. Спецификация заготовок приведена в таблице 2. Требуется составить оптимальный план раскроя плит ДСтП на заготовки по критерию минимума отходов, при условии выполнения заданной спецификации заготовок.

Таблица 1

Спецификация плит ДСтП

№п/п	Формат плиты, ммхмм	Количество плит, шт.
1	2440×1220	6000
2	1525×1525	8000

Таблица 2

Спецификация заготовок

№п/п	Формат плиты, ммхмм	Количество заготовок на годовую программу, шт.
1	1000×600	12000
2	800×600	12000
3	600×600	18000
4	300×450	12000
5	300×300	24000

На первом этапе решения задачи определяются рациональные способы раскроя материала. Разрабатываются карты раскроя, представляющие собой графическое расположение заготовок на стандартном формате раскраиваемого материала.

При разработке карт раскроя требуется соблюдать следующие условия:

− максимальный выход деталей;

− минимальное количество типоразмеров деталей при раскрое одного формата любого материала;

− минимальное повторение одних и тех же деталей в разных картах раскроя;

− обеспечение минимума отходов [2, c. 49].

В нашем примере использовано шесть карт раскроя, по три для каждого размера древесностружечных плит. В таблице 3 приведён выход заготовок и площадь отходов.

Таблица 3

Расчет количества заготовок

Размер заготовки	Количество заготовок, получаемых по карте раскроя, шт.
Плита 2440×1220	Плита 1525×1525
1	2	3	4	5	6
1000×600	4	—	—	—	2	—
800×600	—	4	—	—	—	2
600×600	—	—	8	—	—	2
300×450	—	5	—	6	5	—
300×300	—	—	—	15	—	—
Площадь отходов, м2	0,577	0,382	0,097	0,166	0,586	0,646

На втором этапе решается задача линейного программирования для определения интенсивности использования рациональных способов раскроя.

Составим математическую модель оптимизации.

В качестве неизвестных примем Х_{j —} количество плит раскраиваемых j-м способом.

Целевая функция (минимум отходов):

F=0,577Х₁+0,382Х₂+0,097Х₃+0,166Х₄+0,586Х₅+0,646Х₆min

Система ограничений:

1. по выпуску заготовок:

4Х₁+2Х₅=12000

4Х₂+2Х₆=12000

8Х₃+2Х₆=18000

5Х₂+6Х₄+5X₅=12000

15Х₄=24000

1. по запасам сырья:

Х₁+Х₂+Х₃<=6000

Х₄+Х₅+Х₆<=8000

1. по неотрицательности переменных:

Х₁,…, Х₆>=0

Симплекс-метод, основанный на идеях Л. В. Канторовича, был описан и детально разработан рядом ученых из США в середине 20 века. Надстройка MS Excel «Поиск решения» (Solver) использует этот алгоритм. Именно с помощью симплекс-метода и MS Excel мы будем решать задачу оптимального раскроя [3].

Оформим в MSExcel таблицу с исходными данными и введём формулы (рис.1):

Рис. 1. Оформление таблицы с исходными данными в MSExcel

На вкладке «Данные» нажимаем кнопку «Поиск решения». Откроется диалоговое окно «Поиск решения», в котором указываем ячейку целевой функции, её направление, изменяемые ячейки и задаём ограничения задачи (рис. 2).

Рис. 2. Диалоговое окно «Поиск решения»

Щелчком по кнопке «Параметры» заходим в диалоговое окно «Параметры поиска решения» и устанавливаем флажок «Линейная модель». Нажимаем ОК. Выполняем поиск решения.

Рис. 3. Результат решения

На рисунке 3 показан оптимальный план раскроя. Следует раскроить древесностружечные плиты размера 2440х1220 первым способом 3000 шт., вторым способом 480 шт. и третьим способом 990 шт. Всего плит данного размера потребуется 4470 шт.

Древесностружечные плиты размера 1525х1525 следует раскроить четвертым способом 1600 шт. и шестым способом 5040 шт. Пятую карту раскроя использовать нерационально. Всего плит этого размера потребуется 6640 шт.

Полученный в оптимальном решении вариант использования карт раскроя плит обеспечит выполнение плана по выходу заготовок всех размеров. Отходы будут минимальными и составят 5531,83 м².

Литература:

1. Пижурин А. А. Основы моделирования и оптимизации процессов деревообработки / А. А. Пижурин. — М.: Лесная промышленность, 2004.
2. Яцун И. В., Чернышев О. Н. Моделирование и оптимизация процессов деревообработки. Часть 1. — Екатеринбург: Редакционно-издательский отдел УГЛТУ, 2011.
3. Линейный раскрой в Excel [Электронный ресурс] — Режим доступа: http://al-vo.ru/spravochnik-excel/linejnyj-raskroj-v-excel.html