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数学模型作业最终定稿精读.docx

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作业题一:箱子的摆放策略 某省内知名企业生产的产品用形状为长方体的箱子包装,使用叉车将这些箱子从生产车间运输至仓库。这些箱子叠放在叉车的正方形底板上,如下图所示,叉车置放箱子的底板是一个边长为1.1米的正方形。箱子的规格是统一的(所有箱子的长方形底面的尺寸相同)。通常在一次运输中,箱子像下图中这样横着放,或者竖着放。下图所示的便是一种可行的摆放方法,但不一定是最优的。现在这家企业需要你们帮助建立一个通用的优化模型,使得给定长方形箱子的长和宽之后,利用这个模型就能算出该如何摆放箱子(不需考虑箱子的高度,即只考虑摆放一层箱子),才能使得一次摆放的箱子数量最多。 问题:如果不允许箱子超出叉车底板(如上图所示情形),也不允许箱子相互重叠,建立一个优化模型,考虑如何摆放这些箱子,才能使摆放的箱子数量最多? 利用你们构建的模型,分别计算出对于下表中型号1、型号2和型号3的箱子,最多可以摆放多少个?该如何摆放?如果你们能画出摆放示意图,那么将有助于这家企业更快地理解你们的方法。 长(米) 宽(米) 箱子型号1 0.3 0.24 箱子型号2 0.6 0.4 箱子型号3 0.3 0.2 一.问题分析 根据题目的要求,实质上讨论的是建立优化模型解决同一规格货物的箱子在装载时对于二维平面的利用率的问题即属于二维平面优化问题,因为题目中明确要求不需考虑箱子的高度并且只考虑摆放一层箱子。 在优化的过程中,要求箱子在堆放时不允许超出叉车底板,也不允许出现箱子相互重叠的情况。对于这问题拟采用启发式的算法,通过循环嵌套的方法由外之内优化,直到内层的剩余矩形平面无法摆放小矩形为止。通过MATLAB编程,最后把优化的结果输出到Excel中。 二.模型假设 1.箱子在堆放时互不叠压,且认为在堆放的过程中不发生挤压变形。 2.箱子可以放在底板的任意位置,箱子的摆放必须与叉车四边平行或正交而不能斜放更不允许斜放在底板的角落避免箱子发生变形。 3.考虑实际的装箱操作,箱子在堆放时先沿边缘放置,再底板中心填放的原则。 4.模型在建立的过程中不考虑箱子的总重量是否在叉车的承重范围内,即只需考虑如何最大利用叉车底板的面积。 5.箱子在堆放的过程中不超出叉车的底板。 三.符号说明 表1:符号说明 符号 解释说明 L 叉车底板的长 W 叉车底板的宽 a 箱子的长 b 箱子的宽 i 下L边上放置a的个数 j 下L边上放置b的个数 n 右W边上放置a的个数 m 右W边上放置b的个数 k 上L边上放置a的个数 t 上L边上放置b的个数 p 左W边上放置a的个数 q 左W边上放置b的个数 Sum1 每一次循环时返回的小矩形的个数 Sum 优化模型最终得到的小矩形的个数 四.模型的建立与求解 4.1模型的建立 对于该问题的研究,常用的方法有启发式算法,贪婪算法,智能算法。参看文献[1],学者陈端兵、黄文奇提出了一种贪婪算法,基于占角,占穴的概念对该问题进行了研究,该算法认为在每一次放置矩形时都要求是最优的,要求是合法的占角动作,并且在此基础上要求穴度和贴边数是最大的,这实际上满足的是局部最优,但不一定就是整体最优。参看文献[2],学者隋树林采用了一种启发式的算法对该问题进行了研究,本次采用的优化模型在文献[2]的基础上进行了改进和完善考虑了,非条件下的堆箱操作,同时也考虑了底板的边能被小矩形的边长整除情况下的堆箱操作。 设在(,本次题目要求L=W,这属于特殊情况,采用该优化模型优化不失其一般性)的矩形内放入的小矩形块,要想获得尽量多的小矩形块就必须得利用a和b的各种组合方式,使得在L和W方向上的利用率尽可能高,这就要求在优化时必须在L和W边上同时对a,b进行组合优化。优化示意图如图1所示: 图1:优化示意图 如图1所示,设在下L边上放置i个a边,则在该边上可放置的b的个数为(在MATLAB里面表示取整语句,在本文中均采用这样的方式表示取整);同样设在右W边上放置n个a边,那么在该边上可放置的b边的个数为。依次原理,可利用上边的的个数确定该边上的个数,可利用左边的个数确定该边的个数,上面的排样的约束条件可表示为: (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) (9) (10) 其中条件(1)-(4)是保证边和边的利用率,即要保证边上所留的间隙不能再放入边(即较小边),其中条件(5)-(8)是保证在排样时不能出现小矩形之间重叠的情况,条件(9)-(10)分别说明了和,和之间的关系。 但是上面的排法可能会形成中间没有矩形的情况,如图2所示: 图2:中间没有矩形的二维排样图 对于中间没有矩形的情况同样可以采用该优化方法继续优化,相当于再一次调用该优化程序,形成循环嵌套,最终可得到修正后的排样图,如图3所示。 图3:修正后的二维排样图 4.2优化模型程序实现 对于模型的求解采用循

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