一種基于混合算法的貨物三維裝箱方法技術

本發明專利技術提供了一種基于混合算法的貨物三維裝箱方法，本發明專利技術實施例提供的一種基于混合算法的貨物三維裝箱方法，通過遺傳算法將個體貨物基因塊進行選擇、交叉、變異等運算后，相互拼接在一起，形成適應度更高的簡單塊和復合塊，充分利用了遺傳算法簡單、通用、魯棒性強、適用于并行處理的特性，對個體貨物的初步拼接進行了最優化處理。采用樹搜索算法對由基因算法得出的可行塊的數據列表進行搜索，尋找適配的簡單塊和/或復合塊填充于子空間，可以同時滿足方向性約束、穩定性約束、完全切割約束；尤其當箱子種類數量較多時，采用樹搜索算法能夠使得裝箱率有顯著提高。使得裝箱率有顯著提高。使得裝箱率有顯著提高。

【技術實現步驟摘要】
一種基于混合算法的貨物三維裝箱方法


[0001]本專利技術涉及物流運輸
，具體涉及一種基于混合算法的貨物三維裝箱方法。

技術介紹

[0002]裝箱問題是復雜的離散組合最優化問題。所謂組合優化,是指在離散的、有限的數學結構上,尋找一個滿足給定條件,并使其目標函數值達到最大或最小的解。一般來說,組合優化問題通常帶有大量的局部極值點,往往是不可微的、不連續的、多維的、有約束條件的、高度非線性的典型的NP困難問題，即不存在多項式時間復雜度的算法保證能找到問題的最優解，用傳統的精確搜索技術求解此類問題，會產生“組合爆炸”現象。隨著優化問題規模的不斷增大，決策變量取值的不同組合量、可行解數量以及尋找最優解時需要考慮的組合量也會迅速大幅度增加，且往往是以指數形式增加，最終導致無法從中找到最優解。因此只能采用優化方法來逼近最優解。
[0003]裝箱問題廣泛存在于工業領域，涉及到工業生產的方方面面，包括運輸業的集裝箱業務，材料制作業的切割任務，工廠的運輸業等。隨著我國電子商務的迅速發展，物流運輸業的規模越來越大，裝箱問題在商業活動中越來越受重視。物流配送中的單箱多訂單問題屬于三維裝箱問題，通過研究如何優化貨物擺放來提高集裝箱的空間利用率，解決三維裝箱問題的算法不僅能降低貨物運輸成本，還能充分利用運輸能力，在減少材料損耗、增加社會經濟效益等方面具有重要意義。
[0004]近年來，涌現出許多解決裝箱問題的算法，根據算法可以分為以下三類：一是經典啟發式算法。經典啟發式算法又可以概括為兩種方式，一種為構造法，即從一個空的方案逐步生成一個完全的裝載方案；另一種為提升法，即首先生成一個的裝載方案，再不斷地優化提升該方案。二是元啟發式算法。元啟發式算法包括禁忌搜索、模擬退火、遺傳算法、貪婪隨機自適應等方法。三是樹搜索算法，是一種初始化算法。
[0005]然而前述單一的算法存在很難跳出局部最優解、或者效率和準確率不高等問題，并不能使三維裝箱問題得到很好的解。實踐證明，采用混合算法才更適用于解決實際問題。為解決單箱多訂單的物流配送問題，迫切地需要研究基于混合算法的三維裝箱方法，以更接近解決貨物三維裝箱問題的最優解。

技術實現思路

[0006]本專利技術的目的是提供了一種基于混合算法的貨物三維裝箱方法，用于解決現有技術中單一算法只能做到局部最優解、整體裝箱效率和準確率不高等技術問題。該目的是通過以下技術方案實現。
[0007]本專利技術提供了一種基于混合算法的貨物三維裝箱方法，采用以下步驟實施：步驟一，采集集裝箱的參數，即集裝箱箱體的長、寬、高；步驟二，采集待裝箱貨物的參數，即貨物的長、寬、高及數量；
步驟三，采用二次裝箱模式，根據待裝箱貨物規格及數量劃分子空間，初始化子空間集合；步驟四，判斷剩余空間是否為空，如果判斷結果為“是”，則轉入裝箱子模塊；如果判斷結果為“否”，則繼續下一步；步驟五，判斷是否仍有未裝載貨物，如果判斷結果為“是”則繼續下一步；如果判斷結果為“否”，則轉入裝箱子模塊；步驟六，在剩余子空間中搜索剩余空間，使用樹搜索算法搜索是否有可行塊，如果搜索結果為“是”，則進行下一步；如果搜索結果為“否”，則輸出結果；步驟七，判斷是否還有貨物滿足新的剩余空間，如果判斷結果為“是”，則產生新的剩余空間并更新數據，輸出結果；如果判斷結果為“否”，則直接輸出結果。
[0008]進一步地，所述裝箱子模塊采用以下步驟：步驟（1），使用遺傳算法產生初始塊生成方案；步驟（2），采用樹搜集算法選擇擺放塊；步驟（3），將已選擇的擺放塊裝箱；步驟（4），計算出新產生的剩余空間并更新其集合；步驟（5），在新的剩余空間中生成新的裝載方案；步驟（6），判斷是否滿足變異次數，如果判斷結果為“是”，則輸出結果；如果判斷結果為“否”，則重復執行步驟（1）—步驟（6）。
[0009]進一步地，所述步驟（1）中的遺傳算法包括以下步驟：步驟a，通過隨機方式產生若干長度的編碼的初始群體；步驟b，通過適應度函數對每個個體進行評價，選擇適應度值高的個體參與遺傳操作，適應度低的個體被淘汰；步驟c，經遺傳操作的個體集合成新一代種群，直到滿足停止準則;步驟d，將后代中表現最好的個體作為遺傳算法的執行結果。
[0010]進一步地，所述步驟（2）中采用樹搜集算法選擇擺放塊，具體采用以下步驟：步驟a），將相同規格的貨物按同一朝向堆疊而成簡單塊，所述簡單塊應當滿足以下條件：所述簡單塊包含的貨物數量應當小于待裝箱貨物數量，且所述簡單塊的大小應小于子空間的大小，即所述簡單塊可完全放入子空間不超出；步驟b），枚舉所有合法的簡單塊組合，并將其對應的簡單塊的數據加入可行塊的數據列表之中；步驟c），將不同規格的貨物復合成復合塊，所述復合塊可以按照三種方式進行復合：按x方向復合，按y方向復合，按z方向復合；所述復合塊應當滿足以下條件：所述復合塊包含的貨物數量應當小于其中各規格貨物的可用數量，且所述復合塊的大小應當小于子空間的大小，即所述復合塊可以完全放入子空間不超出；步驟d），枚舉所有合法的復合塊組合，并將對應的復合塊的數據加入可行塊的數據列表之中；步驟e），搜索可行塊的數據列表，尋找適配的簡單塊和/或復合塊填充于子空間，應當滿足以下條件：所述簡單塊和/或復雜塊的組合的大小應當小于或等于子空間的大小，即所述簡單塊和/或復雜塊的組合可以完全放入子空間不超出；
步驟f），分別計算合法的所述簡單塊和/或復雜塊的組合的體積v',并分別計算每種組合相對子空間V'的體積利用率p'，即：；步驟g），比較計算出的體積利用率p'，優先采用體積利用率p'最高的簡單塊和/或復雜塊的組合作為擺放塊。
[0011]進一步地，所述步驟一中的集裝箱參數的設定采用笛卡爾空間坐標系，X軸設為集裝箱的長度方向，Y軸為集裝箱的寬度方向，Z軸為集裝箱的高度方向；其中，所述集裝箱的長為L、寬為W、高為H、體積為V。
[0012]進一步地，所述步驟二中待裝箱貨物規格種類數為n，其中每種規格貨物的數量為q
i
，i=1，2，
……
，n，所述每種規格貨物的長為l
i
、寬為w
i
、高為h
i
、體積為v
i
；設所述集裝箱體積利用率為p，則設定目標函數為所述集裝箱體積利用率p最優，即：；其中，限定待裝箱貨物的體積滿足：；每種規格待裝箱貨物的三維尺寸滿足：，其中，x
i
、y
i
、z
i
為待裝箱貨物擺放位置的參考坐標。
[0013]進一步地，所述步驟三中初步劃分子空間采用以下步驟：步驟
ⅰ
），計算出所述集裝箱總體積V，根據待裝箱貨物規格種類數n，首先將集裝箱總體積平均劃分成平均子空間，即V/n；步驟
ⅱ
），分別計算每個規格種類待裝箱貨物的總體積大小v
i
，其中i=1,2
……
n；步驟
ⅲ
），分別比較每個規格種類待裝箱貨物的總體積v
i
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【技術保護點】

【技術特征摘要】
1.一種基于混合算法的貨物三維裝箱方法，其特征在于采用以下步驟實施：步驟一，采集集裝箱的參數，即集裝箱箱體的長、寬、高；步驟二，采集待裝箱貨物的參數，即貨物的長、寬、高及數量；步驟三，采用二次裝箱模式，根據待裝箱貨物規格及數量劃分子空間，初始化子空間集合；步驟四，判斷剩余空間是否為空，如果判斷結果為“是”，則轉入裝箱子模塊；如果判斷結果為“否”，則繼續下一步；步驟五，判斷是否仍有未裝載貨物，如果判斷結果為“是”則繼續下一步；如果判斷結果為“否”，則轉入裝箱子模塊；步驟六，在剩余子空間中搜索剩余空間，使用樹搜索算法搜索是否有可行塊，如果搜索結果為“是”，則進行下一步；如果搜索結果為“否”，則輸出結果；步驟七，判斷是否還有貨物滿足新的剩余空間，如果判斷結果為“是”，則產生新的剩余空間并更新數據，輸出結果；如果判斷結果為“否”，則直接輸出結果。2.如權利要求1所述的一種基于混合算法的貨物三維裝箱方法，其特征在于，所述裝箱子模塊采用以下步驟：步驟（1），使用遺傳算法產生初始塊生成方案；步驟（2），采用樹搜集算法選擇擺放塊；步驟（3），將已選擇的擺放塊裝箱；步驟（4），計算出新產生的剩余空間并更新其集合；步驟（5），在新的剩余空間中生成新的裝載方案；步驟（6），判斷是否滿足變異次數，如果判斷結果為“是”，則輸出結果；如果判斷結果為“否”，則重復執行步驟（1）——步驟（6）。3.如權利要求2所述的一種基于混合算法的貨物三維裝箱方法，其特征在于，所述步驟（1）中的遺傳算法包括以下步驟：步驟a，通過隨機方式產生若干長度的編碼的初始群體；步驟b，通過適應度函數對每個個體進行評價，選擇適應度值高的個體參與遺傳操作，適應度低的個體被淘汰；步驟c，經遺傳操作的個體集合成新一代種群，直到滿足停止準則；步驟d，將后代中表現最好的個體作為遺傳算法的執行結果。4.如權利要求3所述的一種基于混合算法的貨物三維裝箱方法，其特征在于，所述步驟（2）中采用樹搜集算法選擇擺放塊，具體采用以下步驟：步驟a），將相同規格的貨物按同一朝向堆疊而成簡單塊，所述簡單塊應當滿足以下條件：所述簡單塊包含的貨物數量應當小于待裝箱貨物數量，且所述簡單塊的大小應小于子空間的大小，即所述簡單塊可完全放入子空間不超出；步驟b），枚舉所有合法的簡單塊組合，并將其對應的簡單塊的數據加入可行塊的數據列表之中；步驟c），將不同規格的貨物復合成復合塊，所述復合塊可以按照三種方式進行復合：按x方向復合，按y方向復合，按z方向復合；所述復合塊應當滿足以下條件：所述復合塊包含的貨物數量應當小于其中各規格貨物...

【專利技術屬性】
技術研發人員：李瑞瑞，奚經豪，趙偉，馬勇，
申請(專利權)人：北京富通東方科技有限公司，
類型：發明
國別省市：