Çok amaçlı 3 boyutlu kutulama problemlerinin optimizasyonu için matematiksel model ve genetik algoritma önerisi
Multi-objective 3D bin packing optimization: A mathematical model and genetic algorithm
Yazar: SEDA ERBAYRAK
Danışman: DOÇ. DR. VİLDAN ÖZKIR ; DR. ÖĞR. ÜYESİ UMMAN MAHİR YILDIRIM
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Endüstri Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Endüstri Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Endüstri ve Endüstri Mühendisliği = Industrial and Industrial Engineering
Dizin: Aile birliği = Unity of family ; Ambalajlama = Packaging ; Konteyner taşımacılığı = Container transportation ; Yük dengeleme = Load balancing

Özet:
3 Boyutlu Kutulama Problemleri (3BKP), kullanılan kutu sayısını en aza indirmek amacıyla farklı boyutlarda dikdörtgen şeklinde ki nesnelerin, kutulara yerleştirilmesi olarak tanımlanır. Bu tez çalışmasında, 3BKP' nin çözümü için matematiksel ve sezgisel model önerisi yapılmıştır. Önerilen yöntemler yardımı ile nesnelerin 2-yönlü döndürülmesine izin verildiği, aynı ürün gruplarının bir arada yüklendiği ve kutulardaki yük dengesinin sağlandığı yükleme planları oluşturulmuştur. Ele alınan problem için aynı ürün gruplarını birlikte paketlemeye teşvik eden aile birliği adı verilen yeni bir kavram literatüre tanıtılmıştır. Pratikte ürün bazlı paketlemenin yaygın kullanılmasına rağmen, literatür de aile birliği kavramını içeren çözüm yöntemi bulunmamaktadır. 
Önerilen matematiksel model, aile birliği oranını maksimize ederken, kullanılan kutu sayısını ve ideal ağırlık merkezinden sapmayı minimize etmiş ve optimum yerleşme planlarının oluşturulması sağlanmıştır. Ancak problem aile sayısı, nesne sayısı gibi parametrelerdeki artış sebebiyle karmaşık hal aldığında çözüm sürelerinde artış olmuştur. Bu sebeple büyük ölçekli problemlerin çözümü için genetik algoritma tabanlı sezgisel algoritma geliştirilmiştir. Önerilen sezgisel algoritmada, ilk olarak problem bir boyutlu kutulama problemi olarak ele alınmış ve genetik algoritma kullanılarak nesnelerin ürün ailelerine göre kutulara atanması sağlanmıştır. Sonrasında, bu atamalar dikkate alınarak, problem 3BKP olarak ele alınıp duvar örme algoritması kullanılarak paketleme yapılmıştır. Son aşamada ise her kutu için, dengeli nihai yerleşim planları oluşturulmuştur.
Önerilen matematiksel ve sezgisel algoritmanın performansı literatürden örnekler kullanılarak karşılaştırılmış ve benzer sonuçlar elde edildiği görülmüştür.

Abstract:
Three-dimensional bin packing problems (3D-BPP) are defined as packing rectangular items in to minimum number of bins. In this study, it is aimed to propose a mathematical and heuristic model for the solution of load balanced 3D-BPP, in which the orientation constraint is taken into account, the same product families are loaded together. In the problem addressed a new concept called family unity, which promote a family of items to be packaged together. Despite the widespread use of item related concerns in practice, there is no solution method that includes the concept of family unity in the literature.
In the proposed mathematical model, it minimized the number of bins used and the deviation of the balance from the ideal barycenter, and loading plans were created while maximizing the family unity ratio. However, due to the increase in parameters such as the number of families and the number of items, the problem has become more complex and the run times have increased. Therefore, heuristic algorithm has been developed for the solution of large-scale problems. In the proposed heuristic algorithm, firstly, the problem is considered as a one-dimensional bin packing problem and the items are assigned to the bins according to the product families by using the genetic algorithm. Then, considering these assignments, the problem was handled as 3D-BPP and the settlement was made using the wall-building algorithm. At this stage, the family unity of the items is preserved as much as possible. In the final stage, balanced final packing plan are created for each bin.
The performance of the proposed mathematical and heuristic algorithm was compared using examples from the literature and it was seen that similar results were obtained.