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⭐Un estudio algorítmico del problema de corte y empaquetado 2D
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Sandra Cortés Díaz
1 UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS FACULTAD DE CIENCIAS MATEMÁTICAS E.A.P. DE INVESTIGACIÓN OPERATIVA Un estudio algorítmico del problema de corte y empaquetado 2D TESIS para optar el Título Profesional de Licenciado en Investigación Operativa AUTOR Rosa Sumactika Delgadillo Avila Lima Perú 20072 UN ESTUDIO ALGORÍTMICO DEL PROBLEMA DE CORTE Y EMPAQUETADO 2D Rosa Sumactika Delgadillo Avila Tesis presentada a consideración del Cuerpo Docente de la Escuela de Investigación Operativa de la Facultad de Ciencias Matemáticas, de la Universidad Nacional Mayor de San Marcos, como parte de los requisitos para optar el Título de Licenciado en Investigación Operativa. Aprobada por: Dra. María del Pilar Álvarez Rivas Presidente Mg. Luis Alberto Oré Luján Miembro Mg. Esther Berger Vidal Miembro Asesor Lima Perú Marzo,3 A todas las personas que hacen Investigación de Operaciones. A mi esposo e hijos, a mis padres y hermanos, por las horas de estímulo y amor incondicional que me han dado y me dan. 44 AGRADECIMIENTOS Agradezco a Dios por haberme bendecido abundantemente en toda mi vida, por haberme capacitado intelectualmente para este trabajo, por haberme mostrado que en él encuentro vida. A mis padres porque siempre me incentivaron para alcanzar mis metas. A mi esposo porque en él me siento estimulada, a mis hijos por el amor que me dan. A la profesora Esther Berger por confiar en mí para la realización de este trabajo y por su apoyo. A los profesores María Álvarez y Luis Oré por su participación como jurados. A todos los profesores de la Facultad de Matemáticas que aportaron en mi formación académica. También a los distintos autores de los libros y artículos que he leído, que contribuyeron en mi conocimiento del tema y que forman parte de este trabajo. 55 INDICE INTRODUCCIÓN 1 Relevancia del Problema 4 Objetivo 5 CAPÍTULO I Conceptos y Notaciones Preliminares 1.1 Estructura de un Problema de Corte Estructura de un Problema de Empaquetado Dualidad del Problema de Corte y el Problema de Empaquetado Definición del Problema de Corte en una Dimensión Definición del Problema de Corte en dos Dimensiones Definición del Problema de Empaquetado Problemas de Corte por Guillotina Problemas de Corte No-Guillotina Relación con otros Problemas de Optimización Problema de la Mochila Problema de Programación de Tareas Independientes Clasificación del Problema de Corte y Empaquetado 27 CAPÍTULO II Métodos Exactos 2.1 Método Simplex Método de Generación de Columnas Método Programación Dinámica Método de Ramificación y Acotación Método Enumerativo de Wang Método Informado Algoritmo AAO* 49 CAPÍTULO III Métodos Heurísticos 3.1 Heurísticas para el Problema de Empaquetado 1D Heurística NF Heurística FF Heurística BF Heurística NFD Heurística FFD Heurística BFD Heurísticas para el Problema de Empaquetado 2D Algoritmo FBS OG Algoritmo FFF OG Algoritmo FBS RG y FFF RG Algoritmo FC RG Algoritmo KP OG Algoritmo KP RG Algoritmo AD OF Algoritmo TP RF Algoritmo FFD-CUT-2D RG Algoritmo BFD-CUT-2D RG 74 CAPÍTULO IV Meta Heurísticas 4.1 GRASP 77 106 4.2 Búsqueda Tabú Templado Simulado Algoritmos Genéticos. 94 CAPÍTULO V Conclusiones y Perspectivas Futuras 5.1 Conclusiones Perspectivas 102 BIBLIOGRAFÍA7 LISTA DE FIGURAS Y TABLAS Fig. 1.1 Estructura general del problema de corte 1D. Fig. 1.2 Estructura general del problema de corte 2D. Fig. 1.3 Estructura general del problema de empaquetado 3D. Fig. 1.4 Patrones de corte en una dimensión. Fig. 1.5 Patrones de corte en dos dimensiones. Fig. 1.6 Empaquetado en fajas. Fig. 1.7 Modelo de corte 2D por guillotina. Fig. 1.8 Modelo de corte por guillotina en dos periodos. Fig. 1.9 Modelo de corte por guillotina en tres periodos. Fig Modelo de corte por guillotina en n periodos. Fig Patrón de corte Nested. Fig Patrón de corte de contornos no-regulares. Fig Problema de secuenciación de tareas. Fig. 2.1 Proceso que sigue el método de programación dinámica. Fig. 2.2 Forma como opera el método de Wang. Fig. 2.3 (a) Grafo And/Or y (b) Grafo aditivo And/Or. Fig. 2.4 Grafo Aditivo And/Or de Fig.2.2. Fig. 3.1 Soluciones que consiguen las diferentes heurísticas para la instancia Fig. 3.2 l 1 =3, l 2 =4 l 3 =5, l 4 =2, l 5 =2, l 6 =1, l 7 =3, l 8 =3 Una instancia de binpacking 2D con m=7, (A) Empaquetado en franjas producido por FBS OG ; (B) Caja finita solución encontrada por FBS OG y FFF OG ; (C) Empaquetado en tiras dado por KP OG. Fig. 3.3 Soluciones producidas por el algoritmo KP RG. Fig. 3.4 En la parte superior instancia con n=12, Abajo solución encontrada por el algoritmo AD OF para el bin parking 2D. Fig. 3.5 Solución encontrada por el algoritmo TP RF Fig. 3.6 Generación de una pieza residual fija. (a) lámina sin pieza residual fija. (b) lámina con pieza residual fija. Fig. 3.7 Rotación de una pieza. Fig. 3.8 Ejecución del algoritmo FFD-CUT-2D RG, donde denota rotación del ítem. Fig. 4.1 Esquema de un algoritmo genético. Fig. 4.2 Ilustración de Bottom-left. Fig. 4.3 Representación del cromosoma para el problema de corte. Fig. 4.4 Ilustración de operador crossover. Tabla 1.1 Sistematización sobre las características principales. Tabla 1.2 Problemas de C & E con sus correspondientes notaciones. Tabla 4.1 Componentes de Búsqueda Tabú. Tabla 4.2 Relación entre Simulación Termodinámica vs Optimización Combinatoria. 88 ABREVIATURAS 1D Una Dimensión. 2D Dos Dimensiones 3D Tres Dimensiones AAO* Algorithm Additive And y Or AND/OR And y Or AO* Algorithm And y Or AD OF Alternate Directions Oriented Free AG Algoritmo Genetico BF Best Fit BFD Best Fit Decreasing BFD-CUT-2D RG Best Fit Decreasing Cutting Two Dimensional Rotation Guillotine BP1D Bin Packing One Dimensional BP2D Bin Packing Two Dimensional BP2D OG Bin Packing Two Dimensional Oriented Guillotine BP2D OF Bin Packing Two Dimensional Oriented Free C&E 2D Corte y Empaquetado en Dos Dimensiones FF First Fit FFD First Fit Decreasing FBS OG Finite Best Strip Oriented Guillotine. FFF OG Finite First Fit Oriented Guillotine. FBS RG Finite Best Strip Rotation Guillotine. FFF RG Finite First Fit Rotation Guillotine. FFD-CUT-2D RG First Fit Decreasing Cutting Two Dimensional Rotation guillotine GRASP Greedy Ramdom Adaptative Search Procedure KP2D Knapsack Problem Two Dimensional KP01 Knapsack Problem 0-1 KP OG Knapsack Problem Oriented Guillotine KP RG Knapsack Problem Rotation Guillotine NP- No Polinomial NF Next Fit NFD Next Fit Decreasing PCID Problema de Corte en Una Dimensión PC2D Problema de Corte en Dos Dimensiones PPL Problema de Programación Lineal PPE Problema de Programación Entera SA Simulated Annealing TP RF Touch Perimeter Rotation Free TS Tabu Search VSC Virtual Storage computer 99 RESUMEN UN ESTUDIO ALGORÍTMICO DEL PROBLEMA DE CORTE Y EMPAQUETADO 2D ROSA SUMACTIKA DELGADILLO AVILA Marzo-2007 Orientadora: Mg. Esther Berger Vidal Título Obtenido: Licenciado en Investigación Operativa El problema de corte y empaquetado en dos dimensiones, es un problema NP- difícil perteneciente a la familia de problemas de la optimización combinatoria. El problema combinatorio estriba en la gran cantidad de patrones de corte que puede construirse a partir de un número determinado de requerimientos y un conjunto de objetos los cuales deben ser cortados para satisfacer estos. Este problema es muy importante debido a la gran cantidad de aplicaciones que tiene en la industria. En este trabajo presentamos un estudio de los diferentes métodos que resuelven el problema, clasificándolos por métodos exactos, heurísticas y meta heurísticas. También presentamos conceptos, modelos del problema y las relaciones con otros problemas combinatorios. Palabras claves: Optimización Combinatoria Algoritmos Heurísticas Meta Heurísticas 610 ABSTRACT AN ALGORITHMS STUDY OF THE TWO DIMENSIONAL CUTTING AND PACKING PROBLEMS ROSA SUMACTIKA DELGADILLO AVILA March Guide: Mg. Esther Berger Vidal Title Obtain: Graduate in Operations Research Two dimensional cutting and packing problems is NP-hard, it belong to the family of problems of the optimization combinatory. This problem is based in the great amount of cut patterns that can be constructed from a determined number of requirements and a set of objects which must be cut to satisfy these. This problem is very important because it presents enormous applicability in the industry. In this work we presented a study of the different methods that solve the problem, classifying them by exact methods, heuristic and meta heuristic. Also we presented concepts, models and the relations with other combinatory problems. Key words: Optimization Combinatory Algorithms Heuristic Meta Heuristic 711 INTRODUCCIÓN Una de las más claras aplicaciones del problema de corte y empaquetado 2D se puede observar en la industria del cuero y calzado nacional. Este es un sector industrial importante por su producción de bienes de consumo masivo, por la cantidad de pequeñas y medianas empresas que aglomera, por la cantidad de puestos de trabajo que genera; y por su efecto multiplicador respecto a otros sectores como el sector de curtiembres, cría de ganado, y sectores empresariales relacionados a la producción y comercialización. Uno de los problemas inherentes que se observa como en todas las industrias, es el nivel competitivo a que está sometida, siendo crecientes las importaciones en este sector de cuero y calzado, debido a que se ofrecen productos de menores precios y no necesariamente de mejor calidad. Uno de los factores decisivos y necesarios para alcanzar niveles competitivos de ámbito internacional para este sector es la tecnología, la misma que debe ser aplicada en todo el proceso de producción y comercialización. Uno de los problemas, referente al proceso productivo se refiere al corte de las plantillas de calzado; estos cortes son efectuados considerando varios aspectos: - El contorno irregular del cuero, es decir no se tiene un contorno geométrico definido. - La textura del cuero o defectos inherentes, como son, posibles tajos, huecos, partes no deseadas, entre otros. - El contorno no rectangular del corte a ser efectuado, esto debido al diseño del tipo de calzado a confeccionarse, y por tanto el tipo de corte puede tomar formas con contornos curvos, rectos y/o una combinación de estos. Las tendencias a automatizar los procesos de producción en todos los ámbitos, exigen que los procesos de cortes de cuero también sigan esta tendencia. En la actualidad la tecnología existente permite que el diseño sea generado por computadora. Sin embargo los cortes son efectuados por un maestro cortador que asigna los diseños de corte a la manta de cuero, tratando de observar el menor desperdicio del cuero; no garantizando que la elección del 1212 corte sea el mejor, además de generar un costo adicional por el tiempo gastado en tratar de economizar el material. Un estudio nacional de Carazo y Hurtado [8] menciona que en micro, pequeñas, y medianas empresas los cortes son efectuados por el maestro cortador (es decir a mano), este estudio también menciona que el 24% de empresarios señalan problemas de desperdicio de materiales, un 45% tiene falta de uniformidad de su producto, un 30% reconoce fallas y errores, y un 18% no sabe sacar moldes o patrones, o en todo caso puede tener más de una de estas dificultades a la vez. Ciertamente el problema de desperdicio por la no utilización óptima de la materia prima (cuero) coloca al producto nacional (calzado) en serios problemas para competir con sus similares importados, a pesar de su calidad y diseño, tanto en el mercado nacional como internacional. Similares problemas se presentan en otras industrias de manufacturas con mayor o menor incidencia, como son las industrias de: confección de ropas, derivados del cartón, papel, vidrio, plásticos, entre otros. Vea por ejemplo: el problema de corte en la industria de la lona para la confección de carpas, toldos para jeep y otros (Farley A. [26]); el problema de corte en la industria del vidrio (Dyson R.G. y Gregory A. [20], Farley [24], Madsen [59]); el problema de corte en la industria de ropas (Farley A. [25]); el problema de la perdida residual en el corte de papel corrugado (Haessler R.W. y Talbot F.B. [42]); el problema de cortes en la industria de la madera (Morabito y Garcia [68], Venkateswarlu P. y Martyn C.W. [77]); el problema de corte en la industria del papel (Westernlund et alt [80]); el problema de corte en la industria de tapete (Liton [55]). En estas industrias una de las grandes tareas es la de utilizar sus recursos de materiales (materia prima) lo más eficientemente; para estas empresas el material desperdiciado es dinero desperdiciado que contribuye al encarecimiento del producto final y por consiguiente a un producto no competitivo. 1313 Otra aplicación del problema un tanto diferente se encuentra en el área de la ciencia de la computación Campello y Maculan [6]; por ejemplo en el cálculo de la memoria virtual en las computadoras (virtual storage computer-vsc). La capacidad de memoria principal es un recurso limitado y extremadamente valioso en un computador digital, por tanto su utilización eficiente es indispensable. Los programas de computador debido a su tamaño, muchas veces no pueden ser almacenados totalmente en la memoria principal. Otras veces, grandes porciones de memoria son ocupadas por segmentos de programas que raramente son utilizados durante el procesamiento. De ahí que para mejorar la utilización de memoria, los programas deben ser estructurados de forma que diferentes segmentos puedan ser asignados a la misma área de memoria en instantes de tiempo definidos. Una alternativa es utilizar la técnica de memoria virtual, cuando un computador ejecuta un programa virtual, así denominado porque no está necesariamente almacenado en su totalidad en la memoria principal; diversos segmentos automáticamente son traídos cada vez a la memoria principal, mapeando el espacio de dirección virtual en direcciones físicas. Estos segmentos reciben el nombre de páginas pues tienen un tamaño fijo de palabras; el número de palabras en una página es escogido normalmente como una potencia de 2, por ejemplo m 2. Si el número de palabras en el programa es de n 2 con n > m, entonces será automáticamente particionado en 2 k páginas, donde k = n - m. La memoria principal es también dividida en segmentos del mismo tamaño llamados marcos de las páginas. La secuencia de operaciones de un VSC al cambiar las páginas es: - El programa virtual se particiona en páginas. Algunos son colocados en la memoria principal, dependiendo de la disponibilidad y los restantes dejados en la memoria secundaria - Si durante la ejecución se hace un acceso a una página que no se encuentra en la memoria principal (esto es posible consultando una tabla que indica si la página está o no en la memoria principal), entonces se genera una interrupción. - Un algoritmo de paginación se activa. La transferencia de página solicitada se realiza substituyendo, si es necesario, una página de la memoria principal y se actualiza la tabla de paginación. 1414 - Cuando la transferencia se completa, la interrupción se suspende y la ejecución del nuevo programa virtual obtenido del anterior por la introducción de una nueva página, prosigue con una nueva referencia a la página recién introducida y obviamente ahora ya no ocurrirá una interrupción. El problema consiste en organizar los segmentos de un programa en las páginas. Estas páginas tienen tamaño fijo y los segmentos tienen tamaños menores que el tamaño de una página; un segmento de un programa puede ser conformado por datos, funciones, procedimientos, entre otros. Dicho de otra forma, el problema consiste en determinar el menor número posible de páginas y también la organización de los segmentos en las páginas; esto es utilizar al máximo la capacidad de memoria sin desperdiciar espacio ocioso de memoria disponible. RELEVANCIA DEL PROBLEMA La importancia del problema de corte en 2D radica en su aplicabilidad en varios sectores productivos, como tecnología clave para la optimización de desperdicios de los recursos incurridos en el proceso de producción que como consecuencia incrementa el nivel de competitividad de las industrias; además también radica en la dificultad de resolución, debido a su característica altamente combinatoria y en consecuencia compleja, que estimula a los investigadores para su estudio. Las primeras investigaciones de este problema se inician como una extensión del problema de corte en una dimensión. El primer trabajo que aparece es de Kantorovitch [50] el cual fue traducido del ruso en Similares problemas fueron tratados por Paull y Walter [72], Metzger [67] y Eilon [21] con relativo éxito para problemas pequeños. Gilmore y Gomory [32, 33] resuelve el problema de corte de una dimensión utilizando la técnica de generación de columnas con gran éxito, esto estimula la investigación para el caso de dos dimensiones. El problema de corte 2D es un problema de programación matemática combinatoria de la clase de problemas NP-difíciles, (problemas intratables). Un problema de programación 1515 matemática es NP-difícil (también denominado NP-arduo o NP-duro o NP-completo) cuando no existe algoritmo exacto que lo resuelva en tiempo razonable para cualquier número de variables; esto es, el tiempo de resolución de estos problemas crece en forma no polinomial (por ejemplo exponencial, factorial) respecto al tamaño (número) de variables; por esto los métodos exactos para la resolución de estos problemas presentan elevados costos de computación (en tiempo y memoria) al extremo de tornarse inviables para su uso. Los investigadores, por años han estudiado y siguen estudiando esta clase de problemas intentando cada día encontrar nuevos algoritmos (heurísticas) para problemas de gran tamaño (gran número de variables) con el fin de encontrar buenos resultados (próximos al óptimo) en tiempo razonable. OBJETIVO El objetivo de este trabajo es hacer un análisis de los algorítmos del problema de corte y empaquetado en dos dimensiones (C&E 2D), presentando conceptos, formulaciones, relación existente con otros problemas de optimización, clasificaciones y metodologías existentes para su resolución; clasificando estas metodologías en las que alcanzan la solución óptima (métodos exactos) y las que consiguen soluciones aproximadas (heurísticas y meta heurísticas). Se persigue con este estudio mostrar como las nuevas técnicas de resolución meta heurísticas son posibles de incorporarse en la resolución de problemas de optimización de la clase intratable con un buen desempeño; como por ejemplo, en el problema de corte y empaquetado 2D. En el primer capítulo definimos el problema de corte, el problema de empaquetado, mostramos la estructura del problema, clasificación, dualidad del problema de corte y el problema de empaquetado y la relación con otros problemas de optimización. En el segundo capítulo introducimos los métodos exactos para la resolución del problema de corte y empaquetado como son los de programación lineal, programación dinámica, ramificación y acotación y otros. 1616 En el tercer capítulo presentamos los métodos heurísticos tales como los métodos NFD, FFD, BFD, FBS OG, FFF OG, FC RG, KP OG y otros. En el cuarto capítulo mostramos las meta heurísticas tales como búsqueda tabú, templado simulado, algoritmos genéticos y GRASP. En el quinto capítulo concluimos el estudio presentando alcances futuros de investigaciones que se están realizando, y otras perspectivas de resolución del problema de corte y empaquetado 2D. 1717 CAPÍTULO I CONCEPTOS Y NOTACIONES PRELIMINARES En el presente capítulo definimos la estructura del problema de corte, la estructura del problema de empaquetado, la dualidad existente entre ambos problemas, definimos el problema de corte de una dimensión, el problema de corte de dos dimensiones, los problemas de la programación matemática combinatoria relacionados al problema de corte y la clasificación de este problema. 1.1 Estructura de un Problema de Corte La estructura general de un problema de corte, Dyckoff [19] puede ser declarada como sigue: a) Existen dos grupos de datos básicos cuyos elementos definen cuerpos geométricos de formas definidas en una o más dimensiones: - Un conjunto de órdenes solicitando la producción de ciertas piezas (ítems), en general de diferentes tamaños, formas (figuras) y en determinadas cantidades, y - Un stock de grandes objetos (bloques) de material (barras, varillas, láminas, planchas) de tamaños fijos o estándar que tienen que ser cortados según las órdenes de las piezas a fin de satisfacer las demandas de producción. b) Un proceso de corte que determina patrones (esquemas) como resultado de combinaciones geométricas de las piezas en los objetos, siguiendo: - Algunas especificaciones del material y de la tecnología del corte, restringido al número de procesos de cortes factibles, y - Ciertos objetivos a alcanzarse. Se obtienen pérdidas residuales cuando no es posible colocar ninguna pieza a cortarse en el objeto grande el cual aún tiene material sobrante. Como ejemplo de la estructura de un problema de corte se ilustra un problema de corte de tubos para radiadores descrito en Dyckhoff H. [19], problema de corte en una dimensión, el cual considera: 1818 a) Un stock ilimitado de tubos de 98 de longitud utilizados para producir tubos pequeños y una orden de pedido de tubos pequeños de longitudes entre 5 y 46 que deben ser producidos según la demanda. El stock de tubos grandes y la relación de los pequeños tubos, constituyen el dato básico del problema de corte. b) Las órdenes de producción de los pequeños tubos son combinaciones de estas, de forma que constituyen patrones (esquemas) de corte que se asignan a los grandes tubos. El proceso de construir un patrón obedece a ciertos objetivos y restricciones, siendo específico para el problema. En este caso el objetivo es minimizar la pérdida residual total. Stock de tubos de 98 de longitud Ordenes de tubos entre 5 y 46 de longitud Posibles patrones de corte residuo Fig. 1.1 Estructura general del problema de corte 1D residuo 1919 La misma estructura se mantiene para problemas de dos dimensiones, tres y N-dimensiones. Un ejemplo del problema de corte de dos dimensiones se consigue al tratar de cortar planchas de metal, vidrio, madera, cartón, etc. En este caso: a) Existe un stock ilimitado de planchas de tamaño L x A, y una orden de pedido de m pequeñas piezas de dimensiones 1 xa1, l2xa2 l m xam tal que li L ai A l,...,, para todo i= 1,2,...,m que deberá ser satisfecha por el corte adecuado de las planchas. b) El proceso de construcción de los patrones de corte (órdenes para la producción de las piezas) obedece a objetivos y restricciones, que en este caso consisten en utilizar la menor cantidad de planchas y satisfacer las órdenes de las piezas. Stock de planchas A L Órdenes de pedido a 1 a 2 a m l 1 l 2... l m Patrones de corte Perdidas residuales Fig. 1.2 Estructura general del problema de corte 2D. 2020 Los patrones de corte mostrados no son los únicos, las formas sombreadas muestran las pérdidas residuales. 1.2 Estructura de un Problema de Empaquetado La estructura general de un problema de empaquetado, en forma análoga al problema de corte se puede declarar como sigue: a) Existe dos grupos de datos básicos cuyos elementos definen cuerpos geométricos de formas fijas en una o mas dimensiones: - Un conjunto de órdenes solicitando el empaquetado de ciertas piezas (ítems, cajas), en general de diferentes tamaños y en determinadas cantidades. - Un stock de grandes objetos (cajas, container) de tamaños fijos o estándar que tienen que ser utilizados para empaquetar las piezas para satisfacer las demandas de empaque. b) Un proceso de empaque que determina patrones como resultado de combinar las piezas en los grandes objetos, siguiendo: - Algunas especificaciones del material y de la forma del encaje. - Ciertos objetivos. Los espacios residuales se obtienen cuando no es posible colocar ninguna pieza a empacar en el objeto grande en el cual aún se dispone de espacio. Un ejemplo, se presenta en el problema de carga en un contenedor. En este problema de empaquetado en tres dimensiones se tiene: a) Los dos grupos básicos de datos. Por un lado uno o más contenedores (grandes objetos) de dimensiones L x A x H, y por otro lado una lista de m piezas de dimensiones 1 xa1xh1, l2xa2xh2 lmxamxhm talque li L ai A, hi H l,...,, para todo i= 1,2,...,m que deben de ser embalados en los contenedores. b) Aparte de considerar los objetivos individuales y restricciones, el problema se interesa por la combinación geométrica de las piezas a embalarse que constituyen un patrón o esquema que debe ser asignado al contenedor (o contenedores). 2121 Stock de contenedores A H L Lista de piezas con largo, ancho y altura dados a 1 a 2 h 1 h 2... l 1 l 2 a m h m l m Un esquema de empaquetar las cajas en el contenedor Fig. 1.3 Estructura general del problema de empaquetado 3D Observe que tanto en el problema de corte como en el problema de empaquetado la estructura general es idéntica. El problema de empaquetado también puede ser colocado en una, dos o mas dimensiones. 2222 1.3 Dualidad del Problema de Corte y el Problema de Empaquetado En las gráficas mostradas anteriormente se observa una similitud entre el problema de corte y el problema de empaquetado, referente a la estructura de los datos básicos, y en consecuencia la presencia de una fuerte relación entre ellos. En el problema de corte los objetos son materiales sólidos que deben cortarse en pequeñas piezas o ítems demandados. Ejemplos de ello son papel, metal, vidrio, madera, plásticos, cuero y tejidos o telas. El objetivo principal es la optimización de la pérdida residual (merma), así hablamos del problema de optimización del desperdicio. En los problemas de empaquetado y carga, los objetos son los espacios vacíos de vehículos de carga, camiones, contenedores, pallets, cajas u otros; que tienen que ser llenados (cargados) con pequeños objetos o piezas. Uno de los objetivos es la minimización de los espacios no utilizados. El problema de empaquetado puede ser visto como un problema de corte en el cual se trata de cortar los espacios vacíos de los objetos grandes en partes de espacios vacíos pequeños, algunos de los cuales deben ser ocupados con las piezas; los espacios sobrantes son considerados como pérdida residual. Similarmente, el problema de corte puede ser visto como problema de empaquetado en el cual se trata de empaquetar los espacios que ocupan las piezas dentro de los espacios que ocupan los grandes objetos. En otras palabras la fuerte relación que existe entre los problemas de corte y empaquetado resulta de la dualidad de material y espacio, esto es la dualidad de un material sólido y el espacio ocupado por este, Golden, [40]. Como consecuencia de esta relación: 1) Se denomina indistintamente problema de corte (cutting stock problem) o problema de empaquetado (packing problem); o más general problema de corte y empaquetado (C&E, cutting and packing problem) y 2) Los métodos de resolución, son aplicables a ambos problemas. 2323 1.4 Definición del Problema de Corte de una Dimensión Se conceptualiza a partir del siguiente enunciado, se tiene un stock de barras de tamaño L (objetos grandes) que deben ser cortadas en piezas de tamaño l i (pequeños ítems) para atender la demanda N i, i = 1,..., m de las piezas l i. Las demandas son atendidas decidiendo sobre los distintos patrones (modelos de cortes) de la barra de tamaño L. El objetivo es minimizar el número de los grandes objetos utilizados. Patrón de corte 1 Patrón de corte 2 l 1 l 1 l 2 l 3 l2 l 1 Fig. 1.4 Patrones de corte en una dimensión El j-ésimo patrón (modelo de corte) es una manera de dividir la barra de tamaño L en piezas de tamaño l i y x j es el número de veces que se utiliza el j-ésimo patrón de corte. En la formulación del problema de corte de una dimensión como un programa lineal no entero, Gilmore y Gomory [32], la matriz A del problema lineal tiene m filas y un gran número de columnas, uno por cada posible patrón de corte. Así, cada vector a,a,...,a ) ( 1 2 m de enteros no negativos satisfaciendo matriz. Así, tenemos (PC1D): Min s. a j j x j x a j ij x j 0 N, i i = 1,..., m l1 a1 + l2a l a L es una columna de la m m y en la forma matricial : 2424 Min s. a 1.x Ax N x 0 donde: x = ( x1, x2,..., x j,...) es un vector columna de las variables x j, una para cada columna de la matriz A, donde x j es el número de veces que el patrón j se utiliza. 1 = (1,...,1) es un vector fila de elementos todos iguales a uno. N = N,..., N ) es un vector columna de las demandas N i. ( 1 m A = Matriz de m filas, cuyas columnas de estructura a,a,...,a ) son los posibles patrones de corte ( 1 2 m a i = es el número de veces que la pieza l i (i = 1,...,m) aparece en el patrón de corte. Ejemplo, sí el número de piezas diferentes demandadas fueran 5 (m = 5), entonces el vector columna asociado al patrón de corte 1 de la figura 1.4 es ( ), esto es, el patrón 1 presenta dos piezas de longitud l 1 y una pieza de longitud l 2 ; y x 1 = 1, 2, es el número de veces que el patrón 1 se repite. Si las restricciones son de igualdad, el problema de corte es menos general pues no permite una sobreproducción de las demandas, pero permite una solución de menor costo (más barata) Gilmore y Gomory [32]. Considerando x j y N i enteros, tenemos un problema de programación entera. En la práctica se resuelve el problema de programación lineal (PPL) asociado y redondeando la solución de este, podemos tener una solución satisfactoria para el problema de programación entera (PPE). 2525 1.5 Definición del Problema de Corte de dos Dimensiones Se enuncia como: Un stock de láminas de dimensiones L x A, deben ser cortadas en piezas de tamaño l x a i i proporcionando N i piezas. Las N i piezas es la demanda que debe ser atendida por un número cualquiera de láminas. El corte se ejecuta del siguiente modo: Se selecciona un cierto número de patrones de corte rectangular, donde cada patrón (modelo) es definido como la manera de ajustar rectángulos menores l x a i i dentro del rectángulo mayor L x A. El j-ésimo patrón de corte describe cómo una lámina deberá ser cortada para producir láminas menores de acuerdo a la demanda, y donde x es la cantidad de veces que el j-ésimo patrón de corte se utiliza. j El objetivo del problema es atender las demandas usando el menor número de láminas Patrón de corte 1 Patrón de corte 2 Fig. 1.5 Patrones de corte en dos dimensiones El problema general de corte en dos dimensiones es formulado en forma semejante al de cortes en 1 dimensión (PC2D) donde: Min s. a 1. x Ax N x 0 26 Mostrar más
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