МЕТОД ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ПОТРЕБЛЕНИЯ РАСХОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ И СТОИМОСТИ ВЫПОЛНЕНИЯ ЗАДАНИЯ НА ПЕЧАТЬ
METHOD TO FORECAST CONSUMPTION OF EXPENDABLE MATERIALS AND COST OF PRINT JOB COMPLETION

Изобретение относится к области печатной техники, а более конкретно к способам прогнозирования потребления расходных материалов и стоимости выполнения задания на печать для цифровых типографских систем.
В настоящее время в индустрии типографского дела идет широкое внедрение цифровых типографских систем, составляющих серьезную конкуренцию обычным методам офсетной печати. Основным преимуществом цифровых систем является оперативность в выполнении заказов и возможность контролирования процесса на любых стадиях печати. Одним из наиболее важных параметров любой печатной системы является контроль потребления расходных материалов (чернил или тонера), поскольку эта возможность позволяет оценить реальную себестоимость печати для конкретного тиража и эффективность текущего режима печати.
Большинство существующих методов для программной оценки расходования чернил или тонера в печатающих устройствах используют установки, предопределенные производителем. Но такой подход обладает существенным недостатком, поскольку не принимает во внимание возможные отклонения параметров потребления расходных материалов от стандартизированных. Такие отклонения могут быть обусловлены большим количеством внешних факторов: влажность воздуха, температура внешней среды, вязкость чернил, интенсивность эксплуатации и т.д. Другая группа алгоритмов для учета изменяемых параметров печати и уточнения расчетов использует сложное моделирование внешних условий, имеющих влияние на темпы расходования чернил или тонера. Такие подходы сопряжены с глубокими экспериментальными исследованиями и комплексным практическим тестированием.
Отметим несколько значимых изобретений, посвященных определению затрат на печать.
Патент США №7,085,503 [1] описывает методику вычисления среднего расхода тонера на печатаемую страницу и стоимости печати, зависящую от используемого оборудования. В предлагаемой системе удаленный принтер, соединенный с управляющим сервером локальной сетью, определяет количество оставшегося тонера, полное количество напечатанных страниц и количество активации принтера. Определенные данные вместе с информацией о текущем состоянии принтера отправляются на управляющий сервер. Сервер регистрирует полученную информацию от периферийного принтера в регистрационной таблице и вычисляет среднее количество расходных материалов. Расчет опирается на значение полного количества потребления тонера, при этом учитывается количество напечатанных листов и количество активации принтера в пределах определенного периода времени. Объем тонера, затраченного на активации принтера, вычисляется как результат произведения количества активации на коэффициент, определяющий потребление принтером тонера в момент включения. Полученный результат складывается с полным количеством потребления тонера и делится на общее количество листов. Вычисленное таким образом среднее количество расходования тонера на лист далее используется в определении стоимости печати.
В патенте США №7,103,581 [2] рассматривается метод для оценки количества чернил, требуемых для выполнения конкретного задания на печать. Для оценивания количества чернил, затрачиваемых на один пиксель, разработан тестовый документ. Тестовый документ печатается на текущем принтере до тех пор, пока не расходуются полностью чернила в картридже. Такая процедура выполняется один раз и позволяет для каждого принтера ассоциировать требуемое количество чернил на печать одного пикселя с картриджем конкретного производителя. В изобретении заявляется, что подобное измерение оценивания может быть далее использовано для различных применений, в том числе и для прогнозирования стоимости текущего задания на печать.
Патентная заявка США №2002/0152183 [3] описывает метод определения стоимости задания на печать и метод, обеспечивающий соответствие с моделью установления цены. Система оперирует набором спецификаций для текущего задания на печать и соответствующей информацией о стоимости печати, предоставленными каждым из принтеров. На их основе вычисляются цена выполнения задания на печать для каждого из располагаемых принтеров. Заказчик печати информируется о полученных результатах и в соответствии с предлагаемой схемой в интерактивном режиме выбирает принтер, наиболее удовлетворяющий по стоимости и качеству исполнения задания на печать. Работа посвящена, в первую очередь, способам взаимодействия заказчика и печатающей системы, в ней не рассматриваются технические аспекты определения количества расходных материалов и стоимости печати для каждого из принтеров.
Патентная заявка США №2003/0043401 [4] описывает одно из направлений для использования метода оценивания расхода чернил - расчет стоимости печати. В заявке описывается система периферийных принтеров, соединенных с сервером. Считается, что каждый принтер снабжен системой мониторинга расходования чернил и необходимой информацией для их прогнозирования. Сервер выполняет оценивание необходимого расхода чернил для периферийного принтера и расчет стоимости печати для выполнения текущего задания на печать прежде, чем оно будет выполнено.
Патентная заявка США №2003/0084006 [5] описывает метод для прогнозирования почтовых расходов и стоимости расходных материалов. Подразумевается, что задание на печать включает в себя набор предопределенных атрибутов, которые могут использоваться для прогнозирования веса и габаритов готового задания на печать. Для определения стоимости доставки предлагается использовать шкалу тарифных ставок выбранного транспортного агентства. Также на основании указанных атрибутов прогнозируется стоимость расходных материалов, необходимых для выполнения текущего задания на печать. Стоимость расходных материалов в комбинации со стоимостью почтовой пересылки определяют полные затраты на изготовление готового тиража.
Для печатающих систем также широко используются методы аппаратного мониторинга потребления расходных материалов. Отметим, наиболее значимые среди них.
В патенте США №7,137,679 [6] раскрывается метод, предназначенный для определения расхода чернил в картридже струйного принтера с помощью пьезоэлектрического устройства, установленного непосредственно в картридже. Метод позволяет определять расход чернил только в момент времени, когда печатающая головка находится в неработающем состоянии.
В патенте США №6,827,412 [7] рассматривается метод струйной печати, который включает в себя этап определения расхода чернил. Расход чернил вычисляется на основе регистрации количества эжекций чернил из печатающей головки на бумагу. Предполагается, что одной эжекций чернил ассоциировано определенное количество капель одинакового объема. На основании известного количества эжекций рассчитывается общее количество капель чернил, затраченных на печать и, соответственно, полный расход чернил. Метод предусматривает этап контроля для проверки изменения объема капель чернил в течение печати.
Патентная заявка США №2007/0058998 [8] описывает печатающее устройство, снабженное оптическим сенсором, сконфигурированным для измерения оптической плотности эталонного изображения на выходе принтера и датчиком измерения плотности тонера в картридже. По результатам наблюдения принимается решение о состоянии картриджа с тонером. Рассматривается два возможных состояния: картридж совсем пуст; или близок к этому. Контролирующие элементы позволяют непрерывно выполнять проверку состояния тонера.
В некоторых случаях, когда измерение уровня потребления расходных материалов ограничено их типом или аппаратными возможностями печатающей системы, могут быть применимы только программные методы. Программные алгоритмы оценивания потребления расходных материалов часто используются для проверки эффективности функционирования аппаратных средств.
В патенте США №7,206,526 [9] описывается печатающее устройство, предусматривающее метод для информирования пользователя о недостаточном уровне тонера в картридже. В рассматриваемом патенте предлагается учитывать только две критические точки уровня тонера в картридже - момент, когда тонер кончится полностью, и момент, когда тонер на исходе и требуется замена картриджа. Вычисления основываются на априорном знании количества тонера в новом установленном картридже, расчете потребления тонера во время использования картриджа и измерении времени работы принтера. В момент, когда уровень тонера приближается к критическому, пользователь информируется о том, что тонер на исходе.
В патенте США №7,162,167 [10] предлагается улучшенный метод контроля качества печатаемого изображения, определяемого стабильной плотностью тонера на листе. Неравномерность плотности тонера на листе ведет к ухудшению качества печати и необходимости регулировки процедуры печати. Описываемый подход опирается на прогнозирование расхода тонера на печать одной точки, расчет требуемого количества страниц и общего количества точек, формируемых принтером при печати. Предполагается, что для одной печатаемой точки расходуется определенное количество тонера и, таким образом, общий объем тонера, требуемого для печати, рассчитывается как произведение общего количества точек и объем расходных материалов, затрачиваемых на одну точку.
В патенте США №6,089,686 [11] рассматривается улучшенный метод для непрерывного снабжения жидкими чернилами печатающей головки струйного принтера. Оценка оставшихся чернил осуществляется алгоритмически, параллельно выполняется корректировка вычислений за счет использования сенсоров, установленных в резервуаре.
Таким образом, большинство существующих методов алгоритмической оценки потребления расходных материалов и прогнозирования стоимости печати не принимают во внимание изменчивость параметров каждого компонента в цепочке выполнения типографского заказа и, как следствие, дают недостоверные данные для прогнозирования загрузки и работоспособности типографской системы. При больших тиражах печати, характерных для цифровых типографских систем, абсолютные значения подобных ошибок становятся существенными. Среди известных аналогов не удалось найти решения, близкого к заявляемому, за исключением подхода к решению проблемы, описанному в заявке [5].
В настоящее время стоимость печати обычно варьируется только в ограниченных пределах, и зачастую для потребителя типографских услуг доступны только две ценовые категории: черно-белая и цветная печать. Схема установления цены может изменяться в зависимости от количества цветов, требуемых для печати документа. В частности, документ, для печати которого требуется три различных цвета, будет стоить дороже, чем документ, использующий лишь два цвета. Такие схемы расчета цены обычно не отражают в достаточной мере реальной стоимости печати конкретного документа. Например, документ, спроектированный преимущественно в черно-белых тонах с единственным цветным логотипом, может стоить заказчику также, как и документ, созданный с использованием полного набора цветов, даже если второй документ требует существенно больших затрат чернил, чем первый. Как результат, заказчик заплатит больше реальной стоимости печати, или наоборот, исполнитель печати получит меньше, чем требуется.
Это порождает две проблемы для печатного дела. Ценовой барьер для заказчиков, ограничивающий рынок только заказчиками, готовыми платить премиальную стоимость. Другая проблема связана с неспособностью исполнителя печатных работ контролировать рентабельность производства.
Знание о фактических затратах на эксплуатационные расходы для каждого режима печати позволяет сделать адекватный выбор наиболее оптимального в смысле отношения цена-качество способа печати.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в разработке способа достоверной оценки потребления расходных материалов и прогнозировании затрат на печать.
Технический результат достигается за счет того, что предложен новый способ, заключающийся в выполнении следующих этапов:
- Выбирают цифровой документ, предназначенный для печати;
- Трансформируют исходные данные выбранного документа в новое цветовое пространство, соответствующее текущей печатающей системе;
- Выполняют имитацию процедуры растрирования, соответствующей применяемому в печатающей системе алгоритму растрирования;
- Оценивают количество потребления расходных материалов на одну аппаратную точку;
- Вычисляют количество расходных материалов, необходимых для выполнения задания на печать;
- Вычисляют стоимость расходных материалов, необходимых для выполнения задания на печать;
- Запрашивают у пользователя подтверждение соответствия планируемых затрат ожидаемым;
- Настраивают параметры печати или дорабатывают исходный документ с помощью интерактивного мастера настроек для достижения наилучшего соотношения цена-качество;
- Добавляют задание на печать в очередь на выполнение печати;
- Обновляют необходимое количество расходных материалов и бумаги, требуемых для выполнения очереди на печать;
- Обновляют планирование работ по сервисному обслуживанию типографской системы;
- Обновляют среднее количество расходных материалов и бумаги, требуемых для печати в течение определенного периода времени;
- Выполняют запрос на пополнение запасов расходных материалов и бумаги, если их резервов недостаточно для выполнения бесперебойной работы в течение требуемого периода времени;
- Выполняют печать тиража;
- Измеряют фактическое потребление расходных материалов;
- Корректируют расчетное количество потребления расходных материалов на точку с помощью пропорционально-интегрального регулятора.
Наиболее существенные улучшения, которые обеспечиваются заявляемым изобретением, являются:
- оценка потребления расходных материалов печатающей системы (тонера или чернил) реализована посредством накопления предыдущих измерений их фактического расхода, учет которых позволяет избежать грубых ошибок измерений;
- для измерения фактического потребления расходных материалов достаточно знать момент, в который они закончились, и нет необходимости в обеспечении печатающего устройства дополнительным оборудованием, позволяющим определять текущий уровень расходных материалов в резервуаре;
- обеспечение печатающего устройства интерактивным мастером настроек для достижения наилучшего соотношения цена-качество;
- обеспечение возможности для краткосрочного прогнозирования затрат расходных материалов и бумаги в ходе выполнения очереди заданий на печать, гарантирующее бесперебойную работу печатающей системы;
- обеспечение возможности для планирования работ по своевременному сервисному обслуживанию печатающей системы.
При этом следует отметить такие положительные моменты, присущие заявляемому изобретению:
- использование метода нацелено на цифровые типографские системы, характеризуемые высокими требованиями к экономии печати, большой загруженностью работы и значительными объемами печатаемых тиражей. Это позволяет накапливать достаточную статистику о фактическом потреблении расходных материалов, что обеспечивает высокую точность прогнозирования предлагаемым алгоритмом;
- корректировка оценки потребления расходных материалов выполняется за счет использования Пропорционально-Интегрального (ПИ) регулятора в регулирующей цепи обратной связи;
- предлагаемый метод может использоваться в качестве целевой функции для минимизации расходов на печать, позволяющую обеспечить наилучшее соотношение цена-качество за счет доработки исходного документа или настройки параметров печати в соответствии с прогнозируемой стоимостью печати;
- возможность организации эффективного управления печатающей системой: планирование времени обслуживания и автоматическое выполнение заявок на пополнение необходимых расходных материалов, обеспечивающих бесперебойную работу печатающей системы.
Фиг.1. Структурная схема печатающей системы, использующей метод прогнозирования потребления расходных материалов и стоимости выполнения задания на печать.
Фиг.2. Структурная схема ПИ-регулятора.
Авторы ставили перед собой задачу по разработке инструмента для точной оценки потребления расходных материалов и прогнозирования стоимости печати в цифровой печатающей системе. Изобретение предлагает компромиссное решение для точного прогнозирования расхода чернил или тонера без привлечения значительных вычислительных ресурсов и сложных экспериментальных исследований.
Фиг.1 иллюстрирует структурную схему алгоритма оценки потребления расходных материалов для печатающей системы. Для повышения точности оценивания и уменьшения ошибки измерения в структурной схеме реализована регулирующая обратная связь, позволяющая осуществлять коррекцию формулы прогнозирования за счет периодических измерений фактического потребления расходных материалов. Цифровой документ 101, предполагаемый для печати с помощью цифровой печатающей системы, подвергается трансформации (преобразованию) текущего цветового пространства в цветовое пространство, используемое для печати (шаг 102). Обычно, это переход из RGB-пространства в CMY или CMYK цветовые координаты, используемые для цветной печати. Далее, для полученных цветовых компонент выполняется моделирование (имитация) растрирования в соответствии с алгоритмом растрирования, применяемым в печатающей системе (шаг 103). Целью моделирования процедуры растрирования является получение общего количества аппаратных точек для каждой из цветовых компонент в соответствии с используемым цветовым пространством. Под одной аппаратной точкой подразумевается минимальная единица разрешения, чье множество при печати образует растровую точку. Этот шаг выполняется для всего документа, направляемого на печать.
c
m
y
Например, реализация шага 103 позволяет вычислить значения: N, N, N и N, определяющие количество точек для каждой из цветовых компонент CMYK. Для черно-белой печати учитывается только количество черных точек N. Вычисленное для каждой из цветовых компонент количество аппаратных точек, требуемых на выполнение задания на печать, сохраняется в базе данных.
*
Для оценивания затрат расходных материалов на печать рассчитывается количество тонера или чернил, требуемых для печати одной точки (шаг 104). Такой расчет базируется на спецификациях печатающей системы, представленных производителем и определяющих расчетное потребление расходных материалов на одну точку. В соответствии с цветовым пространством CMYK обозначим такие параметры, как  (Cyan),  (Magenta),  (Yellow) и у (Black).
Обычно, фактическое потребление расходных материалов может несколько отличаться от значений, установленных производителем печатающей системы. Такое отличие является результатом внешних условий, влияющих на печать. К таким основным факторам можно отнести аккуратность обслуживания техники, влажность воздуха, температура, вязкость чернил и т.д. Поэтому вместо спецификаций производителя необходимо оперировать оценками (прогнозированием) фактического потребления расходных материалов:  (Cyan),  (Magenta),  (Yellow) and  (Black). Предлагаемый способ прогнозирования (шаг 104) основывается на значениях предыдущих оценок и эпизодических измерениях реального потребления расходных материалов (см. шаг 114).
Например, в соответствии с вышесказанным для черного цвета оценка может быть определена следующим образом:
,
где i - номер измерения фактического потребления расходных материалов (шаг 114); γ(i) - корректирующее отклонение.
На шаге 105 производят расчет общего количества расходных материалов, необходимых для выполнения всего задания на печать. Это значение является основным показателем рентабельности печати, и его произведение на стоимость расходных материалов служит оценкой полной стоимости выполнения задания на печать (шаг 106).
В случае, если прогнозируемые затраты на выполнение тиража не устраивают заказчика печати, тогда более предпочтительная стоимость может быть достигнута за счет доработки исходного документа или подбора настроек параметров печати (шаг 107). Такая возможность может осуществляться за счет использования мастера настроек, предлагающего заказчику набор наиболее эффективных способов снижения стоимости печати в интерактивном режиме.
Затем в автоматическом режиме выполняется добавление задания на печать в очередь заданий (шаг 108) и выполняется пересчет ресурсов, требуемых для его успешного завершения (шаг 109). Обновленное количество бумаги и расходных материалов, необходимых для печати, используется затем для перепланировки времени обслуживания печатающей системы (шаг 110). План обслуживания определяет моменты времени для сервисной поддержки работы печатающей системы, например замена резервуаров с чернилами или тонером, пополнение бумаги, сбор напечатанных материалов. На шаге 111 рассчитывается среднее количество расходных материалов и бумаги, требуемых для бесперебойной работы системы в течении определенного периода времени. Если запасов расходных материалов недостаточно, выполняется запрос на их приобретение (шаг 112).
После печати тиража (шаг 113) проводится измерение фактического потребления расходных материалов (шаг 114). Измерение может быть выполнено любыми доступными методами. Некоторые печатающие системы или характеристики расходных материалов не позволяют проводить измерения реального расхода красящих веществ с помощью аппаратных средств. В этом случае достаточно вычислить общее количество точек, напечатанных в период между сменами опустевших резервуаров. Отношение объема расходных материалов в полном резервуаре к общему количеству напечатанных точек за период его эксплуатации будет определять среднее значение фактического потребления красящих веществ на одну точку. Несмотря на то что корректировка таким способом для обычных принтеров является относительно редким событием, для типографских систем с большими объемами потребления расходных материалов этого должно быть достаточно.
Измеренное значение используется для коррекции оценки потребления расходных материалов для следующего задания на печать . Коррекция осуществляется на основе использования ПИ-регулятора и цепи обратной связи (шаг 115).
с
m
у
Определим фактическое потребление расходных материалов для рассматриваемых цветовых пространств как у (Cyan), у (Magenta), у (Yellow) and у (Black). Абсолютная ошибка оценивания определяется как модуль разницы между фактическим расходом и прогнозируемым:
.
Значение ε(i) является индикатором точности прогнозирования потребления расходных материалов и используется для контроля процедуры оценивания.
i
Очевидно, минимальная ошибка оценивания обеспечивает лучшее качество прогнозирования. Поэтому для ее минимизации используется цепь обратной связи с пропорционально-интегральным регулятором (шаг 115), детали которого схематически представлены на Фиг.2. Регулятор включает в себя два звена, соединенные параллельно: пропорциональное звено 201 с пропорциональным коэффициентом усиления К и интегральное звено 202. Интегральное звено 202 используется для предотвращения появления статической ошибки и может быть усовершенствовано за счет добавления ограничителя, корректирующего возможные скачкообразные изменения ошибки ε(i). Интегральное звено управляется следующими параметрами: постоянная времени интегрирования T и интервал наблюдения T. В соответствии со схемой регулятора (Фиг.2) прогнозирование потребления расходных материалов на одну аппаратную точку до следующей коррекции определяется выражением
i
Параметры регулятора должны быть настроены на основе практических исследований. Время наблюдения T предназначено для усреднения предыдущих измерений, позволяющих избежать аномальных ошибок. Например, T может равняться количеству измерений за прошедшие десять рабочих дней. В простейшем случае, для обеспечения равных весов обоих слагаемых константы должны быть равны K=0.5 и T=1.
Применение данного изобретения не ограничено только растровыми печатающими системами. Для безрастровой печати предложенный метод может быть применен путем модификации блока расчета количества точек (см. шаг 103).
Описанный выше метод прогнозирования потребления расходных материалов и стоимости выполнения задания на печать может быть применен в цифровых типографских системах на предварительном этапе подготовки к печати. Предложенный подход позволяет исполнителю печатных работ контролировать рентабельность печати и добиться лучшего соотношения цена-качество.
Данное изобретение может быть использовано для расчета затрат на печать тиража в автономном режиме, без подключения к печатающей системе. Такой подход позволяет пользователю определить оценку реального объема затрат на печать конкретного документа на стадии проектирования и дизайна. В таком случае пользователю необходимо только располагать спецификациями печатающей системы и скорректированным значением количества расходных материалов на точку. Подобные данные могут быть получены, например, через Интернет-соединение.
Предложенные методы оценки потребления расходных материалов, прогнозирования стоимости печати и управления обслуживанием типографской системы могут быть реализованы в качестве опционального программного обеспечения для цифровой печатающей системы или автономного компьютерного приложения. Внедрение предлагаемого решения не требует дорогостоящих аппаратных доработок или изменений.