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corte de guillotina

Un corte de guillotina: una hoja optimizada de rectángulos más pequeños que se pueden dividir intactos mediante la serie correcta de cortes bisecantes de un extremo a otro.
Un corte sin guillotina: estos rectángulos no se pueden separar haciendo cortes bisectores únicos a lo largo del plano.

El corte con guillotina es el proceso de producir pequeños artículos rectangulares de dimensiones fijas a partir de una hoja rectangular grande determinada, utilizando únicamente cortes de guillotina. Un corte de guillotina (también llamado corte de borde a borde ) es una línea bisectriz recta que va desde un borde de un rectángulo existente hasta el borde opuesto, de manera similar a una guillotina de papel .

El corte con guillotina es particularmente común en la industria del vidrio . Las láminas de vidrio se marcan a lo largo de líneas horizontales y verticales y luego se rompen a lo largo de estas líneas para obtener paneles más pequeños. [1] También es útil para cortar placas de acero , cortar láminas de madera para fabricar muebles y cortar cartón en cajas. [2]

Existen diversos problemas de optimización relacionados con el corte con guillotina, tales como: maximizar el área total de las piezas producidas, o su valor total; Minimice la cantidad de desperdicios (partes no utilizadas) de la hoja grande o el número total de hojas. Se han estudiado en geometría combinatoria , investigación de operaciones e ingeniería industrial . [3]

Un problema relacionado pero diferente es la partición en guillotina . En ese problema, las dimensiones de los rectángulos pequeños no están fijadas de antemano. El desafío surge del hecho de que la hoja original puede no ser rectangular, sino que puede ser cualquier polígono rectilíneo. En particular, podría contener agujeros (que representan defectos en la materia prima). El objetivo de optimización suele ser minimizar el número de rectángulos pequeños o minimizar la longitud total de los cortes.

Terminología y supuestos

Los siguientes términos y notaciones se utilizan a menudo en la literatura sobre corte con guillotina.

Algunos problemas aceptan entradas adicionales, como se explica a continuación. El objetivo es cortar, del rectángulo en bruto, algunos rectángulos más pequeños que tengan las dimensiones deseadas. A menudo se hacen las siguientes suposiciones: [2]

Comprobando un patrón dado

En el problema de verificación de patrón , hay un patrón de corte dado como una secuencia de puntos ( xi , yi ) , para i en 1,..., m , donde ( xi , yi ) es la parte inferior izquierda . coordenada del rectángulo i (hay un solo rectángulo de cada dimensión objetivo). El objetivo es decidir si este patrón se puede implementar utilizando únicamente cortes de guillotina y, de ser así, encontrar una secuencia de dichos cortes.

Una condición necesaria obvia es que no se superpongan dos rectángulos de entrada en ambas dimensiones. Ben Messaoud, Chengbin y Espinouse [5] presentan una condición más fuerte, que es a la vez necesaria y suficiente. Los rectángulos de entrada están ordenados de izquierda a derecha, de modo que x 1 ≤ ... ≤ x m . Existe una permutación p en los índices tal que, con esta permutación, los rectángulos quedarían ordenados de abajo hacia arriba, es decir, y p (1) ≤ ... ≤ y p ( m ) . Dados cuatro índices i 1i 2 y j 1j 2 , el conjunto E( i 1 , i 2 , j 1 , j 2 ) contiene los índices de todos los rectángulos cuya esquina inferior izquierda está en el rectángulo [ x i 1 , x i 2 ] X [ y p ( j 1 ) , y p ( j 2 ) ]. Un patrón de corte es un patrón de guillotina si y sólo si, para todos los cuatrillizos de índices i 1i 2 y j 1j 2 , se cumple al menos una de las siguientes condiciones para E( i 1 , i 2 , j 1 , j2 ) :

  1. E( i 1 , i 2 , j 1 , j 2 ) contiene como máximo un elemento;
  2. La unión de los segmentos horizontales ( x i , x i + w i ), sobre todo i en E( i 1 , i 2 , j 1 , j 2 ), se compone de al menos dos intervalos disjuntos;
  3. La unión de los segmentos verticales ( y i , y i + h i ), sobre todo i en E( i 1 , i 2 , j 1 , j 2 ), se compone de al menos dos intervalos disjuntos.

La condición 2 implica que los rectángulos en E ( i 1 , i 2 , j 1 , j 2 ) pueden separarse mediante un corte vertical (que va entre los dos intervalos horizontales disjuntos); La condición 3 implica que los rectángulos en E ( i 1 , i 2 , j 1 , j 2 ) pueden separarse mediante un corte horizontal. Todas las condiciones juntas implican que, si cualquier conjunto de rectángulos adyacentes contiene más de un elemento, entonces pueden separarse mediante algún corte de guillotina.

Esta condición se puede verificar mediante el siguiente algoritmo.

Encontrar un corte de guillotina para un patrón determinado se realiza de la siguiente manera:

El paso de pedido se realiza una vez y el paso de fusión se realiza m -1 veces. Por lo tanto, el tiempo de ejecución de todo el algoritmo es O ( m 2 ).

Cuando el algoritmo devuelve "sí", también produce una secuencia de cortes de guillotina; cuando devuelve "no", también produce subconjuntos específicos de rectángulos que no pueden separarse mediante cortes de guillotina.

La condición necesaria y suficiente se puede utilizar para presentar el problema de corte de tiras con guillotina como un programa lineal entero mixto . [5] : sección 5  Su modelo tiene 3 n 4 /4 variables binarias y 2 n 4 restricciones, y no se considera útil en la práctica.

Encontrar un patrón de corte óptimo

Estas son variantes de los problemas de material de corte bidimensional , embalaje en contenedor y embalaje rectangular , donde los cortes están obligados a ser cortes de guillotina. [6]

Algoritmos de optimización

El caso especial en el que sólo hay un tipo (es decir, todos los rectángulos objetivo son idénticos y tienen la misma orientación) se denomina problema de carga de paletas con guillotina . Tarnowski, Terno y Scheithauer [10] presentan un algoritmo de tiempo polinomial para resolverlo.

Sin embargo, cuando hay dos o más tipos, todos los problemas de optimización relacionados con el corte con guillotina son NP difíciles . Debido a su importancia práctica, se han ideado varios algoritmos exactos y de aproximación .

Implementaciones

Separación de guillotina

La separación de guillotina es un problema relacionado en el que la entrada es una colección de n objetos convexos separados por pares en el plano, y el objetivo es separarlos mediante una secuencia de cortes de guillotina. Obviamente, puede que no sea posible separarlos a todos. Jorge Urrutia Galicia preguntó [18] si es posible separar una fracción constante de ellos, es decir, si existe una constante c tal que, en cualquier colección de tamaño n, exista un subconjunto de tamaño cn que sean guillotina- separable.

Pach y Tardos [19] demostraron:

Abed, Chalermsook, Correa, Karrenbauer, Pérez-Lantero, Soto y Wiese [20] demostraron:

Khan y Pittu [21] demostraron:

Ver también:

Más variantes

Algunas variantes del problema estudiadas recientemente incluyen:

Referencias

  1. ^ Tlilane, Lydia; Viaud, Quentin (18 de mayo de 2018). «Desafío ROADEF/EURO 2018 Descripción del problema de optimización de corte» (PDF) . Desafío ROADEF/EURO . ROADEF . Consultado el 13 de junio de 2019 .
  2. ^ abcd Beasley, JE (1 de abril de 1985). "Algoritmos para corte de guillotina bidimensional sin restricciones". Revista de la Sociedad de Investigación Operativa . 36 (4): 297–306. doi :10.1057/jors.1985.51. ISSN  0160-5682. S2CID  58059319.
  3. ^ Gerhard Wäscher, Heike Haußner, Holger Schumann, Una tipología mejorada de problemas de corte y embalaje, European Journal of Operational Research 183 (2007) 1109–1130, [1]
  4. ^ abc Clautiaux, François; Jouglet, Antoine; Moukrim, Aziz (17 de octubre de 2011). "Un nuevo modelo teórico de grafos para el problema del corte de guillotina". Revista INFORMA de Informática . 25 (1): 72–86. doi :10.1287/ijoc.1110.0478. ISSN  1091-9856.
  5. ^ a b C Ben Messaoud, dijo; Chu, Chengbin; Espinouse, Marie-Laure (16 de noviembre de 2008). "Caracterización y modelado de restricciones de guillotina". Revista europea de investigación operativa . 191 (1): 112-126. doi :10.1016/j.ejor.2007.08.029. ISSN  0377-2217.
  6. ^ ab M. Hifi, R. M'Hallah y T. Saadi, Algoritmos aproximados y exactos para el problema del material de corte de guillotina bidimensional con doble restricción. Optimización y aplicaciones computacionales, volumen 42, número 2 (2009), 303-326, doi :10.1007/s10589-007-9081-5
  7. ^ Carlier, Jacques; Clautiaux, François; Moukrim, Aziz (1 de agosto de 2007). "Nuevos procedimientos de reducción y límites inferiores para el problema del embalaje de contenedores bidimensionales con orientación fija". Investigación de operaciones y computadoras . 34 (8): 2223–2250. doi :10.1016/j.cor.2005.08.012. ISSN  0305-0548.
  8. ^ ab Russo, Mauro; Boccia, Mauricio; Sforza, Antonio; Sterle, Claudio (2020). "Problema de corte de guillotina bidimensional restringido: revisión y categorización del límite superior". Transacciones Internacionales en Investigación Operativa . 27 (2): 794–834. doi :10.1111/itor.12687. ISSN  1475-3995. S2CID  195551953.
  9. ^ Scheithauer, Guntram (1993). "Cálculo de patrones de corte de guillotina φ-simples óptimos" (PDF) . Revista de Procesamiento de Información y Cibernética . 29 (2): 115-128.
  10. ^ Tarnowski, AG; Terno, J.; Scheithauer, G. (1 de noviembre de 1994). "Un algoritmo de tiempo polinomial para el problema de carga de paletas de guillotina". INFOR: Sistemas de Información e Investigación Operativa . 32 (4): 275–287. doi :10.1080/03155986.1994.11732257. ISSN  0315-5986.
  11. ^ Gilmore, ordenador personal; Gomory, RE (1 de febrero de 1965). "Problemas de corte de stock en varias etapas de dos o más dimensiones". La investigación de operaciones . 13 (1): 94-120. doi :10.1287/opre.13.1.94. ISSN  0030-364X.
  12. ^ Gilmore, ordenador personal; Gomory, RE (1 de diciembre de 1966). "La teoría y computación de las funciones de mochila". La investigación de operaciones . 14 (6): 1045-1074. doi :10.1287/opre.14.6.1045. ISSN  0030-364X.
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  18. ^ Problema presentado en ACCOTA '96, Aspectos combinatorios y computacionales de la topología y álgebra de optimización, Taxco, México 1996
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