Container Loading Problems: A State-of-the-Art Review

Container loading is a pivotal function for operating supply chains efficiently. Underperformance results in unnecessary costs (e.g. cost of additional containers to be shipped) and in an unsatisfactory customer service (e.g. violation of deadlines agreed to or set by clients). Thus, it is not surprising that container loading problems have been dealt with frequently in the operations research literature. It has been claimed though that the proposed approaches are of limited practical value since they do not pay enough attention to constraints encountered in practice.In this paper, a review of the state-of-the-art in the field of container loading will be given. We will identify factors which - from a practical point of view - need to be considered when dealing with container loading problems and we will analyze whether and how these factors are represented in methods for the solution of such problems. Modeling approaches, as well as exact and heuristic algorithms will be reviewed. This will allow for assessing the practical relevance of the research which has been carried out in the field. We will also mention several issues which have not been dealt with satisfactorily so far and give an outlook on future research opportunities

A heuristic algorithm for determining the part set in a powder-bed additive manufacturing machine.

The goal of this research is to develop a procedure for the placement of a priority part into a planned build in a powder-bed additive manufacturing machine. Toward that goal, a heuristic procedure was developed that seeks to maximize the revenue in a scheduled build, subject to due-date constraints; i.e., all parts with the closest due date will not only be included in the build, but will be placed near the bottom of the build. Likewise, any part in the scheduled build that does not have an immediate due date is a candidate for removal in order to accommodate a higher priority part, the order for which arrives after the build is underway. The build volume for this experiment with the SLS2500+ machine is 13-inch x 15-inch x 18-inch rectilinear container. To achieve this optimization of the build, the experiment for this research involved a penalty which is based on failure to meet the due date constraint. The m parts in the build are placed such that are placed the highest priority parts, including those with immediate due date constraints, are positioned near the bottom of the build volume. The focus of this study is to determine which “unbuilt” parts x(i) will be removed to make room for higher priority parts. Toward that end, each part is assigned a priority p(i), i = 1, …,m until the build is full. If an order for a part having a higher priority p(i)than any of the parts in the build, the procedure developed here seeks to replace at least one of the parts in the scheduled build. Hence, the dimensions of the lower priority parts are key, since the part that is removed must provide sufficient space for the new part. Importantly, the enactment of the procedure developed here takes place in real time, with little or no interruption of the progress of the build. The resulting Excel file will be sorted as to place the immediate items at the bottom on the build. The solution is valid for a single and also for a multiple build. Simulations of this heuristic procedure were shown to substantially increase the revenue desired from the planned build by adding higher priority parts

Computational Studies of Packing and Jamming in Biological Systems

The application of coarse-grained computational models to the study of physical systems has explodedin recent years, in part due to the relative simplicity of such models compared to the drastic complexity that can be found in the natural world. These models have been of particular use to the study of biological systems, as living things are typically highly complex and live far from thermodynamic equilibrium. In this thesis, I will present several coarse-grained computational models of different biological systems with the aim of identifying the role physical constraints, in particular those of packing and jamming, play in different biological systems. In the first part of this thesis, I will describe a model of globular protein cores based on jammed granular materials. I will show that this model displays the same void structure as real globular protein cores, and that the inherent protocol-dependence of packing generation yields insights into systematic differences between various experimental techniques used to resolve protein structures. In the second part of this thesis, I will describe a computational model of particles that can deform their shape in response to applied stress. I will first analyze how the rigidity of single particles in this model affects the collective behavior of many co-interacting deformable particles, as well as indicate how this model may be adapted for the study of tissue fluidization. I end the thesis with an analysis of packing constraints across the development and phylogeny of the spongy mesophyll tissue of leaves and flowers

Voxel-Based Solution Approaches to the Three-Dimensional Irregular Packing Problem

Research on the three-dimensional (3D) packing problem has largely focused on packing boxes for the transportation of goods. As a result, there has been little focus on packing irregular shapes in the operational research literature. New technologies have raised the practical importance of 3D irregular packing problems and the need for efficient solutions. In this work, we address the variant of the problem where the aim is to place a set of 3D irregular items in a container, while minimizing the container height, analogous to the strip packing problem. In order to solve this problem, we need to address two critical components; efficient computation of the geometry and finding high-quality solutions. In this work, we explore the potential of voxels, the 3D equivalent of pixels, as the geometric representation of the irregular items. In this discretised space, we develop a geometric tool that extends the concept of the nofit polygon to the 3D case. This enables us to provide an integer linear programming formulation for this problem that can solve some small instances. For practical size problems, we design metaheuristic optimisation approaches. Because the literature is limited, we introduce new benchmark instances. Some are randomly generated and some represent realistic models from the additive manufacturing area. Our results on the literature benchmark data and on our new instances show that our metaheuristic techniques achieve the best known solutions for a wide variety of problems in practical computation times

Planning and Navigation in Dynamic Environments for Mobile Robots and Micro Aerial Vehicles

Reliable and robust navigation planning and obstacle avoidance is key for the autonomous operation of mobile robots. In contrast to stationary industrial robots that often operate in controlled spaces, planning for mobile robots has to take changing environments and uncertainties into account during plan execution. In this thesis, planning and obstacle avoidance techniques are proposed for a variety of ground and aerial robots. Common to most of the presented approaches is the exploitation of the nature of the underlying problem to achieve short planning times by using multiresolution or hierarchical approaches. Short planning times allow for continuous and fast replanning to take the uncertainty in the environment and robot motion execution into account. The proposed approaches are evaluated in simulation and real-world experiments. The first part of this thesis addresses planning for mobile ground robots. One contribution is an approach to grasp and object removal planning to pick objects from a transport box with a mobile manipulation robot. In a multistage process, infeasible grasps are pruned in offline and online processing steps. Collision-free endeffector trajectories are planned to the remaining grasps until a valid removal trajectory can be found. An object-centric local multiresolution representation accelerates trajectory planning. The mobile manipulation components are evaluated in an integrated mobile bin-picking system. Local multiresolution planning is employed for path planning for humanoid soccer robots as well. The used Nao robot is equipped with only relatively low computing power. A resource-efficient path planner including the anticipated movements of opponents on the field is developed as part of this thesis. In soccer games an important subproblem is to reach a position behind the ball to dribble or kick it towards the goal. By the assumption that the opponents have the same intention, an explicit representation of their movements is possible. This leads to paths that facilitate the robot to reach its target position with a higher probability without being disturbed by the other robot. The evaluation for the planner is performed in a physics-based soccer simulation. The second part of this thesis covers planning and obstacle avoidance for micro aerial vehicles (MAVs), in particular multirotors. To reduce the planning complexity, the planning problem is split into a hierarchy of planners running on different levels of abstraction, i.e., from abstract to detailed environment descriptions and from coarse to fine plans. A complete planning hierarchy for MAVs is presented, from mission planners for multiple application domains to low-level obstacle avoidance. Missions planned on the top layer are executed by means of coupled allocentric and egocentric path planning. Planning is accelerated by global and local multiresolution representations. The planners can take multiple objectives into account in addition to obstacle costs and path length, e.g., sensor constraints. The path planners are supplemented by trajectory optimization to achieve dynamically feasible trajectories that can be executed by the underlying controller at higher velocities. With the initialization techniques presented in this thesis, the convergence of the optimization problem is expedited. Furthermore, frequent reoptimization of the initial trajectory allows for the reaction to changes in the environment without planning and optimizing a complete new trajectory. Fast, reactive obstacle avoidance based on artificial potential fields acts as a safety layer in the presented hierarchy. The obstacle avoidance layer employs egocentric sensor data and can operate at the data acquisition frequency of up to 40 Hz. It can slow-down and stop the MAVs in front of obstacles as well as avoid approaching dynamic obstacles. We evaluate our planning and navigation hierarchy in simulation and with a variety of MAVs in real-world applications, especially outdoor mapping missions, chimney and building inspection, and automated stocktaking.Planung und Navigation in dynamischen Umgebungen für mobile Roboter und Multikopter Zuverlässige und sichere Navigationsplanung und Hindernisvermeidung ist ein wichtiger Baustein für den autonomen Einsatz mobiler Roboter. Im Gegensatz zu klassischen Industrierobotern, die in der Regel in abgetrennten, kontrollierten Bereichen betrieben werden, ist es in der mobilen Robotik unerlässlich, Änderungen in der Umgebung und die Unsicherheit bei der Aktionsausführung zu berücksichtigen. Im Rahmen dieser Dissertation werden Verfahren zur Planung und Hindernisvermeidung für eine Reihe unterschiedlicher Boden- und Flugroboter entwickelt und vorgestellt. Den meisten beschriebenen Ansätzen ist gemein, dass die Struktur der zu lösenden Probleme ausgenutzt wird, um Planungsprozesse zu beschleunigen. Häufig ist es möglich, mit abnehmender Genauigkeit zu planen desto weiter eine Aktion in der Zeit oder im Ort entfernt ist. Dieser Ansatz wird lokale Multiresolution genannt. In anderen Fällen ist eine Zerlegung des Problems in Schichten unterschiedlicher Genauigkeit möglich. Die damit zu erreichende Beschleunigung der Planung ermöglicht ein häufiges Neuplanen und somit die Reaktion auf Änderungen in der Umgebung und Abweichungen bei den ausgeführten Aktionen. Zur Evaluation der vorgestellten Ansätze werden Experimente sowohl in der Simulation als auch mit Robotern durchgeführt. Der erste Teil dieser Dissertation behandelt Planungsmethoden für mobile Bodenroboter. Um Objekte mit einem mobilen Roboter aus einer Transportkiste zu greifen und zur Weiterverarbeitung zu einem Arbeitsplatz zu liefern, wurde ein System zur Planung möglicher Greifposen und hindernisfreier Endeffektorbahnen entwickelt. In einem mehrstufigen Prozess werden mögliche Griffe an bekannten Objekten erst in mehreren Vorverarbeitungsschritten (offline) und anschließend, passend zu den erfassten Objekten, online identifiziert. Zu den verbleibenden möglichen Griffen werden Endeffektorbahnen geplant und, bei Erfolg, ausgeführt. Die Greif- und Bahnplanung wird durch eine objektzentrische lokale Multiresolutionskarte beschleunigt. Die Einzelkomponenten werden in einem prototypischen Gesamtsystem evaluiert. Eine weitere Anwendung für die lokale Multiresolutionsplanung ist die Pfadplanung für humanoide Fußballroboter. Zum Einsatz kommen Nao-Roboter, die nur über eine sehr eingeschränkte Rechenleistung verfügen. Durch die Reduktion der Planungskomplexität mit Hilfe der lokalen Multiresolution, wurde die Entwicklung eines Planers ermöglicht, der zusätzlich zur aktuellen Hindernisfreiheit die Bewegung der Gegenspieler auf dem Feld berücksichtigt. Hierbei liegt der Fokus auf einem wichtigen Teilproblem, dem Erreichen einer guten Schussposition hinter dem Ball. Die Tatsache, dass die Gegenspieler vergleichbare Ziele verfolgen, ermöglicht es, Annahmen über mögliche Laufwege zu treffen. Dadurch ist die Planung von Pfaden möglich, die das Risiko, durch einen Gegenspieler passiv geblockt zu werden, reduzieren, so dass die Schussposition schneller erreicht wird. Dieser Teil der Arbeit wird in einer physikalischen Fußballsimulation evaluiert. Im zweiten Teil dieser Dissertation werden Methoden zur Planung und Hindernisvermeidung von Multikoptern behandelt. Um die Planungskomplexität zu reduzieren, wird das zu lösenden Planungsproblem hierarchisch zerlegt und durch verschiedene Planungsebenen verarbeitet. Dabei haben höhere Planungsebenen eine abstraktere Weltsicht und werden mit niedriger Frequenz ausgeführt, zum Beispiel die Missionsplanung. Niedrigere Ebenen haben eine Weltsicht, die mehr den Sensordaten entspricht und werden mit höherer Frequenz ausgeführt. Die Granularität der resultierenden Pläne verfeinert sich hierbei auf niedrigeren Ebenen. Im Rahmen dieser Dissertation wurde eine komplette Planungshierarchie für Multikopter entwickelt, von Missionsplanern für verschiedene Anwendungsgebiete bis zu schneller Hindernisvermeidung. Pfade zur Ausführung geplanter Missionen werden durch zwei gekoppelte Planungsebenen erstellt, erst allozentrisch, und dann egozentrisch verfeinert. Hierbei werden ebenfalls globale und lokale Multiresolutionsrepräsentationen zur Beschleunigung der Planung eingesetzt. Zusätzlich zur Hindernisfreiheit und Länge der Pfade können auf diesen Planungsebenen weitere Zielfunktionen berücksichtigt werden, wie zum Beispiel die Berücksichtigung von Sensorcharakteristika. Ergänzt werden die Planungsebenen durch die Optimierung von Flugbahnen. Diese Flugbahnen berücksichtigen eine angenäherte Flugdynamik und erlauben damit ein schnelleres Verfolgen der optimierten Pfade. Um eine schnelle Konvergenz des Optimierungsproblems zu erreichen, wurde in dieser Arbeit ein Verfahren zur Initialisierung entwickelt. Des Weiteren kommen Methoden zur schnellen Verfeinerung des Optimierungsergebnisses bei Änderungen im Weltzustand zum Einsatz, diese ermöglichen die Reaktion auf neue Hindernisse oder Abweichungen von der Flugbahn, ohne eine komplette Flugbahn neu zu planen und zu optimieren. Die Sicherheit des durch die Planungs- und Optimierungsebenen erstellten Pfades wird durch eine schnelle, reaktive Hindernisvermeidung gewährleistet. Das Hindernisvermeidungsmodul basiert auf der Methode der künstlichen Potentialfelder. Durch die Verwendung dieser schnellen Methode kombiniert mit der Verwendung von nicht oder nur über kurze Zeiträume aggregierte Sensordaten, ermöglicht die Reaktion auf unbekannte Hindernisse, kurz nachdem diese von den Sensoren wahrgenommen wurden. Dabei kann der Multikopter abgebremst oder gestoppt werden, und sich von nähernden Hindernissen entfernen. Die Komponenten der Planungs- und Hindernisvermeidungshierarchie werden sowohl in der Simulation evaluiert, als auch in integrierten Gesamtsystemen mit verschiedenen Multikoptern in realen Anwendungen. Dies sind insbesondere die Kartierung von Innen- und Außenbereichen, die Inspektion von Gebäuden und Schornsteinen sowie die automatisierte Inventur von Lägern