Задача упакування гомотетичних опуклих багатогранників

На підставі Φ-функції для двох опуклих багатогранників побудована математична модель задачі упакування опуклих гомотетичних багатогранників у прямому паралелепіпеді мінімального об'єму. Наведено деякі особливості поставленої задачі, на підставі яких запропоновано підхід для побудови початкових припустимих точок, швидкий алгоритм пошуку локальних екстремумів і спрямований неповний перебір локальних мінімумів для отримання наближення до глобального мінімуму. Наведено числові приклади.На основании Φ-функции для двух выпуклых многогранников построена математическая модель задачи упаковки выпуклых гомотетичных многогранников в прямом параллелепипеде минимального объема. Указаны некоторые особенности поставленной задачи, на основании которых предложены подход к построению начальных допустимых точек, быстрый алгоритм поиска локальных экстремумов и их направленный неполный перебор для получения приближения к глобальному минимуму. Приведены численные примеры.Оn the ground of an Φ-function for two convex polytopes, a mathematical model of the problem of packing of homothetic convex polytopes into a cuboid of a minimum volume is constructed. A number of characteristics of the mathematical model are pointed out. Based on the characteristics, a way of construction of starting points, a rapid algorithm of searching for local minima, and an original approach to the directed non-exhaustive search for local extrema to obtain a good approximation to a global extremum are offered. Numerical results are given

Packing of concave polyhedra with continuous rotations using nonlinear optimisation

We study the problem of packing a given collection of arbitrary, in general concave, polyhedra into a cuboid of minimal volume. Continuous rotations and translations of polyhedra are allowed. In addition, minimal allowable distances between polyhedra are taken into account. We derive an exact mathematical model using adjusted radical free quasi phi-functions for concave polyhedra to describe non-overlapping and distance constraints. The model is a nonlinear programming formulation. We develop an efficient solution algorithm, which employs a fast starting point algorithm and a new compaction procedure. The procedure reduces our problem to a sequence of nonlinear programming subproblems of considerably smaller dimension and a smaller number of nonlinear inequalities. The benefit of this approach is borne out by the computational results, which include a comparison with previously published instances and new instances

Подходы к математическому моделированию задачи упаковки неориентированых многогранников

В работе рассматривается оптимизационная задача упаковки выпуклых неориентированных многогранников в параллелепипед минимального объема. Chugay A. M. Mathematical modeling of the problem of packing non-oriented polyhedrons. In the article the optimization packing problem of non-oriented convex polyhedrons into a cuboid of minimum volume is considere

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

Математичне та комп'ютерне моделювання оптимізаційних задач розміщення тривимірних об'єктів (за матеріалами наукового повідомлення на засіданні Президії НАН України 11 березня 2020 р.)

Дослідження присвячено розв'язанню оптимізаційних задач упаковки тривимірних тіл шляхом побудови точних математичних моделей та розроблення підходів, основаних на застосуванні оптимізаційних методів нелінійного програмування і сучасних розв'язувачів. Розроблено конструктивні засоби математичного та комп'ютерного моделювання відношень орієнтованих та неорієнтованих тривимірних тіл, поверхня яких утворена циліндричними, конічними, сферичними поверхнями та площинами, у вигляді нових класів вільних від радикалів Ф-функцій та квазі-Ф-функцій. Побудовано і досліджено базову математичну модель задачі оптимальної упаковки тривимірних тіл, поверхня яких утворена циліндричними, конічними, сферичними поверхнями і площинами, та різні її реалізації, які охоплюють широкий клас наукових і прикладних задач упаковки тривимірних тіл. Розроблено загальну методологію розв'язання задач упаковки тривимірних тіл, що допускають одночасно неперервні повороти та трансляції. Запропоновано стратегії, методи і алгоритми розв'язання оптимізаційних задач упаковки тривимірних тіл з урахуванням технологічних обмежень.The research is devoted to the solution of optimization problems of packing three-dimensional bodies by construction exact mathematical models and developing approaches based on the use of optimization methods of non-linear programming and modern solvers. Constructive tools of mathematical modeling and computer modeling of the relationship between oriented and non-oriented three-dimensional bodies which boundary is formed by cylindrical, conical, spherical surfaces and planes in the form of new classes of free of radicals Ф-functions and quasi-Ф-functions are developed. Based on the tools of mathematical modeling the basic mathematical model of the problem of optimal packing of three-dimensional bodies whose boundary is formed by cylindrical, conical, spherical surfaces and planes is constructed and investigated. Also various implementations that cover a wide class of scientific and applied problems of packing three-dimensional bodies are constructed. A general methodology for solving the problems of packing three-dimensional bodies that simultaneously allow continuous rotations and translations are developed. Strategies, methods and algorithms for solving optimization problems of packing three-dimensional bodies with account for technological constraints (minimum permissible distances, prohibition zones, the possibility of continuous translations and rotations) are proposed. Based on the proposed tools of mathematical modeling, mathematical models, methods and algorithms, software using parallel computing technology for automatically solving the optimization problems of packing three-dimensional bodies is created. The results obtained can be used to solve problems of optimization of layout solutions, computer modeling in materials science, powder metallurgy and nanotechnologies, optimization of the 3D printing process for SLS additive production technology, and in information and logistics systems that optimize transportation and storage of goods

Упакування опуклих гомотетичних багатогранників в кубоїд

У роботі розглядається оптимізаційна задача упакування заданого набору гомотетичних довільно орієнтованих опуклих багатогранників без їх взаємного перетинання у прямому паралелепіпеді мінімального об'єму. Як конструктивні засоби математичного моделювання поставленої задачі пропонується використовувати метод Ф-функції. На основі Ф-функції для двох опуклих неорієнтованих багатогранників будується математична модель задачі та досліджуються її основні властивості, які впливають на вибір стратегії розв’язання поставленої задачі. Отримана математична модель подає задачу у вигляді класичної задачі нелінійного програмування, що дозволяє використовувати для пошуку розв’язку сучасні солвери. Пропонуються ефективні методи пошуку припустимих початкових точок і локально оптимальних розв'язків, що ґрунтуються на гомотетичних перетвореннях. Для пошуку локальних екстремумів сформульованих оптимізаційних задач розроблено спеціальний метод декомпозиції, який дозволяє значно зменшити обчислювальні витрати за рахунок значного зменшення кількості нерівностей. Ключова ідея процедури оптимізації дозволяє генерувати підмножини області припустимих розв'язків на кожному етапі пошуку локального екстремуму. Для пошуку локальних екстремумів використовувались паралельні обчислення, що дозволило скоротити часові витрати. Наведено числові приклади. Запропоновані в роботі методи можуть бути використані для розв’язання задачі упакування неопуклих багатогранників.В работе рассматривается оптимизационная задача упаковки заданного набора гомотетичних произвольно ориентированных выпуклых многогранников без их взаимного пересечения в прямом параллелепипеде минимального объема. Как конструктивные средства математического моделирования поставленной задачи предлагается использовать метод Ф-функции. На основе Ф-функции для двух выпуклых неориентированных многогранников строится математическая модель задачи, и исследуются ее основные свойства, которые влияют на выбор стратегии решения поставленной задачи. Полученная математическая модель представляет задачу в виде классической задачи нелинейного программирования, что позволяет использовать для поиска решения современные Солверы. Предлагаются методы поиска допустимых начальных точек и локально оптимальных решений, основанные на гомотетичных преобразованиях. Для поиска локальных экстремумов сформулированных оптимизационных задач разработан специальный метод декомпозиции, который позволяет значительно уменьшить вычислительные затраты за счет значительного уменьшения количества неравенств. Ключевая идея процедуры оптимизации позволяет генерировать подмножества области допустимых решений на каждом этапе поиска локального экстремума. Для поиска локальных экстремумов использовались параллельные вычисления, что позволило сократить временные затраты. Приведены числовые примеры. Предложенные в работе методы могут быть использованы для решения задачи упаковки невыпуклых многогранников.This paper deals with the optimization problem of packing a given set of homothetical arbitrarily oriented convex polytopes without their overlapping in a linear parallelepiped of minimal volume. Phi-functions are proposed to be used as a constructive means of the mathematical modeling of a given problem. On the basis of the phi-function a mathematical model of the problem is constructed for two convex non-oriented polytopes, and its main properties which influence the choice of the strategy for solving the problem are examined. The obtained mathematical model presents the problem in the form of a classical problem of nonlinear programming, which makes it possible to use modern solvers for searching for a solution. Effective methods for finding valid starting points and locally optimal solutions based on homothetic transformations are proposed. To search for local extrema of the formulated optimization problems, a special method of decomposition has been developed, which allows us to significantly reduce computational costs due to a considerable reduction in the number of inequalities. The key idea of the optimization procedure allows us to generate subsets of the domain of admissible solutions at each stage of searching for a local extremum. Parallel computations were used to search for local extrema, which made it possible to reduce time expenditures. Numerical examples are given. The methods proposed in the work can be used for solving the problem of packaging convex polytopes

PAVEL: Decorative Patterns with Packed Volumetric Elements

Many real-world hand-crafted objects are decorated with elements that are packed onto the object's surface and deformed to cover it as much as possible. Examples are artisanal ceramics and metal jewelry. Inspired by these objects, we present a method to enrich surfaces with packed volumetric decorations. Our algorithm works by first determining the locations in which to add the decorative elements and then removing the non-physical overlap between them while preserving the decoration volume. For the placement, we support several strategies depending on the desired overall motif. To remove the overlap, we use an approach based on implicit deformable models creating the qualitative effect of plastic warping while avoiding expensive and hard-to-control physical simulations. Our decorative elements can be used to enhance virtual surfaces, as well as 3D-printed pieces, by assembling the decorations onto real-surfaces to obtain tangible reproductions.Comment: 11 page

Optimized Packing Titanium Alloy Powder Particles

To obtain high-quality and durable parts by 3D printing, specific characteristics (porosity and proportion of various sizes of particles) in the mixture used for printing or sintering must be assured. To predict these characteristics, a mathematical model of optimized packing polyhedral objects (particles of titanium alloys) in a cuboidal container is presented, and a solution algorithm is developed. Numerical experiments demonstrate that the results obtained by the algorithm are very close to experimental findings. This justifies using numerical simulation instead of expensive experimentation

Learning Physically Realizable Skills for Online Packing of General 3D Shapes

We study the problem of learning online packing skills for irregular 3D shapes, which is arguably the most challenging setting of bin packing problems. The goal is to consecutively move a sequence of 3D objects with arbitrary shapes into a designated container with only partial observations of the object sequence. Meanwhile, we take physical realizability into account, involving physics dynamics and constraints of a placement. The packing policy should understand the 3D geometry of the object to be packed and make effective decisions to accommodate it in the container in a physically realizable way. We propose a Reinforcement Learning (RL) pipeline to learn the policy. The complex irregular geometry and imperfect object placement together lead to huge solution space. Direct training in such space is prohibitively data intensive. We instead propose a theoretically-provable method for candidate action generation to reduce the action space of RL and the learning burden. A parameterized policy is then learned to select the best placement from the candidates. Equipped with an efficient method of asynchronous RL acceleration and a data preparation process of simulation-ready training sequences, a mature packing policy can be trained in a physics-based environment within 48 hours. Through extensive evaluation on a variety of real-life shape datasets and comparisons with state-of-the-art baselines, we demonstrate that our method outperforms the best-performing baseline on all datasets by at least 12.8% in terms of packing utility.Comment: ACM Transactions on Graphics (TOG