Кіріспе
Операциялық зерттеудегі математикалық мәселе. Операциялық зерттеудегі кесу қор мәселесі – қағаз рулонды немесе металл парақтары сияқты стандартты өлшемдегі материалды белгіленген өлшемдегі бөліктерге кесу, сонымен бірге материалдық шығынды азайту мәселесі. Бұл математикадағы өнеркәсіптік қолданыстардан туындайтын оптимизациялық мәселе. Есептеу күрделілігі тұрғысынан, бұл рюкзак мәселесіне келтірілетін NP-қиын мәселе. Мәселені бүтін сандық сызықтық бағдарламалау мәселесі ретінде қоюға болады.
In operations research, the cutting stock problem is the problem of cutting standard sized pieces of stock material, such as paper rolls or sheet metal, into pieces of specified sizes while minimizing material wasted. It is an optimization problem in mathematics that arises from applications in industry. In terms of computational complexity, the problem is an NP hard problem reducible to the knapsack problem. The problem can be formulated as an integer linear programming problem.
Шекаралар мен тексерулер
Қарапайым төменгі шекті жалпы өнім мөлшерін әрбір негізгі рулонның өлшеміне бөлу арқылы есептеуге болады. Қажетті өнімнің жалпы көлемі: 1380 x 22 + 1520 x 25 + 2200 x 20 = 407160 мм. Әрбір негізгі рулон 5600 мм болғандықтан, кемінде 72,7 рулон қажет, демек 73 немесе одан да көп рулон талап етіледі.
Жіктеу
Қорларды кесу проблемаларын бірнеше түрлі жіктеуге болады. Бір жолы – кесудің өлшемділігі: жоғарыдағы мысал бір өлшемді (1D) проблеманы көрсетеді; құбырлар, кабельдер және болаттан жасалған таяқшаларды кесу кезінде 1D-нің басқа да өнеркәсіптік қолданыстары кездеседі. Жиһаз, киім және шыны өндірісінде екі өлшемді (2D) проблемалар туындайды. Егер негізгі материал немесе қажетті бөліктердің пішіні бұрыс болса (мұндай жағдай былғары, тоқыма және металл өнеркәсібінде жиі кездеседі), онда бұл ұя салу (немесе орналастыру) проблемасы деп аталады. Кесуге қатысты үш өлшемді (3D) қолданыстар көп емес; алайда, оған жақын 3D-қаптау проблемасының өнеркәсіпте көптеген қолданыстары бар, мысалы, заттарды тасымалдау контейнерлеріне орналастыру (мысалы, контейнерлеу: байланысты шарларды қаптау мәселесі 17 ғасырдан бері зерттеледі (Кеплер болжамы)).
Қолданбалар
Кесу қорларының өндіріс көлемі жоғары кәсіпорындағы қолданылуы, әсіресе негізгі материал ірі орамдарда өндіріліп, кейін кішігірім бөліктерге кесілгенде (орам кесуді қараңыз) маңызды. Бұл қағаз және пластик пленка өндірісінде, сондай-ақ болат немесе мыс сияқты жалпақ металдар өндірісінде қолданылады. Машиналар мен процестердің шектеулеріне, клиенттердің талаптарына және сапа мәселелеріне байланысты туындайтын көптеген нұсқалар мен қосымша шектеулер бар. Мысалдар: екі кезеңді процесс, онда бірінші кезеңде жасалған орамдар екінші рет өңделеді. Мысалы, кеңсе қағаздарының барлығы (Еуропада A4, АҚШ-та Letter форматы) осылай өндіріледі. Екінші кезеңдегі жабдықтардың бірінші кезеңдегіден тар болуы қиындық тудырады. Өндірістің екі кезегін де тиімді пайдалану маңызды (энергия немесе материал тұрғысынан), ал бірінші кезеңде тиімді нәрсе екіншісінде тиімсіз болуы мүмкін, бұл шарттасуға әкеледі. Жылтыратылған пленка (тағам қаптамасында қолданылады) және қағазға пластик экструзиясы (сусын қаптамасында, мысалы, шырын қораптарында) осындай процестің тағы бір мысалы. Орам кесу процесінің физикалық немесе логикалық шектеулері бар: ең көп кездесетін шектеу – орам кесу пышақтарының саны шектеулі, сондықтан жасалатын үлгілерде орамдардың максималды санынан аспауы керек. Орам кесу машиналарының стандарты жоқ болғандықтан, көптеген басқа шектеулер де кездеседі. Клиенттің талабына мысал ретінде, егер нақты тапсырыстың шеттерінен қанағаттандыру мүмкін болмаса: себебі парақтың шеттерінде қалыңдық бойынша ауытқулар көп болады және кейбір қолданыстар оған өте сезімтал. Сапа мәселесіне мысал – негізгі орамда кемшіліктер болуы, оларды кесіп тастау қажеттігі. Фотоқағаз немесе Tyvek сияқты жоғары сапалы материалдарды мұқият оңтайландыру керек, осылайша ысырап азаяды. Егер тапсырыстар бірнеше машинада өндіріле алса және олардың ені әртүрлі болса, көп машиналы проблема туындайды. Жалпы, бірнеше негізгі орам енінің болуы қалдықтарды азайтады, бірақ практикада қосымша тапсырысты бөлу шектеулерін ескеру қажет болуы мүмкін. Сонымен қатар, жартылай үздіксіз проблема бар, онда жасалған орамдардың диаметрі бірдей болуы міндетті емес, бірақ белгілі бір шекте ауытқуы мүмкін. Бұл әдетте парақтарға тапсырыс беру кезінде болады. Бұл кейде 1½ өлшемді проблема деп аталады. Бұл нұсқа ағымдық талшықты қағаз өндірісінде де кездеседі, онда оны шатастыратын болсақ, қағазды жоспарлау мәселесі деп атайды. Кейбір қағаз машиналары сұранысқа сай салыстырмалы түрде тар болғандықтан, кейбір компаниялар екінші реттік процеске (сонымен қатар желпелі дәнекерлеу деп те атайды) инвестиция жасады, онда екі орам (бастапқы ірі орамдарды кесу арқылы жасалады) біріктіріліп, кеңірек орам жасалады. Бастапқы процесте тар орамдар жасау жалпы қалдықтарды азайтады. Металл өнеркәсібіндегі басты айырмашылық – негізгі орамдар әдетте ертерек жасалады және олардың ені мен ұзындығы әртүрлі болады. Сондықтан жоғарыда аталған көп машиналы проблемамен ұқсастықтар бар. Ұзындығының өзгеруі 2D проблеманы тудырады, себебі қалдықтар ені бойынша да, ұзындығы бойынша да болуы мүмкін. Гильотиналық проблема – бұл парақтарды белгіленген өлшемдегі тіктөртбұрыштарға кесудің тағы бір 2D мәселесі, бірақ парақтың барлық ені бойынша кесуге ғана рұқсат етіледі. Бұл мәселенің өнеркәсіптік қолданылуын шыны өнеркәсібінде табуға болады. Бір өлшемді жағдайда берілген сұранысты қанағаттандыратын ең жақсы негізгі өлшемді анықтаудың кесу қоры мәселесі ассортимент мәселесі деп аталады.
Two stage, where the rolls produced in the first stage are then processed a second time. For instance, all office stationery (e. g. A4 size in Europe, Letter size in US) is produced in such a process. The complication arises because the machinery in the second stage is narrower than the primary. Efficient utilisation of both stages of production is important (from an energy or material use perspective) and what is efficient for the primary stage may be inefficient for the secondary, leading to trade offs. Metallised film (used in packaging of snacks), and plastic extrusion on paper (used in liquid packaging, e. g. juice cartons) are further examples of such a process. Winder constraints where the slitting process has physical or logical constraints: a very common constraint is that only a certain number of slitting knives are available, so that feasible patterns should not contain more than a maximum number of rolls. Because winder machinery is not standardised, very many other constraints are encountered. An example of a customer requirement is when a particular order cannot be satisfied from either of the two edge positions: this is because the edges of the sheet tend to have greater variations in thickness and some applications can be very sensitive to these. An example of a quality issue is when the master roll contains defects that have to be cut around. Expensive materials with demanding quality characteristics such as photographic paper or Tyvek have to be carefully optimised so that the wasted area is minimised. Multi machine problems arise when orders can be produced on more than one machine and these machines have different widths. Generally availability of more than one master roll width improves the waste considerably; in practice however additional order splitting constraints may have to be taken into account. There is also a semi continuous problem, where the produced rolls do not have to be of the same diameter, but can vary within a range. This typically occurs with sheet orders. This is sometimes known as a 1½ dimensional problem. This variant also occurs in the production of corrugated fiberboard, where it is called, somewhat confusingly, the corrugator scheduling problem. Because some paper machines are relatively narrow compared to the demanded items, some companies have invested in a skiving (also known as a web welding) secondary process, whereby two reels (produced by slitting the initial jumbo reels) are joined side by side (with a little overlap) to make up a wider roll. Producing narrower reels in the primary process leads to lower overall waste. In the metals industry one key difference is that typically the master rolls are produced earlier and are generally different from each other (both in terms of width and length). Therefore, there are similarities with the multi machine problem mentioned above. The presence of length variations creates a 2 D problem, because waste can occur both width wise and length wise. The guillotine problem is another 2 D problem of cutting sheets into rectangles of specified sizes, however only cuts that continue all the way across each sheet are allowed. Industrial applications of this problem can be found in the glass industry. The cutting stock problem of determining, for the one dimensional case, the best master size that will meet given demand is known as the assortment problem.
Тарих
Кесу қорының мәселесін алғаш рет 1939 жылы Канторович формулирледі. 1951 жылы, компьютерлер кеңінен қолданысқа енбегенге дейін, Л. В. Канторович және В. А. Залгалер сызықтық бағдарламалау арқылы кесу сатысында материалды тиімді пайдалану мәселесін шешуді ұсынды. Бұл ұсынылған әдіс кейіннен бағандарды жасау әдісі деп аталды.