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.

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.

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.