（服装设计与工程专业论文）基于经验基础上的非线性规划法在服装排料技术中的应用研究[服装设计与工程专业优秀论文].pdf

a p p l i c a t i o no f n o n l i n e a rf o r m u l ab a s e do ne x p e r i e n c e so n g a r m e n t p a n e ll a y o u t a b s t r a c t a p p l i c a t i o no f n o n l i n e a rf o r m u l ab a s e do ne x p e r i e n c e s o ng a r m e n tp a n e ll a y o u t a b s t r a c t t h e r ew a ss i g n i f i c a n tr e l a t i o n s h i pb e t w e e ng a r m e n tp a n e ll a y o u ta n df a b r i ce c o n o m y i nt h ei n d u s t r yo fr e a d ym a d ec l o t h e s r e d u c i n gt h er a t i oo ff a b r i ce c o n o m yi sam a i n m e a s u r et or e d u c ec o s ta n dt oe n h a n c et h ec o m p e t i t i v ea b i l i 墨h e n c e , t h eo p t i o n a lg a r m e n t p a n e ll a y o u ti sa ni m p o r t a n ti s s u ei nt h ei n d u s t r yo fr e a d ym a d ec l o t h e s a tp r e s e n t ，t h er e s e a r c ho nc o m p u t e ra i d e dl a y o u ta sa ni m p o r t a n tp a r to fg a r m e n t a i d e dd e s i g nh a sa ni m p o r t a n ti m p a c to nt h ed e v e l o p m e n to fg a r m e n tc a d h o w e v e r , t h e l o w e rr a t i oo fl a y o u tw a s h tr e s o l v e di n t h ea p p l i c a t i o no fc a l i nt h i sp a p e r , t h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e ng a r m e n tp a n e ll a y o u ta n d2 de n c a s e m e n tp r o b l e mw a sa n a l y z e d b a s e do nt e s t i n ga n de x p e r i e n c e so fl a y o u tf r o me n t e r p r i s ew o r k e r s 。t h ea p p l i c a t i o no f n o n l i n e a rf o r m u l ab a s e do ne x p e r i e n c e so i lg a r m e n tp a n e ll a y o u tw a sa l s or e s e a r c h e d i t w i l lp r o v i d es c i e n t i f i cr e f e r e n c e sf o rt h er e s o l u t i o no f2 de n c a s e m e n tp r o b l e m i nt h i sp a p e r , t h em a i nr e s e a r c hi s s u e sw e r ea sf o l l o w t h ep r o b l e mo fg a r m e n tp a n e ll a y o u ti nt h ep r o d u c t i o no fg a r m e n ta n dt h ea p p l i c a t i o no f c a lw e r ea n a l y z e d t h ee x t r a c t i o no fl a y o u tm o d e lo ff u l ld r e s s ，s u c ha ss u i ta n dt h e e s t a b l i s h i n go fr e c t a n g l em o d e lw e r ea l s or e s e a r c h e d t h ea p p l i c a t i o no f2 de n c a s e m e n tp r o b l e mo ng a r m e n tp a n e ll a y o u tw a sa n a l y z e d 。 t h em o d e lo fi tw a se s t a b l i s h e da n dt e s t i f i e db yu s i n gt r o u s e r sa n dw e s k i t k 锣w o r d s ：g a r m e n tp a n e ll a y o u t , e x p e r i e n c e dl a y o u t , r e c t a n g l em o d e l ，n o n l i n e a rf o r m u l a h w r i t t e nb y s u p e r v i s e db y y a n g a o g u o 1 i a nl i u 苏州大学学位论文独创性声明及使用授权的声明 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得苏州大学 或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律 责任。 研究生签名：名害墨期蕊z ：z 坌! 丛 学位论文使用授权声明 苏州大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论文 合作部、中国社科院文献信息情报中心有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本 人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文 外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分 内容。论文的公布( 包括刊登) 授权苏州大学学位办办理。 研究生签名：互毫，生日期岬：z 垒：丝 导师签名：参4 僻嚣期：。钽气掣 基于经验基础上的非线性规划法在服装排料技术中的应用研究 第一章绪论 1 1 研究背景和意义 1 1 1 研究背景 第一章绪论 服装排料是服装工业生产及计算机辅助设计中的重要部分。而且由于计算机技 术、优化技术、计算机图形学、数据存储与提取技术的发展，人们对排料问题的研究 愈加深入全面。由于计算机排料在应用上可以提高生产效率，节约成本，具有重要的 研究价值，所以一直受到研究者广泛的重视。其研究方法涉及了组合优化、人工智能、 计算几何学等各种理论，具体方法主要有：遗传算法、模拟退火算法、启发式搜索算 法、人工神经网络法、线性规划法等。 。早期的服装排料都是手工操作的，其操作过程是：先由排料放样人员在纸样上设 计并剪下衣片纸样，然后尽可能的紧凑、合理地排放在布料上，最后根据放样结果进 行成批裁剪。这种排料方式完全靠排料员的经验来进行，其经济性、科学性、合理性 根本无法验证，面积利用率虽然较高，但耗用时间长，裁剪纸样多。现在随着计算机 技术的提高应用及普及，计算方法的不断进步，越来越多的服装企业开始采用计算机 来进行服装排料。目前由于在面料利用率方面计算机排料仍然不及手工排料高，手工 排料和计算机排料并存是当前服装企业排料的主要形式，但伴随科技的不断创新，计 算机排料最终将取代手工排料。 1 1 2 项目研究意义 在服装生产和企业利润中排料问题具有重要意义。排料的首要任务是在满足一定 条件的前提下合理、有效地布置裁片，以求最大限度地利用材料。例如，在一件服装 的成本中材料费约占6 0 以上，特别是大批量投入生产时，即使将材料的利用率提高 l ，其经济效益也是相当可观的。而合理的服装排料是服装生产中节约用料的主要方 法。服装生产的整个过程基本上可概括为：款式设计、样板设计、排料、裁剪及缝纫 整理等几个生产环节，排料结果的好坏会影响后面的服装剪裁这个工艺环节。 基于经验基础上的非线性规划法在服装排料技术中的应用研究第一章绪论 服装排料是排料研究中的一个重要课题。许多二维图形排料与之有很大的相似性， 如钣金排料、制鞋等皮革工业的下料，但服装排料又有其特殊性。伴随中国经济更多 的融入世界市场经济，我国的服装行业会得到更多的机会，同时也会面临更为严峻的 挑战，这就要求我们必须提高生产技术水平、设备现代化水平、生产管理水平，同时 也要更加重视与其配套的软件开发与应用，以充分发挥生产装备的能力，计算机辅助 设计( 服装c a d ) 也就随之迅速发展起来。它对于加速服装产品的开发、缩短服装产品 设计制造周期、提高服装产品质量、降低成本、增强企业的市场竞争能力与创新能力 发挥着重要作用。它也引发了服装企业的一场技术革命，使服装企业从传统的手工作 坊式模式向现代化、智能化、机械化等现代生产方式转变。作为服装c a d 中的最重要部 分服装面料的计算机排料c a l ( c o m p u t e ra id e dl a y o u t ) 系统随着服装c a d 技术在 生产中的广泛应用，越来越多地为业内人士所重视，但是在该系统的应用中也存在着 面料利用率偏低等弊端。为了尽量提高计算机排料技术水平，本研究对服装企业的计算 机排料现状进行了广泛调查，收集了大量企业常用男装的典型经验排料方案，通过整 理与分析，总结出排料优化模式矩形图，最后通过非线性规划的排料方法建立新的排 料模型。该排料方法与模型对服装企业排料利用率的提高能具有一定的指导意义。 在服装的工业生产中，对服装排料问题的研究具有理论意义和现实应用意义，具 体表现为以下几个方面： ( 1 ) 服装生产整个过程基本上可概括为：款式设计、制作样板、排料、裁剪及缝 纫整理等几个主要生产环节，排料结果的好坏会直接影响后面的服装剪裁环节口1 。 ( 2 ) 缩短服装生产的加工周期。在服装产品的加工制作过程中，应用计算机辅助 排料比采用人工排料要少几个小时甚至几天的时间。服装衣片样板排料在几分钟内就 可以完成，从而缩短了服装产品的加工周期。 ( 3 ) 降低劳动成本。合理的排料系统除了可以提高面料的利用率，降低原材料的 成本外，计算机辅助服装排料还可以将大量款式和纸样存储在计算机内，因此可以大 量减少甚至取消纸样的存放，取代纸样进入库房，提高了劳动效率，便于样板管理， 本来由多人完成的工作，便可以由少数人员操作电脑来完成、节约人员和场地。 ( 4 ) 在排料系统生成的排料图中可以计算出该款服装的用料率，面积利用率，为 服装的成本核算打下基础。 当前计算机技术飞速发展，无论是软件还是硬件，都在快速地更新换代。对服装 2 基于经验基础上的非线性规划法在服装排科技术中的应用研究第一章绪论 计算机排料系统的发展，提供了更大空间。以往由于计算机速度和存储空间的限制， 一些排料系统在算法上通常过多地使用近似法，导致面料利用率不高，还有的一些排 料系统，采用了穷举法进行排料，由于运行速度慢而极大地影响了排料效率和实用性。 有效的排料算法，能充分利用计算机的潜力，使排料软件系统性能不断提升。而 排料系统可以与服装生产中其他系统的结合，更难能提高服装企业的生产效率，如计 算机服装辅助排料系统同服装c a m 系统相结合，计算机辅助服装排料系统和面料订货 系统相结合等口1 。因此排料问题的研究具有较大的理论意义及现实意义。 1 2 国内外服装排料技术的研究现状与研究趋势 1 2 1 国外服装排料技术研究现状 对于形状不规则的零件的排料问题，目前所采用的解决方法归纳起来主要有近似 矩形法、启发式推理方法和智能优化法三种h 1 ，针对以上三种方法，实际应用中常常 用“加加 创造思维技法，同时使用两种或两种以上的方法进行排料的优化处理。 ( 1 ) 近似矩形法 近似矩形法，即把单个或几个不规则零件组合成矩形单元，然后对矩形单元进行 排料处理。 1 9 7 6 年，纽约大学的m h d a m o w l c a 在所发表的博士论文中曾经利用矩形模块分 两阶段对二维不规则零件进行排料。然后，他和意大利p i s a 大学的a m b a n 合作， 作了进一步的研究与完善工作。1 9 7 7 年a h l b a n o 发表论文旧，论文的基本内容是两 步法”和“人机交互法，在这篇文章中，首先通过启发式方法和动态规划方法的组 合，由计算机产生一个初始排料方案，然后再通过人机交互的方法对其进一步加以改 进实施。 1 9 9 1 年，c h e o k 和n e e 提出了用于造船业的三步自动排料方法。第一阶段称为形 状处理过程，通过去除诸如倒角、圆角等小的特征简化零件轮廓。然后将这些简化的 轮廓进行分类。第二阶段，根据先前的经验匹配以分类的零件，产生好的或紧密排列 的矩形单元。第三阶段，采用矩形排料方法排列这些单元。c y u z u 硒1 也曾与1 9 8 7 年 提出了基于这种方法的服装裁剪专家系统。在他的系统中对于每一种服装类型，如男 衬衫，均给出一大套特定的规则。可是对于这些规则的细节和应用并没有进行详细的 基于经验基础上的非线性规划法在服装排料技术中的应用研究第一常绪论 讨论。 ( 2 ) 启发式推理方法 启发式推理方法，此方法模拟人工排料，定义大量的规则，使用启发式推理方法， 由计算机决定排料方案，不需要人员的参与。但组建这样的系统需要丰富的经验。 f r e e m a n ( 1 9 6 4 ) 和后来的r a d a c k 与b a t t l e ( 1 9 8 2 ) 提出一个与排料闯题十分类似且 很有意思的问题拼板玩具问题。r a d a c k 与b a d l e r 提出了用边界中心极坐标编码 代表零件轮廓的新颖方法来决定边界的匹配情况。但在现实中应用f r e e m a n 或r a d a c k 与b a d l e r 所提出的方法是困难的，因为在排料中完全类似于其提凄规则的轮廓匹配 的情况很少存在。1 9 8 0 年a a l b a n o 和s a p u p p o 豫1 提出了一种囱动排料方法，在文中 他们使用了人工智能的典型启发式搜索策略，将排料问题转换为寻找一条最有路径的 闯题。1 9 8 3 年，d a g l i 和t o t o g l u t 躔1 通过决定零件的优先权，如根据零件的面积、轮 廓周长、复杂性等，依次定位零件。从两个具有最高优先权的零件开始，由它们的边 界匹配情况决定它们之间的相对位置，然后选择具有最小包络矩形( m i n i m u m e p i b o l i cr e c t r a n g l e ) 的位置按优先权颁序不断重复以上过程，宣到所有零件均己定 位或将板料排满为止，这种不加选择地判断边界匹配的各种可能性的方法，耗费了大 量的计算时间和经历。1 9 8 9 年c h u n g 及其合作者n 解决了复杂轮廓的饭金排料问题。 他们使用一系列技术定位零件，运用启发式搜索方法匹配零件的凹凸特征，分别对四 个基本位置( 9 0 。、1 8 0 。、2 7 0 。、3 6 0 。) 寻找最好的毗邻零件。一旦一个零件定位， 它的下一个最好毗邻零件就可以被测定。但是，他并没有给出“最好的毗邻零件”的 定义。而且，对于四个基本方位的约束，虽然对轮廓近似于矩形的零件是合理的，但 对于形状复杂的零件，则需要具有更多的自由性。1 9 9 4 年，p r a s a d 1 在文章中讨论 了边界的基本原理。他提出将一个零件先固定，而将另一零件沿着它的n f p ( n o t f i t p o l y g o n ) 多边形的轮廓移动，通过对正轮廓的最长边界来决定零传的相对 位置，在沿n f p 多边形移动的每一步过程中均构造一个最小包络矩形，然后选择其中 最好的最小包络矩形，可是这种算法仅限于扳金加工，而解决的问题也仅限予两、三 个零件。 ( 3 ) 智能优化方法 智能优化法，即以最小浪费率为强标函数，采用诸如人工神经网终、模拟退火法、 遗传算法等智能优化方法，在整个解的空闻中进行搜索。 4 基于经验基础上的非线性规划法在服装排料技术中的应用研究第一章绪论 近年来，国际上掀起了一股人工神经网络的研究热潮。对神经网络的应用研究取 得了很大的进步和提高，涉及面非常广泛。就应用的技术领域而言有计算机视觉，语 言的识别、理解与合成，优化计算，智能控制及复杂系统分析，模式识别，神经计算 机的研制，知识处理，专家系统与人工智能。涉及到的学科有神经生理学，认识科学， 数理科学，心理学，信息科学，计算机科学，微电子学，光学，生物电子学等n 羽。人 工神经网络独特的结构和处理信息的方法，使其在许多应用领域中取得了显著的成 效，而且能够解决一些传统计算难以解决的问题。一些学者已经将人工神经网络技术 应用到排料领域中，但在这方面所进行的研究还处于探索阶段。 m s r i r a m 和s m k a n g ( 1 9 9 0 ) n 3 3 利用改进的h o p f i e l d 人工神经网络解决了二维模 块的线路排料问题。文章以总线长最小为目标函数来构造排料模型。通过使网络互联 权矩阵依赖于网络的状态，并且在能量函数中包含四次项来改造h o p f i e l d 神经网络。 经过这种改造后原来的二维排料问题可以被分解成两个一维问题。同时文章中采用了 最小排料布局的分层方法，使得网络的大小与模块的数目呈线性关系。计算结果表明， 这种方法与一般的启发式方法相比有较多优点。 c x z h a n g 和d a m l y n s k i ( 1 9 9 0 ) n 们运用k o h o n e n ( 1 9 8 2 ) 和r i t e r ( 1 9 8 6 ) 提出了 人工神经网络模型的拓扑映射特征解决大规模集成电路的排料问题。文章将集成电路 中排料问题中所具有的特征与神经网络模型的映射特征组合在一起通过输入空间与 输出空间的拓扑映射来建立可移动模块与芯片上槽之间的关系。并且用c 语言编程， 在v a x l1 7 5 0 计算机上实现了所提出的算法。所得的排料结果与传统的排料算法的结 果相比，在效率和时间上均有所提高。 s s k i m 和c m k y u n g ( 1 9 9 2 ) n 5 1 针对印刷电路板的排料问题，提出了一种自组织 辅助排料算法( s o a p ) 。这篇文章所解决的问题不是将任意形状的零件在规则的区域上 进行排料，而是在任意形状的区域上进行排料。文章中的任意区域包括由直线边界组 成的二维区域、非平面的表面区域以及三维体区域。所采用的算法根据k o h o m e n 提出 的自组织特征映射( s o m ) 的神经网络，利用了s o m 的自组织学习特性以及s o m 对于类 似的输入较敏感的特性。文章中还改进了以往的算法，以往的在直线边界组成的区域 内进行排料的算法是将整个区域分割成若干矩形区域，因此所产生的最终结果依赖于 划分的方式。而这篇文章所提出的自组织辅助排料算法( s o a p ) 是对任意形状区域的电 路布局问题均适用的算法，分析问题全面到位。 5 基于经验基础上的非线性规划_ 去在服装排料技术中的应用研究第章绪论 1 2 2 国内捧料技术研究概况 国内对优化排料的研究尽管起步较晚，但也做了大量工作。常用的方法主要源于 苏联学者a k h u p b a p a h j i o b 的板料冲压最佳排料图编制过程的自动化。针对排 料问题的不同方面，最翠提出的有加密点法、人机对话法，随后出现点阵判交法，平 行线分割一步平移法等n 7 一胡。浙江大学、上海交大、西安交大、清华大学及华中理工 大学等高等院校也都做了相关方面的研究。 1 9 9 2 年，李新军、熊火轮等发表点阵判交一一种计算枕鲞动排样系统设计的 新方法n 9 】。文中介绍了一种新的非几何判交方法。指出判断两个几何元素是否存在 交点，即求交问题，这是排料的基础性工作之一。其方法的优劣直接影响着排料程序 的可靠性和效率。判断两个集合元素是否相交，欲蘸形上看是十分容易的，但运用解 析法在计算机上用程序实现却很费周折。文章中屏幕光栅点阵判交的中心思想是判断 某一直线所要经过的点是否己经被打亮。 对予冲裁待排料，冒内所微的研究工作在算法上也趋于成熟，其排料方式可分为： 普通单排、普通双排、对头单排、对头双排。所需解决的主要问题是冲裁步距和冲裁 角度的计算问题。下面将国内学者研究情况做以简单介绍。 上海交通大学的夏尊辉、卞铭甲、李绍成发表? 单双排冲裁件的最佳赫样法溯 的论文。文中提到计算机所确定的方案较人工方案材料利用率提高了5 以上。文章中将 排料零件的几何图形信息化，采用坐标点法( 即加密点法) 近似代表真实图形。为使问题 简化，只考虑了同一种零件在群无限长条料上排料的情况。 华中理工大学c a d 中心的曹炬、周济于1 9 9 3 年发表了冲裁件排样最优化的数 学模型及算法髓玎一文。文章通过对数学模型的分析，解决了冲裁件排料问题。但是 此优亿模型没有对板材的大小加以限制，即不能在有限长、宽的板材主摊料，需进一 步给出整体优化模型以及相应的算法。 1 9 9 8 年，华中理工大学的董长双、杨楚民、宾鸿赞发表了冲裁零件三维排样 优化嘲一文。文章提啦了在以往的冲裁件优化摊料的计算枫求解方案中，人们一般 将卷板当作无限长的条料或将有限长、宽的板材裁成若干条等宽度的条料，所采用的 优化模型也是建立在此基础上的。当将有限长宽的整体板料在冲压设备上进行x 。y 轴双向送料冲裁时，上述建立的模型将不再适用。这篇文章给如了以在有限长、宽的 6 基于经验基础上的非线性规划法在服装排料技术中的应用研究第一章绪论 整体板料上能冲裁出的最大样件个数为目标的整体优化模型及算法。 浙江大学的周汉一、金廷赞的( - - 维不规则形状的最优布局闯题一计算机辅助服 装裁片自动排料系统汹3 文章中，将计算机图形学和人工智能化相结合，运用人工 智能的扇发式方法把裁片的二维最优布局闯题转化为在一个状态空间中寻找一条最 优路径的闯题。将从初始状态出发的所有可能达到豹状态集合视为一个有向图形，其 中节点对应状态，边对应算子，将问题视为一个寻找从初始节点到目标节点路径的搜 索过程。 北京工业大学的杨洪旗，西安交通大学的储家佑发表了冲裁件的排样优化与动 画排样寻优法 2 4 o 运用该种方法可以输出材料利用率特征曲线及最佳排样图，并设 计了动画排料静子程序。该方法形象童观，操作方便，僵过多的依赖于入的参与。所 得的排料结果与操作者的经验直接相关。 另外，东北大学的聂瑞华汹3 ，在其硕士论文中，研究了对任意形状的零件进行排 料的问题。通过把以往算法孛 壬意形状的轮癣用蛊线或圆弧进行代替的方法进行了改 进，将任意形状的曲线用参数样条逼近，也把二维最优排料问题转化为在一个状态空 间寻找一条最优路径的问题啪1 。 目前，在国内外的许多服装企业已经开始使用c a d 进行排料，僵是实际生产中主 要是打版和放码模块应用较多( 尤其是在我国) 。虽然有的服装c a d 排料软件开发得较 好，但其也只是主要应用于一些低档面料服装的加工，对于高档面料服装的加工尤其 是小批量离挡服装的制作，服装企业一般还是采用手工排料来完成，这主要是由于以 下两点原因：第一，计算机排料是虚拟的纸样在虚拟的面料上排料，且计算机屏幕较 小，难以准确地把握排料的真实情况；第二，我囡的劳动力较低廉，而且我国主要是 加工企业，企业的加工利润本来就很有限，所以企业不会以牺牲瑟料的成本为代价， 这些企业的c a d 排料模块主要用在海关报价方面，并没有真正用于实际生产；而国外 多数企业是自有品牌，利润较高，另外他们的工时费用也高，所以国外企业综合皇身 实际情况后大都采用服装c a d 排料系统进行服装排料。服装排料模块在我国没有得到 很好应用的原因关键还是其排料的智能性不高，相对人工排料的省料效果还存在一定 距离。 7 基于经验基础七的非线性规划法在服装摊料技术中的应用研究第一章绪论 1 2 0 国内外服装排料技术研究发展趋势 服装优化排料是服装排料系统的一项重要功能，属异形优化排料的范畴，是一项 发展中的技术。异形优化排料大多发生在服装工业。国内外许多学者关于优化排料问 题的研究大多都集中于规则形状的优化排料，而且取得了许多成果，对于异形优化排 料的研究目前还很少，尤其是在服装裁片的优化排料问题上，还需要考虑布料纹理的 排列和对齐方式，所以变得比较复杂。目前从国外引进的自动排料系统除了价格偏高 外，最主要的闯题就是这类系统所完成方案的布料利用率低于手工，还是需要入机配 合来完成。这是由于自动排料采用的优化算法一般比较机械，缺乏人的知识经验和灵 活性。此外，其使用、维护成本以及对使用人员的技术要求等相对较高。因此，计 算机优化撵料系统的研制与开发是当前发展服装自动排料急需解决的首要问题，开发 出科学的、效果理想的服装c a l 排料系统已经成为服装c a d 开发中的重要任务，其方 法的研究也成为较热门的课题。国外软件在排料这模块中具有囡内软件所不可比拟 的包容性，功能也较完善。可以替代手互排料的服装c a d 优化排料系统将被广泛应用， 这是服装排料技术发展的必然趋势。 1 1 3 基于非线性规划方法的服装排料技术问题研究现状 服装排料有两项重要指标，一为排料时间，二为面料利用率，它们也是排料系统 是否适用的重要标志。利用前文所述的方法研制的c a l 在应用时出现排料时间长，面 料的利用率低，或在实际应用可操作性毹差等问题，尽前在国内还没有开发出令人很 满意的c a l 系统。服装排料是排料研究中的一个典型课题。许多二维图形排料与之有 很大的相似性，如钣金排料、制鞋等皮革工业的下料，但服装排料和它们有共性又有 其特殊性。圆际上在上个世纪的7 0 年代就开始进行了计算机排料c a l ( c o m p u t e r a i d e dl a y o u t ) 的研究，面料的利用率可以达到6 0 一7 0 。日本的t a n a k a 和w a c h i 开始研究出的服装c a l ，其用人工智能中的启发式搜索方法，对一套服装排料计算时 闻仅l o 分钟左右，利用率为6 0 - 7 0 。近年来，国蠢凡家公司和高校也对排料勰题 进行了探讨，并开发出几套服装c a d 系统的c a l 子系统，但据有关文献反映，其效果 都不是很理想，应用前景不明朗，适用性上也存在一些缺陷。 有研究提出首先需要进行最优化的问题，进行试验和收集有企业经验资料和数据 8 基于经验基础上的非线性规划法在服装排料技术中的应用研究第一章绪论 进行分析并形成经验矩形简易图模式；其次建立求解最优化问题的有关数学模型，确 定变量，列出爵标滠数和有关约寨条件；再次分析模型，选择合适的最优纯方法；最 后给出数值算法，求解方程，得到问题的最优解。 l 。4 目前服装排料技术现状及存在的问题 1 4 1 手工排料 小型服装企业中，由于产品变化相对较少，随着撵料人员经验的增加，其布料利用 率可以达到较高水平，而且不需要增加设备或引进排料系统方面的投入。但其效率、 排料成本和布料利用率过分依赖排料人员的经验及其对布料裁片用途的熟悉程度。裁 冀排料是一个非常复杂的问题，仅仅依靠人的经验、知识和判断毕竟存在诲多局限性。 为此，研制一套指导企业生产的技术性文件是目前服装企业急需解决的大问题。 l 舵服装c a d 搀料 服装c a d ( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ) 服装计算机辅助设计是计算机辅助设 计在服装工业技术中的一个重要的应用领域，是人类借助计算机来完成服装设计各个 环节的现代技术。霹前大多数的排料系统具备如下功能： 在建完了样片设计表( 告诉计算机这件衣服由哪些衣片组成) 、排料表( 告诉计 算机需排的面料门幅、服装尺码、服装件数、服装款式等信息) 后即可进行排料。系 统有全国动排料和计算机辅动排料功能，其中全囊动摇料用手估料，辅助排料用于落 料生产。在排料的同时显示排料长度、面料利用率等信息。同时具备各种衣片定位方 法：1 ) 直接放置；2 ) 强制重叠；3 ) 与多片靠紧：4 ) 直线移动；5 ) 自动找位。 具备一定的操作功能：衣片拖动、靠紧、智能模糊定位、放大缩小、翻、转、修 改门幅、增删衣片、套排、开片、对花对格等。 打印与绘图：系统可绘出l ：l 的衣片、排料图，也可用打印机打出任意比例缩 小的排料图。 服装c a d 排料是在已经安置好的软件系统下由操作人员将所有衣片图形和必要 的工艺要求及数据提供给计算机，使计算机在规定的时闻内进行识别并进行自动排 料，从而使面积利用率达到最高。弱前，处理捺料的方法有自动排料和入祝互动排料 9 基于经验基础上的非线性规划法在服装排料技术中的应用研究第一章绪论 两种。 ， 服装c a d 排料优点：服装c a d 系统是辅助服装排料最重要的功能之一。通过计算 机的自动排料和人工交互式排料。大大减少了人工“画皮儿 的繁杂性，提高了“画 皮儿 的速度，并对服装生产的前期采购面、辅料提供了科学的指导，对服装的生产起 到了不可估量的作用。 国内外服装c a d 排料软件比较： 国外软件在排料这一模块中具有国内软件所不可比拟的包容性，功能较完善。在 面料纵向如果有一固定宽度中存在色差，电脑排料会自动控制任一纸样不进人这一色 差区域。例如西班牙i n v e s t r o n i c a g o n 公司的自动排料功能，除系统设置的排料方案 外，操作者利用交互排料的优化方案，可存储、添加到自动排料规格之中这样系统 就具备了“学习 功能，系统反复使用，功能就会越来越强。国内排料系统存在着局 部排料的不科学不省料等问题，有些可以叠片，而叠片的具体数值很难确定。 国外c a d 软件在排料这一模块中，功能更趋完善。有安全距离、虚位、驳布位、 对条对格等排料设置条件，能更好地指导排料。而国内c a d 软件中，其排料设置条件相 对较少，因此，排料结果与实际生产会有一些误差。 总体而言，国内外服装c a d 系统在排料模块上其功能差别不是很大。 国内常用的c a d 软件有如：美国格柏( g e r b e r ) 服装c a d ，美国p g m 服装c a 0 6 3 0 版，拓普三维( t o p d e s i g n ) 服装设计系统，法国力克( l e c t r a 4 1 ) ，加拿大p a d 派 特，超泽设计( c h a r s e 2 0 0 0 ) 服装设计系统，田岛7 0 完全版绣花设计系统，金顶针 服装设计大师1 6 p g m 版，r i c h p e a c e 富怡服装c a d 4 3 破解版，日升天辰( n a c 2 0 0 0 ) 最新版复制狗版，5 4 带智能笔复制狗版，樵夫服装工作室1 0 2 0 版，德卡( c y b e r ) c a d ，丝绸之路服装c a d ，爱科( e c h 0 ) 服装c a d 。国内服装c a d 软件的应用起步于 九十年代初，目前，服装行业中国外软件的占有率比较高，如美国的p g m 系统，法国 力克( l e c t r a ) 系统加拿大的派特( p a d ) 系统，德国的艾斯特( e s t e r ) 系统，此外还有航 天、爱科、富怡等软件。 本课题在试验的进行过程中应用的是富怡服装软件。 1 4 - 3 人机交互排料系统 这是一种优化算法与人工干预相结合的系统，它将现实技术和应用环境在优化算 1 0 基于经验基础上的非线性规划滋在服装排料技术巾的应用研究 第一帮绪论 法、自动排料相关技术及其成本等还不不能满足生产企业要求的情况下，将掰翦比较 成熟的优化算法和排料人员的经验与知识相结合，翻用优化算法进行初步规划或布局， 再由排料人员进行调整，这样既能保持排料方案有较高的布料利用率，又能兼顾效率 和系统成本。由于在系统设计时考虑了人工干预的因素，对优化算法的要求不再过分 严格，其各种满意度指标容易达到中小服装企业的要求；实际上，即使是国外引进的自 动排料系统，全部由计算机自动完成的排料方案也极为少见，绝大多数方案仍由人机 交互完成豫”。 1 4 4 专家系统结合人机交互排料系统 专家系统墨前还不可能完全模拟入的经验、知识和判断，所以专家系统和优化算 法相结合，可以有效提高自动排料系统的性能，在专家系统结合人机交互的排料模式 中，专家系统可以提高初步规划或布局的合理性；同时，由于人的参与，布料利用率较 少低于入王排料模式，而且它有较离的效率，复杂性和成本又比优化算法结合专家系 统的排料模式低，容易得到较高的认可，所以也是近期值得关注的一种技术。本课题的 设计正是为满足专家对服装软件的开发而进行的研究跚。 1 4 5 矩形法捧料 由予常规服装多是左右对称，纸样在排板时，对称纸样较其它纸样具有更好的吻 合性，但这只是局部最优，是否能够达到整体利用率最高，还要看所有纸样熊排板情 况。通过对一些商业服装排料软件排料图的分析，部分软件采用的是最小包络矩的方 法，也就是是将几个纸样按照一定规律进行组合，寻找这些纸样的最小包络矩形，然 后再将服装纸样的排料翔结为矩形排料的方法嘲。一 由于服装衣片具有丝络、条纹等限定，服装纸样在排料时一般不进行旋转( 但为 了节省面料，在不影响穿着外形的情况下，可以进行少量的移动) ，只是进行镜像操 作，每个纸样只有一个包络矩，即面料的经淘为包络矩的长度方向，纬向为宽度方向。 所以服装与其它行业相比，材料浪费相对较大，这使得矩形法排料在服装行业的应用 具有一定的局限性。服装纸样与最小包络矩的面积相差较大时会影响矩形法排料的利 魇率。 基于经验基础上的非线性规划法在服装排料技术中的应用研究第章绪论 目前国内外开发较成熟的服装排料软件很多，无法询问到各软件开发商是采用哪 种优化方法以及翁静排料方法。毽从舞 料原理、服装捧耩软件的应用以及其他行业的 发展来看，部分服装排料软件中也采用了矩形法进行排料，对于形状比较复杂的纸样 也是先通过组合法包络成矩形，进而再用矩形法进行排料，但是当纸样与包络矩形的 瑟积相差比较大时，就会降低料的利用率。因此最小包络矩形的使用具有一定的局限 性，它只适合一些形状较为单一或较为规则的图形的排料，如由于人体的对称性，服 装排料中的个别部件可以采用单排或对排( 如袖子) 组合成包络矩形再排料，然后将小 纸样填充到矩形的空囱处。 1 4 6 现代优化方法排料 随着现代优化方法的发展，众多学者也尝试将现代傀优方法应用到软件开发中 去，比如g e r b e r 软件就设置纸样按面积或长度来排序1 ，然后再用其它算法进行自 动排料。虽然排料结果比较理想但蕊料利用率还是赶不上人工排料，这是因为计算机 排料时，它最大的优点是运算速度快，僵它只能按照事先设定的算法进行排料，不能 随机应变。而人工排料时可以根据经验灵活的进行排料。人可以通过视觉观察到排料 图哪些部分有空隙可以进一步移动纸样，以提高谣料的利用率，但计算机识别就相对 困难。所以在实际生产中一般是将自动排料与交互排料相结合进行排料。 目前服装排料软件均己考虑工艺要求上的面料边色差，即自动排料时根据衣片 对面料重要等级的要求，限制各自的排料区域，但还没有达到完全按照工艺要求进 行排料。 1 5 课题的研究内容 服装排料面积利用率是衡量服装排料水平的一项重要指标，也是服装企业提高经 济效益的根本途径之一。在有限的空间范围内最大限度的安排材料是实现优化排料的 撮本所在。 为了实现这一优化组合过程，本论文的研究内容主要包括两个方面： ( 1 ) 对经验性排料模式的调研总结。本研究通过对大量的企业排料资料的调研， 并结合人机互动进行摊料试验，总结出经验麴矩形排料模式霆，以便于将简化的服装 1 2 基于经验基础j 二的非线性规划法在服装排料技术中的应用研究第一章绪论 排料问题归纳为二维装箱问题。 ( 2 )把缀装矩形排料模式图表示隽一个非线性规划模型，建立了该非线性规 划问题的一阶必要条件，并通过实例说明这种非线性规划方法具有解决服装排料问题 的有效性。 本文在内容安排上共分五部分：第一部分绪论介绍课题的背景及排料情况；第二 部分介绍影响服装排料的关键技术问题与排料规律总结；第三部分介绍非线性规划方 法相关原理；第四部分非线性规划模型数值算法在服装排料上的实现：第五部分得出 结论。 1 3 基于经验基6 敬t 的非线性规划法搬服装排料技术中的应用研究第二章影响服装排料的关键技术问题岛排料规律 第二章影响服装排料的关键技术问题与排料规律 2 1 服装排料的相关内容 服装排料也称排板、套料，是指一个产品排料图的设计过程，是在满足设计、制 作等要求的前提下，将服装各规格的所有衣片样板在指定的面料幅宽内进行科学的排 列，以最小面积或最短长度排出用料定额，目的是使面料的利用率达到最高，以降低 产品成本，同时给铺料、裁剪等工序提供可行的依据。工业排料是针对大批量服装的 生产，是成衣生产中的一个重要工序，排料时既要针对成衣外观特点、保证裁片的规 格质量，又要节约原料。撵料工艺设计者必须以一定的理论根据菇指导，结合实践经 验技术，合理排料。 2 1 。1 服装捧料酶方法 目前服装排料方法有手工排料和计算机排料两种，但排料质量很大程度上要靠经 验和技巧。 手工排料是指排料放样人员先在纸样上设计并剪下衣片纸样，然后尽可能紧凑、 合理地排放在布料上，最后根据放样结果进行成批裁剪。这种排料方式完全靠排料员 的经验进行，其经济性、科学性、合理性无法验证，面积利用率较高；但时间较长同 时还需要裁剪大量纸样。 传统的手工排料虽然面料的利用率较计算机排料略高，但是人工排料效率低、速 度慢、劳动强度大、差错率高。而计算机排料是根据数学优化原理，利用图形学技术 设计而成的。把传统的摊料作业计算机化，把排料师傅丰富的经验和计算机具有的快 捷、方便、灵活等特征结合起来，从而快速获得较高的面料利用率。计算机辅助排料 与传统手王排料相比，其优势在于以下4 个方瑟秘站： ( 1 ) 计算机排料可多次试排，并精确的计算各种排料图的丽料利用率，以寻找 最佳衣片组合方式，从而获得较高的面料利用率。同时，由于计算机高度的精确性， 不会漏排或重排，降低了差错率。 ( 2 ) 排料操作人员在计算机屏幕上进行排料，一方面可减轻手工排料时来回走 1 4 基于经验基础上的非线性规划法在服装捧料技术中的应用研究第二章影响服装排料的关键技术问题与排料规律 动的劳累：另一方面可通过换屏等操作纵观全局，以进行较好的衣片布局。 ( 3 ) 计算机排料可大大减小手工排料时占用较大的厂房面积、同时排料的信息 有助于用来进行各方面的管理，如估料、成本核算等。 ( 4 ) 计算机排料信息可传输给自动裁床直接用机器代替人工裁剪。 在走访、调研的服装企业中，用c a d 系统排料后都有以下几个特点： ( 1 ) 男装及休闲装排料率较高，这主要是由于男装结构相对简单，外形相对规则， 排料率一般可达8 4 - 8 8 ，甚至可达到9 0 以上。 ( 2 ) 女装及休闲装排料率较低，这主要是由于女装和合体装的吸腰量大，省道多， 外形不规则，一般排料率在8 2 一8 5 左右。 ( 3 ) 多件套排比单件或两件套排效率更高( 套排件数需要根据排料条件和款式决 定) 。 ( 4 ) 有毛向、花向等倒顺向特殊要求的排料率较低，在7 8 左右。 表2 - 1 表明了人工排料与计算机自动排料在排料周期，排料经验，劳动强度，预 先估算排料率，实际排料率方面的比较。从比较结果可以看出，计算机排料周期短， 劳动强度小，对操作人员的排料经验要求低，并且可以预先估算出排料率。目前用交 互式排料一般能够达到与人工排料相同的排料率。 表2 - 1 人工排料与计算机排料的比较 捧料周期捧料经验劳动强度预先估算捧料率实际捧料率 人工捧料长( 通常以时计)需要大不能能达到满意结果 计算机捧料短( 通常以分计)可以不需要小能能达到满意结果 当然，排料还可以按照排料的件数分类，又可以分为单件排料和多件排料。单件 排料一般用于小生产，而多件排料常用于工业排料。单件排料与多件排料有一定的 差距，其节约用料受到一定的限制，耗用量比一般工业排料耗用量多。 2 1 2 服装排料的技术要求 在现有的排料技术中，可以将其按照不同的排料方法分为以下几种啪1 。 ( 1 ) 案板排划技术 任何排料都必须按样板的大小划样，原因是样板工程部门制作的样板已经经过严 1 5 基于经验基础上的非线性规划法在服装排料技术中的应用研究 第二章影响服装排料的关键技术问题与排料规律 格的检查、复核。其中包括缩水率、缝份等各种可能影响规格尺寸的因素都已经考虑 周到，是工业划样的主要依据，为此，划样的形状、规格应与样板制作意图相吻合。 ( 2 ) 衣片的对称性排料技术 组成服装的衣片基本上是对称的，如上衣左、右前片，袖片，裤子左、右裤片等。 在制作样板时，这些对称衣片通常只绘制出一片样板。排料时，要特别注意将样板正、 反各排一次，确保裁出的衣片为一左一右的对称衣片，并注意避免漏排。 ( 3 ) 精密排划技术 衣片与衣片之间要靠近划样，在不影响规格和剪割质量的情况下，有时也可以两 片合用一条划线( 一般指直线部位) ，一刀裁开，这样可以省划和省割一条划线，提高 排料和剪割布料的效率。 套排划样的技术充分利用样板的外形和面料门幅合理套排划样，达到节约用料、 降低成本的目的。服装的衣片样板有大有小，边缘形状也各不相同，有直、斜、方、 圆、凹、凸、长、短等。排料时，首先要做到先排大样，后排小样，这样能充分利用 各大样板之间