Все выпуски

Получены достаточные условия, обеспечивающие сохранение оптимальности маршрута обхода множества вершин при вставке новой вершины между двумя последовательными (в смысле существующего оптимального маршрута) вершинами, а также при удалении вершины с последующим соединением предшествующей и последующей вершин существующего оптимального пути. Проведен ряд экспериментов, демонстрирующих области устойчивости для задачи коммивояжера на плоскости.

The sufficient conditions for the stability of optimal travelling salesman route in case of the insertion of a new vertex between two consequent vertices and in case of the substraction of one vertex are deduced. Number of experiments, demonstrating stability areas and vertices are suggested for the Euclideanplane.

Рассматривается процедура встраивания оптимизируемых фрагментов маршрутных решений в глобальные решения «большой» задачи, определяемые эвристическими алгоритмами. Постановка задачи маршрутизации учитывает некоторые особенности инженерной задачи о последовательной резке деталей, имеющих каждая один внешний и, возможно, несколько внутренних контуров. Последние должны подвергаться резке раньше внешнего, что приводит к большому числу условий предшествования. Данные условия активно используются в интересах снижения сложности вычислений. Тем не менее размерность задачи остается достаточно большой, что, в частности, не позволяет применять «глобальное» динамическое программирование и вынуждает к использованию эвристических алгоритмов (исследуемая задача относится к числу труднорешаемых в традиционном понимании). Поэтому представляет интерес разработка методов коррекции решений, получаемых на основе упомянутых алгоритмов. В настоящей работе такая коррекция реализуется посредством замены фрагментов (упомянутых решений), имеющих умеренную размерность, оптимальными «блоками», конструируемыми на основе динамического программирования с локальными условиями предшествования, которые согласуются с ограничениями исходной «большой» задачи. Предлагаемая замена не ухудшает, а, в типичных случаях, улучшает качество исходного «эвристического» решения, что подтверждается вычислительным экспериментом на многоядерной ПЭВМ.

Предложенный алгоритм реализован в итерационном режиме: полученное после первой вставки на основе динамического программирования решение в виде пары «маршрут-трасса» принимается за исходное, для которого вновь конструируется вставка. При этом начало этой новой вставки выбирается случайно в пределах, определяемых возможностями формирования скользящего «окна» ощутимой, но все же достаточной для применения экономичной версии динамического программирования размерности. Далее процедура повторяется. Работа итерационного алгоритма иллюстрируется решением модельных задач, включая варианты с достаточно плотной «упаковкой» заготовок деталей на листе, что типично для машиностроительного производства.

The article is concerned with the procedure of insertion of optimizable fragments of route solutions into the global solutions of the «big» problem defined by heuristic algorithms. Setting of the route problem takes into account some singularities of the engineering problem about the sequential cutting of details each having one exterior and probably several interior contours. The latter ones must be subjected to cutting previously in comparison with the exterior contour, which leads to a great number of given preceding conditions. These conditions are actively used to decrease the computational complexity. Nevertheless, the problem dimensionality remains sufficiently large that does not permit to use “global’’ dynamic programming and forces heuristic algorithms to be used (the problem under investigation is a hard-solvable problem in the traditional sense). Therefore, it is interesting to develop the methods for correction of solutions based on the above-mentioned algorithms. In the present investigation, such correction is realized by the replacement of fragments (of the above-mentioned solutions) having a moderate dimensionality by optimal “blocks’’ constructed by dynamic programming with local preceding conditions which are compatible with the constraints of the initial “big’’ problem. The proposed replacement does not deteriorate, but, in typical cases, improves the quality of the initial heuristic solution. This is verified by the computing experiment on multi-core computer.

The proposed algorithm is realized in the iterated regime: the solution (in the form of “route-trace’’) obtained after the first insertion on the basis of dynamic programming is taken as an initial solution for which the insertion is constructed again. In addition, the beginning of the new insertion is chosen randomly in the bounds defined by the possibilities of formation of a sliding “window’’ of the appreciable dimensionality which is in fact sufficient for the employment of the economical version of dynamic programming. Further, the procedure is repeated. The operation of the iterated algorithm is illustrated by solution of model problems including the versions with sufficiently dense “packing’’ of parts on a sheet, which is typical for the engineering production.

Рассматривается задача последовательного обхода мегаполисов (непустых конечных множеств) с условиями предшествования и функциями стоимости, зависящими от списка заданий. Постановка ориентирована на инженерные задачи, возникающие в атомной энергетике и связанные со снижением облучаемости работников, а также в машиностроении (маршрутизация движения инструмента при листовой резке на машинах с ЧПУ). Предполагается, что исследуемая задача дискретной оптимизации имеет ощутимую размерность, что вынуждает к использованию эвристик. Обсуждается процедура локального улучшения качества последних посредством применения оптимизирующих мультивставок, определяемых всякий раз в виде конечного дизъюнктного набора вставок. Предполагается, что в каждой вставке используется процедура оптимизации на основе широко понимаемого динамического программирования. Показано, что в «аддитивной» маршрутной задаче вышеупомянутого типа (с ограничениями и усложненными функциями стоимости) улучшения достигаемого результата также агрегируются аддитивно. Предлагаемая конструкция допускает реализацию в виде параллельной процедуры с использованием МВС; при этом отдельные вставки выделяются вычислительным узлам и формируются независимо.

We consider a problem of sequential traversal of megalopolises (nonempty finite sets) with travel cost functions depending on the set of pending tasks and precedence constraints. Its formulation is aimed at engineering problems in fission power generation connected with minimizing the exposure of staff to radiation and in machine engineering (routing of a CNC sheet cutting machine's tool). This discrete optimization problem is assumed to be sufficiently large-scale to necessitate the use of heuristics. We consider a procedure of local improvement for heuristics through a successive application of optimizing multi-inserts-finite disjoint sets of inserts. Each insert is assumed to be optimized by means of a broadly understood dynamic programming procedure. We show that in an “additive” routing problem of this kind (with precedence constraints and complex travel cost functions) the result's improvements are also aggregated additively. The proposed construction admits a parallel implementation for multiprocessor systems; in this case, the inserts are distributed to computational nodes and formed in an independent way.

Получены необходимые и достаточные условия, обеспечивающие сохранение оптимальности маршрута обхода множества вершин при вставке новой вершины между двумя последовательными (в смысле существующего оптимального маршрута) вершинами. Предложен алгоритм построения областей устойчивости, проведен ряд экспериментов для задачи коммивояжера на евклидовой плоскости.

The criterion for the stability of optimal travelling salesman route in case of the insertion of a new vertex between two consequent vertexes is deduced. Number of experiments demonstrating stability areas are suggested for the Euclidean plane.

Рассматривается модификация ранее разработанного генератора шестигранных сеток из воксельных данных для построения моделей, заданных в форме CAD геометрии. Генератор относится к семейству методов, основанных на модификации регулярной сетки, и является универсальным с точки зрения возможности использования в качестве исходных данных как объемного (воксельного), так и STL-поверхностного представления геометрии модели. В настоящее время алгоритм работает с CAD моделями, описанными в хорошо известном формате STL. Вместе с тем, метод позволяет обрабатывать поверхности более высокого порядка, описанные в произвольном формате, если определены соответствующие процедуры для операций проекции и пересечения. Для определения начальной позиции узлов сетки используется полученный из STL-геометрии файл объемных данных в виде «знакопределенных полей расстояний». Разработана специальная процедура проецирования с целью адаптации построенной ортогональной сетки к границам модели. Данный подход обеспечивает аппроксимацию острых ребер и углов и выполняется перед любыми другими операциями построения сетки. Реализован дополнительный функционал для улучшения качества сетки, включающий вставку дополнительных граничных слоев, разбиение ячеек плохого качества и оптимизированное сглаживание узлов. Алгоритм протестирован на значительном числе моделей, часть из которых приведена в качестве примеров.

We consider a modification of the previously developed voxel-based mesh algorithm to generate models given in STL-geometry format. Proposed hexahedral mesh generator belongs to the family of grid methods, and is general-purpose in terms of a capability to use as source data both volume (voxel) and STL-surface representation of model geometry. For now, the algorithm works with CAD models described in the well-known STL format. However, it also allows to handle higher-order surface patches defined in an arbitrary format if appropriate procedures for projection and intersection operations will be specified. To define the initial position of mesh nodes, a “signed distance field” volume data file, obtained from the STL-geometry, is used. A special projection technique was developed to adapt constructed orthogonal mesh on the model's boundary. It provides an approximation of sharp edges and corners and is performed before running any other operations with the mesh. Finally, to improve the quality of the mesh, additional procedures were implemented, including boundary layers insertion, bad quality cells splitting, and optimization-based smoothing technique. The algorithm has been tested on a sufficient number of models, some of which are given as examples.

Рассматривается задача последовательного обхода мегаполисов с ограничениями в виде условий предшествования и функциями стоимости, допускающими зависимость от списка заданий. Постановки такого типа могут, в частности, возникать в атомной энергетике при исследовании вопросов, связанных со снижением облучаемости работников при перемещении в радиационных полях с целью выполнения комплекса работ, связанных с демонтированием излучающих элементов. Другое применение разрабатываемых в работе методов связано с важной инженерной задачей о маршрутизации движения инструмента при листовой резке на машинах с числовым программным управлением. Последняя задача имеет, как правило, достаточно большую размерность и большое число условий предшествования: у деталей, имеющих не только внешний, но один или несколько внутренних контуров (простейший пример - шайба), резка последних должна осуществляться раньше, чем резка внешнего контура (в роли мегаполисов здесь выступают конечные множества, располагаемые вблизи соответствующих контуров). Возможная зависимость функций стоимости от списка заданий может в данном случае отражать те или иные технологические условия. Подчеркнем, что ощутимая размерность, характеризуемая совокупностью всех контуров, подлежащих резке, приводит к необходимости использования эвристик, а потому вопросы, касающиеся хотя бы локального улучшения решений, представляются достаточно важными для исследования.

Основное внимание в работе уделяется построению оптимизирующих вставок в усложненных условиях: требуется редуцировать фрагмент условий предшествования и трансформировать соответствующие функции стоимости; в последнем случае важно сохранить в надлежащей форме зависимость от списка заданий. Оба упомянутых обстоятельства учитываются при построении процедуры, имеющей смысл алгоритма на функциональном уровне.

The problem of sequential circuit of megalopolises with precedence conditions and cost functions that permit a dependence on tasks list is considered. Such problems can arise, in particular, in atomic energetic while investigating the questions connected with lowering of workers irradiation under permutations in radiative fields for realization of services connected with division of radiating elements. Another application of the developed methods is connected with important engineering problem of routing the instrument movements under the leaf cutting on numerically controlled machines. This problem has sufficiently large dimensionality and many precedence conditions: if a detail has not only exterior but at least one interior contours (the simplest example is a washer) then the interior contours must be cut before the cutting of exterior contour (finite sets located near corresponding contours are used as megalopolises). In this case the possible dependence of cost functions on tasks list can reflect various technological conditions. We note that perceptible dimensionality characterized by all contours in total leads to necessity of heuristics employment. Therefore, questions concerning at least local improvement of solutions appear sufficiently important for the investigation.

The basic attention in the article is devoted to the construction of optimizing insertions in complicated conditions: it is required to reduce the fragment of precedence conditions and to transform the corresponding cost functions; in the last case, it is important to preserve the dependence on tasks list. Both above-mentioned moments are taken into account under the procedure construction having the sense of algorithm on functional level.

Рассматривается задача маршрутизации с условиями предшествования и функциями стоимости, зависящими от списка заданий, что отвечает потребностям инженерных приложений. В частности, упомянутые особенности имеются в постановках некоторых задач, возникающих в атомной энергетике и машиностроении. Исследуются вопросы, связанные с последовательным обходом мегаполисов и выполнением, при их посещении, некоторых (внутренних) работ. Предлагается процедура локального улучшения эвристических решений для задач ощутимой размерности, использующая вставки на основе динамического программирования. Последнее реализуется в виде варианта, не предусматривающего (при наличии условий предшествования) построение «полного» массива значений функции Беллмана. На этапе поиска локализации вставки предполагается ограничиваться вариантом беллмановской процедуры, доставляющей экстремум (локального) критерия без построения соответствующего решения в виде пары «маршрут-трасса». Более полная и более затратная в смысле ресурсов памяти процедура, включающая нахождение упомянутого (локально оптимального) решения, планируется после выбора локализации вставки.

The route problem with precedence conditions and cost functions depending on the jobs list is considered; these singularities correspond to engineering applications. In particular, the above-mentioned singularities exist in statements of some problems arising in nuclear energetics and in machines with numerical control. Problems involved in sequentially circuiting megalopolises and in carrying out some (interior) work during these circuits are investigated. A procedure for local improvement of heuristic solutions for problems of perceptible dimension is proposed; this procedure exploits insertions on the dynamic programming base. Dynamic programming is realized in the form of a variant that does not provide for construction of a “full” array of values of the Bellman function. The search for localization of an insertion involves restricting to the variant of the Bellman procedure that realizes the extremum of the (local) criterion without constructing a corresponding solution in the form of a route-track pair. A more complete and more cost-intensive (in the sense of memory resources) procedure including determination of the above-mentioned (local optimal) solution is planned after the choice of the insertion localization.