本发明涉及货物堆载技术领域，具体涉及一种兼顾方便性和稳定性的托盘装载堆码方法。
背景技术：
托盘作为一种重要的货物堆载工具，在现代物流中广泛使用，大大提高了货物的装卸效率以及码垛的安全性，托盘拥有量已逐渐成为一个国家物流现代水水平的衡量指标之一。为了提高托盘的面积利用率，降低运输物流成本，有关托盘装载优化设计的相继推出，如美国capesystems软件公司开发的capepack软件，美国tops公司研制的topspro软件，lorenzpanag公司开发的在线托盘装载优化系统，palletstacking公司开发的palletstacking托盘装载优化软件，koona公司开发的quickpalletmaker软件，美国木制托盘和容器协会与美国弗吉尼亚理工大学托盘和容器研究实验室、美国农业部林产品实验室等单位联合开发的thepalletdesignsystem等等。以上堆载优化软件功能先进，但是价格较为昂贵，同时，英文界面也不利于在国内的推广使用。目前，国内已有学者开始研究如何提高托盘表面利用率和仓储空间利用率。在装载优化方面，当前国内较为成熟的优化软件有北京达纬恒通信息技术有限公司开发的装箱大师，青岛科力特公司开发的集合包装设计软件，百适优化公司开发了smartpacpro等。
以上系统均能以面积利用率最高为目标快速给出优化方案，但均未考虑托盘装载的堆垛稳定性的问题。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种兼具方便性和稳定性的托盘装载堆码方法，旨在考虑堆码方便性和稳定性的情况下给出相应的装载优化方式，并兼顾实现托盘装载的表面利用率最大化。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
设计一种兼具方便性和稳定性的托盘装载堆码方法，基于重叠式或纵横交错式堆码，以lb表示纸箱长，wb表示纸箱宽、lt表示托盘长、wt表示托盘宽、μ为托盘上的货物宽度超出容许上限、η为长度超出容许上限，包括如下步骤：
当按lb对lt、wb对wt排列时，用lt η×2除以lb得出托盘长度方向排列的货物数量a，然后用wt μ×2除以wb得出托盘宽度方向排列的货物数量b，a×b即为单层堆载数量；
当按wb对lt、lb对wt排列时，用lt 0.04×2除以wb得出托盘长度方向排列的货物数量c，然后用wt 0.05×2除以lb得出托盘宽度方向排列的货物数量d，c×d即为单层堆载数量；
如果a×b>c×d,则选用按纸箱长对托盘长、纸箱宽对托盘宽排列；如果a×b<c×d,则选用按纸箱宽对托盘长、纸箱长对托盘宽排列；如果a×b＝c×d,则选用纵横交错堆码，以提高堆码的稳定性。
另一种兼具方便性和稳定性的托盘装载堆码方法，基于正反交错堆码，以lb表示纸箱长，wb表示纸箱宽、lt表示托盘长、wt表示托盘宽、μ为托盘上的货物宽度超出容许上限、η为长度超出容许上限，包括如下步骤：
当沿托盘长边方向，按先排箱宽对托盘宽，再排箱长对托盘宽排列时，且满足以下约束条件后：
式①、②中，
箱宽对托盘宽排列的数量
箱宽对托盘长排列的数量nwb→lt为：
箱长对托盘宽排列的数量nlb→wt为：
则单层堆码的数量为：
当沿托盘宽边方向，按先排箱宽对托盘宽，再排箱长对托盘宽排列时，且满足以下约束条件后：
式⑦、⑧中，
箱长对托盘长排列的数量nlb→lt为：
箱宽对托盘长排列的数量nwb→lt为：
箱长对托盘宽排列的数量nlb→wt为：
则单层堆码的数量为：
最后从以上两种方式种取排列箱体数量最多的者即可。
再一种兼具方便性和稳定性的托盘装载堆码方法，基于旋转交错堆码，以lb表示纸箱长，wb表示纸箱宽、lt表示托盘长、wt表示托盘宽、x表示箱长对托盘长的数量、y表示箱宽对托盘宽的数量，包括如下步骤：
避免箱体在托盘中心处交叉重叠的约束条件如下：
lt≥2×x×lb
z×lb≤y×wb
或者，
lt≤2×x×lb
z×lb≥y×wb
其中，
则单层箱体排列总数量为：
从中选择箱体排列数量最多的排列组合即可。
与现有技术相比，本发明的主要有益技术效果在于：
1.本发明基于四种托盘堆码方式(简单重叠、正反交错、纵横交错和旋转交错)，在考虑堆码方便性和稳定性的前提下，有效识别出了托盘装载过程中相关的边界约束条件，并提出相应的装载算法及流程，兼顾实现了托盘装载的表面利用率最大化的目标。
2.本发明方法可以大大减少堆码方式设计过程中的计算量与分析比较的时间，大大提高工作效率，具有极大的实用价值。
附图说明
图1为本发明实施例中lb对lt、wb对wt的重叠式堆码示意图。
图2为本发明实施例中wb对lt、lb对wt的重叠式堆码示意图。
图3为本发明重叠式及纵横交错式堆码优化流程图。
图4为本发明实施例中正反交错堆码示意图。
图5为本发明实施例中箱体缝隙大于或等于箱宽的示意图。
图6为本发明实施例中箱体缝隙大于或等于箱宽的示意图。
图7为本发明正反交错堆码优化流程图。
图8为本发明实施例中旋转交错堆码示意图。
图9为本发明实施例中中心交叉重叠的情况示意图。
图10为本发明旋转交错堆码优化流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例来说明本发明的具体实施方式，但以下实施例只是用来详细说明本发明，并不以任何方式限制本发明的范围。
托盘堆码方式一般有：简单重叠式、正反交错式、纵横交错式和旋转交错式四种形式。以下实施例中基于以上四种堆码方式进行优化，以提高物流过程中托盘装载设计的科学性，综合考虑托盘表面利用率和堆码稳定性，降低设计人员的工作量，有效降低物流成本。
在以下各实施例中，以lb表示纸箱长，wb表示纸箱宽、lt表示托盘长、wt表示托盘宽。
实施例1：重叠式及纵横交错式堆码优化方法
1.1按lb对lt、wb对wt排列
在托盘装载时，我国铁道部规定托盘上的货物宽度不能超出0.04m，长度不能超出0.05m；国外有些航运公司规定的超出范围在0.0254～0.026m。本例中基于我国铁道部规定的标准而实施。图1为在托盘上进行重叠式堆码的示意图。
用lt 0.05×2除以lb得出托盘长度方向排列的货物数量a，然后用wt 0.04×2除以wb得出托盘宽度方向排列的货物数量b，a×b即为单层堆载数量。
1.2按wb对lt、lb对wt排列
用lt 0.04×2除以wb得出托盘长度方向排列的货物数量c，然后用wt 0.05×2除以lb得出托盘宽度方向排列的货物数量d，c×d即为单层堆载数量。
然后比较a×b与c×d的值。如果a×b>c×d,则选用按纸箱长对托盘长、纸箱宽对托盘宽排列；如果a×b<c×d,则选用按纸箱宽对托盘长、纸箱长对托盘宽排列；如果a×b＝c×d,则选用纵横交错堆码，以提高堆码的稳定性。具体流程如图3所示。
实施例2：正反交错堆码优化方法
正反交错式堆码奇、偶层的堆码图谱相差180°，奇、偶层货物之间搭接性好，码垛稳定性高；对于长方形托盘和正方形托盘均适用，单层码放形式如图4所示；由于长方形托盘长宽不同，从不同方向进行排列对于正反交错堆码方式有较大的影响；因此，从以下两个方向的排列形式上进行分析与优化。
2.1从托盘长方向，按先排箱宽对托盘宽，再排箱长对托盘宽排列
由于货物长宽比的多样性，因此会出现横向排列箱体之前的缝隙大于或等于箱宽的情况，如图5所示，导致无法正反交错堆码；因此这种情况需要排除。限定条件为公式(1)：
式中符号含义如下：
wb:箱宽；
将箱长对托盘长的数量n1从1开始增加，直到(lt-wb)/lb这个数量，n1的取值范围如式(2)所示：
箱宽对托盘宽排列的数量
箱宽对托盘长排列的数量nwb→lt为：
箱长对托盘宽排列的数量nlb→wt为：
因此，单层堆码的数量为：
2.2从托盘宽方向，按先排箱宽对托盘宽，再排箱长对托盘宽排列
同图5的原因一样，图6所示排列方式也无法进行正反交错堆码，因此这种情况也需要排除：限定条件如公式(7)所示。
将箱宽对托盘宽的数量n2从1开始增加，直到(wt-lb)/wb这个数量，n2的取值范围如公式(8)所示：
箱长对托盘长排列的数量nlb→lt为：
箱宽对托盘长排列的数量nwb→lt为：
箱长对托盘宽排列的数量nlb→wt为：
因此，单层堆码的数量为：
以上两种排列方式均可得到一系列的排列组合方式，每种方式具有不同的单层排列数量，托盘的表面利用率也不同，因此从以上两种方式种取排列数量最多的者，也就是表面利用率最大的方案为最优结果。正反交错堆码方式优化的流程如图7所示。
实施例3：旋转交错堆码优化方法
旋转交错相邻两层之间如果按旋转关系排列的话，上下两层之间仍为简单的重叠堆码，并没有交错，达不到增强堆码稳定性的作用，所以旋转交错层间关系应该是镜像关系，而非旋转关系。因此，这种堆码方式不仅适用于正方形托盘，而且适用于长方形托盘。堆码形式如图8所示。
图中x为箱长对托盘长的数量
z为当y为某一个数值时，剩余的托盘宽度范围内可容纳的箱长对托盘宽的数量：
在单层排列过程中，一些箱体尺寸会出现在中心处交叉重叠的现象，如图9所示，为了避免9(a)这种现象的出现，需要设定限定条件对这些排列方式进行排除，第一种限定条件公式为式(15)和式(16)：
lt≥2×x×lb(15)；
z×lb≤y×wb(16)。
单层排列数量为：
2×(x×y w×z)(17)；
避免图9(b)所示现象的第二种限定条件为式(18)和式(19)：
lt≤2×x×lb(18)；
z×lb≥y×wb(19)；
单层排列数量仍为式(17)所示的计算方法。
以上两种限定条件均可得到一系列的排列组合方式，每种方式具有不同的单层排列数量，托盘的表面利用率也不同，因此从以上两种方式种取排列数量最多的者，也就是表面利用率最大的方案为最优结果。旋转交错堆码方式优化的流程如图10所示。
上面结合附图和实施例对本发明作了详细的说明，但是，所属技术领域的技术人员能够理解，在不脱离本发明构思的前提下，还可以对上述实施例中的各个具体参数进行变更，或者是对相关步骤、方法进行等同替代，从而形成多个具体的实施例，均为本发明的常见变化范围，在此不再一一详述。
1.一种兼具方便性和稳定性的托盘装载堆码方法，基于重叠式或纵横交错式堆码，其特征在于，以lb表示纸箱长，wb表示纸箱宽、lt表示托盘长、wt表示托盘宽、μ为托盘上的货物宽度超出容许上限、η为长度超出容许上限，包括如下步骤：
当按lb对lt、wb对wt排列时，用lt η×2除以lb得出托盘长度方向排列的货物数量a，然后用wt μ×2除以wb得出托盘宽度方向排列的货物数量b，a×b即为单层堆载数量；
当按wb对lt、lb对wt排列时，用lt 0.04×2除以wb得出托盘长度方向排列的货物数量c，然后用wt 0.05×2除以lb得出托盘宽度方向排列的货物数量d，c×d即为单层堆载数量；
如果a×b>c×d,则选用按纸箱长对托盘长、纸箱宽对托盘宽排列；如果a×b<c×d,则选用按纸箱宽对托盘长、纸箱长对托盘宽排列；如果a×b＝c×d，则选用纵横交错堆码，以提高堆码的稳定性。
2.一种兼具方便性和稳定性的托盘装载堆码方法，基于正反交错堆码，其特征在于，以lb表示纸箱长，wb表示纸箱宽、lt表示托盘长、wt表示托盘宽、μ为托盘上的货物宽度超出容许上限、η为长度超出容许上限，包括如下步骤：
当沿托盘长边方向，按先排箱宽对托盘宽，再排箱长对托盘宽排列时，且满足以下约束条件后：
式①、②中，
箱宽对托盘宽排列的数量
箱宽对托盘长排列的数量nwb→lt为：
箱长对托盘宽排列的数量nlb→wt为：
则单层堆码的数量为：
当沿托盘宽边方向，按先排箱宽对托盘宽，再排箱长对托盘宽排列时，且满足以下约束条件后：
式⑦、⑧中，
箱长对托盘长排列的数量nlb→lt为：
箱宽对托盘长排列的数量nwb→lt为：
箱长对托盘宽排列的数量nlb→wt为：
则单层堆码的数量为：
最后从以上两种方式种取排列箱体数量最多的者即可。
3.一种兼具方便性和稳定性的托盘装载堆码方法，基于旋转交错堆码，其特征在于，以lb表示纸箱长，wb表示纸箱宽、lt表示托盘长、wt表示托盘宽、x表示箱长对托盘长的数量、y表示箱宽对托盘宽的数量，包括如下步骤：
避免箱体在托盘中心处交叉重叠的约束条件如下：
或者，
其中，
则单层箱体排列总数量为：
从中选择箱体排列数量最多的排列组合。
技术总结