/*
* Führt den 2-Opt Algorithmus aus, um eine lokal optimale Bahnplanung zu erreichen
*/
public Druckfolge _2Opt(Druckfolge initialLösung, Graph_ graph, bool isInfill)
{
Druckfolge _2optLösung = new Druckfolge(initialLösung);
Druckfolge neueLösung = _2optLösung.DeepCopy();
/*
* Die Inkremente für i,j bestimmten fast vollständig die Laufzeit des gesamten Programms und sind deshalb
* je nach Fall anzupassen.
* Kleine Inkremente: Liefern eine Bahnplanung mit geringeren Kosten, aber die Laufzeit des Programms steigt exponentiell
* Große Inkremente: Liefern eine Bahnplanung mit höheren Kosten, aber die Laufzeit bleibt sehr gering
*/
for (int i = 0; i < graph.GetVoxelKoordinaten().Count; i += graph.GetVoxelKoordinaten().Count / 20)
{
for (int j = 1; j < graph.GetVoxelKoordinaten().Count; j += graph.GetVoxelKoordinaten().Count / 40)
{
neueLösung = _2optLösung.DeepCopy();
_2OptSwap(neueLösung, graph.GetVoxelKoordinaten(), isInfill, i, j);
if (!(neueLösung.GetGesamtkosten() > _2optLösung.GetGesamtkosten()))
{
_2optLösung = neueLösung.DeepCopy();
}
}
}
return(_2optLösung);
}
/*
* Umwandlung einer Voxelschicht zu einem Graphen. Anhand von Nachbarschaften werden kosten für die Kanten festgelegt, und absetzpunkte werden definiert.
* Ein Absetzpunkt ensteht immer wenn ein Voxel nicht direkt zu einem der 26 umliegenden (oder sich selbst) benachbart ist.
*/
private Graph_ VoxelToGraph(List <Voxel> voxel)
{
Graph_ graph = new Graph_();
foreach (var v in voxel)
{
List <double> graphElemente = new List <double>();
foreach (var w in voxel)
{
int[] distanz = new int[3] {
0, 0, 0
};
distanz = v.VoxelKoordinatenDistanz(w);
/*
* Berechne für alle Benachbarten und nicht benachbarten Knoten jeden Knotens, die Distanz
* zu den anderen Knoten. Füge die VoxelKoordinaten hinzu. Nachbarschaftsfunktion je nach Druckwunsch auswählen
*/
if (v.IsNeighbor6(w))
{
graphElemente.Add(EudklidDistanzAusVoxelDistanz(distanz));
}
else
{
graphElemente.Add(ABSETZKOSTEN + EudklidDistanzAusVoxelDistanz(distanz));
}
}
graph.AddGraphElement(graphElemente);
graph.AddVoxelKoordinaten(v.getKoords());
}
MarkiereEigenknoten(graph);
return(graph);
}
/*
* Generieren einer ersten Bahnplanungslösung mit dem Nearest-Neighbor Verfahren
* 1. Es wird ein Ausgangsknoten festgelegt
* 2. Von diesem Knoten aus wird die Kante mit den geringsten Kosten gesucht
* 3. Der Knoten der an dieser Kante hängt wird als nächstes in die Prioritätsliste einsortiert
* 4. Die Kosten werden Summiert
* 5. Wiederhole 2. bis keine Knoten mehr vorhanden sind
*/
private Druckfolge NearestNeighbor(Graph_ graph, int startNode)
{
Druckfolge initialLösung = new Druckfolge();
// 1. Startpunkt = Erster Knoten
int aktuellerKnoten = startNode;
int minimumKnotenNummer = startNode;
MarkiereKnoten(aktuellerKnoten, graph);
initialLösung.AddPriority((uint)startNode);
for (int i = 0; i < graph.GetGraph().Count - 1; i++)
{
double minimum = MARKIERKOSTEN * 10;
for (int j = 0; j < graph.GetGraph().Count; j++)
{
if (graph.GetGraphElement(aktuellerKnoten, j) < minimum)
{
minimum = graph.GetGraphElement(aktuellerKnoten, j);
minimumKnotenNummer = j;
}
}
// Füge den Knoten mit günstigster Kante in die Druckreihenfolge ein
initialLösung.AddPriority((uint)minimumKnotenNummer);
initialLösung.SummiereGesamtkosten((uint)minimum);
// Aktualisiere den Knoten von dem aus die günstigste Kante gesucht wird
aktuellerKnoten = minimumKnotenNummer;
MarkiereKnoten(aktuellerKnoten, graph);
}
return(initialLösung);
}
public Bahn Bahnplanung(List <Voxel> voxelList, int layerIndex)
{
/*
* Teilen der gesamten Voxelliste in Randvoxel und Rest, damit unterschiedliche Bahnen geplant werden können
* splitList[0] enthält Schichtränder
* splitList[1] enthält alle anderen Voxel
*/
List <List <Voxel> > splitList = new List <List <Voxel> >(SplitVoxelList(voxelList));
/*
* Erstelle zwei Graphen : Randvoxel-Graph und Restvoxel-Graph
* False und True zeigen hier jeweils nur an ob es sich bei den Verarbeitungsschritten um
* Infillvoxel handelt oder nicht, wegen der Nachbarschaftskontrolle
*/
Graph_ randGraph = new Graph_(VoxelToGraph(splitList[0], false));
Graph_ restGraph = new Graph_(VoxelToGraph(splitList[1], true));
// Erstellen der Druckfolgen
Druckfolge initialRand = new Druckfolge();
Druckfolge initialRest = new Druckfolge();
Druckfolge _2optRand = new Druckfolge();
Druckfolge _2optRest = new Druckfolge();
Druckfolge optimizedRand = new Druckfolge(0.0);
Druckfolge optimizedRest = new Druckfolge(0.0);
/*
* Da nur lokale Optima bestimmt werden, werden mehrere Durchläufe erzeugt, von denen das Beste ausgewählt wird.
*/
for (int NNRUNS = 0; NNRUNS < ANZAHL_NNRUNS; NNRUNS++)
{
Random randomizer = new Random();
int startNodeRand = (randomizer.Next(0, randGraph.GetGraph().Count - 1));
int startNodeRest = (randomizer.Next(0, restGraph.GetGraph().Count - 1));
// Generieren einer NN-Tour mit random Startknoten
initialRand = NearestNeighbor(randGraph.DeepCopy(), startNodeRand);
initialRest = NearestNeighbor(restGraph.DeepCopy(), startNodeRest);
// Verbesserung der initialen Lösung durch 2-opt
_2optRand = _2Opt(initialRand, randGraph.DeepCopy(), false);
_2optRest = _2Opt(initialRest, restGraph.DeepCopy(), true);
//Behalten des besten lokalen Optimums
if (_2optRand.GetGesamtkosten() < optimizedRand.GetGesamtkosten())
{
optimizedRand = _2optRand.DeepCopy();
}
if (_2optRest.GetGesamtkosten() < optimizedRest.GetGesamtkosten())
{
optimizedRest = _2optRest.DeepCopy();
}
}
Bahn bahn = new Bahn(splitList, randGraph, restGraph, optimizedRand, optimizedRest, layerIndex);
return(bahn);
}
/*
* Markiert die Kante eines Knotens zu sich selbst damit diese nicht als Weg eingetragen wird,
* unter Berücksichtigung der Matrixeigenschaft der Liste von Listen.
*/
private Graph_ MarkiereEigenknoten(Graph_ graph)
{
for (int i = 0; i < graph.GetGraph().Count; i++)
{
graph.SetGraph(graph.GetGraphElement(i, i) + MARKIERKOSTEN, i, i);
}
return(graph);
}
//DeepCopy eines Graphen
public Graph_ DeepCopy()
{
Graph_ deepCopy = new Graph_();
deepCopy.m_graph = new List <List <double> >(GetGraph());
deepCopy.m_VoxelKoordinaten = new List <ushort[]>(m_VoxelKoordinaten);
return(deepCopy);
}
//Setter
public void SetBahn(Bahn bahn)
{
m_splitList = bahn.m_splitList;
m_randGraph = bahn.m_randGraph;
m_restGraph = bahn.m_restGraph;
m_optimizedRand = bahn.m_optimizedRand;
m_optimizedRest = bahn.m_optimizedRest;
m_layerIndex = bahn.m_layerIndex;
}
//Markiert einen Knoten, für alle anderen Knoten in den Kostenlisten
private static Graph_ MarkiereKnoten(int knoten, Graph_ graph)
{
for (int i = 0; i < graph.GetGraph().Count; i++)
{
graph.SetGraph(graph.GetGraphElement(i, knoten) + MARKIERKOSTEN, i, knoten);
}
graph.SetGraph(graph.GetGraphElement(knoten, knoten) - MARKIERKOSTEN, knoten, knoten);
return(graph);
}
public Bahn(List <List <Voxel> > splitList,
Graph_ randGraph,
Graph_ restGraph,
Druckfolge optimizedRand,
Druckfolge optimizedRest,
int layerIndex)
{
m_splitList = splitList;
m_randGraph = randGraph;
m_restGraph = restGraph;
m_optimizedRand = optimizedRand;
m_optimizedRest = optimizedRest;
m_layerIndex = layerIndex;
}
public Druckfolge _2Opt(Druckfolge initialLösung, Graph_ graph)
{
Druckfolge _2optLösung = new Druckfolge(initialLösung);
Druckfolge neueLösung = _2optLösung.DeepCopy();
for (int improve = 0; improve < 5; improve++)
{
for (int i = 0; i < graph.GetVoxelKoordinaten().Count; i++)
{
for (int j = i + 1; j < graph.GetVoxelKoordinaten().Count; j++)
{
neueLösung = _2optLösung.DeepCopy();
_2OptSwap(neueLösung, graph.GetVoxelKoordinaten(), i, j);
if (!(neueLösung.GetGesamtkosten() > _2optLösung.GetGesamtkosten()))
{
_2optLösung = neueLösung.DeepCopy();
}
}
}
}
return(_2optLösung);
}
public void Bahnplanung(List <Voxel> voxelList)
{
/*
* Teilen der gesamten Voxelliste in Randvoxel und Rest, damit unterschiedliche Bahnen geplant werden können
* splitList[0] enthält Schichtränder
* splitList[1] enthält alle anderen Voxel
*/
List <List <Voxel> > splitList = new List <List <Voxel> >(SplitVoxelList(voxelList));
// Erstelle zwei Graphen : Randvoxel-Graph und Restvoxel-Graph
Graph_ randGraph = new Graph_(VoxelToGraph(splitList[0]));
Graph_ restGraph = new Graph_(VoxelToGraph(splitList[1]));
// Erstellen der Druckfolgen
Druckfolge initialRand = new Druckfolge();
Druckfolge initialRest = new Druckfolge();
Druckfolge _2optRand = new Druckfolge();
Druckfolge _2optRest = new Druckfolge();
Druckfolge optimizedRand = new Druckfolge();
Druckfolge optimizedRest = new Druckfolge();
for (int NNRUNS = 0; NNRUNS < 10; NNRUNS++)
{
Random randomizer = new Random();
int startNode = (randomizer.Next(0, restGraph.GetGraph().Count));
// Generieren einer NN-Tour mit random Startknoten
initialRand = NearestNeighbor(randGraph.DeepCopy(), startNode);
initialRest = NearestNeighbor(restGraph.DeepCopy(), startNode);
// Verbesserung der initialen Lösung durch 2-opt
_2optRand = _2Opt(initialRand, randGraph.DeepCopy());
_2optRest = _2Opt(initialRest, restGraph.DeepCopy());
//Behalten des besten lokalen Optimums
if (_2optRand.GetGesamtkosten() < optimizedRand.GetGesamtkosten())
{
optimizedRand = _2optRand.DeepCopy();
}
if (_2optRest.GetGesamtkosten() < optimizedRest.GetGesamtkosten())
{
optimizedRest = _2optRest.DeepCopy();
}
}
// Textoutput für Koordinate(X,Y,Z), Priority
string path = "F:\\Uni\\Uni WS 17_18\\Studienprojekt\\ProgrammierKram\\GraphUmwandlung";
using (StreamWriter outputFile = new StreamWriter(path + @"\Data.txt"))
{
uint index = 0;
for (int i = 0; i < restGraph.GetVoxelKoordinaten().Count; i++)
{
index = optimizedRest.GetPriorityItem(i);
outputFile.Write(restGraph.GetVoxelKoordinate(0, (int)index) + " " +
restGraph.GetVoxelKoordinate(1, (int)index) + " " +
restGraph.GetVoxelKoordinate(2, (int)index) + "\r\n");
}
}
using (StreamWriter outputFile = new StreamWriter(path + @"\DataINIT.txt"))
{
uint index = 0;
for (int i = 0; i < restGraph.GetVoxelKoordinaten().Count; i++)
{
index = initialRest.GetPriorityItem(i);
outputFile.Write(restGraph.GetVoxelKoordinate(0, (int)index) + " " +
restGraph.GetVoxelKoordinate(1, (int)index) + " " +
restGraph.GetVoxelKoordinate(2, (int)index) + "\r\n");
}
}
}
public Graph_(Graph_ graph)
{
m_graph = graph.m_graph;
m_VoxelKoordinaten = graph.m_VoxelKoordinaten;
}
public void Bahnplanung(List <Voxel> voxelList,
double robotGeschwindigkeit,
double extrusionsGeschwindigkeit,
string path,
string fileName,
int layerIndex)
{
/*
* Teilen der gesamten Voxelliste in Randvoxel und Rest, damit unterschiedliche Bahnen geplant werden können
* splitList[0] enthält Schichtränder
* splitList[1] enthält alle anderen Voxel
*/
List <List <Voxel> > splitList = new List <List <Voxel> >(SplitVoxelList(voxelList));
/*
* Erstelle zwei Graphen : Randvoxel-Graph und Restvoxel-Graph
* False und True zeigen hier jeweils nur an ob es sich bei den Verarbeitungsschritten um
* Infillvoxel handelt oder nicht, wegen der Nachbarschaftskontrolle
*/
Graph_ randGraph = new Graph_(VoxelToGraph(splitList[0], false));
Graph_ restGraph = new Graph_(VoxelToGraph(splitList[1], true));
// Erstellen der Druckfolgen
Druckfolge initialRand = new Druckfolge();
Druckfolge initialRest = new Druckfolge();
Druckfolge _2optRand = new Druckfolge();
Druckfolge _2optRest = new Druckfolge();
Druckfolge optimizedRand = new Druckfolge();
Druckfolge optimizedRest = new Druckfolge();
for (int NNRUNS = 0; NNRUNS < 5; NNRUNS++)
{
Random randomizer = new Random();
int startNodeRand = (randomizer.Next(0, randGraph.GetGraph().Count - 1));
int startNodeRest = (randomizer.Next(0, restGraph.GetGraph().Count - 1));
// Generieren einer NN-Tour mit random Startknoten
initialRand = NearestNeighbor(randGraph.DeepCopy(), startNodeRand);
initialRest = NearestNeighbor(restGraph.DeepCopy(), startNodeRest);
// Verbesserung der initialen Lösung durch 2-opt
_2optRand = _2Opt(initialRand, randGraph.DeepCopy(), false);
_2optRest = _2Opt(initialRest, restGraph.DeepCopy(), true);
//Behalten des besten lokalen Optimums
if (_2optRand.GetGesamtkosten() < optimizedRand.GetGesamtkosten())
{
optimizedRand = _2optRand.DeepCopy();
}
if (_2optRest.GetGesamtkosten() < optimizedRest.GetGesamtkosten())
{
optimizedRest = _2optRest.DeepCopy();
}
}
/*
* Textoutput für Koordinate(X,Y,Z), Orientierung(Winkel1,Winkel2,Winkel3), Robotergeschwindigkeit,
* Extrusionsgeschwindigkeit vom Vorgänger zu diesem Punkt, Nummer der Schicht
*/
List <bool> absetzPunkte = new List <bool>();
List <double> absetzDouble = new List <double>();
absetzPunkte.Add(false);
int index = 0;
int index2 = 0;
using (StreamWriter outputFile = File.AppendText(path + fileName))
{
Voxel v = new Voxel(randGraph.GetVoxelKoordinatenAtIndex(0));
Voxel v2;
for (int i = 0; i < splitList[0].Count; i++)
{
if (absetzPunkte[i])
{
//Hier Extrusionsgeschwindigkeit eintragen
absetzDouble.Add(extrusionsGeschwindigkeit);
}
else
{
absetzDouble.Add(0);
}
index = (int)optimizedRand.GetPriorityItem(i);
v = new Voxel(randGraph.GetVoxelKoordinatenAtIndex(index));
if ((i + 1) < splitList[0].Count)
{
index2 = (int)optimizedRand.GetPriorityItem(i + 1);
}
if ((index2) < splitList[0].Count)
{
v2 = new Voxel(randGraph.GetVoxelKoordinatenAtIndex(index2));
absetzPunkte.Add(v.IsNeighbor6(v2));
}
outputFile.Write(randGraph.GetVoxelKoordinate(0, index) + " " +
randGraph.GetVoxelKoordinate(1, index) + " " +
randGraph.GetVoxelKoordinate(2, index) + " " +
splitList[0][index].getOrientierungAt(0) + " " +
splitList[0][index].getOrientierungAt(1) + " " +
splitList[0][index].getOrientierungAt(2) + " " +
robotGeschwindigkeit + " " +
absetzDouble[i] + " " +
layerIndex + " " +
"\r\n");
}
//outputFile.Write("\r\n");
absetzPunkte.Clear();
absetzDouble.Clear();
index = (int)optimizedRest.GetPriorityItem(0);
v2 = new Voxel(restGraph.GetVoxelKoordinatenAtIndex(index));
absetzPunkte.Add(v.IsNeighbor6(v2));
for (int i = 0; i < splitList[1].Count; i++)
{
if (absetzPunkte[i])
{
//Hier Extrusionsgeschwindigkeit eintragen
absetzDouble.Add(extrusionsGeschwindigkeit);
}
else
{
absetzDouble.Add(0);
}
index = (int)optimizedRest.GetPriorityItem(i);
v = new Voxel(restGraph.GetVoxelKoordinatenAtIndex(index));
if ((i + 1) < splitList[1].Count)
{
index2 = (int)optimizedRest.GetPriorityItem(i + 1);
}
if ((index2) < splitList[1].Count)
{
v2 = new Voxel(restGraph.GetVoxelKoordinatenAtIndex(index2));
absetzPunkte.Add(v.IsNeighbor26(v2));
}
outputFile.Write(restGraph.GetVoxelKoordinate(0, index) + " " +
restGraph.GetVoxelKoordinate(1, index) + " " +
restGraph.GetVoxelKoordinate(2, index) + " " +
splitList[1][index].getOrientierungAt(0) + " " +
splitList[1][index].getOrientierungAt(1) + " " +
splitList[1][index].getOrientierungAt(2) + " " +
robotGeschwindigkeit + " " +
absetzDouble[i] + " " +
layerIndex + " " +
"\r\n");
}
}
}