使用 Python 開源庫 py3dbp 解決三維裝箱問題

作者：用戶007 2025-09-30 10:12:55

Python社區為我們提供了一個強大而簡潔的工具——py3dbp。本文將帶您深入了解這個庫，并通過一個實際案例，展示如何從零開始解決一個裝箱問題，并最終創建一個直觀的動態裝箱過程GIF。

本文介紹如何使用 py3dbp 解決三維裝箱問題。文章包含了從基本概念、實戰案例到最終生成動態GIF可視化的流程及代碼實現。

在物流、倉儲和制造業中，如何將不同尺寸的物品高效地裝入一個有限的容器（如卡車、集裝箱或箱子）是一個經典且極具挑戰性的問題。這就是著名的三維裝箱問題（3D Bin Packing Problem, 3D-BPP）。解決好這個問題能顯著節約運輸成本、提高空間利用率。

一、py3dbp 核心概念

在使用之前，我們先了解 py3dbp 的三個核心組件：

Packer (裝箱器)：這是執行裝箱算法的核心引擎。您可以把它想象成一個負責指揮的工人。
Bin (箱子/容器)：代表您要裝入物品的容器。它有明確的屬性，如名稱、長、寬、高和最大承重。在我們的案例中，這就是一輛貨車。
Item (物品)：代表需要被裝入箱子的物品。它同樣有名稱、長、寬、高和重量等屬性。

整個工作流程非常直觀：創建箱子和一系列物品 -> 將它們都交給裝箱器 -> 裝箱器執行算法 -> 檢視裝箱結果。

二、實戰案例：裝載一輛貨車

假設我們有一輛小型貨車和一批不同規格的貨物，我們的目標是盡可能多地將這些貨物裝入車廂。

貨車車廂尺寸 (Bin): 587cm (長) x 235cm (寬) x 270cm (高)。
貨物列表 (Items): 我們有多種不同尺寸和數量的箱子需要裝載。

第1步：安裝必要的庫

您需要安裝 py3dbp 用于核心計算，matplotlib 用于繪圖，以及 imageio 用于將圖片序列合成為GIF。

pip install py3dbp
pip install matplotlib
pip install imageio```

第2步：編寫代碼實現裝箱

我們將遵循以下步驟編寫代碼：

導入庫。
定義 Bin (貨車) 和 Item (貨物)。
創建 Packer 并將箱子和物品添加進去。
執行裝箱算法并打印結果。

第3步：生成動態GIF可視化

靜態的結果報告雖然清晰，但遠不如一個動態圖來得直觀。我們將編寫一個函數，它能一步步地展示每個箱子是如何被放入車廂的，并最終將這個過程保存為 GIF 文件。

這需要我們：

編寫一個函數，能繪制出任意數量物品在箱子中的3D視圖。
循環調用這個繪圖函數，從1個物品開始，每次增加1個，并將每一幀保存為圖片。
使用 imageio 將所有圖片幀合成為一個GIF。

下面是包含完整代碼（計算+可視化）的腳本：

import os
import imageio
import numpy as np
from py3dbp import Packer, Bin, Item
import matplotlib.pyplot as plt
from mpl_toolkits.mplot3d.art3d import Poly3DCollection

# --- Matplotlib 全局設置 ---
plt.rcParams['font.sans-serif'] = ['SimHei']  # 用來正常顯示中文標簽
plt.rcParams['axes.unicode_minus'] = False# 用來正常顯示負號

def plot_packing_result(bin_obj, items_to_plot, title, save_path=None):
    """
    繪制指定物品在箱子中的3D視圖 (已修正數據類型問題)
    """
    fig = plt.figure(figsize=(12, 10))
    ax = fig.add_subplot(111, projection='3d')

    # 為不同物品分配顏色
    num_items = len(items_to_plot)
    cmap = plt.get_cmap('viridis')
    colors = [cmap(i) for i in np.linspace(0, 0.9, num_items)] if num_items > 0else []
    color_map = {item.name: colors[i] for i, item in enumerate(items_to_plot)}

    # 繪制每個已裝箱的物品
    for item in items_to_plot:
        item_d = float(item.depth)
        item_w = float(item.width)
        item_h = float(item.height)
        
        pos = item.position
        x, y, z = float(pos[0]), float(pos[1]), float(pos[2])
        
        vertices = [
            (x, y, z), (x + item_d, y, z), (x + item_d, y + item_w, z), (x, y + item_w, z),
            (x, y, z + item_h), (x + item_d, y, z + item_h), (x + item_d, y + item_w, z + item_h), (x, y + item_w, z + item_h)
        ]
        faces = [
            [vertices[0], vertices[1], vertices[2], vertices[3]], [vertices[4], vertices[5], vertices[6], vertices[7]],
            [vertices[0], vertices[1], vertices[5], vertices[4]], [vertices[2], vertices[3], vertices[7], vertices[6]],
            [vertices[1], vertices[2], vertices[6], vertices[5]], [vertices[0], vertices[3], vertices[7], vertices[4]]
        ]

        poly3d = Poly3DCollection(faces, facecolors=color_map.get(item.name), linewidths=1, edgecolors='k', alpha=0.85)
        ax.add_collection3d(poly3d)

    ax.set_xlim(0, float(bin_obj.depth))
    ax.set_ylim(0, float(bin_obj.width))
    ax.set_zlim(0, float(bin_obj.height))
    
    ax.set_xlabel('長度 (X軸 / depth)')
    ax.set_ylabel('寬度 (Y軸 / width)')
    ax.set_zlabel('高度 (Z軸 / height)')
    
    ax.view_init(elev=20, azim=-45)
    plt.title(title, fontsize=16)

    if save_path:
        plt.savefig(save_path)
        plt.close(fig)
    else:
        plt.show()

def create_animated_gif(bin_obj, output_filename='packing_animation.gif'):
    """
    創建并保存裝箱過程的GIF動畫
    """
    packed_items = bin_obj.items
    ifnot packed_items:
        print("分析：沒有成功裝入任何物品，無法創建GIF。請檢查物品尺寸是否相對于容器過大。")
        return

    frame_folder = "gif_frames"
    ifnot os.path.exists(frame_folder):
        os.makedirs(frame_folder)

    filenames = []
    print(f"步驟1：為GIF生成 {len(packed_items) + 1} 幀圖片...")
    
    for i in range(len(packed_items) + 1):
        frame_path = os.path.join(frame_folder, f"frame_{i:03d}.png")
        if i == 0:
            plot_packing_result(bin_obj, [], f"第 {i}/{len(packed_items)} 步: 空貨車", save_path=frame_path)
        else:
            item_being_packed = packed_items[i-1]
            plot_packing_result(bin_obj, packed_items[:i], f"第 {i}/{len(packed_items)} 步: 裝入 {item_being_packed.name}", save_path=frame_path)
        filenames.append(frame_path)

    print("步驟2：將所有圖片幀合成為GIF文件...")

    with imageio.get_writer(output_filename, mode='I', duration=3.5) as writer:
        for filename in filenames:
            image = imageio.imread(filename)
            writer.append_data(image)
    
    print(f"成功！GIF動畫已保存至: {output_filename}")
    
    for filename in filenames:
        os.remove(filename)
    os.rmdir(frame_folder)

# ================== 主程序入口 ==================
if __name__ == '__main__':
    packer = Packer()
    
    # 按照 (名稱, 寬, 高, 深, ...) 的順序創建 Bin
    truck = Bin('貨車', 235, 270, 587, 1000.0)
    packer.add_bin(truck)
    
    # 按照 (名稱, 寬, 高, 深, ...) 的順序創建 Item
    packer.add_item(Item('大號箱子-1', 100, 100, 100, 15.0))
    packer.add_item(Item('大號箱子-2', 100, 100, 100, 15.0))
    packer.add_item(Item('中號箱子-1', 70, 60, 80, 10.0))
    packer.add_item(Item('中號箱子-2', 70, 60, 80, 10.0))
    packer.add_item(Item('中號箱子-3', 70, 60, 80, 10.0))
    packer.add_item(Item('小號箱子-1', 40, 30, 50, 5.0))
    packer.add_item(Item('小號箱子-2', 40, 30, 50, 5.0))
    packer.add_item(Item('小號箱子-3', 40, 30, 50, 5.0))
    packer.add_item(Item('小號箱子-4', 40, 30, 50, 5.0))
    packer.add_item(Item('扁平箱子-1', 150, 10, 120, 8.0))
    packer.add_item(Item('扁平箱子-2', 150, 10, 120, 8.0))
    packer.add_item(Item('瘦高箱子-1', 40, 200, 40, 12.0))
    packer.add_item(Item('瘦高箱子-2', 40, 200, 40, 12.0))
    packer.add_item(Item('超大號箱子', 300, 300, 300, 100.0))

    print("開始執行裝箱算法...")
    packer.pack(bigger_first=True, distribute_items=False)

    packed_bin = packer.bins[0]
    print(f"\n計算完畢！")
    print(f"已裝入物品數量: {len(packed_bin.items)}")
    print(f"未裝入物品數量: {len(packed_bin.unfitted_items)}")
    
    create_animated_gif(packed_bin, 'packing_animation.gif')

三、運行與結果

將以上代碼保存為 .py 文件并運行。程序會首先在控制臺輸出裝箱結果，然后開始生成GIF的每一幀。完成后，您會在代碼文件所在的目錄下找到一個名為 packing_animation.gif 的文件。

這個GIF文件會像下面這樣，動態地展示每一個箱子被依次放入貨車的過程。

責任編輯：趙寧寧來源： Python數智工坊

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