馬軍巖 袁逸萍* 任年魯 郭 宇 劉 湘
(1.新疆大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,烏魯木齊 830049;2.南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院,南京 210016)
近年來,隨著大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算等技術(shù)日漸成熟,集現(xiàn)代信息技術(shù)為一體的智慧農(nóng)業(yè)進(jìn)入高速發(fā)展階段。我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó),智慧農(nóng)業(yè)作為智慧經(jīng)濟(jì)的主要組成部分是我國(guó)的民生之本,發(fā)展智慧農(nóng)業(yè)成為必然選擇[1]。智慧農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)中心解決了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的信息孤島問題,為優(yōu)化農(nóng)業(yè)資源配置、服務(wù)“三農(nóng)”奠定了良好基礎(chǔ)[2]。隨著智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展規(guī)模不斷壯大,傳統(tǒng)意義上以農(nóng)機(jī)服務(wù)組織為單位的農(nóng)機(jī)分散調(diào)度模式由于缺乏全局性已不再適用于當(dāng)前農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展,農(nóng)機(jī)服務(wù)行業(yè)在一定程度上出現(xiàn)“重視機(jī)主收益,輕視農(nóng)戶損失”的現(xiàn)象,呈現(xiàn)出“有機(jī)沒活干,有活沒農(nóng)機(jī)”的資源格局[3-4]。如何提升農(nóng)機(jī)服務(wù)調(diào)度水平從而確保各地區(qū)“雙搶”、“三夏”及“三秋”農(nóng)忙時(shí)節(jié)糧食顆粒歸倉(cāng)成為制約現(xiàn)代大農(nóng)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵問題。因此,在當(dāng)前形勢(shì)下,迫切需要以“分散資源集中使用、集中資源分散服務(wù)”的思想為指導(dǎo),研究基于智慧農(nóng)業(yè)的多區(qū)互聯(lián)式農(nóng)機(jī)調(diào)度新模式,為提升區(qū)域內(nèi)農(nóng)機(jī)服務(wù)調(diào)度整體水平提供行之有效的方法。
傳統(tǒng)的農(nóng)機(jī)分散調(diào)度模式通常以各農(nóng)機(jī)服務(wù)組織為單位對(duì)農(nóng)機(jī)資源進(jìn)行自治管理,以降低調(diào)度成本或提高機(jī)主收益等為目標(biāo)進(jìn)行服務(wù)調(diào)度。已有研究對(duì)農(nóng)機(jī)調(diào)度機(jī)制提出多種模型和算法:1)以最小化完工時(shí)間為目標(biāo)建立農(nóng)機(jī)調(diào)度模型[5-6];2)兩階段的農(nóng)機(jī)調(diào)度模型[7];3)有容量限制的車輛調(diào)度模型[8-10];4) 以最短距離為調(diào)度規(guī)則的路徑規(guī)劃模型[11];5)基于機(jī)主選擇的農(nóng)機(jī)調(diào)配模式建立運(yùn)籌學(xué)模型[12-13];6)基于時(shí)間窗的農(nóng)機(jī)資源時(shí)空調(diào)度數(shù)學(xué)模型,并用啟發(fā)式算法對(duì)模型進(jìn)行求解[14-15];7)綠色收割農(nóng)機(jī)調(diào)度模型,并采用整數(shù)規(guī)劃的分支定界算法成功求解該模型[16];8)農(nóng)機(jī)應(yīng)急調(diào)度和跨區(qū)作業(yè)模型[17-18]。上述農(nóng)機(jī)分散調(diào)度方法在解決相關(guān)問題方面已取得一定成效,但主要從局部?jī)?yōu)化角度進(jìn)行農(nóng)機(jī)調(diào)度研究,統(tǒng)籌各區(qū)域農(nóng)戶損失和機(jī)手收益問題仍存在薄弱環(huán)節(jié)。在此基礎(chǔ)上,部分已有研究嘗試從全局角度分析農(nóng)機(jī)調(diào)度問題,實(shí)現(xiàn)基于GIS、GPRS及GPS等技術(shù)的農(nóng)機(jī)監(jiān)控調(diào)度管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)[19-23],但對(duì)于如何綜合考慮各區(qū)域機(jī)主收益和農(nóng)戶收益,在系統(tǒng)架構(gòu)基礎(chǔ)上開發(fā)適用于多區(qū)互聯(lián)的農(nóng)機(jī)調(diào)度模型和全局優(yōu)化智能調(diào)度算法,仍然是亟待解決的問題。針對(duì)上述研究中存在的問題,本研究擬構(gòu)建一種適用于智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展的多區(qū)域協(xié)調(diào)調(diào)度架構(gòu),建立多區(qū)互聯(lián)的農(nóng)機(jī)調(diào)度模型和智能優(yōu)化調(diào)度算法,旨在從區(qū)域總效益、訂單響應(yīng)率和農(nóng)機(jī)效用比等角度研究農(nóng)機(jī)調(diào)度方法以及農(nóng)田面積對(duì)調(diào)度效果的影響,從全局角度優(yōu)化農(nóng)機(jī)資源配置,實(shí)現(xiàn)資源合理利用,提高區(qū)域農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)總效益。
本研究構(gòu)建多區(qū)域協(xié)調(diào)調(diào)度架構(gòu)見圖1。該架構(gòu)適用于包含多個(gè)調(diào)度中心的智慧農(nóng)機(jī)調(diào)度問題。協(xié)調(diào)”是指上級(jí)農(nóng)機(jī)管理部門從全局視角對(duì)各子區(qū)域之間進(jìn)行統(tǒng)籌協(xié)調(diào)調(diào)度,各下級(jí)農(nóng)機(jī)服務(wù)組織互相合作安排調(diào)度計(jì)劃以保證整個(gè)互聯(lián)區(qū)域的總體效益最大化。
農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng):包括農(nóng)機(jī)信息、農(nóng)田信息、氣象信息、市場(chǎng)調(diào)研信息及供求信息等。信息感知層:采用信息傳輸設(shè)備實(shí)時(shí)采集農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)信息,通過通訊模塊將信息傳輸至物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)。信息交互層:智能網(wǎng)關(guān)將底層數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)中心,實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)與上層調(diào)度決策實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地傳輸與交互。分散調(diào)度層:各農(nóng)機(jī)合作組織根據(jù)任務(wù)特點(diǎn)選派相應(yīng)型號(hào)的農(nóng)機(jī),聯(lián)系機(jī)手進(jìn)行作業(yè),并將作業(yè)進(jìn)度匯報(bào)至上層調(diào)度中心。協(xié)調(diào)調(diào)度層:上級(jí)農(nóng)機(jī)管理部門整合各子區(qū)域農(nóng)機(jī)資源,以全局收益最大化為目標(biāo)進(jìn)行任務(wù)排程決策,從而確定各農(nóng)機(jī)服務(wù)組織的作業(yè)任務(wù)。供需服務(wù)層:農(nóng)戶利用計(jì)算機(jī)或智能手機(jī)app發(fā)送農(nóng)機(jī)服務(wù)請(qǐng)求,經(jīng)過云端服務(wù)器自動(dòng)生成線上訂單,并將訂單信息反饋至農(nóng)戶。
圖1 多區(qū)域協(xié)調(diào)調(diào)度架構(gòu)
有N個(gè)分布在不同子區(qū)域的農(nóng)機(jī)點(diǎn),每個(gè)農(nóng)機(jī)點(diǎn)有M種類型農(nóng)機(jī),各農(nóng)機(jī)點(diǎn)的農(nóng)機(jī)可跨區(qū)域調(diào)度。多個(gè)分布在不同區(qū)域的農(nóng)田點(diǎn)q為待作業(yè)點(diǎn),每個(gè)區(qū)域有R種待收割農(nóng)作物。如何在綜合考慮各子區(qū)域內(nèi)各類農(nóng)作物信息和各農(nóng)機(jī)點(diǎn)農(nóng)機(jī)資源信息的條件下,按時(shí)收割各類農(nóng)作物且確保機(jī)手收益,使得區(qū)域總效益最大化為本研究的主要目標(biāo)。區(qū)域總效益是指所有農(nóng)戶總收益和所有機(jī)手總收益之和,具體指整個(gè)區(qū)域內(nèi)所有農(nóng)戶收割所有農(nóng)作物所得利益與所有機(jī)手完成任務(wù)訂單后的收益之和。基于智慧農(nóng)業(yè)平臺(tái),農(nóng)戶和農(nóng)機(jī)點(diǎn)提前簽訂用機(jī)協(xié)議,當(dāng)訂單任務(wù)產(chǎn)生時(shí)存在以下假設(shè):
1)各訂單中的農(nóng)田作業(yè)點(diǎn)的位置、作業(yè)面積、作業(yè)時(shí)間窗、所需機(jī)型已知。
2)不同類型作物在同一區(qū)域內(nèi)的適宜收獲時(shí)間范圍不相同。
3)訂單任務(wù)不可分割,即1個(gè)訂單僅由1個(gè)農(nóng)機(jī)點(diǎn)完成。
將多區(qū)互聯(lián)農(nóng)機(jī)服務(wù)資源協(xié)調(diào)調(diào)度問題轉(zhuǎn)化為多背包問題。在1次調(diào)度決策階段中,將N個(gè)農(nóng)機(jī)點(diǎn)視為N個(gè)背包,每個(gè)農(nóng)機(jī)點(diǎn)所擁有的農(nóng)機(jī)資源數(shù)量On等價(jià)于背包容量,將Q個(gè)農(nóng)田作業(yè)點(diǎn)任務(wù)分配給各個(gè)農(nóng)機(jī)點(diǎn)。則農(nóng)機(jī)調(diào)度問題等價(jià)于在農(nóng)機(jī)資源數(shù)量和時(shí)間窗限制范圍內(nèi),決策如何將整個(gè)區(qū)域中所有農(nóng)作物按照收割時(shí)間窗將任務(wù)訂單分配給各個(gè)農(nóng)機(jī)點(diǎn),使得區(qū)域內(nèi)所有農(nóng)戶和機(jī)手收益總和最大化。
考慮到不同農(nóng)機(jī)點(diǎn)完成同一訂單的作業(yè)成本C不同將導(dǎo)致總體效益不同。本研究對(duì)傳統(tǒng)多背包模型進(jìn)行改進(jìn),建立價(jià)值可變的多背包農(nóng)機(jī)服務(wù)調(diào)度模型。具體可表示為:
(1)
式(1)為改進(jìn)的價(jià)值可變的多背包農(nóng)機(jī)調(diào)度模型,調(diào)度目標(biāo)為最大化整個(gè)區(qū)域總效益。式中:N為農(nóng)機(jī)點(diǎn)總數(shù)量;Q為農(nóng)田點(diǎn)總數(shù)量;xn,q=1表示將農(nóng)田作業(yè)點(diǎn)q的作業(yè)任務(wù)分配給第n個(gè)農(nóng)機(jī)點(diǎn),否則為0;W為農(nóng)機(jī)作業(yè)價(jià)格;C為作業(yè)成本;Hq為農(nóng)田點(diǎn)q的懲罰成本;wq表示農(nóng)田作業(yè)點(diǎn)q所需要的農(nóng)機(jī)數(shù)量;Oq為農(nóng)機(jī)點(diǎn)q的農(nóng)機(jī)保有量;E為所有農(nóng)機(jī)的總作業(yè)能力;TE為作業(yè)時(shí)間窗結(jié)束時(shí)刻,TS為作業(yè)時(shí)間窗開始時(shí)刻;S為農(nóng)田總面積;G為農(nóng)戶收益:
G=A×S
(2)
式中A為各類農(nóng)作物單位面積的收益。作業(yè)成本C表示為:
(3)
式中:C1為單位距離農(nóng)機(jī)行駛油耗成本;dq,m為農(nóng)機(jī)m和農(nóng)田點(diǎn)q之間的距離;C2為單位面積農(nóng)機(jī)作業(yè)油耗成本,Sq為農(nóng)田點(diǎn)q的面積,Em為農(nóng)機(jī)m的作業(yè)能力;fq,m為農(nóng)機(jī)m離開農(nóng)田點(diǎn)q的時(shí)刻;rq,m為農(nóng)機(jī)m到達(dá)農(nóng)田點(diǎn)q的時(shí)刻。懲罰成本函數(shù)Hq(rq,m)表示為:
(4)
式中:y1和y2分別表示農(nóng)機(jī)在作業(yè)時(shí)間窗開始前和結(jié)束后到達(dá)農(nóng)田的懲罰系數(shù)。
結(jié)合多區(qū)互聯(lián)農(nóng)機(jī)服務(wù)資源調(diào)度的特點(diǎn),對(duì)原始粒子群算法進(jìn)行改進(jìn),引入模擬退火過程,構(gòu)建改進(jìn)的模擬退火粒子群算法(MSA-PSO),提高算法的全局搜索能力。其基本思想為:第一層用粒子群優(yōu)化各農(nóng)機(jī)服務(wù)組織的作業(yè)任務(wù)分配;第二層用模擬退火算法優(yōu)化農(nóng)機(jī)作業(yè)路徑。種群初始溫度計(jì)算如式(5)所示,溫度退化計(jì)算如式(6)所示:
t0=f(pg)/ln5
(5)
式中:t0為粒子群的初始溫度;pg表示最優(yōu)粒子g的適應(yīng)值。粒子群降溫公式為:
tk+1=λtk
(6)
式中:λ為退溫系數(shù);tk+1為第k+1個(gè)粒子的當(dāng)前溫度,tk為第k個(gè)粒子的當(dāng)前溫度。
改進(jìn)的速度更新公式為:
cmin×b2×r2[pi,j-xi,j(t)]
(7)
式中:vi,j(t+1)和vi,j(t)分別表示在t+1時(shí)刻和t時(shí)刻,第i維粒子在第j維的速度;w為慣性權(quán)重;b為當(dāng)前迭代次數(shù);B為最大迭代次數(shù);c為學(xué)習(xí)因子;r1和r2為0~1之間均勻分布的隨機(jī)數(shù);pi,j為第i維粒子在第j維的歷史最優(yōu)位置;pg,j為全局最優(yōu)粒子g在第j維的最優(yōu)位置。位置更新公式為:
xi,j(t+1)=xi,j(t+1)+vi,j(t+1)
(8)
式中:xi,j(t+1)和xi,j(t)分別表示(t+1)和t時(shí)刻,第i維粒子在第j維的位置。MSA-PSO算法流程如下:
1)隨機(jī)初始化種群中各微粒的位置和速度;
2)評(píng)價(jià)每個(gè)微粒的適應(yīng)度,將當(dāng)前各微粒的位置和適應(yīng)值存儲(chǔ)在pi中,將所有粒子群中適應(yīng)值最優(yōu)的個(gè)體位置和適應(yīng)值存儲(chǔ)在pg中;
3)根據(jù)式(5)確定種群初始溫度;
4)根據(jù)式(9)確定當(dāng)前溫度下各粒子的pi適配值:
(9)
5)采用輪盤賭策略從所有pi中確定全局最優(yōu)的替代值pg,然后根據(jù)式(7)和式(8)更新各微粒的速度和位置;
6)更新權(quán)重和更新學(xué)習(xí)因子;
7)計(jì)算各微粒新的目標(biāo)值,更新各微粒的pi值及群體的pg值;
8)根據(jù)式(6)進(jìn)行退溫操作;
9)若滿足停止條件,搜索停止并輸出結(jié)果,否則執(zhí)行4)。
為驗(yàn)證本研究設(shè)計(jì)的農(nóng)機(jī)協(xié)調(diào)調(diào)度方法的有效性,選取新疆沙灣縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)田點(diǎn)和農(nóng)機(jī)點(diǎn)為研究對(duì)象,分析不同訂單數(shù)量下的農(nóng)機(jī)服務(wù)資源調(diào)度情況。依據(jù)新疆各縣市農(nóng)田面積和農(nóng)用機(jī)械擁有量統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)[24-25]和GPS定位數(shù)據(jù),得到沙灣縣農(nóng)田和農(nóng)機(jī)信息見表1~表4。各鄉(xiāng)鎮(zhèn)中所包括的村莊農(nóng)田信息較多,由于篇幅限制,不在本文中列出。
表1 各子區(qū)域農(nóng)田基本信息
表2 各子區(qū)域之間的距離
表3 各子區(qū)域棉花、玉米及小麥聯(lián)合收割機(jī)保有量
注:M1,M2和M3分別為棉花、玉米和小麥聯(lián)合收割機(jī)保有量。
Note:M1,M2,M3are respectively the number of cotton, corn and wheat combine harvesters.
表4 聯(lián)合收割機(jī)的性能參數(shù)
基于上述實(shí)例的基本數(shù)據(jù),將沙灣縣的11個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)機(jī)點(diǎn)抽象為11個(gè)背包。整個(gè)沙灣縣農(nóng)作物收獲時(shí)間窗如下:棉花收獲時(shí)間為9月15日—10月15日;玉米收獲時(shí)間為7月10日—8月10日;小麥?zhǔn)斋@時(shí)間為7月20日—8月20日。依據(jù)區(qū)域農(nóng)田總面積,設(shè)置訂單數(shù)量范圍為[0,1 000],仿真3種農(nóng)作物收獲時(shí)的聯(lián)合收割機(jī)調(diào)度過程。表5為棉花、玉米及小麥聯(lián)合收割機(jī)仿真參數(shù)。
仿真得到區(qū)域總效益與訂單數(shù)量的關(guān)系見圖2??梢姰?dāng)訂單數(shù)量增加到一定數(shù)量時(shí),各農(nóng)機(jī)點(diǎn)均出現(xiàn)農(nóng)機(jī)資源不足的情況,區(qū)域總效益增長(zhǎng)幅度趨于平緩,協(xié)調(diào)調(diào)度方法下的區(qū)域總效益比文獻(xiàn)[17]中分散調(diào)度方法的區(qū)域總效益平均高出10.65%。
表5 棉花、玉米及小麥聯(lián)合收割機(jī)的仿真參數(shù)
圖2 區(qū)域總效益與訂單數(shù)量的關(guān)系
圖3示出本研究提出的農(nóng)機(jī)協(xié)調(diào)調(diào)度方法和文獻(xiàn)[17]中分散調(diào)度方法的任務(wù)訂單響應(yīng)率與訂單數(shù)量的關(guān)系比較。當(dāng)訂單數(shù)量增加到625時(shí),2種調(diào)度方法均出現(xiàn)訂單響應(yīng)率降低的現(xiàn)象,由曲線的平均斜率可得下降率分別為32.39%和47.27%,協(xié)調(diào)調(diào)度方法比分散調(diào)度方法的訂單響應(yīng)率高出14.88%。由于本研究調(diào)度方法基于多背包模型和MSA-PSO算法進(jìn)行全局搜索,農(nóng)機(jī)資源利用率較高。因此在農(nóng)機(jī)資源一定的情況下,農(nóng)機(jī)協(xié)調(diào)調(diào)度方法的訂單響應(yīng)率明顯高于分散調(diào)度方法的訂單響應(yīng)率。
圖3 訂單響應(yīng)率與訂單數(shù)量的關(guān)系
農(nóng)機(jī)效用比是指區(qū)域總效益與農(nóng)機(jī)資源成本之比,反映了單元農(nóng)機(jī)資源的效益情況。仿真得到農(nóng)機(jī)效用比與訂單數(shù)量的關(guān)系見圖4??梢娹r(nóng)機(jī)效用比隨著訂單數(shù)量的增加不斷增大,當(dāng)請(qǐng)求數(shù)量增加到375個(gè)時(shí),2種調(diào)度方法的農(nóng)機(jī)效用比增長(zhǎng)幅度均減緩。由于本研究設(shè)計(jì)的協(xié)調(diào)調(diào)度方法依據(jù)多背包模型進(jìn)行調(diào)度,提高了區(qū)域總效益并降低農(nóng)機(jī)資源成本,農(nóng)機(jī)協(xié)調(diào)調(diào)度方法比分散調(diào)度方法的農(nóng)機(jī)效用比平均高出2.74%。當(dāng)個(gè)別農(nóng)機(jī)發(fā)生隨機(jī)故障時(shí),農(nóng)機(jī)效用比均發(fā)生微小波動(dòng),但協(xié)調(diào)調(diào)度方法的訂單響應(yīng)率仍然高于分散調(diào)度方法的訂單響應(yīng)率,確保了機(jī)主收益。
圖4 農(nóng)機(jī)效用比與訂單數(shù)量的關(guān)系
農(nóng)田面積對(duì)任務(wù)訂單響應(yīng)率與農(nóng)機(jī)效用比的影響見圖5。利用rand()函數(shù)按實(shí)際區(qū)域地理位置信息隨機(jī)生成農(nóng)田面積信息。在農(nóng)作物類型數(shù)量和農(nóng)機(jī)總數(shù)一定時(shí),農(nóng)田面積增大(14萬、20萬和27萬hm2),訂單數(shù)量增加,訂單響應(yīng)率隨之降低,部分農(nóng)田得不到服務(wù),導(dǎo)致農(nóng)機(jī)效用比減小。當(dāng)農(nóng)田面積和農(nóng)機(jī)資源總量一定時(shí),隨著作業(yè)類型的增加,每類農(nóng)機(jī)數(shù)量和農(nóng)作物面積減小,訂單響應(yīng)率的下降率分別約為4.31%,6.8%,10.89%,農(nóng)機(jī)效用比的下降率分別約為1.41%,10.8%,18.89%。當(dāng)農(nóng)田面積過多(27萬hm2)時(shí),下降趨勢(shì)最為明顯;因此,當(dāng)區(qū)域中種植適當(dāng)面積的農(nóng)作物(14萬hm2)時(shí),能夠降低作業(yè)類型數(shù)量變化帶來的影響,使得訂單響應(yīng)率和農(nóng)機(jī)效用比之間達(dá)到平衡。
圖5 農(nóng)田面積S對(duì)任務(wù)訂單響應(yīng)率(a)和農(nóng)機(jī)效用比的影響(b)
本研究根據(jù)智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展特點(diǎn),設(shè)計(jì)了多區(qū)域協(xié)調(diào)調(diào)度架構(gòu),構(gòu)建價(jià)值可變的多背包農(nóng)機(jī)服務(wù)調(diào)度模型和智能優(yōu)化算法,對(duì)多區(qū)域的棉花、玉米及小麥聯(lián)合收割機(jī)的作業(yè)調(diào)度進(jìn)行模擬,模擬結(jié)果表明,本研究設(shè)計(jì)的調(diào)度方法提高了區(qū)域總效益,訂單響應(yīng)率及農(nóng)機(jī)效用比。在農(nóng)田面積和農(nóng)作物種類變化時(shí),訂單響應(yīng)率和農(nóng)機(jī)效用比隨之發(fā)生變化,由變化趨勢(shì)可確定區(qū)域適宜種植的農(nóng)田面積及農(nóng)作物種類。多區(qū)域協(xié)調(diào)調(diào)度架構(gòu)更加切合現(xiàn)代大農(nóng)業(yè)多區(qū)互聯(lián)的發(fā)展要求,適用范圍比較廣泛,有效改善農(nóng)戶服務(wù)體驗(yàn)和機(jī)主收益。同時(shí)也對(duì)發(fā)展智慧服務(wù)具有一定的指導(dǎo)意義。