基于遺傳算法與WiFi聚類算法結(jié)合的北斗農(nóng)機(jī)精準(zhǔn)調(diào)度

王 濤，劉 飛，高羽佳，胡 楠，張友華

(1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息與計(jì)算機(jī)學(xué)院，安徽 合肥 230036；2.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 安徽省北斗精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)信息工程實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230036)

隨著農(nóng)業(yè)規(guī)模化的種植，單靠人力去解決農(nóng)田的播種、施肥、采收等農(nóng)事作業(yè)顯然已不能適應(yīng)規(guī)模化種植的要求.

現(xiàn)如今導(dǎo)航定位加農(nóng)機(jī)已漸漸成為一種趨向，而我國(guó)農(nóng)機(jī)裝備上大多采取GPS導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行定位輔助，作為美國(guó)自主研發(fā)的導(dǎo)航衛(wèi)星，用在我國(guó)的農(nóng)機(jī)裝備上對(duì)農(nóng)業(yè)信息安全及長(zhǎng)久發(fā)展有著潛在的信息安全隱患，不利于我國(guó)信息化農(nóng)業(yè)的發(fā)展[1].利用我國(guó)自主研發(fā)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中的全天候性導(dǎo)航定位特點(diǎn)，無(wú)論在作業(yè)效率還是信息安全方面都為我國(guó)的農(nóng)業(yè)機(jī)械如虎添翼.隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和通訊技術(shù)的不斷發(fā)展，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的不斷完善，加上采用遺傳算法模擬分析農(nóng)機(jī)與農(nóng)田的最佳匹配關(guān)系，以及無(wú)信號(hào)環(huán)境下的定位信息獲取，進(jìn)而推算出最佳農(nóng)機(jī)調(diào)度方案，使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的耕地、起壟、播種、施肥、灑藥、收獲等各個(gè)環(huán)節(jié)的工作效率得到大幅度提高.

1 總體技術(shù)框架

基于遺傳算法與WiFi聚類算法結(jié)合的北斗農(nóng)機(jī)精準(zhǔn)調(diào)度依靠物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、北斗定位技術(shù)、地理信息技術(shù)相結(jié)合，從農(nóng)田墑情到地理規(guī)劃，最優(yōu)化解決調(diào)取農(nóng)機(jī)路徑，最終通過(guò)遺傳算法與WiFi聚類算法模擬分析出最佳的調(diào)度方案，指派農(nóng)機(jī)按照規(guī)定的路線前往農(nóng)田進(jìn)行農(nóng)事作業(yè)，總體技術(shù)框架如圖1所示.

圖1 總體技術(shù)框架圖

2 技術(shù)設(shè)計(jì)

基于遺傳算法與WiFi聚類算法結(jié)合的北斗農(nóng)機(jī)精準(zhǔn)調(diào)度技術(shù)將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、北斗定位技術(shù)、地理信息技術(shù)相結(jié)合應(yīng)用于農(nóng)機(jī)設(shè)備上，通過(guò)遺傳算法對(duì)農(nóng)機(jī)調(diào)度進(jìn)行模擬分析，并解決在無(wú)信號(hào)環(huán)境下的定位信息獲取問(wèn)題，最終以最佳調(diào)度方案進(jìn)行農(nóng)機(jī)調(diào)度[2].使用北斗導(dǎo)航系統(tǒng)，通過(guò)三頻定位精確定位作業(yè)田地及農(nóng)機(jī)位置；運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備來(lái)獲取田間作物生長(zhǎng)、土地溫濕度及田間天氣氣候等一系列土壤墑情信息；通過(guò)地理信息技術(shù)來(lái)規(guī)劃農(nóng)田地圖，進(jìn)而快速確定作業(yè)面積，編號(hào)作業(yè)地塊，測(cè)算最佳路徑軌跡方便進(jìn)行農(nóng)機(jī)任務(wù).

2.1 需求分析

在我國(guó)，田地是糧食之源，同時(shí)也是農(nóng)民之本.發(fā)展我國(guó)農(nóng)業(yè)，不僅僅是靠簡(jiǎn)單的人力和機(jī)械，更重要的是要做好農(nóng)機(jī)在田地上的合理利用.物聯(lián)網(wǎng)加農(nóng)機(jī)的發(fā)展可在同一系統(tǒng)中將分散各地的農(nóng)機(jī)規(guī)劃整合到一起進(jìn)行統(tǒng)籌管理，使農(nóng)田面積、農(nóng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)及土地種植情況得到有效的理論及方法支持[3].同時(shí)基于我國(guó)自主研發(fā)的北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)遺傳算法與WiFi聚類算法分析，可以解決無(wú)信號(hào)環(huán)境下農(nóng)機(jī)的定位獲取問(wèn)題，快速調(diào)配所需農(nóng)機(jī)進(jìn)行作業(yè).

2.2 設(shè)計(jì)流程操作

基于遺傳算法與WiFi聚類算法結(jié)合的北斗農(nóng)機(jī)精準(zhǔn)調(diào)度操作的流程示意圖如圖2所示.首先通過(guò)土壤墑情監(jiān)測(cè)設(shè)備采集農(nóng)田內(nèi)各農(nóng)作物的長(zhǎng)勢(shì)情況及相應(yīng)土壤的溫濕度等信息，將信息自動(dòng)上傳到電腦終端[4]；接著通過(guò)我國(guó)自主研發(fā)的北斗導(dǎo)航衛(wèi)星獲取農(nóng)田位置信息，將位置信息發(fā)送給農(nóng)機(jī)上的北斗接收機(jī)，再通過(guò) GPRS 數(shù)據(jù)服務(wù)器進(jìn)行處理后將信息發(fā)送給電腦終端[5]；當(dāng)電腦終端收集到農(nóng)田作業(yè)信息時(shí)，通過(guò) GIS 地圖和遺傳算法與WiFi聚類算法分析規(guī)劃出最佳調(diào)度路徑后將所有信息發(fā)送給北斗農(nóng)機(jī)，隨后農(nóng)機(jī)手查看信息并開(kāi)往任務(wù)農(nóng)田進(jìn)行農(nóng)事作業(yè)操作.

圖2 調(diào)度操作示意圖

3 硬件設(shè)備

3.1 北斗導(dǎo)航接收機(jī)

將北斗導(dǎo)航接收機(jī)安裝在農(nóng)機(jī)設(shè)備上具有兩種安裝應(yīng)用，即車載型與機(jī)載型.車載型用于具有智能化體系的農(nóng)機(jī)設(shè)備，載有 GNSS 外置精細(xì)化北斗導(dǎo)航接收機(jī)，主要完成精細(xì)播種、作物收割等功能[6]；機(jī)載型則搭建北斗B1雙模北斗導(dǎo)航接收機(jī)[7]，適用于大面積農(nóng)田的精細(xì)化農(nóng)事作業(yè).使用不同的北斗導(dǎo)航接收機(jī)對(duì)規(guī)模不同的農(nóng)田進(jìn)行作業(yè)，從而有針對(duì)性地服務(wù)于農(nóng)機(jī)田間作業(yè).

3.2 田間監(jiān)測(cè)傳感器

通過(guò)使用田間墑情監(jiān)測(cè)傳感器可以快速地了解到作業(yè)田地上更多的環(huán)境變化，然后將設(shè)備感受到的環(huán)境變化相關(guān)信息，通過(guò)內(nèi)部變化轉(zhuǎn)化成電信號(hào)或其他信號(hào)進(jìn)行傳送，最終傳達(dá)到數(shù)據(jù)接收終端，最后結(jié)合農(nóng)田實(shí)際情況快速地監(jiān)測(cè)并分析出農(nóng)田的作物狀況，從而能夠進(jìn)行信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制，方便進(jìn)行農(nóng)田作物的合理規(guī)劃，提高產(chǎn)值.

3.3 農(nóng) 機(jī)

農(nóng)機(jī)在我國(guó)的使用，無(wú)論從機(jī)種還是性能都有著各自不同的作用，耕整、植保、排灌、種植、收獲等操作全部都有相應(yīng)的農(nóng)機(jī)進(jìn)行農(nóng)事作業(yè).同時(shí)農(nóng)業(yè)用地占據(jù)著我國(guó)國(guó)土的很大部分，現(xiàn)如今農(nóng)民種植已成規(guī)?；?，在田間作業(yè)上，單靠人力已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足，使用農(nóng)機(jī)進(jìn)行農(nóng)田作業(yè)已成為農(nóng)田作業(yè)中不可缺少的勞動(dòng)力.而農(nóng)業(yè)機(jī)械作為田間農(nóng)事作業(yè)的主要載體，對(duì)農(nóng)業(yè)的發(fā)展起到重大作用.

4 功能模塊設(shè)計(jì)

4.1 北斗導(dǎo)航系統(tǒng)模塊

利用北斗導(dǎo)航系統(tǒng)模塊可以根據(jù)三頻定位獲取農(nóng)田信息，同時(shí)經(jīng)過(guò)短報(bào)文通信實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)與農(nóng)機(jī)站之間的信息通訊，更好地服務(wù)于農(nóng)機(jī)[8]，北斗信號(hào)傳輸過(guò)程如圖3所示.

圖3 北斗信號(hào)傳輸過(guò)程

采用北斗信號(hào)接收機(jī)、GPRS 通訊模塊以及車載顯示器這3個(gè)功能模塊共同定位調(diào)度所需農(nóng)機(jī)，可使北斗信號(hào)接收機(jī)接收衛(wèi)星信號(hào)確定本農(nóng)機(jī)的經(jīng)緯度和時(shí)間信息，同時(shí)相應(yīng)的數(shù)據(jù)按一定的時(shí)間間隔通過(guò) GPRS 通訊模塊傳回 GPRS 數(shù)據(jù)服務(wù)器，GPRS 數(shù)據(jù)服務(wù)器再通過(guò)網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)傳回到中央監(jiān)控中心.從中央監(jiān)控中心下行的信息通過(guò) GPRS 數(shù)據(jù)服務(wù)器再發(fā)送到農(nóng)機(jī)終端，再通過(guò)信息顯示屏顯示出來(lái)，使農(nóng)機(jī)手更好地了解農(nóng)機(jī)作業(yè)任務(wù).

4.2 監(jiān)測(cè)傳感器模塊

作物生長(zhǎng)狀況監(jiān)測(cè)如圖4所示.由于不同種類的農(nóng)作物的生長(zhǎng)時(shí)節(jié)以及生產(chǎn)速度有所不同，農(nóng)田所需的農(nóng)機(jī)調(diào)度時(shí)間也隨之不同，因此可利用農(nóng)田監(jiān)測(cè)設(shè)備實(shí)時(shí)了解作物長(zhǎng)勢(shì)狀況，有助于對(duì)農(nóng)作物的播種，病害的預(yù)防以及收獲做出相應(yīng)的農(nóng)事安排，同時(shí)在需要農(nóng)機(jī)作業(yè)時(shí)可為農(nóng)機(jī)調(diào)度時(shí)間安排提供完整合理的規(guī)劃.

圖4 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)田間作物生長(zhǎng)狀況

土壤溫濕度監(jiān)測(cè)如圖5-6所示.農(nóng)作物在土壤中生長(zhǎng)，其長(zhǎng)勢(shì)好壞的重要決定性因素之一便是土壤的溫濕度變化，且不同時(shí)期對(duì)農(nóng)作物所種植在土壤上的溫濕度要求也略有不同.土壤中溫濕度的變化對(duì)肥料使用的高效性和對(duì)營(yíng)養(yǎng)的吸收性都對(duì)農(nóng)作物的長(zhǎng)勢(shì)有著重要的影響，因此監(jiān)測(cè)土壤溫濕度對(duì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)有著關(guān)鍵性的作用，從而使農(nóng)機(jī)對(duì)農(nóng)作物在不同溫濕度環(huán)境的生長(zhǎng)有著合理的規(guī)劃調(diào)度使用.

圖6 土壤濕度監(jiān)測(cè)

農(nóng)作物的長(zhǎng)勢(shì)狀態(tài)不僅僅依靠著土壤作為營(yíng)養(yǎng)來(lái)源，天氣狀況的好壞同時(shí)也影響著作物的長(zhǎng)勢(shì)變化，對(duì)天氣進(jìn)行預(yù)警監(jiān)測(cè)不僅能夠讓農(nóng)作物避免氣候?yàn)?zāi)害所帶來(lái)的顆粒無(wú)收[9]，同時(shí)也能夠調(diào)度農(nóng)機(jī)在合理的時(shí)間進(jìn)行田間作業(yè)，對(duì)農(nóng)民來(lái)說(shuō)既防患未然又豐收增產(chǎn).

4.3 GIS地圖模塊

GIS地圖模塊主要運(yùn)用位置動(dòng)態(tài)信息實(shí)時(shí)顯示的方式，將在農(nóng)機(jī)車載顯示器上展現(xiàn)，主要運(yùn)用北斗定位接收器接收任務(wù)農(nóng)機(jī)的經(jīng)緯度信息，當(dāng)農(nóng)機(jī)在農(nóng)田進(jìn)行農(nóng)事作業(yè)行駛時(shí)，農(nóng)機(jī)上的接收器不間斷接收衛(wèi)星信號(hào)并實(shí)時(shí)記錄農(nóng)機(jī)的經(jīng)緯度變化，然后將接收機(jī)收集的經(jīng)緯度位置信息轉(zhuǎn)換成大地坐標(biāo)上傳至電腦終端進(jìn)行整合分析，通過(guò)計(jì)算可確定農(nóng)機(jī)耕作面積同時(shí)對(duì)作業(yè)田地進(jìn)行編號(hào)，進(jìn)而能夠合理規(guī)劃農(nóng)機(jī)路徑[10].

5 遺傳算法分析

5.1 條件分析

農(nóng)機(jī)調(diào)度屬于目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題，遺傳算法可以很好地解決這類問(wèn)題[11],按照農(nóng)戶的農(nóng)田位置，面積以及需要完成的作業(yè)時(shí)間等要求來(lái)規(guī)劃出合理的農(nóng)機(jī)調(diào)度，后臺(tái)電腦再根據(jù)農(nóng)戶所需要求、當(dāng)前農(nóng)機(jī)工作狀態(tài)以及農(nóng)機(jī)所在地理位置等條件通過(guò)調(diào)度算法分析出最優(yōu)化方案派遣農(nóng)機(jī)到指定農(nóng)田進(jìn)行所需農(nóng)事作業(yè)，且盡量減少調(diào)度成本.

根據(jù)以上農(nóng)機(jī)調(diào)度處理可以得出以下信息：① 已知各農(nóng)機(jī)站所具有的農(nóng)機(jī)數(shù)量，隨著工作量的增加，農(nóng)機(jī)的作業(yè)狀態(tài)會(huì)發(fā)生改變，因此在一定時(shí)間內(nèi)所調(diào)度的農(nóng)機(jī)需要重新評(píng)定.② 每日任務(wù)會(huì)隨著時(shí)間變化進(jìn)行更新，其對(duì)應(yīng)的作業(yè)農(nóng)田點(diǎn)的位置及數(shù)量也在隨之改變.③ 待作業(yè)任務(wù)中記錄的農(nóng)田位置、面積、所需完成時(shí)間和農(nóng)機(jī)作業(yè)效率、農(nóng)機(jī)所處農(nóng)田點(diǎn)、完成任務(wù)速度等因素可作為重新進(jìn)行調(diào)度的評(píng)定依據(jù)[12].

5.2 條件假設(shè)

根據(jù)之前農(nóng)機(jī)調(diào)度處理信息可進(jìn)行條件假設(shè)：① 當(dāng)一臺(tái)農(nóng)機(jī)作業(yè)于一個(gè)任務(wù)農(nóng)田點(diǎn)時(shí)，其農(nóng)機(jī)農(nóng)事作業(yè)任務(wù)完成之前不可再次調(diào)用前往其他任務(wù)農(nóng)田點(diǎn)進(jìn)行工作.② 單位時(shí)間內(nèi)的農(nóng)機(jī)進(jìn)行農(nóng)事作業(yè)的效率相同且在前往作業(yè)點(diǎn)所耗費(fèi)的成本相同.③ 每塊作業(yè)田地只需一輛農(nóng)機(jī)進(jìn)行農(nóng)事作業(yè).

5.3 建立模型

在農(nóng)機(jī)前往作業(yè)點(diǎn)完成作業(yè)任務(wù)的同時(shí)減少調(diào)度過(guò)程中的成本損耗，對(duì)農(nóng)機(jī)的調(diào)度算法建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型：設(shè)在農(nóng)機(jī)站中具有某種類型農(nóng)機(jī)m臺(tái)，分別為M1,M2,…,Mm.當(dāng)在t時(shí)刻的所有任務(wù)中所需完成的任務(wù)農(nóng)田點(diǎn)為n，編號(hào)為F1,F2,…,Fn；將北斗導(dǎo)航定位終端安裝在每臺(tái)任務(wù)農(nóng)機(jī)上，通過(guò)短時(shí)間間隔不斷發(fā)送農(nóng)機(jī)位置信息到調(diào)度中心；在農(nóng)機(jī)前往任務(wù)點(diǎn)路程中所損耗的成本相同，設(shè)為C，可設(shè)為常量，每次調(diào)度農(nóng)機(jī)所耗費(fèi)成本與農(nóng)機(jī)從當(dāng)前位置前往作業(yè)農(nóng)田點(diǎn)的時(shí)間TC直接相關(guān)，而根據(jù) GIS 地圖模塊可提供 API 接口用于計(jì)算農(nóng)機(jī)在兩點(diǎn)間的路程和時(shí)間，所以在計(jì)算調(diào)度損耗時(shí)可將農(nóng)機(jī)實(shí)時(shí)經(jīng)緯度信息替換為 GIS 地圖中的位置坐標(biāo)后再調(diào)用 GIS 地圖 API 進(jìn)行計(jì)算.

設(shè)農(nóng)機(jī)在單位時(shí)間內(nèi)的工作效率為W，因同種型號(hào)的農(nóng)機(jī)工作效率相同，可將工作效率W作為常量進(jìn)行計(jì)算.由任務(wù)農(nóng)田點(diǎn)的實(shí)際作業(yè)面積S、農(nóng)機(jī)忙碌當(dāng)前完成時(shí)間T0、最遲完成時(shí)間Ts以及農(nóng)機(jī)作業(yè)效率可得到完成任務(wù)農(nóng)田所需要時(shí)間Te，且Te=Ts+S/W.

設(shè)在t時(shí)刻任務(wù)農(nóng)田點(diǎn)x的未完成作業(yè)的面積為Sta，確立目標(biāo)函數(shù)如下:

(1)

式中：minR為目標(biāo)函數(shù)的農(nóng)機(jī)耗損成本總量最小值；Cij表示農(nóng)機(jī)單位時(shí)間耗損量；TCij表示農(nóng)機(jī)前往作業(yè)點(diǎn)所用時(shí)間.

約束條件如下：

Cij∈{0,1}，

(2)

(3)

T0+TCij+Sta/W

(4)

式(2)表示任務(wù)農(nóng)田點(diǎn)是否有農(nóng)機(jī)被調(diào)度前往，若農(nóng)機(jī)被調(diào)度則農(nóng)機(jī)有成本耗損，否則成本耗損為 0；式(3)表示每個(gè)任務(wù)農(nóng)田點(diǎn)僅調(diào)度一臺(tái)農(nóng)機(jī)前往農(nóng)事作業(yè)；式(4)表示農(nóng)機(jī)完成當(dāng)前作業(yè)任務(wù)時(shí)間加上調(diào)度前往到下一任務(wù)農(nóng)田點(diǎn)時(shí)間及其任務(wù)農(nóng)田點(diǎn)完成所需時(shí)間應(yīng)小于下一任務(wù)農(nóng)田點(diǎn)要求的最遲完成時(shí)間.

5.4 仿真分析

根據(jù)以上建立的數(shù)學(xué)模型將農(nóng)田面積設(shè)置X和Y軸坐標(biāo)進(jìn)行表示，劃定一定區(qū)域表示某一地區(qū)的農(nóng)田總數(shù)，然后將農(nóng)田用紅圈表示，忙碌農(nóng)機(jī)用x，空閑農(nóng)機(jī)用三角進(jìn)行表示，可得到如圖 7 的示意圖，并通過(guò)假設(shè) 10 組數(shù)據(jù)進(jìn)行推演，篩選出非忙碌農(nóng)機(jī)進(jìn)行算法演練.

圖7 構(gòu)建算法示意圖及模擬數(shù)據(jù)

接下來(lái)，根據(jù)約束條件：

T0+TCij+Sta/W

可以計(jì)算出農(nóng)機(jī)當(dāng)前任務(wù)的完成時(shí)間加上到達(dá)時(shí)間以及下一任務(wù)完成時(shí)間需要小于任務(wù)中所要求的最遲完成時(shí)間，從而篩選出符合條件的農(nóng)機(jī)，結(jié)果如圖8所示.

圖8 設(shè)置約束條件及判斷結(jié)果

通過(guò)建立的目標(biāo)函數(shù)，生產(chǎn)染色體及矩陣進(jìn)行運(yùn)算，如圖9所示，圖中染色體編碼表示幾號(hào)農(nóng)田有農(nóng)機(jī)正在工作，例如：9號(hào)農(nóng)田有農(nóng)機(jī)在工作.同時(shí)隨機(jī)生成1 000個(gè)染色體樣本并計(jì)算適應(yīng)度，選出其中的最優(yōu)解作為對(duì)比.

圖9 生成染色體矩陣與對(duì)比值

此時(shí)，通過(guò)初始化種群，生成100個(gè)樣本進(jìn)行篩選，如圖10所示.按照適應(yīng)度進(jìn)行排序，得到一組染色體序列矩陣，為下面遺傳演化提供數(shù)據(jù)[13].

圖10 初始化種群進(jìn)行樣本篩選

通過(guò)上面得到的一組染色體矩陣作為遺傳演化的父代染色體，通過(guò)交叉、變異得到子代染色體矩陣同時(shí)算出距離度量及農(nóng)機(jī)到農(nóng)田的最小距離，如圖11所示.

圖11 父代染色體交叉、變異進(jìn)行遺傳演化

根據(jù)遺傳算法進(jìn)行重復(fù)迭代演化(見(jiàn)圖12)，將迭代 1 000 次的距離最小值提取出來(lái)，得到一個(gè)趨于最小值的穩(wěn)定值，如圖 13 所示，可以明顯看出當(dāng)進(jìn)行大量迭代時(shí)，最小值趨于平穩(wěn)狀態(tài)，從而通過(guò)交叉、變異遺傳算法可得出農(nóng)機(jī)到作業(yè)農(nóng)田的最短距離，進(jìn)而規(guī)劃出最優(yōu)方案[14].

圖12 重復(fù)迭代演化

圖13 對(duì)比值與迭代最小值比較

在農(nóng)機(jī)設(shè)備上安裝的北斗信號(hào)接收模塊，可根據(jù)北斗衛(wèi)星實(shí)時(shí)了解到農(nóng)機(jī)所在位置的準(zhǔn)確經(jīng)緯度，在空閑狀態(tài)的農(nóng)機(jī)根據(jù)遺傳算法調(diào)度分配任務(wù)，前往作業(yè)田地進(jìn)行正常農(nóng)事作業(yè)；當(dāng)有農(nóng)機(jī)處于忙碌狀態(tài)時(shí)可自動(dòng)跳過(guò)遺傳算法分析，繼續(xù)作業(yè)當(dāng)前任務(wù)，直到忙碌狀態(tài)的農(nóng)機(jī)完成當(dāng)前農(nóng)機(jī)作業(yè)時(shí)可重新規(guī)劃進(jìn)行調(diào)度安排.

6 WiFi聚類算法分析

現(xiàn)如今農(nóng)機(jī)站分配農(nóng)機(jī)或私有農(nóng)機(jī)前往農(nóng)事作業(yè)時(shí)，有時(shí)由于經(jīng)過(guò)涵洞、高壓線區(qū)域或前往偏遠(yuǎn)山區(qū)等無(wú)信號(hào)環(huán)境進(jìn)行作業(yè)時(shí)，農(nóng)機(jī)站無(wú)法掌握派遣農(nóng)機(jī)的定位信息以及自身農(nóng)機(jī)的具體位置狀況，這使得農(nóng)機(jī)定位領(lǐng)域還不太完善，因此利用WiFi聚類算法分析農(nóng)機(jī)在無(wú)信號(hào)下獲取定位信息，為農(nóng)機(jī)進(jìn)行北斗精準(zhǔn)調(diào)度提供支持.

6.1 算法原理

該類方法主要由由WiFi信號(hào)收發(fā)模塊、WiFi 終端、農(nóng)機(jī)、K-means++聚類算法構(gòu)成，即通過(guò)WiFi信號(hào)發(fā)射模塊不間斷發(fā)射無(wú)線信號(hào)幀至農(nóng)機(jī)上的WiFi終端；WiFi 終端主要接收WiFi信號(hào)發(fā)射模塊的無(wú)線信號(hào)幀，收集所在位置信號(hào)形成信號(hào)庫(kù)；農(nóng)機(jī)主要進(jìn)行農(nóng)事作業(yè)；K-means++聚類算法對(duì)信號(hào)庫(kù)中的大量無(wú)線信號(hào)幀篩選聚類質(zhì)點(diǎn)，分析，迭代，得出所劃分K個(gè)區(qū)域中各個(gè)空間區(qū)域的中心點(diǎn)位置.WiFi 信號(hào)發(fā)射模塊通過(guò)發(fā)射大量無(wú)線信號(hào)幀到農(nóng)機(jī)上的WiFi終端上，與終端連接的聚類算法模塊通過(guò) K-means++算法分析出農(nóng)機(jī)所在的三維信息，獲取農(nóng)機(jī)位置信息，進(jìn)而達(dá)到定位的功能.

6.2 分析過(guò)程

1)選取一片無(wú)信號(hào)環(huán)境下的農(nóng)田，模擬出此塊農(nóng)田的空間圖形，如圖14所示，并將此空間劃分為K個(gè)小空間(K>0)，如圖 15 所示.

圖14 模擬農(nóng)田空間結(jié)構(gòu)

圖15 等間隔劃分K個(gè)小空間

2)在這片區(qū)域的中心點(diǎn)樹(shù)立一個(gè)WiFi信號(hào)發(fā)射模塊，用于發(fā)射無(wú)線信號(hào)幀，并確定此固定位置的三維坐標(biāo)，坐標(biāo)設(shè)為A(X0，Y0，Z0)，如圖16所示.

圖16 建立WiFi信號(hào)發(fā)射模塊

3)在作業(yè)農(nóng)機(jī)設(shè)備上安裝WiFi終端，負(fù)責(zé)不間斷接收WiFi信號(hào)發(fā)射模塊的無(wú)線信號(hào)幀.

4)由于WiFi信號(hào)發(fā)射模塊具有 MAC 地址唯一性的特點(diǎn)，在WiFi終端設(shè)備上篩選出WiFi信號(hào)發(fā)射模塊的無(wú)線信號(hào)幀，濾除其他無(wú)用無(wú)線信號(hào)幀.

5)在劃分出來(lái)的各個(gè)小空間內(nèi)篩選WiFi終端通過(guò)信號(hào)發(fā)射模塊獲取的所有無(wú)線信號(hào)幀，建立信號(hào)庫(kù).

6)采用聚類算法中的K-means++算法將信號(hào)庫(kù)中的大量無(wú)線信號(hào)幀選取聚類質(zhì)點(diǎn)并進(jìn)行分析，即可將每個(gè)小空間定位為一個(gè)具體的位置信息點(diǎn)，同時(shí)定位的每個(gè)位置信息點(diǎn)同步到WiFi終端上，如圖17所示.

圖17 模擬聚類分析及位置信息點(diǎn)

7)根據(jù)每個(gè)小區(qū)間的定位信息結(jié)合已知WiFi信號(hào)發(fā)射模塊的具體三維定位信息即可得到農(nóng)機(jī)的三維定位信息B(X1，Y1，Z1).

8)根據(jù)WiFi終端接收從WiFi信號(hào)發(fā)射模塊發(fā)射出來(lái)的無(wú)線信號(hào)幀的 RSSI 值大小可分析出作業(yè)農(nóng)機(jī)的路徑軌跡，同時(shí)將終端定位連接到農(nóng)機(jī)操作系統(tǒng)設(shè)備上，可進(jìn)一步判斷農(nóng)機(jī)故障點(diǎn)位置，方便進(jìn)行農(nóng)機(jī)維護(hù)管理.

6.3 算法流程圖

K-means++算法流程圖如圖 18 所示，即在每個(gè)空間選取無(wú)線信號(hào)幀作為聚類質(zhì)點(diǎn)，并設(shè)定相互之間的距離竟可能遠(yuǎn)，再采用歐式距離計(jì)算每個(gè)空間剩余無(wú)線信號(hào)幀到聚類質(zhì)點(diǎn)的距離，若有質(zhì)點(diǎn)發(fā)生較大變化則重復(fù)更新每個(gè)空間聚類質(zhì)點(diǎn)位置，直到?jīng)]有或有很少聚類質(zhì)點(diǎn)發(fā)生改變則結(jié)束K-means++算法過(guò)程.

圖18 K-means++算法流程圖

7 結(jié) 論

基于遺傳算法與WiFi聚類算法結(jié)合的北斗農(nóng)機(jī)精準(zhǔn)調(diào)度是利用國(guó)內(nèi)自主研發(fā)的定位系統(tǒng)著眼于解決我國(guó)農(nóng)業(yè)大規(guī)模種植所需農(nóng)機(jī)合理分配調(diào)度的問(wèn)題，并依靠高效的遺傳算法與WiFi聚類算法結(jié)合分析出調(diào)度的最優(yōu)解決方案，能夠有效地利用農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)技術(shù)，全方位地服務(wù)于大規(guī)模田間作業(yè).通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)技術(shù)收集到的田間數(shù)據(jù)通過(guò)通訊模塊傳輸?shù)街醒敕?wù)器上，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)調(diào)度農(nóng)機(jī)，同時(shí)依靠GIS地圖模塊來(lái)規(guī)劃出農(nóng)機(jī)行徑路線以及根據(jù)北斗定位系統(tǒng)確認(rèn)作業(yè)田地，從而方便農(nóng)機(jī)在任務(wù)作業(yè)田完成作業(yè).

在使用基于北斗定位的農(nóng)機(jī)調(diào)度設(shè)計(jì)的時(shí)候，需要提前依據(jù)GIS地圖規(guī)劃好該地區(qū)所涉及的大規(guī)模作業(yè)田地，使農(nóng)田能夠在農(nóng)機(jī)車載顯示器上完美地顯示出來(lái)，從而為北斗定位提供幫助.一方面，這解決了我國(guó)大規(guī)模種植農(nóng)戶面對(duì)農(nóng)事作業(yè)時(shí)可采取最高效的農(nóng)機(jī)調(diào)度措施進(jìn)行田間作業(yè)問(wèn)題；另一方面，在無(wú)信號(hào)環(huán)境下的農(nóng)田也可調(diào)度農(nóng)機(jī)進(jìn)行農(nóng)事作業(yè)，使我國(guó)農(nóng)機(jī)不再受信號(hào)環(huán)境影響而無(wú)法作業(yè)，促進(jìn)各地農(nóng)機(jī)站內(nèi)的農(nóng)機(jī)得到合理高效的利用，最終使農(nóng)田增產(chǎn)豐收，農(nóng)民的收益得到最大化.