基于時間窗的農(nóng)機(jī)調(diào)度技術(shù)研究進(jìn)展

黃凰， 陳燕燕， 陳鵬宇， 羅銳， 劉亞東， 胡煒

（1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點實驗室，武漢 430070；2.湖北省農(nóng)業(yè)農(nóng)村廳農(nóng)業(yè)機(jī)械化管理處，武漢 430070；3.成都師范學(xué)院計算機(jī)科學(xué)學(xué)院，成都 611130）

農(nóng)業(yè)機(jī)械化建設(shè)作為提高農(nóng)業(yè)快速發(fā)展的奠基石，對發(fā)展具有中國典型特點的現(xiàn)代智慧農(nóng)業(yè)意義重大。目前，我國農(nóng)業(yè)用地呈現(xiàn)細(xì)碎化現(xiàn)象，而土地細(xì)碎化會造成地塊生產(chǎn)趨同，影響和制約農(nóng)戶購置農(nóng)機(jī)[1]。在農(nóng)忙季節(jié)，農(nóng)田如果無法及時進(jìn)行農(nóng)機(jī)作業(yè)，必將造成經(jīng)濟(jì)損失，也會降低農(nóng)機(jī)利用率[2]。

我國農(nóng)業(yè)在現(xiàn)代化轉(zhuǎn)型過程中面臨著農(nóng)機(jī)供需信息滯后、農(nóng)機(jī)資源調(diào)度不合理、農(nóng)機(jī)站和農(nóng)戶溝通效率低下、資源配置不合理及農(nóng)機(jī)作業(yè)效率低等問題，嚴(yán)重制約了智慧農(nóng)業(yè)前進(jìn)的步伐[3]。另外，伴隨著現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)和農(nóng)村城鎮(zhèn)化步伐的加快，大量農(nóng)村農(nóng)業(yè)生產(chǎn)勞動力涌入城市，造成農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中勞動力的急劇匱乏，再加上老齡化嚴(yán)重，使得人們對農(nóng)業(yè)機(jī)械具有越來越顯著的依賴性，迫使農(nóng)業(yè)進(jìn)一步朝著機(jī)械化作業(yè)發(fā)展[4]，農(nóng)機(jī)規(guī)?；鳂I(yè)已成為必然趨勢。農(nóng)機(jī)社會化服務(wù)形式已出現(xiàn)了蓬勃發(fā)展勢頭，亟需不斷創(chuàng)新[5]。農(nóng)機(jī)服務(wù)組織是從事各種農(nóng)機(jī)化作業(yè)服務(wù)的單位或?qū)嶓w，是農(nóng)機(jī)社會化服務(wù)的載體，經(jīng)歷了包括農(nóng)機(jī)大戶、農(nóng)機(jī)協(xié)會和中介服務(wù)組織等發(fā)展階段，當(dāng)前，農(nóng)機(jī)專業(yè)合作社是新型的農(nóng)機(jī)服務(wù)組織[6]。農(nóng)機(jī)服務(wù)方為實現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械合理調(diào)度需注意幾下幾點：①加強(qiáng)農(nóng)機(jī)化與信息化融合，實行智能控制和精準(zhǔn)化運行，提升農(nóng)業(yè)和農(nóng)機(jī)化水平；②合理分配和整合更多的農(nóng)機(jī)資源，加強(qiáng)農(nóng)機(jī)科學(xué)有效調(diào)度，最大限度發(fā)揮農(nóng)機(jī)資源在農(nóng)業(yè)上的作用；③提升農(nóng)機(jī)服務(wù)組織信息水平和管理能力，做到有序作業(yè)和科學(xué)管理[7]。

當(dāng)前，精細(xì)農(nóng)業(yè)是在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的基礎(chǔ)上利用信息技術(shù)和人工智能技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)和可持續(xù)發(fā)展。利用信息技術(shù)對智能農(nóng)業(yè)機(jī)械進(jìn)行改造，有利于促進(jìn)精細(xì)農(nóng)業(yè)和精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展，是農(nóng)機(jī)面向未來的發(fā)展趨勢。其中，衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的升級和發(fā)展掀開了重要篇章。我國的北斗導(dǎo)航技術(shù)屬于自主研發(fā)，目前，市面上大部分農(nóng)機(jī)機(jī)具已安裝了北斗導(dǎo)航裝置，該技術(shù)為建立精準(zhǔn)快速的農(nóng)業(yè)機(jī)械跨區(qū)域調(diào)度作業(yè)系統(tǒng)提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐，有助于我國農(nóng)業(yè)發(fā)展建立獨立的作業(yè)體系[8-9]。另外，地理信息系統(tǒng)技術(shù)和無線通信技術(shù)的快速發(fā)展也為農(nóng)業(yè)機(jī)械調(diào)配作業(yè)提供了數(shù)據(jù)支撐，農(nóng)戶提交作業(yè)需求訂單，農(nóng)業(yè)機(jī)械通過使用定位技術(shù)和通用無線分組業(yè)務(wù)技術(shù)，將在農(nóng)田的作業(yè)位置和完成作業(yè)任務(wù)的實時狀態(tài)上傳到數(shù)據(jù)庫終端，多區(qū)域、多農(nóng)機(jī)調(diào)度系統(tǒng)根據(jù)這些信息分配最優(yōu)的農(nóng)機(jī)調(diào)配作業(yè)方案，實現(xiàn)農(nóng)機(jī)作業(yè)過程的優(yōu)化配置，提高作業(yè)效率和農(nóng)機(jī)利用率[10]。

因此，構(gòu)建合理的跨區(qū)域多農(nóng)機(jī)調(diào)度服務(wù)作業(yè)系統(tǒng)有利于農(nóng)機(jī)服務(wù)方和農(nóng)機(jī)需求方根據(jù)合適的作業(yè)協(xié)議及時地進(jìn)行溝通與交流，大幅提升雙方信息的匹配；避免多區(qū)域作業(yè)農(nóng)機(jī)的盲目流動，降低農(nóng)機(jī)服務(wù)組織調(diào)配農(nóng)業(yè)機(jī)械的運轉(zhuǎn)成本；提高農(nóng)業(yè)耕、種、收效益；使農(nóng)機(jī)能夠及時服務(wù)對應(yīng)農(nóng)田作業(yè)點，提高農(nóng)業(yè)機(jī)械的作業(yè)效率[11]。

本文結(jié)合農(nóng)機(jī)作業(yè)的特點，從農(nóng)機(jī)調(diào)度系統(tǒng)、作業(yè)時間窗、農(nóng)機(jī)調(diào)度模型和智能優(yōu)化算法等方面對國內(nèi)外的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述，分析了基于時間窗的農(nóng)機(jī)調(diào)度技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀。智能信息技術(shù)在農(nóng)機(jī)調(diào)度領(lǐng)域的應(yīng)用可有效解決農(nóng)業(yè)領(lǐng)域農(nóng)機(jī)供需信息滯后、資源配置不合理和農(nóng)機(jī)作業(yè)效率低等問題，有助于設(shè)計一種包含調(diào)度分析模塊的農(nóng)機(jī)調(diào)度服務(wù)作業(yè)系統(tǒng)，以便于深入分析和輔助決策，加強(qiáng)農(nóng)機(jī)服務(wù)方和農(nóng)機(jī)需求方之間的溝通交流，避免農(nóng)機(jī)跨區(qū)域作業(yè)的盲目流動，減少農(nóng)機(jī)傳統(tǒng)調(diào)配方式作業(yè)的運轉(zhuǎn)成本。

1 農(nóng)機(jī)調(diào)度系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀

1.1 農(nóng)機(jī)調(diào)度系統(tǒng)平臺的研究現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的農(nóng)機(jī)調(diào)度方法既浪費時間又浪費人力，且農(nóng)機(jī)服務(wù)組織與農(nóng)戶之間的信息交互滯后，易造成農(nóng)機(jī)盲目和隨機(jī)流動，影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)率和農(nóng)機(jī)作業(yè)效率[12]。現(xiàn)代智能農(nóng)機(jī)調(diào)度系統(tǒng)利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、導(dǎo)航定位技術(shù)和地理系統(tǒng)技術(shù)等，在農(nóng)機(jī)上安裝北斗導(dǎo)航系統(tǒng)及位置和作業(yè)等傳感器，建立農(nóng)機(jī)智能管理平臺，加強(qiáng)了農(nóng)機(jī)管理、調(diào)度、生產(chǎn)和用戶間的信息交流。新技術(shù)和新機(jī)具的推廣應(yīng)用在農(nóng)機(jī)銷售和作業(yè)中發(fā)揮著重要作用。

目前，農(nóng)機(jī)調(diào)度系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用優(yōu)勢主要體現(xiàn)在幾個方面：①實現(xiàn)了農(nóng)機(jī)作業(yè)信息、農(nóng)機(jī)性能參數(shù)、農(nóng)戶和農(nóng)機(jī)信息、位置坐標(biāo)等信息的采集、監(jiān)測和管理；②利用數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行儲存和共享，避免了數(shù)據(jù)信息采集的滯后和缺失；③對采集儲存的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析處理，有利于對整個農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程進(jìn)行宏觀的決策以及微觀的調(diào)控，完成農(nóng)機(jī)調(diào)度的智能決策，提高農(nóng)機(jī)資源的利用率，提高農(nóng)田作業(yè)的服務(wù)效率，增加經(jīng)濟(jì)效益（圖1）。

農(nóng)機(jī)調(diào)度研究最早始于國外，美國農(nóng)業(yè)與生物工程師學(xué)會（American Society of agricultural and Biological Engineers，ASABE）對農(nóng)業(yè)領(lǐng)域調(diào)度的定義為：在考慮時間、人力、農(nóng)業(yè)機(jī)械資源、農(nóng)機(jī)作業(yè)優(yōu)先級和農(nóng)作物的生長狀況等重要因素的基礎(chǔ)上，合理規(guī)劃各種農(nóng)業(yè)作業(yè)生產(chǎn)的時間[5]。隨后，Elderen[14]提出農(nóng)業(yè)領(lǐng)域存在純粹和連續(xù)兩種基本調(diào)度問題。21世紀(jì)初，Bochtis等[15-16]將工業(yè)領(lǐng)域十分常見的車間流水線調(diào)度問題應(yīng)用于農(nóng)機(jī)農(nóng)業(yè)田間作業(yè)的多區(qū)域連續(xù)調(diào)度問題。

國外有很多公司針對農(nóng)機(jī)信息管理調(diào)度系統(tǒng)開發(fā)了相應(yīng)的農(nóng)機(jī)信息管理軟件。美國John Deere公司開發(fā)了JD Link農(nóng)機(jī)管理系統(tǒng)[17]，作業(yè)人員可通過電腦端獲取農(nóng)機(jī)信息，以便于制定合理的調(diào)度作業(yè)計劃。英國Silsoe研究所也研發(fā)出了相應(yīng)軟件，該系統(tǒng)具有作業(yè)成本核算、農(nóng)機(jī)選擇和配套、作業(yè)規(guī)劃等功能[18]。丹麥Butani等開發(fā)了一套決策支持系統(tǒng)，該系統(tǒng)可根據(jù)農(nóng)田特點、農(nóng)作物差異性以及農(nóng)機(jī)設(shè)備信息等提供決策意見[19]。意大利的Lazzari等[20]開發(fā)了“農(nóng)業(yè)機(jī)械系統(tǒng)評測”模型，輸入農(nóng)作物品種、作業(yè)時間和農(nóng)機(jī)作業(yè)過程可輸出農(nóng)機(jī)作業(yè)的調(diào)配方案。

我國于20世紀(jì)末將全球定位系統(tǒng)(global positioning system，GPS)和地理信息系統(tǒng)(geographic information system，GIS)等技術(shù)運用到對農(nóng)機(jī)資源的分配管理調(diào)度方面，計算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展極大地促進(jìn)了農(nóng)機(jī)資源調(diào)配的優(yōu)化和完善。表1列舉了國內(nèi)學(xué)者設(shè)計和開發(fā)的一些農(nóng)機(jī)作業(yè)管理和調(diào)度系統(tǒng)，極大地促進(jìn)了智能調(diào)度系統(tǒng)的研發(fā)和功能的完善。

表1 農(nóng)機(jī)調(diào)度系統(tǒng)研究設(shè)計情況Table 1 Research and design situation of agricultural machinery scheduling system

近十年，農(nóng)機(jī)調(diào)度技術(shù)在全國各省發(fā)展迅速。黑龍江省在2013年結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及3S等技術(shù)，對農(nóng)機(jī)資源的日常維護(hù)、調(diào)配管理和遠(yuǎn)程服務(wù)等功能進(jìn)行升級，從而完成了對全省農(nóng)機(jī)資源的全面管理調(diào)度[11]。同年，北京順義建立了當(dāng)?shù)厥讉€基于北斗的新型農(nóng)機(jī)管理平臺，該平臺利用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)為當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)提供輔助決策，大幅度提高了農(nóng)機(jī)生產(chǎn)管理的基準(zhǔn)化水平[31-32]。2014年，河南省許昌市綜合衛(wèi)星定位系統(tǒng)、GIS、電子監(jiān)控、自動化技術(shù)和通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等對全市的農(nóng)機(jī)資源進(jìn)行跨區(qū)管理，農(nóng)機(jī)跨區(qū)作業(yè)調(diào)度指揮中心投入使用，該中心完成了農(nóng)機(jī)跨區(qū)作業(yè)的調(diào)度，保證了農(nóng)機(jī)與農(nóng)戶的供需和信息匹配[33]。2017年，京、津、冀共建農(nóng)機(jī)聯(lián)合調(diào)度平臺，包括農(nóng)機(jī)作業(yè)供需服務(wù)系統(tǒng)、農(nóng)機(jī)作業(yè)調(diào)度與監(jiān)控系統(tǒng)、農(nóng)機(jī)作業(yè)輔助決策系統(tǒng)，為京津冀三地農(nóng)戶、農(nóng)機(jī)服務(wù)組織、農(nóng)機(jī)管理部門服務(wù)的綜合管理平臺。同年，湖北省也建立了湖北北斗農(nóng)機(jī)信息化智能管理平臺，解決了傳統(tǒng)農(nóng)機(jī)管理中調(diào)度不科學(xué)、監(jiān)管不及時、統(tǒng)計不準(zhǔn)確的問題，為農(nóng)機(jī)管理者和生產(chǎn)管理者提供了作業(yè)農(nóng)機(jī)實時信息的綜合服務(wù)型平臺。

綜上所述，現(xiàn)階段農(nóng)機(jī)調(diào)度作業(yè)系統(tǒng)大部分為農(nóng)機(jī)監(jiān)控和農(nóng)機(jī)作業(yè)管理平臺，通常為對農(nóng)戶或農(nóng)機(jī)管理服務(wù)中心提供某個方面的管理服務(wù)，側(cè)重數(shù)據(jù)的采集、統(tǒng)計和可視化展示，缺少深入分析和智能輔助決策平臺，而對農(nóng)機(jī)調(diào)度系統(tǒng)采取智能算法進(jìn)行調(diào)度分析的研究較少。

1.2 農(nóng)機(jī)智能調(diào)度技術(shù)與傳統(tǒng)調(diào)度的區(qū)別

1.2.1 農(nóng)機(jī)智能調(diào)度與車輛調(diào)度的區(qū)別 在容量約束方面，帶時間窗車輛調(diào)度問題（vehicle routing problem with time windows，VRPTW）具有一定的容量約束，當(dāng)車輛所載剩余貨物不滿足下一個客戶的要求時，該調(diào)度路線停止；但在農(nóng)機(jī)資源調(diào)配中，不需要考慮容量約束，只需滿足作業(yè)時間窗即可，當(dāng)時間窗不被滿足時，調(diào)度作業(yè)路線即結(jié)束。

在車輛同質(zhì)性方面，傳統(tǒng)VRPTW假設(shè)車輛都具有同質(zhì)性，不需為每條路線指定特定的車輛，最終求解結(jié)果是車輛路線集合；在農(nóng)機(jī)調(diào)度中，農(nóng)機(jī)沒有同質(zhì)性，不同農(nóng)田作業(yè)點的特征和作類型可能存在差異，對農(nóng)機(jī)的類型、作業(yè)能力和行駛速度等要求也就可能不同，這就使得農(nóng)機(jī)調(diào)度問題比VRPTW問題更加復(fù)雜。

在調(diào)度時間和車庫方面，傳統(tǒng)VRPTW調(diào)度是單車庫調(diào)度模式，其調(diào)度時間主要是車輛在送貨路線上的轉(zhuǎn)移時間，大部分模型都會忽略服務(wù)時間，或是以常數(shù)形式給出；但在農(nóng)機(jī)調(diào)度中，調(diào)度是多車庫、多任務(wù)點的調(diào)度，其調(diào)度時間除了轉(zhuǎn)移時間，還有農(nóng)機(jī)在不同農(nóng)田的作業(yè)時間，其作業(yè)時間也會因農(nóng)田面積、作業(yè)類型和農(nóng)機(jī)作業(yè)能力的不同而不同。

1.2.2 農(nóng)機(jī)調(diào)度系統(tǒng)與智能打車系統(tǒng)的區(qū)別

農(nóng)機(jī)調(diào)度系統(tǒng)與智能打車系統(tǒng)在調(diào)度模型上會有較大差異。在即時訂單的車輛推薦上，農(nóng)機(jī)調(diào)度系統(tǒng)會對農(nóng)戶同時發(fā)出的多訂單根據(jù)所需農(nóng)機(jī)作業(yè)類型、農(nóng)田位置、農(nóng)田面積等調(diào)配對應(yīng)農(nóng)機(jī)前往進(jìn)行作業(yè)，以保證完成所有農(nóng)田作業(yè)的調(diào)度成本最低；而智能打車系統(tǒng)往往會推薦距離乘客最近的空乘車輛，也會根據(jù)司機(jī)的接單量和車輛的累計收入差異等進(jìn)行綜合考慮，建立車輛均衡調(diào)度機(jī)制[34]。另外，一臺農(nóng)機(jī)在同一時間只能服務(wù)一塊農(nóng)田，完成該農(nóng)田作業(yè)之后才能進(jìn)入下一塊農(nóng)田作業(yè)；而智能打車車輛可在乘客接受拼單前提下接單多位乘客，打車系統(tǒng)可以推薦多個用戶給同一輛車輛實現(xiàn)車輛共享。2種系統(tǒng)的調(diào)度模型不同，采取的算法也會有差別[34]，農(nóng)機(jī)調(diào)度一般采用元啟發(fā)式算法，如遺傳算法、蟻群算法、粒子群算法等群組算法進(jìn)行調(diào)度優(yōu)化；打車系統(tǒng)一般采用基于軌跡挖掘和實時用戶的車輛推薦算法，如以用戶請求為圓心，在一定半徑范圍內(nèi)尋找局部最優(yōu)車輛的Greedy算法、TripRec算法和Aprior算法等。

2 基于時間窗的車輛調(diào)度研究現(xiàn)狀

帶時間窗的路徑規(guī)劃和調(diào)度問題最先應(yīng)用于車輛調(diào)度領(lǐng)域，是對車輛調(diào)度進(jìn)行容量和時間的約束，優(yōu)化求得最小代價成本的車輛路徑。在車輛調(diào)度領(lǐng)域，時間窗主要分為硬時間窗、軟時間窗和模糊時間窗3種類型。其中，硬時間窗要求車輛必須在客戶需求時間內(nèi)完成任務(wù)；軟時間窗可允許車輛在客戶要求時間之外完成任務(wù)，但需支付超出時間的懲罰費用；模糊時間窗將客戶需求時間分為期望時間和可容忍時間，并用模糊隸屬度函數(shù)進(jìn)行刻畫，以此來反映客戶的滿意度，在期望時間內(nèi)，客戶滿意度為1，滿意度隨著模糊隸屬度在[0,1]之間取值。國外學(xué)者對于3種時間窗的研究詳見表2；國內(nèi)學(xué)者對3種時間窗的研究詳見表3。

表2 國外基于時間窗調(diào)度的研究情況Table 2 Foreign research situation of scheduling time window

表3 調(diào)度時間窗的國內(nèi)研究情況Table 3 Domestic research status of dispatch time window

基于硬時間窗時，在遇到車輛資源有限且客戶訂單數(shù)量較多時很難找到合適可行的調(diào)度方案，且與實際彈性時間情況不符。因此，學(xué)者提出了軟時間窗，不同于以往的固定性，軟時間窗具有一定的應(yīng)用性，更符合車輛調(diào)度中客戶對時間窗的接受情況。但隨著研究的深入，在實際中服務(wù)車輛遲到或提前并不一定會產(chǎn)生懲罰費用，只是會影響客戶對服務(wù)的評價，這就引發(fā)了廣大學(xué)者對客戶滿意度的評價表述，從而采用模糊時間窗刻畫客戶對車輛調(diào)度的滿意度水平。相比較硬時間窗和軟時間窗的研究，國內(nèi)外對模糊時間窗在車輛調(diào)度路徑優(yōu)化方面的研究較少，尤其在農(nóng)機(jī)調(diào)度領(lǐng)域，但采用模糊隸屬度函數(shù)比硬時間窗和軟時間窗在車輛調(diào)度問題中更接近實際情況，具有較高的實用價值。

3 農(nóng)機(jī)資源調(diào)度優(yōu)化問題模型

農(nóng)機(jī)資源調(diào)度模型的搭建（圖2）經(jīng)常以車輛調(diào)度問題（vehicle routing problem，VRP）或帶時間窗車輛調(diào)度問題為基礎(chǔ)模型，基于此模型，發(fā)展出一系列元啟發(fā)式算法以求得調(diào)度最優(yōu)解，在實際運用中取得了較好效果。針對小規(guī)模農(nóng)機(jī)作業(yè)情況，F(xiàn)oulds等[68]研究油菜籽收獲作業(yè)時，在考慮農(nóng)機(jī)作業(yè)時間約束和農(nóng)機(jī)資源限制約束的基礎(chǔ)上建立了農(nóng)機(jī)調(diào)配線性規(guī)劃模型；Bochtis等[69-71]將農(nóng)機(jī)資源調(diào)配分為農(nóng)田覆蓋、農(nóng)機(jī)資源分配、調(diào)配路徑最優(yōu)化以及方案調(diào)整，建立了二進(jìn)制整數(shù)規(guī)劃問題模型，并在傳統(tǒng)車輛調(diào)度模型基礎(chǔ)上，提出了田間農(nóng)機(jī)作業(yè)規(guī)劃和資源調(diào)度模型。針對農(nóng)機(jī)跨區(qū)域作業(yè)情況，Jensen等[72]綜合跨農(nóng)場作業(yè)時間和作業(yè)空間目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，建立了跨區(qū)域農(nóng)機(jī)作業(yè)模型，使用圖論法和Dijkstra算法解決單路徑規(guī)劃模型問題；Alaiso等[73]基于旅行商問題建立了時間窗旅行商變體模型，解決了大量農(nóng)田作業(yè)承包問題。針對農(nóng)機(jī)作業(yè)存在連續(xù)作業(yè)的情況，Orfanou等[74]建立了包括輸入、調(diào)度和輸出的農(nóng)機(jī)連續(xù)作業(yè)調(diào)度模型。另外，針對模型非線性問題，Ramos-Castillo等[75]提出了基于代理的優(yōu)化和混合整數(shù)非線性規(guī)劃（mixed integer nonlinear programming，MINLP）模型。各種模型優(yōu)化目標(biāo)及模型具體表現(xiàn)如表4所示。

表4 農(nóng)機(jī)調(diào)度模型的研究情況Table 4 Research status of agricultural machinery scheduling models

圖2 智能優(yōu)化模型平臺的系統(tǒng)框架圖[28]Fig.2 System framework diagram of the intelligent optimization model platform

4 農(nóng)機(jī)調(diào)度問題的智能算法

在小規(guī)模車輛物流調(diào)度中，傳統(tǒng)的啟發(fā)式算法由于具有算法簡單、求解速度快等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用。但在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，農(nóng)機(jī)調(diào)度模型需要解決多農(nóng)機(jī)服務(wù)中心跨區(qū)域作業(yè)調(diào)配問題，因此，較傳統(tǒng)VRPTW問題更加復(fù)雜。隨著對農(nóng)機(jī)調(diào)度模式的分析和研究，遺傳算法、蟻群算法、粒子群算法、模擬退火算法、禁忌搜索算法等智能優(yōu)化算法被逐漸應(yīng)用，且在不同的作業(yè)情境下取得了良好的效果。

4.1 單一智能算法

4.1.1 遺傳算法 遺傳算法具有較好的全局尋優(yōu)能力和環(huán)境適應(yīng)性，被廣泛應(yīng)用于組合優(yōu)化領(lǐng)域，近年來經(jīng)過不斷地改進(jìn)優(yōu)化更適用于多種調(diào)度模型。在對簡單調(diào)度模型尋優(yōu)方面，Bochtis等[69]對農(nóng)機(jī)調(diào)度路徑生成模型進(jìn)行了求解優(yōu)化；任建順等[88]在此基礎(chǔ)上對遺傳算法進(jìn)行改進(jìn)，利用多目標(biāo)權(quán)重的適應(yīng)度函數(shù)將多目標(biāo)轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)，以此來解決農(nóng)機(jī)時空動態(tài)調(diào)度問題；謝婷婷[10]改進(jìn)了路徑交叉算子和自適應(yīng)遺傳算子，使遺傳算法實現(xiàn)了全局最優(yōu)。在作業(yè)時間窗問題上，王雪陽等[82]設(shè)計了初始種群的2級多段編碼，提出了單個染色體指定位置交叉的遺傳算法；王文權(quán)[89]基于改進(jìn)插入式路徑構(gòu)造了啟發(fā)式算法和鄰域優(yōu)化技術(shù)的遺傳算法，改進(jìn)了變異算子和鄰域搜索算子，提高了計算效率；呂云杰等[90]改進(jìn)了自適應(yīng)遺傳算子的農(nóng)機(jī)調(diào)度方法，提出了父代染色體以隨機(jī)生成的掩碼為依據(jù)在指定位置交叉的算法規(guī)則，以及由種群狀態(tài)來確定個體交叉概率與變異概率的自適應(yīng)方法，在農(nóng)田維數(shù)變化的調(diào)度問題中取得了良好的效果。

4.1.2 蟻群算法和粒子群算法 蟻群算法和粒子群算法都是尋求最優(yōu)路徑的概率性算法。龔瑞昆等[91]改進(jìn)了蟻群算法，在算法中引入了節(jié)約矩陣，針對不同搜索時段采用不同的信息揮發(fā)因子，再通過局部搜索策略搜索最優(yōu)解，解決了蟻群算法易陷入局部最優(yōu)和收斂速度慢的缺點。諶林等[92]使用自適應(yīng)策略，在選擇概率方式后利用輪盤賭策略對下條路徑進(jìn)行選擇，提高了蟻群算法的效率。針對多機(jī)協(xié)同的農(nóng)田動態(tài)環(huán)境，曹如月等[93]設(shè)計了基于任務(wù)序列規(guī)劃的蟻群算法，通過狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率公式選擇地塊、修改禁忌表并更新信息素來進(jìn)行迭代優(yōu)化，有效地降低了路徑代價。Sethanan等[94]將優(yōu)化目標(biāo)設(shè)置為最大化甘蔗產(chǎn)量和最小化收獲距離，提出了MOGLNPSO算法，即結(jié)合gbest、lbest和nebest的粒子群優(yōu)化算法，該算法制定出了新的粒子編碼和解碼方案，結(jié)合路徑規(guī)劃的可訪問性和分割收獲約束，在實際中有利于提出更好的解決方案。

4.1.3 模擬退火算法和禁忌搜索算法 陳少華等[95]在模擬退火算法的基礎(chǔ)上引入了協(xié)同進(jìn)化，把高維變量分解成多組低維變量，每組低維變量形成獨立的子種群，子種群間進(jìn)行獨立進(jìn)化，個體適應(yīng)度則以該個體和代表個體組合成完備解，對完備解計算適應(yīng)度值，以此來評判個體優(yōu)劣。Omidvar等[96]指出含有協(xié)同進(jìn)化的模擬退火算法是解決高維優(yōu)化問題的主流方法。

禁忌搜索算法通過模擬人的思維，利用短期和長期記憶來保證算法全局最優(yōu)。劉明劍等[97]利用禁忌搜索算法解決了交叉路口自治車輛調(diào)度，證明基于禁忌搜索的調(diào)度優(yōu)化策略優(yōu)于FCFS策略和信號控制策略。針對軟時間窗的多服務(wù)需求車輛調(diào)度問題，潘帥等[98]改進(jìn)禁忌搜索算法，使用Lingo對多個算例進(jìn)行精確求解，對解的構(gòu)造方法與鄰域變換規(guī)則進(jìn)行改良，證明改進(jìn)后的禁忌搜索算法更具有效性。

4.2 多種智能算法的結(jié)合

結(jié)合智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀和多區(qū)域互聯(lián)農(nóng)機(jī)服務(wù)調(diào)度特點，馬軍巖等[87]改進(jìn)了原始粒子群算法，引入模擬退火過程優(yōu)化農(nóng)機(jī)作業(yè)路徑，設(shè)計改進(jìn)模擬退火和粒子群優(yōu)化的混合智能算法，提高算法的全局搜索能力。為解決帶時間窗的車輛路徑問題，Orfanou等[74]提出結(jié)合貪婪算法和禁忌搜索算法對農(nóng)機(jī)調(diào)度進(jìn)行優(yōu)化，其中，禁忌搜索算法采用鄰域搜索算法，避免了優(yōu)化結(jié)果陷入局部最優(yōu)。

在智能優(yōu)化求解中，遺傳算法因全局擇優(yōu)而被廣泛應(yīng)用于農(nóng)機(jī)調(diào)度領(lǐng)域，很多國內(nèi)外學(xué)者將遺傳算法和其他智能算法相結(jié)合，既提高了優(yōu)化全局性，也避免了過早收斂。為優(yōu)化農(nóng)機(jī)資源的調(diào)配，Guan等[76-77]提出兩階段算法，其中，第一階段利用模擬退火算法對農(nóng)機(jī)資源先進(jìn)行分配；第二階段結(jié)合Petri網(wǎng)絡(luò)模型和遺傳算法對模型進(jìn)行優(yōu)化求解。兩階段算法避免了死循環(huán)，使資源相互獨立，提高了生成最優(yōu)方案的效率。吳珂[99]將遺傳算法的全局收斂性和蟻群算法的并行性進(jìn)行優(yōu)勢互補(bǔ)，提高了收斂速度和算法的全局搜索能力。秦勇等[100]將遺傳算法和貪婪算法相結(jié)合，設(shè)計了尺度變換的適應(yīng)度函數(shù)，采用確定式采樣選擇方法提高種群質(zhì)量，有效地解決了并行測試任務(wù)的調(diào)度問題。

綜上可見，智能優(yōu)化算法在農(nóng)機(jī)調(diào)度技術(shù)中的應(yīng)用極大地提高了農(nóng)機(jī)作業(yè)調(diào)度的精度和速度；多種算法結(jié)合的混合算法更是增強(qiáng)了全局尋優(yōu)能力，提升收斂速率的同時避免了算法早熟；智能優(yōu)化算法在跨區(qū)域多機(jī)調(diào)度問題上具有較強(qiáng)優(yōu)勢，而跨區(qū)域多機(jī)調(diào)度也是農(nóng)機(jī)調(diào)度與傳統(tǒng)車輛調(diào)度的主要區(qū)別之一。

5 結(jié)語

國內(nèi)外關(guān)于時間窗的多農(nóng)機(jī)跨區(qū)域農(nóng)機(jī)資源調(diào)度問題的主要聚焦點略有不同。在農(nóng)機(jī)調(diào)度系統(tǒng)方面，國外研究一方面主要關(guān)注大面積農(nóng)田的農(nóng)機(jī)資源調(diào)度，另一方面聚焦于多機(jī)協(xié)同連續(xù)作業(yè)問題；而國內(nèi)研究主要聚焦在以農(nóng)機(jī)合作社為服務(wù)中心，面向農(nóng)戶訂單的調(diào)度模式，調(diào)度系統(tǒng)多為農(nóng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，對農(nóng)機(jī)和作業(yè)人員進(jìn)行信息管理，而對調(diào)度模塊分析較少，調(diào)度智能算法和調(diào)度系統(tǒng)的結(jié)合力度不夠。在農(nóng)機(jī)調(diào)度模型的建立方面，國內(nèi)外都多以旅行商和車輛調(diào)度問題的變體模型為基礎(chǔ)，其中，國外研究在模型約束條件里考慮了更多的約束條件，包括動態(tài)和隨機(jī)農(nóng)機(jī)調(diào)度約束以及容量約束等；而我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與國外存在較大差異，因此，國外的很多調(diào)度模型不適用于國內(nèi)農(nóng)機(jī)調(diào)度，國內(nèi)現(xiàn)有的農(nóng)機(jī)調(diào)度模型大多屬于帶時間窗的車輛調(diào)度問題，而對農(nóng)機(jī)作業(yè)匹配約束、多農(nóng)機(jī)型號約束等考慮較少。在調(diào)度算法設(shè)計上，國內(nèi)外均使用線性規(guī)劃類的精確算法，近年來，隨著元啟發(fā)算法（遺傳算法、蟻群算法、粒子群算法、模擬退火算法和禁忌搜索算法等）的提出和完善，這些智能算法越來越被廣泛地應(yīng)用于農(nóng)機(jī)調(diào)度領(lǐng)域。但目前來說，綜合考慮多農(nóng)機(jī)服務(wù)中心收益和農(nóng)戶收益、農(nóng)機(jī)使用成本、天氣道路等影響、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)度算法仍然亟需開發(fā)。