基于遺傳算法的涪城區(qū)楊關(guān)產(chǎn)業(yè)帶作物種植結(jié)構(gòu)研究

張峻嶺

摘 要：為了節(jié)約農(nóng)業(yè)水資源，提高水資源的利用效率，農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)調(diào)整成為解決水資源問題關(guān)鍵措施。產(chǎn)業(yè)帶經(jīng)濟(jì)效益最大以及保證糧食安全是其發(fā)展的目標(biāo)。本文建立的多目標(biāo)規(guī)劃數(shù)學(xué)模型，通過matlab遺傳算法編程，求得最佳的農(nóng)作物種植方案。結(jié)合現(xiàn)狀區(qū)實(shí)際種植結(jié)構(gòu)以及規(guī)劃，最終得到楊關(guān)產(chǎn)業(yè)帶最優(yōu)的作物種植結(jié)構(gòu)，為科學(xué)指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：種植結(jié)構(gòu) 多目標(biāo)規(guī)劃 遺傳算法.

中圖分類號(hào)：S5-3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2018）03（a）-0000-00

Abstract： Because of Yang and Guan Industry Area present situation of water resources shortage， crop planting structure adjustment is to solve water resources problem key measures.The development target is max economic benefit and guarantee food security of Industry area. This paper establishes the multiple objective programming model to get the best planting scheme， through matlab genetic algorithm programming. combining with the current actual planting structure and planning， ultimately we get the Yang and Guan Industry Area optimum planting structure in order to scientific guide for the production practice to provide a theoretical basis.

Keywords： planting structure adjustment， multi-objective programming， genetic algorithm.

作物種植結(jié)構(gòu)調(diào)整，就是按照自然規(guī)律和經(jīng)濟(jì)規(guī)律，科學(xué)合理配置生產(chǎn)要素，調(diào)整生產(chǎn)力在不同區(qū)域、不同作物和不同品種之間的布局，使之與國(guó)民經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)調(diào)整和發(fā)展相適應(yīng)。但是，面對(duì)糧食種植業(yè)效益低以及受世界糧食市場(chǎng)沖擊等影響，進(jìn)一步加快種植業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，提高效益勢(shì)在必行。如何使作物種植結(jié)構(gòu)更加合理，進(jìn)一步增加農(nóng)民收入，使農(nóng)業(yè)和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)科學(xué)發(fā)展，一直是各級(jí)政府探索的課題。

楊關(guān)產(chǎn)業(yè)帶[1]位于綿陽科技城核心區(qū)、四川省縣級(jí)經(jīng)濟(jì)綜合實(shí)力“十強(qiáng)縣”——涪城區(qū)西南部，距離綿陽城區(qū)15km，均處于綿陽城市二環(huán)路與繞城高速之間，現(xiàn)有綿（陽）中（江）公路、涪城環(huán)線路穿越其境，產(chǎn)業(yè)帶起點(diǎn)與在建的繞城高速楊家出口相連，道路網(wǎng)絡(luò)形成，交通非常便捷。產(chǎn)業(yè)帶沿區(qū)域內(nèi)陰山河流域布局，重點(diǎn)涉及涪城區(qū)楊家、關(guān)帝兩個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)11個(gè)行政村，幅員面積為28km2，其中耕地面積20124畝，林地12720畝。產(chǎn)業(yè)帶現(xiàn)有主要糧食作物是水稻、小麥、玉米和油菜，主要經(jīng)濟(jì)作物是蔬菜、水果等?，F(xiàn)狀產(chǎn)業(yè)帶屬人民渠產(chǎn)業(yè)帶玉楊豐干渠系，為了節(jié)約水資源，提高水資源的利用效率，探討產(chǎn)業(yè)帶的農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)的研究。

1 數(shù)學(xué)模型

在農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)研究過程中，大多數(shù)是多目標(biāo)優(yōu)化問題，有時(shí)需要使用多個(gè)目標(biāo)在給定區(qū)域上都可能地達(dá)到最優(yōu)的問題，目標(biāo)之間一般都是互相沖突的，這種多于一個(gè)的數(shù)值目標(biāo)的最優(yōu)化問題就是多目標(biāo)問題。解決含多目標(biāo)和多約束的優(yōu)化問題稱為多目標(biāo)優(yōu)化問題[2]。多目標(biāo)優(yōu)化問題一般的數(shù)學(xué)模型可描述為：

式中，V-min表示向量極小化，即向量目標(biāo)函數(shù)法 中的各個(gè)子目標(biāo)函數(shù)都盡可能地達(dá)到極小化。

以產(chǎn)業(yè)帶的最大毛經(jīng)濟(jì)效益以及糧食產(chǎn)量最大為目標(biāo)函數(shù)，產(chǎn)業(yè)帶可供水量以及產(chǎn)業(yè)帶總面積作為約束條件，建立作物種植結(jié)構(gòu)的多目標(biāo)規(guī)劃模型[3].

2 計(jì)算方法

本模型的求解采用matlab遺傳算法[4]。遺傳算法（Genetic Algorithm）是模擬達(dá)爾文生物進(jìn)化論的自然選擇和遺傳學(xué)機(jī)理的生物進(jìn)化過程的計(jì)算模型，是一種通過模擬自然進(jìn)化過程搜索最優(yōu)解的方法。

遺傳算法起源于對(duì)生物系統(tǒng)所進(jìn)行的計(jì)算機(jī)模擬研究。美國(guó)Michigan大學(xué)的holland教授及其學(xué)生受到生物模擬技術(shù)的啟發(fā)，創(chuàng)造了一種基于生物遺傳和進(jìn)化機(jī)制的適合于復(fù)雜系統(tǒng)優(yōu)化的自適應(yīng)概率優(yōu)化技術(shù)——遺傳算法。Holland教授用遺傳算法的思想對(duì)自然和人工自適應(yīng)進(jìn)行了研究，提出了遺傳算法的基本定理、模式定理，20世紀(jì)80年代，Holland教授實(shí)現(xiàn)了第一個(gè)基于遺傳算法的機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)，開創(chuàng)了遺傳算法的機(jī)器學(xué)習(xí)的新概念。

matlab7.0 released4包含一個(gè)專門設(shè)計(jì)的遺傳算法與直接搜索工具箱（GADS）[5]。使用遺傳算法與直接搜索工具箱，可以擴(kuò)展matlab及其優(yōu)化工具箱在處理優(yōu)化問題方面的能力，GADS工具箱是一系列函數(shù)的集合，它們擴(kuò)展了優(yōu)化工具和matlab數(shù)值計(jì)算環(huán)境的性能。遺傳算法與直接搜索。遺傳算法與直接搜索工具箱包含了要使用遺傳算法和直接搜索算法來求解優(yōu)化問題的一些例程。這些算法使能夠求解那些標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)化工具箱范圍之外的各種優(yōu)化問題。

多目標(biāo)優(yōu)化中最優(yōu)解和pareto最優(yōu)解（pareto optimal solution），對(duì)于求解多目標(biāo)優(yōu)化問題的pareto最優(yōu)解，目前已有多種基于遺傳算法的求解方法，本文采用權(quán)重系數(shù)變換法，對(duì)于此多目標(biāo)規(guī)劃一般采用權(quán)重系數(shù)變換法將多目標(biāo)問題轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)問題，根據(jù)子目標(biāo)函數(shù)的重要程度，由于經(jīng)濟(jì)效益子目標(biāo)函數(shù)與糧食產(chǎn)量子目標(biāo)函數(shù)對(duì)于產(chǎn)業(yè)帶重要性相當(dāng)，但由于目前產(chǎn)業(yè)帶發(fā)展還是必須靠經(jīng)濟(jì)效益帶動(dòng)，因此本文取E的權(quán)重系數(shù)為0.7，O的權(quán)重系數(shù)為0.3。則多目標(biāo)優(yōu)化問題可就轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)優(yōu)化問題，即可利用單目標(biāo)優(yōu)化的遺傳算法求解多目標(biāo)優(yōu)化問題。

3 參數(shù)確定

產(chǎn)業(yè)帶旱作物以地面小畦灌溉為主，輔以低壓管灌、噴灌等灌溉方式；水稻全部采用控制灌溉方式。

a.作物市場(chǎng)單價(jià)、灌溉定額、畝均產(chǎn)量

根據(jù)調(diào)查，產(chǎn)業(yè)帶種植作物種類主要有水稻、油菜、玉米、蔬菜、水果等六類，各類作物市場(chǎng)單價(jià)、灌溉定額、畝均產(chǎn)量參數(shù)見表1。

b.產(chǎn)業(yè)帶可供水量

產(chǎn)業(yè)帶屬人民渠產(chǎn)業(yè)帶玉楊豐干渠系，現(xiàn)有水庫(kù)?。ǘ┬退畮?kù)5座，山平塘163口，蓄水池101口，石河堰12道。1個(gè)國(guó)管中型水利工程單位（玉楊豐支渠），年引水能力750萬m3。

c.灌溉面積

產(chǎn)業(yè)帶主要糧食作物是水稻、小麥、玉米和油菜，主要經(jīng)濟(jì)作物是蔬菜、水果等。產(chǎn)業(yè)帶糧食作物面積為20124畝，經(jīng)濟(jì)作物面積為6259畝。糧食作物以及油菜采用復(fù)種模式。

4 模型求解

模型求解的主程序：

function z=ygcy2012（x）；

E=1584*x（1）+728*x（2）+830.8*x（3）+967.50*x（4）+12500*x（5）+10500*x（6）；

O=550*x（1）+620*x（3）+450*x（5）；

g1=250*x（1）+35*x（2）+40*x（3）+40*x（4）+160*x（5）+55*x（6）-750；

g2=x（1）+x（2）+x（3）+x（4）+x（5）+x（6）-4.33；

g3=x（1）-1.0565；

g5=x（3）+x（4）-0.9560；

g6=x（6）-0.2；

if（g1<=0）&（g2<=0）&（g3<=0）&（x>=0）&（g5<=0）&（g6<=0）

z=0.7*E+0.3*O

else

z=-100；

end

z=-z；

根據(jù)上述約束條件，通過計(jì)算求解六種方案不同的結(jié)果見圖1以及表2所示。

5 結(jié)果分析

產(chǎn)業(yè)帶種植結(jié)構(gòu)調(diào)整近幾年變化比較大，水稻面積呈逐年遞減，蔬菜、水果種植面積一直維持較快的增長(zhǎng)狀態(tài)，究其原因，一是產(chǎn)業(yè)帶農(nóng)民群眾因?yàn)橥獬鰟?wù)工緣故，有規(guī)模、亦成片耕地已被一些農(nóng)業(yè)企業(yè)整合，通過種植蔬菜、水果等，改變了土地的種植結(jié)構(gòu)模式。二是因灌溉條件不利以及產(chǎn)業(yè)帶來水量的分布不均。若可以改善產(chǎn)業(yè)帶灌溉設(shè)施，亦是可以增加部分水稻種植面積。

根據(jù)六個(gè)設(shè)計(jì)方案的結(jié)果分析，方案3當(dāng)水果種植面積為0.4萬畝時(shí)，其最大經(jīng)濟(jì)效益為3.23億元，糧食總產(chǎn)量為966.1萬kg。但2010年產(chǎn)業(yè)帶農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值僅為11241萬元，方案3農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值增長(zhǎng)了187%

現(xiàn)狀種植結(jié)構(gòu)還有調(diào)整的空間，糧食產(chǎn)量安全問題關(guān)乎到社會(huì)的安定，產(chǎn)業(yè)帶內(nèi)共計(jì)10個(gè)村，88個(gè)村民小組，總戶數(shù)4369戶，總?cè)丝?3758人，按年人均500kg糧食計(jì)算，則需要考慮生產(chǎn)糧食689.00萬kg，本文給出的六個(gè)方案中，均都滿足要求。

6 建議

近年來，綿陽市涪城區(qū)楊關(guān)產(chǎn)業(yè)帶的農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)、農(nóng)田水利工程已建設(shè)完成，這為楊關(guān)產(chǎn)業(yè)帶的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。通過提高水資源的利用效率，以實(shí)現(xiàn)好該產(chǎn)業(yè)帶的最優(yōu)化的種植結(jié)構(gòu)，帶來最高的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)利益。但方案3因此其增長(zhǎng)效率相當(dāng)高，此方案實(shí)施有一定的難度，主要由于當(dāng)?shù)厝罕姷臍v史的種植習(xí)慣以及農(nóng)產(chǎn)品的市場(chǎng)前景等因素的影響。種植結(jié)構(gòu)調(diào)整的方案不會(huì)如期實(shí)現(xiàn)，涪城區(qū)政府以及鄉(xiāng)鎮(zhèn)政府可以通過引導(dǎo)當(dāng)?shù)厝罕姡鸩秸{(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的效益。

參考文獻(xiàn)：

[1] 《綿陽市農(nóng)業(yè)綜合開發(fā)土地治理涪城區(qū)楊關(guān)產(chǎn)業(yè)帶項(xiàng)目可行性研究報(bào)告》，四川涪圣工程設(shè)計(jì)咨詢有限公司，2011.

[2] 甘泓.水資源合理配置理論與實(shí)踐研究.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院博士論文，2000.07；

[3] 周麗.基于遺傳算法的區(qū)域水資源優(yōu)化配置研究.鄭州大學(xué)碩士論文，2002.04；

[4] 雷英杰等.Matlab遺傳算法工具箱及應(yīng)用.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2009.08；

[5] 陳國(guó)良等.遺傳算法及其應(yīng)用.北京：北京人民郵電出版社，1996；

[6] 《四川省用水定額（試行）》，2010.