聯(lián)合收割機多機協(xié)同作業(yè)路徑優(yōu)化

姚竟發(fā)，滕桂法，霍利民，苑迎春，張 璠

聯(lián)合收割機多機協(xié)同作業(yè)路徑優(yōu)化

姚竟發(fā)1，滕桂法2,4※，霍利民1，苑迎春3，張 璠3

（1. 河北農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，保定 071000；2. 河北農(nóng)業(yè)大學(xué)研究生學(xué)院，保定 071000；3. 河北農(nóng)業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，保定 071000；4. 河北省農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究院，保定 071000）

隨著我國土地流轉(zhuǎn)政策的不斷推進，種植實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)和管理，采用多臺聯(lián)合收割機同時進行收獲作業(yè)，可不僅提高效率，而且對搶種搶收，減少自然災(zāi)害的風(fēng)險，實現(xiàn)顆粒歸倉意義重大。但是由于作業(yè)路徑規(guī)劃不當，常常發(fā)生作業(yè)沖突、反而效率降低，成本增加等問題，因此，研究如何規(guī)劃和優(yōu)化聯(lián)合收割機多機無沖突協(xié)同作業(yè)具有十分重要的理論意義和實用價值。本文以總作業(yè)時間和作業(yè)時長為綜合優(yōu)化目標，綜合考慮聯(lián)合收割機轉(zhuǎn)彎和作業(yè)沖突的情況，提出了聯(lián)合收割機多機無沖突協(xié)同作業(yè)路徑優(yōu)化算法（improved genetic algorithm，IGA）。結(jié)果表明，與遺傳算法（genetic algorithm，GA）相比，IGA優(yōu)化的矩形農(nóng)田作業(yè)路徑總作業(yè)時間和作業(yè)時長平均分別下降了33.72%、34.00%，IGA優(yōu)化的梯形農(nóng)田作業(yè)路徑總作業(yè)時間和作業(yè)時長分別下降了29.93%、30.00%，與并排作業(yè)相比，IGA優(yōu)化的矩形農(nóng)田作業(yè)路徑總作業(yè)時間和作業(yè)時長平均分別下降了2.45%、2.29%，IGA優(yōu)化的梯形農(nóng)田作業(yè)路徑總作業(yè)時間和作業(yè)時長分別下降了2.42%、2.02%。研究結(jié)果表明采用IGA進行多聯(lián)合收割機作業(yè)路徑優(yōu)化是可行的，可為聯(lián)合收割機多機無沖突協(xié)同作業(yè)路徑規(guī)劃提供參考。

農(nóng)業(yè)機械；優(yōu)化；算法；多機協(xié)同作業(yè)；無沖突路徑規(guī)劃

0 引 言

隨著中國土地流轉(zhuǎn)政策的不斷推進，農(nóng)田集中規(guī)模經(jīng)營，使得農(nóng)藝、農(nóng)機、農(nóng)作物、工程等各種措施得到進一步優(yōu)化配置，極大的提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的科技含量。目前現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)機械已廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)，提高農(nóng)業(yè)機械的利用率和作業(yè)效率是農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必要途徑之一。單機作業(yè)若出現(xiàn)故障，將會影響農(nóng)作物收割作業(yè)進度[1]，而多臺聯(lián)合收割機協(xié)同作業(yè)可以更快地完成農(nóng)田的作業(yè)任務(wù)，便于輔助聯(lián)合收割機和人員的集中安排與管理。多機作業(yè)時要確保為每臺聯(lián)合收割機分配合理作業(yè)路徑，且在作業(yè)過程中不出現(xiàn)碰撞沖突[2-5]。如何有效組織多臺聯(lián)合收割機協(xié)同作業(yè)，節(jié)省作業(yè)成本，縮短作業(yè)時間是亟待解決的主要問題。

本文綜合考慮農(nóng)機轉(zhuǎn)彎和作業(yè)沖突問題，以總作業(yè)時間和作業(yè)時長為綜合優(yōu)化目標，構(gòu)建聯(lián)合收割機多機無沖突協(xié)同作業(yè)路徑優(yōu)化模型，設(shè)計路徑?jīng)_突檢測規(guī)則，提出聯(lián)合收割機多機無沖突協(xié)同作業(yè)路徑優(yōu)化算法，優(yōu)化聯(lián)合收割多機協(xié)同作業(yè)路徑，避免作業(yè)中的路徑?jīng)_突問題，以期降低作業(yè)成本和作業(yè)時長，為如何組織多臺聯(lián)合收割機協(xié)同作業(yè)，優(yōu)化多機作業(yè)路徑提供參考。

1 多機無沖突協(xié)同作業(yè)路徑優(yōu)化

1.1 問題分析

矩形農(nóng)田屬于規(guī)則農(nóng)田，梯形農(nóng)田屬于不規(guī)則農(nóng)田，聯(lián)合收割機在兩種農(nóng)田地頭轉(zhuǎn)彎方式不同、計算模型也不同，為更好的驗證算法性能和效率，本文重點研究矩形農(nóng)田和梯形農(nóng)田。根據(jù)農(nóng)田寬度、聯(lián)合收割機作業(yè)幅寬，將農(nóng)田劃分為等寬的若干作業(yè)行，如圖1所示。設(shè)靠近聯(lián)合收割機出發(fā)點一側(cè)為農(nóng)田左側(cè)，另一側(cè)為農(nóng)田右側(cè)，聯(lián)合收割機從農(nóng)田左側(cè)開始作業(yè)，結(jié)束位置位于農(nóng)田右側(cè)，每臺聯(lián)合收割機從出發(fā)點開始作業(yè)，作業(yè)完成后返回出發(fā)點。

注：為作業(yè)方向與農(nóng)田地頭H1夾角，(°)；為作業(yè)方向與農(nóng)田地頭H2夾角，(°)。

按照經(jīng)驗業(yè)，多臺聯(lián)合收割機一般采用并排作業(yè)方式，即相鄰的多臺聯(lián)合收割機并排逐行作業(yè)，且2臺聯(lián)合收割機之間保持一定間隔，以免發(fā)生碰撞沖突。采用并排作業(yè)方式，每臺聯(lián)合收割機結(jié)束當前行后，需要行駛較長距離進入下一行，增加了作業(yè)時間，作業(yè)路徑并非最優(yōu)。

在本文中，2臺聯(lián)合收割機在同一地頭同向轉(zhuǎn)彎，轉(zhuǎn)彎時間窗有重疊、轉(zhuǎn)彎路徑有重疊，則認定為作業(yè)沖突；2臺聯(lián)合收割機在同一地頭逆向轉(zhuǎn)彎，轉(zhuǎn)彎時間窗有重疊、轉(zhuǎn)彎路徑有重疊，則認定為作業(yè)沖突。多臺聯(lián)合收割機從出發(fā)點出發(fā)，進入農(nóng)田對作業(yè)行進行遍歷操作，最終完成農(nóng)田收割任務(wù)并返回出發(fā)點，每個作業(yè)行只允許1臺聯(lián)合收割機遍歷1次。聯(lián)合收割機一行作業(yè)結(jié)束，在地頭轉(zhuǎn)彎進入下一行期間，與其他聯(lián)合收割機會產(chǎn)生同向沖突或相向沖突，導(dǎo)致作業(yè)路徑堵塞，從而降低作業(yè)效率。

多臺聯(lián)合收割機從出發(fā)點駛出，各自按照被分配的作業(yè)行進行作業(yè)，以作業(yè)過程中無沖突為約束，最終實現(xiàn)機手關(guān)心的總作業(yè)時間和農(nóng)戶關(guān)心的作業(yè)時長綜合最優(yōu)的目的，此問題可歸結(jié)為車輛路徑問題（vehicle routing problems，VRP）問題[23-27]，可以采用VRP優(yōu)化技術(shù)解決來聯(lián)合收割機多機無沖突協(xié)同作業(yè)路徑規(guī)劃問題。

1.2 多機協(xié)同作業(yè)路徑優(yōu)化模型

作業(yè)時長最短，不能確保總作業(yè)時間最短，總作業(yè)時間最短，同樣也不能確保作業(yè)時長最短，因此，本文對作業(yè)時長和總作業(yè)時間選擇合適權(quán)重，綜合優(yōu)化作業(yè)時長和總作業(yè)時間。

1）優(yōu)化目標