農(nóng)機作業(yè)路徑規(guī)劃策略研究
——基于智慧農(nóng)機大數(shù)據(jù)平臺

張 璠,李 蔓,常淑惠,張 喆

(1.河北農(nóng)業(yè)大學 信息科學與技術學院,河北 保定 071000;2.石家莊鐵路職業(yè)技術學院,石家莊 050041;3.河北省農(nóng)村金融服務中心,石家莊 050021)

0 引言

農(nóng)業(yè)機械是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的物質基礎和科技載體。隨著我國購機補貼政策的實施,各地農(nóng)機保有量持續(xù)增長,農(nóng)機跨區(qū)機手作業(yè)的競爭日益激烈,調配成本呈上升趨勢,而調配收益卻逐步下降。農(nóng)機跨區(qū)作業(yè)信息不對稱、缺少實時作業(yè)信息和優(yōu)化的調配策略,導致農(nóng)機供需失衡,農(nóng)作物無法及時收獲。面對部分小麥聯(lián)合收割機過飽和狀態(tài),提高跨區(qū)作業(yè)的組織化、信息化和智能化程度迫在眉睫。

國外農(nóng)業(yè)規(guī)?；潭容^高,如加拿大、澳大利亞及歐洲大多數(shù)國家土地經(jīng)營規(guī)模較大,農(nóng)場主同時擁有農(nóng)田和農(nóng)機,一般農(nóng)機具自用,很少組織大規(guī)模農(nóng)機跨區(qū)作業(yè)。因此,國外專門對農(nóng)機跨區(qū)作業(yè)開展的研究很少,重點考慮的是不同農(nóng)機在作業(yè)過程中的配合問題[1-4]。農(nóng)機跨區(qū)作業(yè)是我國農(nóng)機服務市場化的偉大創(chuàng)舉。文獻[5]提出通過開展“訂單作業(yè)”,形成了作業(yè)區(qū)域清晰、服務半徑適度、服務對象牢固、作業(yè)收益穩(wěn)定的發(fā)展模式,避免機手盲目行動,提高作業(yè)效率,實現(xiàn)跨區(qū)作業(yè)收益最大化。文獻[6]針對油價上漲、單機作業(yè)量下降、作業(yè)價格上升緩慢、地區(qū)間規(guī)模不均、部分機具保有量飽和等問題,運用經(jīng)濟學觀點對目前農(nóng)機跨區(qū)作業(yè)面臨問題進行了分析,建議開展訂單作業(yè)、中介人、公司化實體等多種契約化發(fā)展模式。文獻[7]結合農(nóng)機跨區(qū)作業(yè)模式的發(fā)展現(xiàn)狀,提出了維護市場秩序、完善服務平臺及完善配套機制等策略。這些文獻從宏觀上給出了一些行政管理的建議和指導,但沒有從理論層次上為跨區(qū)作業(yè)中存在的問題提供具體解決思路。

目前,現(xiàn)有的農(nóng)機信息服務平臺為農(nóng)機需求者(種植戶、作業(yè)經(jīng)紀人)和農(nóng)機擁有者(合作社、農(nóng)機手)之間搭建了一個信息對接平臺,解決了農(nóng)民找機手、找農(nóng)活的難題,促進作業(yè)農(nóng)機的有序流動[8-11]。但是,由于農(nóng)機跨區(qū)調配影響因素較多,如時間、地點、路況、數(shù)量、作業(yè)能力、作業(yè)價格、天氣和機手主觀因素等,如何使機手或合作社獲得最大收益,現(xiàn)有平臺并未提供科學有效的智能決策服務[12-14]。由于沒有統(tǒng)一的規(guī)范和標準,現(xiàn)有的信息服務平臺無法實現(xiàn)不同數(shù)據(jù)的整合,跨區(qū)作業(yè)的供需信息不對稱,缺少實時的作業(yè)信息和優(yōu)化的調配策略,無法為機手和農(nóng)機合作社提供精準化智能化的服務。在文獻[15-24]中,分別研究了基于機主選擇的調配模式和管理部門主導的應急調配模式及現(xiàn)狀,構建并設計了基于優(yōu)先級規(guī)則的調配算法,通過模擬數(shù)據(jù)來驗證算法的有效性。這些研究只是對農(nóng)機調配模型和算法的理論研究與探討,沒有結合實際作業(yè)數(shù)據(jù)來驗證算法的科學性與適用性,未能實現(xiàn)農(nóng)機作業(yè)信息的實時采集與精準信息服務。

本文首先介紹基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的智慧農(nóng)機作業(yè)信息服務平臺的體系結構,借助手機APP、智能終端采集設備實現(xiàn)農(nóng)機作業(yè)信息供需對接,為農(nóng)戶、農(nóng)機戶提供精準信息服務;然后研究了基于智慧農(nóng)機平臺的農(nóng)機作業(yè)路徑優(yōu)化問題,設計了農(nóng)機作業(yè)優(yōu)化調度算法,為農(nóng)機大戶或農(nóng)機合作社的多臺農(nóng)機提供最優(yōu)作業(yè)區(qū)域和行駛路線。

1 構建智慧農(nóng)機大數(shù)據(jù)管理平臺

“互聯(lián)網(wǎng)+”模式下的農(nóng)機跨區(qū)作業(yè)富有廣泛研究前景。智慧農(nóng)機大數(shù)據(jù)管理平臺采用物聯(lián)網(wǎng)和精確定位技術實現(xiàn)農(nóng)機作業(yè)的位置、作業(yè)狀態(tài)、作業(yè)環(huán)境參數(shù)等信息的實時采集,運用互聯(lián)網(wǎng)技術開發(fā)的手機APP和信息服務管理平臺實現(xiàn)了農(nóng)機作業(yè)供需信息的無縫對接及農(nóng)機基礎數(shù)據(jù)的采集,從而構建了基于互聯(lián)網(wǎng)+的河北省農(nóng)機大數(shù)據(jù),如圖1所示。

圖1 智慧農(nóng)機大數(shù)據(jù)平臺體系結構圖Fig.1 Architecture diagram of intelligent agricultural machinery big data platform

圖2 “我是地主”APP與“我是機手”APP首界面Fig.2 Mobile app homepages of “I am a farmer” and “I am a driver”

1.1 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)是“智慧”決策的基礎,有了數(shù)據(jù)才能決策分析。因此,基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的作業(yè)服務管理平臺首先要解決的是數(shù)據(jù)問題。該平臺的農(nóng)機作業(yè)數(shù)據(jù)(如作業(yè)位置、作業(yè)面積、作業(yè)時間窗、作業(yè)能力等信息)可以通過手機APP、移動終端等方式采集。

1)手機APP應用。研發(fā)的“我是地主”APP可以發(fā)布待作業(yè)農(nóng)田信息、實時查詢農(nóng)田附近的可用農(nóng)機信息并進行個人信息維護等,同時可以為農(nóng)戶推送先進農(nóng)機具、先進生產(chǎn)技術、先進生產(chǎn)資料等信息服務。研發(fā)的“我是機手”APP,可以發(fā)布農(nóng)機信息、查詢農(nóng)機周邊待作業(yè)的農(nóng)田信息,可以得到科學合理的作業(yè)路徑優(yōu)化方案,享受維修站、加油站的便捷服務,并能得到及時的信息推送服務。通過兩款手機APP,可以實現(xiàn)信息智能無縫對接,解決農(nóng)機作業(yè)市場的信息不對稱問題。

2)農(nóng)機智能采集終端。從功能上分為信息采集(環(huán)境溫濕度、風速、GPS信息)及GPRS無線傳輸,從物理連接上分為智能主機和數(shù)據(jù)顯示模塊兩個單元。智慧農(nóng)機終端包括主機、顯示機、溫濕度傳感器、GPS天線、GPRS天線、固定支架及電源線,具體功能如表1所示。

表1 農(nóng)機智能采集終端主要功能Table 1 Main Functions of Intelligent Collection Terminal for Agricultural Machinery

1.2 智能服務

通過互聯(lián)網(wǎng)、移動通信及物聯(lián)網(wǎng)等網(wǎng)絡傳輸方式,將數(shù)據(jù)層采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆撟鳂I(yè)服務管理平臺。大數(shù)據(jù)平臺主要完成存儲和計算功能;存儲功能主要是指對采集到的農(nóng)作物和農(nóng)機的信息進行存儲、查詢及管理;計算功能主要是指對已有的數(shù)據(jù)進行加工計算處理后,為平臺的不同用戶提供智能化與個性化的服務。

針對多機多地塊作業(yè)任務,通過綜合分析位置信息、天氣信息、收獲時間、播種面積及作業(yè)價格等因素,設計了基于平均收益最大的優(yōu)化調度算法,通過智能分單方式為農(nóng)機大戶或農(nóng)機合作社的多臺農(nóng)機提供最優(yōu)作業(yè)區(qū)域和行駛路線,不僅確保按時完成農(nóng)作物作業(yè)任務,也提高作業(yè)收益,減少作業(yè)成本。本文將重點研究并分析基于多機多任務的農(nóng)機作業(yè)路徑規(guī)劃算法。

2 農(nóng)機作業(yè)路徑規(guī)劃策略研究

農(nóng)戶通過“我是地主”APP發(fā)布地塊信息,機手通過“我是機手”APP查詢地塊信息;接著,智能搜索出待作業(yè)農(nóng)田點附近可用的農(nóng)機信息;生成可用農(nóng)機列表,綜合農(nóng)機作業(yè)能力、作物位置、面積、種植種類及作業(yè)時間等信息,通過多農(nóng)機智能分單,設計基于平均收益最大的優(yōu)化調度算法,實現(xiàn)多機多任務的調度,得到科學的調度策略,供農(nóng)機大戶或農(nóng)機合作社參考。

2.1 問題描述與模型構建

針對農(nóng)機作業(yè)路徑優(yōu)化問題,本節(jié)將做以下形式化描述:

1)農(nóng)田信息。集合A={a1,a2,…,am},用于表示m塊農(nóng)田。任意農(nóng)田ai可以表示為如下形式,即

ai={areai,timeWi,locFi,pricei}

(1)

其中,areai表示農(nóng)田i的面積;timeWi={TEi,TLi}表示農(nóng)田i適宜作業(yè)的時間窗;TEi和TLi分別表示農(nóng)田i適宜作業(yè)的開始時間和結束時間;locFi={lngFi,latFi}表示農(nóng)田i的位置信息,lngFi和latFi分別表示農(nóng)田i的經(jīng)緯度信息。

2)農(nóng)機信息。集合B={b1,b2,...,bn},用于表示n臺農(nóng)機,任意農(nóng)機bj可以表示為

bj={abilityj,velocityj,costj,locMj}

(2)

其中,abilityj表示農(nóng)機j的作業(yè)能力;velocityj表示農(nóng)機j的行駛速度; costj={costIj,costSj,costWj}表示從農(nóng)機j到農(nóng)田i的成本;costIj表示百公里油耗成本;costSj表示單位時間人工作業(yè)成本;costWj表示農(nóng)機j的等待成本(元);locMj={lngMj,latMj}表示農(nóng)機j的位置信息,lngMj和latMj分別表示農(nóng)機j的經(jīng)緯度信息。

3)調配方案為

其中,集合S表示n臺農(nóng)機到m塊農(nóng)田的調配方案集。任意方案sji表示從農(nóng)機j到農(nóng)田i的調配方案,具體表示為

sji={zji,locMj,locFi,tji,scji,dji,earningji}

(3)

其中,zji=1為農(nóng)機j服務農(nóng)田i;zji=0表示農(nóng)機j未服務農(nóng)田i;dji表示農(nóng)機j到農(nóng)田i的距離(km);tji= {tdji,taji,tsji,teji}表示農(nóng)機j到農(nóng)田i的時間集合,tdji表示從農(nóng)機j到農(nóng)田i的出發(fā)時間點,taji表示農(nóng)機j到農(nóng)田i的到達時間點,tsji表示農(nóng)機j到農(nóng)田i的開始作業(yè)時間點,teji表示農(nóng)機j到農(nóng)田i的結束時間點;scji表示農(nóng)機j為農(nóng)田i作業(yè)的面積(667hm2)。

4)調配目標為

(4)

earningi=pricei·scji-costIj·dji-

costSj·(teji-tdji)-fji·costWj·(taji-tsji)

(5)

(6)

其中,fji=1表示農(nóng)機j到農(nóng)田i有等待時間;fji=0表示農(nóng)機j到農(nóng)田i無等待時間。

約束條件為

(7)

(8)

taji=tdji+distanceji/velocityj

(9)

由式(7)可知:農(nóng)田i的面積等于所有到農(nóng)田i的農(nóng)機作業(yè)的總面積之和。由式(8)可知:當農(nóng)機j到達農(nóng)田i的時間taji大于農(nóng)田i的適宜開始作業(yè)時間TEi時,農(nóng)機j為農(nóng)田i的實際作業(yè)時間為taji,否則為TEi。由式(9)可知:農(nóng)機j到達農(nóng)田i的時間等于農(nóng)機j到農(nóng)田i的出發(fā)時間加上路上時間。

2.2 基于平均收益最大的路徑規(guī)劃算法設計

2.2.1 概念定義

定義1:有效作業(yè)時間為農(nóng)機j到達農(nóng)田i開始作業(yè)到完成農(nóng)田i的作業(yè)任務間的作業(yè)時間。

(10)

2.2.2 算法設計

根據(jù)調度模型,提出了基于單位時間平均作業(yè)收益最大的農(nóng)機作業(yè)優(yōu)化調度算法,記為(Algorithm of Maximum Average Profit)MAPA。算法思想如下:首先通過智慧農(nóng)機大數(shù)據(jù)平臺獲取農(nóng)田的作業(yè)面積、作業(yè)單價、作業(yè)時間窗、農(nóng)田經(jīng)緯度位置及農(nóng)機的作業(yè)能力、百公里油耗、實時經(jīng)緯度、行駛速度等信息,根據(jù)農(nóng)機和待作業(yè)的農(nóng)田信息分別計算出每臺農(nóng)機到每塊農(nóng)田的單位時間平均收益,找出單位時間平均作業(yè)收益最大的一對農(nóng)田和農(nóng)機,優(yōu)先把該農(nóng)機分配給該農(nóng)田。若該農(nóng)田任務未被完成,則將到該農(nóng)田平均收益最大的農(nóng)機分配給該農(nóng)田;若該農(nóng)田被完成則繼續(xù)選擇當前平均收益最大的一對農(nóng)田和農(nóng)機,直到該農(nóng)田點被完成或所有農(nóng)機被分配完為止。具體算法步驟如下:

Step 1:數(shù)據(jù)獲取與準備工作。

(1)農(nóng)戶通過“我是農(nóng)戶”APP發(fā)布待作業(yè)的農(nóng)田信息,主要包括農(nóng)田面積、作業(yè)單價、作業(yè)時間窗、農(nóng)田經(jīng)緯度位置等信息。

(2)機手通過“我是機手”APP發(fā)布可用農(nóng)機信息,主要包括農(nóng)機的作業(yè)能力、百公里油耗、行駛速度等信息;通過安裝在農(nóng)機上的GPS智能終端實時采集到農(nóng)機的實時經(jīng)緯度信息。

(3)通過調用中國天氣網(wǎng)的接口來實時獲取農(nóng)田所在地的天氣狀況信息。

(4)根據(jù)農(nóng)田和農(nóng)機的經(jīng)緯度信息,調用百度地圖接口,計算每臺農(nóng)機到每個農(nóng)機的實際距離。

Step 2:綜合分析農(nóng)田作業(yè)時間窗、農(nóng)田面積、作業(yè)單價、距離、天氣、農(nóng)機作業(yè)能力及行駛速度等因素,以收益最高成本最低為調配目標,建立多機多任務的跨區(qū)作業(yè)調配的數(shù)學模型。

Step 3:確定單位時間平均收益的計算方法,并計算每臺可作業(yè)農(nóng)機到每塊待作業(yè)農(nóng)田的單位時間的平均收益。

Step 4:判斷可用農(nóng)機數(shù)且待作業(yè)農(nóng)田數(shù)量是否大于0。

Step 5:優(yōu)先搜索單位時間平均收益最大的一對農(nóng)田和農(nóng)機。

Step 6:按照跨區(qū)作業(yè)調配的數(shù)學模型,記錄該農(nóng)機到該農(nóng)田的調配方案,接著對該農(nóng)田和農(nóng)機進行判斷。

(1)判斷該農(nóng)田是否已被完成,若是則標記該農(nóng)田為已完成狀態(tài),更新到該農(nóng)田作業(yè)的農(nóng)機的調配信息,轉向Step4;

(2)否則,更新該農(nóng)機的狀態(tài)為不可用,若可用農(nóng)機數(shù)是否大于0,則搜索到該農(nóng)田平均收益最大的農(nóng)機,轉向Step 6:,否則轉向Step 7。

Step 7:若所有待作業(yè)農(nóng)田均完成,或所有農(nóng)機均為不可用狀態(tài),則調配結束,可得到所有的調配方案。

2.3 試驗分析

2.3.1 試驗設計

以小麥聯(lián)合收割機作業(yè)為研究對象,小麥作業(yè)數(shù)據(jù)來源于智慧農(nóng)機平臺,農(nóng)田基本信息如表2所示。假設2臺農(nóng)機M1和M2所在的經(jīng)緯度分別為[114.5584,36.5068]、[114.5584,36.5068],農(nóng)機行駛速度為32km/h,行駛油耗0.1L/km,農(nóng)機作業(yè)能力0.67hm2/h,作業(yè)油耗為5.4 L/h。農(nóng)田到農(nóng)機的距離及不同農(nóng)田間的距離通過調用百度地圖接口來計算,結果如表3所示。由表3可知:凈收益為22 214元,成本為15 236元,運行時間為1.578s。

表3 算法計算結果分析Table 3 Analysis of the calculation results of the algorithm

2.3.2 結果驗證

為進一步可算法的有效性,采集了2016-2018年度的河北省邯鄲市小麥聯(lián)合收割機作業(yè)數(shù)據(jù)進行多組驗證。

1)分別對不同數(shù)量的農(nóng)田和農(nóng)機情況下算法平均運行時間進行比較可知:本算法屬于基于啟發(fā)式優(yōu)先級規(guī)則的路徑規(guī)劃算法,運行時間均能滿足實際需求,具體如表4所示。

表4 不同數(shù)量的農(nóng)田和農(nóng)機下算法平均運行時間比較Table 4 Comparison of average running time of the algorithm under different numbers of farmlands and agricultural machinery s

表5 基于本算法的近3年農(nóng)機收益情況分析Table 5 Analysis of agricultural machinery income in recent three years based on the algorithm

2)采用本算法計算得到的作業(yè)路徑優(yōu)化策略后,單臺農(nóng)機的作業(yè)成本下降,效益增加。為了進一步說明算法的有效性,統(tǒng)計了河北省邯鄲市曲周縣2016-2018年部分農(nóng)機作業(yè)信息,通過計算得到單臺農(nóng)機的平均作業(yè)空駛距離減少值及總作業(yè)成本減少額。農(nóng)機行駛每公里的油耗為0.9元,農(nóng)機在1個作業(yè)季可作業(yè)時間為25天,具體如表4所示。

由上述分析可知:基于平均收益最大的農(nóng)機作業(yè)優(yōu)化調度算法的運行時間能滿足實際需求;通過智能分單的方式,單機的作業(yè)成本下降,單機的平均作業(yè)空駛距離減少,作業(yè)效益增加;基于單位時間平均作業(yè)收益最大的農(nóng)機作業(yè)優(yōu)化調度算法為解決多機多地塊調度提供了一個有效的方案。

3 結論

1)智慧農(nóng)機作業(yè)優(yōu)化調度問題就是要在多農(nóng)田作業(yè)點和多農(nóng)機點之間建立一種映射關系,通過組織適當?shù)男熊嚶肪€,使農(nóng)機有序地為農(nóng)田作業(yè)點服務。研發(fā)了以獲取最大收益為目標的多因素農(nóng)機作業(yè)智能優(yōu)化模型,根據(jù)農(nóng)機位置、作業(yè)地點、收獲時間及作業(yè)價格等因素,為實現(xiàn)“智能調度,節(jié)能降耗,增產(chǎn)增收”的深度智能化服務提供技術支持。同時,為機手提供最優(yōu)作業(yè)地塊和行駛路線,大大減少機械空駛率,提升農(nóng)機作業(yè)的智能化水平。

2)借助于互聯(lián)網(wǎng)+、大數(shù)據(jù)等技術,建設統(tǒng)一規(guī)范、統(tǒng)一標準的智慧農(nóng)機大數(shù)據(jù)平臺,通過對農(nóng)機農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)的采集、存儲、清洗、統(tǒng)計分析和共享共用,為科學決策提供參考,為精準管理找準方向,為基層群眾提供實用信息。