基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的聯(lián)合收割機(jī)調(diào)度優(yōu)化系統(tǒng)研究

引 言

我國是傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)作物產(chǎn)量影響著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，是國民經(jīng)濟(jì)又好又快發(fā)展的重要保障。但隨著農(nóng)作物的增多，也暴露了一些在收割過程中遇到的問題。根據(jù)調(diào)查， 每年在收割季節(jié)，許多地區(qū)的聯(lián)合收割機(jī)供不應(yīng)求，但一些地方的收割機(jī)卻閑置，無法達(dá)到收割的最高效率和最大利潤。一直以來，物聯(lián)網(wǎng)在收割機(jī)調(diào)度方面的應(yīng)用非常迫切。很多農(nóng)作物的收割期很短，糧食在北方又是大多數(shù)農(nóng)民的主要收益來源，一旦錯過最佳收割時間，就會對農(nóng)民的經(jīng)濟(jì)收益造成較大損失。因此，設(shè)計一套方便、快捷的收割機(jī)調(diào)度系統(tǒng)十分必要。

本文在深入分析聯(lián)合收割機(jī)調(diào)度的現(xiàn)狀及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域應(yīng)用的基礎(chǔ)上，選用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，結(jié)合 RFID 技術(shù)、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、GIS 技術(shù)與 GPRS 網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)事先設(shè)定好的調(diào)度原則建立聯(lián)合收割機(jī)調(diào)度系統(tǒng)模型，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到收割機(jī)的調(diào)度中，實(shí)現(xiàn)收割機(jī)在每年收割季節(jié)的高利用率，提高農(nóng)機(jī)手的經(jīng)濟(jì)效益。

1 聯(lián)合收割機(jī)調(diào)度系統(tǒng)的研究和發(fā)展現(xiàn)狀

聯(lián)合收割機(jī)調(diào)度系統(tǒng)是在物聯(lián)網(wǎng)、RFID 技術(shù)以及我國自主研發(fā)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)上，結(jié)合 GIS 技術(shù)， 利用 GPRS 網(wǎng)絡(luò)并針對聯(lián)合收割機(jī)的特點(diǎn)建立的聯(lián)合收割機(jī)調(diào)度模型，實(shí)現(xiàn)了收割機(jī)的實(shí)時定位以及收割機(jī)調(diào)度的優(yōu)化導(dǎo)航等。

在國內(nèi)針對收割機(jī)調(diào)度的實(shí)例并不多見，但我國農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域的調(diào)度技術(shù)已逐漸走向成熟。哈爾濱、北京小湯山等地都已建成精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)示范基地，大力發(fā)展基于 GPS 技術(shù)的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)，建立衛(wèi)星定位基站，通過對車臺傳回的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，以準(zhǔn)確獲取當(dāng)前作業(yè)農(nóng)機(jī)的實(shí)時位置、油耗等數(shù)據(jù) [1]。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的聯(lián)合收割機(jī)調(diào)度優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計

2.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概述

物聯(lián)網(wǎng)，即物物相連的互聯(lián)網(wǎng)，它通過網(wǎng)絡(luò)把物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進(jìn)行信息交換和通信，從而實(shí)現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理 [2-3]。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上為人們提供了事物間的更多聯(lián)系，進(jìn)一步拉近了人與物、物與物之間的距離 [4]。聯(lián)合收割機(jī)調(diào)度系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。

本文研究主要利用了以下幾種技術(shù) ：

(1) 射頻識別技術(shù)（RFID）

RFID 技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)，其結(jié)構(gòu)主要包括閱讀器和電子標(biāo)簽兩部分。射頻識別器的結(jié)構(gòu)和原理如圖 2 所示 [5-6]。

射頻識別器的工作原理 ：閱讀器中的射頻識別耦合件對電子標(biāo)簽進(jìn)行識別，讀取電子標(biāo)簽內(nèi)的時序信息、能量和數(shù)據(jù)。電子標(biāo)簽包括天線、調(diào)制解調(diào)電路、邏輯控制單元、射頻接口、E2PROM 和 ROM 等。

(2) 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）

BDS 是中國自主研制的集通信與定位功能于一體的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，是世界上第三個成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。目前， BDS 和 GPS，GLONASS，GALILEO 已成為全球定位系統(tǒng)的四大供應(yīng)商。

截至 2018 年 3 月，我國已發(fā)射了 29 顆北斗衛(wèi)星。預(yù)計于 2020年底，我國將完成 30顆北斗衛(wèi)星的全球組網(wǎng)建設(shè)。BDS的主要服務(wù)為開放服務(wù)和授權(quán)服務(wù)兩種，開放服務(wù)主要是為個體提供免費(fèi)的基礎(chǔ)服務(wù)，包括粗略的定位、測速、授時等。而授權(quán)服務(wù)則是為有更高需求的客戶提供更精準(zhǔn)、更可靠的定位、測速、授權(quán)等服務(wù)，并且具有一定的通信能力。

(3) GPRS

GPRS 是基于 GSM 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)增強(qiáng)技術(shù)，在 GSM網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)上融入新的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，形成新的網(wǎng)絡(luò)邏輯實(shí)體。

GPRS 提供了端到端、廣域的無線 IP 通信功能。每個用戶可同時占用多個無線信道，每個無線信道也可由多個用戶分享，增強(qiáng)了 GSM 系統(tǒng)的無線通信能力，是第三代無線通信技術(shù)走向成熟的過渡技術(shù) [7]。

GPRS 具備以下優(yōu)點(diǎn) ：

(1) 在線時間長 ；

(2) GPRS按流量計費(fèi)，而非按照安裝用戶的上網(wǎng)時間計費(fèi)，計費(fèi)方式合理 ；

(3) 支持高速率傳輸，傳播速度可達(dá) 160 kbps；

(4) 可與 IP網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)無縫銜接。

2.2 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的聯(lián)合收割機(jī)調(diào)度原則和模型建立

2.2.1 聯(lián)合收割機(jī)調(diào)度原則

(1) 準(zhǔn)時性原則

由于農(nóng)忙時短，一旦錯過收割期，農(nóng)戶收成就會受到損失。因此要實(shí)現(xiàn)收割機(jī)的實(shí)時定位，掌握收割機(jī)所在位置， 滿足系統(tǒng)的準(zhǔn)時性原則。

(2) 路徑最短原則

聯(lián)合收割機(jī)調(diào)度系統(tǒng)旨在協(xié)調(diào)地區(qū)之間聯(lián)合收割機(jī)供不應(yīng)求與出現(xiàn)閑置的矛盾。因此最佳路線的選擇至關(guān)重要，通過選擇最佳調(diào)度路線，降低調(diào)度成本，從而提高聯(lián)合收割機(jī)的工作效率，以謀求最大的經(jīng)濟(jì)效益 [8]。

(3) 收割機(jī)利用最小化原則

收割機(jī)的啟用成本較高，當(dāng)現(xiàn)有收割機(jī)資源可以滿足收割需求時，應(yīng)盡可能少地派收割機(jī)出去工作，以減少聯(lián)合收割機(jī)的調(diào)度成本。

2.2.2 聯(lián)合收割機(jī)調(diào)度模型

（1）模型假設(shè)

假定所有聯(lián)合收割機(jī)為收割同一種作物的收割機(jī) ；根據(jù)農(nóng)戶種植信息確定農(nóng)場位置和收割點(diǎn) ；設(shè)有且僅有一個中心農(nóng)機(jī)點(diǎn)，每臺收割機(jī)都從該中心農(nóng)機(jī)點(diǎn)出發(fā)并最終回到這里 ；調(diào)度過程均在較理想狀況下進(jìn)行，不考慮天氣、地勢等特殊環(huán)境情況。

（2）懲罰函數(shù)

聯(lián)合收割機(jī)到達(dá)農(nóng)田偏離農(nóng)戶約定時間的時間窗越大，懲罰成本就越高。本文將懲罰成本設(shè)定為線性增長。所以對懲罰成本做一些前提假設(shè) ：若收割機(jī)到達(dá)農(nóng)田的時間在時間窗內(nèi)，則不會產(chǎn)生懲罰成本 ；若收割機(jī)到達(dá)時間偏離時間窗，則會進(jìn)行懲罰。懲罰成本函數(shù)如式（1）所示 ：

式中：Hi（ti）表示收割機(jī) i 在時間 ti 的懲罰成本；p 表示早到懲罰系數(shù)；q 表示晚到懲罰系數(shù)。

（3）變量和參數(shù)符號

聯(lián)合收割機(jī)調(diào)度模型中的各個參數(shù)設(shè)置見表 1 所列（i=1為中心農(nóng)機(jī)點(diǎn)）

（4）建立模型

根據(jù)以上分析，建立聯(lián)合收割機(jī)調(diào)度模型，首先建立一個決策變量表達(dá)式，如式（2）所示 ：

目標(biāo)函數(shù)由收割機(jī)所行駛的路程成本、收割機(jī)初始啟用成本、時間懲罰成本和收割機(jī)閑置成本等組成，方程如式（3）所示 ：

式（4）表示每臺收割機(jī)均從中心農(nóng)機(jī)點(diǎn)出發(fā)最后回到中心農(nóng)機(jī)點(diǎn) ；式（5）表示從中心農(nóng)機(jī)點(diǎn)派出去工作的收割機(jī)數(shù)量不超過停在中心農(nóng)機(jī)點(diǎn)的收割機(jī)總數(shù) R 臺 ；式（6），式（7）表示每個收割點(diǎn)只能被一臺收割機(jī)收割一次 ；式（8）表示每臺收割機(jī)從離開中心農(nóng)機(jī)點(diǎn)去工作到最后回到中心農(nóng)機(jī)點(diǎn)要完成的收割任務(wù) ；式（9）表示時間窗約束 ；式（10）表示出去工作的收割機(jī)與閑置收割機(jī)的總和 R。

3 結(jié) 語

聯(lián)合收割機(jī)調(diào)度優(yōu)化系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)自動化方面起著重要作用，而國內(nèi)對于聯(lián)合收割機(jī)調(diào)度的研究少之又少，因此，本文所研究的基于物聯(lián)網(wǎng)的聯(lián)合收割機(jī)調(diào)度優(yōu)化系統(tǒng)在農(nóng)機(jī)監(jiān)控、農(nóng)機(jī)管理等方面具有重要意義。