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        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

        2019-03-29 11:54:42吳天華龔瑞昆
        物聯(lián)網(wǎng)技術(shù) 2019年2期
        關(guān)鍵詞:收割機(jī)數(shù)學(xué)模型物聯(lián)網(wǎng)

        吳天華 龔瑞昆

        摘 要:為了緩解收割機(jī)在收割季節(jié)供不應(yīng)求的局面,實(shí)現(xiàn)聯(lián)合收割機(jī)在收割過(guò)程中的高效率使用,文中通過(guò)對(duì)影響收割機(jī)調(diào)度的多種因素進(jìn)行分析,制定了適當(dāng)?shù)恼{(diào)度計(jì)劃,建立了聯(lián)合收割機(jī)調(diào)度數(shù)學(xué)模型。以聯(lián)合收割機(jī)為對(duì)象,結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、RFID技術(shù)、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、GIS技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)機(jī)械調(diào)度進(jìn)行優(yōu)化,提高了農(nóng)業(yè)機(jī)械調(diào)度系統(tǒng)的自動(dòng)化水平和工作效率。

        關(guān)鍵詞:收割機(jī);物聯(lián)網(wǎng);數(shù)學(xué)模型;調(diào)度

        中圖分類號(hào):TP39;S2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):2095-1302(2019)02-00-03

        0 引 言

        我國(guó)是傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)大國(guó),農(nóng)作物產(chǎn)量影響著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,是國(guó)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(guò)程中遇到的問(wèn)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(wú)法達(dá)到收割的最高效率和最大利潤(rùn)。一直以來(lái),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(lái)源,一旦錯(cuò)過(guò)最佳收割時(shí)間,就會(huì)對(duì)農(nóng)民的經(jīng)濟(jì)收益造成較大損失。因此,設(shè)計(jì)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(guó)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(duì)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(shí)定位以及收割機(jī)調(diào)度的優(yōu)化導(dǎo)航等。

        在國(guó)內(nèi)針對(duì)收割機(jī)調(diào)度的實(shí)例并不多見(jiàn),但我國(guó)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(guò)對(duì)車臺(tái)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(shí)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(jì)

        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(guò)網(wǎng)絡(luò)把物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來(lái),進(jìn)行信息交換和通信,從而實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)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(shí)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(shí)別器的結(jié)構(gòu)和原理如圖2所示[5-6]。

        射頻識(shí)別器的工作原理:閱讀器中的射頻識(shí)別耦合件對(duì)電子標(biāo)簽進(jìn)行識(shí)別,讀取電子標(biāo)簽內(nèi)的時(shí)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(guó)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(gè)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(guó)已發(fā)射了29顆北斗衛(wèi)星。預(yù)計(jì)于2020年底,我國(guó)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(kāi)放服務(wù)和授權(quán)服務(wù)兩種,開(kāi)放服務(wù)主要是為個(gè)體提供免費(fèi)的基礎(chǔ)服務(wù),包括粗略的定位、測(cè)速、授時(shí)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(cè)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(wú)線IP通信功能。每個(gè)用戶可同時(shí)占用多個(gè)無(wú)線信道,每個(gè)無(wú)線信道也可由多個(gè)用戶分享,增強(qiáng)了GSM系統(tǒng)的無(wú)線通信能力,是第三代無(wú)線通信技術(shù)走向成熟的過(guò)渡技術(shù)[7]。

        GPRS具備以下優(yōu)點(diǎn):

        (1)在線時(shí)間長(zhǎng);

        (2)GPRS按流量計(jì)費(fèi),而非按照安裝用戶的上網(wǎng)時(shí)間計(jì)費(fèi),計(jì)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(wú)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(shí)性原則

        由于農(nóng)忙時(shí)短,一旦錯(cuò)過(guò)收割期,農(nóng)戶收成就會(huì)受到損失。因此要實(shí)現(xiàn)收割機(jī)的實(shí)時(shí)定位,掌握收割機(jī)所在位置,滿足系統(tǒng)的準(zhǔn)時(shí)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(guò)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(shí),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(chǎng)位置和收割點(diǎn);設(shè)有且僅有一個(gè)中心農(nóng)機(jī)點(diǎn),每臺(tái)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(guò)程均在較理想狀況下進(jìn)行,不考慮天氣、地勢(shì)等特殊環(huán)境情況。

        3 結(jié) 語(yǔ)

        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(dòng)化方面起著重要作用,而國(guó)內(nèi)對(duì)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。

        參 考 文 獻(xiàn)

        [1]金攀.農(nóng)業(yè)機(jī)械調(diào)度管理系統(tǒng)研究[D].北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院, 2012.

        [2]劉海濤.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2011:173-188.

        [3] SARMA A C,GIR?O J. Identities in the future internet of things[J].Wireless personal communications,2009,49(3):353-363.

        [4]徐新建.世界物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展分析[J].科技信息,2011(27):63.

        [5]黃玉蘭.基于物聯(lián)網(wǎng)的RFID電子標(biāo)簽研究進(jìn)展[J].電訊技術(shù),2013,53(4):522-529.

        [6]張波,李幃笳.21世紀(jì)自動(dòng)識(shí)別技術(shù)RFID的原理、應(yīng)用及其發(fā)展[J].信息與電腦,2012(1):38-39.

        [7]邵長(zhǎng)恒,孫更新.物聯(lián)網(wǎng)原理與行業(yè)應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,2013:64.

        [8] PAOLO T,DANIELE V. The vehicle routing problem[M].Society for industrial and applied mathematics philadephia,2002:127-153.

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