張 璠,李 蔓,常淑惠,張 喆

(1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,河北 保定 071000;2.石家莊鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院,石家莊 050041;3.河北省農(nóng)村金融服務(wù)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(zhì)基礎(chǔ)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(diào)配成本呈上升趨勢,而調(diào)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(diào)配策略,導(dǎo)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(wù)市場化的偉大創(chuàng)舉。文獻(xiàn)[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(wù)半徑適度、服務(wù)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(xiàn)[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(xué)觀點對目前農(nóng)機跨區(qū)作業(yè)面臨問題進(jìn)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(xiàn)[7]結(jié)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(wù)平臺及完善配套機制等策略。這些文獻(xiàn)從宏觀上給出了一些行政管理的建議和指導(dǎo),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(wù)平臺為農(nóng)機需求者(種植戶、作業(yè)經(jīng)紀(jì)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(jìn)作業(yè)農(nóng)機的有序流動[8-11]。但是,由于農(nóng)機跨區(qū)調(diào)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(xué)有效的智能決策服務(wù)[12-14]。由于沒有統(tǒng)一的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn),現(xiàn)有的信息服務(wù)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(diào)配策略,無法為機手和農(nóng)機合作社提供精準(zhǔn)化智能化的服務(wù)。在文獻(xiàn)[15-24]中,分別研究了基于機主選擇的調(diào)配模式和管理部門主導(dǎo)的應(yīng)急調(diào)配模式及現(xiàn)狀,構(gòu)建并設(shè)計了基于優(yōu)先級規(guī)則的調(diào)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(diào)配模型和算法的理論研究與探討,沒有結(jié)合實際作業(yè)數(shù)據(jù)來驗證算法的科學(xué)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(zhǔn)信息服務(wù)。

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(wù)平臺的體系結(jié)構(gòu),借助手機APP、智能終端采集設(shè)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(zhǔn)信息服務(wù);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(shè)計了農(nóng)機作業(yè)優(yōu)化調(diào)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(gòu)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(shù)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(shù)開發(fā)的手機APP和信息服務(wù)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(chǔ)數(shù)據(jù)的采集,從而構(gòu)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(jié)構(gòu)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(chǔ),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(wù)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(yīng)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(jìn)行個人信息維護等,同時可以為農(nóng)戶推送先進(jìn)農(nóng)機具、先進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)、先進(jìn)生產(chǎn)資料等信息服務(wù)。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(xué)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(wù),并能得到及時的信息推送服務(wù)。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(fēng)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(wù)

通過互聯(lián)網(wǎng)、移動通信及物聯(lián)網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)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(wù)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(jìn)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(jìn)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(wù)。

針對多機多地塊作業(yè)任務(wù),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(shè)計了基于平均收益最大的優(yōu)化調(diào)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(wù),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(wù)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(shè)計基于平均收益最大的優(yōu)化調(diào)度算法,實現(xiàn)多機多任務(wù)的調(diào)度,得到科學(xué)的調(diào)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(gòu)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(jié)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(diào)配方案為

其中,集合S表示n臺農(nóng)機到m塊農(nóng)田的調(diào)配方案集。任意方案sji表示從農(nóng)機j到農(nóng)田i的調(diào)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(wù)農(nóng)田i;zji=0表示農(nóng)機j未服務(wù)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(dá)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(jié)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(diào)配目標(biāo)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(dāng)農(nóng)機j到達(dá)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(dá)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(shè)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(dá)農(nóng)田i開始作業(yè)到完成農(nóng)田i的作業(yè)任務(wù)間的作業(yè)時間。

(10)

2.2.2 算法設(shè)計

根據(jù)調(diào)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(diào)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(wù)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(dāng)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(zhǔn)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(diào)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(diào)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(diào)配目標(biāo),建立多機多任務(wù)的跨區(qū)作業(yè)調(diào)配的數(shù)學(xué)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(diào)配的數(shù)學(xué)模型,記錄該農(nóng)機到該農(nóng)田的調(diào)配方案,接著對該農(nóng)田和農(nóng)機進(jìn)行判斷。

(1)判斷該農(nóng)田是否已被完成,若是則標(biāo)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(diào)配信息,轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向Step 6:,否則轉(zhuǎn)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(diào)配結(jié)束,可得到所有的調(diào)配方案。

2.3 試驗分析

2.3.1 試驗設(shè)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(shè)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(diào)用百度地圖接口來計算,結(jié)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(jié)果分析Table 3 Analysis of the calculation results of the algorithm

2.3.2 結(jié)果驗證

為進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(diào)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(diào)度算法為解決多機多地塊調(diào)度提供了一個有效的方案。

3 結(jié)論

1)智慧農(nóng)機作業(yè)優(yōu)化調(diào)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(guān)系,通過組織適當(dāng)?shù)男熊嚶肪€,使農(nóng)機有序地為農(nóng)田作業(yè)點服務(wù)。研發(fā)了以獲取最大收益為目標(biāo)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(diào)度,節(jié)能降耗,增產(chǎn)增收”的深度智能化服務(wù)提供技術(shù)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(shù),建設(shè)統(tǒng)一規(guī)范、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)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(xué)決策提供參考,為精準(zhǔn)管理找準(zhǔn)方向,為基層群眾提供實用信息。