聯合收割機與運糧車協同作業調度技術研究*

2023-03-04 03:45:38李文鑫張璠姚竟發常淑惠郭亞倩

中國農機化學報 2023年2期

關鍵詞：作業

李文鑫，張璠, 2，姚竟發, 2，常淑惠, 2，郭亞倩

(1. 河北農業大學信息科學與技術學院，河北保定，071000； 2. 河北省農業大數據重點實驗室，河北保定，071000)

0 引言

在現代農業中，農村土地經營方式逐漸由分散經營轉向集中經營。既要關注糧食安全，也要考慮土地的經營效率[1]。隨之對農業機械配置與路徑的規劃要求也愈來愈高，多臺聯合收割機間的協同作業雖然有效提高機械利用率與作業效率，但沒有運糧車的及時響應將導致整體作業時間增長，浪費農機資源。因此對于多臺聯合收割機完成多約束復雜農田任務，需要配備精確合理的運糧車響應，這不僅節約了農機機械成本，并且對整個田間運輸效率的提升具有重要意義。

國內外針對農業機械調度問題主要集中在田間農機資源調度與路徑規劃的問題上，根據不同的農機調度類型可整體分為有無運糧車響應的收割機間協同調度的農田作業問題。面對多農機調度問題，Conesa-Muoz等[2-3]使用模擬退火方法的元啟發式算法提出較為通用的農機調度路徑規劃算法，解決了車輛同質和車輛異質的農機路徑規劃問題。Seyyedhasani等[4-5]考慮了多輛農機協同作業的情況，將農機調度問題轉換為車輛調度問題，使用改進Clarke-Wright算法和禁忌搜索算法提供合理的農機作業路徑規劃和調度方案。林濤等[6]在分析車輛路徑問題的基礎上，將其轉換為經典TSP優化問題進行求解，提出了一種改進的遺傳算法，在加快尋優速度的同時防止陷入局部最優。曹如月[7]、張小花[8]類比旅行商問題，采用蟻群算法求解多機協同作業任務規劃問題，但未將農機在田間作業的約束進行綜合考慮。劉正偉等[9]以秸稈回收機械的綜合成本問題為研究目標，綜合考慮秸稈回收機械路徑和作業沖突的情況，避免回收農機路徑重復沖突的問題。Utamima等[10-11]提出進化混合鄰域搜索算法和進化分布式評估算法來優化非作業路程。Cariou等[12]提出了基于回旋曲線的掉頭方法，Boryga等[13]提出了基于多項式曲線的掉頭路徑規劃方法。姚竟發等[14]以總作業時間和作業時長為綜合優化目標，考慮聯合收割機和作業沖突的情況，提出聯合收割機多機無沖突協同作業路徑優化算法，但尚未考慮加入運糧車的響應。王雪陽等[15]基于啟發式優先規則農機調配策略，在農機充足的條件下，多機并行任務采用收益最大的農田作業點優先調配規則進行分配，實現整個工程最小化的調度成本。艾長勝等[16]為提高植保機器人在路徑規劃中的準確度與可靠性，對果園信息進行預處理實現精確作業，但沒有對農田進行全局路徑規劃。而對于多臺聯合收割機與運糧車的響應調度問題，李世超[17]研究了一種跟隨式農機主從導航系統，從機根據位姿信息生成預設路徑，并跟蹤主機作業，初步實現了主從導航協同作業。曹光喬等[18]將農田區域定義為任務單元，探究收割機與運糧車的響應模式，最大化地減少了收割機非生產性的作業時間。He等[19-20]將收割機收割與運糧車運輸問題視為一個帶動態衛星的多行程車輛路徑問題，依據運糧車需要響應的具體位置的動態變化，提出了一種啟發式算法的最優解，且屬于概念性的調度響應問題。Jing等[21]圍繞實現農業資源分配和配送車輛協同調度的高效智能優化，提出一種改進的強化免疫算法，提高了算法的自適應性和全局搜索能力。

綜上所述，現有研究尚未能解決基于聯合收割機與運糧車的多機協同調度問題，因此本文綜合考慮了聯合收割機糧倉容積、運糧車協同作業等因素，以最小化聯合收割機總生產性作業時間和總非生產性作業時間為目標，構建了基于多機多目標的協同優化調度模型，設計了基于改進蟻群算法的優化算法，為解決聯合收割機與運糧車間的協同調度問題提供了解決思路。

1 多機協同作業優化調度問題分析

1.1 問題描述

本文主要研究多臺聯合收割機作業路徑優化以及基于聯合收割機與運糧車的協同調度問題。多聯合收割機在田間作業路徑規劃和運糧車的調度示意圖如圖1所示。

圖1 多機路徑規劃與調度示意圖

由圖1可知，多臺聯合收割機在一塊農田地塊上作業過程中，若糧倉裝滿后，需要運糧車的輔助完成卸糧，然后才能繼續開展收割作業。因此本文將在多聯合收割機作業優化路徑的基礎上，研究聯合收割機與運糧車的協同優化調度方案。

本文簡要描述如下：以總非生產性作業時間最短為目標，計算m臺聯合收割機在一塊農田上的最優化作業路徑，接著綜合考慮u臺運糧車輔助m臺聯合收割機協同卸糧的情況，以聯合收割機非生產性作業等待時間最短為目標，計算聯合收割機與運糧車的動態協同調度策略。按照作業行序列集進行收割與卸糧任務，假定聯合收割機的糧倉容積為Cz，在t0時刻收割機糧倉達到容積V′時，依據相對距離最近原則向運糧車發送信號使其進行與收割機之間的協同調度，并依據在t0時刻后收割機與運糧車行駛路程的大小進行判斷收割機是否產生等待時間，再依據實際情況卸糧。保證運糧車及時完成卸糧任務。

針對本文的研究內容，特做以下說明。

1) 每個作業行只允許一臺收割機遍歷1次。

2) 聯合收割機連續作業至滿倉，完全卸糧后再進行下次作業。

3) 根據安裝在聯合收割機與運糧車上的傳感器可以實時獲取其位置信息。

4) 農機作業過程中不考慮農機故障與田間遇到障礙物的情況。

5) 聯合收割機的型號相同，且作業能力相同；運糧車的型號、作業速度等均相同。

6) 假設農田地塊的形狀是規范的矩形，根據聯合收割機作業幅寬，將農田劃分為等寬的若干作業行。

7) 聯合收割機與運糧車都從同一個位置出發，聯合收割機完成作業、運糧車卸糧后也回到該出發點，等待。

1.2 模型構建

為方便問題描述與模型構建，對相關變量做以下描述。

1) 農田作業行集合N={n1，n2，n3，…，ni}，即按照作業總行數從左向右進行農田順序編號。以locNi和SNi分別表示農田入口位置坐標與農田面積，i∈N*。

2) 農機機群分別表示為：聯合收割機群ME={m1，m2，m3，…，mz}，以mz表示第z臺收割機，其屬性描述為mz={Cz，tz，Vz，Vz′}。其中，Cz表示收割機糧倉容積，tz表示聯合收割機的等待時間，Vz表示聯合收割機直線作業速度，Vz′表示收割機轉彎作業速度，收割機糧倉喂入量為h。運糧車集群表示為YU={u1，u2，u3，…，uy}，以uy表示第y臺運糧車，其屬性描述為uy={Cy′，Vy′}，Cy′表示運糧車的糧倉容積，且滿足Cy′≥Cz，Vy′表示運糧車的作業速度。

3) 聯合收割機在農田地頭主要有Ω型和U型兩種轉彎方式。Ω型轉彎不僅作業時間長且操作難度較大，對比U型轉彎作業時間短、操作簡便的特點，如果要得到更好的聯合收割機路徑優化效果，需盡量采用U型轉彎。具體公式表述為

U(d)=d·w+(π-2)rmin

式中：U(d)——轉彎距離；

w——農機作業幅寬；

rmin——農機從i行到j行的最小轉彎半徑；

d——轉彎時兩作業行間的度量，d=|j-i|，i≠j；

i——農機作業結束行的序號；

j——農機作業進入下一行的行號。

4) 作業任務序列集Rz={{0，i1，i2，i3，0}，{0，i4，i5，i6，0}…}，以Rz表示第z臺聯合收割機的作業路徑序列集。

具體目標函數與約束條件分別表示如下。

聯合收割機以總生產性作業時間最短的優化目標

minT1=(Disz+Disz′)/Vz

(1)

聯合收割機以最小化總非生產性作業時間為優化目標

minT2=T′

(2)

(3)

約束條件

iz0=i|Rz|+1=0，{i1，…，i|Rm|}?N