基于物联网技术的联合收割机调度优化系统研究

引 言

我国是传统的农业大国，农作物产量影响着国民经济的发展，是国民经济又好又快发展的重要保障。但随着农作物的增多，也暴露了一些在收割过程中遇到的问题。根据调查， 每年在收割季节，许多地区的联合收割机供不应求，但一些地方的收割机却闲置，无法达到收割的最高效率和最大利润。一直以来，物联网在收割机调度方面的应用非常迫切。很多农作物的收割期很短，粮食在北方又是大多数农民的主要收益来源，一旦错过最佳收割时间，就会对农民的经济收益造成较大损失。因此，设计一套方便、快捷的收割机调度系统十分必要。

本文在深入分析联合收割机调度的现状及物联网技术在农业机械领域应用的基础上，选用物联网技术，结合 RFID 技术、北斗卫星导航系统、GIS 技术与 GPRS 网络，根据事先设定好的调度原则建立联合收割机调度系统模型，将物联网技术应用到收割机的调度中，实现收割机在每年收割季节的高利用率，提高农机手的经济效益。

1 联合收割机调度系统的研究和发展现状

联合收割机调度系统是在物联网、RFID 技术以及我国自主研发的北斗卫星导航系统的理论基础上，结合 GIS 技术， 利用 GPRS 网络并针对联合收割机的特点建立的联合收割机调度模型，实现了收割机的实时定位以及收割机调度的优化导航等。

在国内针对收割机调度的实例并不多见，但我国农业机械领域的调度技术已逐渐走向成熟。哈尔滨、北京小汤山等地都已建成精准农业示范基地，大力发展基于 GPS 技术的精准农业技术，建立卫星定位基站，通过对车台传回的数据进行处理分析，以准确获取当前作业农机的实时位置、油耗等数据 [1]。

2 基于物联网技术的联合收割机调度优化系统设计

2.1 物联网技术概述

物联网，即物物相连的互联网，它通过网络把物品与互联网连接起来，进行信息交换和通信，从而实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理 [2-3]。物联网技术在互联网的基础上为人们提供了事物间的更多联系，进一步拉近了人与物、物与物之间的距离 [4]。联合收割机调度系统的总体结构如图 1 所示。

本文研究主要利用了以下几种技术 ：

(1) 射频识别技术（RFID）

RFID 技术是物联网的基础，其结构主要包括阅读器和电子标签两部分。射频识别器的结构和原理如图 2 所示 [5-6]。

射频识别器的工作原理 ：阅读器中的射频识别耦合件对电子标签进行识别，读取电子标签内的时序信息、能量和数据。电子标签包括天线、调制解调电路、逻辑控制单元、射频接口、E2PROM 和 ROM 等。

(2) 北斗卫星导航系统（BDS）

BDS 是中国自主研制的集通信与定位功能于一体的全球卫星导航系统，是世界上第三个成熟的卫星导航系统。目前， BDS 和 GPS，GLONASS，GALILEO 已成为全球定位系统的四大供应商。

截至 2018 年 3 月，我国已发射了 29 颗北斗卫星。预计于 2020年底，我国将完成 30颗北斗卫星的全球组网建设。BDS的主要服务为开放服务和授权服务两种，开放服务主要是为个体提供免费的基础服务，包括粗略的定位、测速、授时等。而授权服务则是为有更高需求的客户提供更精准、更可靠的定位、测速、授权等服务，并且具有一定的通信能力。

(3) GPRS

GPRS 是基于 GSM 系统的数据业务增强技术，在 GSM网络架构上融入新的网络结构，形成新的网络逻辑实体。

GPRS 提供了端到端、广域的无线 IP 通信功能。每个用户可同时占用多个无线信道，每个无线信道也可由多个用户分享，增强了 GSM 系统的无线通信能力，是第三代无线通信技术走向成熟的过渡技术 [7]。

GPRS 具备以下优点 ：

(1) 在线时间长 ；

(2) GPRS按流量计费，而非按照安装用户的上网时间计费，计费方式合理 ；

(3) 支持高速率传输，传播速度可达 160 kbps；

(4) 可与 IP网络实现无缝衔接。

2.2 基于物联网技术的联合收割机调度原则和模型建立

2.2.1 联合收割机调度原则

(1) 准时性原则

由于农忙时短，一旦错过收割期，农户收成就会受到损失。因此要实现收割机的实时定位，掌握收割机所在位置， 满足系统的准时性原则。

(2) 路径最短原则

联合收割机调度系统旨在协调地区之间联合收割机供不应求与出现闲置的矛盾。因此最佳路线的选择至关重要，通过选择最佳调度路线，降低调度成本，从而提高联合收割机的工作效率，以谋求最大的经济效益 [8]。

(3) 收割机利用最小化原则

收割机的启用成本较高，当现有收割机资源可以满足收割需求时，应尽可能少地派收割机出去工作，以减少联合收割机的调度成本。

2.2.2 联合收割机调度模型

（1）模型假设

假定所有联合收割机为收割同一种作物的收割机 ；根据农户种植信息确定农场位置和收割点 ；设有且仅有一个中心农机点，每台收割机都从该中心农机点出发并最终回到这里 ；调度过程均在较理想状况下进行，不考虑天气、地势等特殊环境情况。

（2）惩罚函数

联合收割机到达农田偏离农户约定时间的时间窗越大，惩罚成本就越高。本文将惩罚成本设定为线性增长。所以对惩罚成本做一些前提假设 ：若收割机到达农田的时间在时间窗内，则不会产生惩罚成本 ；若收割机到达时间偏离时间窗，则会进行惩罚。惩罚成本函数如式（1）所示 ：

式中：Hi（ti）表示收割机 i 在时间 ti 的惩罚成本；p 表示早到惩罚系数；q 表示晚到惩罚系数。

（3）变量和参数符号

联合收割机调度模型中的各个参数设置见表 1 所列（i=1为中心农机点）

（4）建立模型

根据以上分析，建立联合收割机调度模型，首先建立一个决策变量表达式，如式（2）所示 ：

目标函数由收割机所行驶的路程成本、收割机初始启用成本、时间惩罚成本和收割机闲置成本等组成，方程如式（3）所示 ：

式（4）表示每台收割机均从中心农机点出发最后回到中心农机点 ；式（5）表示从中心农机点派出去工作的收割机数量不超过停在中心农机点的收割机总数 R 台 ；式（6），式（7）表示每个收割点只能被一台收割机收割一次 ；式（8）表示每台收割机从离开中心农机点去工作到最后回到中心农机点要完成的收割任务 ；式（9）表示时间窗约束 ；式（10）表示出去工作的收割机与闲置收割机的总和 R。

3 结 语

联合收割机调度优化系统在实现农业自动化方面起着重要作用，而国内对于联合收割机调度的研究少之又少，因此，本文所研究的基于物联网的联合收割机调度优化系统在农机监控、农机管理等方面具有重要意义。