籃球隊員協作模式在多收割機械協同作業中的應用

胡 俊,楊紹昌

(保山學院，云南 保山 678000)

0 引言

眾所周知，蟻群算法是優化領域中新出現并逐漸引起重視的一種仿生進化算法，它是群體智能的典型實現，是一種基于種群尋優的啟發式搜索算法。自從1991年首先提出蟻群算法以來，這種新型的分布式智能模擬算法已逐漸引起人們的注意并得到廣泛的應用。蟻群算法采用分布式并行計算機制，易于其他方法結合，而且具有較強的魯棒性，可以實現多路徑的協同搜索，因此可以將其使用在籃球隊員協作最佳投籃地點的搜索算法中。同理，在收割機編隊作業時，為了保持多臺收割機同時作業的效率最佳，可以對其行進路徑進行合理的規劃，保證在最短的行駛距離完成相關作業，從而降低收割機空行而造成的時間浪費，提高作業的速度和質量。

1 籃球運動員協作模式及其在農機協同作業中的應用

對于那些開放性的、同場對抗類的集體競技項目來說,如籃球、足球等，運動決策的水平直接影響著運動員運動能力和技戰術水平的發揮?；@球比賽屬于高度協作的比賽模式，隊員的協同決策直接影響到球隊的總體得分，這就需要各個隊員在協作的同時，能夠規劃出最佳的進攻位置和防守位置，并選擇最佳的地點投籃得分。

如圖1所示：為了實現最佳的進攻位置和防守位置的規劃，并選擇最佳的地點投籃得分，將蟻群算法引入到了路徑規劃搜索算法中，進行大規模農機協同作業。

圖1 基于蟻群搜索算法的籃球隊員協作模式

由于人為因素可能導致農機空駛或者閑置，造成資源浪費，利用農組織結構圖、狀態統計欄可以直觀表示農機的隸屬分布和在線情況，從而實現協同路徑規劃，如圖2所示。

圖2 農機協同信息化作業

在大規模農機作業時，利用現代通信和計算機技術，可以實現農機作業的實時監測功能，從而為農機編隊和路徑規劃提供技術支持。本次研究將基于籃球協作模式的蟻群搜索算法引入到收割機收割作業編隊中，為提高其協同作業效率提供技術支持。

2 基于蟻群的最優路徑搜索算法

蟻群算法可以實現最優路徑的搜索，其搜索依據是地圖數據庫信息，搜索過程是判斷螞蟻是否在尋找實物：如果在尋找實物，則進行需找實物搜索；如果不是正在搜索實物，則進行洞穴搜索。在搜索時，將地圖數據庫中的每個節點編號并建立權值，以便于判斷節點是否搜索過，如果搜索過，則直接進入下一個搜索周期，最后的決策采用比例決策的方法，同“輪盤賭”的方式類似。走過一條路徑時，記錄路徑的權值，讀取洞穴信息元素值，重新計算所走路徑的信息元素值，更新到信息元素表中，判斷下一節是否為食物，記錄找到食物的次數以及路徑的權值，從而可以實現路徑的優化。

在螞蟻尋找洞穴的過程中，其原理同尋找食物過程類似，直接將洞穴和食物的位置信息對調即可；然后判斷目標是否為洞穴，不需要保存洞穴的數據記錄，只單純為尋找食物提供數據準備；將內存中的歷史數據清空后，可以將洞穴作為初始的節點，記錄找到食物的路徑，其基本流程如圖3所示。

圖3 蟻群算法基本流程

蟻群算法的基本原理是利用螞蟻找食、循環搜索的原理實現路徑的最優記錄和選擇。其詳細步驟如下：

1)初始化路徑信息。

2)輸入信息元素的初始化矩陣，選擇起始位置和終點的各種參數，然后在路徑搜索過程中計算路徑權值等相關信息元素數據。

3)選擇從起始位置到達節點的最優路徑，最好可以一步到達的節點，根據節點信息求出前往每個節點的概率，利用輪盤算法計算下一個起始位置節點。其表達式為

(1)

其中，τij(t)表示搜索路徑中邊(i,j)上的信息素的濃度；ηij為與搜索路徑邊(i,j)相關聯的啟發式信息；α、β分別為τij(t)、ηij的權重參數。

4)更新路徑，更新總的搜索路徑的長度。

5) 重復3)、4)過程，在螞蟻達到終點或無路可走時結束。

6)重復步驟3)、4)、5)，直到m只螞蟻迭代結束。

7)更新信息素矩陣，沒有到達的螞蟻不計算在內，則有

τij(t+1)=(1-ρ)·τij(t)+Δτij

(2)

(3)

其中，ρ為搜索節點的信息元素權系數；Q表示信息量增加強度；Lk(t)表示路徑長度；

8)重復步驟3)～7)，直至n代螞蟻迭代結束。

利用螞蟻算法可以快速得到最優路徑，在多臺收割機同時作業時，得到最優路徑才能是收割機以最小的路程完成最大的工作量，從而提高收割的作業效率和質量。

3 試驗驗證

為了驗證基于蟻群算法的籃球隊員協作模式在收割機編隊和協作快速路徑搜索算法中應用的可行性，采用算法編程實驗的方法，對方案進行了驗證，首先以籃球場地為例，對算法進行試驗驗證。

如圖4所示：以真實的籃球場地為例，在三秒區內設置了螞蟻的食物和洞穴，然后采用螞蟻算法對最佳三分球投籃位置進行了搜索，食物設置為最佳投籃地點，洞穴為防守人員，通過編程搜索成功實現了最佳路徑的計算。

圖4 螞蟻算法籃球場地實驗驗證

圖5表示多收割機作業的現場。在農忙時節，經常需要多收割機在同一大的地塊進行收割作業， 如果收割機不合理分配路徑，會造成資源的浪費，使收割機多出很多空行的工況。為了解決這個問題，將籃球隊員協作模式引入了收割機路徑搜索算法中，并將地塊假設為0和1組成的方格矩陣，具體如圖6所示。

圖5 多收割機作業情境

圖6 收割機路徑搜索方格矩陣

將收割機編隊協同作業模式和不同的地塊等效為0和1的矩陣形式，輸入由0和1組成的矩陣表示收割機需要尋找最優路徑的地圖。其中，地塊開闊可以通行的位置為0，地塊中存在障礙物不能通行的地方用1表示。

圖7為收割機路徑搜點的結果。由圖7可以看出：采用螞蟻算法后，收割機可以成功地繞開障礙物，以最短的路徑到達目標。在多臺收割機作業時，可以采用協同搜索的方式，如圖8所示。

由圖8可以看出：利用蟻群算法可以使多臺收割機路徑最短并保持距離相同或者接近，從而保證了多臺收割機同時作業時的作業效率最高。

圖7 收割機路徑搜索結果

圖8 等長度路徑搜索結果圖

4 結論

在籃球隊員協作模式中引入了蟻群算法，為了驗證算法的可行性，以真實的籃球比賽為例，在三秒區內設置了螞蟻的食物和洞穴，然后采用螞蟻算法對最佳三分球投籃位置進行了搜索。通過將食物設置為最佳投籃地點，洞穴為防守人員，通過試驗成功實現了最佳路徑的計算。將基于籃球協作模式的蟻群搜索算法引入到了收割機編隊協同作業過程中，并通過算法試驗，對多收割機協同作業的路徑搜索能力進行了試驗測試。試驗結果表明：采用基于籃球協作模式的蟻群算法不僅可以實現單臺收割機的快速最佳路徑搜索，而且可以實現多收割機的等長協同路徑搜索，從而提高了收割機的協作能力，進而提高了收割機群的總體作業水平。

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