基于遺傳算法的涪城區楊關產業帶作物種植結構研究

張峻嶺

摘 要：為了節約農業水資源，提高水資源的利用效率，農作物種植結構調整成為解決水資源問題關鍵措施。產業帶經濟效益最大以及保證糧食安全是其發展的目標。本文建立的多目標規劃數學模型，通過matlab遺傳算法編程，求得最佳的農作物種植方案。結合現狀區實際種植結構以及規劃，最終得到楊關產業帶最優的作物種植結構，為科學指導生產實踐提供了理論依據。

關鍵詞：種植結構 多目標規劃 遺傳算法.

中圖分類號：S5-3 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）03（a）-0000-00

Abstract： Because of Yang and Guan Industry Area present situation of water resources shortage， crop planting structure adjustment is to solve water resources problem key measures.The development target is max economic benefit and guarantee food security of Industry area. This paper establishes the multiple objective programming model to get the best planting scheme， through matlab genetic algorithm programming. combining with the current actual planting structure and planning， ultimately we get the Yang and Guan Industry Area optimum planting structure in order to scientific guide for the production practice to provide a theoretical basis.

Keywords： planting structure adjustment， multi-objective programming， genetic algorithm.

作物種植結構調整，就是按照自然規律和經濟規律，科學合理配置生產要素，調整生產力在不同區域、不同作物和不同品種之間的布局，使之與國民經濟結構調整和發展相適應。但是，面對糧食種植業效益低以及受世界糧食市場沖擊等影響，進一步加快種植業結構調整，提高效益勢在必行。如何使作物種植結構更加合理，進一步增加農民收入，使農業和農村經濟科學發展，一直是各級政府探索的課題。

楊關產業帶[1]位于綿陽科技城核心區、四川省縣級經濟綜合實力“十強縣”——涪城區西南部，距離綿陽城區15km，均處于綿陽城市二環路與繞城高速之間，現有綿（陽）中（江）公路、涪城環線路穿越其境，產業帶起點與在建的繞城高速楊家出口相連，道路網絡形成，交通非常便捷。產業帶沿區域內陰山河流域布局，重點涉及涪城區楊家、關帝兩個鄉鎮11個行政村，幅員面積為28km2，其中耕地面積20124畝，林地12720畝。產業帶現有主要糧食作物是水稻、小麥、玉米和油菜，主要經濟作物是蔬菜、水果等。現狀產業帶屬人民渠產業帶玉楊豐干渠系，為了節約水資源，提高水資源的利用效率，探討產業帶的農作物種植結構的研究。

1 數學模型

在農作物種植結構研究過程中，大多數是多目標優化問題，有時需要使用多個目標在給定區域上都可能地達到最優的問題，目標之間一般都是互相沖突的，這種多于一個的數值目標的最優化問題就是多目標問題。解決含多目標和多約束的優化問題稱為多目標優化問題[2]。多目標優化問題一般的數學模型可描述為：

式中，V-min表示向量極小化，即向量目標函數法 中的各個子目標函數都盡可能地達到極小化。

以產業帶的最大毛經濟效益以及糧食產量最大為目標函數，產業帶可供水量以及產業帶總面積作為約束條件，建立作物種植結構的多目標規劃模型[3].

2 計算方法

本模型的求解采用matlab遺傳算法[4]。遺傳算法（Genetic Algorithm）是模擬達爾文生物進化論的自然選擇和遺傳學機理的生物進化過程的計算模型，是一種通過模擬自然進化過程搜索最優解的方法。

遺傳算法起源于對生物系統所進行的計算機模擬研究。美國Michigan大學的holland教授及其學生受到生物模擬技術的啟發，創造了一種基于生物遺傳和進化機制的適合于復雜系統優化的自適應概率優化技術——遺傳算法。Holland教授用遺傳算法的思想對自然和人工自適應進行了研究，提出了遺傳算法的基本定理、模式定理，20世紀80年代，Holland教授實現了第一個基于遺傳算法的機器學習系統，開創了遺傳算法的機器學習的新概念。

matlab7.0 released4包含一個專門設計的遺傳算法與直接搜索工具箱（GADS）[5]。使用遺傳算法與直接搜索工具箱，可以擴展matlab及其優化工具箱在處理優化問題方面的能力，GADS工具箱是一系列函數的集合，它們擴展了優化工具和matlab數值計算環境的性能。遺傳算法與直接搜索。遺傳算法與直接搜索工具箱包含了要使用遺傳算法和直接搜索算法來求解優化問題的一些例程。這些算法使能夠求解那些標準優化工具箱范圍之外的各種優化問題。

多目標優化中最優解和pareto最優解（pareto optimal solution），對于求解多目標優化問題的pareto最優解，目前已有多種基于遺傳算法的求解方法，本文采用權重系數變換法，對于此多目標規劃一般采用權重系數變換法將多目標問題轉化為單目標問題，根據子目標函數的重要程度，由于經濟效益子目標函數與糧食產量子目標函數對于產業帶重要性相當，但由于目前產業帶發展還是必須靠經濟效益帶動，因此本文取E的權重系數為0.7，O的權重系數為0.3。則多目標優化問題可就轉化為單目標優化問題，即可利用單目標優化的遺傳算法求解多目標優化問題。

3 參數確定

產業帶旱作物以地面小畦灌溉為主，輔以低壓管灌、噴灌等灌溉方式；水稻全部采用控制灌溉方式。

a.作物市場單價、灌溉定額、畝均產量

根據調查，產業帶種植作物種類主要有水稻、油菜、玉米、蔬菜、水果等六類，各類作物市場單價、灌溉定額、畝均產量參數見表1。

b.產業帶可供水量

產業帶屬人民渠產業帶玉楊豐干渠系，現有水庫小（二）型水庫5座，山平塘163口，蓄水池101口，石河堰12道。1個國管中型水利工程單位（玉楊豐支渠），年引水能力750萬m3。

c.灌溉面積

產業帶主要糧食作物是水稻、小麥、玉米和油菜，主要經濟作物是蔬菜、水果等。產業帶糧食作物面積為20124畝，經濟作物面積為6259畝。糧食作物以及油菜采用復種模式。

4 模型求解

模型求解的主程序：

function z=ygcy2012（x）；

E=1584*x（1）+728*x（2）+830.8*x（3）+967.50*x（4）+12500*x（5）+10500*x（6）；

O=550*x（1）+620*x（3）+450*x（5）；

g1=250*x（1）+35*x（2）+40*x（3）+40*x（4）+160*x（5）+55*x（6）-750；

g2=x（1）+x（2）+x（3）+x（4）+x（5）+x（6）-4.33；

g3=x（1）-1.0565；

g5=x（3）+x（4）-0.9560；

g6=x（6）-0.2；

if（g1<=0）&（g2<=0）&（g3<=0）&（x>=0）&（g5<=0）&（g6<=0）

z=0.7*E+0.3*O

else

z=-100；

end

z=-z；

根據上述約束條件，通過計算求解六種方案不同的結果見圖1以及表2所示。

5 結果分析

產業帶種植結構調整近幾年變化比較大，水稻面積呈逐年遞減，蔬菜、水果種植面積一直維持較快的增長狀態，究其原因，一是產業帶農民群眾因為外出務工緣故，有規模、亦成片耕地已被一些農業企業整合，通過種植蔬菜、水果等，改變了土地的種植結構模式。二是因灌溉條件不利以及產業帶來水量的分布不均。若可以改善產業帶灌溉設施，亦是可以增加部分水稻種植面積。

根據六個設計方案的結果分析，方案3當水果種植面積為0.4萬畝時，其最大經濟效益為3.23億元，糧食總產量為966.1萬kg。但2010年產業帶農業總產值僅為11241萬元，方案3農業總產值增長了187%

現狀種植結構還有調整的空間，糧食產量安全問題關乎到社會的安定，產業帶內共計10個村，88個村民小組，總戶數4369戶，總人口13758人，按年人均500kg糧食計算，則需要考慮生產糧食689.00萬kg，本文給出的六個方案中，均都滿足要求。

6 建議

近年來，綿陽市涪城區楊關產業帶的農業產業、農田水利工程已建設完成，這為楊關產業帶的社會經濟發展提供了堅實的基礎。通過提高水資源的利用效率，以實現好該產業帶的最優化的種植結構，帶來最高的經濟、社會利益。但方案3因此其增長效率相當高，此方案實施有一定的難度，主要由于當地群眾的歷史的種植習慣以及農產品的市場前景等因素的影響。種植結構調整的方案不會如期實現，涪城區政府以及鄉鎮政府可以通過引導當地群眾，逐步調整產業結構，以實現最優的效益。

參考文獻：

[1] 《綿陽市農業綜合開發土地治理涪城區楊關產業帶項目可行性研究報告》，四川涪圣工程設計咨詢有限公司，2011.

[2] 甘泓.水資源合理配置理論與實踐研究.中國水利水電科學研究院博士論文，2000.07；

[3] 周麗.基于遺傳算法的區域水資源優化配置研究.鄭州大學碩士論文，2002.04；

[4] 雷英杰等.Matlab遺傳算法工具箱及應用.西安：西安電子科技大學出版社，2009.08；

[5] 陳國良等.遺傳算法及其應用.北京：北京人民郵電出版社，1996；

[6] 《四川省用水定額（試行）》，2010.