聯合收割機多機協同作業路徑優化

姚竟發，滕桂法，霍利民，苑迎春，張 璠

聯合收割機多機協同作業路徑優化

姚竟發1，滕桂法2,4※，霍利民1，苑迎春3，張 璠3

（1. 河北農業大學機電工程學院，保定 071000；2. 河北農業大學研究生學院，保定 071000；3. 河北農業大學信息科學與技術學院，保定 071000；4. 河北省農業智能裝備技術研究院，保定 071000）

隨著我國土地流轉政策的不斷推進，種植實現規模化生產和管理，采用多臺聯合收割機同時進行收獲作業，可不僅提高效率，而且對搶種搶收，減少自然災害的風險，實現顆粒歸倉意義重大。但是由于作業路徑規劃不當，常常發生作業沖突、反而效率降低，成本增加等問題，因此，研究如何規劃和優化聯合收割機多機無沖突協同作業具有十分重要的理論意義和實用價值。本文以總作業時間和作業時長為綜合優化目標，綜合考慮聯合收割機轉彎和作業沖突的情況，提出了聯合收割機多機無沖突協同作業路徑優化算法（improved genetic algorithm，IGA）。結果表明，與遺傳算法（genetic algorithm，GA）相比，IGA優化的矩形農田作業路徑總作業時間和作業時長平均分別下降了33.72%、34.00%，IGA優化的梯形農田作業路徑總作業時間和作業時長分別下降了29.93%、30.00%，與并排作業相比，IGA優化的矩形農田作業路徑總作業時間和作業時長平均分別下降了2.45%、2.29%，IGA優化的梯形農田作業路徑總作業時間和作業時長分別下降了2.42%、2.02%。研究結果表明采用IGA進行多聯合收割機作業路徑優化是可行的，可為聯合收割機多機無沖突協同作業路徑規劃提供參考。

農業機械；優化；算法；多機協同作業；無沖突路徑規劃

0 引 言

隨著中國土地流轉政策的不斷推進，農田集中規模經營，使得農藝、農機、農作物、工程等各種措施得到進一步優化配置，極大的提高了農業生產的科技含量。目前現代化農業機械已廣泛應用于農業生產的各個環節，提高農業機械的利用率和作業效率是農業可持續發展的必要途徑之一。單機作業若出現故障，將會影響農作物收割作業進度[1]，而多臺聯合收割機協同作業可以更快地完成農田的作業任務，便于輔助聯合收割機和人員的集中安排與管理。多機作業時要確保為每臺聯合收割機分配合理作業路徑，且在作業過程中不出現碰撞沖突[2-5]。如何有效組織多臺聯合收割機協同作業，節省作業成本，縮短作業時間是亟待解決的主要問題。

本文綜合考慮農機轉彎和作業沖突問題，以總作業時間和作業時長為綜合優化目標，構建聯合收割機多機無沖突協同作業路徑優化模型，設計路徑沖突檢測規則，提出聯合收割機多機無沖突協同作業路徑優化算法，優化聯合收割多機協同作業路徑，避免作業中的路徑沖突問題，以期降低作業成本和作業時長，為如何組織多臺聯合收割機協同作業，優化多機作業路徑提供參考。

1 多機無沖突協同作業路徑優化

1.1 問題分析

矩形農田屬于規則農田，梯形農田屬于不規則農田，聯合收割機在兩種農田地頭轉彎方式不同、計算模型也不同，為更好的驗證算法性能和效率，本文重點研究矩形農田和梯形農田。根據農田寬度、聯合收割機作業幅寬，將農田劃分為等寬的若干作業行，如圖1所示。設靠近聯合收割機出發點一側為農田左側，另一側為農田右側，聯合收割機從農田左側開始作業，結束位置位于農田右側，每臺聯合收割機從出發點開始作業，作業完成后返回出發點。

注：為作業方向與農田地頭H1夾角，(°)；為作業方向與農田地頭H2夾角，(°)。

按照經驗業，多臺聯合收割機一般采用并排作業方式，即相鄰的多臺聯合收割機并排逐行作業，且2臺聯合收割機之間保持一定間隔，以免發生碰撞沖突。采用并排作業方式，每臺聯合收割機結束當前行后，需要行駛較長距離進入下一行，增加了作業時間，作業路徑并非最優。

在本文中，2臺聯合收割機在同一地頭同向轉彎，轉彎時間窗有重疊、轉彎路徑有重疊，則認定為作業沖突；2臺聯合收割機在同一地頭逆向轉彎，轉彎時間窗有重疊、轉彎路徑有重疊，則認定為作業沖突。多臺聯合收割機從出發點出發，進入農田對作業行進行遍歷操作，最終完成農田收割任務并返回出發點，每個作業行只允許1臺聯合收割機遍歷1次。聯合收割機一行作業結束，在地頭轉彎進入下一行期間，與其他聯合收割機會產生同向沖突或相向沖突，導致作業路徑堵塞，從而降低作業效率。

多臺聯合收割機從出發點駛出，各自按照被分配的作業行進行作業，以作業過程中無沖突為約束，最終實現機手關心的總作業時間和農戶關心的作業時長綜合最優的目的，此問題可歸結為車輛路徑問題（vehicle routing problems，VRP）問題[23-27]，可以采用VRP優化技術解決來聯合收割機多機無沖突協同作業路徑規劃問題。

1.2 多機協同作業路徑優化模型

作業時長最短，不能確保總作業時間最短，總作業時間最短，同樣也不能確保作業時長最短，因此，本文對作業時長和總作業時間選擇合適權重，綜合優化作業時長和總作業時間。

1）優化目標