联合收割机多机协同作业路径优化

姚竟发，滕桂法，霍利民，苑迎春，张 璠

联合收割机多机协同作业路径优化

姚竟发1，滕桂法2,4※，霍利民1，苑迎春3，张 璠3

（1. 河北农业大学机电工程学院，保定 071000；2. 河北农业大学研究生学院，保定 071000；3. 河北农业大学信息科学与技术学院，保定 071000；4. 河北省农业智能装备技术研究院，保定 071000）

随着我国土地流转政策的不断推进，种植实现规模化生产和管理，采用多台联合收割机同时进行收获作业，可不仅提高效率，而且对抢种抢收，减少自然灾害的风险，实现颗粒归仓意义重大。但是由于作业路径规划不当，常常发生作业冲突、反而效率降低，成本增加等问题，因此，研究如何规划和优化联合收割机多机无冲突协同作业具有十分重要的理论意义和实用价值。本文以总作业时间和作业时长为综合优化目标，综合考虑联合收割机转弯和作业冲突的情况，提出了联合收割机多机无冲突协同作业路径优化算法（improved genetic algorithm，IGA）。结果表明，与遗传算法（genetic algorithm，GA）相比，IGA优化的矩形农田作业路径总作业时间和作业时长平均分别下降了33.72%、34.00%，IGA优化的梯形农田作业路径总作业时间和作业时长分别下降了29.93%、30.00%，与并排作业相比，IGA优化的矩形农田作业路径总作业时间和作业时长平均分别下降了2.45%、2.29%，IGA优化的梯形农田作业路径总作业时间和作业时长分别下降了2.42%、2.02%。研究结果表明采用IGA进行多联合收割机作业路径优化是可行的，可为联合收割机多机无冲突协同作业路径规划提供参考。

农业机械；优化；算法；多机协同作业；无冲突路径规划

0 引 言

随着中国土地流转政策的不断推进，农田集中规模经营，使得农艺、农机、农作物、工程等各种措施得到进一步优化配置，极大的提高了农业生产的科技含量。目前现代化农业机械已广泛应用于农业生产的各个环节，提高农业机械的利用率和作业效率是农业可持续发展的必要途径之一。单机作业若出现故障，将会影响农作物收割作业进度[1]，而多台联合收割机协同作业可以更快地完成农田的作业任务，便于辅助联合收割机和人员的集中安排与管理。多机作业时要确保为每台联合收割机分配合理作业路径，且在作业过程中不出现碰撞冲突[2-5]。如何有效组织多台联合收割机协同作业，节省作业成本，缩短作业时间是亟待解决的主要问题。

本文综合考虑农机转弯和作业冲突问题，以总作业时间和作业时长为综合优化目标，构建联合收割机多机无冲突协同作业路径优化模型，设计路径冲突检测规则，提出联合收割机多机无冲突协同作业路径优化算法，优化联合收割多机协同作业路径，避免作业中的路径冲突问题，以期降低作业成本和作业时长，为如何组织多台联合收割机协同作业，优化多机作业路径提供参考。

1 多机无冲突协同作业路径优化

1.1 问题分析

矩形农田属于规则农田，梯形农田属于不规则农田，联合收割机在两种农田地头转弯方式不同、计算模型也不同，为更好的验证算法性能和效率，本文重点研究矩形农田和梯形农田。根据农田宽度、联合收割机作业幅宽，将农田划分为等宽的若干作业行，如图1所示。设靠近联合收割机出发点一侧为农田左侧，另一侧为农田右侧，联合收割机从农田左侧开始作业，结束位置位于农田右侧，每台联合收割机从出发点开始作业，作业完成后返回出发点。

注：为作业方向与农田地头H1夹角，(°)；为作业方向与农田地头H2夹角，(°)。

按照经验业，多台联合收割机一般采用并排作业方式，即相邻的多台联合收割机并排逐行作业，且2台联合收割机之间保持一定间隔，以免发生碰撞冲突。采用并排作业方式，每台联合收割机结束当前行后，需要行驶较长距离进入下一行，增加了作业时间，作业路径并非最优。

在本文中，2台联合收割机在同一地头同向转弯，转弯时间窗有重叠、转弯路径有重叠，则认定为作业冲突；2台联合收割机在同一地头逆向转弯，转弯时间窗有重叠、转弯路径有重叠，则认定为作业冲突。多台联合收割机从出发点出发，进入农田对作业行进行遍历操作，最终完成农田收割任务并返回出发点，每个作业行只允许1台联合收割机遍历1次。联合收割机一行作业结束，在地头转弯进入下一行期间，与其他联合收割机会产生同向冲突或相向冲突，导致作业路径堵塞，从而降低作业效率。

多台联合收割机从出发点驶出，各自按照被分配的作业行进行作业，以作业过程中无冲突为约束，最终实现机手关心的总作业时间和农户关心的作业时长综合最优的目的，此问题可归结为车辆路径问题（vehicle routing problems，VRP）问题[23-27]，可以采用VRP优化技术解决来联合收割机多机无冲突协同作业路径规划问题。

1.2 多机协同作业路径优化模型

作业时长最短，不能确保总作业时间最短，总作业时间最短，同样也不能确保作业时长最短，因此，本文对作业时长和总作业时间选择合适权重，综合优化作业时长和总作业时间。

1）优化目标