一种控制中心统一管理的智慧农机调度系统及方法与流程

1.本发明属于智慧农业领域，具体涉及一种控制中心统一管理的智慧农机调度系统及方法。


背景技术：

2.随着机械化农业时代的到来，越来越多的农田耕种、播种、收割等工作交由专门的农业机械进行处理，使用农机作业极大的减少了人力物力，并极大的提高了粮食生产的效率；
3.由于农业机械种类的多样性和操作的复杂性，目前的农业机械主要都是由农场或农机公司统一支配的；在农忙时，大概率会出现需要作业的农田数量远远大于农机数量的情况，而传统的人力调度往往效率低下，不能充分利用每台农机；现有的智能管理调度技术普遍为集中式管理调度技术以及分布式管理调度技术；
4.而现有的智能管理调度技术则普遍存在以下问题：
5.1、集中式管理调度技术不能充分考虑农机的利用效率或者需要频繁与农机进行通信导致成本增加的问题；
6.2、传统的分布式管理调度技术不能及时了解全局信息导致进行农机调度时线路不是最优选进而导致农机效率低的问题；
7.为此，提出一种控制中心统一管理的智慧农机调度系统及方法。


技术实现要素：

8.本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种控制中心统一管理的智慧农机调度系统及方法，该控制中心统一管理的智慧农机调度系统解决了现有技术中农机的利用效率低以及频繁通信的技术问题；通过事先收集农田与农机的信息，控制中心在农机出发前开始为每台农机计算出当日完整的工作路线。计算的路线是由求解规划问题获得，因此可保证每台农机的工作效率。另外，由于在出发前计算出所有路线，因此在农机工作过程中，除了农机完成一项农田工作及农机出现故障外，不需要其他的通信成本。
9.为实现上述目的，根据本发明的第一方面的实施例提出一种控制中心统一管理的智慧农机调度系统，包括信息收集模块、故障处理模块、管理模块、无线通信模块、路线计算模块以及路线发配模块；所述管理模块包括农田任务管理单元以及农机管理单元；
10.所述信息收集模块用于收集农田信息以及农机信息，在具体的实施例中，所述农田信息包括但不限于农田面积、农田与农机基地的距离、任意农田间的距离；所述农机信息包括农机日工作时长、农机单位工作速度以及农机行驶速度；
11.所述故障处理模块用于处理农机出现故障的情况，当某农机出现故障时，农机发送故障信号至故障处理模块，故障处理模块接收到故障信号后，发送广播消息至所有发生故障农机，通知所有未发生故障农机将其工作信息发回管理模块；所述工作信息按农机位
置分为两类：
12.若农机正在农田中，则发送所在农田已工作时长、当天工作总时长；
13.若农机正在前往下一农田途中，则发送目标农田编号。
14.所述管理模块用于将接收到的农田信息分配至农田任务管理单元与农机管理单元，所述农田任务管理单元用于管理农田信息和农田状态。所述农田信息除上述农田面积、农田与农机基地的距离、任意农田间的距离外还包括根据公式计算出的农田所需工作时长、农机基地前往各农田的时长、农机在各农田之间行驶的时长以及农田已工作时长；所述农田状态包括未进行作业的初始状态、作业中状态以及已完成作业状态。所述农机管理单元用于管理农机信息和农机状态，具体的，所述农机管理单元管理农机信息除上述农机日工作时长、农机单位工作速度以及农机行驶速度外还包括农机已工作时长；所述农机状态包括故障和未故障。
15.所述路线计算模块通过在每次农机出发前，将农机与农田信息作为输入，路线计算问题抽象为规划问题，求解此规划问题，获得最优的解集合。
16.其中，所述路线发配模块接收来自路线计算模块的最优解集合，并按照解集合分配农机的工作路线。
17.根据本发明的第二方面的实施例提出一种控制中心统一管理的智慧农机调度方法，该方法具体包括以下步骤：
18.步骤s1：信息收集模块收集完整的农田及农机信息并发送至管理模块；
19.步骤s2：管理模块将收集到的数据作为输入发送至路线计算模块；
20.步骤s3：路线计算模块计算出最优的解集合，发送至路线发配模块；
21.步骤s4：路线发配模块根据最优的解集合，安排每台农机的工作顺序。
22.为了保证在农机出现故障状况下，依然能保证农机总工作时长最大化，需要在出现故障时，重新计算其他农机的路线；重新计算路线的步骤如下：
23.步骤q1：故障农机发送故障信号至故障处理模块，故障处理模块发送广播消息至所有农机，农机发送当前工作信息及状态至管理模块；
24.步骤q2：将管理模块数据发送至路线计算模块，此时发送的数据不包括故障农机、正在前往下一农田途中的农机及目标农田、已完成工作农田、正在工作中的农田；修改部分参数，将修改后的参数作为路线计算模块的算法输入，重新计算最优工作路线，将最优工作路线发送至路线发配模块；
25.步骤q3：路线发配模块根据最优的解集合，安排每台农机的工作顺序。
26.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
27.1、本发明通过一次计算获得所有农机当日所有的工作路线，避免了传统方法的每完成一个农田需要重新计算一次的巨大计算成本问题；
28.2、本发明每次计算的工作路线均为农机当日的最优路线，可保证每台农机的最大工作效率；
29.3、本发明除了在农机完成一项农田任务或农机发生故障时，需与控制中心或故障处理模块通信外，不需要任何额外的通信成本。
附图说明
30.图1为本发明的原理图；
31.图2为本发明的流程图。
具体实施方式
32.下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
33.如图1所示，一种控制中心统一管理的智慧农机调度系统，包括信息收集模块、故障处理模块、管理模块、无线通信模块、路线计算模块以及路线发配模块；所述管理模块包括农田任务管理单元以及农机管理单元；
34.所述信息收集模块用于收集农田信息以及农机信息，在具体的实施例中，所述农田信息包括但不限于农田面积、农田与农机基地的距离、任意农田间的距离；所述农机信息包括农机日工作时长、农机单位工作速度以及农机行驶速度；所述信息收集模块通过无线通信模块将收集到的农田信息以及农机信息发送至管理模块；
35.所述故障处理模块用于处理农机出现故障的情况，当某农机出现故障时，农机发送故障信号至故障处理模块，故障处理模块接收到故障信号后，发送广播消息至所有发生故障农机，通知所有未发生故障农机将其工作信息发回管理模块；所述工作信息按农机位置分为两类：
36.若农机正在农田中，则发送所在农田已工作时长、当天工作总时长；
37.若农机正在前往下一农田途中，则发送目标农田编号。
38.其中，所述管理模块用于将接收到的农田信息分配至农田任务管理单元与农机管理单元，所述农田任务管理单元用于管理农田信息和农田状态，具体的，所述农田任务管理单元管理农田信息的过程包括：
39.1、将农田进行编号，标记为n，其中n为正整数，且n＝1,2
……
n；同理下述n
′
＝1,2
……
n；将农田面积标记为sn；将农田n和农机基地的距离标记为dn，将农田n和农田n
′
之间的距离标记为d
nn
′
；将农机单位工作速度标记为p；将农机行驶速度标记为v；将农田已工作时长标记为hn；
40.2、农田管理单元根据计算公式计算农田n所需工作时长wn，其中计算公式为wn＝sn/p；
41.农田管理单元根据计算公式计算农机从农田n行驶到n
′
的时长t
nn
′
，其中计算公式为t
nn
′
＝d
nn
′
/v；
42.农田管理单元根据计算公式计算农机从农机基地行驶到农田n的时长tn，其中计算公式为tn＝dn/v；
43.需要进一步说明的是，在具体的实施例中，当农机发生故障时，农田n当日所需工作时长将更新为初始所需工作时长减去已工作时长。
44.其中，所述农田状态包括：未进行作业的初始状态、作业中状态以及已完成作业状态。其中作业中状态为出现农机故障时，根据各个农机的位置确定；其中已完成作业状态为
农机完成当前任务后发送完成任务信息至管理模块确定；
45.其中，所述农机管理单元用于管理农机信息和农机状态，具体的，所述农机管理单元管理农机信息包括以下：
46.将农机进行编号，标记为m，其中m为正整数，且m＝1,2
……
m；将农机当日可工作的时长标记为lm；将农机当日已工作时长标记为ym；
47.需要进一步说明的是，在具体的实施例中，当农机发生故障时，农机当日可工作时长更新为初始可工作时长减去已工作时长；
48.所述农机状态包括故障及未故障。
49.其中，所述路线计算模块用于计算每台农机当天的工作路线，具体的，路线计算模块的工作过程包括以下步骤：
50.步骤一：获取由管理模块发送的农田与农机的信息和状态；
51.步骤二：计算农机工作路线，具体的，计算农机工作线路的过程如下：
52.算法输入：农田需工作时长wn、从农机基地到达农田的时长tn、来往两个农田之间的时长t
nn
′
、农机当日可工作时长lm、总农机数量m、总农田数量n，使用an＝tn wn来表示农机从农机基地到达农田n并完成工作的时长、使用b
nn
′
＝tn′
*n n
wn来表示农机从农田n
′
到达农田n并完成工作的时长；
53.算法步骤：
54.步骤p1：判断农田的数量是否少于农机的数量，若农机数量多于农田的数量，则每个农田任意发配一辆农机即可；否则进入步骤p2；
55.步骤p2：设定条件：
[0056][0057]
求公式求公式的最大值，其中c的含义为所有农机当天的总工作时长；
[0058]
算法输出：最优的解集合x。
[0059]
其中m代表第m台农机；n、n
′
代表第n个、第n
′
个农田任务；q代表每台农机最多执行的作业数，由于初始将发配m台农机至m个农田，故每台农机最多执行n-m个作业，即q＝n-m；q表示第q条作业；变量x
mnq
表示第m台农机是否将第n个农田任务作为第q次作业目标，x
mnq
的值限定为{0,1}，即
[0060][0061]
限制条件(1)限制了只有在为农机m分配了农田任务后才才可继续分配任务；限制条件(2)限制了每次最多为农机m分配一个农田任务；限制条件(3)限制了每个农田任务最多有一个农机进行作业；限制条件(4)限制了每台农机的工作时长不得超过它的当日最大工作时长，其中x
mnq
*x
mn
′
(q-1)
表示机器m是否在第q-1次执行n
′
任务，在第q次执行n任务。
[0062]
本算法的目标即为在上述限制条件下，求解最优的解集合x，使得当日总的农机工作时长最大化，此解集合x即为农机的最优工作路线。
[0063]
其中，所述路线发配模块接收来自路线计算模块的最优解集合x。x集合中，若x
mnq
＝1，则安排农机m将农田n作为第q次工作目标。
[0064]
如图2所示，一种控制中心统一管理的智慧农机调度方法，具体包括以下步骤：
[0065]
步骤s1：信息收集模块收集完整的农田及农机信息并发送至管理模块；
[0066]
步骤s2：管理模块将收集到的数据作为输入发送至路线计算模块；
[0067]
步骤s3：路线计算模块计算出最优的解集合，发送至路线发配模块；
[0068]
步骤s4：路线发配模块根据最优的解集合，安排每台农机的工作顺序。
[0069]
为了保证在农机出现故障状况下，依然能保证农机总工作时长最大化，需要在出现故障时，重新计算其他农机的路线；重新计算路线的步骤如下：
[0070]
步骤q1：故障农机发送故障信号至故障处理模块，故障处理模块发送广播消息至所有农机，农机发送当前工作信息及状态至管理模块；
[0071]
步骤q2：将管理模块数据发送至路线计算模块，此时发送的数据不包括故障农机、正在前往下一农田途中的农机及目标农田、已完成工作农田、正在工作中的农田；算法输入中an替换为an＝wn t
nj
，其中j表示发生故障时农机所处农田；算法输入中lm替换为l
m-wn；其余输入与上述分配算法相同；根据上述输入重新计算最优工作路线，将最优工作路线发送至路线发配模块；
[0072]
步骤q3：路线发配模块根据最优的解集合，安排每台农机的工作顺序。
[0073]
以上实施例仅用以说明本发明的技术方法而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方法进行修改或等同替换，而不脱离本发明技术方法的精神和范围。