一種免耕開溝器結(jié)構(gòu)優(yōu)化與作業(yè)效果預(yù)測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于免耕開溝器結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)領(lǐng)域，特別設(shè)及一種免耕開溝器結(jié)構(gòu)優(yōu)化與 作業(yè)效果預(yù)測方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 保護(hù)性耕作要求播種后，地表保留30%W上賴桿等覆蓋物，免耕播種時，不打亂耕 作層，減少對±壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的破壞，同時減少±壤風(fēng)蝕、水蝕，提高±壤肥力和抗旱能力，運(yùn) 對實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重大現(xiàn)實(shí)意義。但目前免耕播種尚存在播種質(zhì)量差、影響出苗 的問題。開溝器是免耕播種機(jī)的關(guān)鍵耕作部件，影響±壤擾動、動力消耗，W及作業(yè)后產(chǎn)生 的種床影響種子發(fā)芽、出苗和作物的生長。
[0003] 近些年，典型地區(qū)免耕播種機(jī)開溝器的研究已經(jīng)取得了一定的成果，為創(chuàng)造良好 的種床±壤環(huán)境，優(yōu)化開溝器的結(jié)構(gòu)，針對某些種植區(qū)設(shè)計(jì)了不同結(jié)構(gòu)的免耕開溝器。由 于不同區(qū)域間±壤條件和作業(yè)條件的不同，W及作物生長對開溝種床要求的差異，需采用 不同類型及不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的免耕播種機(jī)開溝器。在推廣保護(hù)性耕作技術(shù)的過程中，通過在 特定區(qū)域?qū)﹂_溝器進(jìn)行田間試驗(yàn)，得到適宜的免耕開溝器，且作業(yè)效果比較直觀，但該方法 費(fèi)時且成本高，且現(xiàn)有研究僅對單個性能的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，不具有通用性，缺少一個簡 便、統(tǒng)一的方法對免耕播種作業(yè)所需開溝器的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化、選擇，不利于保護(hù)性耕作 技術(shù)的推廣。
[0004] 為滿足不同±壤條件和作業(yè)條件的播種要求，優(yōu)化各免耕開溝器的結(jié)構(gòu)參數(shù)，減 少田間實(shí)驗(yàn)，節(jié)省開溝器設(shè)計(jì)的時間和工作量，本發(fā)明在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合計(jì)算機(jī)模 擬和多目標(biāo)優(yōu)化方法確立了一種免耕開溝器結(jié)構(gòu)優(yōu)化與作業(yè)效果預(yù)測方法，通過各作業(yè)效 果的指標(biāo)，選擇適宜的開溝器類型和結(jié)構(gòu)參數(shù)，W及適宜的作業(yè)條件（作業(yè)深度、作業(yè)速 度），并在各結(jié)構(gòu)參數(shù)和作業(yè)條件確定的條件下，對開溝作業(yè)產(chǎn)生的種床效果進(jìn)行預(yù)測。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對現(xiàn)有技術(shù)不足，本發(fā)明提供了一種免耕開溝器結(jié)構(gòu)優(yōu)化與作業(yè)效果預(yù)測方 法。
[0006] 一種免耕開溝器結(jié)構(gòu)優(yōu)化與作業(yè)效果預(yù)測方法，主要包括W下步驟：
[0007] 1)決策變量和指標(biāo)的選擇：根據(jù)成熟地區(qū)和待免耕播種地區(qū)開溝器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 和開溝效果的要求，確定多目標(biāo)優(yōu)化模型的決策變量和指標(biāo)；所述決策變量包括開溝器結(jié) 構(gòu)參數(shù)、±壤數(shù)據(jù)、作業(yè)條件數(shù)據(jù)，所述指標(biāo)包括作業(yè)效果、作業(yè)能耗、工作阻力；
[0008] 2)數(shù)據(jù)采集：按照步驟1)中確定的決策變量和指標(biāo)，收集成熟地區(qū)的決策變量和 指標(biāo)的數(shù)據(jù)；
[0009] 3)構(gòu)建開溝器結(jié)構(gòu)優(yōu)化及開溝效果預(yù)測的多目標(biāo)優(yōu)化模型：將步驟2)中采集 的各決策變量數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化的決策變量數(shù)據(jù)，確定各指標(biāo)對應(yīng)的目標(biāo) 函數(shù)及權(quán)重系數(shù)，構(gòu)建開溝器結(jié)構(gòu)優(yōu)化及開溝效果預(yù)測的多目標(biāo)優(yōu)化模型，按W下步驟進(jìn) 行：
[0010] a)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化：首先根據(jù)步驟2)中采集的決策變量數(shù)據(jù)構(gòu)成原始數(shù)據(jù)矩陣X%將 原始數(shù)據(jù)矩陣滬轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)化矩陣X，其中X1為標(biāo)準(zhǔn)化矩陣X中的元素，表示標(biāo)準(zhǔn)化后第i 個決策變量值，i= 1，2,…，n;
[0011] b)構(gòu)造各指標(biāo)的目標(biāo)函數(shù)： 陽012] 通過標(biāo)準(zhǔn)化處理的決策變量數(shù)據(jù)，由Matl油軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，分別建立W決 策變量為變量、各指標(biāo)為因變量的擬合方程：
[0013]
[0014] 根據(jù)各決策變量的要求，確定各決策變量的約束條件：g(Xi)《0(1 = 1，2,…，n);
[0015] 得到各指標(biāo)的目標(biāo)函數(shù)為：
[0016]
[0017] 同時，各指標(biāo)的向量目標(biāo)函數(shù)為：
[0018]
[0019] 其中Fk(x)被同等地極小化； 陽020] 式中，F(xiàn)k(x)表示第k個指標(biāo)的目標(biāo)函數(shù)中決策變量所擬合的函數(shù)部分，aki表示第k個指標(biāo)中第i個決策變量的系數(shù)，r/表示第k個指標(biāo)中第i個決策變量的j次方數(shù)，Cku 表示的系數(shù)，j表示第k個指標(biāo)中第i個決策變量的方數(shù)，P為最高次數(shù)，S.t.gh(Xi)《0 表示決策變量應(yīng)滿足所有的約束條件；
[0021] C)確定各指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)：
[0022] 依照Fi(x)，F(xiàn)2(x)，…，F(xiàn)m(x)在整個多目標(biāo)優(yōu)化模型中的重要程度，相應(yīng)地給出一 組加權(quán)系數(shù)Wi，W2,…，Wm;采用層次分析法，按各指標(biāo)的順序構(gòu)造兩兩比較的m階判斷矩陣 B：
[0023]
陽024] 其中，b。P> 0 ;b。P= 1/bP。；a=P時，b。P= 1 ;b。P是第a個指標(biāo)對第P個 指標(biāo)的相對重要性，其值是根據(jù)資料數(shù)據(jù)、經(jīng)驗(yàn)W及實(shí)際要求來確定；由特征向量w= [Wi， 訊2，…，Wm]T得出各指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)為Wi，W2，…，Wm; 陽0巧]取其界限為
[00%] d)構(gòu)建開溝器結(jié)構(gòu)優(yōu)化及開溝效果預(yù)測的多目標(biāo)優(yōu)化模型：運(yùn)用向量目標(biāo)函數(shù) 最小化對目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，要使各指標(biāo)的目標(biāo)函數(shù)都達(dá)到最優(yōu)的效果，采用多目標(biāo)優(yōu)化 方法來解決，用Fk(x)與Wk化=1，2,…，m)的線性組合構(gòu)成一個多目標(biāo)優(yōu)化模型，其表達(dá)式 為：
[0027]
[0028] 即將多目標(biāo)優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)優(yōu)化問題；
[0029] 4)開溝器結(jié)構(gòu)優(yōu)化：根據(jù)待免耕播種地區(qū)作業(yè)效果及作物生長的要求，查閱待免 耕播種地區(qū)開溝器結(jié)構(gòu)參數(shù)和作業(yè)條件數(shù)據(jù)，測量待免耕播種地區(qū)的±壤數(shù)據(jù)，將收集的 數(shù)據(jù)代入到步驟3)中的多目標(biāo)優(yōu)化模型，重新構(gòu)建待免耕播種地區(qū)的開溝器結(jié)構(gòu)優(yōu)化及 開溝效果預(yù)測的多目標(biāo)優(yōu)化模型，利用Matl油軟件求解待免耕播種地區(qū)所用開溝器的最 優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)；
[0030] W開溝作業(yè)效果預(yù)測：將步驟4)中所述的待免耕播種地區(qū)的±壤數(shù)據(jù)、作業(yè)條件 數(shù)據(jù)及開溝器最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)，代入到步驟3)中各指標(biāo)的目標(biāo)函數(shù)中，預(yù)測開溝作業(yè)效果。
[0031] 其中，步驟2)、步驟4)和步驟5)中所述成熟地區(qū)和待免耕播種地區(qū)的±壤數(shù)據(jù)、 作業(yè)條件數(shù)據(jù)、作業(yè)效果數(shù)據(jù)及作業(yè)能耗數(shù)據(jù)來源于實(shí)驗(yàn)結(jié)果和實(shí)地調(diào)查結(jié)果。
[0032] 本發(fā)明的有益效果為：
[0033] 本發(fā)明通過將成熟地區(qū)的測量數(shù)據(jù)作為標(biāo)準(zhǔn)模板，根據(jù)成熟地區(qū)所采集的測量數(shù) 據(jù)，確定決策變量和指標(biāo)，構(gòu)建開溝器結(jié)構(gòu)優(yōu)化及開溝效果預(yù)測的多目標(biāo)優(yōu)化模型，根據(jù)待 免耕播種地區(qū)上壤條件和作業(yè)條件的特征，選擇適宜結(jié)構(gòu)參數(shù)的開溝器，并在作業(yè)條件數(shù) 據(jù)、±壤數(shù)據(jù)和開溝器結(jié)構(gòu)參數(shù)已知的情況下，預(yù)測開溝效果。整個過程均通過計(jì)算機(jī)模擬 完成，無需進(jìn)行田間實(shí)驗(yàn)且省時、省力，降低了成本，同時提高了開溝器結(jié)構(gòu)優(yōu)化的效率和 作業(yè)效果，具有通用性，對促進(jìn)保護(hù)性耕作技術(shù)的推廣和免耕播種的質(zhì)量具有重要意義。
【附圖說明】
[0034] 圖1為本發(fā)明一種免耕開溝器結(jié)構(gòu)優(yōu)化與作業(yè)效果預(yù)測方法示意圖；
[0035] 圖2為本發(fā)明一種免耕開溝器結(jié)構(gòu)優(yōu)化與作業(yè)效果預(yù)測的多目標(biāo)優(yōu)化模型流程 圖。
【具體實(shí)施方式】
[0036] 下面結(jié)合【具體實(shí)施方式】對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是，下述說明僅僅是 示例性的，而不是為了限制本發(fā)明的范圍及其應(yīng)用。
[0037] 如圖1所示，本發(fā)明提供的一種免耕開溝器結(jié)構(gòu)優(yōu)化與作業(yè)效果預(yù)測方法，包括 W下步驟：
[0038] 1)決策變量和指標(biāo)的選擇：根據(jù)成熟地區(qū)和待免耕播種地區(qū)開溝器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 和開溝效果的要求，選擇多目標(biāo)優(yōu)化模型的決策變量和指標(biāo)；所述決策變量包括開溝器結(jié) 構(gòu)參數(shù)、±壤數(shù)據(jù)、作業(yè)條件數(shù)據(jù)，所述指標(biāo)包括作業(yè)效果、作業(yè)能耗、工作阻力。
[0039] 在本實(shí)施例中，決策變量個數(shù)n= 7,7個決策變量分別為：開溝器入±角、開溝器 刃口厚度、±壤含水量、±壤容重、±壤緊實(shí)度、作業(yè)速度及作業(yè)深度；指標(biāo)個數(shù)m= 5, 5個 指標(biāo)分別為：±壤容重、±壤擾動量、表層賴桿擾動量、作業(yè)能耗及工作阻力。僅W此為例， 但不限于此。
[0040] 2)數(shù)據(jù)采集：按照步驟1)中確定的決策變量和指標(biāo)，收集成熟地區(qū)的各決策變量 和指標(biāo)的數(shù)據(jù)；所述成熟地區(qū)的±壤數(shù)據(jù)來源于實(shí)驗(yàn)結(jié)果，由W下方法測得±壤數(shù)據(jù)：環(huán) 刀法測量±壤容重，恒溫烘箱烘干法測量±壤含水量，±壤緊實(shí)度儀測量±壤緊實(shí)度；開溝 器結(jié)構(gòu)參數(shù)和作業(yè)條件數(shù)據(jù)及其它重要數(shù)據(jù)采用調(diào)查法獲得；作業(yè)效果中的±壤擾動量通 過測量作業(yè)后的溝型尺寸得到，表層賴桿擾動量通過"計(jì)棒法"測量作業(yè)前后表層賴桿覆蓋 率得到；作業(yè)能耗和工作阻力通過農(nóng)機(jī)綜合測試儀測得。僅W此為例，但不限于此。
[0041] 3)構(gòu)建開溝器結(jié)構(gòu)優(yōu)化及開