[發(fā)明專利]基于粒子群算法的循環(huán)農(nóng)業(yè)多目標種養(yǎng)規(guī)模分配優(yōu)化方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202011340579.8
• 申請日: 2020-11-25
• 公開（公告）號: CN112464560B
• 公開（公告）日: 2022-11-22
• 發(fā)明（設計）人: 郭宏亮;韓思宇;陳霄;于合龍;姜海龍;車東升;孔邵穎;李慕霜;鄭方林;李清欣;張?zhí)忑?/a>
• 申請（專利權(quán)）人: 吉林農(nóng)業(yè)大學
• 主分類號: G06F30/27
• 分類號: G06F30/27;G06Q10/04;G06Q50/02;G06F111/04;G06F111/06
• 代理公司: 長春眾邦菁華知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 22214
• 代理人: 朱紅玲

1.基于粒子群算法的循環(huán)農(nóng)業(yè)多目標種養(yǎng)規(guī)模分配優(yōu)化方法，其特征是：該方法由以下步驟實現(xiàn)：

步驟一、根據(jù)農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)田環(huán)境構(gòu)建循環(huán)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)理想模型，所述理想模型包括生豬養(yǎng)殖系統(tǒng)、玉米種植系統(tǒng)、堆肥系統(tǒng)和農(nóng)田土壤系統(tǒng)；

步驟二、選取循環(huán)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)理想模型的耦合度評價參數(shù)，所述評價參數(shù)包括經(jīng)濟效益數(shù)據(jù)和氮平衡數(shù)據(jù)；

步驟三、根據(jù)步驟一構(gòu)建的循環(huán)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)理想模型和步驟二選取的評價參數(shù)，建立農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料與經(jīng)濟效益數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)；

所述生豬養(yǎng)殖系統(tǒng)關(guān)聯(lián)經(jīng)濟效益數(shù)據(jù)包括生豬支出f(X_{養(yǎng)殖規(guī)模})和生豬收益g(X_{養(yǎng)殖規(guī)模})；

生豬支出f(X_{養(yǎng)殖規(guī)模})用下式表示為：

f(X_{養(yǎng)殖規(guī)模})＝＝(a_豬仔+a_物資+a_人工成本+a_谷粒飼料)·X_{養(yǎng)殖規(guī)模}+f(X_外購飼料)

式中，a_豬仔、a_物資、a_人工成本、a_谷粒飼料分別為每頭豬投入的豬仔、消耗物資、人工成本以及玉米加工飼料，f(X_外購飼料)為生豬外購飼料支出，X_{養(yǎng)殖規(guī)模}為生豬養(yǎng)殖系統(tǒng)的規(guī)模；

生豬收入為g(X_{養(yǎng)殖規(guī)模})源自商品豬出售獲得商品豬總收益A_收益，采用下式表示為：

g(X_{養(yǎng)殖規(guī)模})＝A_收益＝a_收益·X_{養(yǎng)殖規(guī)模}

式中，a_收益為平均每頭商品豬的收益；

所述玉米種植系統(tǒng)關(guān)聯(lián)經(jīng)濟效益數(shù)據(jù)包括玉米支出f(X_{種植規(guī)模})和玉米收益g(X_{種植規(guī)模})；玉米支出f(X_{種植規(guī)模})用下式表示為：

f(X_{種植規(guī)模})＝(b_種子+b_{農(nóng)藥}+b_其他費用+b_人工)·X_{種植規(guī)模}

式中，b_種子、b_{農(nóng)藥}、b_其他費用、b_人工分別為單位面積種植玉米的種子、農(nóng)藥、玉米種植生產(chǎn)的開銷以及人工，X_{種植規(guī)模}為玉米種植系統(tǒng)的規(guī)模；

玉米收入g(X_{種植規(guī)模})為產(chǎn)出的谷粒秸稈和根系完全投入循環(huán)，無直接經(jīng)濟收入，即g(X_{種植規(guī)模})＝0；

步驟四、根據(jù)步驟一構(gòu)建的理想模型和步驟二選取的評價參數(shù)，建立農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料與氮平衡數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)；

設定堆肥系統(tǒng)中氮肥完全供給玉米種植系統(tǒng)氮肥的平衡，即：

[(n_糞+n_尿)·X_{養(yǎng)殖規(guī)模}+n_秸稈X_{種植規(guī)模}]～(n_谷粒+n_秸稈)·X_{種植規(guī)模}

式中，n_糞、n_尿為每頭豬生命周期內(nèi)產(chǎn)出糞尿中含氮量；n_谷粒、n_秸稈為單位面積谷粒和秸稈內(nèi)含氮量；

生豬養(yǎng)殖系統(tǒng)的氮平衡：

(n_商品豬+n_糞+n_尿)·X_{養(yǎng)殖規(guī)模}～(n_谷粒飼料·X_{種植規(guī)模}+n_飼料·X_外購飼料)+n_豬仔·X_{養(yǎng)殖規(guī)模}

其中，n_商品豬每頭商品豬體內(nèi)所含氮量，n_谷粒飼料為由玉米谷粒轉(zhuǎn)化的谷粒飼料中氮的單位含量、n_飼料單位質(zhì)量商用飼料所含氮量，n_豬仔每頭豬仔體內(nèi)所含氮量，玉米轉(zhuǎn)化為玉米飼料氮養(yǎng)分無損失，則n_谷粒＝n_谷粒飼料；X_外購飼料為外購商用飼料規(guī)模；

步驟五、收集與所述循環(huán)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)理想模型相關(guān)的氮平衡數(shù)據(jù)與經(jīng)濟效益數(shù)據(jù)；

步驟六、根據(jù)步驟三建立的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料與經(jīng)濟效益數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)以及步驟五收集的經(jīng)濟效益數(shù)據(jù)，構(gòu)建經(jīng)濟效益目標函數(shù)；

步驟七、根據(jù)步驟四建立的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料與氮平衡數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)和步驟五收集的氮平衡數(shù)據(jù)，構(gòu)建氮平衡約束條件；

所述玉米種植系統(tǒng)平衡公式為：

{[(n_糞+n_尿)·X_{養(yǎng)植規(guī)模}·L_堆肥損失]+n_秸稈X_{種植規(guī)模}}·L_{水土流失氮}·S_{玉米氮吸收率}＝(n_谷粒+n_秸稈)·X_{養(yǎng)殖規(guī)模}

L_堆肥損失為堆肥損失氮，L_{水土流失氮}為水土流失氮損失，S_{玉米氮吸收率}為玉米吸收氮效率，

生豬養(yǎng)殖系統(tǒng)平衡公式為：

(n_商品豬+n_糞+n_尿-n_豬仔)·X_{養(yǎng)殖規(guī)模}＝

(n_谷粒飼料·X_{種植規(guī)模}+n_飼料·X_外購飼料)S_{生豬養(yǎng)殖氮}

式中，S_{生豬養(yǎng)殖氮}為生豬氮有效吸收量；

步驟八、根據(jù)步驟六構(gòu)建經(jīng)濟效益目標函數(shù)和步驟七構(gòu)建氮平衡約束條件，利用粒子群優(yōu)化算法，計算每個粒子的適應度值，更新每個粒子的個體最優(yōu)位置和全局最優(yōu)位置，以及更新粒子速度和位置，判斷是否達到最優(yōu)條件，實現(xiàn)豬生產(chǎn)規(guī)模與玉米種植規(guī)模的分配優(yōu)化；具體過程為：

初始化種群；

位置初始化：P＝Initialize(X_Di)

速度初始化：V＝Initialize(V_1i,V_2i,V_3i)

式中，D＝3，所述生豬養(yǎng)殖系統(tǒng)的規(guī)模為X_{養(yǎng)殖規(guī)模}＝X_1i，玉米種植系統(tǒng)的規(guī)模為X_{種植規(guī)模}＝X_2i、外購商用飼料為X_外購飼料＝X_3i；V_1i,V_2i,V_3i,分別對應粒子速度X_1i,X_2i,X_3i,的初始速度；

將目標函數(shù)與約束條件轉(zhuǎn)化為適應度函數(shù)：

S_fitness＝maxF(X_1i,X_2i,X_3i)

計算粒子的適應度值，根據(jù)適應度函數(shù)確定種群內(nèi)每個粒子的自適應度值，更新個體極值pbest_i、全局極值gbest、慣性權(quán)重ω和加速常數(shù)c₁、c₂，并記錄粒子i的個體極值位置Pbest_i＝(p_i1,p_i2,…p_iD)、種群的全局極值位置Gbest＝(g₁,g₂,…g_D)；

迭代循環(huán)，設置最大迭代次數(shù)2000，通過下式更新粒子速度與位置速度變換公式：

v_iD(t+1)＝

ω*v_iD(t)+c₁*rand*(pbest_iD-x_iD(t))+c₂*rand*(gbest_iD-x_iD(t))

位置變換公式：x_iD(t+1)＝x_iD(t)+v_iD(t)

式中，v_i為第i個粒子在t+1次迭代中第D維上的速度，rand是在0到1的隨機數(shù)；迭代結(jié)束獲得最優(yōu)的結(jié)果為：種群的全局極值P_best和全局極值位置G_best最優(yōu)。