一种基于数字孪生的共享农机实时调度方法与流程

[0001]
本发明涉及农机共享技术领域，尤其涉及一种基于数字孪生的共享农机实时调度方法。


背景技术：

[0002]
共享农机是共享经济在农业领域中的应用，在这种模式下，农机用户不需要付出高昂的购买成本即可获得农机设备的使用权，农机主能通过让渡农机设备的使用权获得收益，在减少投入的情况下，实现农机资源的最大化利用。但是，目前由于尚未形成完善的共享农机调度决策系统，农机调度的不合理、不及时进而造成
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田等机”或
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机等田”的尴尬局面，使得共享农机在应用过程中发挥的作用大打折扣。因此，准确匹配农机用户需求并安排合理的调度方案对于发挥共享农机调度的效率和优势作用重大。
[0003]
数字孪生技术是近些年兴起的一种新型信息技术，它是集虚拟世界的对象、模型和数据于一体的仿真模型，且虚拟模型与物理世界中的物理实体完全一致，是物理世界中物理实体的映射。中国专利号cn111292014a公开一种基于联盟链的智能农机调度系统及其调度方法，它可以提高智能农机的调度效率以及农机利用率；中国专利号cn106779372b公开一种基于改进免疫禁忌算法的农机调度方法，通过将改进的免疫禁忌算法应用到农机调度中，适应各种农业生产实际，增强农业机械的生产服务效率，上述专利均未实现共享农机的实时动态调度。


技术实现要素：

[0004]
本发明所解决的技术问题在于提供一种基于数字孪生的共享农机实时调度方法，以解决上述背景技术中的问题。
[0005]
本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现：一种基于数字孪生的共享农机实时调度方法，具体步骤如下：步骤1）共享农机调度决策系统实时通过智能终端获取农机用户需求，并将农机用户需求存储至孪生数据库中；所述获取农机用户需求，包括以下步骤：农机用户通过电脑、手机、平板及笔记本等智能终端在共享农机调度决策系统里填写需求登记表，包括农机用户基本信息、农机工作环境、具体农事活动及其他额外需求四个大类，用户基本信息包括用户姓名、家庭住址及联系方式；农机工作环境包括农田位置、周边路况、几何特征、土壤情况、历史天气状况及农作物生长情况等；具体农事活动包括播种、灌溉、施肥、灭虫、除草及收割等；其他额外需求包括农事活动时间、是否需要农机手及能接受的价格区间等，农机用户确认无误后，通过可视化人机交互界面提交需求登记表，存储至孪生数据库中；步骤2）基于数字孪生数据，共享农机调度决策系统利用数据处理技术进行农机需求可行性分析；
所述需求可行性分析，包括以下步骤：在孪生数据库中调取农机用户需求登记表，进行需求可行性分析，基于需求登记表中的农事活动内容、农田地理位置及农机作业时间段等开展需求匹配；步骤2-1）基于gis农田环境历史数据，分析农田的情况和农田实时环境数据，判断农机用户需求里的农事活动能否顺利进行，若不能，实时通过智能终端反馈至农机用户，做相应的调整，若能，则进入下一步；步骤2-2）依据农机用户是否需要农机手，若需要，则在孪生数据库中检索符合要求的农机手信息和符合农事活动的农机类型，若不需要，则直接进行农机类型的匹配；农机手与农机均未匹配成功或两者其一未匹配上，通过智能终端实时反馈至农机用户，农机用户进行需求更改后，重新提交需求登记表进入共享农机调度决策系统中匹配，若匹配成功，则进入下一步；步骤2-3）根据农机用户提供的农田地理位置、地图及农机用户拍摄的农田现场照片，判断农机是否能到达作业点，若不能，将具体问题通过智能终端实时反馈至农机用户，做相应的调整，若达成共识，则需求可行，生成农机用户需求清单；步骤3）根据农机用户的需求、农田环境及农机、农机手实时状态等信息生成农机用户需求配置方案以供用户选择；步骤4）在虚拟世界中，数字化定义农机用户最满意的需求配置方案中的物理实体，以构建高保真的数字孪生体；步骤5）在共享农机调度决策系统中，依据作业地点、农机及农机手实时位置进行路径规划，进而生成农机调度方案；步骤6）利用数字孪生技术，在步骤5）生成的农机调度方案执行前对其进行多维评估，以保证农机调度方案中的性能指标满足预定义要求；步骤7）待步骤6）评估结束后，向物理世界发送农机调度方案，指导物理世界中的实体运行，并将实时运行数据反馈至共享农机调度决策系统与虚拟世界，以对调度过程进行实时监控与优化。
[0006]
在本发明中，步骤3）中，所述农机用户需求配置方案生成，包括以下步骤：步骤3-1）对农机设备、农机手进行分析、评估和预测，并依据实时农田环境和具体农事活动，自动匹配得到农机设备选型及数量、农机手人数等关键调度要素；步骤3-2）依据每个农机设备和农机手的每小时使用费用及闲置损耗费用、产生的物流运输费用等，计算出每套农机需求配置方案的预估价格；步骤3-3）根据具体农事活动、农田环境信息、农机设备和农机手的工作效率，得到预计完成农事活动所需时间；步骤3-4）将满足农机用户需求的所有需求配置方案（包括具体配置内容、工作流程、预估价格及预计完成农事活动时间）通过智能终端反馈至农机用户，同时提供增值服务，供其选择；若农机用户没有选中的需求配置方案，则根据农机用户的新需求进行需求配置方案整改优化，生成新的需求配置方案推荐给农机用户；若农机用户有选中的需求配置方案，则农机用户支付定金并进行订单确认，进入下一步流程。
[0007]
在本发明中，步骤4）中，所述数字孪生体构建，包括以下步骤：
构建数字孪生体的重点在于虚拟世界中的高保真虚拟模型，通过数字化定义农机用户最满意的农机需求配置方案里的物理实体（包括农机手、农机、农田、物流设备及配套资源等），以真实完整地再现物理世界的几何形状、物理属性、行为和规则；在虚拟世界中，首先利用cad三维建模软件，基于尺寸、形状、装配关系等几何参数对农机手、农机、农田、物流设备及配套资源等物理实体进行几何建模，并反映物理实体的几何特征，以得到可视化的人员模型、农机模型、农田模型、物理设备模型及配套资源模型等几何模型，再将物理实体的属性信息输入至几何模型中；同时根据农机手、农机及物流设备等物理实体实际的应力、疲劳、变形等物理属性，建立相应的物理模型，包括动力学模型、有限元模型、应力分析模型等，而后在cae仿真软件中进行模拟仿真；基于几何模型和物理模型，建立响应外界驱动和干扰的行为模型，农机手、农机及物流设备等物理实体均具备各自的行为特征及相应的行为能力，通过建立行为模型在虚拟空间中模拟物理实体的行为；在几何、物理和行为多个层面模型上，对所有物理实体在物理世界里反映的运行规律及规则进行刻画，构建规则模型，并将其一一映射至相应的虚拟模型上，使虚拟模型具备评估、优化、预测等功能；最后，依据各个物理实体之间的关联关系，实现对不同虚拟模型的有机融合，得到与物理世界中的物理实体完全对应一致的数字孪生体，实时模拟物理实体在现实环境中的行为和性能。
[0008]
在本发明中，步骤5）中，所述农机调度方案生成，包括以下步骤：步骤5-1）对共享农机调度问题进行描述；步骤5-2）建立以整体调度成本最低为优化目标的调度模型；步骤5-3）基于作业地点、农机及农机手实时位置及在满足各约束条件的前提下，使用数学算法求解调度模型，从而得到最佳的路径规划；步骤5-4）结合农机用户需求配置方案，最终生成农机调度方案。
[0009]
在本发明中，步骤6）中，所述评估农机调度方案，包括以下步骤：利用数字孪生技术，在农机调度方案执行前对其进行多维评估，以保证农机调度方案的性能指标（农机作业拖期、农机利用率、农机能耗（工作能耗、空闲能耗、待机能耗）），满足预定义要求。
[0010]
在本发明中，步骤7）中，所述调度过程中进行实时监控与优化，包括以下步骤：步骤7-1）将调度过程中监控数据和农机、农机手作业实时运行数据及定位信息反馈至共享农机调度决策系统；步骤7-2）数字孪生体在虚拟仿真后得到的调度仿真数据反馈至共享农机调度决策系统；步骤7-3）共享农机调度决策系统将物理数据和虚拟数据进行数据分析融合处理；步骤7-4）虚拟世界根据物理世界的实时数据对自身进行调整，并对调度过程进行评估、优化及预测等，反复迭代优化；步骤7-5）共享农机调度决策系统将实时调度决策传递至物理世界和虚拟世界。
[0011]
有益效果：本发明通过智能终端实时获取农机和农机手的状态及位置信息，基于数字孪生将农机用户需求实时反馈至虚拟世界中，以实现虚拟世界与物理世界的同步运行与农机调度方案的实时优化，且在共享农机调度过程中数字孪生技术提供智能化的调度支
持，并根据农机用户的需求和实时调度数据对农机、农机手、物理设备及配套资源等实行动态调度，以弥补传统调度的不足，使得整个共享农机调度过程实现动态最优控制，进而提高用户满意度。
附图说明
[0012]
图1为本发明实施例中的共享农机实时调度总体模型示意图。
[0013]
图2为本发明实施例中的农机用户需求模型示意图。
[0014]
图3为本发明实施例中的农机需求可行性分析流程示意图。
具体实施方式
[0015]
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白清晰，下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。
[0016]
参见图1～3所示一种基于数字孪生的共享农机实时调度方法，具体步骤如下：步骤1）共享农机调度决策系统实时通过智能终端获取农机用户需求，并将农机用户需求存储至孪生数据库中；所述获取农机用户需求，包括以下步骤：农机用户通过电脑、手机、平板及笔记本等智能终端在共享农机调度决策系统里填写需求登记表，包括农机用户基本信息、农机工作环境、具体农事活动及其他额外需求四个大类，用户基本信息包括用户姓名、家庭住址及联系方式；农机工作环境包括农田位置、周边路况、几何特征、土壤情况、历史天气状况及农作物生长情况等；具体农事活动包括播种、灌溉、施肥、灭虫、除草及收割等；其他额外需求包括农事活动时间、是否需要农机手及能接受的价格区间等，农机用户确认无误后，通过可视化人机交互界面提交需求登记表，存储至孪生数据库中；步骤2）基于数字孪生数据，共享农机调度决策系统利用数据处理技术进行农机需求可行性分析；所述需求可行性分析，包括以下步骤：在孪生数据库中调取农机用户需求登记表，进行需求可行性分析，基于需求登记表中的农事活动内容、农田地理位置及农机作业时间段等开展需求匹配；步骤2-1）基于gis农田环境历史数据，分析农田的情况和农田实时环境数据，判断农机用户需求里的农事活动能否顺利进行，若不能，实时通过智能终端反馈至农机用户，做相应的调整，若能，则进入下一步；步骤2-2）依据农机用户是否需要农机手，若需要，则在孪生数据库中检索符合要求的农机手信息和符合农事活动的农机类型，若不需要，则直接进行农机类型的匹配；农机手与农机均未匹配成功或两者其一未匹配上，通过智能终端实时反馈至农机用户，农机用户进行需求更改后，重新提交需求登记表进入共享农机调度决策系统中匹配，若匹配成功，则进入下一步；步骤2-3）根据农机用户提供的农田地理位置、地图及农机用户拍摄的农田现场照片，判断农机是否能到达作业点，若不能，将具体问题通过智能终端实时反馈至农机用户，做相应的调整，若达成共识，则需求可行，生成农机用户需求清单；
步骤3）根据农机用户的需求、农田环境及农机、农机手实时状态等信息生成农机用户需求配置方案以供用户选择；在孪生数据和农机用户需求清单的驱动下，生成农机用户需求配置方案，包括以下步骤：步骤3-1）对农机设备、农机手进行分析、评估和预测，并依据实时农田环境和具体农事活动，自动匹配得到农机设备选型及数量、农机手人数等关键调度要素；步骤3-2）依据每个农机设备和农机手的每小时使用费用及闲置损耗费用、产生的物流运输费用等，计算出每套农机需求配置方案的预估价格；步骤3-3）根据具体农事活动、农田环境信息、农机设备和农机手的工作效率，得到预计完成农事活动所需时间；步骤3-4）将满足农机用户需求的所有需求配置方案（包括具体配置内容、工作流程、预估价格及预计完成农事活动时间）通过智能终端反馈至农机用户，同时提供增值服务，供其选择；若农机用户没有选中的需求配置方案，则根据农机用户的新需求进行需求配置方案整改优化，生成新的需求配置方案推荐给农机用户；若农机用户有选中的需求配置方案，则农机用户支付定金并进行订单确认，进入下一步流程；步骤4）在虚拟世界中，数字化定义农机用户最满意的需求配置方案中的物理实体，以构建高保真的数字孪生体；构建数字孪生体，包括以下步骤：构建数字孪生体的重点在于虚拟世界中的高保真虚拟模型，通过数字化定义农机用户最满意的农机需求配置方案里的物理实体（包括农机手、农机、农田、物流设备及配套资源等），以真实完整地再现物理世界的几何形状、物理属性、行为和规则；在虚拟世界中，首先利用cad三维建模软件，基于尺寸、形状、装配关系等几何参数对农机手、农机、农田、物流设备及配套资源等物理实体进行几何建模，并反映物理实体的几何特征，以得到可视化的人员模型、农机模型、农田模型、物理设备模型及配套资源模型等几何模型，再将物理实体的属性信息输入至几何模型中；同时根据农机手、农机及物流设备等物理实体实际的应力、疲劳、变形等物理属性，建立相应的物理模型，包括动力学模型、有限元模型、应力分析模型等，而后在cae仿真软件中进行模拟仿真；基于几何模型和物理模型，建立响应外界驱动和干扰的行为模型，农机手、农机及物流设备等物理实体均具备各自的行为特征及相应的行为能力，通过建立行为模型在虚拟空间中模拟物理实体的行为；在几何、物理和行为多个层面模型上，对所有物理实体在物理世界里反映的运行规律及规则进行刻画，构建规则模型，并将其一一映射至相应的虚拟模型上，使虚拟模型具备评估、优化、预测等功能；最后，依据各个物理实体之间的关联关系，实现对不同虚拟模型的有机融合，得到与物理世界中的物理实体完全对应一致的数字孪生体，实时模拟物理实体在现实环境中的行为和性能；步骤5）在共享农机调度决策系统中，依据作业地点、农机及农机手实时位置进行路径规划，进而生成农机调度方案；所述农机调度方案，包括以下步骤：
步骤5-1）对共享农机调度问题进行描述；步骤5-2）建立以整体调度成本最低为优化目标的调度模型；步骤5-3）基于作业地点、农机及农机手实时位置及在满足各约束条件的前提下，使用数学算法求解调度模型，从而得到最佳的路径规划；步骤5-4）结合农机用户需求配置方案，最终生成农机调度方案；步骤6）利用数字孪生技术，在步骤5）生成的农机调度方案执行前对其进行多维评估，以保证农机调度方案中的性能指标满足预定义要求；所述评估农机调度方案，包括以下步骤：利用数字孪生技术，在农机调度方案执行前对其进行多维评估，以保证农机调度方案的性能指标（农机作业拖期、农机利用率、农机能耗（工作能耗、空闲能耗、待机能耗）），满足预定义要求；步骤7）待步骤6）评估结束后，向物理世界发送农机调度方案，指导物理世界中的实体运行，并将实时运行数据反馈至共享农机调度决策系统与虚拟世界，以对调度过程进行实时监控与优化；所述对调度过程进行实时监控与优化，包括以下步骤：步骤7-1）将调度过程中监控数据和农机、农机手作业实时运行数据及定位信息反馈至共享农机调度决策系统；步骤7-2）数字孪生体在虚拟仿真后得到的调度仿真数据反馈至共享农机调度决策系统；步骤7-3）共享农机调度决策系统将物理数据和虚拟数据进行数据分析融合处理；步骤7-4）虚拟世界根据物理世界的实时数据对自身进行调整，并对调度过程进行评估、优化及预测等，反复迭代优化；步骤7-5）共享农机调度决策系统将实时调度决策传递至物理世界和虚拟世界。