基于农业物联网和大数据分析的种植计划优化系统和方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及信息化农业种植领域，特别是涉及一种基于农业物联网和大数据分析的种植计划优化系统和方法。
【背景技术】
[0002]农业是中国现代国民经济的最重要的支柱产业之一。中国农业正在摆脱传统的小农经济模式，向集约化、精细化和智能化方向转化。这一革命性的转变将需要新型的信息技术的支持，尤其是基于大数据的决策优化系统的支持。
[0003]农业作为中国的第一产业，面临着农产品需求多样性不断增加，产品生命周期不断减短、土地生态环境恶化、气候变化过频过大、资源配置不合理、生物多样性不断下降、产品无法和发达国家农业生产竞争等严峻挑战。我国是农业大国，但又是耕地严重不足的国家，目前我国人均耕地严重不足，人均耕地面积排名世界第126位，仅占有世界人均耕地面积的40%。全面提升中国农业竞争力，事关国家安全战略。唯有实现以大数据为支撑的农业管理信息化和科学化，才能实现农业现代化和信息化的大融合。然而我国幅员辽阔，农业自然条件复杂，农业机械化综合水平较低，在农业生产领域，计算机、信息和电子化等的应用还较少，因此全面推广农业信息化尚有一定的困难，目前农业信息化推广应用率还极低。中国作为一个传统农业大国，传统农业生产普通存在科技含量低和劳动生产率低下等特点，近年来随着可用耕地的逐步减少、劳动力成本逐步提高，靠物化投入已经难以实现农业增收。同时，传统农业生产模式下的农业组织往往是单一的、分散的，农民从种养到产出销售，没有完全形成产业链真正意义上的价值产品，农业生产力量分散，无法面对大市场信息，严重缺乏获取市场信息的能力，农业信息瓶颈已经成为农村经济发展的严重障碍。
[0004]因此，通过信息化技术，通过农业大数据采集达到加速智慧农业的实施，坚持以农业信息化推动农业现代化，提升现代农业科技创新能力，加快传统农业产业升级，以信息技术推动农业产业化，以农业信息技术延伸和拓展政府服务为手段，转变基层政府职能，提高基层政府监管和服务水平，将粗放的生产方式改变为农业科技升级，让农业生产更精准、更科学、更便捷，从而实现集约化生产、产业化经营、社会化服务、市场化运作的现代农业模式。
[0005]在当今方兴未艾的大数据时代，企业的决策必须基于多元化数据的进行有效分析，并从中找出最优方案。企业用以分析的数据越全面，分析的结果就越接近于真实。大数据分析意味着企业能够从这些新的数据中获取新的洞察力，并将其与已知业务的各个细节相融合，使企业的重要决策建立在定量数据分析的基础上。农业大数据作为农业信息化的前沿技术，是新一代信息技术的集中反映，是最具潜力的新兴科技产业领域之一。大数据时代的农业信息化的最新趋势在于在对于各类相关数据分析的基础上运用数学优化理论针对农业生产经营计划进行优化，以期得到最大利润或最小成本。
【发明内容】
[0006]本发明主要解决的技术问题是提供一种基于农业物联网和大数据分析的种植计划优化系统和方法，能够解决传统农业种植存在的问题，并通过合理安排种植计划，达到最大利润或最小成本的优化目标。
[0007]为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是:提供一种基于农业物联网和大数据分析的种植计划优化系统，包括:
数据获取和处理模块:用于获取和处理各类相关数据；
数据库，用于存储由所述数据获取和处理模块得到的各类相关数据；
统计处理模块，用于处理所述各类相关数据，并预测计划期内的数据趋势；
农作物种植计划优化模型和相应的优化引擎；
中央处理器；
计算机决策辅助系统，包括帮助决策者编制可执行的农作物种植计划的用户界面和功能模块，以及和农作物生产管理系统的数据交互和接口模块。
[0008]在本发明一个较佳实施例中，所述各类相关数据包括:土地生产参数、大气象数据、农业生产模型知识、农产品价格数据和农产品生产要素成本数据。
[0009]在本发明一个较佳实施例中，所述数据获取和处理模块包括:获取和处理各类土地生产参数的数据读取、储存和处理模块；获取和处理各类气象气候水文资料的数据读取、储存和处理模块；获取和处理农业生产模型知识的数据读取、储存和处理模块；获取和处理农产品历史销售价格的数据读取、储存和处理模块；获取和处理农产品生产要素成本的数据读取、储存和处理模块。
[0010]在本发明一个较佳实施例中，所述数据库包括:土地生态数据库、气象数据库、农作物生态数据库、农产品价格数据库和生产成本数据库。
[0011]在本发明一个较佳实施例中，所述统计处理模块包括数据清理和异常数据处理模块、统计模型拟合模块、时间序列数据预测模块、非时间序列数据预测模块和数据模拟产生器。
[0012]在本发明一个较佳实施例中，还包括一个或多个输入设备、一个或多个输出设备、以及一个或多个通信连接。
[0013]在本发明一个较佳实施例中，所述输入设备包括数字化仪屏幕、触针、轨迹球、键盘，小型键盘、鼠标；所述输出设备包括个人电脑的显示装置、移动设备；所述通信连接包括局域网、广域网和/或其他网络。
[0014]为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是:提供一种基于农业物联网和大数据分析的种植计划优化方法，包括如下步骤:
(1)收集各类相关数据；
(2)利用数据处理模块处理所述各类相关数据并储存于相应的数据库中；
(3)建立基于步骤(2)中数据的种植计划数学优化模型；
(4)建立优化引擎，利用包括最优算法和近似算法在内的计算机算法获取上述数学优化模型的优化解；
(5)通过计算机决策辅助系统编制可执行的农作物种植计划方案，并输入农业生产管理系统以供执行。
[0015]在本发明一个较佳实施例中，所述步骤(3 )中，所述数学优化模型包括优化目标函数和约束条件；其中，所述目标优化函数包括:整个生产过程的收入最大化；整个生产过程的利润最大化；整个生产过程的成本最小化；整个生产流通过程(包括供应链)的收入最大化；整个生产流通过程(包括供应链)的利润最大化；整个生产流通过程(包括供应链)的成本最小化；农产品在规避风险条件下的预期收益最大化；农产品的种植多样性最大化；农产品生产对环境的危害最小化；所述约束条件包括:影响决策的各种制约因素，包括劳动力限制条件、土地限制和投入资金限制；农作物自身的规律性约束，包括补种、轮种、生产周期的约束；农业机械的数量和功能的约束；供应链的容量限制，包括运输能力限制、和仓储容量的限制；施肥和灌溉计划的限制；农药、化肥、硝酸盐和其他化学品对环境的影响的约束限制；生产风险的约束；流通风险的约束；市场风险的约束。
[0016]本发明的有益效果是:本发明一种基于农业物联网和大数据分析的种植计划优化系统和方法，以物联网为基础，以信息化技术为支撑，构建统一业务信息管理平台，实现对于科研、生产、物流、销售等各个农业生产环节的信息化管理，实现农产品种植生产合理计划、高效生产、科学预测、精准销售和数据决策。具体如下优点:
(1)通过物联网采集的农业大数据结合农产品种植的生态模型帮助决策者进行精细化种植计划的最优决策；
(2)把农业生产成本和市场销售的因素在种植计划中体现出来，可以实现经济效益的最优化；
(3)在技术方案中融入环境影响因素来分析农产品产出和环境影响的关系，以促进农业生产的可持续发展；
(4)在一定约束条件下考虑农植物的多样性，实现生态环境合理化；
(5)将定量地评估各种农产品生产计划的预期收益和风险，从而做出在风险控制情况下的最优生产组合。
【附图说明】
[0017]图1是本发明一种基于农业物联网和大数据分析的种植计划优化系统和方法的整体架构示意图；
图2是所述土地生产参数获取及处理流程示意图；
图3是所述大气象数据获取及处理流程示意图；
图4是所述农业生产模型知识获取及处理流程示意图；
图5是所述农产品价格获取及处理流程示意图；
图6是所述农产品成本获取及处理流程示意图；
图7是所述统计处理模块框架图；
图8是所述优化模型体统流程示意图；
图9是所述优化引擎系统流程图；
图10是所述优化模型/优化引擎的计算机环境系统架构图及其与生产管理系统结构示意图。
【具体实施方式】
[0018]下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
[0019]请参阅图1