基于遗传算法的涪城区杨关产业带作物种植结构研究

张峻岭

摘 要：为了节约农业水资源，提高水资源的利用效率，农作物种植结构调整成为解决水资源问题关键措施。产业带经济效益最大以及保证粮食安全是其发展的目标。本文建立的多目标规划数学模型，通过matlab遗传算法编程，求得最佳的农作物种植方案。结合现状区实际种植结构以及规划，最终得到杨关产业带最优的作物种植结构，为科学指导生产实践提供了理论依据。

关键词：种植结构 多目标规划 遗传算法.

中图分类号：S5-3 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）03（a）-0000-00

Abstract： Because of Yang and Guan Industry Area present situation of water resources shortage， crop planting structure adjustment is to solve water resources problem key measures.The development target is max economic benefit and guarantee food security of Industry area. This paper establishes the multiple objective programming model to get the best planting scheme， through matlab genetic algorithm programming. combining with the current actual planting structure and planning， ultimately we get the Yang and Guan Industry Area optimum planting structure in order to scientific guide for the production practice to provide a theoretical basis.

Keywords： planting structure adjustment， multi-objective programming， genetic algorithm.

作物种植结构调整，就是按照自然规律和经济规律，科学合理配置生产要素，调整生产力在不同区域、不同作物和不同品种之间的布局，使之与国民经济结构调整和发展相适应。但是，面对粮食种植业效益低以及受世界粮食市场冲击等影响，进一步加快种植业结构调整，提高效益势在必行。如何使作物种植结构更加合理，进一步增加农民收入，使农业和农村经济科学发展，一直是各级政府探索的课题。

杨关产业带[1]位于绵阳科技城核心区、四川省县级经济综合实力“十强县”——涪城区西南部，距离绵阳城区15km，均处于绵阳城市二环路与绕城高速之间，现有绵（阳）中（江）公路、涪城环线路穿越其境，产业带起点与在建的绕城高速杨家出口相连，道路网络形成，交通非常便捷。产业带沿区域内阴山河流域布局，重点涉及涪城区杨家、关帝两个乡镇11个行政村，幅员面积为28km2，其中耕地面積20124亩，林地12720亩。产业带现有主要粮食作物是水稻、小麦、玉米和油菜，主要经济作物是蔬菜、水果等。现状产业带属人民渠产业带玉杨丰干渠系，为了节约水资源，提高水资源的利用效率，探讨产业带的农作物种植结构的研究。

1 数学模型

在农作物种植结构研究过程中，大多数是多目标优化问题，有时需要使用多个目标在给定区域上都可能地达到最优的问题，目标之间一般都是互相冲突的，这种多于一个的数值目标的最优化问题就是多目标问题。解决含多目标和多约束的优化问题称为多目标优化问题[2]。多目标优化问题一般的数学模型可描述为：

式中，V-min表示向量极小化，即向量目标函数法 中的各个子目标函数都尽可能地达到极小化。

以产业带的最大毛经济效益以及粮食产量最大为目标函数，产业带可供水量以及产业带总面积作为约束条件，建立作物种植结构的多目标规划模型[3].

2 计算方法

本模型的求解采用matlab遗传算法[4]。遗传算法（Genetic Algorithm）是模拟达尔文生物进化论的自然选择和遗传学机理的生物进化过程的计算模型，是一种通过模拟自然进化过程搜索最优解的方法。

遗传算法起源于对生物系统所进行的计算机模拟研究。美国Michigan大学的holland教授及其学生受到生物模拟技术的启发，创造了一种基于生物遗传和进化机制的适合于复杂系统优化的自适应概率优化技术——遗传算法。Holland教授用遗传算法的思想对自然和人工自适应进行了研究，提出了遗传算法的基本定理、模式定理，20世纪80年代，Holland教授实现了第一个基于遗传算法的机器学习系统，开创了遗传算法的机器学习的新概念。

matlab7.0 released4包含一个专门设计的遗传算法与直接搜索工具箱（GADS）[5]。使用遗传算法与直接搜索工具箱，可以扩展matlab及其优化工具箱在处理优化问题方面的能力，GADS工具箱是一系列函数的集合，它们扩展了优化工具和matlab数值计算环境的性能。遗传算法与直接搜索。遗传算法与直接搜索工具箱包含了要使用遗传算法和直接搜索算法来求解优化问题的一些例程。这些算法使能够求解那些标准优化工具箱范围之外的各种优化问题。

多目标优化中最优解和pareto最优解（pareto optimal solution），对于求解多目标优化问题的pareto最优解，目前已有多种基于遗传算法的求解方法，本文采用权重系数变换法，对于此多目标规划一般采用权重系数变换法将多目标问题转化为单目标问题，根据子目标函数的重要程度，由于经济效益子目标函数与粮食产量子目标函数对于产业带重要性相当，但由于目前产业带发展还是必须靠经济效益带动，因此本文取E的权重系数为0.7，O的权重系数为0.3。则多目标优化问题可就转化为单目标优化问题，即可利用单目标优化的遗传算法求解多目标优化问题。

3 参数确定

产业带旱作物以地面小畦灌溉为主，辅以低压管灌、喷灌等灌溉方式；水稻全部采用控制灌溉方式。

a.作物市场单价、灌溉定额、亩均产量

根据调查，产业带种植作物种类主要有水稻、油菜、玉米、蔬菜、水果等六类，各类作物市场单价、灌溉定额、亩均产量参数见表1。

b.产业带可供水量

产业带属人民渠产业带玉杨丰干渠系，现有水库小（二）型水库5座，山平塘163口，蓄水池101口，石河堰12道。1个国管中型水利工程单位（玉杨丰支渠），年引水能力750万m3。

c.灌溉面积

产业带主要粮食作物是水稻、小麦、玉米和油菜，主要经济作物是蔬菜、水果等。产业带粮食作物面积为20124亩，经济作物面积为6259亩。粮食作物以及油菜采用复种模式。

4 模型求解

模型求解的主程序：

function z=ygcy2012（x）；

E=1584*x（1）+728*x（2）+830.8*x（3）+967.50*x（4）+12500*x（5）+10500*x（6）；

O=550*x（1）+620*x（3）+450*x（5）；

g1=250*x（1）+35*x（2）+40*x（3）+40*x（4）+160*x（5）+55*x（6）-750；

g2=x（1）+x（2）+x（3）+x（4）+x（5）+x（6）-4.33；

g3=x（1）-1.0565；

g5=x（3）+x（4）-0.9560；

g6=x（6）-0.2；

if（g1<=0）&（g2<=0）&（g3<=0）&（x>=0）&（g5<=0）&（g6<=0）

z=0.7*E+0.3*O

else

z=-100；

end

z=-z；

根據上述约束条件，通过计算求解六种方案不同的结果见图1以及表2所示。

5 结果分析

产业带种植结构调整近几年变化比较大，水稻面积呈逐年递减，蔬菜、水果种植面积一直维持较快的增长状态，究其原因，一是产业带农民群众因为外出务工缘故，有规模、亦成片耕地已被一些农业企业整合，通过种植蔬菜、水果等，改变了土地的种植结构模式。二是因灌溉条件不利以及产业带来水量的分布不均。若可以改善产业带灌溉设施，亦是可以增加部分水稻种植面积。

根据六个设计方案的结果分析，方案3当水果种植面积为0.4万亩时，其最大经济效益为3.23亿元，粮食总产量为966.1万kg。但2010年产业带农业总产值仅为11241万元，方案3农业总产值增长了187%

现状种植结构还有调整的空间，粮食产量安全问题关乎到社会的安定，产业带内共计10个村，88个村民小组，总户数4369户，总人口13758人，按年人均500kg粮食计算，则需要考虑生产粮食689.00万kg，本文给出的六个方案中，均都满足要求。

6 建议

近年来，绵阳市涪城区杨关产业带的农业产业、农田水利工程已建设完成，这为杨关产业带的社会经济发展提供了坚实的基础。通过提高水资源的利用效率，以实现好该产业带的最优化的种植结构，带来最高的经济、社会利益。但方案3因此其增长效率相当高，此方案实施有一定的难度，主要由于当地群众的历史的种植习惯以及农产品的市场前景等因素的影响。种植结构调整的方案不会如期实现，涪城区政府以及乡镇政府可以通过引导当地群众，逐步调整产业结构，以实现最优的效益。

参考文献：

[1] 《绵阳市农业综合开发土地治理涪城区杨关产业带项目可行性研究报告》，四川涪圣工程设计咨询有限公司，2011.

[2] 甘泓.水资源合理配置理论与实践研究.中国水利水电科学研究院博士论文，2000.07；

[3] 周丽.基于遗传算法的区域水资源优化配置研究.郑州大学硕士论文，2002.04；

[4] 雷英杰等.Matlab遗传算法工具箱及应用.西安：西安电子科技大学出版社，2009.08；

[5] 陈国良等.遗传算法及其应用.北京：北京人民邮电出版社，1996；

[6] 《四川省用水定额（试行）》，2010.