答辩博士：孙元昊
指导老师：丁为民教授
论文题目：基于移动群智感知的物联网太阳能杀虫灯维护任务分配策略研究
答辩委员会：
主席：
田永超教授/博导 南京农业大学人工智能学院
委员：
韩光洁教授/博导 河海大学物联网工程学院
舒磊教授/博导 南京农业大学人工智能学院
倪军教授/博导 南京农业大学农学院
吕晓兰研究员江苏省农业科学院
秘书：
韩茹助理研究员南京农业大学人工智能学院
答辩时间：2023年6月8日下午2点30分
答辩地点：浦口校区育贤楼C302
论文简介：
太阳能杀虫灯（Solar Intertidal Lamp, SIL）是一种绿色高效的物理杀虫植保机械，具有避免化学防治污染环境的优点。其在虫害防治方面已展现出优势，但在使用中还存在维护不及时甚至无法得到维护的情况，导致其功能缺失和损坏，无法充分发挥作用，造成资源浪费。通过与物联网技术结合，形成了智能化的物联网太阳能杀虫灯，可实现杀虫计数、故障自诊断和联网等功能，能够帮助用户实时了解设备的工作状态及故障信息，为设备维护提供了更多选择。
移动群智感知（Mobile Crowd Sensing, MCS）利用大量个体拥有的智能移动设备，如智能手机，通过报酬激励个体参与感知或者分享感兴趣的信息，实现大规模复杂的社会任务，如智慧交通、环境监测等。因此，本文利用移动群智感知中的任务分配方法，结合参与者的智慧和移动性，以具有故障自诊断功能的物联网太阳能杀虫灯为对象，提出了基于移动群智感知的物联网太阳能杀虫灯维护任务分配策略研究。本文的主要研究内容与结论如下：
1. 目前移动群智感知主要应用于城市区域，而在农村区域的应用较少。首先，结合我国农业的实际情况，通过与现有农业数据采集体系的分析比较，总结出移动群智感知在成本（部署、维护、使用成本）、数据细粒度和感知隐性数据方面具有优势。再从已投入使用的农用手机软件、潜在用户、农业从业者具有的农业作业经验、以及农业企业与农业从业者之间的合作四方面分析说明移动群智感知在我国农村区域及农业场景的应用具有可行性。
2. 针对现有商业地图缺乏农田田埂信息和任务分配算法中移动距离计算方式不合理的问题，开展了基于农田自然分区结构的任务分配策略研究。利用现实农田的天然分区结构，为任务参与者规划维护任务的执行路径。具体地，从较少成本维护物联网太阳能杀虫灯实现杀虫效率最大化这一实际需求出发，维护任务分配问题进一步划分为路径规划和任务选取两个子问题，并分别设计了基于农田自然分区结构的优化路径规划算法和基于杀虫效率和激励成本平衡的任务选取算法进行解决。仿真实验表明：基于农田自然分区结构的优化路径规划算法能够有效解决农田环境下参与式参与者执行常规维护任务的路径规划问题，基于杀虫效率和激励成本平衡的任务选取算法在任务完成率和效用值方面要优于基准方法。
3. 针对物联网太阳能杀虫灯维护中存在多种类型的维护任务，而其部署区域可用于维护的人数较少的问题，开展了基于多类型参与者的混合式任务分配策略研究。利用农业从业者工作地点与物联网太阳能杀虫灯维护任务地点在空间上的重叠性以及混合式任务分配成本低和完成度高的特点，设计了一种基于多类型参与者的混合式任务分配算法。具体地，基于物联网太阳能杀虫灯维护中常规维护和故障维护共存的情况，根据参与者的维护技能和分享工作安排的意愿，将其分为多个类型，并分别为每名参与者分配与之能力匹配的维护任务。仿真实验表明：所设计的算法在任务完成率，平均移动距离和提升效率比三方面都优于基准方法，可以有效解决物联网太阳能杀虫灯维护中的多类型维护任务分配问题。
4. 针对物联网太阳能杀虫灯应尽可能维护的实际需求及维护任务分配中出现的空洞问题，开展了基于任务空洞的混合式任务分配策略研究。提出了一种基于任务权重的混合式任务分配算法，根据维护任务以往的分配情况为发布的维护任务设定权重，作为每个维护任务动态定价的依据。仿真实验表明：所设计的方法解决空洞问题时，需要多付出一定的移动距离（即激励成本）来保证空洞任务能够优先完成，但在任务完成率和总权重值两方面要优于基准算法，可有解决物联网太阳能杀虫灯维护任务分配中的空洞问题。
5. 为了将提出的算法与实际应用相结合并进行试验验证，设计了物联网太阳能杀虫灯维护任务分配系统，包括服务器端和客户端。其中，服务器端用于发布维护任务和存储各类信息，客户端用于接收和查看维护任务。然后，实现了维护任务分配系统服务器端和客户端的功能，并基于田间试验验证了维护任务分配系统的可用性；通过对比田间试验与仿真实验的结果，进一步验证了基于多类型参与者的混合任务分配算法的性能。
主要创新点如下：
1.首次将移动群智感知中的任务分配方法与太阳能杀虫灯维护的实际需求相结合，以具有故障自诊断功能的物联网太阳能杀虫灯为对象，提出了基于移动群智感知的物联网太阳能杀虫灯维护任务分配策略，为“互联网+”时代太阳能杀虫灯这种部署量大、应用范围广的现代农业装备维护提供了一种新的模式。
2. 针对现有商业地图中农田田埂信息缺失而无法为物联网太阳能杀虫灯维护任务的参与者规划路径的问题，借助农田的自然分区结构，利用右手法则为参与者规划最优任务路径；并基于杀虫效率和激励成本平衡的效用值，实现维护任务的最优化分配，有效解决了农田场景下物联网太阳能杀虫灯维护任务的分配问题。
3. 针对维护任务参与者的工作地点和物联网太阳能杀虫灯维护任务地点在空间上的重叠性，基于参与者的能力特点和分享意愿，将所有参与者分为四类，采用混合式任务分配方法，并结合各类参与者的特点，优化分配常规维护任务和故障维护任务方案，解决了激励成本预算约束下多任务类型的维护任务分配问题。
