集中式供应链下水培作物多周期优化规划与调度的数学模型研究

本文提出了一种创新的混合整数线性规划(MILP)模型，通过中央代理协调多农场、多作物的水培生产全流程（包括种植周期、采收窗口和物流运输），解决了分散决策导致的资源利用率低（如托盘分配率仅60-70%）和供应链失衡（约30%产能浪费）等痛点。模型在泰国实际案例中验证可使整体利润提升15-20%，为可控环境农业(CEA)提供了可扩展的决策支持工具。

　　

亮点

本研究开发的新型多周期优化模型首次实现了跨农场、跨作物的水培生产集中协调——这一特性在当前文献中尚属空白。该模型创新性地整合了商业实践中的关键操作约束：农场特异性托盘容量、作物差异性产量与生长期、多阶段采收（早/正常/晚熟）以及统一运输框架，显著提升了农业供应链建模的实用价值。

问题描述与假设

水培生产供应链始于作物品种选择与种植位点分配，涉及幼苗在可控条件下的托盘培育（需配合施肥与病虫害管理）。成熟作物采收后可暂存农场，随后通过冷链运输至中央处理设施。模型假设：1) 中央代理掌握所有农场实时数据；2) 作物存在最短生长期；3) 托盘为可重复使用的关键限制资源；4) 允许±1周期的弹性采收窗口以应对市场波动。

决策支持模型框架

该框架通过四维决策变量（作物-农场-托盘-周期）构建：

1. 1.

   种植决策：基于托盘周转率与作物生长期（如生菜25-30天）

2. 2.

   采收决策：设置早熟（减产15%）、正常（基准产量）、延后（增产10%但占用托盘）三种模式

3. 3.

   运输整合：考虑车辆载重限制（如3.5吨卡车）与冷链成本（约?8/km）

   模型目标函数最大化总利润=销售收入-(种苗+肥料+采收+运输成本)。

案例验证

泰国东北部6个水培农场的实测数据显示：

• 集中规划使托盘利用率从68%提升至89%

• 通过错峰采收减少17%运输空载率

• 整体供应链利润增加18.7%（相较分散决策）

特别在莴苣-罗勒轮作中，模型精准匹配了食品加工厂每周波动需求（±20%）。

讨论

该模型成功解决了水培系统三大核心矛盾：

1. 1.

   短周期作物（如芝麻菜20天）与长周期作物（草莓60天）的资源竞争

2. 2.

   固定托盘容量与动态市场需求的对冲

3. 3.

   采收时效性与运输经济性的平衡

   实际应用表明，中央协调可使小农户联盟达到接近工业化农场的运营效率。

结论

本研究证实集中优化能有效提升水培供应链韧性，特别适用于：

• 高价值短周期蔬菜（如微型蔬菜）

• 合同农业合作组织

• 资源受限的中小农场集群

未来研究可纳入价格波动风险模型与可再生能源整合。

作者贡献声明

Manop Donmuen：概念设计，方法论构建，初稿撰写；Aganis Suntinac：方法论实施，数据整理，调研；Sirawadee Arunyanart：模型验证，形式化分析，文稿修订。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本研究结果的财务或个人关系冲突。

致谢

本研究获得孔敬大学研究基金支持。