玉米播種機具規(guī)模配置模型建立與分析

吳小偉，武文娟，鐘志堂

(1.江蘇省農(nóng)業(yè)機械技術(shù)推廣站，南京 210017； 2.南京交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車工程學(xué)院，南京 211188)

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玉米播種機具規(guī)模配置模型建立與分析

吳小偉1，武文娟2，鐘志堂1

(1.江蘇省農(nóng)業(yè)機械技術(shù)推廣站，南京 210017； 2.南京交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車工程學(xué)院，南京 211188)

隨著玉米生產(chǎn)全程機械化的推進，解決多位專家學(xué)者提出理論專一而深入和一般家庭農(nóng)場由于知識結(jié)構(gòu)水平不齊帶來的機具規(guī)模配置困擾問題已越來越突出。為此，通過探索玉米生產(chǎn)機械化過程中機播環(huán)節(jié)機具保有量配置情況對作業(yè)效率、成本等因素的影響關(guān)系，建立了不同種植面積、機具性能、機具折舊費、油耗費、維修管理費、人員工資等條件下的玉米播種機具保有量關(guān)系模型，開展不同模式下的機具保有量配置和節(jié)本效益分析，形成100～1 000 hm2條件下最優(yōu)機具配置表和選型參考圖，解決了玉米播種機具購置的盲目性和資金的浪費問題，充分發(fā)揮了機具效率，提高了生產(chǎn)率，為各有關(guān)單位制定決策提供了有力參考。

玉米；機械化；播種機；配置

0 引言

江蘇省玉米種植面積一直穩(wěn)定在40萬hm2左右，種植面積僅次于水稻和小麥。其中，適宜機械化生產(chǎn)的面積約26.67萬hm2，按區(qū)域分主要集中在蘇北5市，種植面積約占全省總面積的75%。到2015年底，全省玉米種植面積增加到44.47萬hm2，適宜機械化作業(yè)連片種植面積為30萬hm2，分別較2012年以前增長3.33萬hm2；完成玉米機播26.2萬hm2，機播率為87.3%；機收24.4萬hm2，機收率為81.3%，較2012年分別提高22.3%、24.3%。全省共有18個玉米主產(chǎn)縣(市、區(qū))基本實現(xiàn)了玉米生產(chǎn)機械化，玉米機械化生產(chǎn)在全省范圍內(nèi)已得到了快速擴散，全省連片種植玉米區(qū)域基本實現(xiàn)了玉米生產(chǎn)機械化。在推進玉米生產(chǎn)機械化過程中，存在機具配置模糊問題，缺乏有效手段開展機具保有量測算，造成了部分機具閑置和資金浪費，影響了機具效率的提高。

隨著技術(shù)和經(jīng)濟的不斷發(fā)展，推廣適度規(guī)模經(jīng)營已是不可逆轉(zhuǎn)的趨勢[1]。適度規(guī)模經(jīng)營不僅可以提高糧食生產(chǎn)效率，還有利于建立起一支穩(wěn)定的糧食生產(chǎn)隊伍。國內(nèi)農(nóng)機具配置的主要方法有作業(yè)量法[2]、最低費用法、專家調(diào)查法、“機器—時間”系統(tǒng)配備法、線性規(guī)劃法、非線性規(guī)劃法、混合整數(shù)規(guī)劃，以及這些方法的一些組合。楊宛章[3]從耕、種、收3個環(huán)節(jié)考核農(nóng)機裝備配置合理度和適宜農(nóng)機裝備占有率兩個指標。張宗毅等人[4]提出基于DEA成本效率模型的耕種農(nóng)機裝備結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，考慮技術(shù)上最優(yōu)和經(jīng)濟上成本最小。潘迪等人[5]在考慮農(nóng)機裝備工作效率、人工配備、燃油消耗等條件下，提出作業(yè)面積及收獲作業(yè)天數(shù)可變情況下的改進型整數(shù)線性規(guī)劃數(shù)學(xué)模型。徐秀英[6]提出家庭農(nóng)場應(yīng)從農(nóng)場規(guī)模、農(nóng)機種類、質(zhì)量、價格和數(shù)量上來考慮農(nóng)機配置。張宏文等人[7]建立了作業(yè)量、拖拉機配備量和農(nóng)具配備約束條件下的最低作業(yè)成本農(nóng)機具線性規(guī)劃，指出農(nóng)機設(shè)備購置管理修理費在5%的置信水平下對技術(shù)效率正相關(guān)[8]。涂志強等人[9-10]從作物面積、投入資金、勞動力供給、耕地實踐、作物多樣化、天氣、風(fēng)險管理等方面開展了農(nóng)機配置影響因素分析，計算出不同方案的農(nóng)機裝備的折舊成本和經(jīng)營土地規(guī)模。張慶輝等人[11-12]從效益、因地制宜、市場等方面闡述了機具選擇原則，以深松機、淺耕整地機和免耕施肥播種機3種機具為代表，簡要說明了機具參數(shù)和選配方法，并建議從水田泥腳深度、田塊大小形狀，土壤性能、土壤比阻、作業(yè)總量、使用者購買能力等因素考慮選擇耕整地機械。張靜等人[13]以作業(yè)時間、機具數(shù)量、臺班數(shù)為決策變量，以作業(yè)量、動力配備量、機具配備量和作業(yè)時間的相互關(guān)系為約束方程，以機具作業(yè)成本與適時性損失之和最小為目標函數(shù)，獲得最佳作業(yè)時間、最佳機型組合和最佳機器配備數(shù)量。盡管上述專家學(xué)者對機具配置方式方法展開了討論分析，但未發(fā)現(xiàn)針對玉米播種環(huán)節(jié)不同面積條件下的播種機具保有量配置分析。

本文通過分析多位專家學(xué)者的研究進展，綜合分析省內(nèi)玉米生產(chǎn)機械化機具配置存在問題，探索建立了不同條件下的玉米播種機具規(guī)模配置模型，形成不同面積條件下的理論優(yōu)化配置選型表和參考圖，解決了之前專家學(xué)者提出理論專一而深入和一般家庭農(nóng)場由于知識結(jié)構(gòu)水平不齊帶來的機具規(guī)模配置困擾問題。本研究計算結(jié)果簡單明了，可操作性強，可為各有關(guān)單位和人員開展玉米生產(chǎn)機械化過程中機播環(huán)節(jié)測算和分析提供依據(jù)，并為機收環(huán)節(jié)及其它不同作物機械化生產(chǎn)機具配置等提供參考。

1 播種機具模型設(shè)計

1.1 單一品種機具配置分析

在配置播種機時主要考慮機具的作業(yè)能力，忽略機具購置價格、維修保養(yǎng)費用等約束條件，探索單一品種機具在不同作業(yè)面積中的保有量情況，計算方法為

(1)

其中，S為總作業(yè)面積(hm2)；T為作業(yè)機具臺數(shù)(臺)；t為作業(yè)時間(天)，t=8；λ為機具作業(yè)效率(hm2/天)。

1.2 多參數(shù)考核情況下的機具配置分析

對玉米作業(yè)機械的系統(tǒng)配置是指在規(guī)定作業(yè)時間內(nèi)完成生產(chǎn)任務(wù)的前提條件下，使機器及人工作業(yè)成本達到最低。通過對機具購置價格、機具殘值、生產(chǎn)率、人員工資、燃油費、管理費等有關(guān)費用分析，玉米作業(yè)機械在一定時間內(nèi)的作業(yè)成本，是指在作業(yè)過程中各項人力、物力和財力的消耗，主要包括以下4項：機器折舊費、機器作業(yè)油耗費、人員工資和機器維修及管理費等。通過對上述4個參數(shù)分析，建立作業(yè)費用與4個參數(shù)的方程，經(jīng)求解分析得出不同條件下的最優(yōu)機具配置。設(shè)不同型號的機具所需數(shù)量為Xi(i=1，2，3)。

1.2.1 優(yōu)化參數(shù)

1)機器折舊費f1。根據(jù)每臺機具扣除其殘值后，按照10年工作年限平均后，得出每臺機具的年折舊費，計算公式為

(2)

其中，f1為機具年折舊費總和；Ci為單位機具年折舊費。

2)油耗費f2。油耗費是指機器在作業(yè)過程中實際消耗的燃油費用。本文油耗費主要是根據(jù)調(diào)查問卷時機手統(tǒng)計所得，并計算單位面積油耗，則有

(3)

其中，f2為機具年油耗費總和；Cyf為機具調(diào)查油耗費(元/天)。

3)維修管理費f3。維修管理費是指機器在發(fā)生故障時及日常管理所需要的費用，本文維修管理費主要是根據(jù)調(diào)查問卷時機手統(tǒng)計所得，為

(4)

其中，f3為機具年維修管理費總和；Cwf為機具維修管理費(元/年)。

4)作業(yè)人員工資f4。駕駛員操作機器進行作業(yè)的工資，用f4表示，則

(5)

其中，f4工資費總和；Cgzf為調(diào)查工資費(元/天)。

1.2.2 目標函數(shù)

這是對作業(yè)機械系統(tǒng)配置的一個總體目的和目標，一般希望配置系統(tǒng)以后能夠效益最好，或者說收益能力最佳、投資最少。在確定相應(yīng)支出的情況下，計算其最低成本同樣能實現(xiàn)效益最好。因此，以完成年作業(yè)任務(wù)的作業(yè)成本最低為目標函數(shù)F，則有

minF=f1+f2+f3+f4

(6)

1.2.3 約束條件

1)各機型數(shù)量的約束。優(yōu)化后的各種機型的配備臺數(shù)，不能大于該機型單獨完成任務(wù)所需的最大臺數(shù)，即

Xi≤Ximaxi=1，2，3

(7)

其中，Ximax為第i種機具配備的最多臺數(shù)。

2)非負整數(shù)的約束。所有機具的數(shù)量不能為負數(shù)，即

Xi≥0 i=1，2，3

(8)

3)機具作業(yè)能力誤差。要求所配置的機具作業(yè)能力誤差在±5%以內(nèi)，即

(9)

2 配置分析

根據(jù)江蘇省氣候條件，蘇中及沿海春玉米播期一般為3月下旬至4月上旬；淮北夏玉米播期適當推遲，一般于6月中、下旬播種，減輕飛虱對玉米幼苗的危害，降低玉米粗縮病的發(fā)生。江蘇省玉米一般播種時間約為8天，平均每天作業(yè)8h。機引農(nóng)具按照農(nóng)業(yè)部經(jīng)濟效益評價方法中有關(guān)規(guī)定，取機具殘值率為5.5%，計算出機具殘值；維修管理費參考魯敏等人棉花種植機械化優(yōu)化配置研究[14]，取6.26%，計算出相關(guān)結(jié)果。篩選出江蘇省主推的3種規(guī)格機型播種機及相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 各機具主要因素統(tǒng)計表

表中售價、生產(chǎn)率數(shù)據(jù)為多個廠家產(chǎn)品均值。

2.1 單一品種機具配置分析

根據(jù)單一品種機具配置模型和每種機具的生產(chǎn)率，代入式(1)計算出100～1 000hm2之間的不同機具理論配置表(未圓整)如表2所示。

表2 作業(yè)面積、機具型號、機具臺數(shù)之間理論關(guān)系

續(xù)表2

若按照單一型號機具配置，則在相應(yīng)面積條件下，經(jīng)圓整后，需要的機具數(shù)量如表3所示，圓整時根據(jù)作業(yè)量最大誤差5%范圍確定，優(yōu)選誤差最小的。

表3 單一型號機具配置

2.2 多參數(shù)考核情況下的機具配置分析

根據(jù)表1中有關(guān)數(shù)據(jù)及式(2)～式(5)，分別求出f1、f2、f3、f4,則

(10)

(11)

(12)

(13)

則目標函數(shù)為

minF=f1+f2+f3+f4=463X1+539X2+

614X3+960X1+1536X2+1680X3+307X1+

357X2+407X3+960X1+960X2+960X3=

2690X1+3392X2+3661X3

(14)

根據(jù)式(14)，將多參數(shù)考核條件下的約束條件編程后導(dǎo)入LINGO(Linear Interactive and General Optimizer)求解程序軟件，分別求出100～1 000hm2間的最優(yōu)機具配置情況,如表4所示。

表4 不同面積條件下最優(yōu)機具配置情況

經(jīng)優(yōu)化后，多參數(shù)考核情況下機具節(jié)本與單一品種配置機具節(jié)本對比如下,如表5所示。

表5 優(yōu)化前后作業(yè)成本對比

3 結(jié)果與分析

從對100～1 000hm2面積條件下的不同機具配置方案及優(yōu)化結(jié)果看，不同面積條件下的機具配置節(jié)本最大分別為31.5%、23.9%、27.2%、30.4%、28%、28.6%、30.2%、28.5%、29.1%、30%，優(yōu)化后節(jié)本經(jīng)濟效果非常明顯，同時又能保證機具的利用最大化。通過對優(yōu)化后的數(shù)據(jù)進行擬合，形成了面積、機具數(shù)量的理論曲線擬合圖，如圖1所示。由于該圖的選配精度未能達到最優(yōu)化機具選配方案(未達到程序求解精度)，因此該圖對指導(dǎo)機具選配具有一定的方向性參考意義，在精確選配時，應(yīng)結(jié)合其他工具綜合確定。

4 結(jié)論

通過對江蘇玉米生產(chǎn)機械化情況特點分析，探索建立不同面積、機具性能等條件下的玉米播種機具規(guī)模配置模型，開展了各條件下的配置分析，得出不同配置方案下的機具最佳保有量情況，形成100-1 000hm2面積條件下的最優(yōu)理論機具配置表和選型參考圖。該研究對指導(dǎo)玉米主產(chǎn)區(qū)科學(xué)合理地配置玉米播種機具，解決機具購置的盲目性和資金浪費，實現(xiàn)玉米生產(chǎn)現(xiàn)代化、集約化具有一定的現(xiàn)實意義和實用價值。

圖1 機具選型參考圖

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Set and Analysis the Model of Corn Planter Implements Distribution

Wu Xiaowei1, Wu Wenjuan2, Zhong Zhitang1

(1.Agricultural Machinery Technology Extension Station Jiangsu, Nanjing 210017, China; 2.College of Automobile Engineering, Nanjing Communications Institute of Technology, Nanjing 211188, China)

With the development of corn mechanization,to solve the configuration issues caused by theorize specific & depth of experts and the knowledge structure uneven level of the family farm is increasingly prominent.In order to explore the relationship between corn planter and operating efficiency, cost and other factors during the process of production mechanization. Established the corn planter relational model under different planting area, equipment performance,equipment depreciation, fuel costs, maintenance and management fees, salaries and other conditions, analysis the benefit between corn planter and abridged by different modes, formed the optimal equipment configuration tables and selection of reference FIG at 100 to 1000 hectares. Solve the problem of blindness on purchasing equipment, increase productivity and equipment efficiency. Provide a strong reference to the relevant units to make decision.

corn； mechanization； corn planter； implements distribution

2016-05-30

江蘇省農(nóng)機三新工程重大技術(shù)集成(玉米)項目(NJ2014-27，NJ2015-28)

吳小偉(1985-)，男，南京人，工程師，(E-mail)wxw0920@163.com。

鐘志堂(1964-)，男，南京人，研究員，( E-mail)Zhongzhitang64@sina.com。

S231；S232.2

A

1003-188X(2017)07-0048-05