基于模糊矩陣的油菜收獲機械適用性評價方法

龔 艷，陳小兵，張 曉，劉 燕，王 果，陳 曉，李良波

(農業部南京農業機械化研究所，江蘇南京210014)

我國是油菜生產大國，其種植面積和總產均占世界油菜種植面積和總產的30%左右[1]。油菜作物是我國主要油料作物之一，據《2013中國農業年鑒》數據資料，全國油菜播種面積為743.19萬hm2，占油料作物播種面積的53.4%[2]。油菜機械化收獲作為油菜機械化生產過程中的一個重要環節，對油菜種植面積、油菜籽總產、油菜籽品質優劣等有顯著影響[3-4]。近年來隨著我國油菜收獲機械產品的研發、生產水平不斷提高，新型油菜收獲機械不斷涌現，油菜收獲機械化程度顯著增加[5-9]。但我國各油菜產區的自然條件(地形、氣候等)，油菜種植制度、種植規模、產區農機化發展水平差異性較大[10-14]，由于缺乏科學完整的適用性評價方法，造成產品適用性評價不充分，導致不少農戶購置的油菜收獲機械因使用條件不符、油菜損失率高等原因造成了巨大的經濟損失。與大田糧食作物相比，經濟作物的機械化水平較低，所以目前我國的油菜、花生等經濟作物機械產品標準比較薄弱。同時，農業機械適用性評價方法沒有統一的標準與規范，目前我國也不存在統一的油菜收獲機械的適用性評價方法。所以，對油菜收獲機械適用性進行評價研究具有重要的現實意義。

1 油菜收獲機械適用性評價指標體系構建

1.1 評價體系構建流程與原則

構建油菜收獲機械適用性評價指標體系(圖1)，主要原則包括全面性原則、客觀性原則、科學性原則、實用性原則。具體表現為構建的評價指標體系能綜合反映油菜收獲機械的適用性；同時保證評價指標體系的客觀公正性和實用性；評價指標的選取、結構的分析、權重的確定、定性指標和定量指標的轉變，以及指標數據的計算，都具有科學的理論依據[15-19]。

1.2 評價指標的選取

為了能夠對油菜收獲機械適用性各影響因素展開更加全面的研究，為油菜收獲機械適用性評價體系的建立提供堅實、可靠的技術支撐，根據我國各油菜產區的自然條件(地形、氣候等)、油菜種植制度、種植規模、產區農機化發展水平等因素確定了江蘇、青海、內蒙古等3個具有代表性的省(自治區)作為重點研究區域，分別代表我國長江流域、西北地區和東北地區的油菜種植狀況。將以上3個地區的油菜種植區域作為試驗研究基地，開展針對油菜收獲機械適用性評價技術的研究。油菜收獲機械評價指標選取時，首先根據相關標準[20-23]和文獻，全面描述可以用于油菜收獲機械適用性的指標，然后在油菜收獲機械的管理、鑒定、推廣等部門進行實地調研。結合生產流通企業以及農機戶的調查結果，對評價指標進行補充，然后組織專家對評價指標進行篩選。

1.3 評價指標體系結構模型

油菜收獲機械適用性評價的第一級指標主要選取技術、經濟、作業條件3個方面。其中技術指標的主要來源是頒布實施的相關技術標準、規范、鑒定大綱；經濟指標和作業條件指標主要通過文獻查閱、實地調研、專家座談等方式獲得。油菜收獲機械評價指標體系的結構模型采用3級(A、B、C)指標體系，具體見圖2。

2 油菜收獲機械適用性評價指標體系權重確定

2.1 評價指標權重確定方法與過程

本研究選擇層次分析法(AHP)對油菜收獲機械適用性評價指標權重值進行測算。AHP 是一種解決多目標復雜問題的定性與定量相結合的決策分析方法[24-29]。目前，系統工程中處理定性與定量相結合問題時，AHP是一種比較簡單易行且又行之有效的系統分析方法[30-32]，具體過程如下。

2.1.1 構造判斷矩陣 以上層相應元素為評價準則，對本層次元素進行兩兩比較，進而確定元素之間的相對重要性。設Ps為評價準則，S1，S2，…，Sn為評價因素，依據判斷矩陣標度定義對評價因素進行兩兩比較判斷，構成判斷矩陣，即

(1)

2.2.2 層次單排序 確定某一層次各因素對上一層次某因素的影響程度，并依次排出順序。根據判斷矩陣計算出各因素的相對權重向量，計算方法采用特征根法。

EW=λmaxW。

(2)

式中：λmax為E的最大特征根；W為λmax的正規化特征向量。

2.2.3 一致性指標檢驗 層次單排序的一致性檢驗，則要計算一致性指標CI。λmax-n越小，CI越小，矩陣的一致性越好，CI=0時矩陣具有完全一致性。

(3)

式中：n為判斷矩陣的階數。

檢驗判斷矩陣是否具有滿意的一致性，將一致性指標CI和平均隨機一致性指標RI進行比較，計算判斷矩陣的一致性比例，記作CR。

(4)

當CR<0.1時，判斷矩陣通過一致性檢驗；當CR≥0.1時，判斷矩陣沒有通過一致性檢驗，需調整矩陣重新檢驗。

2.2 評價指標權重結果

根據油菜收獲機械適用性評價指標體系，結合層次分析法的基本原理，設計確定權重的專家調查表。項目組研究選取了江蘇、青海、內蒙古等3個具有代表性的省(自治區)作為重點研究區域，分別代表我國長江流域、西北地區和東北地區的油菜種植狀況。將以上3個地區的油菜種植區域作為試驗研究基地，并選取相關推廣、鑒定、監理等政府部門的專家進行調查。將回收的專家調查表進行匯總計算，采用專家判斷矩陣加權幾何平均法，運用Yaahp分析軟件進行匯總計算，歸一化處理后，各級指標權重見表1。

3 油菜收獲機械適用性評價指標分值確定

3.1 三級指標分值的確定

針對上述3個典型作業區域的農業生產作業條件布點試驗，利用試驗檢測結果得到分值；并針對3個區域的農業生產作業條件下實際用戶進行跟蹤考核，利用考核結果得到分值；同時對3個區域的農業生產作業條件下的一定數量的用戶進行使用情況調查，利用調查結果得到分值。綜合采用試驗測評法、跟蹤測評法和用戶調查測評法的交叉組合的結果得到分值。下面以技術指標A1評判為例，詳細闡述其指標分值的確定過程。

3.1.1 建立模糊矩陣 確定評價指標集，根據表1可知，評價指標為8個，分別記為u1，u2，…，u8，則這8個評價指標構成指標集U；確定評價等級集，根據實際需要將評價結果劃分為5個等級，分別記為v1，v2，…，v5，則這5個評價結果構成評價等級集V。

表1 油菜收獲機械適用性評價指標體系權重

針對評價指標ui作出vk等級評定的人員數為Nik，參與等級評定的人員數總數為N，則隸屬度

(5)

構建模糊矩陣，針對每個評價指標ui都有一個相應隸屬度函數(向量)：

Mi=(mi1,mi2,…,miq)。

(6)

整個評價指標集內各個指標的隸屬度函數組成隸屬度矩陣，即模糊矩陣F，F中的fiq和Mi中的miq是一一對應的。

(7)

3.1.2 確定評價等級標度值函數 設評價指標各等級標度值為x1，x2，…，x5，評價指標等級標度值組成向量為

X=(x1,x2,…,x5)=(0，25，50，75，100)。

(8)

3.1.3 三級指標分值(三級單項適用指數)的確定 設yc1，yc2，…，yc8為三級各指標分值，則

(9)

3.2 二級指標分值的確定

對應B11的各三級指標權重向量為

WB11=(wc1,wc2,…,wc5)。

(10)

則對應的各三級指標分值向量為

YB11C=(yc1,yc2,…,yc5)。

(11)

機器性能B11指標分值為YB11，則

(12)

同理得出B12的分值，從而得到二級指標的分值函數。

3.3 一級指標分值的確定

設技術指標A1的各二級指標權重向量為

WA1=(wB11,wB12)。

(13)

設對應的各二級指標分值向量為

YA1B=(yB11,yB12)。

(14)

技術指標A1分值為YA1，則

(15)

同理得出經濟指標(A2)、作業條件指標(A3)的分值，從而得到一級指標的分值函數。

3.4 綜合指標分值的確定

設一級指標的權重向量為

WZ=(wA1,wA2,wA3)。

(16)

設一級指標分值向量為

YA=(yA1,yA2,yA3)。

(17)

因此可得出油菜收獲機械適用性評價指標體系的綜合指標分值(綜合適用指數)YZ為

(18)

依據綜合指標的分值，將油菜收獲機械適用性評價分5個等級：>0～20為很差，>20～40為較差，>40～60為一般，>60～80為較好，>80～100為很好。

4 實例

4.1 實例評價

選取目前市場上應用較為廣泛的某型號油菜聯合收獲機為評價樣機，機器割幅為1 800 mm，割茬高度為260 mm，行進速度為0.9 m/s(圖3)。為了能科學、系統地評價該油菜聯合收獲機，選取江蘇、青海、內蒙古等3個代表性油菜種植區進行試驗，并對上述地區的農機鑒定推廣站、監理站、農機專業合作社等領域的專家和用戶進行調查，利用油菜收獲機械適用性綜合評價指標體系，對該樣機的各級指標進行評分，具體分值如表2所示。

表2 油菜聯合收獲機各級指標分值

注：綜合指標分值為43.92。

4.2 討論

作業質量(B12)中總損失率(C121)指標評分不佳，主要由于聯合收獲的方式對于內蒙古、青海等地的超大規模種植的油菜收獲缺乏適應性，易造成大量的收獲損失，應采取分段收獲的方式，以適應超大規模的種植模式。待評樣機現場試驗時主要存在以下問題：(1)采用聯合收獲方式時，為了減少割臺損失和機體損失，要求油菜的成熟度基本一致，而在大規模種植的情況下成熟度的一致性難以保證。(2)采用聯合收獲方式時，要求在油菜完熟后方可收獲，而油菜完熟至角果自然開裂的時間非常短暫，無法在此期間內完成大面積的收獲，易造成油菜自然落粒損失，即使角果尚未自然開裂，收獲時也極易造成嚴重的割臺損失。

作業條件指標(A3)中作物條件(B32)指標評分不佳，主要因為油菜的品種、株型、種植密度等因素對油菜機械化收獲的質量(尤其是損失率等)的影響較大。通過在上述3個典型油菜種植區的試驗可知，油菜聯合收獲機械比較適用于植株較矮小、株型緊湊、分枝較少、莖稈纖細、成熟期基本一致、角果不易炸裂的油菜品種。對于種植規模小、田塊小的油菜產區，聯合收獲機具有便捷性和靈活性的優勢。

油菜的成熟度(C322)對于機體損失、總損失率等油菜聯合收獲機質量評價因素的影響很大。試驗時，收獲區的油菜成熟度不夠，油菜籽與菜莢組織間粘連緊密，使得很多油菜籽未被脫粒部件從菜莢中脫出，甚至有部份過青的菜莢未被打開即被清選部件吹出機體，造成脫粒機體損失(夾帶損失)嚴重。

根據樣機的綜合指標分值，可得出其綜合指標評價結論為一般。通過樣機現場試驗可知，其結果與指標體系評分結果基本一致，因此可知，利用該油菜收獲機械適用性評價體系能得出較為客觀、科學地評判結論。

5 結論

油菜收獲機械化是油菜生產全程機械化的重要環節[33]，其適用性評價是推廣油菜收獲機械的關鍵問題，因此油菜收獲機械適用性評價指標體系研究對提高油菜種植機械化水平、節本增效、促進油菜生產具有重要意義。本研究依據全面性原則、客觀性原則、科學性原則、實用性原則，從技術指標、經濟指標、作業條件指標3個方面構建了基于模糊矩陣的綜合評價指標體系，確定了評價指標權重，闡述了指標分值的確定過程，并以市場上應用較為廣泛的某型號油菜聯合收獲機為評價樣機，依據該機具的各項性能參數進行判定評分。

通過上述研究可知，利用該評價體系能對油菜收獲機械適用性得出較為客觀的結論，為油菜收獲機械的推廣應用等提供了較為科學規范和統一完整的評價方法，并為油菜收獲機械適用性評價工作的全面深入開展提供了基礎。