基于模糊矩陣的油菜收獲機(jī)械適用性評(píng)價(jià)方法

龔 艷，陳小兵，張 曉，劉 燕，王 果，陳 曉，李良波

(農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，江蘇南京210014)

我國是油菜生產(chǎn)大國，其種植面積和總產(chǎn)均占世界油菜種植面積和總產(chǎn)的30%左右[1]。油菜作物是我國主要油料作物之一，據(jù)《2013中國農(nóng)業(yè)年鑒》數(shù)據(jù)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(jī)械化收獲作為油菜機(jī)械化生產(chǎn)過程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，對(duì)油菜種植面積、油菜籽總產(chǎn)、油菜籽品質(zhì)優(yōu)劣等有顯著影響[3-4]。近年來隨著我國油菜收獲機(jī)械產(chǎn)品的研發(fā)、生產(chǎn)水平不斷提高，新型油菜收獲機(jī)械不斷涌現(xiàn)，油菜收獲機(jī)械化程度顯著增加[5-9]。但我國各油菜產(chǎn)區(qū)的自然條件(地形、氣候等)，油菜種植制度、種植規(guī)模、產(chǎn)區(qū)農(nóng)機(jī)化發(fā)展水平差異性較大[10-14]，由于缺乏科學(xué)完整的適用性評(píng)價(jià)方法，造成產(chǎn)品適用性評(píng)價(jià)不充分，導(dǎo)致不少農(nóng)戶購置的油菜收獲機(jī)械因使用條件不符、油菜損失率高等原因造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。與大田糧食作物相比，經(jīng)濟(jì)作物的機(jī)械化水平較低，所以目前我國的油菜、花生等經(jīng)濟(jì)作物機(jī)械產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)比較薄弱。同時(shí)，農(nóng)業(yè)機(jī)械適用性評(píng)價(jià)方法沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，目前我國也不存在統(tǒng)一的油菜收獲機(jī)械的適用性評(píng)價(jià)方法。所以，對(duì)油菜收獲機(jī)械適用性進(jìn)行評(píng)價(jià)研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 油菜收獲機(jī)械適用性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

1.1 評(píng)價(jià)體系構(gòu)建流程與原則

構(gòu)建油菜收獲機(jī)械適用性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系(圖1)，主要原則包括全面性原則、客觀性原則、科學(xué)性原則、實(shí)用性原則。具體表現(xiàn)為構(gòu)建的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系能綜合反映油菜收獲機(jī)械的適用性；同時(shí)保證評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的客觀公正性和實(shí)用性；評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取、結(jié)構(gòu)的分析、權(quán)重的確定、定性指標(biāo)和定量指標(biāo)的轉(zhuǎn)變，以及指標(biāo)數(shù)據(jù)的計(jì)算，都具有科學(xué)的理論依據(jù)[15-19]。

1.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取

為了能夠?qū)τ筒耸斋@機(jī)械適用性各影響因素展開更加全面的研究，為油菜收獲機(jī)械適用性評(píng)價(jià)體系的建立提供堅(jiān)實(shí)、可靠的技術(shù)支撐，根據(jù)我國各油菜產(chǎn)區(qū)的自然條件(地形、氣候等)、油菜種植制度、種植規(guī)模、產(chǎn)區(qū)農(nóng)機(jī)化發(fā)展水平等因素確定了江蘇、青海、內(nèi)蒙古等3個(gè)具有代表性的省(自治區(qū))作為重點(diǎn)研究區(qū)域，分別代表我國長江流域、西北地區(qū)和東北地區(qū)的油菜種植狀況。將以上3個(gè)地區(qū)的油菜種植區(qū)域作為試驗(yàn)研究基地，開展針對(duì)油菜收獲機(jī)械適用性評(píng)價(jià)技術(shù)的研究。油菜收獲機(jī)械評(píng)價(jià)指標(biāo)選取時(shí)，首先根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[20-23]和文獻(xiàn)，全面描述可以用于油菜收獲機(jī)械適用性的指標(biāo)，然后在油菜收獲機(jī)械的管理、鑒定、推廣等部門進(jìn)行實(shí)地調(diào)研。結(jié)合生產(chǎn)流通企業(yè)以及農(nóng)機(jī)戶的調(diào)查結(jié)果，對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行補(bǔ)充，然后組織專家對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行篩選。

1.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系結(jié)構(gòu)模型

油菜收獲機(jī)械適用性評(píng)價(jià)的第一級(jí)指標(biāo)主要選取技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、作業(yè)條件3個(gè)方面。其中技術(shù)指標(biāo)的主要來源是頒布實(shí)施的相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、鑒定大綱；經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和作業(yè)條件指標(biāo)主要通過文獻(xiàn)查閱、實(shí)地調(diào)研、專家座談等方式獲得。油菜收獲機(jī)械評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的結(jié)構(gòu)模型采用3級(jí)(A、B、C)指標(biāo)體系，具體見圖2。

2 油菜收獲機(jī)械適用性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系權(quán)重確定

2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重確定方法與過程

本研究選擇層次分析法(AHP)對(duì)油菜收獲機(jī)械適用性評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重值進(jìn)行測(cè)算。AHP 是一種解決多目標(biāo)復(fù)雜問題的定性與定量相結(jié)合的決策分析方法[24-29]。目前，系統(tǒng)工程中處理定性與定量相結(jié)合問題時(shí)，AHP是一種比較簡(jiǎn)單易行且又行之有效的系統(tǒng)分析方法[30-32]，具體過程如下。

2.1.1 構(gòu)造判斷矩陣 以上層相應(yīng)元素為評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，對(duì)本層次元素進(jìn)行兩兩比較，進(jìn)而確定元素之間的相對(duì)重要性。設(shè)Ps為評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，S1，S2，…，Sn為評(píng)價(jià)因素，依據(jù)判斷矩陣標(biāo)度定義對(duì)評(píng)價(jià)因素進(jìn)行兩兩比較判斷，構(gòu)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(duì)上一層次某因素的影響程度，并依次排出順序。根據(jù)判斷矩陣計(jì)算出各因素的相對(duì)權(quán)重向量，計(jì)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(guī)化特征向量。

2.2.3 一致性指標(biāo)檢驗(yàn) 層次單排序的一致性檢驗(yàn)，則要計(jì)算一致性指標(biāo)CI。λmax-n越小，CI越小，矩陣的一致性越好，CI=0時(shí)矩陣具有完全一致性。

(3)

式中：n為判斷矩陣的階數(shù)。

檢驗(yàn)判斷矩陣是否具有滿意的一致性，將一致性指標(biāo)CI和平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI進(jìn)行比較，計(jì)算判斷矩陣的一致性比例，記作CR。

(4)

當(dāng)CR<0.1時(shí)，判斷矩陣通過一致性檢驗(yàn)；當(dāng)CR≥0.1時(shí)，判斷矩陣沒有通過一致性檢驗(yàn)，需調(diào)整矩陣重新檢驗(yàn)。

2.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重結(jié)果

根據(jù)油菜收獲機(jī)械適用性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，結(jié)合層次分析法的基本原理，設(shè)計(jì)確定權(quán)重的專家調(diào)查表。項(xiàng)目組研究選取了江蘇、青海、內(nèi)蒙古等3個(gè)具有代表性的省(自治區(qū))作為重點(diǎn)研究區(qū)域，分別代表我國長江流域、西北地區(qū)和東北地區(qū)的油菜種植狀況。將以上3個(gè)地區(qū)的油菜種植區(qū)域作為試驗(yàn)研究基地，并選取相關(guān)推廣、鑒定、監(jiān)理等政府部門的專家進(jìn)行調(diào)查。將回收的專家調(diào)查表進(jìn)行匯總計(jì)算，采用專家判斷矩陣加權(quán)幾何平均法，運(yùn)用Yaahp分析軟件進(jìn)行匯總計(jì)算，歸一化處理后，各級(jí)指標(biāo)權(quán)重見表1。

3 油菜收獲機(jī)械適用性評(píng)價(jià)指標(biāo)分值確定

3.1 三級(jí)指標(biāo)分值的確定

針對(duì)上述3個(gè)典型作業(yè)區(qū)域的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)作業(yè)條件布點(diǎn)試驗(yàn)，利用試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果得到分值；并針對(duì)3個(gè)區(qū)域的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)作業(yè)條件下實(shí)際用戶進(jìn)行跟蹤考核，利用考核結(jié)果得到分值；同時(shí)對(duì)3個(gè)區(qū)域的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)作業(yè)條件下的一定數(shù)量的用戶進(jìn)行使用情況調(diào)查，利用調(diào)查結(jié)果得到分值。綜合采用試驗(yàn)測(cè)評(píng)法、跟蹤測(cè)評(píng)法和用戶調(diào)查測(cè)評(píng)法的交叉組合的結(jié)果得到分值。下面以技術(shù)指標(biāo)A1評(píng)判為例，詳細(xì)闡述其指標(biāo)分值的確定過程。

3.1.1 建立模糊矩陣 確定評(píng)價(jià)指標(biāo)集，根據(jù)表1可知，評(píng)價(jià)指標(biāo)為8個(gè)，分別記為u1，u2，…，u8，則這8個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)構(gòu)成指標(biāo)集U；確定評(píng)價(jià)等級(jí)集，根據(jù)實(shí)際需要將評(píng)價(jià)結(jié)果劃分為5個(gè)等級(jí)，分別記為v1，v2，…，v5，則這5個(gè)評(píng)價(jià)結(jié)果構(gòu)成評(píng)價(jià)等級(jí)集V。

表1 油菜收獲機(jī)械適用性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系權(quán)重

針對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)ui作出vk等級(jí)評(píng)定的人員數(shù)為Nik，參與等級(jí)評(píng)定的人員數(shù)總數(shù)為N，則隸屬度

(5)

構(gòu)建模糊矩陣，針對(duì)每個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)ui都有一個(gè)相應(yīng)隸屬度函數(shù)(向量)：

Mi=(mi1,mi2,…,miq)。

(6)

整個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)集內(nèi)各個(gè)指標(biāo)的隸屬度函數(shù)組成隸屬度矩陣，即模糊矩陣F，F(xiàn)中的fiq和Mi中的miq是一一對(duì)應(yīng)的。

(7)

3.1.2 確定評(píng)價(jià)等級(jí)標(biāo)度值函數(shù) 設(shè)評(píng)價(jià)指標(biāo)各等級(jí)標(biāo)度值為x1，x2，…，x5，評(píng)價(jià)指標(biāo)等級(jí)標(biāo)度值組成向量為

X=(x1,x2,…,x5)=(0，25，50，75，100)。

(8)

3.1.3 三級(jí)指標(biāo)分值(三級(jí)單項(xiàng)適用指數(shù))的確定 設(shè)yc1，yc2，…，yc8為三級(jí)各指標(biāo)分值，則

(9)

3.2 二級(jí)指標(biāo)分值的確定

對(duì)應(yīng)B11的各三級(jí)指標(biāo)權(quán)重向量為

WB11=(wc1,wc2,…,wc5)。

(10)

則對(duì)應(yīng)的各三級(jí)指標(biāo)分值向量為

YB11C=(yc1,yc2,…,yc5)。

(11)

機(jī)器性能B11指標(biāo)分值為YB11，則

(12)

同理得出B12的分值，從而得到二級(jí)指標(biāo)的分值函數(shù)。

3.3 一級(jí)指標(biāo)分值的確定

設(shè)技術(shù)指標(biāo)A1的各二級(jí)指標(biāo)權(quán)重向量為

WA1=(wB11,wB12)。

(13)

設(shè)對(duì)應(yīng)的各二級(jí)指標(biāo)分值向量為

YA1B=(yB11,yB12)。

(14)

技術(shù)指標(biāo)A1分值為YA1，則

(15)

同理得出經(jīng)濟(jì)指標(biāo)(A2)、作業(yè)條件指標(biāo)(A3)的分值，從而得到一級(jí)指標(biāo)的分值函數(shù)。

3.4 綜合指標(biāo)分值的確定

設(shè)一級(jí)指標(biāo)的權(quán)重向量為

WZ=(wA1,wA2,wA3)。

(16)

設(shè)一級(jí)指標(biāo)分值向量為

YA=(yA1,yA2,yA3)。

(17)

因此可得出油菜收獲機(jī)械適用性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的綜合指標(biāo)分值(綜合適用指數(shù))YZ為

(18)

依據(jù)綜合指標(biāo)的分值，將油菜收獲機(jī)械適用性評(píng)價(jià)分5個(gè)等級(jí)：>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(shí)例

4.1 實(shí)例評(píng)價(jià)

選取目前市場(chǎng)上應(yīng)用較為廣泛的某型號(hào)油菜聯(lián)合收獲機(jī)為評(píng)價(jià)樣機(jī)，機(jī)器割幅為1 800 mm，割茬高度為260 mm，行進(jìn)速度為0.9 m/s(圖3)。為了能科學(xué)、系統(tǒng)地評(píng)價(jià)該油菜聯(lián)合收獲機(jī)，選取江蘇、青海、內(nèi)蒙古等3個(gè)代表性油菜種植區(qū)進(jìn)行試驗(yàn)，并對(duì)上述地區(qū)的農(nóng)機(jī)鑒定推廣站、監(jiān)理站、農(nóng)機(jī)專業(yè)合作社等領(lǐng)域的專家和用戶進(jìn)行調(diào)查，利用油菜收獲機(jī)械適用性綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，對(duì)該樣機(jī)的各級(jí)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)分，具體分值如表2所示。

表2 油菜聯(lián)合收獲機(jī)各級(jí)指標(biāo)分值

注：綜合指標(biāo)分值為43.92。

4.2 討論

作業(yè)質(zhì)量(B12)中總損失率(C121)指標(biāo)評(píng)分不佳，主要由于聯(lián)合收獲的方式對(duì)于內(nèi)蒙古、青海等地的超大規(guī)模種植的油菜收獲缺乏適應(yīng)性，易造成大量的收獲損失，應(yīng)采取分段收獲的方式，以適應(yīng)超大規(guī)模的種植模式。待評(píng)樣機(jī)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)主要存在以下問題：(1)采用聯(lián)合收獲方式時(shí)，為了減少割臺(tái)損失和機(jī)體損失，要求油菜的成熟度基本一致，而在大規(guī)模種植的情況下成熟度的一致性難以保證。(2)采用聯(lián)合收獲方式時(shí)，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(shí)間非常短暫，無法在此期間內(nèi)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(shí)也極易造成嚴(yán)重的割臺(tái)損失。

作業(yè)條件指標(biāo)(A3)中作物條件(B32)指標(biāo)評(píng)分不佳，主要因?yàn)橛筒说钠贩N、株型、種植密度等因素對(duì)油菜機(jī)械化收獲的質(zhì)量(尤其是損失率等)的影響較大。通過在上述3個(gè)典型油菜種植區(qū)的試驗(yàn)可知，油菜聯(lián)合收獲機(jī)械比較適用于植株較矮小、株型緊湊、分枝較少、莖稈纖細(xì)、成熟期基本一致、角果不易炸裂的油菜品種。對(duì)于種植規(guī)模小、田塊小的油菜產(chǎn)區(qū)，聯(lián)合收獲機(jī)具有便捷性和靈活性的優(yōu)勢(shì)。

油菜的成熟度(C322)對(duì)于機(jī)體損失、總損失率等油菜聯(lián)合收獲機(jī)質(zhì)量評(píng)價(jià)因素的影響很大。試驗(yàn)時(shí)，收獲區(qū)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(jī)體，造成脫粒機(jī)體損失(夾帶損失)嚴(yán)重。

根據(jù)樣機(jī)的綜合指標(biāo)分值，可得出其綜合指標(biāo)評(píng)價(jià)結(jié)論為一般。通過樣機(jī)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)可知，其結(jié)果與指標(biāo)體系評(píng)分結(jié)果基本一致，因此可知，利用該油菜收獲機(jī)械適用性評(píng)價(jià)體系能得出較為客觀、科學(xué)地評(píng)判結(jié)論。

5 結(jié)論

油菜收獲機(jī)械化是油菜生產(chǎn)全程機(jī)械化的重要環(huán)節(jié)[33]，其適用性評(píng)價(jià)是推廣油菜收獲機(jī)械的關(guān)鍵問題，因此油菜收獲機(jī)械適用性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系研究對(duì)提高油菜種植機(jī)械化水平、節(jié)本增效、促進(jìn)油菜生產(chǎn)具有重要意義。本研究依據(jù)全面性原則、客觀性原則、科學(xué)性原則、實(shí)用性原則，從技術(shù)指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、作業(yè)條件指標(biāo)3個(gè)方面構(gòu)建了基于模糊矩陣的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，確定了評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重，闡述了指標(biāo)分值的確定過程，并以市場(chǎng)上應(yīng)用較為廣泛的某型號(hào)油菜聯(lián)合收獲機(jī)為評(píng)價(jià)樣機(jī)，依據(jù)該機(jī)具的各項(xiàng)性能參數(shù)進(jìn)行判定評(píng)分。

通過上述研究可知，利用該評(píng)價(jià)體系能對(duì)油菜收獲機(jī)械適用性得出較為客觀的結(jié)論，為油菜收獲機(jī)械的推廣應(yīng)用等提供了較為科學(xué)規(guī)范和統(tǒng)一完整的評(píng)價(jià)方法，并為油菜收獲機(jī)械適用性評(píng)價(jià)工作的全面深入開展提供了基礎(chǔ)。