水稻生產全程機械化農機系統優化配備研究

馬 力,劉 鵬,李樹龍,喬金友

(1.東北農業大學 工程學院,哈爾濱 150030;2.北方寒地現代農業裝備技術重點實驗室,哈爾濱 150030;3. 黑龍江省濃江農場,黑龍江 佳木斯 156335)

0 引言

農業全程機械化農機系統優化配備是影響現代化農業發展的重要因素,是保證取得最大經濟效益的重要條件[1]。目前,濃江農場農機配備以經驗方式進行,使得農機配備不合理、農業機具配備不平衡,造成了資源的極大浪費,效益無法提高。因此,建立符合農場本身的機械配備成為當前濃江農場亟待解決的問題。

國內外對農機配備的研究都比較早,國外的Masood Alam等用最小成本法,分別對3種農作物的種植面積、田間作業次序、輪作方式和機器購買價格等作為輸入量進行研究,得到動力配備水平隨著種植面積和輪作方式的不同產生顯著變化的結論[2]。GHuan-Wen[3]在農機配備中考慮適時性損失,對最佳作業期及提前或滯后的損失變化展開研究。MA Mohamed等對優化機械模型進行優化開發,結果使得總費用減少23%[4]。中國農業大學、東北農業大學等單位在國內率先開展這方面的研究[5-7],取得了豐碩的成果。馬力等在研究小麥聯合收獲中建立以低成本、準時性和跨區域作業為目標的數學模型,同時考慮了車輛路徑和生產調度[8]。在以往的研究中普遍存在以下幾點不足:

1)模型的求解大多是應用智能優化方法,不能很好地被現階段國內農場的工作人員所應用,這導致很多研究不能得到應用和證實;

2)很多模型都是泛化的模型,應用于某個具體農場時又會出現不合理、不匹配的問題;

3)隨著新的農藝及耕作模式的出現,農業機器系統的優化配備所考慮的環節也應隨之進行完善,以往的研究中幾乎沒有對作物收獲后秸稈的處理環節中的農機具進行選型配備的研究。

基于以上問題,結合濃江農場當前以經驗的方式進行農業機器系統的配備。長期以來,農機配備最優的問題仍沒有得到很好的解決,且近幾年隨著國家對環境污染、秸稈焚燒治理的加強,該農場也開始著手引進秸稈打梱機、裝載機、運輸車等農機裝備,本文將水稻產后秸稈處理環節列入水稻生產全程機械化農機優選配備研究之中,力求給出更全面、科學合理的農機配備方案。

1 濃江農場現狀

濃江農場現有耕地面積35 576.51hm2,一區管理區的耕地面積為5 583.67hm2,農機具保有量851臺,濃江農場的水稻關鍵生產農藝如圖1所示。

圖1 濃江農場的水稻關鍵生產農藝圖

在航化作業中,農場每年只選取一種型號的航化飛機進行作業,且由第三方提供服務加上政府對此管控非常嚴格,每次使用必須要到東北民航局備案,所以這部分的選型配備不做考慮。至于棚內工作中的清雪、扣棚和浸種催芽,以及追肥等工作以人工為主也不做選型配備工作。

2 濃江農場動力機的選型及編組

在農機化系統配備中,農業機械型號的確定是一個重要內容,特別是處于當前農場對農機更新的大力推進階段,機器型號的精選應當首要考慮[9]。

2.1 動力機的選型

本文采用模糊綜合評價方法,進行動力機選型。

1)機器備選集的確定。在分析與實地考核的基礎上,將22 種農場現有的機型進行初步評價分析,分別將選出的聯合收獲機、拖拉機、打捆機及機械插秧機組成備選集。其中,拖拉機、聯合收獲機、插秧機的備選集分別為Y、L、T。

拖拉機備選集為

Y={Yj|j=1,…,10}

(1)

其中, LX1204(東方紅)、804(東方紅)、904(東方紅)、1304(迪爾)、1304(沃德)、1104(福田)、1004(福田)、954(久保田)、954(迪爾)、CFG904B(常發)分別由Y1,Y2,…,Y10表示。

2)評價指標集的確定。要確保篩選出的評價指標可以較全面地反映出被評價對象的主要側面,集中專家意見后,選取 6 個以下指標集,且拖拉機、收獲機械與插秧機共用同一個指標集,即

z={zj|j=1,2,…,6}

(2)

其中,z1為經濟指標,z4為技術可靠指標,z2為零件易配指標,z5為適應指標,z3為動力指標,z6為操作方便性與舒適指標。

3)數據處理。為完成對黑龍江濃江農場機器的選型,利用專家打分的方法,收集各專家對同一種類不同型號的拖拉機進行單獨打分,并對各評價指標求取平均值,即

(3)

i=1,2,3,…,p;j=1,2,…,m

其中,n為專家數量;Δij為各專家對第i種機器,j為項指標評價的均值;Δkij為專家k對機器i,指標項j的打分(k=1,2,…,5);p為備選集的機器類別(拖拉機時p=10,聯合收獲機時p=5,插秧機時p=4)。

按式(3)計算,得到如下平均值如表 1所示。

將表1內的平均值按式(4)轉化為(0,1)區間上隸屬度,則有

表1 各拖拉機的打分情況

(4)

將結果排序得到

Y3>>Y7>>Y6>>Y1>>Y2>>Y8>>Y9>>Y4其中,>>為優先符號。

按照上述方法分別給出插秧機和聯合收割機的結果分別是:①久保田>>洋馬>>沃得>>錦禾;②CF809(常發佳聯)>>沃得>>久保田988>>洋馬>> C230(約翰迪爾)。

在進一步的篩選中,結合農場本身是作業項目較多的農業企業,將選擇 2～3種型號的拖拉機[10],選取迪爾1204、福田1004、東方紅904為主要動力機型;收獲機械選則常發cf809和沃得銳龍收割機;插秧機選擇久保田、洋馬插秧機;打捆機選擇CLASS(克拉斯)MARKANT65和Vermeer(威猛)404Pro[11]。

2.2 動力機械與作業機械的編組

根據公式,實際功率為

(5)

負荷系數為

(6)

生產率為

(7)

其中,V為作業速度(km/h),K為作業比阻(N/m),PeH為額定功率(kW),PT為牽引功率(kW),ηT為牽引效率,B為作業幅寬(m)。

將動力機械與作業機具配套,得出其負荷系數。本文主要選擇負荷系數在75%～85%間的機組,結合農場作業工藝建立配備模型[12]。

2.3 第一管理區機器系統優化配備模型構建

2.3.1 模型的特點

約束模型的構建是農機系統優化配備中又一重要環節,在濃江農場的農機系統優化配備中,機具的數量應為整數,以獲得成本最大限度的節約[1]。本文采用整數線性規劃進行分析,建立貼近農場本身的數學規劃模型,對以往的模型進行了進一步的改進。

1)在水稻生產全程機械化的農機系統優化配備中第一次將水稻收獲后的秸稈收獲環節列入到了農機系統配備模型的構建之中。

2)模型將運輸車設置為變量,考慮到運糧和運捆的車輛數,從而由模型得到農場全程機械化農機系統配備結果。

2.3.2 變量設置

設完成全年作業所需的動力機的配備量Xj(j=1,…,7),分別表示東方紅904、福田1004、迪爾1204、常發佳聯CF809聯合收割機、沃得聯合收割機、沃得聯合收割機、久保田插秧機、洋馬插秧機。

設完成全年作業所需的作業機的配備量Xj(j=7,…,16)分別表示連云港,開旋王攪漿機、沃得摟草機、克拉斯,威猛打捆機、5-27水田犁、6-30水田犁,以及4t拖車和平板車。

2.3.3 建立約束方程組

根據水稻機械化作業工藝和主要變量的設置情況,建立4項數學模型的約束方程組。

1)作業量約束:機組在任一項完成的總耕作量應不小于所要求的作業量。

將變量變為統一變量,目的是為了模型建立及計算的方便,將xji,k分別對應為各統一變量從x17至x43,則有

(8)

其中,Vij為第i項作業時的第j種動力機組的生產率(hm2/班),xij為第i項作業時的第j種動力機組的臺班數,S為總作業量。

(9)

j=1, 2,…, 7;i=1, 2,…,6,k∈Im

其中,Cij表示動力機j,在i項作業中的可下地概率;Dij表示動力機j,在i項作業日作業班次數;Rji,k表示動力機j,在i項耕作,k個農事階段的可作業天數;xji,k表示動力機j,在i項作業k個農事階段中需配備的機組數。

2)動力機配備約束:任一農事階段內,在各項作業中的總的動力機大于(或等于)該種動力機總配備量,即

(10)

式中xji,k—第k個農事階段中第j種動力機配備量;

xj—全年完成作業需配備動力機量。

3)農具配備量約束:同時使用某種農具的總量,在第i項作業第k個農事階段中,應大于(或等于)該農具配備量,即

(11)

式中xji,k—動力機j,在i項作業k個農事階段需配備的機組數;

xq—農具q在完成作業時所需配備量。

4)協調約束。

(1)運輸車與收割機間的協調關系,即運輸車日運量應大于(或等于)收割機日收獲量,即

(12)

(2)平板車與打捆機之間的協調關系,平板車日運量應大于(或等于)打捆機的打捆量,即

(13)

式中Aji—第j種收割機,第i項耕作中臺班生產率(hm2/班);

Bji—第j種打捆機,第i項耕作中臺班生產率(hm2/班);

xji,k—j種收割機/打捆機,第i項耕作第k個農事階段中需要配備的機器數量(臺);

Zji—第j種收割機/打捆,第i項耕作時的機器可耕作班次數(班);

E—運輸車/平板車載重量(t/車);

m—運輸車/平板車運輸谷物時往返次數;

w—谷物/秸稈公頃產量(t/hm2)。

2.3.4 建立目標函數

目標函數由動力機固定費、耕作機械固定費及機組耕作的可變費組成,分別由CF、CI、Cv表示,即

fmin=CF+CI+Cv

(14)

其中,CF為動力機全年耕作的固定費,包括利息費、折舊費和管理費。

式中aj—拖拉機j各項耕作中臺均攤固定費(元/臺),見表2;

表2 濃江農場農機具年費用統計表

xj—第j種動力機在完成全年作業時需配備量(臺)。

(15)

式中bq—農具q各項耕作中臺均攤固定費(元/臺),見表2;

xq—完成耕作所需配備的第q種農具數量。

(16)

式中Bij—機組j在i項耕作中單位可變費,包括維修費、油料費和人員工資,見表2;

Wij—動力機組j第i項耕作的生產率;

xij—動力機組j第i項耕作的臺班數。

根據實地調研數據可得濃江年固定費用及可變費用表,如表2[12]所示

綜合以上3項因素的目標函數為(xij的計算見式9)

fmin=CF+CI+Cv=

所建立的模型共有43個決策變量,均為整數,約束條件共有45個。

根據實地調查情況及表2的具體參數及耕作量,可得具體數學具體模型,并應用lingo求解。對管理區一區的優化結果及當前的配備量如表3所示。剩余8個管理區用同樣的方式計算。

表3 管理區一區的優化結果及當前的配備量

3 農機系統優化配備前后討論與分析

3.1 農機系統優化配備前后評價分析

用上述同樣的方法對農場剩余8個耕作區進行優化計算,得到濃江農場9個管理區的全部配備結果,并將其與當前配備量進行對比分析,如表4所示。

表4 優化前后的效益對比表

從表4優化前后的結果可以看出:與優化前相比,較之在總耕作成本上減少了1 425.16萬元,單位成本上節約400.60元,在配備數量上節約了1 498臺。對于相同的種植面積而言,優化前的結果與優化后的情況相比,造成了很大的浪費。通過數據對比,證明該建模方法是可行且較佳的。

3.2 優化后的閑余農機具的討論利用

通過對濃江農場水稻生產機器系統的優化配備分析,發現目前農場的機具配備量屬于超飽和配備狀態。造成設備閑余主要有兩個方面:一是技術更新;二是農機購置的無計劃性。在此為如何盤活閑余機具提出幾點建議:

1)閑置農業機具可作為輔助或備用機具在農機突擊耕作過程中使用,以確保在特殊情況下配合完成耕作任務。

2)將閑置機具變賣處理,減少資金占用, 也可對閑置機具進行適當的改裝或參與農機置換。

4 結論及展望

4.1 結論

1) 結合濃江農場農機系統配備的現狀,通過實地調研,在分析當前水稻全程機械化作業工藝要求的基礎上,應用模糊綜合評價法對主要的動力機和打捆機進行選型,給出了合理的選型方案。

2)通過將打捆機和平板車納入到模型中,建立從翻地到水稻秸稈收儲運全程的整數線性規劃模型,優化后的配備方案較當前配備具有更好的經濟效益。同時,明確了該農場閑置農機的臺套數,并給出了閑置農機合理的處理措施。

4.2 展望

1)由于試驗中機組的牽引效率主要以參考已有數據為主,而近年來國內對不同動力機組的牽引效率研究記錄較少,因此對于一些新型機組的牽引效率則根據經驗給出,在后續的研究工作中將結合相關機組的實際生產情況進行測試記錄,使得基礎數據更加豐富充實。

2)在未來的研究中將對選型方法做深入的研究,盡量通過實際試驗獲得更客觀的數據。進一步加強決策模型的適應性,使其能靈活的適用不同規模農場不同時間的決策需求。在模型求解方法上進一步探討,使其在即能保證所需精度的前提下,更能方便于農場工作人員的實時操作。