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1農(nóng)業(yè)機(jī)械優(yōu)化配備原則研究

作業(yè)成本最小在生產(chǎn)任務(wù)和其他條件基本相同的情況下，將農(nóng)業(yè)機(jī)械年固定費(fèi)用和可變成本(油料、勞動(dòng)力、維修費(fèi)、種子和農(nóng)藥等)作為機(jī)器作業(yè)的總成本，單位面積所需投入的機(jī)械成本最小，這是普通農(nóng)機(jī)戶或投資者在進(jìn)行農(nóng)機(jī)優(yōu)化配備時(shí)最先考慮的因素。都以作業(yè)成本最低為原則，建立計(jì)算機(jī)模型或理論計(jì)算，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械優(yōu)化配備。在實(shí)際運(yùn)用時(shí)，一般將適時(shí)性損失納入成本計(jì)算，忽略作物輪作方式和機(jī)組選擇的相互影響，也沒(méi)有考慮拖拉機(jī)與機(jī)具配套的合理性，因而操作簡(jiǎn)單，但精確性不足。2005年，A.de.Toro在瑞士通過(guò)研究農(nóng)場(chǎng)面積、駕駛員數(shù)量、機(jī)器功率和地理位置等因素的變化與適時(shí)性損失的關(guān)系，以此求得由機(jī)器成本、勞動(dòng)力成本和適時(shí)性損失構(gòu)成的總作業(yè)成本最小。研究結(jié)果表明，由于耕地面積和天氣影響，年度的適時(shí)性損失為非線性變化，難以預(yù)測(cè)，在機(jī)器配備過(guò)程中，應(yīng)選擇功率較大的機(jī)器，以降低適時(shí)性損失的風(fēng)險(xiǎn)。生產(chǎn)效益最大效益最大化是以生產(chǎn)效益為目標(biāo)函數(shù)，對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化配備，優(yōu)化結(jié)果以定量化的利潤(rùn)顯示，因而可以直接指導(dǎo)用戶進(jìn)行決策。1993年，ImadHaffar和RamziKhoury運(yùn)用Fortran77編程語(yǔ)言，開(kāi)發(fā)了多作物種植系統(tǒng)的農(nóng)業(yè)機(jī)械優(yōu)化配備的計(jì)算機(jī)模型MSMC，該模型通過(guò)輸入農(nóng)場(chǎng)尺寸和作物種植模式，經(jīng)計(jì)算機(jī)的智能決策分析，為用戶輸出最優(yōu)配備組合，包括機(jī)器型號(hào)，數(shù)量和尺寸。文獻(xiàn)也是以同樣的原則進(jìn)行配備。動(dòng)力配置最小該原則是從生產(chǎn)過(guò)程中能量消耗最少目的出發(fā)，是系統(tǒng)工程思想的延伸和發(fā)展。從理論角度分析，動(dòng)力消耗問(wèn)題一般是先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定某種作業(yè)單位幅寬或單位產(chǎn)量所需動(dòng)力數(shù)，然后確定需要配置的總的動(dòng)力大小，但在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，能量的消耗難以測(cè)算，主觀經(jīng)驗(yàn)存在差異，所以誤差較大，不能滿足用戶的實(shí)際需求，僅適合科研實(shí)驗(yàn)。KishorMButani和GajendraSingh在1994年開(kāi)發(fā)出了決策支持系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)建立移動(dòng)式作業(yè)和固定式作業(yè)的能量消耗方程，經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)優(yōu)化，選出最優(yōu)的動(dòng)力配置。類(lèi)似研究還有1984年Khan’s，Chaudhry，M.S和Sherif，S等人以能量消耗原則，建立計(jì)算機(jī)模型對(duì)某一農(nóng)場(chǎng)優(yōu)化配置指定拖拉機(jī)型號(hào)。

2農(nóng)業(yè)機(jī)械配備方法比較研究

農(nóng)業(yè)機(jī)械優(yōu)化配備早期研究主要以經(jīng)驗(yàn)法為主，隨著農(nóng)機(jī)化水平的不斷提高，農(nóng)機(jī)保有量的不斷增加，經(jīng)驗(yàn)法無(wú)法適應(yīng)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要求。經(jīng)過(guò)眾多專家學(xué)者的不斷完善和創(chuàng)新，農(nóng)機(jī)優(yōu)化配備發(fā)展至今，出現(xiàn)了如能量法、線性規(guī)劃法、機(jī)器—時(shí)間系統(tǒng)法和計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)等十幾種方法，方法核心是以專家經(jīng)驗(yàn)法、作業(yè)量法和線性規(guī)劃法為基礎(chǔ)，其他方法是由此三種方法演變形成。

2.1專家經(jīng)驗(yàn)法專家經(jīng)驗(yàn)法主要用于農(nóng)業(yè)機(jī)械選型，由于選型過(guò)程中部分指標(biāo)不易直接量化，構(gòu)建數(shù)學(xué)模型難度較大，因此要借助專家經(jīng)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)優(yōu)化選型。專家經(jīng)驗(yàn)的可靠性決定了優(yōu)化結(jié)果的有效性。1993年韓正晟利用層次分析法結(jié)合專家經(jīng)驗(yàn)確定農(nóng)機(jī)選型指標(biāo)權(quán)重，選出局部區(qū)域內(nèi)的最佳作業(yè)機(jī)型。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和通訊行業(yè)的飛速發(fā)展，專家經(jīng)驗(yàn)法實(shí)現(xiàn)了用戶和專家面對(duì)面的交流溝通。2011年Mehta,CR和Singh,K基于VisualBasic語(yǔ)言開(kāi)發(fā)出了一個(gè)專家決策支持系統(tǒng)，該系統(tǒng)由五大部分組成，包括操作界面、智能決策系統(tǒng)、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)據(jù)輸出模塊和專家在線咨詢模塊，操作簡(jiǎn)單，由人工智能和專家在線雙重決策，決策結(jié)果可靠性較高，但在線專家系統(tǒng)沒(méi)有完善的管理措施，在線回復(fù)率不夠穩(wěn)定。我國(guó)高洪偉和何瑞銀2011年以智能系統(tǒng)PAID4.0為平臺(tái)，開(kāi)發(fā)出了稻麥?zhǔn)斋@機(jī)械選型的決策支持系統(tǒng)。

2.2作業(yè)量法作業(yè)量法又稱為生產(chǎn)率法，這是使用最早而且現(xiàn)在仍被廣泛借鑒的一種農(nóng)業(yè)機(jī)械優(yōu)化配備方法。它根據(jù)全年作業(yè)高峰期的工作量來(lái)配備所需動(dòng)力機(jī)械的型號(hào)和數(shù)量，只要達(dá)到高峰期工作量對(duì)動(dòng)力機(jī)械的要求，其他作業(yè)階段的要求也就可以滿足。作業(yè)量法能夠長(zhǎng)期應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐中，主要原因在于它不需要高深的專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)和復(fù)雜計(jì)算，而優(yōu)化結(jié)果既能滿足生產(chǎn)要求，又能在一定程度上實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)優(yōu)化的目的。在實(shí)際操作過(guò)程中，它不考慮適時(shí)性損失影響。作業(yè)量法根據(jù)約束條件的不同又可細(xì)分為機(jī)組生產(chǎn)率法、能量法和時(shí)間約束法。1)機(jī)組生產(chǎn)率法：機(jī)組生產(chǎn)率法是根據(jù)作業(yè)項(xiàng)目和作業(yè)面積，結(jié)合當(dāng)?shù)貏趧?dòng)力情況、經(jīng)濟(jì)條件和機(jī)械作業(yè)質(zhì)量等因素，確定各項(xiàng)作業(yè)項(xiàng)目的日程表，以此選擇合適機(jī)型進(jìn)行合理配套。在實(shí)際操作中先根據(jù)地塊的具體情況計(jì)算機(jī)組生產(chǎn)率，再根據(jù)作業(yè)量確定拖拉機(jī)的動(dòng)力配置。利用機(jī)組生產(chǎn)率法確定拖拉機(jī)的優(yōu)化配備。2)能量法：能量法最早出現(xiàn)于20世紀(jì)90年代歐美國(guó)家，根據(jù)能量平衡原理，通過(guò)作業(yè)時(shí)需要消耗的能量來(lái)計(jì)算所需拖拉機(jī)的總功率，忽略機(jī)組配套，因而計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)便，但能量的計(jì)算存在較大的誤差，因而該方法比較適用于大范圍內(nèi)的整體規(guī)劃，不易作具體優(yōu)化配備。3)時(shí)間約束法：時(shí)間約束法是在確定作業(yè)量，適宜作業(yè)時(shí)間和各型號(hào)機(jī)器在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成給定生產(chǎn)任務(wù)前提下，計(jì)算所需配備的機(jī)器數(shù)量，優(yōu)缺點(diǎn)同能量法。該方法目前主要用于一些精確配套方法的驗(yàn)證。

2.3線性規(guī)劃法線性規(guī)劃法是運(yùn)籌學(xué)的一個(gè)分支，主要用于解決資源優(yōu)化配備和生產(chǎn)合理組織問(wèn)題，是目前應(yīng)用最多也最成熟的農(nóng)業(yè)機(jī)械優(yōu)化配備方法。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)可根據(jù)不同的優(yōu)化目標(biāo)，以機(jī)器的作業(yè)量、作業(yè)時(shí)間、機(jī)器和機(jī)具的配備量為約束建立線性方程。1988年D.E.K.Line和D.A.Bender首次將線性規(guī)劃應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機(jī)器優(yōu)化配備。Witney在1988年開(kāi)始測(cè)試農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模型的效率，主要測(cè)試的影響因素包括工作環(huán)境、噪音、動(dòng)力輸出和操作事故控制等。隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械化的快速發(fā)展，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的經(jīng)營(yíng)管理者對(duì)優(yōu)化目標(biāo)的要求越來(lái)越精確，線性規(guī)劃法在農(nóng)機(jī)優(yōu)化配備上得到快速發(fā)展。到目前為止，以線性規(guī)劃法為基礎(chǔ)進(jìn)行改進(jìn)而形成的優(yōu)化配備方法有五六種之多，主要包括非線性規(guī)劃法、整數(shù)線性規(guī)劃法、混合整數(shù)線形規(guī)劃法、機(jī)器-時(shí)間系統(tǒng)法和最小年度費(fèi)用法等。1988年周應(yīng)朝和高煥文通過(guò)非線性規(guī)劃法對(duì)華北平原地區(qū)一年兩熟耕作制度的作業(yè)期限進(jìn)行優(yōu)化，并將運(yùn)算時(shí)間縮短到了使用范圍內(nèi)。文獻(xiàn)從最小成本角度出發(fā)選擇合理的動(dòng)力機(jī)械配置，以水稻、黃麻和小麥三種作物的種植面積、輪作方式、田間作業(yè)次序、作物產(chǎn)量、產(chǎn)值和機(jī)器價(jià)格為變量進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果表明，動(dòng)力機(jī)械配置水平隨著種植面積和輪作方式的變化而產(chǎn)生顯著變化。20世紀(jì)90年代，隨著電子信息行業(yè)的飛速發(fā)展，國(guó)內(nèi)外專家開(kāi)始嘗試將計(jì)算機(jī)技術(shù)和線性規(guī)劃法相結(jié)合，并開(kāi)發(fā)出了多種專家決策支持系統(tǒng)軟件。2003年，HenningTSogaad以非線性規(guī)劃法為核心，利用計(jì)算機(jī)語(yǔ)言開(kāi)發(fā)出了GAMS農(nóng)機(jī)優(yōu)化配備模型，通過(guò)計(jì)算機(jī)輸入農(nóng)場(chǎng)規(guī)模、田塊大小和種植模式，并考慮適時(shí)性損失，由計(jì)算機(jī)運(yùn)算后輸出所需配備的拖拉機(jī)動(dòng)力和數(shù)量。2009年，蔣萬(wàn)祥和胡德民在線性規(guī)劃法基礎(chǔ)上，利用計(jì)算機(jī)語(yǔ)言VB6.0，以年度費(fèi)用最小為優(yōu)化目標(biāo)開(kāi)發(fā)出了相似的優(yōu)化模型。與此同時(shí)，相應(yīng)的計(jì)算軟件也開(kāi)始在優(yōu)化配備中得以廣泛應(yīng)用，例如Matlab和Excel等。文獻(xiàn)也都涉及到計(jì)算機(jī)技術(shù)在優(yōu)化配備方法中的應(yīng)用。

3我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械系統(tǒng)優(yōu)化配備應(yīng)用局限與展望

3.1農(nóng)戶種植規(guī)模小，缺乏廣泛應(yīng)用前提我國(guó)農(nóng)機(jī)化水平低，2012年全國(guó)耕種收綜合機(jī)械化水平57%，單個(gè)農(nóng)戶戶均規(guī)模0.47~0.53hm2，家家戶戶購(gòu)買(mǎi)農(nóng)機(jī)不經(jīng)濟(jì)，較多的農(nóng)機(jī)作業(yè)依靠社會(huì)服務(wù)組織完成，因此對(duì)農(nóng)機(jī)配備優(yōu)化沒(méi)有需求，目前我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械優(yōu)化配備方法僅應(yīng)用在部分大型農(nóng)場(chǎng)或農(nóng)村合作經(jīng)營(yíng)組織。

3.2農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與農(nóng)機(jī)裝備基礎(chǔ)數(shù)據(jù)不足當(dāng)前農(nóng)機(jī)優(yōu)化配備方法研究熱點(diǎn)是計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的應(yīng)用，然而計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)能否有效解決優(yōu)化配備問(wèn)題，不僅取決于計(jì)算機(jī)模擬模型自身的適用性，更重要的是需要完善的農(nóng)機(jī)化基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。前文介紹了計(jì)算機(jī)模擬系統(tǒng)由操作界面、智能決策、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)據(jù)輸出模塊和專家在線咨詢模塊等組成，其中基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)和核心部分。為使優(yōu)化結(jié)果精確合理，計(jì)算機(jī)模擬系統(tǒng)必須具備以下三類(lèi)數(shù)據(jù)，首先是拖拉機(jī)的牽引特性、附著系統(tǒng)、滾動(dòng)阻力系統(tǒng)、機(jī)械作業(yè)比阻、機(jī)組油耗指標(biāo)等資料；其次是適時(shí)性損失和氣候條件；最后是當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)發(fā)展水平。但實(shí)際上，我國(guó)這些數(shù)據(jù)比較缺乏或誤差較大，尤其是作物適時(shí)性損失和氣候條件。

3.3農(nóng)機(jī)優(yōu)化配備實(shí)用性成果較少我國(guó)的農(nóng)業(yè)機(jī)械優(yōu)化配備方法研究多數(shù)是在理想狀態(tài)作業(yè)條件進(jìn)行，例如作業(yè)時(shí)間固定不變、種植模式固定不變、機(jī)器的完好率為100%和簡(jiǎn)化農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝之間的內(nèi)在聯(lián)系等。在此理想狀態(tài)下計(jì)算的優(yōu)化結(jié)果往往與生產(chǎn)實(shí)踐要求存在很大差距。另一方面，多數(shù)用于優(yōu)化的模型結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，對(duì)于缺乏農(nóng)業(yè)系統(tǒng)工程背景知識(shí)的用戶來(lái)說(shuō)，必須在專業(yè)人員指導(dǎo)下才能完成操作。因此，該領(lǐng)域研究主要還停留在專業(yè)人員實(shí)驗(yàn)示范研究階段，真正能夠指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的實(shí)用性成果很少。

4后期研究方向

4.1完善農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)農(nóng)業(yè)機(jī)械化基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)不僅是決策支持系統(tǒng)的核心，也是常規(guī)理論分析方法的基礎(chǔ)。我國(guó)現(xiàn)有的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)只是針對(duì)某一局部區(qū)域或特定農(nóng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)，缺少系統(tǒng)性試驗(yàn)研究，然而數(shù)據(jù)的收集非常困難，尤其是針對(duì)適時(shí)性損失和氣候數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)，歐美一些國(guó)家長(zhǎng)期持續(xù)開(kāi)展這項(xiàng)工作，我國(guó)這方面的數(shù)據(jù)非常缺乏。因此，我們應(yīng)加強(qiáng)對(duì)已有數(shù)據(jù)進(jìn)行總結(jié)歸類(lèi)，對(duì)缺失的數(shù)據(jù)從零開(kāi)始進(jìn)行收集，試驗(yàn)研究。

4.2加大農(nóng)機(jī)優(yōu)化配備方法中可變因素研究農(nóng)機(jī)優(yōu)化配備是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，設(shè)計(jì)過(guò)程中一方面要考慮農(nóng)業(yè)機(jī)械的生產(chǎn)技術(shù)、作業(yè)質(zhì)量和年折舊費(fèi)等固定因素，另一方面還有考慮天氣、油價(jià)和勞動(dòng)力成本等可變因素?？勺円蛩厥顷P(guān)系優(yōu)化配備方法成敗的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，究其原因，一方面在于可變因素?cái)?shù)量多，設(shè)計(jì)過(guò)程中難以抉擇；另一方面，可變因素的存在，很大程度上增加了優(yōu)化配備方法中數(shù)學(xué)運(yùn)算的難度。因此，可變因素研究是我國(guó)農(nóng)機(jī)優(yōu)化配備后期研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

4.3強(qiáng)化作業(yè)機(jī)型與地塊的適應(yīng)性研究前期農(nóng)機(jī)優(yōu)化配備系統(tǒng)中的機(jī)組作業(yè)效率以標(biāo)準(zhǔn)化地塊作為作業(yè)條件來(lái)計(jì)算，而在現(xiàn)實(shí)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中很難達(dá)到。地塊形狀、坡度和物理性質(zhì)等條件在不同地區(qū)差異很大，尤其是丘陵山地地區(qū)地塊更是各有特點(diǎn)。土地規(guī)模化很難在短時(shí)間內(nèi)完成，在此期間要提高機(jī)具的作業(yè)效率，研發(fā)新型機(jī)具仍是關(guān)鍵，但通過(guò)調(diào)整機(jī)具作業(yè)工序和機(jī)具優(yōu)化選型來(lái)適應(yīng)不同特點(diǎn)的地塊也是一個(gè)重要研究方向。

4.4建立計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)農(nóng)機(jī)優(yōu)化配備方法成果示范區(qū)在國(guó)外，計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械優(yōu)化配備上的使用已經(jīng)相當(dāng)成熟和普遍，決策支持系統(tǒng)的應(yīng)用性成果越來(lái)越多。我國(guó)由于諸多因素的限制，在這方面的研究基礎(chǔ)還相當(dāng)薄弱，目前尚無(wú)指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐的應(yīng)用性成果。鑒于此，后期我們應(yīng)該在耕作條件成熟的局部范圍內(nèi)，加強(qiáng)計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)力度，加快相關(guān)成果集成示范，不斷摸索總結(jié)，逐步提高我國(guó)農(nóng)業(yè)裝備優(yōu)化配備水平。

作者：曹光喬高慶生朱梅朱曉星單位：農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)常柴股份有限公司