新疆玉米主栽區(qū)機(jī)具優(yōu)化配備研究

張靜　郭輝　韓長杰　楊宛章

摘要：農(nóng)業(yè)機(jī)械系統(tǒng)的配備是農(nóng)業(yè)機(jī)械化生產(chǎn)管理的最基本任務(wù)，結(jié)合新疆玉米主栽區(qū)的機(jī)械化生產(chǎn)工藝，以適時(shí)性損失和作業(yè)成本之和最小為目標(biāo)，采用非線性規(guī)劃法對(duì)溫泉縣農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機(jī)具進(jìn)行優(yōu)化配備，確定機(jī)具優(yōu)化配備方案，并與線性規(guī)劃模型進(jìn)行了對(duì)比分析，證明了方案的可行性。以此制定了不同規(guī)模下的機(jī)具配備方案，以期為新疆玉米機(jī)械化規(guī)模種植和機(jī)具優(yōu)化配置提供理論參考。

關(guān)鍵詞：玉米；優(yōu)化配備方案；機(jī)具；非線性；新疆

中圖分類號(hào)： S223 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)：1002-1302（2015）10-0471-03

玉米是新疆地區(qū)的主要農(nóng)作物之一，具有糧、經(jīng)、果、飼、能等多元用途，是畜牧養(yǎng)殖業(yè)的基礎(chǔ)和支柱，也是重要的工業(yè)原料，在全疆分布范圍極廣，種植面積和產(chǎn)量僅次于小麥和棉花，約占全區(qū)糧食播種面積的28%，占糧食總產(chǎn)量的40%以上，是新疆第2大糧食作物、第3大農(nóng)作物[1]。目前，新疆種植業(yè)以一家一戶、分散經(jīng)營的方式為主，無法形成規(guī)?；N植；且由于各地區(qū)農(nóng)作物生長條件、農(nóng)藝要求和種植規(guī)模存在一定的差異，出現(xiàn)機(jī)具盲目配備的現(xiàn)象，使得農(nóng)業(yè)機(jī)械無法發(fā)揮作用，導(dǎo)致動(dòng)力機(jī)械過剩、農(nóng)業(yè)機(jī)械利用率低等，既浪費(fèi)了生產(chǎn)資源，又增加了作業(yè)成本。要提高種植業(yè)規(guī)?；?jīng)營的生產(chǎn)效益，需要合理農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備的支撐，且只有實(shí)現(xiàn)機(jī)械化系統(tǒng)的規(guī)?；?、合理化經(jīng)營，才能保證農(nóng)業(yè)機(jī)械按時(shí)完成生產(chǎn)任務(wù)，提高農(nóng)業(yè)機(jī)械利用率。鑒于當(dāng)前新疆各玉米產(chǎn)區(qū)在選擇玉米生產(chǎn)農(nóng)業(yè)機(jī)器系統(tǒng)方案時(shí)往往難以取舍，本研究擬以新疆玉米的主栽區(qū)和優(yōu)勢區(qū)——溫泉縣為研究對(duì)象，借鑒國內(nèi)外成功經(jīng)驗(yàn)，對(duì)春播玉米機(jī)械化生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化配置研究，以解決生產(chǎn)過程中實(shí)際運(yùn)用的機(jī)器系統(tǒng)配備優(yōu)化的關(guān)鍵問題。

1 溫泉縣農(nóng)業(yè)生產(chǎn)工藝

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)工藝過程就是指從生產(chǎn)準(zhǔn)備開始，按照一定的農(nóng)業(yè)技術(shù)要求，對(duì)耕、耙、播、管、收等作業(yè)環(huán)節(jié)采取的措施和方法[2]。一個(gè)地區(qū)進(jìn)行機(jī)械系統(tǒng)優(yōu)化配備，最根本的依據(jù)是當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)機(jī)械化生產(chǎn)作業(yè)工藝流程。溫泉縣農(nóng)作物總播種面積約3.33萬hm2，主要農(nóng)作物有玉米、小麥、甜菜和油料作物等，實(shí)行一年一熟制。根據(jù)溫泉縣的氣候條件、自然資源、生產(chǎn)特點(diǎn)以及農(nóng)戶生產(chǎn)作業(yè)習(xí)慣等多方面的因素，制定溫泉縣小麥和玉米全年機(jī)械化生產(chǎn)作業(yè)流程。考慮到部分作業(yè)與玉米作業(yè)相互關(guān)聯(lián)，因此可將此部分列入小麥工藝流程中。圖1、圖2分別為溫泉縣主要農(nóng)作物冬小麥、春播玉米2種作物的機(jī)械化生產(chǎn)工藝。

依據(jù)以上生產(chǎn)工藝，制定出田間全年機(jī)械化工藝方案，共有14項(xiàng)作業(yè)。采用加速遺傳算法進(jìn)行投影尋蹤分類建模[3]，評(píng)選出適合當(dāng)前生產(chǎn)條件的4種大中型拖拉機(jī)作為動(dòng)力機(jī)械，即東方紅LX1304、福田雷沃M1854-G、約翰·迪爾JD1204和約翰·迪爾JDTN854，共配備8種農(nóng)機(jī)具。

2 優(yōu)化配備模型的建立

以作業(yè)時(shí)間、機(jī)器配備量、機(jī)組完成作業(yè)的臺(tái)班數(shù)為決策變量，以機(jī)器作業(yè)成本與適時(shí)性損失之和最小為目標(biāo)函數(shù)，以作業(yè)量、動(dòng)力機(jī)配備量、農(nóng)機(jī)具配備量和作業(yè)時(shí)間的相互關(guān)系為約束方程，運(yùn)用非線性規(guī)劃方法建模進(jìn)行尋優(yōu)計(jì)算，從而獲得最佳作業(yè)時(shí)間、最佳機(jī)型組合和最佳機(jī)器配備數(shù)量。

2.1 變量

共有機(jī)具配備臺(tái)數(shù)、作業(yè)機(jī)組臺(tái)班數(shù)和關(guān)鍵作業(yè)時(shí)間3類變量，分別如下所述。

2.1.1 機(jī)具配備量設(shè)定 主要機(jī)具配備量設(shè)定如下：X1為約翰·迪爾JDTN854拖拉機(jī)數(shù)，臺(tái)；X2為約翰·迪爾JD1204拖拉機(jī)數(shù)，臺(tái)；X3為東方紅-LX1304拖拉機(jī)數(shù)，臺(tái)；X4為福田雷沃M1854-G拖拉機(jī)數(shù)，臺(tái)；X5為1LYFT-435翻轉(zhuǎn)犁數(shù)，臺(tái)；X6為1LYF-540翻轉(zhuǎn)犁數(shù)，臺(tái)；X7為1LZ-3.6聯(lián)合整地機(jī)數(shù)，臺(tái)；X8為1LZ-4.2聯(lián)合整地機(jī)數(shù)，臺(tái)；X9為2BQM-4播種機(jī)數(shù)，臺(tái)；X10為2MBJ-2/12播種機(jī)數(shù)，臺(tái)；X11為3WP-3000噴桿式噴霧機(jī)數(shù)，臺(tái)；X12為3ZF-2.4中耕追肥機(jī)數(shù)，臺(tái)。

2.1.2 機(jī)組作業(yè)臺(tái)班數(shù)設(shè)定 機(jī)組作業(yè)臺(tái)班數(shù)設(shè)定如下：X13為約翰·迪爾JDTN854拖拉機(jī)平整玉米地臺(tái)班數(shù)；X14為約翰·迪爾JDTN854拖拉機(jī)玉米地播種臺(tái)班數(shù)；X15為約翰·迪爾JDTN854拖拉機(jī)玉米地化控臺(tái)班數(shù)；X16為約翰·迪爾JDTN854拖拉機(jī)平整小麥地臺(tái)班數(shù)；X17為約翰·迪爾JD1204拖拉機(jī)耕小麥地臺(tái)班數(shù)；X18為約翰·迪爾JD1204拖拉機(jī)小麥地追肥臺(tái)班數(shù)；X19為約翰·迪爾JD1204拖拉機(jī)玉米地開溝臺(tái)班數(shù)；X20為約翰·迪爾JD1204拖拉機(jī)耕玉米地臺(tái)班數(shù)；X21為約翰·迪爾JD1204拖拉機(jī)平整玉米地臺(tái)班數(shù)；X22為約翰·迪爾JD1204拖拉機(jī)玉米地中耕追肥臺(tái)班數(shù)；X23為約翰·迪爾JD1204拖拉機(jī)平整小麥地臺(tái)班數(shù)；X24為東方紅LX1304拖拉機(jī)玉米地化控臺(tái)班數(shù)；X25為福田雷沃M1854-G拖拉機(jī)玉米地開溝臺(tái)班數(shù)；X26為福田雷沃M1854-G拖拉機(jī)玉米地播種臺(tái)班數(shù)；X27為福田雷沃M1854-G拖拉機(jī)耕玉米地臺(tái)班數(shù)；X28為福田雷沃M1854-G拖拉機(jī)小麥地播種臺(tái)班數(shù)；X29為福田雷沃M1854-G拖拉機(jī)耕小麥地臺(tái)班數(shù)。

2.1.3 機(jī)組作業(yè)時(shí)間設(shè)定 機(jī)組作業(yè)時(shí)間設(shè)定如下：X30為玉米播種優(yōu)化時(shí)間，d；X31為玉米收獲優(yōu)化時(shí)間，d；X32為小麥播種優(yōu)化時(shí)間，d；X33為小麥?zhǔn)斋@優(yōu)化時(shí)間，d。

2.2 建立約束方程組[4-5]

3 優(yōu)化模型的求解與分析

3.1 優(yōu)化模型求解

本研究非線性優(yōu)化配備模型共有33個(gè)變量，其中非線性變量有16個(gè)。利用LINGO軟件編程求解，經(jīng)過102次迭代，得到局部最優(yōu)解。其中目標(biāo)函數(shù)的最小值Smin=5.877 78×107，即溫泉縣小麥與玉米全年機(jī)器作業(yè)成本與適時(shí)性損失之和為5 877.78萬元，其中玉米和小麥全年生產(chǎn)過程的適時(shí)性損失為1 220.116 2萬元。其余各決策變量優(yōu)化結(jié)果及圓整后結(jié)果見表1。endprint

3.2 結(jié)果分析與評(píng)價(jià)

3.2.1 結(jié)果分析 由計(jì)算結(jié)果可知，關(guān)鍵作業(yè)期得到了優(yōu)化，其中玉米適時(shí)播種時(shí)間為6 d，玉米適時(shí)收獲時(shí)間為4 d；小麥適時(shí)播種時(shí)間為28 d，小麥適時(shí)收獲時(shí)間為10 d。東方紅LX1304拖拉機(jī)和2BQM-4播種機(jī)優(yōu)化結(jié)果為0，與其配套的作業(yè)機(jī)組臺(tái)班數(shù)也為0，說明可以不用考慮配置這2種機(jī)械；福田雷沃M1854-G拖拉機(jī)耕作小麥和玉米地及玉米地開溝臺(tái)班數(shù)、約翰迪爾JD1204拖拉機(jī)平整小麥地臺(tái)班數(shù)為0，說明與之配套的1LYF-540翻轉(zhuǎn)犁和1LZ-4.2聯(lián)合整地機(jī)沒有起到作用，可以取消。

3.2.2 優(yōu)化方案評(píng)價(jià) 為驗(yàn)證該非線性優(yōu)化方案的可行性，將非線性方案優(yōu)化結(jié)果與線性優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。根據(jù)2種方案的生產(chǎn)系統(tǒng)優(yōu)化結(jié)果（表1），從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)2個(gè)方面進(jìn)行比較[6-8]，比較結(jié)果見表2。由此可見，非線性優(yōu)化模型與線性優(yōu)化模型相比，機(jī)器系統(tǒng)總投資減少了39.42%，農(nóng)機(jī)總動(dòng)力減少了 38.96%，在總作業(yè)費(fèi)用上節(jié)約了1 942.633 2萬元，即在相同的種植結(jié)構(gòu)和面積下，多收益1 942.633 2萬元，比之前增長9.91%，平均多收益602.85元/hm2；投資回收期縮短45%。這表明應(yīng)用該種非線性規(guī)劃模型方案得到的優(yōu)化結(jié)果比一般線性規(guī)劃模型方案更優(yōu)，進(jìn)一步證明該非線性建模方法是可行的。

4 不同經(jīng)營規(guī)模配備方案

以生產(chǎn)收益最大為目標(biāo)，設(shè)定玉米種植面積所占比例為λ，則小麥種植面積所占比例為（1-λ）。采用上述非線性優(yōu)化方案，計(jì)算得出溫泉縣小麥和玉米不同經(jīng)營規(guī)模的最佳農(nóng)業(yè)機(jī)械配備方案，詳見表3。由此可見，在上述經(jīng)營規(guī)模條件下，全部種植玉米獲得的經(jīng)濟(jì)效益更高；且隨著土地規(guī)模的增大，全年總收益越大，投資回收期逐漸縮短。對(duì)于上述機(jī)具配置為0的情況，可尋求農(nóng)機(jī)專業(yè)合作社或其他農(nóng)機(jī)專業(yè)戶進(jìn)行代耕、代作業(yè)服務(wù)，以降低作業(yè)成本，取得更高收益。

5 結(jié)論

本研究在作業(yè)成本最小、生產(chǎn)收益最大的優(yōu)化目標(biāo)下，運(yùn)用非線性規(guī)劃方法建立了數(shù)學(xué)模型，得出了1套適合當(dāng)前溫泉縣玉米種植模式下的農(nóng)機(jī)優(yōu)化配置方案，并以此建立了不同經(jīng)營規(guī)模下的機(jī)具配置方案，對(duì)指導(dǎo)玉米主栽區(qū)科學(xué)合理地選擇、配置農(nóng)機(jī)具，實(shí)現(xiàn)玉米現(xiàn)代化、集約化、專業(yè)化生產(chǎn)具有一定的現(xiàn)實(shí)意義和實(shí)用價(jià)值。

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