收獲機組作業(yè)時間分析與建模

喬金友，韓兆楨，李傳磊，陳海濤，衣佳忠，姜　巖，黃　超，張東光

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，哈爾濱　150030；2.內(nèi)蒙古阿拉善盟額濟納旗農(nóng)牧業(yè)機械化推廣站，內(nèi)蒙古 額濟納旗　735400)

?

收獲機組作業(yè)時間分析與建模

喬金友1，韓兆楨1，李傳磊1，陳海濤1，衣佳忠1，姜巖1，黃超1，張東光2

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，哈爾濱150030；2.內(nèi)蒙古阿拉善盟額濟納旗農(nóng)牧業(yè)機械化推廣站，內(nèi)蒙古 額濟納旗735400)

摘要：收獲作業(yè)是糧食生產(chǎn)過程關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，選擇適宜的收獲機械適時完成收獲作業(yè)是糧食豐產(chǎn)豐收的重要保障，因此提高農(nóng)業(yè)收獲機組效率已成為收獲作業(yè)的重要組成部分。依據(jù)收獲機組實際作業(yè)測得數(shù)據(jù)進行分析，明確了典型聯(lián)合收獲機作業(yè)時間項目構(gòu)成，建立了純作業(yè)、轉(zhuǎn)彎、卸糧等各個時間項目的數(shù)學(xué)計算模型。針對3種卸糧方式—單側(cè)卸糧、雙側(cè)卸糧、滿箱卸糧分別建立數(shù)學(xué)模型，對3種不同的卸糧方式時間利用率進行了分析比較，同時選擇約翰迪爾9660進行試驗研究。

關(guān)鍵詞：收獲機組；時間利用率；地塊條件；模型

0引言

農(nóng)業(yè)機器選型問題作為機器系統(tǒng)優(yōu)化的內(nèi)容之一，一直受到國內(nèi)外學(xué)者的高度重視。MassimoLazzari(1996)等人利用遺傳算法的相關(guān)理論，建立了數(shù)學(xué)模型對農(nóng)業(yè)機器系統(tǒng)進行優(yōu)化[1]。Nanseki(1998)綜合考慮了多方面因素設(shè)計了一個專家決策模型，通過輸入農(nóng)機參數(shù)和作物生產(chǎn)過程參數(shù)，最后輸出優(yōu)化的作物總產(chǎn)量、總收入、總成本及種植面積等[2]。Takeshi Ttoh(2002)等人指出線性規(guī)劃的一些不足之處，提出一個不確定規(guī)劃模型[3]。丹麥專家Henning T. Sogaard等(2004)開發(fā)了一個非線性規(guī)劃模型，該模型以成本(包括固定成本和可變成本等)最低為原則選擇最優(yōu)的農(nóng)業(yè)機械系統(tǒng)，模型輸入為種植期限和地塊面積等,模型的輸出是每臺拖拉機的功率、機器的大小和機器數(shù)量[4]。雖然現(xiàn)有的農(nóng)業(yè)機器選型方法均將定性與定量相結(jié)合，但是針對典型作業(yè)機組缺乏針對性和科學(xué)性，不能定量指導(dǎo)不同地塊條件下農(nóng)機選型問題。本文研究作業(yè)時間利用率隨地塊條件(面積、長度、寬度、地塊間距離)變化規(guī)律的相關(guān)研究未見報道。

在測試收獲機組作業(yè)時間消耗試驗中發(fā)現(xiàn)，收獲機組在作業(yè)過程中的時間消耗項目多且出現(xiàn)頻率不一。為了明確各類時間消耗項目對作業(yè)機組時間利用率的影響，選擇收獲機組在整個作業(yè)季內(nèi)的作業(yè)來研究。分析不同地塊條件下的3種卸糧方式(單側(cè)卸糧、雙側(cè)卸糧、滿箱卸糧)在作業(yè)過程中的時間構(gòu)成，分別建立純作業(yè)時間、卸糧時間、轉(zhuǎn)彎時間、卸糧前準(zhǔn)備時間、卸糧后準(zhǔn)備進地時間、停車時間等時間項目數(shù)學(xué)模型，建立整個作業(yè)季節(jié)收獲機組時間利用率隨地塊條件變化規(guī)律的數(shù)學(xué)模型。

1機組時間利用率概念

農(nóng)業(yè)機組的時間利用率與許多因素有關(guān)，如作業(yè)速度、機器的結(jié)構(gòu)形式、工作可靠性及與之協(xié)調(diào)工作的有關(guān)設(shè)備等[5]。時間利用率分為純工作小時、作業(yè)小時、班次，以及標(biāo)定單位功率時間利用率。本研究一個作業(yè)季(多班次)時間利用率，是農(nóng)業(yè)機組在一個作業(yè)季節(jié)內(nèi)純作業(yè)時間與總作業(yè)時間的比值[6]，則有

(1)

式中K—收獲機組的作業(yè)季時間利用率；

Tz—收獲季節(jié)的純作業(yè)時間；

Tb—收獲季節(jié)的總作業(yè)時間。

結(jié)合地塊條件及實際作業(yè)特點，聯(lián)合收獲機在作業(yè)過程中可采取單側(cè)卸糧、雙側(cè)卸糧和滿箱卸糧。單側(cè)卸糧是接糧車只在地塊一側(cè)等待接糧，機組只在地塊一側(cè)卸糧；雙側(cè)卸糧是機組可以在地塊兩側(cè)卸糧；滿箱卸糧即機組糧箱裝滿時即卸糧，接糧車可以到地塊里接糧?？紤]到實際生產(chǎn)過程中卸糧方式會受到地理條件、道路條件、技術(shù)水平、收獲時間和機器裝備等條件的限制，3種卸糧方式都可能采用。因此，本文分別針對這三種卸糧方式分析機組作業(yè)時間構(gòu)成并建立數(shù)學(xué)模型。

2收獲機組作業(yè)時間構(gòu)成及其模型的建立

收獲機組完成作業(yè)任務(wù)的總時間等于試驗測得的各時間項目數(shù)值之和，各類時間項目數(shù)值等于不同地塊的相應(yīng)時間數(shù)值之和[7]-[11]。據(jù)上述原理，結(jié)合試驗測試數(shù)據(jù)可建立收獲機組在一個作業(yè)季的各時間消耗項目計算模型，進而建立收獲機組在整個作業(yè)季的時間利用率模型。則有

(2)

式中Tbi—總作業(yè)時間；

Tzi—純作業(yè)時間；

Tubi—準(zhǔn)備卸糧時間；

Tui—卸糧時間；

Tuai—準(zhǔn)備進地作業(yè)時間；

Tti—轉(zhuǎn)彎時間；

Tyi—地塊轉(zhuǎn)移時間；

Tsi—停車時間(包括故障時間，加油時間等)。

2.1　收獲機組純作業(yè)時間模型

收獲機組的純作業(yè)時間是各不同地塊的純作業(yè)時間之和。收獲機組完成第i塊地消耗的純作業(yè)時間是收獲機組在第i地塊完成ni個行程所需要的時間，有

Tzi=ni·tzi

(3)

對于一塊地進行分析，機組完成一個行程作業(yè)要經(jīng)過進出地頭的加速或減速和機組在作業(yè)速度穩(wěn)定后的時間。試驗時分別測取每行程0~10m和10~110m的時間值，在進行剔除異常數(shù)值等相關(guān)數(shù)據(jù)處理后求得平均時間值。因此，機組完成一個行程的純作業(yè)時間計算模型為

(4)

式中tzi—第i地塊單個行程的純作業(yè)時間(s)；

Li—第i地塊的長度(m)；

機組完成一塊地作業(yè)時的作業(yè)行程數(shù)是地塊寬度與機組作業(yè)幅寬之比，由于比值可能是小數(shù)，即取整后剩余地塊寬度小于機組的作業(yè)幅度。這種情況下，機組仍需走一個行程才能完成剩余作業(yè)任務(wù)。所以，該比值需向上取整，有

(5)

式中ni—收獲機組完成整塊地時的作業(yè)行程數(shù)量；

Wi—第i地塊寬度(m)；

Bi—收獲機組作業(yè)幅寬(m)。

2.2　收獲機組卸糧及相關(guān)時間項目計算模型

機組完成第i塊地作業(yè)時的卸糧總時間Tui等于單次卸糧時間tui與卸糧次數(shù)mui之積。而卸糧準(zhǔn)備時間tubi是為正確完成卸糧任務(wù)對收獲機或接糧車的位置進行調(diào)整所需要的時間，卸糧后準(zhǔn)備進地時間tuai是機組卸糧后調(diào)整收獲機組進地作業(yè)所需要的時間。因此，卸糧準(zhǔn)備時間和卸糧后準(zhǔn)備作業(yè)時間所發(fā)生的次數(shù)(mubi和muai)與卸糧次數(shù)mui相等，即

mui=mubi=muai

(6)

(7)

卸糧次數(shù)mui計算模型推導(dǎo)如下：收獲機組的卸糧次數(shù)mui是作業(yè)第i塊地的作業(yè)行程數(shù)ni與一次卸糧對應(yīng)的行程數(shù)的比值，且向上取整。

1)單側(cè)卸糧時，由于道路等條件限制，收獲機組機組只能在收獲地塊一側(cè)進行卸糧，機組至少需要往返作業(yè)一次才可能卸糧，故一次卸糧對應(yīng)的行程數(shù)為收獲作業(yè)的最大距離Lmax與2 倍的地塊長度Li的比值。根據(jù)實際卸糧要求，行程數(shù)為正整數(shù)，故向下取整。收獲機組在第i地塊作業(yè)時卸糧次數(shù)為

(8)

2)雙側(cè)卸糧時，由于收獲機組在地塊兩側(cè)均可卸糧，故一次卸糧對應(yīng)的作業(yè)行程數(shù)為收獲作業(yè)的最大距離Lmax與地塊長度Li的比值，且向下取整。收獲機組在第i塊地作業(yè)時卸糧次數(shù)為

(9)

3)滿箱卸糧時，收獲機組卸糧位置不受地塊條件限制，作業(yè)機組在滿箱時即卸糧，故一次卸糧對應(yīng)的行程數(shù)為收獲作業(yè)的最大距離Lmax與地塊長度Li的比值。收獲機組在第i塊地作業(yè)時卸糧次數(shù)為

(10)

設(shè)Lmax為收獲機組卸空糧箱后作業(yè)至糧箱滿箱時所經(jīng)過的最大距離，則有

(11)

式中ρ—大豆堆積密度(kg/m3)；

V0—機組糧箱容積(m3)；

y—作業(yè)地塊收獲糧食產(chǎn)量(kg/hm2)。

2.3　其他時間項目的計算模型

1)轉(zhuǎn)彎時間的計算模型。收獲機組在第i塊地的總轉(zhuǎn)彎時間Tti為轉(zhuǎn)彎平均時間tti與轉(zhuǎn)彎次數(shù)mti的乘積，即

(12)

每一個行程都會有一次轉(zhuǎn)彎，即

mti=ni

(13)

2)地塊轉(zhuǎn)移時間的計算模型。由于每作業(yè)一個地塊有一次地塊轉(zhuǎn)移，且每次地塊轉(zhuǎn)移時間都是不定的，在整個作業(yè)季內(nèi)，其時間模型為

Tyi=tyi

(14)

其中，tyi代表收獲機組從第i地塊轉(zhuǎn)移到第(i+1)地塊的轉(zhuǎn)移時間。

3)停止時間的計算模型。由于停止時間出現(xiàn)頻率不固定，每次停歇時間長短也不相等。在整個作業(yè)季內(nèi)，其時間模型為

Tsi=tsi

(15)

其中，tsi代表在第i地塊上工作時，機組停止工作的時間。

3不同卸糧方式的收獲機組時間利用率模型

設(shè)在整個作業(yè)季內(nèi)，聯(lián)合收獲機作業(yè)n個地塊。同時已知地塊的長度Li和寬度Wi，收獲機組的幅寬B。根據(jù)以上各式，得整個作業(yè)季節(jié)時間利用率為

(16)

當(dāng)采用單側(cè)卸糧時，有

(17)

當(dāng)采用雙側(cè)卸糧時，有

(18)

當(dāng)采用滿箱卸糧時，有

(19)

式(17)~式(19)為收獲機組在不同卸糧方式下的時間利用率隨地塊條件的變化規(guī)律模型。

由上述模型可知：在某一卸糧方式下，收獲機組的時間利用率隨地塊長度或?qū)挾鹊脑龃蠖龃?；同時，可得不同卸糧方式的收獲機組在卸糧之前的田間作業(yè)行程數(shù)不同，導(dǎo)致時間利用率不同。在單側(cè)卸糧方式下，當(dāng)收獲機組糧箱剩余容積不足以支撐下兩個行程收獲作業(yè)收獲量時，則導(dǎo)致機組糧箱沒有滿箱就卸糧，降低了糧箱容積利用率，增加了卸糧次數(shù)，使時間利用率降低。該卸糧方式適用于在實際中只有一側(cè)交通便利或接糧車僅有一臺的情況；雙側(cè)卸糧要求地塊兩頭交通便利且要有足夠數(shù)量接糧車，除去這兩點要求，雙側(cè)卸糧在3種卸糧方式中有較明顯的優(yōu)勢；滿箱卸糧對接糧車靈活性要求較高，會增加接糧車的油耗，經(jīng)濟性較差，但卸糧次數(shù)最少，收獲機組時間利用率較高。

4實例分析

在收獲機組時間利用率隨地塊條件變化規(guī)律的研究中，選擇約翰迪爾JD9660聯(lián)合收獲機組進行大豆收獲作業(yè)來進一步研究不同卸糧方式對時間利用率的影響。為了方便研究，設(shè)作業(yè)季為10天，分別用不同的卸糧方式來收獲大豆并測取相關(guān)時間值。對得到的相關(guān)時間數(shù)據(jù)進行異常值處理后，根據(jù)式(3)~式(15)得到相應(yīng)的時間項目計算模型。

設(shè)地塊長度為200~1 200m(步長為200m)，面積為0.5~10hm2(步長為0.5hm2)。JD9660的幅寬為7.7m，功率為224kW，糧箱容積為10.91m3。根據(jù)試驗測試數(shù)據(jù),由式(17)~式(19)得收獲機組在3種不同卸糧方式下的時間利用率隨地塊條件的變化規(guī)律，如圖1~圖3所示。

圖1　約翰迪爾9660時間利用率變化規(guī)律(單側(cè)卸糧)

圖2　約翰迪爾9660時間利用率變化規(guī)律(雙側(cè)卸糧)

圖3　約翰迪爾9660時間利用率變化規(guī)律(滿箱卸糧)

由圖1~圖3可知：在不同卸糧方式下，收獲機組的時間利用率隨地塊條件的變化曲線是不同的，故卸糧方式的不同對收獲機組的時間利用率有影響。收獲機組在滿箱卸糧作業(yè)方式下的時間利用率最大，雙側(cè)次之，單側(cè)最小。同時可知，收獲機組的時間利用率隨地塊條件的變化而有顯著變化，且隨地塊長度的增大而增大，隨地塊面積的增大而增大。

5結(jié)論

通過對農(nóng)業(yè)機組作業(yè)時間項目的研究，確定了典型聯(lián)合收獲機作業(yè)時間構(gòu)成。結(jié)合試驗結(jié)果及實際作業(yè)情況，分別針對單側(cè)卸糧、雙側(cè)卸糧、滿箱卸糧建立了典型聯(lián)合收獲機組純作業(yè)時間、轉(zhuǎn)彎時間、卸糧時間、停止時間和地塊轉(zhuǎn)移時間等時間項目的計算模型，從而建立了收獲機組時間利用率隨地塊條件變化的數(shù)學(xué)模型，為作業(yè)機組時間利用率隨地塊條件改變的變化規(guī)律的計算提供了理論依據(jù)。通過對JD9660的進一步研究，得到該收獲機組的時間利用率與卸糧方式有關(guān)，即滿箱卸糧方式的時間利用率最大，雙側(cè)卸糧次之，單側(cè)卸糧最小；同時得到收獲機組時間利用率隨地塊面積的增大而增大，隨地塊長度的增大而增大。

參考文獻：

[1]Lazzari M, Mazzetto F. A PC model for selecting multicropping farm machinery systems[J].Computers & Electronics in Agriculture,1996,14(95):43-59.

[2]Nanseki. A Decision Support System for Agricultural Technology and Farm Planning [J].Tohoku Nogyo shikenjo Shiryo，1998，15(3)：109-124.

[3]KlineD E，BenderD A，McCarl B A，et al.chine selection using expert systems and linear programming.Computers and Electronics in Agriculture，2002，18(3)：45-61.

[4]S?gaard H T, S?rensen C G. A Model for Optimal Selection of Machinery Sizes within the Farm Machinery System[J].Biosystems Engineering,2004,89(1):13-28.

[5]李寶筏，張東興.農(nóng)業(yè)裝備系統(tǒng)優(yōu)化[M].北京：中國農(nóng)業(yè)大學(xué)出版社，2005:12-13.

[6]高煥文.農(nóng)業(yè)機械化生產(chǎn)學(xué)(上冊)[M].北京:中國農(nóng)業(yè)出版社，2002:28-29.

[7]D R Hunt. Farm Power and Machinery Management[M].Ames：Iowa State University Press，1983：321-346.

[8]陳麗能.拖拉機田間作業(yè)的最佳功率[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，1986，23(2)：41-44.

[9]杜兵.農(nóng)機作業(yè)班時間構(gòu)成項目分類的分析及改進[J].北京農(nóng)業(yè)工程大學(xué)學(xué)報，1995，15(1)：64-68.

[10]陳麗能,馬廣.拖拉機田間作業(yè)機組的生產(chǎn)率及其影響因素的研究[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2001，32(2)：99-102.

Analysis and Modeling of Operation Time Items and Times Utilization Rate of Harvest Unit

Qiao Jinyou1, Han Zhaozhen1， Li Chuanlei1, Chen Haitao1, Yi Jiazhong1, Jiang Yan1,

Huang Chao1, Zhang Dongguang2

(1.Engineering College,Northeast Agricultural University,Harbin 150030,China; 2.Inner Mongolia Alashan Ejinagi Agricultural Mechanization Promotion Station,Ejinagi 735400,China)

Abstract：Harvesting operation is one of the key links in the process of grain production, choosing the appropriate harvesting machine to finish the harvest is an important guarantee for the harvest of grain yield, so it is important to improve the efficiency of agricultural harvest unit. According to the data model analysis of the actual operation of the harvester, the typical combines harvest machine operation time is defined, and the mathematical model of the operation, turning and unloading is established. For three kinds of unloading ways: unilateral unloading , bilateral unloading grain, trunkful unloading grain mathematical models are established respectively, for three different unloading grain pattern time utilization rate through the analysis and comparison, and John Deere 9660 was studied.

Key words：harvest unit; time utilization; land condition; model

中圖分類號：S233.4

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)09-0069-05

作者簡介：喬金友(1969-)，男，黑龍江林甸人，副教授，博士，(E-mail)qiaojinyou@163.com。

基金項目：公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(201503116-04)；國家大豆產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系崗位科學(xué)家“十二五”任務(wù)(CARS-04-PS22)

收稿日期：2015-08-17