基于層次分析法的植保機械適用性綜合評價方法

龔　艷　張　曉　劉　燕　王　果　陳　曉　陳小兵

(農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所， 南京 210014)

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基于層次分析法的植保機械適用性綜合評價方法

龔艷張曉劉燕王果陳曉陳小兵

(農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所， 南京 210014)

為綜合評價植保機械的適用性，從技術(shù)指標、經(jīng)濟指標、作業(yè)條件指標3方面建立植保機械評價指標體系，利用層次分析法，對專家調(diào)查表進行匯總計算，采用專家判斷矩陣加權(quán)幾何平均法，確定各評價指標的權(quán)重。同時采用試驗測評法、跟蹤測評法和用戶調(diào)查測評法交叉組合的方式獲取3級指標分值，再通過分析計算，得到各級指標分值，從而構(gòu)建植保機械適用性綜合評價指標體系。最后對自走式噴桿噴霧機進行判定評分，從而得出單項指標評價和綜合指標評價結(jié)果。建立植保機械適用性綜合評價指標體系，為植保機械的推廣應(yīng)用提供了科學依據(jù)，同時對植保機械技術(shù)性能、作業(yè)質(zhì)量等的優(yōu)化提升具有指導意義。

植保機械; 適用性; 評價體系; 層次分析法

引言

隨著我國規(guī)?；r(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平的提升和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動對植保機械產(chǎn)品的需求及依賴性不斷增加[1-3]。與此同時，我國植保機械產(chǎn)品的研發(fā)、生產(chǎn)和銷售取得長足的發(fā)展，新型植保機械不斷涌現(xiàn)，植保機械化程度顯著增加。國內(nèi)外對農(nóng)業(yè)系統(tǒng)(技術(shù))的評價主要是基于可持續(xù)發(fā)展的理念，通過構(gòu)建生態(tài)、社會、經(jīng)濟等方面指標，采用層次分析法、主成分分析法、模糊聚類等方法進行綜合分析[4-8]。但是，國內(nèi)大部分列入植保機械產(chǎn)品支持推廣目錄的產(chǎn)品，由于沒有科學完整的適用性評價方法，造成產(chǎn)品適用性評價不充分，導致不少農(nóng)戶購置的植保機械使用條件不符、經(jīng)濟效益差、防治效果不理想、農(nóng)殘污染嚴重，造成了巨大的經(jīng)濟損失，甚至嚴重影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。針對上述問題，本文構(gòu)建植保機械適用性評價體系模型，明確各級評價指標因素，基于層次分析法確定各級指標權(quán)重，利用模糊矩陣等方法確定各級指標分值。通過理論和實踐研究，最終建立植保機械適用性綜合評價體系與方法。

1　植保機械適用性評價指標體系

植保機械的適用性是指其滿足使用條件的能力，使用條件包括技術(shù)指標、經(jīng)濟指標、作業(yè)條件指標等；也可以說是作業(yè)性能相對特定使用條件的協(xié)調(diào)融合程度。我國幅員遼闊，土壤及生態(tài)環(huán)境類型多樣，作物種類、種植結(jié)構(gòu)繁雜[9]，而植保機械性能好壞和使用方法是否得當直接影響防治效果和工作效益，隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展，新的植保機械不斷出現(xiàn)，由于結(jié)構(gòu)特征與技術(shù)特征不同，應(yīng)用范圍也不同，因此應(yīng)根據(jù)使用條件選擇適宜的植保機械及其部件[10]。然而，多年來由于重視程度不夠及現(xiàn)實條件的制約，目前我國尚無科學規(guī)范和統(tǒng)一完整的植保機械適用性評價方法。

1.1體系構(gòu)建

構(gòu)建的評價指標體系應(yīng)能綜合反映植保機械適用性，同時兼顧評價指標體系的可操作性。構(gòu)建評價指標體系的原則主要有：全面性原則、客觀性原則、科學性原則、實用性原則。植保機械評價第1級指標，主要從技術(shù)、經(jīng)濟、作業(yè)條件3方面選取指標。技術(shù)指標的主要來源是頒布實施的相關(guān)技術(shù)標準、規(guī)范、鑒定大綱；經(jīng)濟指標、作業(yè)條件指標主要通過文獻查閱、實地調(diào)研、專家座談等方式確定。

植保機械評價指標體系的結(jié)構(gòu)模型采用3級(A、B、C)指標體系，整個指標體系由技術(shù)指標、經(jīng)濟指標、作業(yè)條件指標3個一級評價指標、6個二級評價指標、23個三級評級指標構(gòu)成，結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。其中技術(shù)指標包括機器性能、作業(yè)質(zhì)量2類二級指標；經(jīng)濟指標包括使用效益、利用效率2類二級指標；作業(yè)條件指標包括自然條件、作物條件2類二級指標。

圖1　植保機械評價指標體系模型圖Fig.1　Evaluation index system model of plant protection machinery

1.2評價指標權(quán)重的研究方法

評價指標權(quán)重分析采用層次分析法。本文選擇層次分析法(AHP)對植保機械適用性評價指標權(quán)重值進行測算。AHP 是一種解決多目標復雜問題的定性與定量相結(jié)合的決策分析方法[11-15]。該方法是將復雜問題分解成多個組成因素，形成一個多目標、多層次的模型，有序的遞階層次結(jié)構(gòu)；通過兩兩比較的方式確定層次中諸要素的相對重要性，然后再轉(zhuǎn)為對這些元素的整體權(quán)重進行排序判斷，最后確立各元素的權(quán)重[16]。目前，系統(tǒng)工程中處理定性與定量相結(jié)合問題時，AHP是一種比較簡單易行且又行之有效的系統(tǒng)分析方法[17-19]。其確定流程如圖2所示。

圖2　權(quán)重確定流程圖Fig.2　Flow chart of weight determination

(1)構(gòu)造判斷矩陣

以上層相應(yīng)元素為評價準則，對本層次元素進行兩兩比較，進而確定元素之間的相對重要性。設(shè)Ps為評價準則，S1，S2，…，Sn為評價因素，依據(jù)判斷矩陣標度定義對評價因素進行兩兩比較判斷，構(gòu)成判斷矩陣 ，即

(1)

(2)層次單排序

確定某一層次各因素對上一層次某因素的影響程度，并依次排出順序。根據(jù)判斷矩陣計算出各因素的相對權(quán)重向量，計算方法采用特征根法。

EW=λmaxW

(2)

式中λmax——E的最大特征根

W——λmax的正規(guī)化特征向量

(3)一致性指標檢驗

層次單排序的一致性檢驗，則要計算一致性指標CI。λmax-n越小，CI越小，矩陣的一致性越好，CI為零時矩陣具有完全一致性。

(3)

式中n——判斷矩陣的階數(shù)

C——一致性指標

檢驗判斷矩陣是否具有滿意的一致性，將一致性指標CI和平均隨機一致性指標RI進行比較，計算判斷矩陣的一致性比例，記作

(4)

式中I——平均隨機一致性指標

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

1.3評價指標權(quán)重的確定

根據(jù)植保機械適用性評價指標體系，結(jié)合層次分析法的基本原理，設(shè)計確定權(quán)重的專家調(diào)查表。植保機械適用性具有區(qū)域差異性，技術(shù)、經(jīng)濟、環(huán)境不同，不同地區(qū)評價指標權(quán)重不同，要選擇不同區(qū)域和專業(yè)領(lǐng)域的專家進行調(diào)查。本研究在東北、西北、華北、華東4個典型區(qū)域，選取推廣、鑒定、監(jiān)理、植保等政府部門及植保專業(yè)化服務(wù)組織的專家進行調(diào)查。將回收的專家調(diào)查表進行匯總計算，采用專家判斷矩陣加權(quán)幾何平均法，運用Yaahp分析軟件進行匯總計算，歸一化處理后，各級指標權(quán)重見表1。

表1　植保機械評價指標權(quán)重Tab.1　Evaluation index weight of plant protection machinery

1.4指標分值的確定

1.4.1三級指標分值的確定

針對上述4個典型作業(yè)區(qū)域的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)作業(yè)條件布點試驗，利用試驗檢測結(jié)果得到分值；并針對4個區(qū)域的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)作業(yè)條件下實際用戶進行跟蹤考核，利用考核結(jié)果得到分值；同時對4個區(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。綜合采用試驗測評法、跟蹤測評法和用戶調(diào)查測評法的交叉組合的結(jié)果得到分值。下面以技術(shù)指標A1評判為例，詳細闡述其指標分值的確定過程。

(1)建立模糊矩陣

確定評價指標集，根據(jù)表1可知，評價指標為10個，分別記為u1，u2，…，u10，則這10個評價指標構(gòu)成指標集U；確定評價等級集，根據(jù)實際需要將評價結(jié)果劃分為5個等級，分別記為v1，v2，…，v5，則這5個評價結(jié)果構(gòu)成評價等級集V。

針對評價指標ui作出vk等級評定的人員數(shù)為Nik，參與等級評定的人員總數(shù)為N，則隸屬度

(5)

構(gòu)建模糊矩陣，針對每個評價指標ui都有一個相應(yīng)隸屬度函數(shù)(向量)

Mi=(mi1,mi2,…,miq)

(6)

整個評價指標集內(nèi)各個指標的隸屬度函數(shù)組成隸屬度矩陣，即模糊矩陣F，F(xiàn)中的fi，q和Mi中的miq是一一對應(yīng)的。

(7)

(2)確定評價等級標度值函數(shù)

設(shè)評價指標各等級標度值為x1，x2，…，x5，評價指標等級標度值組成向量為

X=(x1,x2,…,x5)=(0,25,50,75,100)

(8)

(3)三級指標分值(三級單項適用指數(shù))的確定

設(shè)yc1，yc2，…，yc10為三級各指標分值，則

(9)

1.4.2二級指標分值(二級單項適用指數(shù))的確定

對應(yīng)B11的各三級指標權(quán)重向量為

WB11=(wc1,wc2,…,wc7)

(10)

則對應(yīng)的各三級指標分值向量為

YB11C=(yc1,yc2,…,yc7)

(11)

機器性能B11指標分值為YB11，則

(12)

同理得出B12的分值，從而得到二級指標的分值函數(shù)。

1.4.3一級指標分值(一級單項適用指數(shù))的確定

設(shè)技術(shù)指標A1的各二級指標權(quán)重向量為

WA1=(wB11,wB12)

(13)

設(shè)對應(yīng)的各二級指標分值向量為

YA1B=(yB11,yB12)

(14)

技術(shù)指標A1分值為YA1，則

(15)

同理得出經(jīng)濟指標(A2)、作業(yè)條件指標(A3)的分值，從而得到一級指標的分值函數(shù)。

1.4.4綜合指標分值(綜合適用指數(shù))的確定

設(shè)一級指標的權(quán)重向量為

WZ=(wA1,wA2,wA3)

(16)

設(shè)一級指標分值向量為

YA=(yA1,yA2,yA3)

(17)

因此可得出植保機械適用性評價指標體系的綜合指標分值(綜合適用指數(shù))YZ為

(18)

依據(jù)綜合指標的分值，將植保機械適用性評價分5個等級， 具體劃分為：(0，20]很差， (20，40]較差， (40，60] 一般，(60，80] 較好，(80，100]很好。

2　實例

2.1背景

選取目前市場上應(yīng)用較為廣泛的某型號自走式噴桿噴霧機為評價樣機，主要機具作業(yè)幅寬為10 m，藥箱容量為1 000 L，最大行走速度為9 km/h，噴頭類型為扇形霧噴頭，霧錐角為110°，單個噴頭噴量為1.2 L/min(0.3 MPa時)，噴頭數(shù)量為19個，間隔500 mm，噴頭高度可調(diào)，具體如圖3所示。

圖3　自走式噴桿噴霧機Fig.3　Self-propelled boom sprayer

2.2指標評分結(jié)果

為了能科學、系統(tǒng)地評價該自走式噴桿噴霧機，主要選取東北地區(qū)、華北地區(qū)、華東地區(qū)的小麥、水稻等矮稈作物區(qū)域進行試驗，并對上述地區(qū)的農(nóng)機

鑒定推廣站、監(jiān)理站、植保站、植保專業(yè)化服務(wù)組織等領(lǐng)域的專家和用戶進行調(diào)查，利用植保機械適用性綜合評價指標體系，對該植保機械的各級指標進行評分，具體分值如表2所示。

2.3討論

依據(jù)已確定的一級單項適用指數(shù)、二級單項適用指數(shù)、三級單項適用指數(shù)，可得出該機具的單項指標評價結(jié)論。綜合討論可知，該機具在技術(shù)指標(A1)評分中差異性較大，機器性能(B11)指標較好，但其作業(yè)質(zhì)量(B12)不佳；待評樣機現(xiàn)場試驗過程中，存在霧滴漂移、噴霧量分布均勻性較差等現(xiàn)象，可知該機具在用戶使用過程中仍存在較多問題。

表2　自走式噴桿噴霧機各級指標分值Tab.2　Index scores at all levels of self-propelled boom sprayer

經(jīng)濟指標(A2)評分較好，作業(yè)條件指標(A3)評分較差，使用時對自然條件(B31)和作物條件(B32)要求較高，使用時局限性較大。試驗時，北方連片大田作業(yè)區(qū)域，樣機使用范圍廣，作業(yè)效率高，具有明顯優(yōu)勢，但在南方田塊分散且不規(guī)則的作業(yè)區(qū)域，機具不易靈活移動，容易受地塊因素限制，影響作業(yè)效率，且機具不能很好地適應(yīng)作物不同生長期的作業(yè)要求，容易造成農(nóng)藥浪費，尤其水稻后期封行后，機具下田作業(yè)時，作物倒伏現(xiàn)象明顯，造成一定程度的減產(chǎn)。

根據(jù)樣機的綜合指標分值，可得出其綜合指標評價結(jié)論為一般。通過樣機現(xiàn)場試驗可知，其結(jié)果與指標體系評分結(jié)果基本一致，因此可知利用該植保機械適用性評價體系能得出較為客觀、科學的評判結(jié)論。針對該機具的各個單項指標的評價結(jié)論，可對該植保機械的技術(shù)性能、作業(yè)質(zhì)量等進行針對性的優(yōu)化與提升，為進一步提高該植保機械適用性水平以及推廣應(yīng)用提供了科學依據(jù)。

3　結(jié)束語

針對植保機械適用性評價體系研究，從技術(shù)指標、經(jīng)濟指標、作業(yè)條件指標3方面構(gòu)建了植保機械適用性綜合評價指標體系，確定了具體評價指標，制定了植保機械適用性評價指標的打分準則，采用試驗測評法、跟蹤測評法和用戶調(diào)查測評法的交叉組合的結(jié)果得到分值。并以植保機械中自走式噴桿噴霧機為例，依據(jù)該機具的各項性能參數(shù)進行判定評分，從而得出單項指標評價和綜合指標評價結(jié)論。通過上述研究可知，利用該評價體系能對植保機械適用性得出較為客觀的結(jié)論，為植保機械的推廣應(yīng)用等提供了較為科學規(guī)范和統(tǒng)一完整的評價方法，并為植保機械適用性評價工作的全面深入開展提供了基礎(chǔ)。

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Comprehensive Evaluation Method for Applicability of Plant Protection Machinery Based on Analytic Hierarchy Process

Gong YanZhang XiaoLiu YanWang GuoChen XiaoChen Xiaobing

(NanjingResearchInstituteforAgriculturalMechanization,MinistryofAgriculture,Nanjing210014,China)

In order to comprehensively evaluate the applicability of plant protection machinery, this paper established the evaluation index system from three aspects：technical index, economic index and operation condition index, used analytic hierarchy process to calculate the results of the expert questionnaires based on the structure model of the evaluation system, and determined the weights of each evaluation index by using judgment matrix and weighted geometric average method. And then it obtained the scores of the third level indicators by the method of test, as well as survey and evaluation of users, and then got the index scores of all levels through analysis and calculation. Finally the comprehensive evaluation index system for the applicability of plant protection machinery was built. This paper evaluated the self-propelled boom sprayer for example, and obtained the conclusions of the single index evaluation and the comprehensive evaluation. This can provide scientific basis for popularization and application of plant protection machinery by the comprehensive evaluation system, at the same time, it has guiding significance to the optimization and promotion of mechanical performance and operations quality of plant protection machinery.

plant protection machinery; applicability; evaluation system; analytic hierarchy process

10.6041/j.issn.1000-1298.2016.09.011

2016-05-25

2016-07-06

國家自然科學基金項目(31401296)、公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項經(jīng)費項目(201203025)和江蘇省科技自主創(chuàng)新資金項目(CX(14)2101)

龔艷(1976—)，女，研究員，主要從事植保施藥技術(shù)與裝備研究，E-mail： 254482460@qq.com

陳小兵(1963—)，男，研究員，主要從事植保施藥技術(shù)與裝備研究，E-mail： chxibi@126.com

S499； N945.16

A

1000-1298(2016)09-0073-06