基于可拓學(xué)原理的煙草田間作業(yè)機(jī)械評(píng)價(jià)研究
——以煙草田間起壟機(jī)械為例

趙祖松穎，張衛(wèi)鵬，王剛，鄭志安，李朋濤，王姣，張平

1中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京100083；2中國(guó)煙葉公司，北京100055

現(xiàn)代煙草農(nóng)業(yè)

基于可拓學(xué)原理的煙草田間作業(yè)機(jī)械評(píng)價(jià)研究
——以煙草田間起壟機(jī)械為例

趙祖松穎1，張衛(wèi)鵬1，王剛2，鄭志安1，李朋濤1，王姣1，張平1

1中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京100083；2中國(guó)煙葉公司，北京100055

為從用戶角度合理的對(duì)煙草田間作業(yè)機(jī)械進(jìn)行適應(yīng)性評(píng)價(jià)，利用可拓學(xué)原理和方法，建立了煙草田間作業(yè)機(jī)械的可拓評(píng)價(jià)模型，而后針對(duì)煙草田間起壟機(jī)械，在提出相應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的同時(shí)，將該模型運(yùn)用到對(duì)7個(gè)起壟機(jī)組的實(shí)際評(píng)價(jià)當(dāng)中。經(jīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集與處理分析，結(jié)果表明：第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅴ、Ⅵ機(jī)組均屬于第v類(lèi)（優(yōu)），第Ⅳ機(jī)組與第Ⅶ機(jī)組分別屬于第ii類(lèi)（可）和第i類(lèi)（差），機(jī)組的變量特征值排序?yàn)棰?4.67)＞Ⅰ(4.07)＞Ⅴ(3.82)＞Ⅲ(3.78)＞Ⅵ(3.33)＞Ⅶ(2.53)＞Ⅳ(2.33)，其評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際情況相符合，說(shuō)明該模型具有較好的適用性和可行性，可為評(píng)判煙草起壟機(jī)械適應(yīng)性滿意度提供量化的比較依據(jù)，同時(shí)該模型也對(duì)其他種植領(lǐng)域內(nèi)的農(nóng)業(yè)機(jī)械選型具有較好的借鑒參考價(jià)值。

農(nóng)業(yè)機(jī)械評(píng)價(jià)；煙草；起壟機(jī)；可拓學(xué)；物元分析

煙草農(nóng)業(yè)機(jī)械化是煙葉生產(chǎn)現(xiàn)代化的一個(gè)重要載體，是先進(jìn)生產(chǎn)力的重要標(biāo)志，大力發(fā)展機(jī)械化是現(xiàn)階段提高和穩(wěn)定煙草種植面積、提高煙農(nóng)收入的現(xiàn)實(shí)選擇和有效途徑。盡管我國(guó)是煙葉生產(chǎn)大國(guó)，但與美國(guó)、日本等煙草生產(chǎn)技術(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家相比，機(jī)械化發(fā)展水平尚存在較大差距[1]。由于煙草農(nóng)機(jī)得益于大農(nóng)業(yè)的農(nóng)機(jī)具開(kāi)發(fā)與成果應(yīng)用，因而目前國(guó)內(nèi)對(duì)煙草農(nóng)機(jī)的研究重點(diǎn)偏重于專(zhuān)用機(jī)械，如施肥起壟機(jī)[2]、定量穴灌追肥機(jī)[3]、施肥覆膜機(jī)[4]、移栽機(jī)[5]等，且多數(shù)采取引進(jìn)、消化和吸收為主，總體上呈現(xiàn)研究水平偏低、機(jī)具適應(yīng)性差、新機(jī)型多、普及推廣面積較小等特征，從而增加了煙葉生產(chǎn)機(jī)械的科學(xué)選型與合理配置的難度，也使得這方面的研究具有必要性。

農(nóng)業(yè)部頒布的《農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)鑒定辦法》，確立了試驗(yàn)鑒定選擇農(nóng)機(jī)的科學(xué)地位和重要性[6]，但對(duì)農(nóng)機(jī)產(chǎn)品的選型評(píng)價(jià)方法的研究尚處于探索階段。我國(guó)對(duì)農(nóng)機(jī)進(jìn)行評(píng)價(jià)的工作從上世紀(jì)80年代后期開(kāi)始起步，早期的研究以德?tīng)柗品ǎ―elphi）和層次分析法（AHP）為主，如1994年劉大維等開(kāi)展的拖拉機(jī)總體性能評(píng)價(jià)[7]、1995年葉繼昌等提出了的一套“農(nóng)業(yè)機(jī)械性能評(píng)價(jià)及選型專(zhuān)家系統(tǒng)”[8]等，這一方法已經(jīng)相對(duì)成熟，也被使用得最為廣泛；而對(duì)于農(nóng)機(jī)評(píng)價(jià)后續(xù)的研究則側(cè)重于評(píng)價(jià)方法的改進(jìn)，如徐澤水通過(guò)對(duì)層次分析法模糊一致性判斷矩陣轉(zhuǎn)換公式的參數(shù)對(duì)比，給出了模糊互補(bǔ)判斷矩陣排序的一個(gè)通用公式[9]，在保證模糊一致性判斷矩陣優(yōu)良特性基礎(chǔ)上，使得所需計(jì)算量小、簡(jiǎn)潔、合理、有效，從而方便了實(shí)際應(yīng)用；近年來(lái)，很多學(xué)者逐漸將一些先進(jìn)算法和技術(shù)，如相似系數(shù)和距離法[10]、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和支持向量機(jī)技術(shù)[11]、價(jià)值工程等方法[12]應(yīng)用于農(nóng)機(jī)的評(píng)價(jià)研究，開(kāi)辟了定性評(píng)價(jià)定量化的新途徑。

可拓學(xué)是一門(mén)上世紀(jì)80年代才誕生的新學(xué)科，由于可拓學(xué)擁有能方便地將社會(huì)科學(xué)和自然科學(xué)聯(lián)系起來(lái)的特點(diǎn)，能構(gòu)建出解決矛盾問(wèn)題的框架模型[13]，因此目前正逐步被運(yùn)用到各領(lǐng)域中，尤其在對(duì)于安全性的評(píng)價(jià)中最為集中，但現(xiàn)有文獻(xiàn)來(lái)看，將可拓學(xué)運(yùn)用到農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域的評(píng)價(jià)中的研究是相對(duì)較少的，僅見(jiàn)劉存香對(duì)農(nóng)用運(yùn)輸車(chē)進(jìn)行的可拓評(píng)價(jià)[14]和張建對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械的安全評(píng)價(jià)[15]。此外，就評(píng)價(jià)的角度來(lái)看，大多數(shù)評(píng)價(jià)主要是針對(duì)機(jī)械性能的優(yōu)劣進(jìn)行比較或判斷，這對(duì)機(jī)械的改進(jìn)無(wú)疑是起到重要作用的，但是將評(píng)價(jià)與用戶的選型進(jìn)行結(jié)合，讓機(jī)械的使用者根據(jù)自身的條件和情況選擇適宜工作環(huán)境的機(jī)械的研究是相對(duì)缺乏的。因而本文采取可拓學(xué)的評(píng)價(jià)方法，針對(duì)煙草田間作業(yè)機(jī)械的評(píng)價(jià)進(jìn)行模型構(gòu)建，并將其運(yùn)用到起壟作業(yè)環(huán)節(jié)中進(jìn)行實(shí)證，探索將可拓學(xué)運(yùn)用到煙草田間作業(yè)機(jī)械評(píng)價(jià)中的可能性。

1 理論評(píng)價(jià)模型

1.1 物元模型

可拓學(xué)為了簡(jiǎn)潔有效的描述客觀世界的物、事和關(guān)系，建立了物元、事元和關(guān)系元的有序三元組，統(tǒng)稱為基元。通過(guò)形式化的模型，幫助人們解決矛盾問(wèn)題，具有形式化、邏輯化、數(shù)學(xué)化的特點(diǎn)[16]。

以物O為對(duì)象，c為特征，O關(guān)于c的量值v構(gòu)成的有序三元組M=（O，c，v），稱為一維物元。O，c，v三者稱為物元M的三要素，其中c和v構(gòu)成的二元組（c，v）稱為物元O的特征元[17]。

若一物具有多個(gè)特征，與一維物元相仿，可以定義為多維物元M。其中O有n個(gè)特征c1，c2，…，cn，O關(guān)于ci(i=1，2，…，n)對(duì)應(yīng)的量值為v1，v2，…,vn，所構(gòu)成的陣列為：

1.2 經(jīng)典域與節(jié)域模型

公式1在可拓學(xué)中還可表示為以下形式[18-20]：

其中，Mj代表評(píng)價(jià)過(guò)程中的第j個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)（j∈N）；ci表示評(píng)價(jià)等級(jí)Oj的特征；vji表示Oj關(guān)于ci所規(guī)定的量值范圍；式中的＜aji,bji＞表示評(píng)價(jià)的等級(jí)j關(guān)于對(duì)應(yīng)特征ci的數(shù)值范圍，稱為特征ci的經(jīng)典域，這也意味著各評(píng)價(jià)等級(jí)特征值的取值范圍與經(jīng)典域是相對(duì)應(yīng)的，評(píng)價(jià)過(guò)程中，將根據(jù)vji判斷所處的等級(jí)j。

全部評(píng)價(jià)等級(jí)的取值范圍構(gòu)成節(jié)域，用Mp表示。記為：

式中，Op表示評(píng)價(jià)等級(jí)的全體，vji表示Op關(guān)于ci所取的量值范圍，即節(jié)域＜aji,bji＞。

1.3 關(guān)聯(lián)度計(jì)算模型

對(duì)待評(píng)物元M0，如果vji的取值不在vpi范圍內(nèi)，也就是說(shuō)對(duì)象特征值不屬于某一經(jīng)典域，則認(rèn)為待評(píng)價(jià)對(duì)象Oj不滿足“非滿足不可的條件”，不予評(píng)價(jià)，如果滿足，則計(jì)算該待評(píng)價(jià)對(duì)象關(guān)于各等級(jí)的關(guān)聯(lián)度[21-23]。

通常，第i（i∈N）個(gè)指標(biāo)數(shù)值域?qū)儆诘趈（j∈N）個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)的關(guān)聯(lián)函數(shù)為：

式中，|vji|=bji-aji；K（jvi）表示各評(píng)價(jià)指標(biāo)值vi屬于評(píng)價(jià)等級(jí)Oj的關(guān)聯(lián)度；ρ（vi,vji）表示 vi與有限區(qū)間 vji=＜aji,bji＞ 的距；ρ（vi,vpi）表示vi與有限區(qū)間vpi=＜api,bpi＞的距；vi表示第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的實(shí)際數(shù)值；vji=＜aji,bji＞為經(jīng)典域;vpi=＜api,bpi＞為節(jié)域。

經(jīng)過(guò)上式的關(guān)聯(lián)度計(jì)算，若得出的關(guān)聯(lián)度值較為分散而不利于對(duì)比時(shí)，需要利用以下公式將關(guān)聯(lián)度進(jìn)行歸一化處理，以方便進(jìn)行比較計(jì)算：

1.4 等級(jí)評(píng)定模型

某一個(gè)關(guān)聯(lián)函數(shù)的數(shù)值表示其符合某一評(píng)價(jià)等級(jí)的隸屬程度[24-27]，而待評(píng)價(jià)物元M0整體的評(píng)價(jià)等級(jí)j的關(guān)聯(lián)度為：

其中，ωi是第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)，可采用多種方法得出（本文采取層次分析法得出）。

根據(jù)（6）計(jì)算出整體關(guān)聯(lián)度后，若：

則評(píng)定M0屬于等級(jí)j0。

關(guān)聯(lián)度是反映“待評(píng)價(jià)方案”接近理想方案的度量，關(guān)聯(lián)度越大，待評(píng)價(jià)方案也就越接近期望方案，為了進(jìn)一步體現(xiàn)評(píng)價(jià)后的等級(jí)向某一類(lèi)別的傾向，本文引入變量特征值公式細(xì)化等級(jí)類(lèi)別，形式如下：

最終計(jì)算結(jié)果j*為某個(gè)級(jí)別變量特征值。例如最終評(píng)定的等級(jí)為第三等級(jí)，即j0=3，而計(jì)算出的j*=3.5，表示該機(jī)組屬于第三類(lèi)偏向第四類(lèi)（嚴(yán)格來(lái)說(shuō)屬于第3.5類(lèi)），由此除了可以看出偏向另一類(lèi)的程度外，還能體現(xiàn)具體優(yōu)劣程度量化的數(shù)值，實(shí)現(xiàn)同類(lèi)之中差異的比較。

2 煙草起壟機(jī)械可拓評(píng)價(jià)模型的構(gòu)建

起壟對(duì)于煙葉的生產(chǎn)能起到防澇防旱、減少病害、提高地溫、便于覆蓋地膜、控制密度等作用，是連接土地整備和煙葉種植的樞紐性環(huán)節(jié)，也是煙葉機(jī)械化生產(chǎn)過(guò)程中的重要一環(huán)，但由于起壟環(huán)節(jié)相對(duì)復(fù)雜，使其成為了制約煙草田間機(jī)械化發(fā)展的瓶頸性環(huán)節(jié)。因此，依照上述理論模型，本文針對(duì)煙草機(jī)械化種植過(guò)程中的起壟環(huán)節(jié)，在設(shè)定評(píng)價(jià)指標(biāo)后針對(duì)煙草起壟機(jī)進(jìn)行模型的構(gòu)建。

2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)的設(shè)定

為使整個(gè)評(píng)價(jià)過(guò)程更具科學(xué)性和客觀性，該研究通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試手段直接采集整個(gè)作業(yè)過(guò)程中的相關(guān)數(shù)據(jù)，而后將“測(cè)試數(shù)據(jù)”轉(zhuǎn)化為“評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)”。經(jīng)對(duì)指標(biāo)進(jìn)行篩選，結(jié)合國(guó)家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)、企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、農(nóng)業(yè)部《農(nóng)業(yè)機(jī)械質(zhì)量調(diào)查辦法》，選取作業(yè)成本、作業(yè)效率、作業(yè)質(zhì)量、使用效果4類(lèi)指標(biāo)，組成評(píng)價(jià)指標(biāo)體系[28-30]，結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1 煙草起壟機(jī)械評(píng)價(jià)指標(biāo)構(gòu)成Fig.1 The structure of evaluation indexes for ridger machine

在上述指標(biāo)體系中，作業(yè)成本、作業(yè)效率、作業(yè)質(zhì)量俱佳是起壟機(jī)組作業(yè)追求的目標(biāo)。三者是相互影響和統(tǒng)一的整體，當(dāng)過(guò)分追求某一類(lèi)指標(biāo)性能時(shí)，會(huì)導(dǎo)致其他類(lèi)指標(biāo)性能的下降；因此引入了使用效果類(lèi)指標(biāo)，以此強(qiáng)調(diào)人機(jī)交互性能，從而對(duì)前三個(gè)評(píng)價(jià)的有效補(bǔ)充。各指標(biāo)的具體定義見(jiàn)表1。

表1 評(píng)價(jià)指標(biāo)說(shuō)明Tab.1 Explanations about evaluation indexes

2.2 指標(biāo)的算法及獲取方式

評(píng)價(jià)指標(biāo)的獲取主要通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試的方法進(jìn)行。首先，在試驗(yàn)前采集機(jī)組價(jià)格、操作人員數(shù)量及工時(shí)費(fèi)、機(jī)組服務(wù)半徑等數(shù)據(jù)；其次，起壟機(jī)組在相同地況下正常作業(yè)，試驗(yàn)過(guò)程中記錄機(jī)組有效作業(yè)時(shí)間；最后，待田間試驗(yàn)結(jié)束后，采集油耗和作業(yè)質(zhì)量指標(biāo)、使用效果指標(biāo)。指標(biāo)的獲取方法和轉(zhuǎn)化公式如下：

2.2.1 作業(yè)成本類(lèi)指標(biāo)

①單位作業(yè)成本

為便于不同動(dòng)力、規(guī)格、品牌的機(jī)械進(jìn)行成本的對(duì)比，因此采用公頃均機(jī)組成本代替直接購(gòu)置成本以表示成本情況，即每公頃土地均攤的機(jī)具購(gòu)置及管理的費(fèi)用，將起壟機(jī)購(gòu)機(jī)成本轉(zhuǎn)化為單位機(jī)組成本可采用公式[31]：

式中：Q——單位作業(yè)成本（元/ hm2）；p——起壟機(jī)組的原值（元）；s——起壟機(jī)組的殘值；I——貸款年利率（%）；L——使用年限（年）；α——按起壟機(jī)組原值收取年管理費(fèi)的百分率（%）；w——起壟機(jī)組的生產(chǎn)效率（hm2/h）；D——根據(jù)當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)時(shí)、農(nóng)藝要求確定的起壟環(huán)節(jié)實(shí)際作業(yè)天數(shù)（d）；t——起壟機(jī)組一天內(nèi)的實(shí)際作業(yè)時(shí)間（h/d）；B——起壟機(jī)組實(shí)際作業(yè)幅寬（m）；v——起壟機(jī)組實(shí)際作業(yè)速度（km/h）。

②單位油耗

單位油耗指每公頃的耗油量，可通過(guò)將作業(yè)前的油箱加到某一標(biāo)準(zhǔn)，而經(jīng)工作后測(cè)量再次加到這一標(biāo)準(zhǔn)所需的油量，其計(jì)算公式如下：

式中：——單位油耗（L/ hm2）；Vi1——每次加油前容器所盛油量（L）；Vi2——加油后容器剩余油量（L）；i——加油次數(shù)（i=1,2,…,n，單位：次）；S——機(jī)組作業(yè)面積（hm2）。

③單位人員費(fèi)用

單位人員費(fèi)用主要包括兩個(gè)部分，機(jī)手費(fèi)用和輔助人員費(fèi)用，單位面積內(nèi)均攤的人員費(fèi)用為：

式中：C——單位人員費(fèi)用（元/（人·hm2））；n——班組作業(yè)機(jī)手人數(shù)（人）；Pn——當(dāng)?shù)貦C(jī)手工時(shí)費(fèi)（元/（人·h））；m——班組作業(yè)輔助人員人數(shù)（人）；Pm——當(dāng)?shù)毓凸すr(shí)費(fèi)（元/（人·h））；w——起壟機(jī)組的每小時(shí)生產(chǎn)率（hm2/h）。

2.2.2 作業(yè)效率類(lèi)指標(biāo)

①有效作業(yè)時(shí)間

指正常作業(yè)季，機(jī)組每天的平均作業(yè)時(shí)間，單位：h；是機(jī)組在作業(yè)季有限農(nóng)時(shí)內(nèi)完成作業(yè)的重要保證，主要考察機(jī)組全天候的作業(yè)能力，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試或調(diào)研獲得。

②機(jī)組生產(chǎn)效率

機(jī)組生產(chǎn)效率計(jì)算公式如下：

式中：w——機(jī)組的生產(chǎn)效率（hm2/h）；S——試驗(yàn)測(cè)試時(shí)起壟機(jī)組作業(yè)面積（hm2）；T0——試驗(yàn)測(cè)試時(shí)起壟機(jī)組作業(yè)時(shí)間（h）。

③機(jī)組服務(wù)半徑

指起壟機(jī)組在當(dāng)?shù)貤l件下可以提供服務(wù)的最遠(yuǎn)距離，這既與機(jī)組的運(yùn)移條件有關(guān)，也與機(jī)組的先進(jìn)程度有關(guān)，還跟農(nóng)機(jī)服務(wù)人員的心理預(yù)期相關(guān)，單位：km?？赏ㄟ^(guò)實(shí)際詢問(wèn)調(diào)研獲得。

2.2.3 作業(yè)質(zhì)量類(lèi)指標(biāo)

結(jié)合參考文獻(xiàn)[28]、[29]的規(guī)定，田間測(cè)試時(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集按“五點(diǎn)法”進(jìn)行，即在機(jī)組的“穩(wěn)定作業(yè)區(qū)”中選取4個(gè)角點(diǎn)（區(qū)）和1個(gè)中心（區(qū)）作為基準(zhǔn)測(cè)量點(diǎn)，所取的5個(gè)測(cè)點(diǎn)（區(qū)）的測(cè)試指標(biāo)均值為相應(yīng)起壟機(jī)組的評(píng)價(jià)指標(biāo)。起壟機(jī)的作業(yè)質(zhì)量指標(biāo)可歸結(jié)為壟高、壟基寬、墑面寬、壟距，其測(cè)量如圖2所示。單一測(cè)點(diǎn)的測(cè)試指標(biāo)值可通過(guò)合適的測(cè)量手段（直尺，組合式型面參數(shù)測(cè)量尺[32]）直接測(cè)量獲得。

圖2 壟體截面測(cè)量示意圖Fig.2 The cross section of ridge for measuring

某作業(yè)質(zhì)量類(lèi)指標(biāo)的具體計(jì)算公式如下：

2.2.4 使用效果類(lèi)指標(biāo)

使用效果類(lèi)指標(biāo)為定性指標(biāo)，為方便田間測(cè)試時(shí)及時(shí)有效的獲取，采用賦值量化法；即在試驗(yàn)測(cè)試的基礎(chǔ)之上，給每個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)規(guī)定為5個(gè)等級(jí)，分別對(duì)應(yīng)于1～5分，分?jǐn)?shù)由低到高表示差、較差、一般、較好、好。由評(píng)價(jià)者和農(nóng)戶根據(jù)機(jī)組實(shí)際作業(yè)情況評(píng)分。最后，計(jì)算各指標(biāo)得分的平均值，作為待評(píng)價(jià)起壟機(jī)組的指標(biāo)值。

2.3 指標(biāo)權(quán)重的確定

本研究側(cè)重于從用戶角度去判斷農(nóng)機(jī)的適應(yīng)情況，目的是形成一種方法為某一區(qū)域的用戶提供農(nóng)機(jī)選擇上的參考，因此用戶的意見(jiàn)對(duì)于權(quán)重的確定是十分重要的。為便于評(píng)價(jià)過(guò)程的具體實(shí)施，權(quán)重設(shè)置采用了層次分析法，邀請(qǐng)具有豐富經(jīng)驗(yàn)的專(zhuān)家（主要為熟悉煙葉生產(chǎn)機(jī)械化專(zhuān)業(yè)或農(nóng)機(jī)領(lǐng)域的專(zhuān)家）和一線農(nóng)機(jī)用戶（主要為熟悉煙葉機(jī)械化生產(chǎn)的管理人員和技術(shù)人員）通過(guò)問(wèn)卷的形式對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)賦予權(quán)重，從而將以用戶為主的意見(jiàn)納入到權(quán)重的確立之中。其基本步驟為：1）將作業(yè)成本，作業(yè)效率，作業(yè)質(zhì)量，使用效果4個(gè)二級(jí)指標(biāo)設(shè)定為準(zhǔn)則層；2）依靠專(zhuān)家和用戶憑借經(jīng)驗(yàn)打分，比較同一準(zhǔn)則層下三級(jí)指標(biāo)相對(duì)于該準(zhǔn)則的重要性，進(jìn)行兩兩比較，構(gòu)造判斷矩陣；計(jì)算相對(duì)于該準(zhǔn)則權(quán)向量下的三級(jí)指標(biāo)；4）進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，確定二級(jí)指標(biāo)權(quán)重和三級(jí)指標(biāo)權(quán)重以及最后的合成權(quán)重。問(wèn)卷調(diào)查在全國(guó)范圍內(nèi)的山區(qū)煙草種植區(qū)域內(nèi)開(kāi)展，共收集有效問(wèn)卷122份，其中生產(chǎn)一線的煙草農(nóng)機(jī)工作人員和用戶占89.3%，問(wèn)卷處理采用SPSS 18.0軟件，得到的最終權(quán)重結(jié)果如表2所示：

表2 煙草起壟機(jī)械各指標(biāo)等級(jí)與權(quán)重Tab.2 Weight of indexes about tobacco ridger machine

2.4 評(píng)價(jià)等級(jí)的劃分與閾值的確定

為對(duì)起壟機(jī)的綜合作業(yè)效果進(jìn)行有效評(píng)定，結(jié)合實(shí)地調(diào)研情況和專(zhuān)家意見(jiàn)，將最后評(píng)定的結(jié)果分為5個(gè)等級(jí)，按照綜合作業(yè)效果由低到高分別對(duì)應(yīng)于：i（差）、ii（可）、iii（中）、iv（良）、v（優(yōu)），以便于在實(shí)際評(píng)價(jià)中對(duì)最終評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行判斷。對(duì)任一待評(píng)價(jià)對(duì)象，若評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)滿足要求，可計(jì)算關(guān)聯(lián)度，判斷該對(duì)象是否屬于某等級(jí)，但為了方便進(jìn)行關(guān)聯(lián)度計(jì)算和對(duì)比，故需要將評(píng)價(jià)的原始數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)歸一化處理，使其處于0～1之間。根據(jù)以上等級(jí)將處于0～1范圍內(nèi)的數(shù)值進(jìn)行等距的劃分，因而i、ii、iii、iv、v的閾值分別為 [0，0.2)，[0.2，0.4)，[0.4，0.6)，[0.6，0.8)，[0.8，1]。

根據(jù)理論模型中的公式（3）和起壟機(jī)適應(yīng)性滿意度評(píng)價(jià)指標(biāo)閾值，得到經(jīng)典域M1、M2、M3、M4、M5分別為：

由綜合作業(yè)效果評(píng)價(jià)等級(jí)的閾值，得到煙草起壟機(jī)可拓評(píng)價(jià)的節(jié)域?yàn)椋?/p>

待評(píng)價(jià)對(duì)象用物元模型表示為：

3 數(shù)據(jù)處理與評(píng)定

山區(qū)（丘陵區(qū)）是我國(guó)煙葉種植生產(chǎn)的主要區(qū)域，本試驗(yàn)測(cè)試在福建省開(kāi)展，以評(píng)價(jià)不同起壟機(jī)械在山區(qū)作業(yè)條件下的適應(yīng)性。具體試驗(yàn)在福建省長(zhǎng)汀縣濯田鎮(zhèn)東山村塅上進(jìn)行，試驗(yàn)地為一年兩熟煙稻輪作地，前茬作物為水稻，收獲后根茬在溶田過(guò)程中全部粉碎還田，秸稈覆蓋量200 kg/畝。土壤質(zhì)地為砂壤土（0～40 cm 土層），平均土壤堅(jiān)實(shí)度為21.27 MPa，土壤含水率為 21.05% (0～5 cm)、37.15%(5～10 cm)。本次試驗(yàn)對(duì)當(dāng)?shù)爻Ｒ?jiàn)的7個(gè)機(jī)組進(jìn)行了測(cè)試，獲取的原始數(shù)據(jù)如表3所示：

3.1 數(shù)據(jù)的歸一化處理

為消除評(píng)價(jià)指標(biāo)值量綱的影響，統(tǒng)一指標(biāo)的變化范圍，使得評(píng)價(jià)具有統(tǒng)一性和可比性，從而方便關(guān)聯(lián)度的計(jì)算，因此將獲得的評(píng)價(jià)指標(biāo)值進(jìn)行歸一化處理。其中，作業(yè)效率類(lèi)、使用效果類(lèi)指標(biāo)，屬“越大越好型”；作業(yè)成本指標(biāo)，屬于“越小越好型”；作業(yè)質(zhì)量類(lèi)指標(biāo)屬于“中間型”，趨于某一值時(shí)為最佳。為使試驗(yàn)更具有山區(qū)作業(yè)的代表性，在中間型指標(biāo)參數(shù)選擇上參照了福建、貴州、廣東、廣西、湖北、江西對(duì)山區(qū)起壟作業(yè)農(nóng)藝要求的調(diào)研數(shù)據(jù)，經(jīng)專(zhuān)家討論，最終確定的指標(biāo)參數(shù)如表4所示。

表3 七個(gè)機(jī)組起壟機(jī)試驗(yàn)測(cè)試原始數(shù)據(jù)Tab.3 Original data of seven ridgers’test

表4 七個(gè)山區(qū)地區(qū)對(duì)煙葉種植起壟的農(nóng)藝要求及測(cè)試指標(biāo)參數(shù)Tab.4 Standards of tobacco planting ridging in seven mountainous areas and test indexes

在數(shù)據(jù)歸一化處理上，對(duì)于“越大越好”型指標(biāo)，處理公式為：

對(duì)于“越小越好”型指標(biāo)，處理公式為：

對(duì)于“中間型”型指標(biāo)，假設(shè)指標(biāo)取值范圍為[A± ?]，處理公式為：

式中，Cj-x為某機(jī)組第j個(gè)指標(biāo)值，其中x為某測(cè)試環(huán)節(jié)測(cè)試機(jī)組編號(hào)；min{Cj}、max{Cj}分別為第j個(gè)指標(biāo)值的最小值和最大值；為Cj-x歸一化后S的值；A為中間型指標(biāo)的目標(biāo)值，?為A的上下偏差范圍。

經(jīng)歸一化處理后的數(shù)據(jù)如表5：

表5 七個(gè)機(jī)組起壟機(jī)試驗(yàn)測(cè)試歸一化數(shù)據(jù)Tab.5 Normalized data of seven ridgers’ test

3.2 等級(jí)評(píng)定

1）首次評(píng)價(jià)。由于沒(méi)有非滿足不可的指標(biāo)（特征），同時(shí)已在測(cè)試前按照煙草種植的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)機(jī)器進(jìn)行了調(diào)整，故該步省略。

2）建立關(guān)聯(lián)函數(shù)。以機(jī)組Ⅰ為例，結(jié)合關(guān)聯(lián)度計(jì)算公式(4)，計(jì)算得到各指標(biāo)與各評(píng)價(jià)等級(jí)的關(guān)聯(lián)度，而后利用公式(5)進(jìn)行歸一化處理，最后結(jié)合權(quán)重，由公式(6)計(jì)算出K1(M0)，在由公式(7)～(9)得到評(píng)定等級(jí)j0和變量特征值j*，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

根據(jù)表6中計(jì)算結(jié)果，K1(M0)的最大值出現(xiàn)在第五列，說(shuō)明該機(jī)組屬于所屬等級(jí)為v，即適應(yīng)性滿意度評(píng)價(jià)結(jié)果為“優(yōu)”，進(jìn)一步求出變量特征值j*，可以判斷該機(jī)組的具體特征，屬于第四類(lèi)并且偏向于第五類(lèi)，嚴(yán)格來(lái)說(shuō)為4.07類(lèi)。

同理，可得II～VII起壟機(jī)組關(guān)聯(lián)度及適應(yīng)性滿意度評(píng)定等級(jí)。最終評(píng)定結(jié)果如表7所示：

3.3 評(píng)價(jià)結(jié)果分析

由以上計(jì)算可得，在所測(cè)評(píng)的機(jī)組當(dāng)中，第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅴ、Ⅵ機(jī)組均屬于第v類(lèi)（優(yōu)），第Ⅳ機(jī)組與第Ⅶ機(jī)組分別屬于第ii類(lèi)（可）和第i類(lèi)（差），以上綜合評(píng)判結(jié)果與用戶反映的實(shí)際情況相符，從試驗(yàn)測(cè)試的角度對(duì)待評(píng)級(jí)起壟機(jī)組給出了明確的評(píng)判結(jié)果，說(shuō)明本模型的有效性。

總體上看，機(jī)組Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅴ、Ⅵ綜合作業(yè)性能為v(優(yōu))，能夠滿足當(dāng)?shù)氐淖鳂I(yè)要求。其中，機(jī)組Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ為小馬力“手扶式”作業(yè)機(jī)組，結(jié)構(gòu)特點(diǎn)基本相似，均主要由犁刀變速箱體、傳動(dòng)軸、傳動(dòng)鏈條、犁刀軸、犁刀等部件所組成，其購(gòu)機(jī)成本低、可靠性高、安全性好，但勞動(dòng)強(qiáng)度偏大、作業(yè)效率低、操作舒適性較差；而Ⅴ、Ⅵ號(hào)機(jī)組為“履帶自走式”，主要由發(fā)動(dòng)機(jī)、行走系統(tǒng)、液壓提升系統(tǒng)、起壟機(jī)構(gòu)等部分組成，其作業(yè)質(zhì)量高、使用效果好，但作業(yè)成本高。五臺(tái)機(jī)組的性能指標(biāo)存在差異，但綜合適應(yīng)性滿意度均屬于v（優(yōu)）等級(jí)。

表6 Ⅰ號(hào)機(jī)組的關(guān)聯(lián)度及評(píng)級(jí)Tab. 6 The correlative degree and the value degree of I

表7 Ⅰ-Ⅶ號(hào)機(jī)組的關(guān)聯(lián)度及評(píng)級(jí)Tab.7 The correlative degree and the value degree of I-VII

若根據(jù)j*來(lái)進(jìn)行進(jìn)一步的等級(jí)排序，順序?yàn)棰颍劲瘢劲酰劲螅劲觯劲鳎劲簟Ｔ谕瑢儆趘（優(yōu)）等級(jí)的范圍內(nèi)，綜合評(píng)價(jià)結(jié)果同類(lèi)之中也有區(qū)別，相比于只注重于排序的評(píng)價(jià)方法而言，更有助于機(jī)組評(píng)判和選優(yōu)。同時(shí)，該模型對(duì)用戶在選擇適宜機(jī)械時(shí)更具有參考價(jià)值，例如第Ⅵ機(jī)組雖然在變量特征值的排序中處于第五位，但是等級(jí)仍然在第v等級(jí)，說(shuō)明該機(jī)組綜合來(lái)說(shuō)還是優(yōu)秀的，只是相對(duì)其他機(jī)組有所差距，而用戶在挑選適合自己的機(jī)械時(shí)，可綜合地考慮自身?xiàng)l件去更有信心的選擇那些處于優(yōu)秀等級(jí)但排序并不十分靠前的機(jī)械。

此外，就機(jī)具本身對(duì)評(píng)價(jià)的結(jié)果影響而言，“手扶式”的小型起壟機(jī)由于屬于機(jī)具和動(dòng)力配合使用的類(lèi)型，雖然在勞動(dòng)強(qiáng)度、效率、舒適性等方面有不足之處，但在成本和小型化的方面具備優(yōu)勢(shì)；與其相對(duì)的是“履帶自走式”的自走型起壟機(jī)械，由于將起壟機(jī)構(gòu)和動(dòng)力、行走機(jī)構(gòu)等直接在機(jī)組生產(chǎn)時(shí)進(jìn)行組合配套，因此系統(tǒng)性更好，各機(jī)構(gòu)的協(xié)調(diào)配合使用上也更加優(yōu)秀，使得作業(yè)質(zhì)量、效果等方面的指標(biāo)更突出，但是由于整體機(jī)構(gòu)較復(fù)雜，支撐各機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)的動(dòng)力總和較大，因此作業(yè)成本和購(gòu)置成本也都較高。

4 結(jié)論與討論

該研究從測(cè)試選型的角度，結(jié)合可拓學(xué)的理論知識(shí)，提出了一種煙草田間作業(yè)機(jī)械的評(píng)價(jià)方法。在對(duì)煙草起壟機(jī)械的評(píng)價(jià)實(shí)證中，從作業(yè)成本、作業(yè)效率、作業(yè)質(zhì)量、使用效果4個(gè)方面構(gòu)建了煙草田間作業(yè)機(jī)械中起壟類(lèi)機(jī)械的適應(yīng)性滿意度評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并系統(tǒng)的給出了14個(gè)三級(jí)指標(biāo)的定義和試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集方法，增強(qiáng)了煙草起壟機(jī)械適應(yīng)性滿意度評(píng)價(jià)的全面性和可行性。

對(duì)于研究的分析，本文利用了可拓學(xué)中的物元理論，使評(píng)價(jià)結(jié)果擺脫了經(jīng)典數(shù)學(xué)中“是”、“非”二值的限制，使農(nóng)機(jī)評(píng)價(jià)中既的模糊概念得以有效解決，并實(shí)現(xiàn)了同一分類(lèi)之中也具有區(qū)別的評(píng)價(jià)，在提高了模型應(yīng)用的靈活性和廣泛性的同時(shí)，使得該種評(píng)價(jià)對(duì)用戶具有參考價(jià)值。

就煙草起壟機(jī)的發(fā)展而言，“手扶式”為代表的小型機(jī)具除了在作業(yè)質(zhì)量上需不斷提升外，還應(yīng)充分考慮與動(dòng)力的配合性使用問(wèn)題，同時(shí)注重對(duì)操作人員舒適性的改進(jìn)；而“自走式”機(jī)具應(yīng)關(guān)注機(jī)械動(dòng)力的高效使用問(wèn)題，并在不影響作業(yè)質(zhì)量和可靠性的基礎(chǔ)上降低制造成本。

可拓學(xué)在農(nóng)機(jī)適應(yīng)性滿意度評(píng)價(jià)中的應(yīng)用尚屬一種新的嘗試，針對(duì)煙草農(nóng)機(jī)的選型而言，其研究成果還只是初步的?？赏貙W(xué)理論有著豐富的內(nèi)涵，在其他農(nóng)機(jī)選型評(píng)價(jià)領(lǐng)域中的應(yīng)用前景十分廣泛，還有很多工作值得深入研究。

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:ZHAO Zusongying，ZHANG Weipeng，WANG Gang, et al. Evaluation of tobacco farming machinery based on extenics:taking ridging machine as an example [J]. Acta Tabacaria Sinica, 2017,23(2)

*Corresponding author.Email：zhengza@cau.edu.cn

Evaluation of tobacco farming machinery based on extenics: taking ridging machine as an example

ZHAO Zusongying1，ZHANG Weipeng1，WANG Gang2，ZHENG Zhian1，LI Pengtao1，WANG Jiao1，ZHANG Ping1
1 College of Engineering, China Agricultural University, Beijing 100083, China;2 China National Tobacco Corporation, Beijing 100055, China

In order to get reasonable applicability evaluation for tobacco farming machinery from user's point of view, an evaluation model for tobacco farming machinery was set up based on extenics principle and method. The model was applied to evaluate 7 ridging machines together with corresponding evaluation index system. Analysis of experiment data showed that I, II, III, V, VI units belong to class V(superior) while IV and VII units belong to class II (general) and I (inferior), respectively. The variable eigenvalue ranking of each unit was in the order of II (4.67), I (4.07), V (3.82), III (3.78), VI (3.33), VII (2.53), and IV (2.33). Evaluation results were consistent with actual situation, implying that the model had good applicability and feasibility and could provide quantitative and comparable data reference for ridging machinery evaluation. This model also had reference value for selection of machinery in other agricultural fi elds.

farming machinery evaluation; tobacco; ridging machinery; extenics; matter element analysis

趙祖松穎，張衛(wèi)鵬，王剛，等. 基于可拓學(xué)原理的煙草田間作業(yè)機(jī)械評(píng)價(jià)研究——以煙草田間起壟機(jī)械為例[J]. 中國(guó)煙草學(xué)報(bào)，2017,23（2）

中國(guó)煙葉公司《煙葉技術(shù)改進(jìn)項(xiàng)目》(No. 3241304)

趙祖松穎(1991—)，博士生，主要從事農(nóng)業(yè)系統(tǒng)工程方向研究，Email：vinminor@126.com

鄭志安（1965—），Email：zhengza@cau.edu.cn

2016-02-03；< class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版日期：

日期：2017-04-25