玉米播種機(jī)具規(guī)模配置模型建立與分析

吳小偉，武文娟，鐘志堂

(1.江蘇省農(nóng)業(yè)機(jī)械技術(shù)推廣站，南京 210017； 2.南京交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車工程學(xué)院，南京 211188)

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玉米播種機(jī)具規(guī)模配置模型建立與分析

吳小偉1，武文娟2，鐘志堂1

(1.江蘇省農(nóng)業(yè)機(jī)械技術(shù)推廣站，南京 210017； 2.南京交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車工程學(xué)院，南京 211188)

隨著玉米生產(chǎn)全程機(jī)械化的推進(jìn)，解決多位專家學(xué)者提出理論專一而深入和一般家庭農(nóng)場(chǎng)由于知識(shí)結(jié)構(gòu)水平不齊帶來(lái)的機(jī)具規(guī)模配置困擾問(wèn)題已越來(lái)越突出。為此，通過(guò)探索玉米生產(chǎn)機(jī)械化過(guò)程中機(jī)播環(huán)節(jié)機(jī)具保有量配置情況對(duì)作業(yè)效率、成本等因素的影響關(guān)系，建立了不同種植面積、機(jī)具性能、機(jī)具折舊費(fèi)、油耗費(fèi)、維修管理費(fèi)、人員工資等條件下的玉米播種機(jī)具保有量關(guān)系模型，開展不同模式下的機(jī)具保有量配置和節(jié)本效益分析，形成100～1 000 hm2條件下最優(yōu)機(jī)具配置表和選型參考圖，解決了玉米播種機(jī)具購(gòu)置的盲目性和資金的浪費(fèi)問(wèn)題，充分發(fā)揮了機(jī)具效率，提高了生產(chǎn)率，為各有關(guān)單位制定決策提供了有力參考。

玉米；機(jī)械化；播種機(jī)；配置

0 引言

江蘇省玉米種植面積一直穩(wěn)定在40萬(wàn)hm2左右，種植面積僅次于水稻和小麥。其中，適宜機(jī)械化生產(chǎn)的面積約26.67萬(wàn)hm2，按區(qū)域分主要集中在蘇北5市，種植面積約占全省總面積的75%。到2015年底，全省玉米種植面積增加到44.47萬(wàn)hm2，適宜機(jī)械化作業(yè)連片種植面積為30萬(wàn)hm2，分別較2012年以前增長(zhǎng)3.33萬(wàn)hm2；完成玉米機(jī)播26.2萬(wàn)hm2，機(jī)播率為87.3%；機(jī)收24.4萬(wàn)hm2，機(jī)收率為81.3%，較2012年分別提高22.3%、24.3%。全省共有18個(gè)玉米主產(chǎn)縣(市、區(qū))基本實(shí)現(xiàn)了玉米生產(chǎn)機(jī)械化，玉米機(jī)械化生產(chǎn)在全省范圍內(nèi)已得到了快速擴(kuò)散，全省連片種植玉米區(qū)域基本實(shí)現(xiàn)了玉米生產(chǎn)機(jī)械化。在推進(jìn)玉米生產(chǎn)機(jī)械化過(guò)程中，存在機(jī)具配置模糊問(wèn)題，缺乏有效手段開展機(jī)具保有量測(cè)算，造成了部分機(jī)具閑置和資金浪費(fèi)，影響了機(jī)具效率的提高。

隨著技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，推廣適度規(guī)模經(jīng)營(yíng)已是不可逆轉(zhuǎn)的趨勢(shì)[1]。適度規(guī)模經(jīng)營(yíng)不僅可以提高糧食生產(chǎn)效率，還有利于建立起一支穩(wěn)定的糧食生產(chǎn)隊(duì)伍。國(guó)內(nèi)農(nóng)機(jī)具配置的主要方法有作業(yè)量法[2]、最低費(fèi)用法、專家調(diào)查法、“機(jī)器—時(shí)間”系統(tǒng)配備法、線性規(guī)劃法、非線性規(guī)劃法、混合整數(shù)規(guī)劃，以及這些方法的一些組合。楊宛章[3]從耕、種、收3個(gè)環(huán)節(jié)考核農(nóng)機(jī)裝備配置合理度和適宜農(nóng)機(jī)裝備占有率兩個(gè)指標(biāo)。張宗毅等人[4]提出基于DEA成本效率模型的耕種農(nóng)機(jī)裝備結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，考慮技術(shù)上最優(yōu)和經(jīng)濟(jì)上成本最小。潘迪等人[5]在考慮農(nóng)機(jī)裝備工作效率、人工配備、燃油消耗等條件下，提出作業(yè)面積及收獲作業(yè)天數(shù)可變情況下的改進(jìn)型整數(shù)線性規(guī)劃數(shù)學(xué)模型。徐秀英[6]提出家庭農(nóng)場(chǎng)應(yīng)從農(nóng)場(chǎng)規(guī)模、農(nóng)機(jī)種類、質(zhì)量、價(jià)格和數(shù)量上來(lái)考慮農(nóng)機(jī)配置。張宏文等人[7]建立了作業(yè)量、拖拉機(jī)配備量和農(nóng)具配備約束條件下的最低作業(yè)成本農(nóng)機(jī)具線性規(guī)劃，指出農(nóng)機(jī)設(shè)備購(gòu)置管理修理費(fèi)在5%的置信水平下對(duì)技術(shù)效率正相關(guān)[8]。涂志強(qiáng)等人[9-10]從作物面積、投入資金、勞動(dòng)力供給、耕地實(shí)踐、作物多樣化、天氣、風(fēng)險(xiǎn)管理等方面開展了農(nóng)機(jī)配置影響因素分析，計(jì)算出不同方案的農(nóng)機(jī)裝備的折舊成本和經(jīng)營(yíng)土地規(guī)模。張慶輝等人[11-12]從效益、因地制宜、市場(chǎng)等方面闡述了機(jī)具選擇原則，以深松機(jī)、淺耕整地機(jī)和免耕施肥播種機(jī)3種機(jī)具為代表，簡(jiǎn)要說(shuō)明了機(jī)具參數(shù)和選配方法，并建議從水田泥腳深度、田塊大小形狀，土壤性能、土壤比阻、作業(yè)總量、使用者購(gòu)買能力等因素考慮選擇耕整地機(jī)械。張靜等人[13]以作業(yè)時(shí)間、機(jī)具數(shù)量、臺(tái)班數(shù)為決策變量，以作業(yè)量、動(dòng)力配備量、機(jī)具配備量和作業(yè)時(shí)間的相互關(guān)系為約束方程，以機(jī)具作業(yè)成本與適時(shí)性損失之和最小為目標(biāo)函數(shù)，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。盡管上述專家學(xué)者對(duì)機(jī)具配置方式方法展開了討論分析，但未發(fā)現(xiàn)針對(duì)玉米播種環(huán)節(jié)不同面積條件下的播種機(jī)具保有量配置分析。

本文通過(guò)分析多位專家學(xué)者的研究進(jìn)展，綜合分析省內(nèi)玉米生產(chǎn)機(jī)械化機(jī)具配置存在問(wèn)題，探索建立了不同條件下的玉米播種機(jī)具規(guī)模配置模型，形成不同面積條件下的理論優(yōu)化配置選型表和參考圖，解決了之前專家學(xué)者提出理論專一而深入和一般家庭農(nóng)場(chǎng)由于知識(shí)結(jié)構(gòu)水平不齊帶來(lái)的機(jī)具規(guī)模配置困擾問(wèn)題。本研究計(jì)算結(jié)果簡(jiǎn)單明了，可操作性強(qiáng)，可為各有關(guān)單位和人員開展玉米生產(chǎn)機(jī)械化過(guò)程中機(jī)播環(huán)節(jié)測(cè)算和分析提供依據(jù)，并為機(jī)收環(huán)節(jié)及其它不同作物機(jī)械化生產(chǎn)機(jī)具配置等提供參考。

1 播種機(jī)具模型設(shè)計(jì)

1.1 單一品種機(jī)具配置分析

在配置播種機(jī)時(shí)主要考慮機(jī)具的作業(yè)能力，忽略機(jī)具購(gòu)置價(jià)格、維修保養(yǎng)費(fèi)用等約束條件，探索單一品種機(jī)具在不同作業(yè)面積中的保有量情況，計(jì)算方法為

(1)

其中，S為總作業(yè)面積(hm2)；T為作業(yè)機(jī)具臺(tái)數(shù)(臺(tái))；t為作業(yè)時(shí)間(天)，t=8；λ為機(jī)具作業(yè)效率(hm2/天)。

1.2 多參數(shù)考核情況下的機(jī)具配置分析

對(duì)玉米作業(yè)機(jī)械的系統(tǒng)配置是指在規(guī)定作業(yè)時(shí)間內(nèi)完成生產(chǎn)任務(wù)的前提條件下，使機(jī)器及人工作業(yè)成本達(dá)到最低。通過(guò)對(duì)機(jī)具購(gòu)置價(jià)格、機(jī)具殘值、生產(chǎn)率、人員工資、燃油費(fèi)、管理費(fèi)等有關(guān)費(fèi)用分析，玉米作業(yè)機(jī)械在一定時(shí)間內(nèi)的作業(yè)成本，是指在作業(yè)過(guò)程中各項(xiàng)人力、物力和財(cái)力的消耗，主要包括以下4項(xiàng)：機(jī)器折舊費(fèi)、機(jī)器作業(yè)油耗費(fèi)、人員工資和機(jī)器維修及管理費(fèi)等。通過(guò)對(duì)上述4個(gè)參數(shù)分析，建立作業(yè)費(fèi)用與4個(gè)參數(shù)的方程，經(jīng)求解分析得出不同條件下的最優(yōu)機(jī)具配置。設(shè)不同型號(hào)的機(jī)具所需數(shù)量為Xi(i=1，2，3)。

1.2.1 優(yōu)化參數(shù)

1)機(jī)器折舊費(fèi)f1。根據(jù)每臺(tái)機(jī)具扣除其殘值后，按照10年工作年限平均后，得出每臺(tái)機(jī)具的年折舊費(fèi)，計(jì)算公式為

(2)

其中，f1為機(jī)具年折舊費(fèi)總和；Ci為單位機(jī)具年折舊費(fèi)。

2)油耗費(fèi)f2。油耗費(fèi)是指機(jī)器在作業(yè)過(guò)程中實(shí)際消耗的燃油費(fèi)用。本文油耗費(fèi)主要是根據(jù)調(diào)查問(wèn)卷時(shí)機(jī)手統(tǒng)計(jì)所得，并計(jì)算單位面積油耗，則有

(3)

其中，f2為機(jī)具年油耗費(fèi)總和；Cyf為機(jī)具調(diào)查油耗費(fèi)(元/天)。

3)維修管理費(fèi)f3。維修管理費(fèi)是指機(jī)器在發(fā)生故障時(shí)及日常管理所需要的費(fèi)用，本文維修管理費(fèi)主要是根據(jù)調(diào)查問(wèn)卷時(shí)機(jī)手統(tǒng)計(jì)所得，為

(4)

其中，f3為機(jī)具年維修管理費(fèi)總和；Cwf為機(jī)具維修管理費(fèi)(元/年)。

4)作業(yè)人員工資f4。駕駛員操作機(jī)器進(jìn)行作業(yè)的工資，用f4表示，則

(5)

其中，f4工資費(fèi)總和；Cgzf為調(diào)查工資費(fèi)(元/天)。

1.2.2 目標(biāo)函數(shù)

這是對(duì)作業(yè)機(jī)械系統(tǒng)配置的一個(gè)總體目的和目標(biāo)，一般希望配置系統(tǒng)以后能夠效益最好，或者說(shuō)收益能力最佳、投資最少。在確定相應(yīng)支出的情況下，計(jì)算其最低成本同樣能實(shí)現(xiàn)效益最好。因此，以完成年作業(yè)任務(wù)的作業(yè)成本最低為目標(biāo)函數(shù)F，則有

minF=f1+f2+f3+f4

(6)

1.2.3 約束條件

1)各機(jī)型數(shù)量的約束。優(yōu)化后的各種機(jī)型的配備臺(tái)數(shù)，不能大于該機(jī)型單獨(dú)完成任務(wù)所需的最大臺(tái)數(shù)，即

Xi≤Ximaxi=1，2，3

(7)

其中，Ximax為第i種機(jī)具配備的最多臺(tái)數(shù)。

2)非負(fù)整數(shù)的約束。所有機(jī)具的數(shù)量不能為負(fù)數(shù)，即

Xi≥0 i=1，2，3

(8)

3)機(jī)具作業(yè)能力誤差。要求所配置的機(jī)具作業(yè)能力誤差在±5%以內(nèi)，即

(9)

2 配置分析

根據(jù)江蘇省氣候條件，蘇中及沿海春玉米播期一般為3月下旬至4月上旬；淮北夏玉米播期適當(dāng)推遲，一般于6月中、下旬播種，減輕飛虱對(duì)玉米幼苗的危害，降低玉米粗縮病的發(fā)生。江蘇省玉米一般播種時(shí)間約為8天，平均每天作業(yè)8h。機(jī)引農(nóng)具按照農(nóng)業(yè)部經(jīng)濟(jì)效益評(píng)價(jià)方法中有關(guān)規(guī)定，取機(jī)具殘值率為5.5%，計(jì)算出機(jī)具殘值；維修管理費(fèi)參考魯敏等人棉花種植機(jī)械化優(yōu)化配置研究[14]，取6.26%，計(jì)算出相關(guān)結(jié)果。篩選出江蘇省主推的3種規(guī)格機(jī)型播種機(jī)及相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 各機(jī)具主要因素統(tǒng)計(jì)表

表中售價(jià)、生產(chǎn)率數(shù)據(jù)為多個(gè)廠家產(chǎn)品均值。

2.1 單一品種機(jī)具配置分析

根據(jù)單一品種機(jī)具配置模型和每種機(jī)具的生產(chǎn)率，代入式(1)計(jì)算出100～1 000hm2之間的不同機(jī)具理論配置表(未圓整)如表2所示。

表2 作業(yè)面積、機(jī)具型號(hào)、機(jī)具臺(tái)數(shù)之間理論關(guān)系

續(xù)表2

若按照單一型號(hào)機(jī)具配置，則在相應(yīng)面積條件下，經(jīng)圓整后，需要的機(jī)具數(shù)量如表3所示，圓整時(shí)根據(jù)作業(yè)量最大誤差5%范圍確定，優(yōu)選誤差最小的。

表3 單一型號(hào)機(jī)具配置

2.2 多參數(shù)考核情況下的機(jī)具配置分析

根據(jù)表1中有關(guān)數(shù)據(jù)及式(2)～式(5)，分別求出f1、f2、f3、f4,則

(10)

(11)

(12)

(13)

則目標(biāo)函數(shù)為

minF=f1+f2+f3+f4=463X1+539X2+

614X3+960X1+1536X2+1680X3+307X1+

357X2+407X3+960X1+960X2+960X3=

2690X1+3392X2+3661X3

(14)

根據(jù)式(14)，將多參數(shù)考核條件下的約束條件編程后導(dǎo)入LINGO(Linear Interactive and General Optimizer)求解程序軟件，分別求出100～1 000hm2間的最優(yōu)機(jī)具配置情況,如表4所示。

表4 不同面積條件下最優(yōu)機(jī)具配置情況

經(jīng)優(yōu)化后，多參數(shù)考核情況下機(jī)具節(jié)本與單一品種配置機(jī)具節(jié)本對(duì)比如下,如表5所示。

表5 優(yōu)化前后作業(yè)成本對(duì)比

3 結(jié)果與分析

從對(duì)100～1 000hm2面積條件下的不同機(jī)具配置方案及優(yōu)化結(jié)果看，不同面積條件下的機(jī)具配置節(jié)本最大分別為31.5%、23.9%、27.2%、30.4%、28%、28.6%、30.2%、28.5%、29.1%、30%，優(yōu)化后節(jié)本經(jīng)濟(jì)效果非常明顯，同時(shí)又能保證機(jī)具的利用最大化。通過(guò)對(duì)優(yōu)化后的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，形成了面積、機(jī)具數(shù)量的理論曲線擬合圖，如圖1所示。由于該圖的選配精度未能達(dá)到最優(yōu)化機(jī)具選配方案(未達(dá)到程序求解精度)，因此該圖對(duì)指導(dǎo)機(jī)具選配具有一定的方向性參考意義，在精確選配時(shí)，應(yīng)結(jié)合其他工具綜合確定。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)江蘇玉米生產(chǎn)機(jī)械化情況特點(diǎn)分析，探索建立不同面積、機(jī)具性能等條件下的玉米播種機(jī)具規(guī)模配置模型，開展了各條件下的配置分析，得出不同配置方案下的機(jī)具最佳保有量情況，形成100-1 000hm2面積條件下的最優(yōu)理論機(jī)具配置表和選型參考圖。該研究對(duì)指導(dǎo)玉米主產(chǎn)區(qū)科學(xué)合理地配置玉米播種機(jī)具，解決機(jī)具購(gòu)置的盲目性和資金浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)玉米生產(chǎn)現(xiàn)代化、集約化具有一定的現(xiàn)實(shí)意義和實(shí)用價(jià)值。

圖1 機(jī)具選型參考圖

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Set and Analysis the Model of Corn Planter Implements Distribution

Wu Xiaowei1, Wu Wenjuan2, Zhong Zhitang1

(1.Agricultural Machinery Technology Extension Station Jiangsu, Nanjing 210017, China; 2.College of Automobile Engineering, Nanjing Communications Institute of Technology, Nanjing 211188, China)

With the development of corn mechanization,to solve the configuration issues caused by theorize specific & depth of experts and the knowledge structure uneven level of the family farm is increasingly prominent.In order to explore the relationship between corn planter and operating efficiency, cost and other factors during the process of production mechanization. Established the corn planter relational model under different planting area, equipment performance,equipment depreciation, fuel costs, maintenance and management fees, salaries and other conditions, analysis the benefit between corn planter and abridged by different modes, formed the optimal equipment configuration tables and selection of reference FIG at 100 to 1000 hectares. Solve the problem of blindness on purchasing equipment, increase productivity and equipment efficiency. Provide a strong reference to the relevant units to make decision.

corn； mechanization； corn planter； implements distribution

2016-05-30

江蘇省農(nóng)機(jī)三新工程重大技術(shù)集成(玉米)項(xiàng)目(NJ2014-27，NJ2015-28)

吳小偉(1985-)，男，南京人，工程師，(E-mail)wxw0920@163.com。

鐘志堂(1964-)，男，南京人，研究員，( E-mail)Zhongzhitang64@sina.com。

S231；S232.2

A

1003-188X(2017)07-0048-05