江蘇省設(shè)施蔬菜關(guān)鍵生產(chǎn)環(huán)節(jié)機具的選型與配備研究

沈啟揚， 於 鋒， 周學(xué)劍

(1.江蘇省農(nóng)機具開發(fā)應(yīng)用中心，江蘇南京 210017； 2.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)，江蘇南京 210095)

近年來，江蘇省設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展迅速，特別是設(shè)施蔬菜發(fā)展迅猛，截至2014年年底，全省建成永久性蔬菜基地 7.39萬hm2，設(shè)施農(nóng)業(yè)面積達75.8萬hm2，占耕地面積比重提高至16.5%，占比居全國第一。高效設(shè)施農(nóng)機化科技示范基地有242個，總面積達3.7萬hm2；以省級示范基地為領(lǐng)頭，市縣級示范基地為主體，占總基地數(shù)量的75.2%?；匾允卟?、經(jīng)濟林果(西蘭花、甘藍、草莓、葡萄、蜜桃、柿子、西瓜、金針菇、杏鮑菇、蕃茄、青椒、蘿卜、甜瓜、馬鈴薯、藥草、仙人掌、花卉、苗木)種植為主。設(shè)施蔬菜關(guān)鍵生產(chǎn)環(huán)節(jié)機具的選型與配備是設(shè)施農(nóng)業(yè)當(dāng)中的一個重要環(huán)節(jié)，但目前設(shè)施農(nóng)業(yè)大部分生產(chǎn)環(huán)節(jié)仍為傳統(tǒng)的人工勞動，工作強度大，作業(yè)效率低，人均作業(yè)面積僅為歐美國家的1/4，且作業(yè)質(zhì)量差，單位面積產(chǎn)量僅為歐美國家的1/3。同時，伴隨著我國勞動力日益短缺，我國對設(shè)施蔬菜機械的需求大量增長，特別是一些示范基地對設(shè)施蔬菜機械的需求增加，正確的選型與合理地進行配備以達到滿足生產(chǎn)、節(jié)約成本、降低費用的要求成為當(dāng)前急需解決的問題。目前對農(nóng)機選型與配置有2種偏見：一是片面追求數(shù)量，以農(nóng)機裝備的擁有量和總動力來衡量農(nóng)機化發(fā)展水平，缺乏最佳配置研究;二是片面追求高檔，以農(nóng)機裝備的“高、新、特”等來衡量農(nóng)機化水平，缺乏農(nóng)機經(jīng)濟研究。隨著新型農(nóng)機具更新?lián)Q代步伐的加快，農(nóng)機具的選型和配備問題在農(nóng)機化技術(shù)推廣領(lǐng)域中將占有越來越重要的地位，相關(guān)選型與配備問題的決策模型在理論和實踐上都有著重大的意義。

1 設(shè)施蔬菜關(guān)鍵生產(chǎn)環(huán)節(jié)機具選型

1.1 選型方法及程序

設(shè)施蔬菜機具選型是后期機具優(yōu)化配備的基礎(chǔ)，本研究結(jié)合專家意見確定選型的主要指標(biāo)，并給出重要指標(biāo)的權(quán)重，通過模糊綜合評判法對其進行排序，優(yōu)選出耕整地機具3種進行優(yōu)劣排序。根據(jù)對設(shè)施蔬菜定園區(qū)作業(yè)規(guī)模、作業(yè)模式等信息的調(diào)研，確定備選機型，運用調(diào)查評測法對備選機型進行綜合評價[1]，再通過試驗獲取相關(guān)數(shù)據(jù)分析運算，最后選出綜合性能最好的機具型號。選型程序如圖1所示[2]。

1.2 評價指標(biāo)及權(quán)重

根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) NY/T 1931—2010 《農(nóng)業(yè)機械先進性評價一般方法》相關(guān)內(nèi)容，評價機具的綜合性能，通常是對其適用性、經(jīng)濟性、操作維護保養(yǎng)方便性和人機關(guān)系進行綜合分析。本研究以作業(yè)質(zhì)量、作業(yè)效率、維護保養(yǎng)方便性、操作方便性、固定成本、運行成本、作業(yè)純收入、安全性、通過性、舒適度10項具體指標(biāo)建立機具綜合評價指標(biāo)(表1)。

表1 選型指標(biāo)及權(quán)重

1.3 評價模型

將機具適用性、經(jīng)濟性、操作維護保養(yǎng)方便性、人機關(guān)系等作為一級選型指標(biāo)，再將各一級指標(biāo)分為作業(yè)質(zhì)量、作業(yè)效率、維護保養(yǎng)方便性、操作方便性、固定成本、運行成本、作業(yè)純收入、安全性、通過性、舒適度等二級選型指標(biāo)。()內(nèi)數(shù)字為不同的權(quán)重λ，對其進行定性評價，分為好、較好、一般、較差、差5級，給予對應(yīng)的評價分值分別為5、4、3、2、1。

計算第q個選型機具分值：

式中：λi為第i項一級指標(biāo)權(quán)重；λij為第i項一級指標(biāo)中第j項二級指標(biāo)權(quán)重；Eij為第i項一級指標(biāo)中第j項二級指標(biāo)評分值；m為一級指標(biāo)總數(shù)；ni為第i項一級指標(biāo)中二級指標(biāo)總數(shù)。

根據(jù)計算得出的適用性評價分值構(gòu)建評判向量Ri，Ri=[ri1，ri2，…，rim]，組成矩陣R：

式中：m為選型機具人數(shù)；n為選型機具數(shù)目。

計算相應(yīng)的評價指標(biāo)的評判向量B：

B=A?R。

式中：A=[a1a2…an]，為各選型機具人員權(quán)重分值；“?”為模糊算子，此處表示矩陣相乘。

1.4 綜合評判計算

根據(jù)調(diào)研掌握的省內(nèi)設(shè)施蔬菜園區(qū)主要應(yīng)用機具裝備情況，將設(shè)施蔬菜關(guān)鍵生產(chǎn)環(huán)節(jié)機具分為施肥、耕整地、移栽(播種)、植物保護等環(huán)節(jié)(由于起壟、鋪膜環(huán)節(jié)并非所有蔬菜農(nóng)藝需要，而收獲機械化水平較低，因此不做機具選型)。請專家和園區(qū)用戶對選型機具進行打分評價，根據(jù)評價分?jǐn)?shù)進行整理和公式方法計算，得出各環(huán)節(jié)機具優(yōu)劣排序情況，從而篩選出合適作業(yè)機具。

建立備選機具：

N={ni/i=1，2，…}。

1.5 計算結(jié)果

1.5.1 計算評價分值 本次調(diào)研分別收集專家和園區(qū)用戶建議各3人，合計6人。經(jīng)數(shù)據(jù)整理后，按照機具編組計算公式，得出結(jié)果見表2，即：

Eq=0.5×(0.6×Ejj+0.4×Ejj)+0.15×(0.5×Ejj+0.5×Ejj)+0.15×(0.3×Ejj+0.3×Ejj+0.4×Ejj)+0.2×(0.4×Ejj+0.3×Ejj+0.3×Ejj)。

表2 園區(qū)選型機具評價分值

注：M1為黃海金馬300D耕整機，M2為東風(fēng)DF404B耕整機，M3為璟田TKC-750微耕機；S1為環(huán)流MF1002手扶式撒肥機，S2為得利卡DAM-101S自走式撒肥機；T1為井關(guān)2ZY-2A(PVHR2-E18)蔬菜移栽機，T2為洋馬2ZQ-2(PF2R)高速蔬菜移栽機，T3為富來威2ZB-1蔬菜移栽機；P1為惠林3WZ-300S手推式植保機，P2為稼樂3WBJ-16D背負(fù)式植保機，P3為筑水3WZ-51自走式植保機。F1、F2、F3為專家評分，F(xiàn)4、F5、F6為園區(qū)用戶評分。

1.5.2 構(gòu)造矩陣R綜合考慮用戶與專家的意見，給出參與評價人員在本組機具選型過程中的權(quán)重分值：

A=[0.16 0.12 0.12 0.24 0.20 0.16]；

1.5.3 計算求解得出模糊評判指數(shù)矩陣：

B=A?R=[3.944，3.689 2，3.429 6，3.989 8，3.851 4，3.578 0，4.063 4，3.191 8，3.743 6，3.605 0，3.982 2]。

1.6 選型結(jié)論

由此分析，參與選型的設(shè)施蔬菜關(guān)鍵生產(chǎn)環(huán)節(jié)機具評價結(jié)果為

M1>M2>M3；

S1>S2；

T2>T1>T3；

P3>P1>P2。

結(jié)果表明，黃海金馬300D耕整機>東風(fēng)DF404B耕整機>璟田TKC-750微耕機；環(huán)流MF1002手扶式撒肥機>得利卡DAM-101S自走式撒肥機；洋馬2ZQ-2(PF2R)高速蔬菜移栽機>井關(guān)2ZY-2A(PVHR2-E18)蔬菜移栽機>富來威2ZB-1蔬菜移栽機；筑水3WZ-51自走式植保機>惠林3WZ-300S手推式植保機>稼樂3WBJ-16D背負(fù)式植保機。其中，“>”表示優(yōu)于。

2 設(shè)施蔬菜關(guān)鍵生產(chǎn)環(huán)節(jié)機具配備

2.1 配備原則

在完成設(shè)施蔬菜關(guān)鍵生產(chǎn)環(huán)節(jié)機具選型的基礎(chǔ)上，對優(yōu)選出來的耕整地機具、施肥機具、種植機具、植保機具進行優(yōu)化配備，從而取得最滿意的追求目標(biāo)。配置機型時，主要以設(shè)施蔬菜生產(chǎn)過程中的經(jīng)濟效益為研究對象，以蔬菜生產(chǎn)園區(qū)為例，確定影響設(shè)施蔬菜關(guān)鍵生產(chǎn)環(huán)節(jié)機具配備的主要因素與約束條件，按照作業(yè)成本最低、生產(chǎn)效益最大、動力配置最小的原則，構(gòu)建蔬菜生產(chǎn)園區(qū)設(shè)施蔬菜機具系統(tǒng)配置的數(shù)學(xué)模型，并求的最優(yōu)解。

2.2 案例分析

本研究以江蘇省常熟市碧溪新區(qū)“菜籃子”工程蔬菜生產(chǎn)園區(qū)作為試驗場地，前期調(diào)研碧溪蔬菜生產(chǎn)園區(qū)蔬菜面積706 hm2，其中設(shè)施大棚26 hm2，防蟲網(wǎng)、遮陽網(wǎng)10萬多m2，節(jié)水灌溉100 hm2，蔬菜連棟溫室育苗中心1 hm2，適合機械作業(yè)設(shè)施面積26 hm2，現(xiàn)有農(nóng)機裝備保有量50多臺，具體詳見表3。對園區(qū)甘藍1年周期生產(chǎn)機械化工藝流程(表4)和作業(yè)成本(表5)進行調(diào)研分析，對設(shè)施甘藍機械化育苗、施肥、耕整、移栽、植物保護等環(huán)節(jié)進行優(yōu)化配備。其中收獲環(huán)節(jié)全部依靠人工完成，育苗效率能完全滿足園區(qū)需求，因此選取園區(qū)機械化率較高的耕整地、施肥、種植、植物保護4個環(huán)節(jié)開展效益分析，取機械平均作業(yè)效率進行計算，得出目前保有量下的機械作業(yè)成本。

表3 園區(qū)主要農(nóng)機具情況統(tǒng)計

結(jié)果表明，園區(qū)設(shè)施甘藍周年生產(chǎn)育苗、施肥、耕整地、移栽、植物保護等環(huán)節(jié)機械化水平較高。通過分析各環(huán)節(jié)機具價格、功率、數(shù)量、投資總額、年固定成本、可變成本等因素，綜合甘藍生產(chǎn)工藝流程得出：(1)機具作業(yè)總成本偏高；(2)耕整地、移栽、撒肥等環(huán)節(jié)存在一定機具閑置浪費現(xiàn)象；(3)設(shè)施大棚結(jié)構(gòu)不一，造成機具通過性降低，導(dǎo)致作業(yè)效率降低。因此，園區(qū)在機具配備優(yōu)化方面具有很大調(diào)整空間。

2.3 建立優(yōu)化配備模型

2.3.1 作業(yè)量約束方程

∑PijYij≥Sj；

式中：j為作業(yè)環(huán)節(jié)；i為機器型號；Pij為機具i在環(huán)節(jié)j作業(yè)時的班生產(chǎn)率；Yij為機具i在環(huán)節(jié)j作業(yè)時的臺班數(shù)；Sj為j環(huán)節(jié)作業(yè)面積。

2.3.2 機具數(shù)量約束方程

∑Yij≤θjTjYi；

式中：θj為機具i在j環(huán)節(jié)可下地作業(yè)概率；Tj為機具i在j環(huán)節(jié)可下地作業(yè)日歷班次數(shù)；Yi為機具i數(shù)量。其中，θ=1，因為設(shè)施農(nóng)業(yè)不受天氣影響，環(huán)境因素可控。

2.3.3 目標(biāo)方程 本研究擬采用機器作業(yè)成本最小作為優(yōu)化配備目標(biāo)，作業(yè)成本主要由可變成本和固定成本2個部分組成[3](表5)。

minB=B變+B固；

式中：B為作業(yè)總成本；B變?yōu)闄C具可變成本；B固為機具固定成本。

2.4 模型運算

2.4.1 設(shè)定變量

Y1—環(huán)流MF1002手扶式撒肥機，臺；

Y2—得利卡DAM-101S自走式撒肥機，臺；

Y3—黃海金馬1GVF-125多功能作業(yè)機，臺；

Y4—東風(fēng)1GQN-125旋耕機，臺；

Y5—璟田TKC-750多功能田園管理機，臺；

Y6—井關(guān)2ZY-2A蔬菜移栽機，臺；

Y7—洋馬2ZQ-2蔬菜移栽機，臺；

Y8—富來威2ZB-1蔬菜移栽機，臺；

Y9—筑水3WZ-51自走式植保機，臺；

Y10—惠林植保機3WZ-300S手推式機動植保機，臺；

表4 園區(qū)設(shè)施甘藍生產(chǎn)機械化工藝流程

表5 機器作業(yè)成本

Y11—稼樂植保機3WBJ-16D背負(fù)式靜電噴霧器，臺；

Y12—黃海金馬300D拖拉機，臺；

Y13—東風(fēng)DF404B拖拉機，臺；

Y14—環(huán)流MF1002手扶式撒肥機作業(yè)臺班數(shù)，班；

Y15—得利卡DAM-101S自走式撒肥機作業(yè)臺班數(shù)，班；

Y16—黃海金馬1GVF-125多功能作業(yè)機作業(yè)臺班數(shù)，班；

Y17—東風(fēng)1GQN-125旋耕機作業(yè)臺班數(shù)，班；

Y18—璟田TKC-750多功能田園管理機作業(yè)臺班數(shù)，班；

Y19—井關(guān)2ZY-2A蔬菜移栽機作業(yè)臺班數(shù)，班；

Y20—洋馬2ZQ-2蔬菜移栽機作業(yè)臺班數(shù)，班；

Y21—富來威2ZB-1蔬菜移栽機作業(yè)臺班數(shù)，班；

Y22—筑水3WZ-51自走式植保機作業(yè)臺班數(shù)，班；

Y23—惠林植保機3WZ-300S手推式機動植保機作業(yè)臺班數(shù)，班；

Y24—稼樂植保機3WBJ-16D背負(fù)式靜電噴霧器作業(yè)臺班數(shù)，班。

2.4.2 建立作業(yè)量約束方程

施肥環(huán)節(jié)(10月11日—10月12日，共2 d)：

3.3Y14+8Y15≥27；

耕整地環(huán)節(jié)(10月14號—10月18號，共5 d)：

1.3Y16+1.1Y17+0.53Y18≥40；

種植環(huán)節(jié)(10月20日—11月4日)：

0.7Y19+2Y20+0.53Y21≥27；

植保環(huán)節(jié)(11月5日—12月20日)：

2.4Y22+2.4Y23+Y24≥54。

2.4.3 建立機器數(shù)量約束方程

Y14≤2Y1；

Y15≤2Y2；

Y16≤5Y3；

Y17≤5Y4；

Y18≤5Y5；

Y19≤60Y6；

Y20≤60Y7；

Y21≤60Y8；

Y22≤30Y9；

Y23≤30Y10；

Y24≤30Y11；

Y3+Y4≤Y12+Y13。

2.4.4 建立非負(fù)約束方程

Y1≥0；

Y2≥0；

Y3≥0；

Y4≥0；

Y5≥0；

Y6≥0；

Y7≥0；

Y8≥0；

Y9≥0；

Y10≥0；

Y11≥0；

Y12≥0；

Y13≥0。

2.4.5 建立目標(biāo)方程與求解 minB=B固+B變=352Y1+835Y2+372Y3+434Y4+257Y5+5 580Y6+4 880Y7+2 460Y8+245Y9+450Y10+103Y11+1 560Y12+2 100Y13+140×3.3Y14+280×8Y15+227×1.3Y16+383×1.1Y17+208×0.58Y18+184×0.7Y19+180×2Y20+210×0.58Y21+107×2.4Y22+125×2.4Y23+97×Y24。

本研究利用Matlab規(guī)劃求解加載宏模塊對方程求解，求解結(jié)果如下：

Y1=1.2；

Y2=0；

Y3=2.3；

Y4=1.1；

Y5=0；

Y6=0；

Y7=0.9；

Y8=0；

Y9=1.2；

Y10=0；

Y11=1.1；

Y12=2.3；

Y13=1.1；

Y14=1.8；

Y15=0；

Y16=4.8；

Y17=4.6；

Y18=0；

Y19=0；

Y20=14.3；

Y21=0；

Y22=44.6；

Y23=0；

Y24=0；

minB=27 979.8。

在實際生產(chǎn)中機具數(shù)量必須為整數(shù)，所以應(yīng)對Y1～Y13結(jié)果進行取整，取整后數(shù)據(jù)如下所示：

Y1=2；

Y2=0；

Y3=3；

Y4=2；

Y5=0；

Y6=0；

Y7=1；

Y8=0；

Y9=2；

Y10=0；

Y11=2；

Y12=3；

Y13=2。

綜上所述，碧溪園區(qū)機具配備為環(huán)流MF1002手扶式撒肥機2臺；黃海金馬1GVF-125多功能作業(yè)機3臺；東風(fēng)1GQN-125旋耕機2臺；洋馬2ZQ-2蔬菜移栽機1臺；筑水3WZ-51自走式植保機2臺；黃海金馬300D拖拉機3臺；東風(fēng)DF404B拖拉機2臺。將取整后數(shù)據(jù)帶入目標(biāo)方程計算可得minB=27 979.8元×2季=55 959.6元，通過前文分析可知，優(yōu)化前園區(qū)總作業(yè)成本為固定成本+可變成本=31 936元+64 230元=96 166元，優(yōu)化后節(jié)約成本40 206.4元，節(jié)本效果明顯，因此該優(yōu)化方案切實可行。

3 結(jié)論

本研究選取設(shè)施蔬菜中典型代表甘藍的關(guān)鍵生產(chǎn)環(huán)節(jié)所用機具作為優(yōu)化設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式的突破口，以江蘇省典型設(shè)施農(nóng)業(yè)園區(qū)常熟碧溪現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生態(tài)園作為試驗基地，研究分析適合江蘇省設(shè)施蔬菜種植機具的選型系統(tǒng)及相關(guān)作業(yè)環(huán)節(jié)的機具配備，較全面地考慮了設(shè)施甘藍整個生產(chǎn)階段是為作業(yè)量和機具的配備，也考慮到了各個生產(chǎn)階段的合理銜接和搭配，綜合權(quán)衡了各項作業(yè)對機器的需求，選型計算結(jié)果與機具使用者的評價基本一致。通過對比優(yōu)化前后機具配備數(shù)量及作業(yè)成本，在按時完成生產(chǎn)任務(wù)的前提下，大幅度降低了作業(yè)成本，實現(xiàn)了園區(qū)設(shè)施蔬菜栽培節(jié)本增效的目標(biāo)，為江蘇省其它設(shè)施蔬菜園區(qū)提供參考。

[1]何瑞銀. 農(nóng)業(yè)機器系統(tǒng)優(yōu)化模型與水稻種植區(qū)典型系統(tǒng)評價的研究[D]. 南京：南京農(nóng)業(yè)大學(xué)，2008.

[2]高慶生. 江蘇省設(shè)施辣椒栽培旋耕機具選型與配備研究[D]. 合肥：安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)，2014.

[3]朱亞東. 黃海農(nóng)場農(nóng)業(yè)機器選型與配備的研究[D]. 南京：南京農(nóng)業(yè)大學(xué)，2009.