喬金友，張雪珍，衣佳忠，孫 健，王福林，陳海濤

基于非線性規(guī)劃農(nóng)業(yè)機(jī)器系統(tǒng)優(yōu)化模型及應(yīng)用

喬金友，張雪珍，衣佳忠，孫 健，王福林，陳海濤

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱 150030）

針對(duì)現(xiàn)有農(nóng)業(yè)機(jī)器系統(tǒng)優(yōu)化方法及模型存在問題，研究典型地區(qū)作物種植結(jié)構(gòu)、輪作、輪耕制度及農(nóng)業(yè)機(jī)械化生產(chǎn)特點(diǎn)，確定農(nóng)業(yè)機(jī)械化生產(chǎn)工藝過程，初選農(nóng)業(yè)機(jī)器型號(hào)，設(shè)計(jì)農(nóng)事階段圖；設(shè)置四維下標(biāo)決策變量，選擇作物適時(shí)性損失，以機(jī)器系統(tǒng)總成本最小為目標(biāo)函數(shù)，建立規(guī)模化生產(chǎn)，農(nóng)業(yè)機(jī)器系統(tǒng)優(yōu)化非線性規(guī)劃模型；應(yīng)用該模型對(duì)1 000 hm2基準(zhǔn)規(guī)模單作玉米、大豆輪作條件下農(nóng)業(yè)機(jī)器系統(tǒng)優(yōu)化研究。采用LINGO（V14）軟件計(jì)算結(jié)果顯示優(yōu)化系統(tǒng)與現(xiàn)實(shí)機(jī)器系統(tǒng)相比，農(nóng)業(yè)機(jī)器配備量減少26.21%，農(nóng)業(yè)機(jī)器總投資降低20.79%，年費(fèi)用降低22.57%，單位功率服務(wù)規(guī)模提高40.74%，有效降低農(nóng)業(yè)機(jī)械化生產(chǎn)成本，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益。為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)單位科學(xué)合理選用和配置農(nóng)業(yè)機(jī)器提供理論依據(jù)。

農(nóng)業(yè)機(jī)器系統(tǒng)；輪作輪耕制度；非線性規(guī)劃；優(yōu)化建模；適時(shí)性損失

農(nóng)業(yè)機(jī)器系統(tǒng)優(yōu)化是農(nóng)業(yè)機(jī)械化軟科學(xué)研究領(lǐng)域之一。針對(duì)現(xiàn)有農(nóng)業(yè)機(jī)器系統(tǒng)優(yōu)化方法及模型存在問題，Hughes等設(shè)計(jì)描述備選機(jī)器參數(shù)并可預(yù)測(cè)成本農(nóng)機(jī)系統(tǒng)選擇模型[1]。AI-Soboh等采用混合整數(shù)規(guī)劃優(yōu)化農(nóng)業(yè)機(jī)器系統(tǒng)[2]。Bender等研發(fā)FINDS決策支持系統(tǒng)，可完成農(nóng)業(yè)機(jī)器型號(hào)選擇和運(yùn)營(yíng)管理[3]。Lazzari等考慮作物種類、種植面積、生產(chǎn)工藝、田間管理過程等內(nèi)容，研究農(nóng)業(yè)機(jī)器系統(tǒng)選型問題[4]。Kline等首次將線性規(guī)劃應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機(jī)器優(yōu)化配備[5]。Sogaard等根據(jù)生產(chǎn)規(guī)模選擇農(nóng)業(yè)機(jī)器系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，通過確定農(nóng)場(chǎng)面積和作物布局作農(nóng)機(jī)選型并計(jì)算所需拖拉機(jī)功率和數(shù)量[6]。Ade以非線性規(guī)劃法為核心，考慮適時(shí)性損失開發(fā)GAMS農(nóng)機(jī)優(yōu)化配備模型[7]。Sahu等設(shè)計(jì)決策支持系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)拖拉機(jī)和作業(yè)機(jī)械匹配，并考慮田間作業(yè)條件預(yù)測(cè)機(jī)組作業(yè)性能[8]。Mehta等運(yùn)用VB語(yǔ)言開發(fā)決策支持系統(tǒng)可有效選擇不同拖拉機(jī)和作業(yè)機(jī)械[9]。

國(guó)內(nèi)學(xué)者從不同角度研究農(nóng)業(yè)機(jī)器選型與優(yōu)化配備問題。鮑一丹等研發(fā)決策支持系統(tǒng)或計(jì)算軟件系統(tǒng)解決農(nóng)業(yè)機(jī)器選型問題[10-13]。陳建等將線性規(guī)劃模型與數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)合，開發(fā)可同時(shí)選擇農(nóng)作物、作業(yè)方式及機(jī)器型號(hào)軟件系統(tǒng)[14]；朱振宇運(yùn)用線性規(guī)劃方法解決黑龍江省大慶農(nóng)場(chǎng)機(jī)器選型與配備問題[15]；夏孝朗等運(yùn)用線性規(guī)劃法研究湖南寧鄉(xiāng)育秧插秧作業(yè)系統(tǒng)、沉江農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及其機(jī)器系統(tǒng)配備問題[16-17]。朱亞東等運(yùn)用線性規(guī)劃法優(yōu)化配備農(nóng)業(yè)機(jī)器系統(tǒng)[18-20]。由于線性規(guī)劃本身局限性，無法滿足現(xiàn)實(shí)農(nóng)業(yè)機(jī)器系統(tǒng)優(yōu)化配備要求，韓寬襟等設(shè)計(jì)非線性規(guī)劃綜合配備模型[21]；王金武將水稻適時(shí)性損失引入目標(biāo)函數(shù)，建立水稻機(jī)器系統(tǒng)配備非線性規(guī)劃模型[22]；汪友祥運(yùn)用線性回歸和非線性規(guī)劃對(duì)洞庭湖區(qū)聯(lián)合收獲機(jī)器系統(tǒng)優(yōu)化配備[23]。馬力等建立整數(shù)非線性規(guī)劃模型解決國(guó)營(yíng)農(nóng)場(chǎng)農(nóng)業(yè)機(jī)器系統(tǒng)優(yōu)化問題[24]。目前農(nóng)業(yè)機(jī)器系統(tǒng)存在問題。如支持非線性規(guī)劃的數(shù)據(jù)相對(duì)缺乏，模型考慮問題不全面，未結(jié)合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)際；模型目標(biāo)函數(shù)或約束方程較復(fù)雜，不便求解等。 因此，本文結(jié)合農(nóng)業(yè)機(jī)械化生產(chǎn)過程及農(nóng)業(yè)機(jī)器調(diào)度管理工作實(shí)際，有針對(duì)性地設(shè)置決策變量、探討相關(guān)作業(yè)項(xiàng)目適時(shí)性損失，建立農(nóng)業(yè)機(jī)器系統(tǒng)優(yōu)化非線性規(guī)劃模型，提高優(yōu)化結(jié)果準(zhǔn)確性和實(shí)用性。

1 典型地區(qū)農(nóng)業(yè)機(jī)械化生產(chǎn)工藝過程研究

1.1 輪作輪耕制度確定

結(jié)合黑龍江省大部分地區(qū)玉米與大豆種植實(shí)際情況，確定“玉米-玉米-大豆”輪作制度，在同一地塊上連續(xù)種植2年玉米，第3年種植大豆。種植玉米地塊在玉米收獲后，無需整地，第2年采用免耕覆秸精密播種機(jī)直接播種玉米[26]，收獲后采用聯(lián)合整地機(jī)組1次作業(yè)完成深松耙地聯(lián)合作業(yè)，再機(jī)械起壟、鎮(zhèn)壓達(dá)待播種狀態(tài)，第3年采用精密播種機(jī)組精播大豆，大豆后茬采用耙地機(jī)組耙地。每地塊均采用“免耕-聯(lián)合整地-耙地”三三輪耕方式，每年采用1種整地方式，按一定順序每3年1個(gè)輪回。該種輪耕制度有效打破犁底層，防止土地板結(jié)和水土流失，可杜絕玉米收獲后秸稈焚燒問題，解決玉米收獲后田間殘留秸稈對(duì)耕整地的不利影響。具體輪作輪耕過程如圖1所示。

1.2 典型地區(qū)機(jī)械化作業(yè)工藝過程研究

機(jī)械化作業(yè)工藝過程是根據(jù)生產(chǎn)單位種植作物生長(zhǎng)需求及生產(chǎn)過程，采用機(jī)械手段，按一定作業(yè)質(zhì)量目標(biāo)完成農(nóng)業(yè)生產(chǎn)作業(yè)的有序組合。

結(jié)合前述輪作及輪耕制度，典型地區(qū)作物生產(chǎn)過程實(shí)際需求，確定不同年份、各種作物農(nóng)業(yè)機(jī)械化生產(chǎn)工藝過程，如圖1所示。

圖1 大豆-玉米生產(chǎn)工藝過程Fig.1 Corn-corn production process

2 農(nóng)業(yè)機(jī)器型號(hào)初選與模型變量設(shè)置

2.1 農(nóng)業(yè)機(jī)器型號(hào)初選

農(nóng)業(yè)機(jī)器包括動(dòng)力機(jī)械和作業(yè)機(jī)械。種植結(jié)構(gòu)、經(jīng)營(yíng)規(guī)模及生產(chǎn)工藝過程不同，所需農(nóng)業(yè)機(jī)器裝備類型也存在差異。在經(jīng)營(yíng)規(guī)模較大時(shí)，農(nóng)業(yè)企業(yè)或組織可選擇大、中型號(hào)拖拉機(jī)[26]。依據(jù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)際需求，選擇使用動(dòng)力機(jī)和作業(yè)機(jī)是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)單位農(nóng)業(yè)機(jī)器系統(tǒng)優(yōu)化前提。

根據(jù)所設(shè)計(jì)經(jīng)營(yíng)規(guī)模及種植結(jié)構(gòu)，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐中相關(guān)農(nóng)機(jī)裝備運(yùn)用效果，初選美國(guó)約翰迪爾JD7830、JD1304和一拖集團(tuán)生產(chǎn)DFH904三種動(dòng)力機(jī)械；按機(jī)械化生產(chǎn)工藝過程及機(jī)械化作業(yè)項(xiàng)目農(nóng)藝要求，以及初選的動(dòng)力機(jī)械，初選相應(yīng)作業(yè)機(jī)械組成完成各種作業(yè)機(jī)組，基本參數(shù)如表1所示。

2.2 變量設(shè)置

根據(jù)機(jī)械化生產(chǎn)工藝過程各作業(yè)項(xiàng)目及作業(yè)延續(xù)時(shí)間將作業(yè)過程劃分成若干農(nóng)事階段，劃分原則是每個(gè)農(nóng)事階段內(nèi)作業(yè)項(xiàng)目種類及作業(yè)項(xiàng)目數(shù)量相同。

完成各作業(yè)項(xiàng)目起止時(shí)間交叉，一項(xiàng)作業(yè)跨越不同農(nóng)事階段[27]。考慮實(shí)際生產(chǎn)調(diào)度情況，在設(shè)置變量時(shí)，不同農(nóng)事階段中同一項(xiàng)作業(yè)所需機(jī)組數(shù)量需設(shè)置不同變量，這些變量是確定生產(chǎn)單位動(dòng)力機(jī)及作業(yè)機(jī)數(shù)量依據(jù)。由于同一機(jī)組完成不同作物同類作業(yè)時(shí)技術(shù)經(jīng)濟(jì)參數(shù)不同，在不同農(nóng)事階段，完成不同作物不同作業(yè)項(xiàng)目機(jī)組不同，需分別設(shè)置變量。本問題決策變量與農(nóng)事階段、機(jī)組種類、作業(yè)種類、作物種類相關(guān)。

按上述原則，設(shè)i為農(nóng)事階段序號(hào)，兩位下標(biāo)變量，取值范圍01～99；j為動(dòng)力機(jī)械（包括自走式聯(lián)合作業(yè)機(jī)械）序號(hào)，一位下標(biāo)變量，取值范圍1～9；k為作業(yè)項(xiàng)目序號(hào)，兩位下標(biāo)變量，取值范圍01～99；l為作物種類序號(hào)，一位下標(biāo)變量，取值范圍1～9。則Xj表示第j種拖拉機(jī)或自走式聯(lián)合作業(yè)機(jī)械數(shù)量，Xij表示第i個(gè)農(nóng)事階段需第j種動(dòng)力機(jī)械數(shù)量，Xjk表示第j種動(dòng)力機(jī)完成第k項(xiàng)作業(yè)機(jī)組數(shù)量，Xijkl表示第i個(gè)農(nóng)事階段中采用第j種動(dòng)力完成對(duì)第l種作物第k項(xiàng)作業(yè)機(jī)組數(shù)量。如在第9個(gè)農(nóng)事階段中選用第3種拖拉機(jī)對(duì)第1種作物完成第8種作業(yè)，表示其機(jī)組數(shù)量變量為X093081。

按此原則設(shè)置變量，建立優(yōu)化模型求得最終結(jié)果確定完成生產(chǎn)單位農(nóng)業(yè)機(jī)械化作業(yè)任務(wù)最佳農(nóng)機(jī)配備數(shù)量，直接指導(dǎo)生產(chǎn)單位農(nóng)機(jī)生產(chǎn)調(diào)度工作，確定每個(gè)農(nóng)事階段投放相應(yīng)型號(hào)機(jī)組數(shù)量。

2.3 農(nóng)事階段圖設(shè)計(jì)

為反映各作業(yè)項(xiàng)目延續(xù)日期及其相互關(guān)系，直觀表示農(nóng)事階段劃分結(jié)果，為決策變量設(shè)置提供依據(jù)，農(nóng)事階段如圖2所示。

表1 初選農(nóng)業(yè)機(jī)器及其基本參數(shù)Table 1 Agricultural machineriesand basic parameters to be selected

圖2 農(nóng)事階段Fig. 2 Farming stage

由圖2可知，橫向連通連續(xù)日期為某作業(yè)項(xiàng)目延續(xù)時(shí)間，兩端分別表示該作業(yè)項(xiàng)目開始和結(jié)束日期，由于在某作業(yè)項(xiàng)目延續(xù)日期內(nèi)，包含其他作業(yè)項(xiàng)目開始或結(jié)束日期，含有相同作業(yè)項(xiàng)目一段連續(xù)日歷日期為一個(gè)農(nóng)事階段。依此原則劃分農(nóng)事階段與實(shí)際農(nóng)業(yè)機(jī)械化生產(chǎn)調(diào)度工作相吻合，依此設(shè)置決策變量并建立優(yōu)化模型更符合生產(chǎn)實(shí)際需要。

由于農(nóng)業(yè)作業(yè)具有嚴(yán)格的季節(jié)性，延長(zhǎng)關(guān)鍵作業(yè)延續(xù)日期，減少完成該項(xiàng)作業(yè)機(jī)器數(shù)量，降低機(jī)具配置成本；但作業(yè)延續(xù)時(shí)間延長(zhǎng)，適時(shí)性損失相應(yīng)增加，農(nóng)產(chǎn)品收益下降。針對(duì)這種情況，將關(guān)鍵作業(yè)起止日期設(shè)置成變量，需以該作業(yè)項(xiàng)目對(duì)應(yīng)適時(shí)性損失與機(jī)器配置費(fèi)用之和最小為目標(biāo)，合理確定該作業(yè)項(xiàng)目起止時(shí)間。因播種作業(yè)是適時(shí)性損失隨作業(yè)日期變化較顯著作業(yè)項(xiàng)目，用T1代表某作物播種開始時(shí)間；T2代表某作物播種結(jié)束時(shí)間；由于播種后鎮(zhèn)壓作業(yè)開始日期與播種作業(yè)開始日期具有嚴(yán)格間隔要求，T1+t1代表鎮(zhèn)壓作業(yè)開始日期，T2+t1+Rz代表鎮(zhèn)壓結(jié)束日期，Rz表示鎮(zhèn)壓作業(yè)延續(xù)日數(shù)。

3 農(nóng)業(yè)機(jī)器系統(tǒng)優(yōu)化非線性規(guī)劃模型建立

由于關(guān)鍵作業(yè)項(xiàng)目適時(shí)性損失函數(shù)為非線性的，故考慮適時(shí)性損失農(nóng)業(yè)機(jī)器系統(tǒng)優(yōu)化模型為非線性規(guī)劃模型[28]。

3.1 目標(biāo)函數(shù)確定

以完成各項(xiàng)作業(yè)機(jī)組固定費(fèi)用、可變費(fèi)用與適時(shí)性損失之和最小為目標(biāo)，則目標(biāo)函數(shù)f設(shè)置如式（1）所示。

式中：f1為全年機(jī)組固定費(fèi)用之和（元·年-1）；f2為全年機(jī)組可變費(fèi)用之和（元·年-1）；f3為全年適時(shí)性損失費(fèi)用之和（元·年-1）。

全年機(jī)組固定費(fèi)用之和f1可由式（2）得出。

式中：mj為第 j種動(dòng)力機(jī)數(shù)量（種）；mk為全年作業(yè)項(xiàng)目數(shù)量（種）；Cjk為第j個(gè)動(dòng)力機(jī)完成第k項(xiàng)作業(yè)機(jī)組年固定費(fèi)用（元·年-1）。Cjk計(jì)算模型如式（3）。

式中，Ptj為第j個(gè)動(dòng)力機(jī)完成第k項(xiàng)作業(yè)機(jī)組中動(dòng)力機(jī)原值（萬元）；RRVt為第j個(gè)動(dòng)力機(jī)完成第k項(xiàng)作業(yè)機(jī)組中動(dòng)力機(jī)殘值率（%）；ntj為第j個(gè)動(dòng)力機(jī)完成第k項(xiàng)作業(yè)機(jī)組中動(dòng)力機(jī)折舊年限（年）；Qjk為第j個(gè)動(dòng)力機(jī)完成第k項(xiàng)作業(yè)機(jī)組年標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)量（hm2）；mjk為第j個(gè)動(dòng)力機(jī)完成第k項(xiàng)作業(yè)機(jī)組中動(dòng)力機(jī)全年可完成作業(yè)項(xiàng)目數(shù)（項(xiàng)）。Pmjk為第j個(gè)動(dòng)力機(jī)完成第k項(xiàng)作業(yè)機(jī)組中作業(yè)機(jī)械原值（萬元）；RRVm為第j個(gè)動(dòng)力機(jī)完成第k項(xiàng)作業(yè)機(jī)組中作業(yè)機(jī)械殘值率（%）；nmjk為第j個(gè)動(dòng)力機(jī)完成第k項(xiàng)作業(yè)機(jī)組中作業(yè)機(jī)械折舊年限（年）。

全年機(jī)組可變費(fèi)用之和f2可由式（4）求得。

式中，mi為農(nóng)事階段數(shù)量（個(gè)）；ml為生產(chǎn)單位作物種類數(shù)（種）；Ri為第i個(gè)農(nóng)事階段持續(xù)天數(shù)（d）；vjkl為第j種動(dòng)力機(jī)完成l種作物第k項(xiàng)作業(yè)單位面積可變費(fèi)用（元·hm-2）；

3.2 適時(shí)性損失

任何農(nóng)作物各生產(chǎn)環(huán)節(jié)均具有季節(jié)性，由各地區(qū)不同氣候條件以及種植品種等多因素決定。某些作業(yè)環(huán)節(jié)延續(xù)時(shí)間不同對(duì)作物產(chǎn)量影響較大，如收獲、播種等作業(yè)延續(xù)時(shí)間延長(zhǎng)導(dǎo)致作物品質(zhì)下降或者收獲量減少，即“適時(shí)性損失”。全年作業(yè)適時(shí)性損失之和f3可以由式（5）、式（6）得出：

式中：Pl為該作物銷售價(jià)格（元·kg-1）；Ajkl為第j種動(dòng)力機(jī)完成第l種作物第k項(xiàng)作業(yè)日生產(chǎn)率（hm2·d-1）；Xjkl表示采用第 j種動(dòng)力完成對(duì)第l種作物第k項(xiàng)作業(yè)機(jī)組數(shù)量。Rkl為第l種作物第k項(xiàng)作業(yè)的延續(xù)時(shí)間（d）；Tkl為第l種作物第k項(xiàng)作業(yè)的最佳日期；ykl(t)為第l種作物第k項(xiàng)作業(yè)適時(shí)性損失率函數(shù)；Qkl為第l種作物第k項(xiàng)作業(yè)總作業(yè)量（hm2）。

3.3 約束條件及約束方程

3.3.1 作業(yè)量約束

該約束表示某項(xiàng)作業(yè)分布在各農(nóng)事階段機(jī)組作業(yè)量之和須大于或等于生產(chǎn)單位該項(xiàng)作業(yè)總工作量，假設(shè)第l種作物第k項(xiàng)作業(yè)經(jīng)歷從第mkl個(gè)農(nóng)事階段到第nkl項(xiàng)農(nóng)事階段，機(jī)組作業(yè)效率為Aijkl，機(jī)組在第i個(gè)農(nóng)事階段作業(yè)天數(shù)為Ii此約束可用式（7）表示：

3.3.2 動(dòng)力機(jī)配備量約束

該生產(chǎn)單位配備某個(gè)動(dòng)力機(jī)數(shù)量為Xj須大于或等于完成任意農(nóng)事階段所有作業(yè)機(jī)需要該型號(hào)動(dòng)力機(jī)數(shù)量，在第i個(gè)農(nóng)事階段滿足約束如式（8）所示：

3.3.3 作業(yè)機(jī)配備量約束

該約束表示該生產(chǎn)單位所配備作業(yè)機(jī)數(shù)量必須大于或者等于各農(nóng)事階段該作業(yè)機(jī)配備數(shù)量。設(shè)玉米－大豆輪作條件下，不同作物同種作業(yè)所采用作業(yè)機(jī)械相同，則該約束可用式（9）表示。

如果不同作物同種作業(yè)采用作業(yè)機(jī)械不同，則該約束可用式（10）表示。

3.3.4 非負(fù)約束

此約束表示每個(gè)動(dòng)力機(jī)、作業(yè)機(jī)配備數(shù)量、作業(yè)持續(xù)天數(shù)、作業(yè)機(jī)組數(shù)量不能為負(fù)數(shù)，約束如式（11）所示：

4 應(yīng)用研究

4.1 典型生產(chǎn)單位基本情況及模型應(yīng)用

結(jié)合黑龍江地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)特點(diǎn)，選擇生產(chǎn)規(guī)模1 000 hm2，玉米和大豆單作且玉米面積占2/3生產(chǎn)單位為模型應(yīng)用對(duì)象，該單位實(shí)施“玉米-玉米-大豆”輪作制度和“免耕-聯(lián)合整地-耙地”輪耕制度。

因生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)規(guī)模較大，初選農(nóng)業(yè)機(jī)器型如表1所示，農(nóng)事階段劃分及變量設(shè)置如圖1所示。該生產(chǎn)單位主要種植2種作物、全年共有10種作業(yè)項(xiàng)目、25個(gè)農(nóng)事階段、初選動(dòng)力機(jī)以及聯(lián)合作業(yè)機(jī)7種。經(jīng)試驗(yàn)，該地區(qū)大豆播種適時(shí)性損失函數(shù)如式（12）、大豆收獲適時(shí)性損失函數(shù)如式（13）所示。

依據(jù)上述信息、前述目標(biāo)函數(shù)及約束方程，可建立該典型生產(chǎn)單位農(nóng)業(yè)機(jī)器系統(tǒng)優(yōu)化模型。

4.2 模型求解

模型涉及變量較多，目標(biāo)函數(shù)及約束方法復(fù)雜，采用LINGO（V14）軟件求解該模型。求解時(shí)，按數(shù)學(xué)關(guān)系將模型展開，按LINGO軟件要求，將各個(gè)數(shù)學(xué)模型按照軟件要求輸入到程序框中，運(yùn)行求解。各型號(hào)農(nóng)業(yè)機(jī)械配備數(shù)量如表2所示，此優(yōu)化結(jié)果對(duì)應(yīng)典型生產(chǎn)單位年機(jī)械化最低成本為213萬元。

4.3 優(yōu)化結(jié)果分析

優(yōu)化后農(nóng)業(yè)機(jī)器系統(tǒng)與現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)比較數(shù)據(jù)如表3所示。

由表3可知，優(yōu)化農(nóng)業(yè)機(jī)器系統(tǒng)選擇拖拉機(jī)以東方紅904和約翰迪爾7830為主。優(yōu)化系統(tǒng)動(dòng)力機(jī)械配備數(shù)量比現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)減少42.86%，總投資比現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)減少20.79%，優(yōu)化系統(tǒng)農(nóng)機(jī)總動(dòng)力為比現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)減少27.37%，單位功率農(nóng)機(jī)服務(wù)規(guī)模增加40.74%。說明優(yōu)化系統(tǒng)有效減少農(nóng)機(jī)匹配數(shù)量和農(nóng)機(jī)總動(dòng)力，顯著提高農(nóng)業(yè)機(jī)器系統(tǒng)生產(chǎn)能

力，降低農(nóng)業(yè)機(jī)器作業(yè)成本。

表2 農(nóng)業(yè)機(jī)器系統(tǒng)優(yōu)化結(jié)果Table 2 Optimized results of agricultural machinery system

表3 優(yōu)化前后農(nóng)業(yè)機(jī)器系統(tǒng)數(shù)據(jù)比較Table 3 Comparison data of two agricultural machinery systems

5 結(jié)論

a.根據(jù)典型地區(qū)農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)，確定“玉米-玉米-大豆”輪作制度和“免耕-聯(lián)合整地-耙地”輪耕制度，確定典型地區(qū)機(jī)械化生產(chǎn)工藝過程、設(shè)計(jì)農(nóng)事階段，為農(nóng)業(yè)機(jī)器系統(tǒng)優(yōu)化模型建立奠定基礎(chǔ)。

b.設(shè)置具有四維下標(biāo)決策變量變量含義更加明確；建立基于適時(shí)性損失的農(nóng)業(yè)機(jī)器系統(tǒng)優(yōu)化非線性規(guī)劃模型，該模型變量設(shè)置、農(nóng)事階段劃分、目標(biāo)函數(shù)及約束方程具有通用性。

c.結(jié)合典型規(guī)?；a(chǎn)單位農(nóng)業(yè)機(jī)械化生產(chǎn)實(shí)際應(yīng)用建立模型優(yōu)化該生產(chǎn)單位農(nóng)業(yè)機(jī)器系統(tǒng)。結(jié)果表明，1 000 hm2生產(chǎn)規(guī)模條件下，優(yōu)化農(nóng)業(yè)機(jī)器系統(tǒng)機(jī)器投資額減少300.91萬元，減少20.79%，年機(jī)械作業(yè)費(fèi)減少62.09萬元，比原機(jī)器系統(tǒng)減少22.57%。

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Optimization model and application of agricultural machinery system based on nonlinear program

QIAO Jinyou,ZHANG Xuezhen,YIJiazhong,SUN Jian,WANG Fulin,CHEN Haitao
(School of Engineering,Northeast Agricultural University,Harbin,150030,China)

Aiming at existing problems about the optimization method and model of the agricultural machine system,the production process of agricultural mechanization and primary agricultural machine types to be selected were determined.The farming stage diagram was designed considering the crop planting structure,planting and tillage rotation system and distinguishing features of the agricultural mechanization in typical areas studied.On the basis of which,decision variables subscripted with four dimensions were set.The objective function contained the sum of machine system cost and timely loss was designed to be minimum,the nonlinear programming model of optimization of the agricultural machinery system for scaled production was established.This model was applied to optimize the agricultural machinerysystem for the land scale of 1 000 hm2rotating planted with monocropped maize and soybean.The result showed the amount of agricultural machineries of the optimized system was decreased by 26.21%,the total investment of agricultural machineries was decreased by 20.79%,and service area per tractor power was increased by 40.74%.The achievements provide the theory basis for the agricultural production organizations to select and allocate the agricultural machineries scientifically and rationally,and can effectively promote Chinese agricultural mechanization to develop healthily.

agricultural machinery system;crop rotation system;nonlinear programming;optimization modeling;timely loss

F323.3

A

1005-9369（2017）12-0080-09

時(shí)間2017-12-18 13:40:03 [URL]http://kns.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20171218.1339.002.html

喬金友,張雪珍,衣佳忠,等.基于非線性規(guī)劃農(nóng)業(yè)機(jī)器系統(tǒng)優(yōu)化模型及應(yīng)用[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2017,48(12):80-88.

Qiao Jinyou,Zhang Xuezhen,Yi Jiazhong,et al.Optimization model and application of agricultural machinery system based on nonlinear programming[J].Journal of Northeast Agricultural University,2017,48(12):80-88.(in Chinese with English abstract)

2017-05-14

公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項(xiàng)（201303011）；公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項(xiàng)（201503116-04）；國(guó)家大豆產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系崗位科學(xué)家“十二五”項(xiàng)目（CARS-04-PS22）；國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2017YFD0300505-6）

喬金友（1969-），男，副教授，博士，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)機(jī)械化生產(chǎn)與管理。E-mail:qiaojinyou@163.com