梁啟章，齊清文，姜莉莉，梁 迅

（中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所/資源與環(huán)境信息系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100101）

0 引言

2015年底中央農(nóng)村工作會議首次提出：“加強(qiáng)農(nóng)業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革，真正形成結(jié)構(gòu)合理、保障有力的農(nóng)產(chǎn)品有效供給”［1］；2017年“一號文件”進(jìn)一步明確“穩(wěn)糧、優(yōu)經(jīng)、擴(kuò)飼，優(yōu)先構(gòu)建糧經(jīng)飼協(xié)調(diào)發(fā)展的三元種植結(jié)構(gòu)”，穩(wěn)定糧食生產(chǎn)基礎(chǔ)上，加快提升經(jīng)濟(jì)作物效益，大力發(fā)展養(yǎng)殖業(yè)，延伸農(nóng)村產(chǎn)業(yè)鏈，開創(chuàng)農(nóng)村富裕之路［2］；2019年“一號文件”再次確定了農(nóng)業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)改革成為鄉(xiāng)鎮(zhèn)振興戰(zhàn)略中重要措施之一。3年多來，國務(wù)院與各省市區(qū)采取了多種舉措，加快了北方農(nóng)牧交錯帶種植結(jié)構(gòu)調(diào)整，期望逐步形成以養(yǎng)帶種、牧林農(nóng)復(fù)合、草果菜結(jié)合的種植結(jié)構(gòu)；黑龍江已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了“一減七增”，玉米調(diào)減128.13萬hm2，水稻、大豆、小麥、馬鈴薯、雜糧雜豆、經(jīng)濟(jì)作物和飼料飼草作物有所增加；山東省著眼于沿海半島農(nóng)業(yè)優(yōu)勢，優(yōu)先調(diào)整種植業(yè)結(jié)構(gòu)，把小麥和玉米這兩季輪作的種植結(jié)構(gòu)變?yōu)樾←満鸵恍╇s糧、大豆、花生、薯類、蔬菜輪作的方式，打造糧食兼顧、農(nóng)牧結(jié)合、循環(huán)發(fā)展的新型種植結(jié)構(gòu)，布局農(nóng)村產(chǎn)業(yè)鏈建設(shè)方案，同時加快海上糧倉建設(shè)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代漁業(yè)園區(qū)、海洋牧場、遠(yuǎn)洋漁業(yè)、深海養(yǎng)殖、冷鏈物流等重點(diǎn)工程建設(shè)，尋找新的農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)；山西省積極主動推進(jìn)農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)調(diào)整，劃定糧食生產(chǎn)功能區(qū)，引導(dǎo)農(nóng)戶在非優(yōu)勢區(qū)域調(diào)減普通玉米種植面積，適當(dāng)發(fā)展雜糧、馬鈴薯、中藥材、青貯玉米等其他高效益農(nóng)作物，同時調(diào)整20萬hm2耕地用于種草，建設(shè)一批規(guī)?；膬?yōu)質(zhì)高產(chǎn)多年生人工牧草地，旨在推進(jìn)全省生態(tài)畜牧業(yè)建設(shè)，逐步實(shí)現(xiàn)草畜平衡；貴州省發(fā)揮山地小氣候的特點(diǎn)和優(yōu)勢，把33.33 hm2以上壩區(qū)結(jié)構(gòu)調(diào)整落實(shí)到具體的地塊、品種、資金、龍頭企業(yè)、合作社等要素上，運(yùn)用大數(shù)據(jù)手段推進(jìn)產(chǎn)銷精準(zhǔn)對接，確保今年農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整取得更大成效等等。

推動種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化絕不只是幾個統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的調(diào)整，唯有堅(jiān)持?jǐn)?shù)字農(nóng)業(yè)方向，充分發(fā)揮各地區(qū)資源優(yōu)勢，精準(zhǔn)地把握各地區(qū)農(nóng)田作物類型空間布局與發(fā)展?jié)摿Γ拍軐?shí)現(xiàn)真正的結(jié)構(gòu)優(yōu)化布局落地。文章基于中國科學(xué)院農(nóng)業(yè)項(xiàng)目辦公室組織的“農(nóng)業(yè)專家決策支持系統(tǒng)”研究成果［3］，以蒙自縣種植業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化規(guī)劃為案例，重點(diǎn)論述了“糧經(jīng)飼”種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法中的資源保障、限制因子與期望目標(biāo)的科學(xué)預(yù)測，具體分析了多目標(biāo)評估方法與對弈操作策略優(yōu)勢，詳細(xì)介紹了種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化的通用模式與關(guān)鍵技術(shù)，首次發(fā)表了涉及“多目標(biāo)方法”的11個對弈操作界面，提供了可借鑒的對弈操作界面設(shè)計(jì)范式。

1 中國種植業(yè)分區(qū)特色

我國種植業(yè)分布范圍廣闊，南北跨越緯度范圍為北緯16～52°，氣候帶跨越熱帶、亞熱帶、溫帶、寒溫帶、寒帶，從東部平原到西部高原農(nóng)業(yè)高差達(dá)到5 000 m以上。中國農(nóng)作物品種多樣聞名世界，其中糧食作物包括：小麥、水稻、玉米、燕麥、黑麥、大麥、谷子、高粱、青稞、藜麥等；經(jīng)濟(jì)作物包括：棉花、油料、糖料、煙葉、麻類以及桑、橡膠、咖啡、可可、胡椒、椰子、油棕、香蕉、龍眼、荔枝、菠蘿和特種藥材等；飼料作物包括：玉米、谷類、豆類、葉菜類、根莖類、瓜類、水生等以及牧草（含人工與天然草地）［4］。

中國多民族農(nóng)耕文化經(jīng)歷了長期的環(huán)境適應(yīng)與種植演變，培育了世界上最多種植品種，形成了符合當(dāng)?shù)刈匀粭l件與消費(fèi)習(xí)慣的種植特色［5］，例如：東北春小麥、大豆、甜菜、亞麻、向日葵等；北部高原牧草、雜糧、干鮮果等；華北冬小麥、玉米、甘薯、大豆、棉花、花生、烤煙、芝麻等；長江中下游稻、棉、油、桑、茶等；南方丘陵雙季稻、茶、柑桔等；華南雙季稻、橡膠、甘蔗等；川陜盆地稻、玉米、薯類、柑桔、桑等；云貴高原稻、玉米、煙、油菜等；西北綠洲麥、棉、甜菜、葡萄等；青藏高原青稞、小麥、油菜等。上述區(qū)域種植特色與優(yōu)勢應(yīng)該成為糧經(jīng)飼種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化工作前提。

2 耕地作物適宜性與可利用資源

不同類型的種植業(yè)分區(qū)，伴隨著多種農(nóng)田作物類型，其中作物品種、布局、產(chǎn)量或產(chǎn)值等數(shù)據(jù)，既是提升種植業(yè)效益的基礎(chǔ)資源，也是種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化的限制因子。在有條件情況下，可充分利用當(dāng)?shù)氐母仡愋团c作物分布地圖，匯總某個區(qū)域的農(nóng)田類型、面積與土壤特性；或采用作物生長期內(nèi)的衛(wèi)星影像識別方法，獲取前3年農(nóng)作物種植品種、分布、面積等數(shù)據(jù)，包括復(fù)種組合模式。

2.1 耕地作物適宜性

耕地作物適宜性綜合了耕地與作物優(yōu)化組合，每個地區(qū)具有不同的優(yōu)化組合模式。以實(shí)驗(yàn)地區(qū)蒙自縣為例：耕地分為“田”與“地”兩大類，“田”又以海拔1 600 m為界分為壩區(qū)田與山區(qū)田，“地”的情況比較復(fù)雜，以海拔1 400 m、1 600 m、1 800 m為界限，將地分為以下4類：地（＜1 400 m）、地（1 400～1 600 m）、地（1 600～1 800 m）、地（＞1 800 m）。為滿足種植結(jié)構(gòu)改革需求，首先確定參與種植結(jié)構(gòu)調(diào)整的當(dāng)?shù)?種主要作物：水稻、玉米、小麥、烤煙、甘蔗、花生，而后基于農(nóng)田適宜性作物和農(nóng)田等級，可以匯總出不同耕地上作物歷年產(chǎn)量、產(chǎn)值與投入產(chǎn)值比，從而可獲取不同作物的最大推廣面積數(shù)據(jù)。最終劃分的10種耕地作物類型如下。

（1）壩區(qū)田，適宜壩區(qū)稻+冬玉米或麥（二熟制）；

（2）壩區(qū)田，適宜稻（雙季稻）；

（3）山區(qū)田（＞1 600 m），適宜冬玉米；

（4）山區(qū)田（＞1 600 m），適宜山區(qū)雜交稻+山區(qū)常規(guī)稻（雙季稻）；

（5）壩區(qū)地，適宜甘蔗+壩區(qū)烤煙+壩區(qū)雜交玉米+壩區(qū)地麥+壩區(qū)常規(guī)玉米+花生；

（6）山區(qū)地（＜1 600 m），適宜壩區(qū)雜交玉米+壩區(qū)常規(guī)玉米+甘蔗+花生；

（7）山區(qū)地（＜1 600 m），適宜壩區(qū)烤煙+甘蔗+花生；

（8）山區(qū)地（＜1 400 m），適宜甘蔗；

（9）山區(qū)地（＜1 600 m），適宜甘蔗+壩區(qū)地麥；

（10）山區(qū)地（1 600～1 800 m），適宜常規(guī)玉米+雜交玉米+麥+烤煙。

通常情況下，可利用當(dāng)?shù)匾延械霓r(nóng)田作物類型圖，采用GIS數(shù)字化方法，獲取當(dāng)?shù)馗刈魑镱愋蛿?shù)據(jù)，或者采用高分辨率衛(wèi)星影像與實(shí)地調(diào)查相結(jié)合方法，制作耕地作物類型數(shù)字地圖。

2.2 農(nóng)作物種植現(xiàn)狀

為了預(yù)測未來優(yōu)勢農(nóng)作物發(fā)展目標(biāo)，通常需要獲取前三年的農(nóng)作物種植及其投入產(chǎn)出歷史數(shù)據(jù)，包括農(nóng)作物分布與播種面積，以及投入/產(chǎn)出數(shù)據(jù)等，以便建立農(nóng)作物種植現(xiàn)狀數(shù)據(jù)庫。

2.3 可利用資源預(yù)測

發(fā)展種植業(yè)必須具有耕地、水、農(nóng)業(yè)資料與勞動力等資源以及提升經(jīng)濟(jì)作物效益的最佳品種可供量，適宜當(dāng)?shù)氐膬?yōu)質(zhì)飼料作物品種與適宜種植面積等，各種資源構(gòu)成了結(jié)構(gòu)優(yōu)化的限制條件。圖1展示出蒙自縣可利用耕地資源、水資源、肥料品種與數(shù)量以及主要作物種子等限制因素。其它可供農(nóng)資還可包括：自留種子、農(nóng)藥、燃料、農(nóng)機(jī)、人工等，均為結(jié)構(gòu)優(yōu)化的制約因子。

圖1 蒙自縣可利用耕地資源、水資源、肥料與種子Fig.1 Available cultivated land resources，water resources，fertilizer and seeds in Mengzi county

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化期望與目標(biāo)預(yù)測

糧食供需平衡與經(jīng)濟(jì)期望必然是種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化的重要目標(biāo)或前提，繼續(xù)保持糧食作物多樣性也是實(shí)現(xiàn)中國糧食安全的重要措施之一［4］。符合當(dāng)?shù)貙?shí)情與未來愿景的期望預(yù)測值，將成為多目標(biāo)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的重要目標(biāo)或限制條件。

3.1 人口增長與糧食供需預(yù)測

穩(wěn)定糧食產(chǎn)量，達(dá)到供需基本平衡，屬于三元結(jié)構(gòu)優(yōu)化的首要目標(biāo)。糧食需求取決于人口增長與經(jīng)濟(jì)期望。糧食需求通常包括：人均口糧、飼料用糧、工業(yè)用糧、種子用糧、國家糧（國家糧食基地）、儲備糧（地方儲備）或市場糧（外地糧）等。圖2展示了基于人口與GDP預(yù)測的糧食需求預(yù)測界面，該操作的后臺存儲了前三年（最少）人口、GDP以及糧食產(chǎn)量數(shù)據(jù)庫，并依此模擬出3年變化曲線。

圖2 人口增長、經(jīng)濟(jì)期望與糧食需求預(yù)測模塊界面Fig.2 Interface of population growth，economic expectation and food demand prediction module

3.2 農(nóng)作物投入產(chǎn)出預(yù)測

每種作物的投入產(chǎn)出水平成為種植業(yè)經(jīng)濟(jì)效益關(guān)鍵因素。農(nóng)作物種植田間投入品通常包括種子、肥料、水、農(nóng)藥、燃料、人工、管理等。圖3（水稻界面）展示了667 m2水稻（雜交稻、常規(guī)稻）的投入產(chǎn)出數(shù)據(jù)。通過選擇作物名稱（左側(cè)上方）可獲得其余作物投入產(chǎn)出數(shù)據(jù)。本操作均基于不同作物投入產(chǎn)出模型，該模型總結(jié)了當(dāng)?shù)剞r(nóng)民的種植經(jīng)驗(yàn)或知識，符合實(shí)際情況十分重要。

圖3 蒙自縣不同作物投入產(chǎn)出預(yù)測Fig.3 Prediction of input and output of different crops in Mengzi county

3.3 產(chǎn)品與田間投入品單價(jià)預(yù)測

農(nóng)產(chǎn)品與田間投入品單價(jià)，包括國家價(jià)格與市場價(jià)格兩大類，所有價(jià)格均會逐年發(fā)生變化，成為影響著經(jīng)濟(jì)效益期望的重要因素。田間投入品主要包括：肥料、人工、灌溉、薄膜；農(nóng)產(chǎn)品分為產(chǎn)品與種子種苗兩類，產(chǎn)品如：稻谷、玉米、小麥、甘蔗、烤煙、花生、石榴、葡萄、枇杷、紅棗等，這些農(nóng)產(chǎn)品均需配備相應(yīng)的種子或種苗。田間投入品與產(chǎn)品（含種子或種苗）的單價(jià)會隨著市場供需變化或產(chǎn)品質(zhì)量而變化。圖4展示了蒙自縣種植業(yè)投入品與產(chǎn)品的年際單價(jià)，可根據(jù)權(quán)威單位發(fā)布的價(jià)格進(jìn)行修改。該操作的后臺存儲了多年價(jià)格數(shù)據(jù)，并依此模擬出價(jià)格變化曲線。

圖4 蒙自縣種植業(yè)投入品與產(chǎn)品單價(jià)Fig.4 Planting inputs and product unit price in Mengzi county

3.4 科技創(chuàng)新增產(chǎn)/增效分析

科技創(chuàng)新必然是種植業(yè)增產(chǎn)增效的關(guān)鍵措施之一，新技術(shù)、新品種、新產(chǎn)品將成為增產(chǎn)或增效的重要源泉，通常體現(xiàn)在優(yōu)良品種、新型肥料、智能植保、精準(zhǔn)種植、精準(zhǔn)灌溉、智能農(nóng)機(jī)等產(chǎn)生的推廣面積，增產(chǎn)或增效效果。圖5展示了蒙自縣種植業(yè)不同品種的科技措施增產(chǎn)效果模擬界面。

圖5 蒙自縣種植業(yè)科技措施增產(chǎn)效果模擬Fig.5 Stimulation effect of planting technology measures in Mengzi county

4 多目標(biāo)決策方法與空間布局

優(yōu)化種植結(jié)構(gòu)，方案的好壞將采用多個標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行綜合評價(jià)。鑒于不同作物在不同耕地類型上的投入/產(chǎn)出效益不同，不同作物可能種植面積受到適宜性限制以及不同投入方案的限制等等，如何決定糧經(jīng)飼作物用地優(yōu)化方案，即決策變量，涉及尋求多個目標(biāo)最優(yōu)化，并會受到多種條件制約，從而成為一個十分復(fù)雜，也是一個典型的多標(biāo)準(zhǔn)評價(jià)問題，參與運(yùn)算因子更多，包括人口、耕地、水、糧作、經(jīng)作、飼料、農(nóng)資、科技、投入、收入、價(jià)格等可量化因子，還會涉及地方特色與習(xí)俗以及主管人員知識與經(jīng)驗(yàn)等非量化因子。總之，構(gòu)建符合實(shí)情的多目標(biāo)決策模型十分重要也較為復(fù)雜。

4.1 一般過程

圖6展示了結(jié)構(gòu)優(yōu)化的一般過程，其中“稅收分析”乃是反映了取消農(nóng)業(yè)稅之前的重要目標(biāo)。種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化規(guī)劃的重要思路概括如下。

（1）滿足實(shí)際需要，符合客觀規(guī)律

面向最終用戶，需要同當(dāng)?shù)仡I(lǐng)導(dǎo)進(jìn)行詳細(xì)而深入的討論，同時又要符合客觀規(guī)律，即符合當(dāng)?shù)氐馁Y源環(huán)境與社會經(jīng)濟(jì)文化發(fā)展的實(shí)際情況。

（2）摸清家底（資源、環(huán)境、現(xiàn)狀）

對于任何一個農(nóng)業(yè)區(qū)域，搞清家底是進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化基礎(chǔ)，必須通過多種方法了解情況，例如通過GIS獲取當(dāng)?shù)氐淖匀毁Y源與環(huán)境條件，及其現(xiàn)有利用的空間分布特征與精確數(shù)據(jù)，或可利用資源衛(wèi)星影像獲取相關(guān)耕地作物種植現(xiàn)狀數(shù)據(jù)。

圖6 蒙自縣種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化一般過程Fig.6 General process of planting structure optimization in Mengzi county

（3）總結(jié)經(jīng)驗(yàn)（當(dāng)?shù)貙＜?，外地專家?/p>

單產(chǎn)模型，或投入/產(chǎn)出模型，成為決策成敗的關(guān)鍵，為此必須充分利用當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)專家與領(lǐng)導(dǎo)的經(jīng)驗(yàn)與知識。他們具有長時間的種植經(jīng)驗(yàn)與科學(xué)實(shí)驗(yàn)，能準(zhǔn)確描繪出作物的投入產(chǎn)出關(guān)系，也只有這樣得出的單產(chǎn)模型才真正適合當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況。這遠(yuǎn)比用任何經(jīng)典公式給出的單產(chǎn)模型都更能解決實(shí)際問題。

（4）便于人機(jī)交互，決策人員參與運(yùn)算過程

應(yīng)滿足用戶理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)完成多目標(biāo)決策的復(fù)雜過程，不適宜采用通常的人機(jī)交互界面與模型運(yùn)算的黑盒子模式。為此，采用國際上通行的對弈式智能操作策略，將每一個決策對象及其決策過程設(shè)計(jì)成一系列棋局，決策人員可以一目了然地看清每一步棋局中的各種變量與結(jié)果，從而確保決策者能夠親自參與到?jīng)Q策過程中來，并永遠(yuǎn)處于模型運(yùn)算的主導(dǎo)地位，從而保證了決策人員的智慧與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的最佳融合。

4.2 多目標(biāo)決策模型

多目標(biāo)決策方法現(xiàn)已廣泛地應(yīng)用于工藝設(shè)計(jì)、配方配比以及水資源、能源、環(huán)境、人口、教育、經(jīng)濟(jì)等管理領(lǐng)域。多目標(biāo)決策模型的核心技術(shù)在于科學(xué)設(shè)定：決策變量、決策目標(biāo)與限制條件［6］。

（1）變量的選取

三元種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化改革方案，實(shí)際上就是尋找滿足限制條件與達(dá)到期望目標(biāo)的各種作物的適宜性播種面積，及其在不同耕地類型上的空間布局，涉及不同作物的投入產(chǎn)出效益以及作物復(fù)種（時間分布）及田間布局（空間分布）等因子。例如，根據(jù)蒙自縣的實(shí)際情況，確定了參與結(jié)構(gòu)調(diào)整的當(dāng)?shù)?種主要作物：水稻、玉米、小麥、烤煙、甘蔗、花生，同時依據(jù)不同作物的適宜性劃分了以下10種耕地作物類型（詳見2.1），研究的決策變量就是回答10種耕地作物類型的發(fā)展規(guī)模及其空間布局。

（2）目標(biāo)與權(quán)重設(shè)定

圖7顯示了蒙自縣種植業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化中需要用戶確定6個目標(biāo)期望值與權(quán)重，即總產(chǎn)值、總投入、總收入、產(chǎn)投比、人均收入、農(nóng)特稅收的期望值及其權(quán)重。某些具體目標(biāo)因地而異，例如養(yǎng)殖業(yè)收入最大化，經(jīng)濟(jì)作物收益最大化等等，均需包含在設(shè)定的目標(biāo)中。所謂權(quán)重是指用戶對各個目標(biāo)的重視程度，期望值是用戶希望達(dá)到的目標(biāo)值。

圖7 蒙自縣種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化目標(biāo)與權(quán)重Fig.7 Objective and weight of planting structure optimization in Mengzi county

（3）約束條件設(shè)定

種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化決策一定會受到多種不可改變的客觀條件限制，例如糧食供需平衡，可利用耕地總面積，同一播種期內(nèi)總播面積不得超過耕地面積，種子、肥料、水、人工、燃料、農(nóng)機(jī)等農(nóng)資可供量上限等。例如，蒙自縣除了糧食生產(chǎn)指標(biāo)以外，各類耕地、水、肥料等農(nóng)業(yè)資源都有所限制，烤煙、甘蔗播種面積屬于上級的指令計(jì)劃，適宜性面積將控制著作物種植規(guī)模等等。例如，蒙自縣的總耕地面積是7.304 78萬/hm2（土地詳查數(shù)據(jù)），考察了復(fù)種及作物種植適宜性影響后，設(shè)定了下列約束條件：①（壩區(qū)稻+冬玉米+壩區(qū)田麥）/2＜壩區(qū)田；②甘蔗+（壩區(qū)烤煙+壩區(qū)雜交玉米+壩區(qū)地麥+壩區(qū)常規(guī)玉米+花生）/2＜壩區(qū)地；③壩稻＜壩區(qū)田；④山區(qū)雜交稻+山區(qū)常規(guī)稻＜壩區(qū)田；⑤冬玉米＜田＜1 600 m；⑥壩區(qū)雜交玉米+壩區(qū)常規(guī)玉米+甘蔗+花生＜地＜1 600 m；⑦壩區(qū)烤煙+甘蔗+花生＜地＜1 600 m；⑧甘蔗＜地＜1 400 m；⑨甘蔗+壩區(qū)地麥＜地＜1 600 m；⑩山區(qū)常規(guī)玉米+山區(qū)雜交玉米+山區(qū)地麥+山區(qū)烤煙＜山區(qū)地。

4.3 多目標(biāo)規(guī)劃與綜合評價(jià)方法

（1）線性規(guī)劃方法

線性規(guī)劃是用來處理線性目標(biāo)函數(shù)和線性約束條件的最優(yōu)化方法。在系統(tǒng)優(yōu)化及經(jīng)營管理中常有兩類問題：一類是給出一定的人力、物力、財(cái)力條件下，如何合理利用它們完成最多的任務(wù)或得到最大的效益；另一類是在完成預(yù)定目標(biāo)的過程中如何以最少的人力、物力、財(cái)力等資源去實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，線性規(guī)劃是解決這兩類問題應(yīng)用最為普遍的方法。

（2）多目標(biāo)規(guī)劃方法

多目標(biāo)方法允許在處理多個目標(biāo)時，采用加權(quán)的方法將多目標(biāo)轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)來進(jìn)行處理，從而成為解決線性規(guī)劃方法無法解決的各種約束條件互相矛盾、各種目標(biāo)之間重要程度不同的多目標(biāo)決策問題的有效工具，具有相當(dāng)大的靈活性，給予決策者較大的分析、選擇與調(diào)整余地，當(dāng)初次模型運(yùn)算結(jié)果不滿意時，可返回到多目標(biāo)模型階段實(shí)施多種調(diào)整：①互換目標(biāo)和約束條件的位置；②改變約束條件等級；③改變所追求目標(biāo)權(quán)重。如此的多目標(biāo)規(guī)劃建模調(diào)整功能，有利于數(shù)值計(jì)算和傳統(tǒng)分析有效地結(jié)合，方便于不同角度評價(jià)［7］。

（3）規(guī)劃方案綜合評判模型

一般情況下，用戶只需輸入每個目標(biāo)的期望值、權(quán)重，系統(tǒng)將經(jīng)過運(yùn)算給出一個決策方案。用戶每次修改目標(biāo)期望值、權(quán)重或者約束條件后，也可很快得到一個規(guī)劃方案（圖8）。系統(tǒng)提供了方案比較功能，詳細(xì)列出了各方案的總產(chǎn)值、總投入、總收入、產(chǎn)投比、人均收入、農(nóng)特稅收。用戶可綜合考慮各個因素（資源、糧食需求、期望值）從而選出既不超過資源總可供量，又符合決策者想法的規(guī)劃方案。

圖8 蒙自縣種植業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果Fig.8 Optimization results of planting structure in Mengzi county

綜合評判模型計(jì)算出各個方案接近期望目標(biāo)程度，并用以決定選擇的最終方案［8］。例如蒙自縣種植業(yè)規(guī)劃/計(jì)劃方案的綜合評判模型表達(dá)為：

a1×（a2/a3）3×（a3-a2）/a2+b1×（b3/b2）3×（b2-b3）/b2+c1×（c2/c3）3×（c3-c2）/c2+d1×（d2/d3）3×（d3-d2）/d2+e1×（e2/e3）3×（e3-e2）/e2+f1×（f2/f3）3×（f3-f2）/f2 （1）

式（1）中：a、b、c、d、e、f分別代表總產(chǎn)值、總投入、總收入、產(chǎn)投比、農(nóng)特稅收以及農(nóng)民人均種植業(yè)收入；1、2、3分別表示權(quán)重、期望值以及分析值。

4.4 規(guī)劃方案空間布局

多目標(biāo)決策方法處理量化因子所產(chǎn)生的方案，常以數(shù)據(jù)方式呈現(xiàn)（圖9、圖10、圖11），這些數(shù)據(jù)方案必須完成空間處理后才能落地，成為最有可能付諸實(shí)施的方案。

（1）規(guī)劃優(yōu)化方案

圖9展示了蒙自縣種植業(yè)主要作物播種面積規(guī)劃，圖10展示了對應(yīng)的作物播種面積變化（有增有減），圖11展示了蒙自縣主要作物投入產(chǎn)出匯總結(jié)果。如果決策者不滿意這些規(guī)劃方案及其帶來的變化，則可返回到多目標(biāo)決策模型（圖6），由決策者完成限制條件與目標(biāo)權(quán)重調(diào)整，進(jìn)入新一輪決策運(yùn)算產(chǎn)生新方案，這樣的循環(huán)往復(fù)直至達(dá)到滿意的決策方案，并進(jìn)入最終規(guī)劃數(shù)據(jù)的空間布局落地。

圖9 蒙自縣作物種植面積規(guī)劃方案Fig.9 Planning scheme of crop planting area in Mengzi county

（2）規(guī)劃方案落地

蒙自縣的種植業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案中標(biāo)識了山區(qū)稻、壩區(qū)稻等（圖9），隱含了規(guī)劃方案的空間分布，并沒有完全落地，在實(shí)施時一定會遇到困難。最佳方法應(yīng)該借助GIS平臺完成耕地作物類型圖的修改，才能確保規(guī)劃方案精確落地與順利實(shí)施。

圖10 蒙自縣作物種植面積變化Fig.10 Changes of crop planting area in Mengzi county

圖11 蒙自縣主要作物投入產(chǎn)出匯總Fig.11 Summary of input and output of main crops in Mengzi county

5 對弈式智能操作策略

對弈策略來自于計(jì)算機(jī)下棋（Play Chess）軟件開發(fā)和界面設(shè)計(jì)方法，這種軟件繼承并發(fā)展了“人機(jī)交互”的優(yōu)點(diǎn)［9］。傳統(tǒng)的“人機(jī)交互”實(shí)現(xiàn)了一對一的輸入/返回結(jié)果，但是，用戶在一個界面上不能觀察到解決一個問題的全局，即一個問題的所有輸入和輸出不能顯示在一個界面上。對弈下棋式軟件顯示出每一步棋局，人們在與計(jì)算機(jī)下棋時可以通觀全局來決定自己的走法，即確定變量值。顯然，這種對弈方法更有利于發(fā)揮決策者智慧與經(jīng)驗(yàn)。

5.1 面向用戶的對弈界面

將結(jié)構(gòu)優(yōu)化全程分解為一系列對弈操作，每一個操作設(shè)計(jì)成一個棋局［8］，自變量與應(yīng)變量一覽無遺，依靠置于后臺的運(yùn)算模型和數(shù)據(jù)，確保決策者（下棋者）總攬全局，充分運(yùn)用智慧與經(jīng)驗(yàn)，選擇自變量，判斷模型運(yùn)算結(jié)果。如此人機(jī)對弈，可以反復(fù)進(jìn)行直至滿意結(jié)果，體現(xiàn)了定量與定性決策的完整結(jié)合。對弈操作中的每一個對弈界面均標(biāo)示了的決策問題，和相應(yīng)的對弈操作，一系列的對弈界面組成了整個對弈系統(tǒng)。蒙自縣種植業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化與年度計(jì)劃系統(tǒng)中提供的對弈界面主要有以下幾方面。

（1）需求分析，提供了人口、勞動力預(yù)測以及糧食、油料、棉花、蔬菜和肉類等主要農(nóng)產(chǎn)品需求預(yù)測模型和對弈界面；

（2）資源配置，提供了土地、水、氣候和生物資源以及農(nóng)用物資（化肥、農(nóng)藥等）可配置規(guī)模的對弈界面；

（3）單產(chǎn)分析、科技增產(chǎn)、播面調(diào)整和效益計(jì)算模型的對弈界面；

（4）單價(jià)調(diào)整，提供了種子、產(chǎn)品、化肥、農(nóng)藥等系統(tǒng)中需要的單價(jià)調(diào)整對弈操作；

（5）多目標(biāo)評價(jià)運(yùn)算，產(chǎn)生給定的變量、目標(biāo)和約束條件下評價(jià)結(jié)果；

（6）評價(jià)結(jié)果的綜合評估。

對弈操作策略擔(dān)當(dāng)了總調(diào)度的角色，這種對弈操作可以循環(huán)地發(fā)生，從而可以獲得多個決策方案，依靠綜合評判模型幫助用戶獲得最佳決策方案。

5.2 面向系統(tǒng)的模型

多目標(biāo)決策模型，包括預(yù)測模型、單產(chǎn)模型、科技增產(chǎn)增效模型、綜合評判模型等，俗稱面向系統(tǒng)的模型，可以隨時提供使用。決策者通過對弈界面查詢模型的物理意義，并能看到運(yùn)行結(jié)果。但是，模型系統(tǒng)總是面向系統(tǒng)設(shè)計(jì)的，即模型與對弈操作相連接。用戶可以不必知道所使用模型的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，但允許用戶參與模型建立，例如，農(nóng)作物投入/產(chǎn)出模型，用戶可以提供自己的知識與經(jīng)驗(yàn)以完成模型建立。

5.3 非量化因子參與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

糧經(jīng)飼種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化是個復(fù)雜系統(tǒng)，影響因素多，其中很多決策因子無法定量表示，例如風(fēng)俗習(xí)慣、社會生態(tài)、政策法規(guī)、全局利益、期望目標(biāo)、決策者經(jīng)驗(yàn)等，如果完全忽略，勢必影響決策方案可行性。對易操作策略實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程與決策專家知識、規(guī)則以及數(shù)學(xué)計(jì)算方法等有機(jī)地組合在系統(tǒng)的各個對弈操作中，采用循環(huán)往復(fù)運(yùn)行機(jī)制，允許用戶改變所追求的多個目標(biāo)的關(guān)注程度以及各約束條件之間的緊張程度等，從而提供了非量化因子參與結(jié)構(gòu)優(yōu)化機(jī)會，體現(xiàn)出決策人員始終處于優(yōu)化過程的主導(dǎo)角色地位［10］。

6 結(jié)論與展望

全國或區(qū)域的糧經(jīng)飼種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化工作，已經(jīng)成為加快農(nóng)業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)改革的先導(dǎo)，以及實(shí)施鄉(xiāng)鎮(zhèn)振興戰(zhàn)略的重要措施之一。該文提供的基本經(jīng)驗(yàn)包括：（1）“種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化”屬于多目標(biāo)問題；（2）基于當(dāng)?shù)貙?shí)情確定決策變量、決策目標(biāo)與限制條件，創(chuàng)建多目標(biāo)決策模型；（3）對弈式智能操作策略，確保決策者的主導(dǎo)地位與決策方案的可行性。

面臨中國十大農(nóng)區(qū)的三元種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化改革的繁重任務(wù)，專業(yè)隊(duì)伍應(yīng)該開展深入調(diào)查研究，一方面充分掌握已有的耕地資源、作物品種、土地利用等現(xiàn)狀與特色，同時要摸清各地區(qū)人口與經(jīng)濟(jì)發(fā)展現(xiàn)狀，建立相應(yīng)的資源環(huán)境數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，開展科學(xué)預(yù)測，確定符合當(dāng)?shù)貙?shí)情的優(yōu)化目標(biāo)、限制條件和決策變量，提出符合新形勢新要求總體設(shè)計(jì)方案，加快組織軟件開發(fā)人員完成“基于種植業(yè)時空大數(shù)據(jù)與多目標(biāo)方法的對弈式智能化操作平臺”，必須取得試點(diǎn)區(qū)域的有效成果后再推廣應(yīng)用于更多地區(qū)，從而可為完成各地糧經(jīng)飼種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化，推進(jìn)農(nóng)業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)改革，加快建設(shè)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)與振興鄉(xiāng)鎮(zhèn)做出貢獻(xiàn)。