新疆玉米主栽區機具優化配備研究

張靜　郭輝　韓長杰　楊宛章

摘要：農業機械系統的配備是農業機械化生產管理的最基本任務，結合新疆玉米主栽區的機械化生產工藝，以適時性損失和作業成本之和最小為目標，采用非線性規劃法對溫泉縣農業生產機具進行優化配備，確定機具優化配備方案，并與線性規劃模型進行了對比分析，證明了方案的可行性。以此制定了不同規模下的機具配備方案，以期為新疆玉米機械化規模種植和機具優化配置提供理論參考。

關鍵詞：玉米；優化配備方案；機具；非線性；新疆

中圖分類號： S223 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2015）10-0471-03

玉米是新疆地區的主要農作物之一，具有糧、經、果、飼、能等多元用途，是畜牧養殖業的基礎和支柱，也是重要的工業原料，在全疆分布范圍極廣，種植面積和產量僅次于小麥和棉花，約占全區糧食播種面積的28%，占糧食總產量的40%以上，是新疆第2大糧食作物、第3大農作物[1]。目前，新疆種植業以一家一戶、分散經營的方式為主，無法形成規模化種植；且由于各地區農作物生長條件、農藝要求和種植規模存在一定的差異，出現機具盲目配備的現象，使得農業機械無法發揮作用，導致動力機械過剩、農業機械利用率低等，既浪費了生產資源，又增加了作業成本。要提高種植業規模化經營的生產效益，需要合理農業機械裝備的支撐，且只有實現機械化系統的規模化、合理化經營，才能保證農業機械按時完成生產任務，提高農業機械利用率。鑒于當前新疆各玉米產區在選擇玉米生產農業機器系統方案時往往難以取舍，本研究擬以新疆玉米的主栽區和優勢區——溫泉縣為研究對象，借鑒國內外成功經驗，對春播玉米機械化生產系統進行優化配置研究，以解決生產過程中實際運用的機器系統配備優化的關鍵問題。

1 溫泉縣農業生產工藝

農業生產工藝過程就是指從生產準備開始，按照一定的農業技術要求，對耕、耙、播、管、收等作業環節采取的措施和方法[2]。一個地區進行機械系統優化配備，最根本的依據是當地農業機械化生產作業工藝流程。溫泉縣農作物總播種面積約3.33萬hm2，主要農作物有玉米、小麥、甜菜和油料作物等，實行一年一熟制。根據溫泉縣的氣候條件、自然資源、生產特點以及農戶生產作業習慣等多方面的因素，制定溫泉縣小麥和玉米全年機械化生產作業流程。考慮到部分作業與玉米作業相互關聯，因此可將此部分列入小麥工藝流程中。圖1、圖2分別為溫泉縣主要農作物冬小麥、春播玉米2種作物的機械化生產工藝。

依據以上生產工藝，制定出田間全年機械化工藝方案，共有14項作業。采用加速遺傳算法進行投影尋蹤分類建模[3]，評選出適合當前生產條件的4種大中型拖拉機作為動力機械，即東方紅LX1304、福田雷沃M1854-G、約翰·迪爾JD1204和約翰·迪爾JDTN854，共配備8種農機具。

2 優化配備模型的建立

以作業時間、機器配備量、機組完成作業的臺班數為決策變量，以機器作業成本與適時性損失之和最小為目標函數，以作業量、動力機配備量、農機具配備量和作業時間的相互關系為約束方程，運用非線性規劃方法建模進行尋優計算，從而獲得最佳作業時間、最佳機型組合和最佳機器配備數量。

2.1 變量

共有機具配備臺數、作業機組臺班數和關鍵作業時間3類變量，分別如下所述。

2.1.1 機具配備量設定 主要機具配備量設定如下：X1為約翰·迪爾JDTN854拖拉機數，臺；X2為約翰·迪爾JD1204拖拉機數，臺；X3為東方紅-LX1304拖拉機數，臺；X4為福田雷沃M1854-G拖拉機數，臺；X5為1LYFT-435翻轉犁數，臺；X6為1LYF-540翻轉犁數，臺；X7為1LZ-3.6聯合整地機數，臺；X8為1LZ-4.2聯合整地機數，臺；X9為2BQM-4播種機數，臺；X10為2MBJ-2/12播種機數，臺；X11為3WP-3000噴桿式噴霧機數，臺；X12為3ZF-2.4中耕追肥機數，臺。

2.1.2 機組作業臺班數設定 機組作業臺班數設定如下：X13為約翰·迪爾JDTN854拖拉機平整玉米地臺班數；X14為約翰·迪爾JDTN854拖拉機玉米地播種臺班數；X15為約翰·迪爾JDTN854拖拉機玉米地化控臺班數；X16為約翰·迪爾JDTN854拖拉機平整小麥地臺班數；X17為約翰·迪爾JD1204拖拉機耕小麥地臺班數；X18為約翰·迪爾JD1204拖拉機小麥地追肥臺班數；X19為約翰·迪爾JD1204拖拉機玉米地開溝臺班數；X20為約翰·迪爾JD1204拖拉機耕玉米地臺班數；X21為約翰·迪爾JD1204拖拉機平整玉米地臺班數；X22為約翰·迪爾JD1204拖拉機玉米地中耕追肥臺班數；X23為約翰·迪爾JD1204拖拉機平整小麥地臺班數；X24為東方紅LX1304拖拉機玉米地化控臺班數；X25為福田雷沃M1854-G拖拉機玉米地開溝臺班數；X26為福田雷沃M1854-G拖拉機玉米地播種臺班數；X27為福田雷沃M1854-G拖拉機耕玉米地臺班數；X28為福田雷沃M1854-G拖拉機小麥地播種臺班數；X29為福田雷沃M1854-G拖拉機耕小麥地臺班數。

2.1.3 機組作業時間設定 機組作業時間設定如下：X30為玉米播種優化時間，d；X31為玉米收獲優化時間，d；X32為小麥播種優化時間，d；X33為小麥收獲優化時間，d。

2.2 建立約束方程組[4-5]

3 優化模型的求解與分析

3.1 優化模型求解

本研究非線性優化配備模型共有33個變量，其中非線性變量有16個。利用LINGO軟件編程求解，經過102次迭代，得到局部最優解。其中目標函數的最小值Smin=5.877 78×107，即溫泉縣小麥與玉米全年機器作業成本與適時性損失之和為5 877.78萬元，其中玉米和小麥全年生產過程的適時性損失為1 220.116 2萬元。其余各決策變量優化結果及圓整后結果見表1。endprint

3.2 結果分析與評價

3.2.1 結果分析 由計算結果可知，關鍵作業期得到了優化，其中玉米適時播種時間為6 d，玉米適時收獲時間為4 d；小麥適時播種時間為28 d，小麥適時收獲時間為10 d。東方紅LX1304拖拉機和2BQM-4播種機優化結果為0，與其配套的作業機組臺班數也為0，說明可以不用考慮配置這2種機械；福田雷沃M1854-G拖拉機耕作小麥和玉米地及玉米地開溝臺班數、約翰迪爾JD1204拖拉機平整小麥地臺班數為0，說明與之配套的1LYF-540翻轉犁和1LZ-4.2聯合整地機沒有起到作用，可以取消。

3.2.2 優化方案評價 為驗證該非線性優化方案的可行性，將非線性方案優化結果與線性優化結果進行對比。根據2種方案的生產系統優化結果（表1），從技術、經濟2個方面進行比較[6-8]，比較結果見表2。由此可見，非線性優化模型與線性優化模型相比，機器系統總投資減少了39.42%，農機總動力減少了 38.96%，在總作業費用上節約了1 942.633 2萬元，即在相同的種植結構和面積下，多收益1 942.633 2萬元，比之前增長9.91%，平均多收益602.85元/hm2；投資回收期縮短45%。這表明應用該種非線性規劃模型方案得到的優化結果比一般線性規劃模型方案更優，進一步證明該非線性建模方法是可行的。

4 不同經營規模配備方案

以生產收益最大為目標，設定玉米種植面積所占比例為λ，則小麥種植面積所占比例為（1-λ）。采用上述非線性優化方案，計算得出溫泉縣小麥和玉米不同經營規模的最佳農業機械配備方案，詳見表3。由此可見，在上述經營規模條件下，全部種植玉米獲得的經濟效益更高；且隨著土地規模的增大，全年總收益越大，投資回收期逐漸縮短。對于上述機具配置為0的情況，可尋求農機專業合作社或其他農機專業戶進行代耕、代作業服務，以降低作業成本，取得更高收益。

5 結論

本研究在作業成本最小、生產收益最大的優化目標下，運用非線性規劃方法建立了數學模型，得出了1套適合當前溫泉縣玉米種植模式下的農機優化配置方案，并以此建立了不同經營規模下的機具配置方案，對指導玉米主栽區科學合理地選擇、配置農機具，實現玉米現代化、集約化、專業化生產具有一定的現實意義和實用價值。

參考文獻：

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[2]朱亞東. 黃海農場農業機器選型與配備的研究[D]. 南京：南京農業大學，2009.

[3]張 靜，謝新亞，張吉兵，等. 基于混沌遺傳算法的投影尋蹤分類法與模糊綜合評判法在農業機械選型中的比較[J]. 江蘇農業科學，2013，41（12）：400-402.

[4]李寶筏，張東興. 農業裝備系統優化[M]. 北京：中國農業大學出版社，2005.

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[7]西南農學院. 農業經濟管理學[M]. 北京：中國農業出版社，1991.

[8]楊敏麗. 農業機械化技術經濟學[M]. 北京：中國農業大學出版社，2011.謝 飛，尹 洋. 收獲機械切割機構的仿真分析[J]. 江蘇農業科學，2015，43（10）：474-476.endprint