基于層次分析法的植保機械適用性綜合評價方法

龔　艷　張　曉　劉　燕　王　果　陳　曉　陳小兵

(農業部南京農業機械化研究所， 南京 210014)

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基于層次分析法的植保機械適用性綜合評價方法

龔艷張曉劉燕王果陳曉陳小兵

(農業部南京農業機械化研究所， 南京 210014)

為綜合評價植保機械的適用性，從技術指標、經濟指標、作業條件指標3方面建立植保機械評價指標體系，利用層次分析法，對專家調查表進行匯總計算，采用專家判斷矩陣加權幾何平均法，確定各評價指標的權重。同時采用試驗測評法、跟蹤測評法和用戶調查測評法交叉組合的方式獲取3級指標分值，再通過分析計算，得到各級指標分值，從而構建植保機械適用性綜合評價指標體系。最后對自走式噴桿噴霧機進行判定評分，從而得出單項指標評價和綜合指標評價結果。建立植保機械適用性綜合評價指標體系，為植保機械的推廣應用提供了科學依據，同時對植保機械技術性能、作業質量等的優化提升具有指導意義。

植保機械; 適用性; 評價體系; 層次分析法

引言

隨著我國規模化農業生產水平的提升和產業結構調整，農業生產活動對植保機械產品的需求及依賴性不斷增加[1-3]。與此同時，我國植保機械產品的研發、生產和銷售取得長足的發展，新型植保機械不斷涌現，植保機械化程度顯著增加。國內外對農業系統(技術)的評價主要是基于可持續發展的理念，通過構建生態、社會、經濟等方面指標，采用層次分析法、主成分分析法、模糊聚類等方法進行綜合分析[4-8]。但是，國內大部分列入植保機械產品支持推廣目錄的產品，由于沒有科學完整的適用性評價方法，造成產品適用性評價不充分，導致不少農戶購置的植保機械使用條件不符、經濟效益差、防治效果不理想、農殘污染嚴重，造成了巨大的經濟損失，甚至嚴重影響農業生產。針對上述問題，本文構建植保機械適用性評價體系模型，明確各級評價指標因素，基于層次分析法確定各級指標權重，利用模糊矩陣等方法確定各級指標分值。通過理論和實踐研究，最終建立植保機械適用性綜合評價體系與方法。

1　植保機械適用性評價指標體系

植保機械的適用性是指其滿足使用條件的能力，使用條件包括技術指標、經濟指標、作業條件指標等；也可以說是作業性能相對特定使用條件的協調融合程度。我國幅員遼闊，土壤及生態環境類型多樣，作物種類、種植結構繁雜[9]，而植保機械性能好壞和使用方法是否得當直接影響防治效果和工作效益，隨著現代農業的發展，新的植保機械不斷出現，由于結構特征與技術特征不同，應用范圍也不同，因此應根據使用條件選擇適宜的植保機械及其部件[10]。然而，多年來由于重視程度不夠及現實條件的制約，目前我國尚無科學規范和統一完整的植保機械適用性評價方法。

1.1體系構建

構建的評價指標體系應能綜合反映植保機械適用性，同時兼顧評價指標體系的可操作性。構建評價指標體系的原則主要有：全面性原則、客觀性原則、科學性原則、實用性原則。植保機械評價第1級指標，主要從技術、經濟、作業條件3方面選取指標。技術指標的主要來源是頒布實施的相關技術標準、規范、鑒定大綱；經濟指標、作業條件指標主要通過文獻查閱、實地調研、專家座談等方式確定。

植保機械評價指標體系的結構模型采用3級(A、B、C)指標體系，整個指標體系由技術指標、經濟指標、作業條件指標3個一級評價指標、6個二級評價指標、23個三級評級指標構成，結構模型如圖1所示。其中技術指標包括機器性能、作業質量2類二級指標；經濟指標包括使用效益、利用效率2類二級指標；作業條件指標包括自然條件、作物條件2類二級指標。

圖1　植保機械評價指標體系模型圖Fig.1　Evaluation index system model of plant protection machinery

1.2評價指標權重的研究方法

評價指標權重分析采用層次分析法。本文選擇層次分析法(AHP)對植保機械適用性評價指標權重值進行測算。AHP 是一種解決多目標復雜問題的定性與定量相結合的決策分析方法[11-15]。該方法是將復雜問題分解成多個組成因素，形成一個多目標、多層次的模型，有序的遞階層次結構；通過兩兩比較的方式確定層次中諸要素的相對重要性，然后再轉為對這些元素的整體權重進行排序判斷，最后確立各元素的權重[16]。目前，系統工程中處理定性與定量相結合問題時，AHP是一種比較簡單易行且又行之有效的系統分析方法[17-19]。其確定流程如圖2所示。

圖2　權重確定流程圖Fig.2　Flow chart of weight determination

(1)構造判斷矩陣

以上層相應元素為評價準則，對本層次元素進行兩兩比較，進而確定元素之間的相對重要性。設Ps為評價準則，S1，S2，…，Sn為評價因素，依據判斷矩陣標度定義對評價因素進行兩兩比較判斷，構成判斷矩陣 ，即

(1)

(2)層次單排序

確定某一層次各因素對上一層次某因素的影響程度，并依次排出順序。根據判斷矩陣計算出各因素的相對權重向量，計算方法采用特征根法。

EW=λmaxW

(2)

式中λmax——E的最大特征根

W——λmax的正規化特征向量

(3)一致性指標檢驗

層次單排序的一致性檢驗，則要計算一致性指標CI。λmax-n越小，CI越小，矩陣的一致性越好，CI為零時矩陣具有完全一致性。

(3)

式中n——判斷矩陣的階數

C——一致性指標

檢驗判斷矩陣是否具有滿意的一致性，將一致性指標CI和平均隨機一致性指標RI進行比較，計算判斷矩陣的一致性比例，記作

(4)

式中I——平均隨機一致性指標

當R<0.1 時，判斷矩陣通過一致性檢驗；當R≥0.1 時，判斷矩陣沒有通過一致性檢驗，需調整矩陣重新檢驗。

1.3評價指標權重的確定

根據植保機械適用性評價指標體系，結合層次分析法的基本原理，設計確定權重的專家調查表。植保機械適用性具有區域差異性，技術、經濟、環境不同，不同地區評價指標權重不同，要選擇不同區域和專業領域的專家進行調查。本研究在東北、西北、華北、華東4個典型區域，選取推廣、鑒定、監理、植保等政府部門及植保專業化服務組織的專家進行調查。將回收的專家調查表進行匯總計算，采用專家判斷矩陣加權幾何平均法，運用Yaahp分析軟件進行匯總計算，歸一化處理后，各級指標權重見表1。

表1　植保機械評價指標權重Tab.1　Evaluation index weight of plant protection machinery

1.4指標分值的確定

1.4.1三級指標分值的確定

針對上述4個典型作業區域的農業生產作業條件布點試驗，利用試驗檢測結果得到分值；并針對4個區域的農業生產作業條件下實際用戶進行跟蹤考核，利用考核結果得到分值；同時對4個區域的農業生產作業條件下的一定數量的用戶進行使用情況調查，利用調查結果得到分值。綜合采用試驗測評法、跟蹤測評法和用戶調查測評法的交叉組合的結果得到分值。下面以技術指標A1評判為例，詳細闡述其指標分值的確定過程。

(1)建立模糊矩陣

確定評價指標集，根據表1可知，評價指標為10個，分別記為u1，u2，…，u10，則這10個評價指標構成指標集U；確定評價等級集，根據實際需要將評價結果劃分為5個等級，分別記為v1，v2，…，v5，則這5個評價結果構成評價等級集V。

針對評價指標ui作出vk等級評定的人員數為Nik，參與等級評定的人員總數為N，則隸屬度

(5)

構建模糊矩陣，針對每個評價指標ui都有一個相應隸屬度函數(向量)

Mi=(mi1,mi2,…,miq)

(6)

整個評價指標集內各個指標的隸屬度函數組成隸屬度矩陣，即模糊矩陣F，F中的fi，q和Mi中的miq是一一對應的。

(7)

(2)確定評價等級標度值函數

設評價指標各等級標度值為x1，x2，…，x5，評價指標等級標度值組成向量為

X=(x1,x2,…,x5)=(0,25,50,75,100)

(8)

(3)三級指標分值(三級單項適用指數)的確定

設yc1，yc2，…，yc10為三級各指標分值，則

(9)

1.4.2二級指標分值(二級單項適用指數)的確定

對應B11的各三級指標權重向量為

WB11=(wc1,wc2,…,wc7)

(10)

則對應的各三級指標分值向量為

YB11C=(yc1,yc2,…,yc7)

(11)

機器性能B11指標分值為YB11，則

(12)

同理得出B12的分值，從而得到二級指標的分值函數。

1.4.3一級指標分值(一級單項適用指數)的確定

設技術指標A1的各二級指標權重向量為

WA1=(wB11,wB12)

(13)

設對應的各二級指標分值向量為

YA1B=(yB11,yB12)

(14)

技術指標A1分值為YA1，則

(15)

同理得出經濟指標(A2)、作業條件指標(A3)的分值，從而得到一級指標的分值函數。

1.4.4綜合指標分值(綜合適用指數)的確定

設一級指標的權重向量為

WZ=(wA1,wA2,wA3)

(16)

設一級指標分值向量為

YA=(yA1,yA2,yA3)

(17)

因此可得出植保機械適用性評價指標體系的綜合指標分值(綜合適用指數)YZ為

(18)

依據綜合指標的分值，將植保機械適用性評價分5個等級， 具體劃分為：(0，20]很差， (20，40]較差， (40，60] 一般，(60，80] 較好，(80，100]很好。

2　實例

2.1背景

選取目前市場上應用較為廣泛的某型號自走式噴桿噴霧機為評價樣機，主要機具作業幅寬為10 m，藥箱容量為1 000 L，最大行走速度為9 km/h，噴頭類型為扇形霧噴頭，霧錐角為110°，單個噴頭噴量為1.2 L/min(0.3 MPa時)，噴頭數量為19個，間隔500 mm，噴頭高度可調，具體如圖3所示。

圖3　自走式噴桿噴霧機Fig.3　Self-propelled boom sprayer

2.2指標評分結果

為了能科學、系統地評價該自走式噴桿噴霧機，主要選取東北地區、華北地區、華東地區的小麥、水稻等矮稈作物區域進行試驗，并對上述地區的農機

鑒定推廣站、監理站、植保站、植保專業化服務組織等領域的專家和用戶進行調查，利用植保機械適用性綜合評價指標體系，對該植保機械的各級指標進行評分，具體分值如表2所示。

2.3討論

依據已確定的一級單項適用指數、二級單項適用指數、三級單項適用指數，可得出該機具的單項指標評價結論。綜合討論可知，該機具在技術指標(A1)評分中差異性較大，機器性能(B11)指標較好，但其作業質量(B12)不佳；待評樣機現場試驗過程中，存在霧滴漂移、噴霧量分布均勻性較差等現象，可知該機具在用戶使用過程中仍存在較多問題。

表2　自走式噴桿噴霧機各級指標分值Tab.2　Index scores at all levels of self-propelled boom sprayer

經濟指標(A2)評分較好，作業條件指標(A3)評分較差，使用時對自然條件(B31)和作物條件(B32)要求較高，使用時局限性較大。試驗時，北方連片大田作業區域，樣機使用范圍廣，作業效率高，具有明顯優勢，但在南方田塊分散且不規則的作業區域，機具不易靈活移動，容易受地塊因素限制，影響作業效率，且機具不能很好地適應作物不同生長期的作業要求，容易造成農藥浪費，尤其水稻后期封行后，機具下田作業時，作物倒伏現象明顯，造成一定程度的減產。

根據樣機的綜合指標分值，可得出其綜合指標評價結論為一般。通過樣機現場試驗可知，其結果與指標體系評分結果基本一致，因此可知利用該植保機械適用性評價體系能得出較為客觀、科學的評判結論。針對該機具的各個單項指標的評價結論，可對該植保機械的技術性能、作業質量等進行針對性的優化與提升，為進一步提高該植保機械適用性水平以及推廣應用提供了科學依據。

3　結束語

針對植保機械適用性評價體系研究，從技術指標、經濟指標、作業條件指標3方面構建了植保機械適用性綜合評價指標體系，確定了具體評價指標，制定了植保機械適用性評價指標的打分準則，采用試驗測評法、跟蹤測評法和用戶調查測評法的交叉組合的結果得到分值。并以植保機械中自走式噴桿噴霧機為例，依據該機具的各項性能參數進行判定評分，從而得出單項指標評價和綜合指標評價結論。通過上述研究可知，利用該評價體系能對植保機械適用性得出較為客觀的結論，為植保機械的推廣應用等提供了較為科學規范和統一完整的評價方法，并為植保機械適用性評價工作的全面深入開展提供了基礎。

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Comprehensive Evaluation Method for Applicability of Plant Protection Machinery Based on Analytic Hierarchy Process

Gong YanZhang XiaoLiu YanWang GuoChen XiaoChen Xiaobing

(NanjingResearchInstituteforAgriculturalMechanization,MinistryofAgriculture,Nanjing210014,China)

In order to comprehensively evaluate the applicability of plant protection machinery, this paper established the evaluation index system from three aspects：technical index, economic index and operation condition index, used analytic hierarchy process to calculate the results of the expert questionnaires based on the structure model of the evaluation system, and determined the weights of each evaluation index by using judgment matrix and weighted geometric average method. And then it obtained the scores of the third level indicators by the method of test, as well as survey and evaluation of users, and then got the index scores of all levels through analysis and calculation. Finally the comprehensive evaluation index system for the applicability of plant protection machinery was built. This paper evaluated the self-propelled boom sprayer for example, and obtained the conclusions of the single index evaluation and the comprehensive evaluation. This can provide scientific basis for popularization and application of plant protection machinery by the comprehensive evaluation system, at the same time, it has guiding significance to the optimization and promotion of mechanical performance and operations quality of plant protection machinery.

plant protection machinery; applicability; evaluation system; analytic hierarchy process

10.6041/j.issn.1000-1298.2016.09.011

2016-05-25

2016-07-06

國家自然科學基金項目(31401296)、公益性行業(農業)科研專項經費項目(201203025)和江蘇省科技自主創新資金項目(CX(14)2101)

龔艷(1976—)，女，研究員，主要從事植保施藥技術與裝備研究，E-mail： 254482460@qq.com

陳小兵(1963—)，男，研究員，主要從事植保施藥技術與裝備研究，E-mail： chxibi@126.com

S499； N945.16

A

1000-1298(2016)09-0073-06