江蘇省設施蔬菜關鍵生產環節機具的選型與配備研究

沈啟揚， 於 鋒， 周學劍

(1.江蘇省農機具開發應用中心，江蘇南京 210017； 2.南京農業大學，江蘇南京 210095)

近年來，江蘇省設施農業發展迅速，特別是設施蔬菜發展迅猛，截至2014年年底，全省建成永久性蔬菜基地 7.39萬hm2，設施農業面積達75.8萬hm2，占耕地面積比重提高至16.5%，占比居全國第一。高效設施農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頭，市縣級示范基地為主體，占總基地數量的75.2%。基地以蔬菜、經濟林果(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。設施蔬菜關鍵生產環節機具的選型與配備是設施農業當中的一個重要環節，但目前設施農業大部分生產環節仍為傳統的人工勞動，工作強度大，作業效率低，人均作業面積僅為歐美國家的1/4，且作業質量差，單位面積產量僅為歐美國家的1/3。同時，伴隨著我國勞動力日益短缺，我國對設施蔬菜機械的需求大量增長，特別是一些示范基地對設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、節約成本、降低費用的要求成為當前急需解決的問題。目前對農機選型與配置有2種偏見：一是片面追求數量，以農機裝備的擁有量和總動力來衡量農機化發展水平，缺乏最佳配置研究;二是片面追求高檔，以農機裝備的“高、新、特”等來衡量農機化水平，缺乏農機經濟研究。隨著新型農機具更新換代步伐的加快，農機具的選型和配備問題在農機化技術推廣領域中將占有越來越重要的地位，相關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 設施蔬菜關鍵生產環節機具選型

1.1 選型方法及程序

設施蔬菜機具選型是后期機具優化配備的基礎，本研究結合專家意見確定選型的主要指標，并給出重要指標的權重，通過模糊綜合評判法對其進行排序，優選出耕整地機具3種進行優劣排序。根據對設施蔬菜定園區作業規模、作業模式等信息的調研，確定備選機型，運用調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數據分析運算，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 評價指標及權重

根據行業標準 NY/T 1931—2010 《農業機械先進性評價一般方法》相關內容，評價機具的綜合性能，通常是對其適用性、經濟性、操作維護保養方便性和人機關系進行綜合分析。本研究以作業質量、作業效率、維護保養方便性、操作方便性、固定成本、運行成本、作業純收入、安全性、通過性、舒適度10項具體指標建立機具綜合評價指標(表1)。

表1 選型指標及權重

1.3 評價模型

將機具適用性、經濟性、操作維護保養方便性、人機關系等作為一級選型指標，再將各一級指標分為作業質量、作業效率、維護保養方便性、操作方便性、固定成本、運行成本、作業純收入、安全性、通過性、舒適度等二級選型指標。()內數字為不同的權重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項一級指標權重；λij為第i項一級指標中第j項二級指標權重；Eij為第i項一級指標中第j項二級指標評分值；m為一級指標總數；ni為第i項一級指標中二級指標總數。

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

式中：m為選型機具人數；n為選型機具數目。

計算相應的評價指標的評判向量B：

B=A?R。

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

1.4 綜合評判計算

根據調研掌握的省內設施蔬菜園區主要應用機具裝備情況，將設施蔬菜關鍵生產環節機具分為施肥、耕整地、移栽(播種)、植物保護等環節(由于起壟、鋪膜環節并非所有蔬菜農藝需要，而收獲機械化水平較低，因此不做機具選型)。請專家和園區用戶對選型機具進行打分評價，根據評價分數進行整理和公式方法計算，得出各環節機具優劣排序情況，從而篩選出合適作業機具。

建立備選機具：

N={ni/i=1，2，…}。

1.5 計算結果

1.5.1 計算評價分值 本次調研分別收集專家和園區用戶建議各3人，合計6人。經數據整理后，按照機具編組計算公式，得出結果見表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 園區選型機具評價分值

注：M1為黃海金馬300D耕整機，M2為東風DF404B耕整機，M3為璟田TKC-750微耕機；S1為環流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背負式植保機，P3為筑水3WZ-51自走式植保機。F1、F2、F3為專家評分，F4、F5、F6為園區用戶評分。

1.5.2 構造矩陣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 選型結論

由此分析，參與選型的設施蔬菜關鍵生產環節機具評價結果為

M1>M2>M3；

S1>S2；

T2>T1>T3；

P3>P1>P2。

結果表明，黃海金馬300D耕整機>東風DF404B耕整機>璟田TKC-750微耕機；環流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背負式植保機。其中，“>”表示優于。

2 設施蔬菜關鍵生產環節機具配備

2.1 配備原則

在完成設施蔬菜關鍵生產環節機具選型的基礎上，對優選出來的耕整地機具、施肥機具、種植機具、植保機具進行優化配備，從而取得最滿意的追求目標。配置機型時，主要以設施蔬菜生產過程中的經濟效益為研究對象，以蔬菜生產園區為例，確定影響設施蔬菜關鍵生產環節機具配備的主要因素與約束條件，按照作業成本最低、生產效益最大、動力配置最小的原則，構建蔬菜生產園區設施蔬菜機具系統配置的數學模型，并求的最優解。

2.2 案例分析

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

表3 園區主要農機具情況統計

結果表明，園區設施甘藍周年生產育苗、施肥、耕整地、移栽、植物保護等環節機械化水平較高。通過分析各環節機具價格、功率、數量、投資總額、年固定成本、可變成本等因素，綜合甘藍生產工藝流程得出：(1)機具作業總成本偏高；(2)耕整地、移栽、撒肥等環節存在一定機具閑置浪費現象；(3)設施大棚結構不一，造成機具通過性降低，導致作業效率降低。因此，園區在機具配備優化方面具有很大調整空間。

2.3 建立優化配備模型

2.3.1 作業量約束方程

∑PijYij≥Sj；

式中：j為作業環節；i為機器型號；Pij為機具i在環節j作業時的班生產率；Yij為機具i在環節j作業時的臺班數；Sj為j環節作業面積。

2.3.2 機具數量約束方程

∑Yij≤θjTjYi；

式中：θj為機具i在j環節可下地作業概率；Tj為機具i在j環節可下地作業日歷班次數；Yi為機具i數量。其中，θ=1，因為設施農業不受天氣影響，環境因素可控。

2.3.3 目標方程 本研究擬采用機器作業成本最小作為優化配備目標，作業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為作業總成本；B變為機具可變成本；B固為機具固定成本。

2.4 模型運算

2.4.1 設定變量

Y1—環流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多功能作業機，臺；

Y4—東風1GQN-125旋耕機，臺；

Y5—璟田TKC-750多功能田園管理機，臺；

Y6—井關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 園區設施甘藍生產機械化工藝流程

表5 機器作業成本

Y11—稼樂植保機3WBJ-16D背負式靜電噴霧器，臺；

Y12—黃海金馬300D拖拉機，臺；

Y13—東風DF404B拖拉機，臺；

Y14—環流MF1002手扶式撒肥機作業臺班數，班；

Y15—得利卡DAM-101S自走式撒肥機作業臺班數，班；

Y16—黃海金馬1GVF-125多功能作業機作業臺班數，班；

Y17—東風1GQN-125旋耕機作業臺班數，班；

Y18—璟田TKC-750多功能田園管理機作業臺班數，班；

Y19—井關2ZY-2A蔬菜移栽機作業臺班數，班；

Y20—洋馬2ZQ-2蔬菜移栽機作業臺班數，班；

Y21—富來威2ZB-1蔬菜移栽機作業臺班數，班；

Y22—筑水3WZ-51自走式植保機作業臺班數，班；

Y23—惠林植保機3WZ-300S手推式機動植保機作業臺班數，班；

Y24—稼樂植保機3WBJ-16D背負式靜電噴霧器作業臺班數，班。

2.4.2 建立作業量約束方程

施肥環節(10月11日—10月12日，共2 d)：

3.3Y14+8Y15≥27；

耕整地環節(10月14號—10月18號，共5 d)：

1.3Y16+1.1Y17+0.53Y18≥40；

種植環節(10月20日—11月4日)：

0.7Y19+2Y20+0.53Y21≥27；

植保環節(11月5日—12月20日)：

2.4Y22+2.4Y23+Y24≥54。

2.4.3 建立機器數量約束方程

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規劃求解加載宏模塊對方程求解，求解結果如下：

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。

在實際生產中機具數量必須為整數，所以應對Y1～Y13結果進行取整，取整后數據如下所示：

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，碧溪園區機具配備為環流MF1002手扶式撒肥機2臺；黃海金馬1GVF-125多功能作業機3臺；東風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DF404B拖拉機2臺。將取整后數據帶入目標方程計算可得minB=27 979.8元×2季=55 959.6元，通過前文分析可知，優化前園區總作業成本為固定成本+可變成本=31 936元+64 230元=96 166元，優化后節約成本40 206.4元，節本效果明顯，因此該優化方案切實可行。

3 結論

本研究選取設施蔬菜中典型代表甘藍的關鍵生產環節所用機具作為優化設施農業生產方式的突破口，以江蘇省典型設施農業園區常熟碧溪現代農業生態園作為試驗基地，研究分析適合江蘇省設施蔬菜種植機具的選型系統及相關作業環節的機具配備，較全面地考慮了設施甘藍整個生產階段是為作業量和機具的配備，也考慮到了各個生產階段的合理銜接和搭配，綜合權衡了各項作業對機器的需求，選型計算結果與機具使用者的評價基本一致。通過對比優化前后機具配備數量及作業成本，在按時完成生產任務的前提下，大幅度降低了作業成本，實現了園區設施蔬菜栽培節本增效的目標，為江蘇省其它設施蔬菜園區提供參考。

[1]何瑞銀. 農業機器系統優化模型與水稻種植區典型系統評價的研究[D]. 南京：南京農業大學，2008.

[2]高慶生. 江蘇省設施辣椒栽培旋耕機具選型與配備研究[D]. 合肥：安徽農業大學，2014.

[3]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.