湖北煙田地塊特征與田間作業農機適用性分析

吳元華，申國明，王 勉，徐曉波，陶德欣，姜 芳，劉 陽，尹剛華

（1中國農業科學院煙草研究所，山東青島 266101；2湖北省煙草公司，武漢 430030；3湖北省煙草公司恩施州公司，湖北恩施 445500；4湖北省煙草公司十堰市公司，湖北十堰 442000；5湖北省宜昌市煙草公司興山營銷部，湖北興山 443700）

0 引言

煙草農業生產機械規模化應用和全程農業生產機械化推進，有利于降低勞動強度，提高生產效率，保障煙葉原料生產可持續性發展。隨著中國農業機械的快速發展，以及種植模式多元化，傳統農業機械選型配置方法已較難滿足生產實際需求，合理的農機選型配置方法，在農機應用推廣中，作用越來越突出[1-2]。圍繞不同角度農機配置方法研究報道較為廣泛，并且多集中在水稻、花生等作物，重點圍繞農機作業成本、作業質量、必要性和安全性等方面[3-5]，這些方法的配置理論主要采用經驗法[6-8]，較適用于平原區域集約化、規模化種植條件下農機選型配置。丘陵山區煙田面積較小，分布不規則，地形較為復雜，生產環節所需農機類型與之差別較大，傳統的農機配置方法適用性差。當前國內圍繞丘陵山區煙草種植農機配置的相關研究較少，樊國奇等[9]以煙草不同生產環節作業時限為因變量，以不同農機數量為目標函數，研究確立了煙葉生產基地單元農機配置方法。陳浩等[10]將作業效率和作業面積模糊化，運用模糊線性規劃提供了煙草種植機械配置新思路。

從當前丘陵山區煙草農業生產機械使用現狀分析，煙草種植不同作業環節農機產品較為全面和成熟，但并非所有機械都適用于丘陵山區。以湖北煙區為例，湖北煙區煙田分布具有自身的區域特點，既有連片度較高、地形較為平整的山間平地，又有丘陵山區坡地，農機作業條件不統一。山間平地類似平原區域，但地塊面積較小，地塊形狀復雜。受傳統種植習慣影響，煙葉生產精耕細作，對農機作業質量要求較高，農機與田間作業條件匹配程度成為當前全程農業機械生產全面推進的制約因素。

本研究以湖北全程機械化核心示范區的鶴峰燕子鎮蕎云村為試點，通過歷年農機的配置使用狀況進行質量可靠性分析，篩選出適用于本地生產條件下的耐用機型和品牌，明確不同機型田間作業空間需求，為農機配置方法構建，以及區域以點帶面煙葉農業生產機械化農機配置方法建立提供依據。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

以湖北鶴峰縣燕子鎮蕎云村山間平地煙田作為農機選型和數量配置方法研究對象。該村位于東經110.305366°，北緯30.079830°，屬于典型山區氣候，低山河谷溫和多雨，高山冬寒夏涼，年均氣溫12℃，年降雨量約1780 mm，全年無霜期220～240 天。土壤以黃棕壤為主，土壤質地松散，農田耕層深度約20～25 cm。燕子鎮蕎云村素有煙葉生產“萬擔鄉、千畝村”之稱，是全省煙草農業生產全程機械化核心示范點，山間平地地塊連片度高，地形平整，適宜開展相關農機作業試驗。全村6 個村民小組，總人口1002 人，286 戶，勞動力人口548 人，總耕地面積141.1 hm2，其中2021年烤煙種植面積133.3 hm2，種植戶35戶。

1.2 農機配置適用性考慮因素

農業機械機型與地塊匹配度標準是最終覆蓋整個作業場地。在田塊面積小、形狀不規則、分布密集無規律的非平原地區煙田，作業環境更為復雜。農業機械轉彎直徑往往大于作業幅度，農機作業路徑根據田塊作業條件，盡量不留有遺漏區域；根據田塊地頭空間特性，以盡可能小的地頭轉彎空間，盡量不影響已作業或未作業區域內土壤或煙株原有狀況；根據作業模式，明確已作業區域可以二次碾壓或未作業區域不可以二次碾壓；以及農機車輛倒車性能，能否田間倒車等。

1.2.1 農機類型 田間作業農用機械按動力配置方式分為牽引式和自走式；按行駛機構特征分為輪式和履帶式；按轉向方式分為阿克曼轉向、差速轉向和鉸接轉向等幾種形式[11-14]。

煙草農業生產牽引式作業機械主要是輪式拖拉機，配套作業機具包括翻耕犁具、淺翻旋耕機、施肥起壟機、覆膜機、拔桿機。自走式農機主要是小微型田間作業機械。農機田間作業更多考慮機型作業空間需求與地塊條件匹配度，尤其是大中型機械，機型作業幅寬、轉彎半徑、轉彎空間，都是需要考慮的因素。

阿克曼轉向又稱軌跡轉向，是拖拉機等輪式結構農機的轉向方式，轉向彎度最大，轉向復雜性最高；差速轉向又稱滑移轉向或單側制動轉向，轉彎半徑最小，常用于履帶式農用機械和兩輪作業農機，輪式車輛車輪加裝獨立驅動也可以實現；鉸接轉向相對整體式車架車輛農業作業機械，主要用于鉸接牽引式農機轉向。

1.2.2 田間作業路徑 基于農用機械田間運行平穩性、田間最佳轉彎、調頭路徑規劃一般有2種方式[15-17].

（1）方向平行路徑作業，沿固定方向作平行交替移動，即地頭180°反向運行掉頭操作。根據作業幅度與農機最小轉彎半徑之間關系，又分別采用3 種不同轉彎方式：“Π”（π 的大寫字母）、“Ω”型和“T”型。其中“T”型轉彎方式適合更小的作業幅寬，比“Ω”型占用更小的輔助地頭面積和路徑長度，一般不推薦牽引式農機使用。

（2）輪廓平行路徑轉彎。沿地塊邊界輪廓平行路徑作業，在需要轉彎地頭進行小于180°換向動作。

1.2.3 煙田作業條件 影響農機入田、田間作業因素分類。一是地塊形狀，一般分為規則煙田（矩形）、較規則煙田（梯形）和不規則煙田（不規則多邊形、三角形）。二是種植規模，農機田間作業空間需求；三是地塊通達度，農機入田作業機耕路條件。

1.2.4 農機作業模式 翻耕地、整地、施肥、起壟、覆膜、移栽、田間管理、采收、拔桿等作業模式。不同作業模式農機碾壓特性受到作業環境約束不同。比如田間作業不破壞壟體、車輪與地面接觸不軋苗、機身不損傷煙株和葉片。

1.3 數據來源

無人機航拍收集田間圖像，運用南方CASS9.1 軟件形成田間地塊分布圖，實地調查訪問獲取分布圖中田塊屬性數據；計算獲取煙田面積、長度、寬度、田間道路等矢量數據。全縣機械購置、使用數據庫調取2011—2021年農機機型分布及使用狀況；農機參數性能來源于基于物聯網的企業信息平臺。

2 研究方法

2.1 農機田間作業空間算法

轉彎是農機田間移動作業的基本操作，除履帶式農機，一般都需要迂回空間完成轉向動作，不同機型機身尺寸、輪距、機體重量作業空間需求不同。研究機組轉彎運動時，首先要找出整個機組運動的中心點，不同機組類型，機組中心的水平投影面內的具體位置不同。雙輪單軸驅動機組，驅動軸中點即為機組中心；四輪（雙軸）驅動機組，兩驅動軸中點連線的中點為機組中心點；四輪驅動折腰式機組，折腰點為機組中心。轉彎時機組中心運行曲線的半徑即機組的轉彎半徑，一般用“R”表示。

針對轉彎策略生成原理，朱亞坤等[18]和黃小毛等[19]提出2種作業路徑生成方法，見圖1。

圖1 農機田間作業空間算法原理示意圖

2.1.1 輪廓平行方式田間作業路徑生成方法 農機沿田塊邊界輪廓向內作螺旋型移動，在田塊邊界輪廓拐點附近進行換向運行，兩條作業路徑屬于相交關系。農機轉彎路徑按地塊形狀、轉彎條件，影響前后2條相交路徑夾角大小，形成銳角和鈍角2 種類型作業路徑。計算方法見圖2，切點間圓弧即為轉彎路徑。

圖2 輪廓平行路徑作業轉彎方式示意圖

2.1.2 方向平行路徑田間作業路徑生成方法 農機向一個固定方向作平行交替移動，根據作業幅度與最小轉彎半徑關系，分別采用“Π”型（或U型）、“Ω”型（梨形）和“T”型（魚尾形）轉彎方式，當轉彎半徑小于作業幅度的1/2時，優先采用“Π”型（或U型）。轉彎半徑大于作業幅度的1/2 時，采用“Ω”型或者“T”型轉彎方式。計算方法見圖3，圖3a 平滑曲線AH1H2B 為Π 型轉彎路徑；圖3b 平滑曲線AH1H2B 為“Ω”型轉彎路徑；圖3c為“T”型轉彎路徑，適用于輔助地頭面積小、轉彎路徑長度短的具有倒車性能的農機作業。

圖3 方向平行路徑作業時的不同轉變方式示意圖

2.2 農機轉彎半徑算法

為保證農機轉向不產生滑動，最小轉彎半徑的大小由車輛的軸距決定，軸距長則轉彎半徑大。

最小轉彎半徑和最小轉彎寬度的計算見公式(1)、(2)。

其中，R為車輛最小轉彎半徑，m；L為機械機身長度，m；W為機械機身寬度，m；D為農機最小轉彎寬度；Ψ為農機轉向最大轉角，度。

2.3 輪廓轉彎路徑距離算法

弧形面積、弧長和空間滿足率的計算見公式(3)～(5)。

其中：S為弧形面積；L為弧長；R為半徑；n為圓心角度數。

2.4 數據處理

利用Excel表格統計軟件進行相關統計運算。

3 結果與分析

3.1 作業地塊信息統計描述

由表1 可以看出，煙田面積從小于667 m2的微型地塊到大于3335 m2的較大型地塊，其中2001 m2以上地塊面積占總調查地塊數量的44%左右，667～2001 m2地塊數量占43%左右。地塊形狀分為三大類，規則-不規則三角形、規則-不規則梯形和規則-不規則矩形。2001～3335 m2種植規模地塊形狀主要以梯形和矩形為主，約占總地塊數的93%左右，3335 m2以上種植規模梯形和矩形地塊約占總地塊數的89%左右，從形狀分布看，地塊規整度較高。1.5～2 m寬幅的機耕路主要是集中在靠近鄉道地塊，其次是小于0.5 m 的田間小路和1 m 左右機耕路。由表2 可以看出，受田間地塊分布排列影響，機耕路與地塊隨機排列，道路寬度與地塊形狀和面積之間沒有固定規律。

表1 地塊種植規模與形狀分布

表2 農機入田條件調查

3.2 農機作業空間

3.2.1 作業移動點不固定作業環節空間需求 田間翻耕地作業環節，農業機械根據農藝標準要求，完成耕層土的松動，滿足煙株根系下扎、空間合理分布生產要求即可，對作業路徑無特別要求，因此，翻耕地以輪廓平行方向方式實現田間作業方向轉換，來適應不同地形需求；其次煙桿拔除環節，同樣可以使用大中型農機實現這種非固定作業路徑的田間作業。由表3 可知，不同轉彎半徑機型轉彎空間與地頭轉彎角度呈線性關系，地邊轉彎角度越小，農機轉彎空間越大，農機輪廓平行方向轉彎空間的需求與地塊形狀密切相關。圖4 顯示，地頭角度越大，地邊遺漏未作業區域越大。

圖4 不同形狀地角轉彎弧度

表3 不同類型翻耕地農機作業空間統計描述

3.2.2 作業移動點固定作業環節空間需求 烤煙農藝生產標準規定翻耕后田塊施肥、起壟、覆膜后，煙草壟體栽培，直至采烤完成，田間農機作業移動點均由壟體分布決定。試驗點烤煙壟體作業農藝標準為壟底60～70 cm，壟高30～35 cm，兩壟體平行中心線間直線距離1.2～1.3 m。農機作業路徑適用于方向平行路徑作業方式，由“Π”型（或U型）、“Ω”型（梨形）和“T”型（魚尾形）轉彎方式計算田間作業空間，“Π”型（或U型）作業方式完成起壟，農機轉彎半徑≤0.33 m；“Ω”型（梨形）作業方式，地頭具備＞2 R 寬度掉頭空間，R為農機轉彎半徑；“T”型（魚尾形）作業方式，地頭具備＞R寬度掉頭空間，R為農機轉彎半徑。由表2不同機型轉彎半徑分析，大中型農機實現作業，可以通過隔行替作業方式。表3可見，3種轉彎方式，機型轉彎半徑越大，對地頭路邊轉彎空間需求越大。以農機作業軌跡不破壞壟體為標準，對機耕路需求從試驗機型工作空間需求分析，地頭機耕路寬度范圍0.6～2.0 m；對田塊地頭寬度空間需求，其中“Π”型（或U 型）對田塊地頭寬度要求不小于農機轉彎半徑的4 倍，即0.72～20.80 m，“Ω”型和“T”型對地塊寬度要求較小，分別為農機轉彎半徑的2倍和1倍。同時滿足機耕路寬度與地塊寬度，是實現農機作業的基本空間要求（圖5）。

圖5 煙草壟體作業農機轉彎掉頭示意圖

3.3 不同地塊條件下機型選配

3.3.1 翻耕、整地環節農機與地塊條件匹配度分析 農機翻耕、整地包括煙稈拔除作業環節，地塊空間需要同時滿足直行和轉彎2 個作業條件，包括地塊作業面積和地頭轉彎空間以及機耕路入田作業基本條件的滿足。

（1）田塊面積與農機機型匹配度分析

機耕路條件是農機入田完成田間作業的前提。由表4可以看出，不同機型農機入田路徑寬度需求范圍，3～8 kW 微型農機需路徑寬度＞0.5 m，11～18 kW 小型農機需路徑寬度＞1 m，37～66 kW中型農機需路徑寬度＞1.8 m，66 kW以上大型農機需路徑寬度＞2.0 m。表2統計結果顯示，能夠滿足不同機型入田機耕路的地塊面積分布跨度較大，以不同農機機型與機耕路條件滿足率為依據進行分類，65.4%地塊具備大中型農機入田作業條件，77.8%地塊具備小型農機入田作業條件，100%地塊具備微型農機入田作業條件。由圖6顯示，地塊最小寬度值是影響農機作業空間條件滿足率的關鍵指標，較規則三角形地塊和長寬比過大地塊，對實現農機田間移動作業空間限制較大。從不同地塊面積與機型作業空間需求匹配結果看，3～8 kW微型農機適用面積最廣，11～18 kW小型農機較適用于667 m2以上矩形和梯形地塊，37～66 kW 大中型農機較適用于2001 m2以上較為規則矩形和梯形地塊。

圖6 煙田地塊分布航拍圖

表4 不同機型作業空間需求

（2）地塊形狀與農機機型匹配度分析

農機田間翻耕作業，包括煙田清殘拔桿環節，對作業移動點無固定要求，可以沿地塊輪廓螺旋向內作業，地塊的面積和形狀是否與農機機型匹配，是農機適用量選配關鍵。由表2可以看出，地塊邊角角度越小，轉彎弧度越長，能夠滿足農機作業的有效空間越少，農機達不到的區域面積越大。不同機型地塊角度與田間作業弧長關系方程見式(6)～(10)。

式中Y為農機作業轉彎弧長，x為地邊角度。

同一漏耕率、重耕率標準要求下，三角形和不規則梯形地塊，與農機作業轉彎路徑的匹配度較低。

3.3.2 起壟、覆膜、移栽、采收 農機田間作業需要根據壟體分布進行定點移動，移動過程中，農機作業軌跡應避開完成作業區，作業輪或機身不能破壞煙壟、地膜和田間煙株等，農機田間作業完成后轉彎掉頭需有機耕路作為輔助，田塊作業條件需滿足機身作業空間需求，機耕路能夠滿足農機轉彎調頭空間需求。由表3中不同機型對應需求作業空間分布看，單機單行作業長度范圍0.93～24.67 m，作業寬度范圍5.2～20.8 m，“Π”型（或U型）屬于間隔交替移動轉彎掉頭方式，地塊寬度要求至少為作業寬度的4倍距離；“Ω”型（梨形）和“T”型（魚尾形）屬于相鄰壟體之間移動轉彎掉頭方式，地塊寬度需滿足作業寬度的2倍距離和1倍距離，以上3種轉彎模式下機型與地塊作業寬度條件匹配度分析，“Π”型（或U 型），50～90 hp 動力牽引農機具單機田間靜止空間需求范圍513.6 m2；“Ω”型（梨形）空間需求范圍180.1～253.5 m2；“T”型（魚尾形）空間需求93.4～126.7 m2。因此，使用大中型農機作業機具，“Π”型（或U型）作業方式較適用于較大面積地塊。

由圖7 結果顯示，“Π”型（或U 型）轉彎方式，3～8 kW 農機適用于所有調查地塊，11～18 kW 農機較適用于1334～2001 m2以上作業兩端有機耕路地塊，37～66 kW 農機空間滿足程度較低，適用性較差。“Ω”型（梨形）和“T”型（魚尾形）轉彎方式對地塊寬度值要求較小，地塊作業兩端機耕路與農機相匹配條件下，3～8 kW 農機適用各種不同面積和形狀地塊，11～18 kW農機形狀較為規則的不同面積地塊，37～66 kW大中型農機較適用于2668 m2以上形狀較規則地塊。由表5可知，以漏耕率和重復作業率為“0%”作為計算標準，調查區域66.7%地塊條件能夠完全滿足微型農機作業需求，47.7%地塊條件能夠滿足小型農機作業需求，9.5%地塊條件能夠完全滿足大中型農機作業需求。

表5 不同機型農機數量占比

圖7 滿足入田作業機耕路條件地塊特征值與機型作業空間滿足條件分析

4 結論

（1）影響湖北煙區煙葉農業生產農機選型配置的首要因素，是煙田地塊特征值與機型匹配度。其中，煙田機耕路條件直接影響農機機型選配，其次是地塊形狀和地塊面積。

（2）湖北煙區翻耕地農機作業合理路徑為沿地塊輪廓向內螺旋作業方式。起壟、移栽、覆膜、采收環節，農機作業合理路徑為平行作業方向“Π”型（或U 型）、“Ω”型（梨形）和“T”型（魚尾形）方式。

（3）當前煙區翻耕地環節較適用農機機型，3～8 kW微型農機適用范圍最廣，田塊條件基本都能滿足作業條件需求。11～18 kW動力范圍農機，適用于機耕路1～1.5 m、面積667～1334 m2以上地塊。37 kW 以上動力范圍農機，適用于機耕路1.5 m 寬度以上、面積2001 m2以上地塊。起壟、移栽、覆膜、采收等環節以3～8 kW 微型農機適用性最高，其次是11～18 kW 小型作業農機，37 kW以上大中型農機目前尚不適用。

（4）調查區域煙田適用農機機型占比，分別為9.5%田塊適用37～66 kW 農機；47.7%田塊適用11～18 kW農機；66.7%田塊適用3～8 kW農機。

5 討論

中國農業機械最早研發多集中于大田農作物，以適用平原作業區的集約化和規模化生產的大中型農業機械類型為主，山地丘陵區域小型農機研發相對薄弱。近幾年隨著農業生產全程機械化的不斷推進，山地丘陵區域農機需求量不斷增大，小微型農機作業性能滿足程度和區域適用性成為農機配置過程中主要考慮因素。煙草生產環節多，各環節農藝生產標準與農機作業參數融合度是農機配置的首要條件。湖北煙區為典型的山地丘陵區，地塊條件較為復雜，對農機適用性條件要求較高，當前農機配置方法多借鑒大田作物和經驗法，部分環節農機適用性差，造成因閑置帶來的無效高投入成本。圍繞“減工、降本、高效”的核心目標，本研究在湖北煙區與農機適用性相關地塊特征值采集分析基礎上，對區域內配置農機使用現狀和不同環節農機配置狀況進行分類，對當下生產中使用率較高、經試驗驗證的引進機型與地塊作業條件進行匹配度分析，建立基于地塊特征的農機選型配置方法。在對農機農藝融合核心示范區鶴峰縣燕子鎮蕎云村實地試驗驗證中，通過田間實地測量、農機機型調研，實現科學合理地解決農機配置方法“本土化”，推進機械替代人工、降低勞動強度前提下，農機購置成本、管理存放空間和農機利用率的合理配置。

5.1 農機田間作業特點分析

煙草種植田間生產環節包括土壤翻耕、整地耙平、施肥起壟、覆膜移栽，以及煙葉收獲后煙稈清除。農機動力配置和機身大小，對作業路徑、田間作業條件需求差別較大，以滿足作業質量需求為依據，農機田間移動軌跡劃分為兩大類：一類沿地塊輪廓向內螺旋作業方式，翻耕、耕地、煙稈清除等作業環節屬于此類。另一類是農機按方向平行移動軌跡作業，移動軌跡按固定路徑行進，已完成作業區農機不可重復進入，起壟、覆膜、移栽、采收等作業環節屬于此類，田間轉彎、調頭軌跡規劃為“Π”型（或U 型）、“Ω”型（梨形）和“T”型（魚尾形）3種方式，以避免機身對壟體、地膜、煙株造成損壞。

5.2 農機田間作業條件分析

同類型農機，動力配置越高，作業效率和作業質量表現越佳，但同時對作業空間需求越大。田間作業空間是滿足農機作業的基本條件，其中，田間通達度即入田路徑寬度和田間路徑連通性，是農機機型適配性的首要條件。其次，地塊面積和形狀也決定農機機型選擇。通過實地航拍、田間測量等方法，收集地塊形狀、面積、機耕路條件等信息，數據分析表明，煙區田塊機耕路條件差別較大，面積大小不均，地塊形狀多樣，部分田塊規則性較差，造成農機選型配套影響因素較多。

5.3 農機作業參數分析

在對2010—2021年農機使用損毀率調查中，匯總機械性能穩定品牌，明確不同品牌和機型技術參數。分析當前煙區農機配置使用數據顯示，適用于當前湖北煙區煙葉田間農業生產機型有三類，第一類是動力配置在37～66 kW動力牽引型作業農機，第二類是11～18 kW動力牽引型作業農機；第三類是3～8 kW自走式作業農機。

5.4 影響農機適用性關鍵指標分析

大中型農機體積較龐大，要求地塊面積，尤其是地塊的長度與寬度與其作業空間相匹配，小中型農機對地塊面積要求相對降低。不同生產環節農機適用的轉彎與調頭方式，要求機耕路條件相匹配。通過分析當前使用的農機機型與作業條件匹配情況，入田作業及田間轉彎調頭的機耕路條件是評價適用農機機型選配地的首要因素，尤其是起壟、移栽、覆膜生產環節，為避免壟體受農機作業時機身破壞，調頭轉彎只能在機耕路上完成。其次是地塊形狀，地邊夾角越小，耕整地農機體型越大，漏耕率越高。地塊面積與機型匹配度主要影響指標是地塊寬度，地塊寬度是限制入田作業農機機型大小的關鍵指標。