张静　郭辉　韩长杰　杨宛章

摘要：农业机械系统的配备是农业机械化生产管理的最基本任务，结合新疆玉米主栽区的机械化生产工艺，以适时性损失和作业成本之和最小为目标，采用非线性规划法对温泉县农业生产机具进行优化配备，确定机具优化配备方案，并与线性规划模型进行了对比分析，证明了方案的可行性。以此制定了不同规模下的机具配备方案，以期为新疆玉米机械化规模种植和机具优化配置提供理论参考。

关键词：玉米；优化配备方案；机具；非线性；新疆

中图分类号： S223 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2015）10-0471-03

玉米是新疆地区的主要农作物之一，具有粮、经、果、饲、能等多元用途，是畜牧养殖业的基础和支柱，也是重要的工业原料，在全疆分布范围极广，种植面积和产量仅次于小麦和棉花，约占全区粮食播种面积的28%，占粮食总产量的40%以上，是新疆第2大粮食作物、第3大农作物[1]。目前，新疆种植业以一家一户、分散经营的方式为主，无法形成规模化种植；且由于各地区农作物生长条件、农艺要求和种植规模存在一定的差异，出现机具盲目配备的现象，使得农业机械无法发挥作用，导致动力机械过剩、农业机械利用率低等，既浪费了生产资源，又增加了作业成本。要提高种植业规模化经营的生产效益，需要合理农业机械装备的支撑，且只有实现机械化系统的规模化、合理化经营，才能保证农业机械按时完成生产任务，提高农业机械利用率。鉴于当前新疆各玉米产区在选择玉米生产农业机器系统方案时往往难以取舍，本研究拟以新疆玉米的主栽区和优势区——温泉县为研究对象，借鉴国内外成功经验，对春播玉米机械化生产系统进行优化配置研究，以解决生产过程中实际运用的机器系统配备优化的关键问题。

1 温泉县农业生产工艺

农业生产工艺过程就是指从生产准备开始，按照一定的农业技术要求，对耕、耙、播、管、收等作业环节采取的措施和方法[2]。一个地区进行机械系统优化配备，最根本的依据是当地农业机械化生产作业工艺流程。温泉县农作物总播种面积约3.33万hm2，主要农作物有玉米、小麦、甜菜和油料作物等，实行一年一熟制。根据温泉县的气候条件、自然资源、生产特点以及农户生产作业习惯等多方面的因素，制定温泉县小麦和玉米全年机械化生产作业流程。考虑到部分作业与玉米作业相互关联，因此可将此部分列入小麦工艺流程中。图1、图2分别为温泉县主要农作物冬小麦、春播玉米2种作物的机械化生产工艺。

依据以上生产工艺，制定出田间全年机械化工艺方案，共有14项作业。采用加速遗传算法进行投影寻踪分类建模[3]，评选出适合当前生产条件的4种大中型拖拉机作为动力机械，即东方红LX1304、福田雷沃M1854-G、约翰·迪尔JD1204和约翰·迪尔JDTN854，共配备8种农机具。

2 优化配备模型的建立

以作业时间、机器配备量、机组完成作业的台班数为决策变量，以机器作业成本与适时性损失之和最小为目标函数，以作业量、动力机配备量、农机具配备量和作业时间的相互关系为约束方程，运用非线性规划方法建模进行寻优计算，从而获得最佳作业时间、最佳机型组合和最佳机器配备数量。

2.1 变量

共有机具配备台数、作业机组台班数和关键作业时间3类变量，分别如下所述。

2.1.1 机具配备量设定 主要机具配备量设定如下：X1为约翰·迪尔JDTN854拖拉机数，台；X2为约翰·迪尔JD1204拖拉机数，台；X3为东方红-LX1304拖拉机数，台；X4为福田雷沃M1854-G拖拉机数，台；X5为1LYFT-435翻转犁数，台；X6为1LYF-540翻转犁数，台；X7为1LZ-3.6联合整地机数，台；X8为1LZ-4.2联合整地机数，台；X9为2BQM-4播种机数，台；X10为2MBJ-2/12播种机数，台；X11为3WP-3000喷杆式喷雾机数，台；X12为3ZF-2.4中耕追肥机数，台。

2.1.2 机组作业台班数设定 机组作业台班数设定如下：X13为约翰·迪尔JDTN854拖拉机平整玉米地台班数；X14为约翰·迪尔JDTN854拖拉机玉米地播种台班数；X15为约翰·迪尔JDTN854拖拉机玉米地化控台班数；X16为约翰·迪尔JDTN854拖拉机平整小麦地台班数；X17为约翰·迪尔JD1204拖拉机耕小麦地台班数；X18为约翰·迪尔JD1204拖拉机小麦地追肥台班数；X19为约翰·迪尔JD1204拖拉机玉米地开沟台班数；X20为约翰·迪尔JD1204拖拉机耕玉米地台班数；X21为约翰·迪尔JD1204拖拉机平整玉米地台班数；X22为约翰·迪尔JD1204拖拉机玉米地中耕追肥台班数；X23为约翰·迪尔JD1204拖拉机平整小麦地台班数；X24为东方红LX1304拖拉机玉米地化控台班数；X25为福田雷沃M1854-G拖拉机玉米地开沟台班数；X26为福田雷沃M1854-G拖拉机玉米地播种台班数；X27为福田雷沃M1854-G拖拉机耕玉米地台班数；X28为福田雷沃M1854-G拖拉机小麦地播种台班数；X29为福田雷沃M1854-G拖拉机耕小麦地台班数。

2.1.3 机组作业时间设定 机组作业时间设定如下：X30为玉米播种优化时间，d；X31为玉米收获优化时间，d；X32为小麦播种优化时间，d；X33为小麦收获优化时间，d。

2.2 建立约束方程组[4-5]

3 优化模型的求解与分析

3.1 优化模型求解

本研究非线性优化配备模型共有33个变量，其中非线性变量有16个。利用LINGO软件编程求解，经过102次迭代，得到局部最优解。其中目标函数的最小值Smin=5.877 78×107，即温泉县小麦与玉米全年机器作业成本与适时性损失之和为5 877.78万元，其中玉米和小麦全年生产过程的适时性损失为1 220.116 2万元。其余各决策变量优化结果及圆整后结果见表1。endprint

3.2 结果分析与评价

3.2.1 结果分析 由计算结果可知，关键作业期得到了优化，其中玉米适时播种时间为6 d，玉米适时收获时间为4 d；小麦适时播种时间为28 d，小麦适时收获时间为10 d。东方红LX1304拖拉机和2BQM-4播种机优化结果为0，与其配套的作业机组台班数也为0，说明可以不用考虑配置这2种机械；福田雷沃M1854-G拖拉机耕作小麦和玉米地及玉米地开沟台班数、约翰迪尔JD1204拖拉机平整小麦地台班数为0，说明与之配套的1LYF-540翻转犁和1LZ-4.2联合整地机没有起到作用，可以取消。

3.2.2 优化方案评价 为验证该非线性优化方案的可行性，将非线性方案优化结果与线性优化结果进行对比。根据2种方案的生产系统优化结果（表1），从技术、经济2个方面进行比较[6-8]，比较结果见表2。由此可见，非线性优化模型与线性优化模型相比，机器系统总投资减少了39.42%，农机总动力减少了 38.96%，在总作业费用上节约了1 942.633 2万元，即在相同的种植结构和面积下，多收益1 942.633 2万元，比之前增长9.91%，平均多收益602.85元/hm2；投资回收期缩短45%。这表明应用该种非线性规划模型方案得到的优化结果比一般线性规划模型方案更优，进一步证明该非线性建模方法是可行的。

4 不同经营规模配备方案

以生产收益最大为目标，设定玉米种植面积所占比例为λ，则小麦种植面积所占比例为（1-λ）。采用上述非线性优化方案，计算得出温泉县小麦和玉米不同经营规模的最佳农业机械配备方案，详见表3。由此可见，在上述经营规模条件下，全部种植玉米获得的经济效益更高；且随着土地规模的增大，全年总收益越大，投资回收期逐渐缩短。对于上述机具配置为0的情况，可寻求农机专业合作社或其他农机专业户进行代耕、代作业服务，以降低作业成本，取得更高收益。

5 结论

本研究在作业成本最小、生产收益最大的优化目标下，运用非线性规划方法建立了数学模型，得出了1套适合当前温泉县玉米种植模式下的农机优化配置方案，并以此建立了不同经营规模下的机具配置方案，对指导玉米主栽区科学合理地选择、配置农机具，实现玉米现代化、集约化、专业化生产具有一定的现实意义和实用价值。

参考文献：

[1]张新寰. 新疆玉米[M]. 乌鲁木齐：新疆科技卫生出版社，1998.

[2]朱亚东. 黄海农场农业机器选型与配备的研究[D]. 南京：南京农业大学，2009.

[3]张 静，谢新亚，张吉兵，等. 基于混沌遗传算法的投影寻踪分类法与模糊综合评判法在农业机械选型中的比较[J]. 江苏农业科学，2013，41（12）：400-402.

[4]李宝筏，张东兴. 农业装备系统优化[M]. 北京：中国农业大学出版社，2005.

[5]高焕文. 高等农业机械化管理学[M]. 北京：中国农业大学出版社，1998.

[6]余友泰. 农业机械化工程[M]. 北京：中国展望出版社，1987.

[7]西南农学院. 农业经济管理学[M]. 北京：中国农业出版社，1991.

[8]杨敏丽. 农业机械化技术经济学[M]. 北京：中国农业大学出版社，2011.谢 飞，尹 洋. 收获机械切割机构的仿真分析[J]. 江苏农业科学，2015，43（10）：474-476.endprint