農機選型方法和優(yōu)化配置模型的研究現(xiàn)狀及趨勢發(fā)展

張寶文，牛 坡，謝英杰，夏 飛，王明明

（1.重慶三峽學院 機械工程學院，重慶 404020；2.重慶市農業(yè)機械化技術推廣總站，重慶 404147；3.重慶市開州區(qū)農業(yè)發(fā)展服務中心，重慶 405400）

農業(yè)機械（農機）是種植業(yè)、畜牧業(yè)、林業(yè)和漁業(yè)等農業(yè)生產應用過程中及農、畜等產品初加工和處理過程中所使用的各種動力機械和作業(yè)機械的總稱，也是現(xiàn)代農業(yè)發(fā)展的重要物質基礎，農業(yè)機械化水平是農業(yè)現(xiàn)代化的重要標志。自2004 年頒布《中華人民共和國農業(yè)機械化促進法》及農機購置補貼政策的持續(xù)加強，激發(fā)了農民購置農機裝備的積極性，極大地提高了我國農業(yè)機械化生產水平，全國主要農作物耕、種、收綜合機械化率由2015 年的63.82%提高到2020 年70%以上［1］。同時，也促進了我國農機裝備產業(yè)的蓬勃發(fā)展，我國目前已形成種植業(yè)機械、畜牧業(yè)機械、農產品加工業(yè)機械、林業(yè)機械、漁業(yè)機械、農業(yè)運輸機械，以及可再生能源裝備等7 大門類的農業(yè)裝備體系，也已成為世界第一農機生產、使用大國。《中國制造2025》將農機裝備列入國家重點發(fā)展領域、2018 年12 月29日國務院發(fā)布的《國務院關于加快推進農業(yè)機械化和農機裝備產業(yè)轉型升級的指導意見》提出在2025年農機總動力穩(wěn)定在11 億kW 左右［2］等政策措施進一步促進了我國農機裝備制造業(yè)和農業(yè)機械化水平的快速發(fā)展。

盡管近幾年來，我國農機設備的制造水平呈上升趨勢，農機裝備總量也保持著逐年穩(wěn)步提高。但由于我國地域遼闊，不同地域氣候、地理條件、種植習慣等差異較大，導致我國農業(yè)作物品種多樣、農藝種類繁多。受氣候條件、地理條件、作物類型及種植模式等因素影響，目前我國農業(yè)動力機械與作業(yè)機具配比僅為1∶1.6，遠低于國外發(fā)達國家的1∶6，導致大量農機裝備閑置、利用率相對低下，嚴重制約著我國農機裝備制造業(yè)及農業(yè)機械化水平的健康持續(xù)發(fā)展。

如何根據(jù)實際情況科學合理地對農機進行選型配置，是保證我國農業(yè)發(fā)展的重要基礎，同時也是促進農機裝備制造業(yè)及農業(yè)機械化水平提高的重要保障［3］。因此，本文聚焦國內外關于農機選型配置研究，通過對其進行梳理總結，以期為我國農機轉型升級時期的農機選型與配置研究提供一定的借鑒和參考。

1 背景分析

1.1 國外研究動態(tài)

上世紀30 年代，國外已經開始農機系統(tǒng)優(yōu)化配備相關問題的研究［4］，形成了一定的研究基礎。上世紀50 年代，以Hunt DR 為代表，開始在這一領域進行深入研究［5］。上個世紀60 年代，Hunt DR 等運用運籌學的相關理論知識對農機系統(tǒng)進行優(yōu)化［6］，上世紀70 年代，Hughes HA 等構建了包括土地經營規(guī)模和作物生產工藝的成本可預測模型，以最低成本為目標，對農機進行選擇［7-8］，到上個世紀80 年代之后，數(shù)學方法的發(fā)展為該理論的推進提供了基礎，其中頗具代表性的成果有以上世紀80—90 年代的Gajendra Singh，Audsley E，Whitson RE，Hunt D，Ghassan AL-Soboh, Kline DE，Bender DA, Lal H, Massimol, Parmar RS, sogaard HT 等［9-20］對不同規(guī)模及不同類型的農作物生產應用場所采用計算機模擬法對農機進行選型配置，通過構建線性或非線性規(guī)劃模型，對農場的農機系統(tǒng)進行了模擬優(yōu)化配備，進而首次開發(fā)出專家系統(tǒng)，農機系統(tǒng)優(yōu)化配備理論方法開始從理論走向應用。進入21 世紀之后，在農機優(yōu)化配置領域有代表性的成果是Mehta CR、Singh K 應用Visual Basic 語言開發(fā)的專家支持系統(tǒng)［21］；以及 Zhou K 等采用IDEF 的建模方法，利用Matlab 軟件解決了對馬鈴薯生產過程中的農機配備問題［22］和Gareth Edwards 等將優(yōu)化算法和調度算法結合，解決不同規(guī)模下收獲機的配備和調度問題［23］；以及Sajad Sabz 用啟發(fā)式算法優(yōu)化神經網絡，尋找馬鈴薯噴霧機的最優(yōu)配置，來實現(xiàn)精準作業(yè)［24］等。但上述研究無論是自然環(huán)境條件、農藝農作制度和工藝路徑，還是在模型的數(shù)據(jù)結構都不太適合我國的現(xiàn)實狀況，更不適合直接用來指導作業(yè)點進行科學合理地選擇、配置農機具；且多數(shù)優(yōu)化模型方法復雜，限定了為農作區(qū)決策人員和農戶服務水平，可操作性不強，難以得到直接的推廣運用。

1.2 國內研究動態(tài)

國內早期農機選型與配備主要采用經驗法，但隨著農業(yè)機械化水平的不斷提高，單憑經驗進行機器配備已經跟不上農業(yè)發(fā)展的步伐。隨著研究的深入，專家推薦法、能量法和作業(yè)量法相繼被提出。上世紀60 年代，陶鼎來首次使用線性規(guī)劃法對農機配備問題進行研究［25］。1987 年,程耀提出將分塊法應用于選型配備模型［26］。1988 年，王福林提出分階段單獨決策法解決農機配備量與實際不匹配的問題［27］。同年，周應朝等提出可處理交叉作業(yè)的非線性規(guī)劃綜合配備法［28］。上世紀80 年代，韓寬襟等提出符合我國農業(yè)生產特點的非線性規(guī)劃綜合配備模型［29］，余友泰等進行了農機系統(tǒng)綜合優(yōu)化設計研究［30］，張東興等利用線形規(guī)劃對農機選型與配備的系統(tǒng)進行了優(yōu)化［31］。王福林等利用模糊評判方法建立了農機配備的模擬優(yōu)化模型［32］。上述這些研究拓展與深化了我國農機系統(tǒng)優(yōu)化的基礎理論。上世紀90 年代以后,農機系統(tǒng)優(yōu)化理論日益成熟。1993 年韓正晨等結合各種因素，應用模糊綜合評判法定量地提出了較為理想的農機選型系統(tǒng)［33］。隨之而來農機優(yōu)化配置成果出現(xiàn)井噴式發(fā)展，不同的學者群從各個側面對農作區(qū)的農機優(yōu)化配置展開研究，如：王俊海等的農機選型［34］、朱振宇等的改進的線形規(guī)劃模型［35］。李軍政等的應用系統(tǒng)工程的模糊評判模型［36］、石玉梅等的定性和定量相結合的模型［37］。胡文斌提出的關于農機投資貢獻率的模型［38］、喬西銘用工作量法對農機系統(tǒng)進行配備的模型［39］、趙云生利用工作量法進行拖拉機組配備，得到完成作業(yè)所需要拖拉機的數(shù)量［40］，張曉丹的農機選型決策支持系統(tǒng)設計與實現(xiàn)［3］。曹光喬對我國近30 年的農機配備方法進行分類研究，發(fā)現(xiàn)目前很多專家學者都使用數(shù)學規(guī)劃方法對農機系統(tǒng)進行優(yōu)化［41］，國內農機系統(tǒng)優(yōu)化已具有成熟的理論和方案。但這些模型僅僅是針對特定地區(qū)的特定問題。由于各地區(qū)自然地理、氣象等情況的差異性，許多模型應用范圍狹窄，對同類研究系統(tǒng)化的歸納和整理不足；而農機選型與配備是農機化研究的關鍵所在，受到農業(yè)生產者和管理者重視的程度日益加強。選型方法不同，其結果差異也較大，所以選型的方法就顯得非常重要［42］。

2 國內常用的農作區(qū)農機選型優(yōu)缺點分析

2.1 農作區(qū)常用的農機選型方法優(yōu)劣分析

結合農機選型實踐與查閱有關文獻，常見的農機選型方法優(yōu)缺點分析見表1。

表1 常見農機選型方法優(yōu)缺點分析Table 1 Analysis of advantages and disadvantages of common agricultural machinery selection methods

續(xù)表：

2.2 農作區(qū)農機選型存在的問題與對策分析

2.2.1 農作區(qū)農機選型存在的問題 國外的農業(yè)生產種植模式相對簡單，因此其農機選型背景和前提也相對簡單，但其選型配置研究所采用模型方法大多較為復雜，難以被普通用戶掌握和接受，很難在我國進行大面積推廣應用；此外，國內很多研究人員采用經驗法等主觀方法，較少用到數(shù)學選型模型，不同模型之間的橫向比較不足，操作性不強；人為主觀因素影響過多，導致選型結果不夠客觀；多數(shù)研究都是針對特定地區(qū)的實際情況進行調研，研究農機的選型問題，限定了農機選型模型的推廣，缺少普遍指導性［3］。

2.2.2 農作區(qū)農機選型存在問題的對策 （1）農作區(qū)在進行農機選型時，應重點考慮被選農機的經濟性、安全舒適型、技術可靠性、技術先進性、生產性等方面要素。

經濟性：主要指被選農機購機消耗、成本消耗、折舊消耗、作業(yè)消耗、維修消耗，等的固定資產消耗。在購買農機時要針對作業(yè)地的環(huán)境地理條件有針對性地購買；不僅要考慮相關配套農機的時價，還要考慮分析被選農機機型的有關技術參數(shù)，以衡量該種機器在今后的使用過程中所產生的各種消耗和壽命。

安全舒適性：基于目前我國大力倡導發(fā)展生態(tài)農業(yè)，進行生態(tài)環(huán)境保護的要求，農機選型時，安全舒適性是1 個必須考慮的要素；安全舒適性是指在充分保證作業(yè)質量的基礎的同時，還應考慮農機的安全與舒適程度；只有這樣才能為高強度規(guī)模經營農作區(qū)作業(yè)的操作人員的安全和自然生態(tài)環(huán)境不被破壞保駕護航；只有這樣才能保持綠色生態(tài)農業(yè)健康、可持續(xù)發(fā)展。

技術可靠性：技術可靠性主要包括可維修、無故障和耐久使用。

技術先進性：新型的農機無疑將具有更優(yōu)越的性能，其主要技術指標更加優(yōu)化，其性價比更高，預期可取得更好的經濟效益。

生產性：主要指農機在作業(yè)點的生產效能，包括生產率、利用率等參數(shù)。反映農機運行對作業(yè)樣地自然地理屬性和氣象屬性的生態(tài)屬性性能適應性。

上述5 種因素對農機作業(yè)設備的有效利用和有效工作時間具有直接影響力，農機只有與作業(yè)地的實際條件有效結合考慮，才能使農機的最大性能得到發(fā)揮。農機選型后，接著是農機優(yōu)化配套，要注意動力機械與作業(yè)機械的配套，反之亦然。（2）農機性能的總體評價是1 項多屬性、多側面指標的綜合評價。農機選型應以科學系統(tǒng)優(yōu)化、通用可比、實用原則為依據(jù)，以作業(yè)要求和實情為出發(fā)點，結合配套的動力、作業(yè)機械性能指標的表現(xiàn),通過查閱相關文獻，分別從待評價的配套農機總體性能指標出發(fā)，分層次、分范圍地分析影響總體性能的相關要素，對動力和作業(yè)機械的總體性能評價指標體系進行構建。

3 農作區(qū)農機優(yōu)化配置常見模型優(yōu)劣分析

農機配備的方法主要包括經驗法、能量法、作業(yè)量法、“機器—時間”系統(tǒng)配備法、數(shù)學規(guī)劃法、計算機模擬、專家決策支持系統(tǒng)方法以及這些方法的一些組合。

只能粗略估計農機需要量的便捷的經驗法匯聚了該領域專家多年的經驗，主觀性太強，客觀性不足，對規(guī)模種植、經營區(qū)而言，該法理論基礎欠缺，且配備的數(shù)量不準確，農機配備數(shù)量的過?；蛘卟蛔闱闆r會出現(xiàn)。

作業(yè)量法依據(jù)作業(yè)地全年分階段的工作量進行農機配備。在配備某一農機時，以滿足最多時的農機量為約束，適用于特定農場或農機合作社等。不用多的專業(yè)化知識，就可便捷計算，確定全年工作量分配就可以完成農機配備，優(yōu)化結果較好；缺點是作業(yè)點分階段，分時期配套農機的工作強度，交叉農事階段的匹配程度考慮不足，僅僅是模型中完成情況預測，實際農機系統(tǒng)的最優(yōu)化沒有實現(xiàn)。

能量法的基本原理與作業(yè)量法是類似的，以特定作業(yè)區(qū)所有作業(yè)所需功率的最大值作為農機宏觀配備的總功率數(shù)，據(jù)此計算出需配備的臺數(shù)。其優(yōu)缺點和作業(yè)量法是一致的。

數(shù)學規(guī)劃有線性規(guī)劃、非線性規(guī)劃和整數(shù)規(guī)劃。理論上尋找最佳的農機系統(tǒng)，線性規(guī)劃具有極大的優(yōu)越性，但是沒有考慮適時性損失等的影響；所得結果一般是非整數(shù)解，需要通過取整求得整數(shù)解，但已不是符合實際作業(yè)條件的最優(yōu)解。非線性規(guī)劃與之類似，適時性損失被納入考慮范圍，非線性規(guī)劃模型的構建，所得結果也是非整數(shù)解，同樣要取整處理。整數(shù)規(guī)劃避免了取整處理，需要利用軟件計算機編程求解。

計算機模擬、專家決策支持系統(tǒng)將拖拉機的各個指標參數(shù)綜合考慮，以計算機語言為媒介，利用數(shù)據(jù)庫技術設計出人機交互程序（一般針對該農機系統(tǒng)構建規(guī)劃模型并采用LINGO 軟件進行求解。最后對優(yōu)化后方案的合理性進行評價分析）。簡單參數(shù)由用戶輸入，系統(tǒng)自動生成配備方案。這種方法計算速度比較快，由于農民的文化程度有限，專家系統(tǒng)無法做到及時反饋，專家系統(tǒng)的通用性也沒那么高。

綜上所述，基于農機配備優(yōu)化方法各方面權衡，在各個步驟都有約束，因此，為保證獲取配備計算的整數(shù)解，減少不合理農機配備造成的浪費，需重點考慮的是優(yōu)點突出的數(shù)學規(guī)劃。

4 未來發(fā)展趨勢和展望

回顧人類農業(yè)發(fā)展史，就是1 部生產工具的創(chuàng)新史，從青銅器到鐵器、從畜力到農業(yè)機械、從自動化到鼠標種田，人類的農業(yè)生產活動也歷經了農業(yè)1.0、農業(yè)2.0、農業(yè)3.0，即將進入到智能農業(yè)的農業(yè)4.0 時代。農業(yè)4.0 最核心的技術是人工智能和無人系統(tǒng)，農業(yè)物聯(lián)網使得物與物、物與人之間的聯(lián)系成為可能，使得各種農業(yè)要素被感知、被傳輸，進而實現(xiàn)智能處理與自動控制。基于此種現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，就我國農機優(yōu)化配置模型和方法做以下展望：其一，隨著計算機和信息技術的發(fā)展、隨著多學科交叉融合的發(fā)展、隨著我國空間時間智能技術的發(fā)展、隨著大數(shù)據(jù)和云平臺技術的發(fā)展、隨著人工智能技術的發(fā)展、隨著智慧農業(yè)的興起，客觀、科學的農機選型及優(yōu)化配置會更精準、更經濟，新的農機選型與優(yōu)化配置模型會是人工智能式的多學科集成交叉的新模式；該新模式一定是揉合了計算機科學、模糊數(shù)學、大數(shù)據(jù)與云平臺技術、空間智能技術，等學科的復合智能化信息集成系統(tǒng)；其二，基于農業(yè)4.0 特點，未來我國的農機優(yōu)化配置模型與方法，一定會是集合農業(yè)規(guī)模經營效益最大化和生態(tài)農業(yè)統(tǒng)籌發(fā)展的新的通用型復雜的具有模糊神經網絡內容的智能化的，易為基層農業(yè)人員所掌握的移動式物聯(lián)網為主的新媒體式的支持系統(tǒng)。

5 討論與結論

5.1 討論

（1）自2004 年《中華人民共和國農業(yè)機械化促進法》頒布以來，農機購置補貼政策的助力使得我國農機保有量始終在高位運行階段，在處于供方市場農機作業(yè)服務產業(yè)處于初始化發(fā)展階段，盈利壓力的困擾還不存在，隨著市場日漸發(fā)育完善，購機的盲目性開始暴露，農機閑置率提升的比重增大，造成投資浪費也較大。因此，在農業(yè)進入規(guī)?；洜I的時代，進行科學合理配置農機尤為重要。

（2）出于提高農業(yè)經營效益，單機的優(yōu)選凸顯重要。為此在作業(yè)地自然地理條件對農機配備約束下，以成本最小化，作業(yè)時效性，服務社會化為前提，農機配備的根本目的是整合資源優(yōu)化以農作物經營效益最大化為目標。農作區(qū)農機優(yōu)化配置，以經營主體的經營效益最優(yōu)化為目標。

（3）在未來的研究中，以一定數(shù)量的家庭農場、農民專業(yè)合作社、專業(yè)大戶等樣本為經營主體，設立特定取樣點，持續(xù)跟蹤、觀測它們的發(fā)展態(tài)勢，彌補數(shù)據(jù)采集的局限，科學地預測不同地域、不同經營規(guī)模的耕地流轉與規(guī)模分布；將不同經營模式的農機化技術需求研究納入農作區(qū)農機優(yōu)化配置范圍；加大不同規(guī)模的家庭農場主要生產流程、主要技術的需求分析力度；將各類農業(yè)經營主體對農業(yè)生產機械化技術需求的調研納入農機優(yōu)化配置范疇，得到各模式、規(guī)模對各階段生產歷程、技術的需求概況，使技術適用范圍擴大，將是大田農作物農機優(yōu)化配置的重中之重。

5.2 結論

（1）通過梳理目前農機優(yōu)化配置模型與方法的演化路徑，就我國農機選型和優(yōu)化配置的模型與方法的現(xiàn)狀做了分析，認為目前流行的農機選型與優(yōu)化配置模型與方法各有優(yōu)缺點，結合模糊神經網絡的DEA 模型與方法是更科學、可行的。

（2）目前，基于規(guī)模經營的農機選型與優(yōu)化配置的成功案例，并結合我國農機選型與優(yōu)化配置的模型與方法未來發(fā)展趨勢，將多學科進行交叉融合，揉合現(xiàn)代農業(yè)理念，考慮生態(tài)和經濟效益的含有模糊神經網絡和大數(shù)據(jù)技術云平臺的智能化的新媒體式的農機選型與優(yōu)化配置的通用型的易為基層農戶所掌握的模型與方法是未來的必然選擇。