基于非线性规划农业机器系统优化模型及应用-乔金友.pdf
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1、第48卷第12期2017年12月东北农业大学学报Journal of Northeast A画cultural University48(12):80-88December 2017网络出版时间2017-12-18 13:40:03 URLhttp:knscnkinetkemddetail231391S201712181339002html基于非线性规划农业机器系统优化模型及应用乔金友,张雪珍,衣佳忠,孙健,王福林,陈海涛(东北农业大学工程学院,哈尔滨150030)摘要:针对现有农业机器系统优化方法及模型存在问题,研究典型地区作物种植结构、轮作、轮耕制度及农业机械化生产特点,确定农业机械化生产
2、工艺过程,初选农业机器型号,设计农事阶段图;设置四维下标决策变量,选择作物适时性损失,以机器系统总成本最小为目标函数,建立规模化生产,农业机器系统优化非线性规划模型;应用该模型对l 000 hm2基准规模单作玉米、大豆轮作条件下农业机器系统优化研究。采用LINGO(V14)软件计算结果显示优化系统与现实机器系统相比,农业机器配备量减少2621,农业机器总投资降低2079,年费用降低2257,单位功率服务规模提高4074,有效降低农业机械化生产成本,提高农业生产经济效益。为农业生产单位科学合理选用和配置农业机器提供理论依据。关键词:农业机器系统;轮作轮耕制度;非线性规划;优化建模;适时性损失中图
3、分类号:F3233 文献标志码:A 文章编号:10059369(2017)12008009乔金友,张雪珍,衣佳忠,等基于非线性规划农业机器系统优化模型及应用【J】东北农业大学学报,2017,48(12):80-88Qiao Jinyou,Zhang Xuezhen,Yi Jiazhong,et a1Optimization model and application of agdcultuml machinery systembased on nonlinear programmingJJournal of Northeast Agricultural University,201 7,48(
4、1 2):80-88(in Chinese with Eng-lish abstract)Optimization model and application of agricultural machinery systembased on nonlinear programmingQiAO Jinyou,ZHANG Xuezhen,YI Jiazhong,SUNJian,WANG Fulin,CHEN Haitao(School of Engineering,Northeast Agricultural University,Harbin,1 50030,China)Abstract:Aim
5、ing at existing problems about the optimization method and model of the agriculturalmachine system,the production process of agricultural mechanization and primary agricultural machinetypes to be selected were determinedThe fanlling stage diagram was designed considering the cropplanting structure,p
6、lanting and tillage rotation system and distinguishing features of the agriculturalmechanization in typical areas studiedOn the basis of which,decision vadables subscdpted with fourdimensions were setThe objective function contained the sum of machine system cost and timely loss wasdesigned to be mi
7、nimum。the nonlinear programming model of optimization of the agricultural machinerysystem for scaled production was establishedThis model was applied to optimize the agricultural machinery收稿日期:20170514基金项目:公益性行业(农业)科研专项(201303011);公益性行业(农业)科研专项(20150311604);国家大豆产业技术体系岗位科学家“十二五”项目(CARS一04一PS22);国家重点研
8、发计划项目(2017YFD03005056)作者简介:乔金友(1969一),男,副教授,博士,研究方向为农业机械化生产与管理。E-mail:qiaojinyou163com万方数据第12期 乔金友等:基于非线性规划农业机器系统优化模型及应用system for the land scale of 1 000 hm2 rotating planted with monocropped maize and soybeanThe resultshowed the amount of agricultural machineries of the optimized system was decrea
9、sed by 2621,the totalinvestment of agdcultural machinenes was decreased by 2079,and service area per tractor power wasincreased by 4074The achievements provide the theory basis for the agricultural production organizationsto select and allocate the agricultural machinedes scientifically and rational
10、ly,and can effectively promoteChinese agricultural mechanization to develop healthilyKey words:agricultural machinery system;crop rotation system;nonlinear programming;optimization modeling;timely loss农业机器系统优化是农业机械化软科学研究领域之一。针对现有农业机器系统优化方法及模型存在问题,Hughes等设计描述备选机器参数并可预测成本农机系统选择模型ol。AISoboh等采用混合整数规划优化农
11、业机器系统21。Bender等研发FINDS决策支持系统,可完成农业机器型号选择和运营管理31。Lazzari等考虑作物种类、种植面积、生产工艺、田间管理过程等内容,研究农业机器系统选型问题41。Kline等首次将线性规划应用于农业机器优化配备闭。Sogaard等根据生产规模选择农业机器系统数学模型,通过确定农场面积和作物布局作农机选型并计算所需拖拉机功率和数量嘲。Ade以非线性规划法为核心,考虑适时性损失开发GAMS农机优化配备模型同。Sahu等设计决策支持系统实现拖拉机和作业机械匹配,并考虑田间作业条件预测机组作业性能口】。Mehta等运用VB语言开发决策支持系统可有效选择不同拖拉机和作业
12、机械91。国内学者从不同角度研究农业机器选型与优化配备问题。鲍一丹等研发决策支持系统或计算软件系统解决农业机器选型问题n”。陈建等将线性规划模型与数据库结合,开发可同时选择农作物、作业方式及机器型号软件系统【1卅;朱振宇运用线性规划方法解决黑龙江省大庆农场机器选型与配备问题【坷;夏孝朗等运用线性规划法研究湖南宁乡育秧插秧作业系统、沉江农业生产及其机器系统配备问题【16。1刀。朱亚东等运用线性规划法优化配备农业机器系统18-20。由于线性规划本身局限性,无法满足现实农业机器系统优化配备要求,韩宽襟等设计非线性规划综合配备模型口u;王金武将水稻适时性损失引入目标函数,建立水稻机器系统配备非线性规划
13、模型阎;汪友祥运用线性回归和非线性规划对洞庭湖区联合收获机器系统优化配备嘲。马力等建立整数非线性规划模型解决国营农场农业机器系统优化问题洲。目前农业机器系统存在问题。如支持非线性规划的数据相对缺乏,模型考虑问题不全面,未结合农业生产实际;模型目标函数或约束方程较复杂,不便求解等。因此,本文结合农业机械化生产过程及农业机器调度管理工作实际,有针对性地设置决策变量、探讨相关作业项目适时性损失,建立农业机器系统优化非线性规划模型,提高优化结果准确性和实用性。1 典型地区农业机械化生产工艺过程研究11轮作轮耕制度确定结合黑龙江省大部分地区玉米与大豆种植实际情况,确定“玉米一玉米一大豆”轮作制度,在同一
14、地块上连续种植2年玉米,第3年种植大豆。种植玉米地块在玉米收获后,无需整地,第2年采用免耕覆秸精密播种机直接播种玉米闭,收获后采用联合整地机组1次作业完成深松耙地联合作业,再机械起垄、镇压达待播种状态,第3年采用精密播种机组精播大豆,大豆后茬采用耙地机组耙地。每地块均采用“免耕一联合整地一耙地”三三轮耕方式,每年采用1种整地方式,按一定顺序每3年1个轮回。该种轮耕制度有效打破犁底层,防止土地板结和水土流失,可杜绝玉米收获后秸秆焚烧问题,解决玉米收获后田间残留秸秆对耕整地的万方数据东北农业大学学报 第48卷不利影响。具体轮作轮耕过程如图1所示。12典型地区机械化作业工艺过程研究机械化作业工艺过程
15、是根据生产单位种植作物生长需求及生产过程,采用机械手段,按一定作业质量目标完成农业生产作业的有序组合。结合前述轮作及轮耕制度,典型地区作物生产过程实际需求,确定不同年份、各种作物农业机械化生产工艺过程,如图1所示。卜排制度+一机械化触工艺过程斗槲制叫 图1大豆一玉米生产工艺过程Fig1 Corncorll production process2农业机器型号初选与模型变量设置21农业机器型号初选农业机器包括动力机械和作业机械。种植结构、经营规模及生产工艺过程不同,所需农业机器装备类型也存在差异。在经营规模较大时,农业企业或组织可选择大、中型号拖拉机。依据农业生产实际需求,选择使用动力机和作业机是
16、农业生产单位农业机器系统优化前提。根据所设计经营规模及种植结构,结合生产实践中相关农机装备运用效果,初选美国约翰迪尔JD7830、JDl304和一拖集团生产DFH904三种动力机械;按机械化生产工艺过程及机械化作业项目农艺要求,以及初选的动力机械,初选相应作业机械组成完成各种作业机组,基本参数如表1所示。22变量设置根据机械化生产工艺过程各作业项目及作业延续时间将作业过程划分成若干农事阶段,划分原则是每个农事阶段内作业项目种类及作业项目数量相同。完成各作业项目起止时间交叉,一项作业跨越不同农事阶段鲫。考虑实际生产调度情况,在设置变量时,不同农事阶段中同一项作业所需机组数量需设置不同变量,这些变
17、量是确定生产单位动力机及作业机数量依据。由于同一机组完成不同作物同类作业时技术经济参数不同,在不同农事阶段,完成不同作物不同作业项目机组不同,需分别设置变量。本问题决策变量与农事阶段、机组种类、作业种类、作物种类相关。按上述原则,设i为农事阶段序号,两位下标变量,取值范围0199;,为动力机械(包括自走式联合作业机械)序号,一位下标变量,取值范围1。9;七为作业项目序号,两位下标变量,取值范围0199;z为作物种类序号,一位下标变量,取值范围1-9。则置表示第j种拖拉机或自走式联合作业一码悼睁一一jj;i。L一一1第,年州第:年l斗第,年万方数据第12期 乔金友等:基于非线性规划农业机器系统优
18、化模型及应用 83机械数量,xi表示第i个农事阶段需第i种动力机械数量,矗表示第i种动力机完成第k项作业机组数量,x捌表示第i个农事阶段中采用第f种动力完成对第f种作物第k项作业机组数量。如在第9-农事阶段中选用第3种拖拉机对第1种作物完成第8种作业,表示其机组数量变量为墨侉蝴,。按此原则设置变量,建立优化模型求得最终结果确定完成生产单位农业机械化作业任务最佳农机配备数量,直接指导生产单位农机生产调度工作,确定每个农事阶段投放相应型号机组数量。23农事阶段图设计为反映各作业项目延续日期及其相互关系,直观表示农事阶段划分结果,为决策变量设置提供依据,农事阶段如图2所示。表1初选农业机器及其基本参
19、数Table 1 Agricultural machineries and basic parameters to be selected编号Number作业项目Operatingxtem动力机型号 购置价格 功率 作业机型号 购置价格 幅宽 作业速度 生产率Type of (万元) (kW)Type ofoperation (万元) (m) (km2,h。) (hm2d。1)tractor Price Power machine Price Width Operation speed Productivity12玉米灭茬联合整地DFH904JD783010476898515073 耙地 JD
20、7830 68 15074 起垄DFH904 1047JDl304 197JD7830 68DFH904 104756大豆、玉米JDl304精密播种JD7830免耕覆秸精精密播种DFH904662985MASCHl0310CIJCl32101BYP一622BDY一52BDY一71507 2BDY一1 l197 98568 15071047 6622BDY一52BDY一72BDY一112BMFJ一7JDl304 197 985 2BMFJ-9DFH904 1047 662 1YZQ-97 镇压JDl304 197 985 1YZQ一138 喷药DFH904 1047JDl304 197662 3
21、W100087355631 836 7562 842 9 858 13 8385 18 8985 3W一1000 385CASE3230 1348 一 一DFH904 1047 6629 中耕 JDl304 197 985JD7830 68 1507W210 505 10大豆、玉米联合收获CLAA$570CASE613016982061ZG一51ZG一73ZQT一760237625924764233074823307481793065768321224153 274 12 279538 36 8 279548 54 245465 72 8 367 54 9 3897676101l608669万
22、方数据84东北农业大学学报宕8踹篇第48卷【_2吊oHm叫o_【斜o_【骂o【马墨o_【o州o【芦【昌上oqh岫焉_啦c一量舟巨NI国鄙鑫懈倦N圈叫hoc9Nnq口口192一一崞。一一心Na+芦高芊掣N_【1+;=芊二f高o_【锚LL王_【_【o吕爰_【N8;兽_【_【炙m8_【N型N90=型i909爿一60z)fJE8=N毫鸯苎_【簧N爿_【鲁N高_【兽鲁N_【60_【g筒涮_【g哥涮g。高望NNH幂辑耀【葛叠N60鬟炙_【兽g是_【8_【_【o_【2囊一。窖=_【o心口11fg高=_【。矗也爰N。高卜嗣g_【卜I)(No岛皇嚣磊娶如岱_【。_【_5嗣【8N仉嗣_【害篇爱nII嚣辍窨。字【_
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