基于模糊矩阵的油菜收获机械适用性评价方法

龚 艳，陈小兵，张 晓，刘 燕，王 果，陈 晓，李良波

(农业部南京农业机械化研究所，江苏南京210014)

我国是油菜生产大国，其种植面积和总产均占世界油菜种植面积和总产的30%左右[1]。油菜作物是我国主要油料作物之一，据《2013中国农业年鉴》数据资料，全国油菜播种面积为743.19万hm2，占油料作物播种面积的53.4%[2]。油菜机械化收获作为油菜机械化生产过程中的一个重要环节，对油菜种植面积、油菜籽总产、油菜籽品质优劣等有显著影响[3-4]。近年来随着我国油菜收获机械产品的研发、生产水平不断提高，新型油菜收获机械不断涌现，油菜收获机械化程度显著增加[5-9]。但我国各油菜产区的自然条件(地形、气候等)，油菜种植制度、种植规模、产区农机化发展水平差异性较大[10-14]，由于缺乏科学完整的适用性评价方法，造成产品适用性评价不充分，导致不少农户购置的油菜收获机械因使用条件不符、油菜损失率高等原因造成了巨大的经济损失。与大田粮食作物相比，经济作物的机械化水平较低，所以目前我国的油菜、花生等经济作物机械产品标准比较薄弱。同时，农业机械适用性评价方法没有统一的标准与规范，目前我国也不存在统一的油菜收获机械的适用性评价方法。所以，对油菜收获机械适用性进行评价研究具有重要的现实意义。

1 油菜收获机械适用性评价指标体系构建

1.1 评价体系构建流程与原则

构建油菜收获机械适用性评价指标体系(图1)，主要原则包括全面性原则、客观性原则、科学性原则、实用性原则。具体表现为构建的评价指标体系能综合反映油菜收获机械的适用性；同时保证评价指标体系的客观公正性和实用性；评价指标的选取、结构的分析、权重的确定、定性指标和定量指标的转变，以及指标数据的计算，都具有科学的理论依据[15-19]。

1.2 评价指标的选取

为了能够对油菜收获机械适用性各影响因素展开更加全面的研究，为油菜收获机械适用性评价体系的建立提供坚实、可靠的技术支撑，根据我国各油菜产区的自然条件(地形、气候等)、油菜种植制度、种植规模、产区农机化发展水平等因素确定了江苏、青海、内蒙古等3个具有代表性的省(自治区)作为重点研究区域，分别代表我国长江流域、西北地区和东北地区的油菜种植状况。将以上3个地区的油菜种植区域作为试验研究基地，开展针对油菜收获机械适用性评价技术的研究。油菜收获机械评价指标选取时，首先根据相关标准[20-23]和文献，全面描述可以用于油菜收获机械适用性的指标，然后在油菜收获机械的管理、鉴定、推广等部门进行实地调研。结合生产流通企业以及农机户的调查结果，对评价指标进行补充，然后组织专家对评价指标进行筛选。

1.3 评价指标体系结构模型

油菜收获机械适用性评价的第一级指标主要选取技术、经济、作业条件3个方面。其中技术指标的主要来源是颁布实施的相关技术标准、规范、鉴定大纲；经济指标和作业条件指标主要通过文献查阅、实地调研、专家座谈等方式获得。油菜收获机械评价指标体系的结构模型采用3级(A、B、C)指标体系，具体见图2。

2 油菜收获机械适用性评价指标体系权重确定

2.1 评价指标权重确定方法与过程

本研究选择层次分析法(AHP)对油菜收获机械适用性评价指标权重值进行测算。AHP 是一种解决多目标复杂问题的定性与定量相结合的决策分析方法[24-29]。目前，系统工程中处理定性与定量相结合问题时，AHP是一种比较简单易行且又行之有效的系统分析方法[30-32]，具体过程如下。

2.1.1 构造判断矩阵 以上层相应元素为评价准则，对本层次元素进行两两比较，进而确定元素之间的相对重要性。设Ps为评价准则，S1，S2，…，Sn为评价因素，依据判断矩阵标度定义对评价因素进行两两比较判断，构成判断矩阵，即

(1)

2.2.2 层次单排序 确定某一层次各因素对上一层次某因素的影响程度，并依次排出顺序。根据判断矩阵计算出各因素的相对权重向量，计算方法采用特征根法。

EW=λmaxW。

(2)

式中：λmax为E的最大特征根；W为λmax的正规化特征向量。

2.2.3 一致性指标检验 层次单排序的一致性检验，则要计算一致性指标CI。λmax-n越小，CI越小，矩阵的一致性越好，CI=0时矩阵具有完全一致性。

(3)

式中：n为判断矩阵的阶数。

检验判断矩阵是否具有满意的一致性，将一致性指标CI和平均随机一致性指标RI进行比较，计算判断矩阵的一致性比例，记作CR。

(4)

当CR<0.1时，判断矩阵通过一致性检验；当CR≥0.1时，判断矩阵没有通过一致性检验，需调整矩阵重新检验。

2.2 评价指标权重结果

根据油菜收获机械适用性评价指标体系，结合层次分析法的基本原理，设计确定权重的专家调查表。项目组研究选取了江苏、青海、内蒙古等3个具有代表性的省(自治区)作为重点研究区域，分别代表我国长江流域、西北地区和东北地区的油菜种植状况。将以上3个地区的油菜种植区域作为试验研究基地，并选取相关推广、鉴定、监理等政府部门的专家进行调查。将回收的专家调查表进行汇总计算，采用专家判断矩阵加权几何平均法，运用Yaahp分析软件进行汇总计算，归一化处理后，各级指标权重见表1。

3 油菜收获机械适用性评价指标分值确定

3.1 三级指标分值的确定

针对上述3个典型作业区域的农业生产作业条件布点试验，利用试验检测结果得到分值；并针对3个区域的农业生产作业条件下实际用户进行跟踪考核，利用考核结果得到分值；同时对3个区域的农业生产作业条件下的一定数量的用户进行使用情况调查，利用调查结果得到分值。综合采用试验测评法、跟踪测评法和用户调查测评法的交叉组合的结果得到分值。下面以技术指标A1评判为例，详细阐述其指标分值的确定过程。

3.1.1 建立模糊矩阵 确定评价指标集，根据表1可知，评价指标为8个，分别记为u1，u2，…，u8，则这8个评价指标构成指标集U；确定评价等级集，根据实际需要将评价结果划分为5个等级，分别记为v1，v2，…，v5，则这5个评价结果构成评价等级集V。

表1 油菜收获机械适用性评价指标体系权重

针对评价指标ui作出vk等级评定的人员数为Nik，参与等级评定的人员数总数为N，则隶属度

(5)

构建模糊矩阵，针对每个评价指标ui都有一个相应隶属度函数(向量)：

Mi=(mi1,mi2,…,miq)。

(6)

整个评价指标集内各个指标的隶属度函数组成隶属度矩阵，即模糊矩阵F，F中的fiq和Mi中的miq是一一对应的。

(7)

3.1.2 确定评价等级标度值函数 设评价指标各等级标度值为x1，x2，…，x5，评价指标等级标度值组成向量为

X=(x1,x2,…,x5)=(0，25，50，75，100)。

(8)

3.1.3 三级指标分值(三级单项适用指数)的确定 设yc1，yc2，…，yc8为三级各指标分值，则

(9)

3.2 二级指标分值的确定

对应B11的各三级指标权重向量为

WB11=(wc1,wc2,…,wc5)。

(10)

则对应的各三级指标分值向量为

YB11C=(yc1,yc2,…,yc5)。

(11)

机器性能B11指标分值为YB11，则

(12)

同理得出B12的分值，从而得到二级指标的分值函数。

3.3 一级指标分值的确定

设技术指标A1的各二级指标权重向量为

WA1=(wB11,wB12)。

(13)

设对应的各二级指标分值向量为

YA1B=(yB11,yB12)。

(14)

技术指标A1分值为YA1，则

(15)

同理得出经济指标(A2)、作业条件指标(A3)的分值，从而得到一级指标的分值函数。

3.4 综合指标分值的确定

设一级指标的权重向量为

WZ=(wA1,wA2,wA3)。

(16)

设一级指标分值向量为

YA=(yA1,yA2,yA3)。

(17)

因此可得出油菜收获机械适用性评价指标体系的综合指标分值(综合适用指数)YZ为

(18)

依据综合指标的分值，将油菜收获机械适用性评价分5个等级：>0～20为很差，>20～40为较差，>40～60为一般，>60～80为较好，>80～100为很好。

4 实例

4.1 实例评价

选取目前市场上应用较为广泛的某型号油菜联合收获机为评价样机，机器割幅为1 800 mm，割茬高度为260 mm，行进速度为0.9 m/s(图3)。为了能科学、系统地评价该油菜联合收获机，选取江苏、青海、内蒙古等3个代表性油菜种植区进行试验，并对上述地区的农机鉴定推广站、监理站、农机专业合作社等领域的专家和用户进行调查，利用油菜收获机械适用性综合评价指标体系，对该样机的各级指标进行评分，具体分值如表2所示。

表2 油菜联合收获机各级指标分值

注：综合指标分值为43.92。

4.2 讨论

作业质量(B12)中总损失率(C121)指标评分不佳，主要由于联合收获的方式对于内蒙古、青海等地的超大规模种植的油菜收获缺乏适应性，易造成大量的收获损失，应采取分段收获的方式，以适应超大规模的种植模式。待评样机现场试验时主要存在以下问题：(1)采用联合收获方式时，为了减少割台损失和机体损失，要求油菜的成熟度基本一致，而在大规模种植的情况下成熟度的一致性难以保证。(2)采用联合收获方式时，要求在油菜完熟后方可收获，而油菜完熟至角果自然开裂的时间非常短暂，无法在此期间内完成大面积的收获，易造成油菜自然落粒损失，即使角果尚未自然开裂，收获时也极易造成严重的割台损失。

作业条件指标(A3)中作物条件(B32)指标评分不佳，主要因为油菜的品种、株型、种植密度等因素对油菜机械化收获的质量(尤其是损失率等)的影响较大。通过在上述3个典型油菜种植区的试验可知，油菜联合收获机械比较适用于植株较矮小、株型紧凑、分枝较少、茎秆纤细、成熟期基本一致、角果不易炸裂的油菜品种。对于种植规模小、田块小的油菜产区，联合收获机具有便捷性和灵活性的优势。

油菜的成熟度(C322)对于机体损失、总损失率等油菜联合收获机质量评价因素的影响很大。试验时，收获区的油菜成熟度不够，油菜籽与菜荚组织间粘连紧密，使得很多油菜籽未被脱粒部件从菜荚中脱出，甚至有部份过青的菜荚未被打开即被清选部件吹出机体，造成脱粒机体损失(夹带损失)严重。

根据样机的综合指标分值，可得出其综合指标评价结论为一般。通过样机现场试验可知，其结果与指标体系评分结果基本一致，因此可知，利用该油菜收获机械适用性评价体系能得出较为客观、科学地评判结论。

5 结论

油菜收获机械化是油菜生产全程机械化的重要环节[33]，其适用性评价是推广油菜收获机械的关键问题，因此油菜收获机械适用性评价指标体系研究对提高油菜种植机械化水平、节本增效、促进油菜生产具有重要意义。本研究依据全面性原则、客观性原则、科学性原则、实用性原则，从技术指标、经济指标、作业条件指标3个方面构建了基于模糊矩阵的综合评价指标体系，确定了评价指标权重，阐述了指标分值的确定过程，并以市场上应用较为广泛的某型号油菜联合收获机为评价样机，依据该机具的各项性能参数进行判定评分。

通过上述研究可知，利用该评价体系能对油菜收获机械适用性得出较为客观的结论，为油菜收获机械的推广应用等提供了较为科学规范和统一完整的评价方法，并为油菜收获机械适用性评价工作的全面深入开展提供了基础。