黑龙江垦区农业机械跨区作业优化调配研究

刘丽，王硕

（1.黑龙江八一农垦大学，大庆 163319；2.黑龙江农垦职业学院）

“十三五”时期我国的农业机械化取得了积极进展，但农业机械化在不同区域、不同产业、不同品种、不同环节上发展不平衡不充分的矛盾依然突出[1]。进入“十四五”新发展阶段之后，农业机械化需求结构和发展环境都将发生深刻变化，农业机械拥有量、农业机械总动力与耕种的区域布局、农业生产的季节性之间不平衡、不协调的矛盾仍未得到很好地解决，区域性农机装备闲置、利用率低的问题依然突出。在实际的农业生产中，仍存在农机资源尚未得到充分利用、农业机械调配手段不科学、收益未实现最大化等问题。通过合理地利用先进农机资源实现跨区作业，可以使农业机械的作业时间与作业范围得到有效的延长与扩展，且能够显著降低落后农机设备和先进农机缺乏造成的不良影响，避免农机资源分配不合理对农业现代化进程的阻碍[2]。如何科学地进行农机跨区调配，实现资源的优化配置是管理部门难以解决但又必须解决的问题。

1 黑龙江垦区农机跨区作业分析

1.1 黑龙江垦区农业机械跨区作业发展情况

经过七十多年发展建设，垦区耕地规模不断扩大，现代化程度不断提高，综合生产能力不断增强。跨区作业是垦区农业机械调配的一个主要手段，也是垦区农机户扩大收入的一个重要来源。跨区作业需求从20 世纪90 年代初的抗灾夺丰收发展到后来的有组织为农民从事为农民从事代耕、代种、代收服务[3]。随着新农村建设和场县共建的发展，垦区的农业机械跨区作业机械的数量和作业面积具有大幅度提高，垦区跨区作业项目及范围均有所扩大，实现了由秋整地、收获为主向农业生产各环节的延伸，作业范围也由本省、自治区或直辖市范围内跨越市级与县级行政区域，扩大到了跨越省、自治区和直辖市行政区域以及境外[4]。垦区每年都有2 000 多台大型农机开展跨区作业，跨区作业地点主要集中在内蒙古、吉林、辽宁、安徽、河北、河南、四川、江苏、湖北、广东、广西等地，垦区跨区农业机械多以300 马力以上的凯斯，约翰迪尔和克拉斯等大型先进农业机械为主[5]。在春整地、播种和秋收期间，利用农场的作业时间差，到周边乡镇村屯进行代耕、代播、代收作业也很普遍。垦区农业机械的跨区作业必然会促进大型农机的机械化作业面积，提高区域农业机械化水平。

1.2 黑龙江垦区农业机械跨区作业有利条件

（1）农业机械资源丰富效能高

垦区大型农业机械的保有量一直处于全国领先地位。截至2020 年底，垦区拥有农业机械总动力1 237.4 万kW，拥有各类大中型拖拉机95.6 万台，拥有各类联合收获机4.7 万台[6]。垦区机车全部安装GPS导航自动驾驶系统，GPS 全球卫星定位系统、GIS 农田地理信息系统、RS 遥感系统等在农业机械上也有广泛的应用，航化飞机数量超过100 架。垦区主要农作物耕、种、收综合机械化生产水平达99.7%，垦区农业机械发展情况如图1、图2 所示。

图1 黑龙江垦区农业机械化发展情况（1960-2020）Fig.1 Agricultural machinery distribution in Heilongjiang reclamation area（1960-2020）

图2 2010-2020 黑龙江垦区农业机械年末拥有量情况Fig.2 Agricultural machinery ownership in Heilongjiang reclamation area（2010-2020）

（2）农业机械作业效果优良

垦区大马力农业机械作业负担作业面积大、配套机具全，能够实现全程高标准精细化耕作、集约化生产，可以有效地提高作业效率，提高农作物产量，减少作业次数，改善土壤结构，综合效益远远高于小型农机具[7]。垦区大力推进数字农机建设，正在筹备建设农机信息整体管理平台，在无人化农场项目，分批开展了整地、插秧、播种、植保、收获等全过程无人化作业试验，并取得了明显成效。垦区大型农业机械在作业过程中能够实现精准作业，减少重耕、漏耕等现象，还可以根据生产需要进行昼夜作业，实现歇人不歇机，能够有效地加快作业进度，提高作业效率[8]。（3）农业机械闲置时间长

近年来，垦区粮食作物从整地、育苗、播种、管理到收获各个环节都是高效率、快节奏。播种、插秧一般7~10 d，水稻、玉米、大豆等主要作物可全部播在高产期。收获作业一般在10~15 d 完成，秋季整地作业在15~20 d 完成。由于北方气候影响，农业机械作业时间短，农业机械闲置的时间长。同时垦区农机一般成本较高，成本很难快速回收，这为农机实行跨区作业提供了需求，通过跨区作业能够提高农业机械作业时间，加快农机成本回收。

1.3 黑龙江垦区农业机械跨区作业调配存在的问题

通过对九三分局尖山农场，建三江分局859 农场、建三江农场、前峰农场，哈尔滨分局四方台农场，牡丹江分局8511 农场，北安分局引龙河农场、北安农场等地的调研，发现在垦区农机调配中存在着一些共性问题。

（1）农业机械成本高，作业收入增收难

随着农业机械效率提升和数量增加，而农业机械的作业面积一定，导致部分农业机械存在“吃不饱”现象。在调研中发现垦区农机户购置的农机一般成本比较高，以约翰迪尔S660 谷物联合收割机为例，机器单价在190 万元左右，约翰迪尔S660 谷物联合收割机单价在230 万元左右。许多农机户都表示由于农业机械的高额成本加上农业机械作业量减少，本地农业机械作业市场不足，导致作业增收难度加大。

（2）农机户跨区缺少统一管理，作业意愿不强

目前垦区农机户进行跨区作业的组织方式一般是个体模式。作业地区比较随意，也不需要签订协议，一般以口头方式达成一致即可，完成作业就可获得相应收入，完成一个地区作业后再奔赴到下一地区。这种模式下农机户难以收集到确切、可靠的作业需求信息，供需对接信息不畅，缺乏规模效应，成本较高，安全性较差，由于缺乏劳务合同的保障，作业量和作业收入难以保障[9]。由于缺少行政管理部门组织上的协调沟通和保障，跨区作业难度大、活源不稳定、条件艰苦、作业资金不易回收等原因，农机户一般不愿意跨区作业。

（3）跨区作业调配方案不足，农业机械效率未达到最优

调研中发现，在农机调配中存在着这样几种现象，一是在生产的关键时刻，会有一些车主凭着自主经营的权力摆脱农场的统一安排和指挥而选择有利可图的作业对象。二是为农机户为降低运营成本，存在农业作业质量不达标准的情况。三是由于农户实行承包制，自家土地都希望得到先进农机的作业，在数量无法满足需要时，导致农场和农户之间的农机调配矛盾。为化解矛盾，一些管理者实行农户与农机户自由结队，洽谈作业时间、作业价格，结果存在农机户坐地起价或一户未完成就到下一户作业的反复情况，直接导致农机具的资源浪费、作业成本的增加并有可能延误农时，在这种调配制度下无法发挥农机具的最大效率[10]。

2 黑龙江垦区农业机械跨区作业调配模型构建

鉴于农场对农业机管理是统一管理模式，农机户希望农场能够对农业机械跨区作业进行统一调配，可以有效避免农业机械跨区作业个体模式的缺点。

2.1 农业机械跨区调配问题分析

农机调配是指农机管理部门根据农田、农机的基本信息，组织最优的调配路线，使农机有序地在管理者要求下完成工作，达到最短时间内完成调配任务、实现调配成本最低、农机手收入最高的目标[11]。科学安排、统一调配农业机械力量，快速响应、抢夺有效时间，制定农业机械作业调配方案是农业机械跨区作业调配重要的环节[12]。有效的调配可以减少农业机械在地块之间转移时产生的消耗，使得农业机械总作业路径最短，成本降低，实现收入最大。

2.2 建立场内外统一调配模式

以实现跨区作业总收入最大为目标，建立基于总收入最大原则建立场内外统一调配模式。即为抢抓外部跨区作业市场、避免作业时点冲突带来跨区作业损失，充分发挥农场机械力量强的优势，以实现农机户作业收入最大为目标，对本场地块和跨区地块进行区分，建立农业机械实行统一调度、统一分配的模式，该模式为跨区作业赢得宝贵时间。在实际操作中，农场内部会选取性能最优的农业机械进行跨区作业，这样做的目的一是保证作业质量、二是保证作业收入。农场内农机户机械作业的收入与农场外农机户进行跨区作业的收入，将统一计入农场效益中，在农场内部进行二次分配。通过这种模式，农场内部的农业机械得到最充分利用，农场外的机械同时争取到更多的效益。

2.3 模型建立

农业机械跨区作业调配模型的建立需要利用系统工程的原理和方法对农业机械调配进行定量和定性分析、诊断与评价，从而有效地对其进行调整，以期用最少的投入和最大限度地利用各种农业资源来获取农业机械调配的最佳效果[13]。已知本场农业机械的数量和每台农业机械作业速度和收费标准，本场和跨区作业的地块位置以及地块面积，据此确定农业机械与地块间的作业分配关系。作业关系分配应该在保证本场地块在规定时间内全部作业完成的前提下，派出尽量多的农业机械实行跨区作业，以使得农机户的纯收入最大化。

（1）决策变量

假设农业机械台数为NV，本场地块数量为NF，跨区地块数量为NG。在该作业关系分配问题中，将决策变量选定为本场地块作业分配关系X 和跨区地块作业分配关系Y，其中X 是维度为NV×NF的0-1 矩阵，Y 是维度为NV×NG的0-1 矩阵。

（2）假设条件

假设天气状况良好，地块平整成块，地理条件好，无陷车、无干扰、无故障情况，故行驶速度随时间无明显变化。假设作业成本只与车辆运行的距离有关，不考虑折旧、维修、油耗等信息，因此作业时间、作业成本和农田之间的距离存在正比关系。为使得分配到同一地块的各个农业机械在该地块的作业量尽量保持平衡，假设分配到某一地块的各农业机械作业量采用时间维度上平均分配的原则。令ZX 为各农业机械在本场地块的作业量矩阵，ZY 为各农业机械在跨区地块的作业量矩阵。

式中，ZXij为农机i 在本场地块j 的作业量∀i∈{1，2，…，NV}，j∈{1，2，…，NF}；

ZYij为农机i 在跨区地块j 的作业量∀i ∈{1，2，…，NV}，j∈{1，2，…，NG}；

tNij为第i 台农机在本场地块j 的作业时间，单位：天；

ZYij为第i 台农机在跨区地块j 的作业时间，单位：天；

Vi为农机i 的作业速度，单位：公顷/天，∀i∈{1，2，…，NV}。

（3）约束条件

①本场区的所有地块必须在可作业天数内完成全部作业

式中，Fj，为本场地块j 的面积，∀i∈{1，2，…，NF}；

②分配给各农机的跨区作业任务之和小于等于跨区地块面积

式中，Gj为跨区地块j 的面积，∀i∈{1，2，…，NG}。

③单台农机的总作业时间需在可作业天数D内完成

（4）目标函数

目标函数为农机户纯收入最大，纯收入等于场内作业收入加上跨区作业收入，再减去运输费用。其中，场内作业收入为农场内各农机作业面积与农机单位面积作业收入的乘积之和，跨区收入为跨区作业地块农业机械作业面积与农业机械作业费的乘积之和，为Ri第i 台农机单位面积作业收入（元·hm-2），Ci为农机i 的单位距离运输费用（元·km-1）。

农场内作业收入W1为：

跨区作业收入W2为：

运输费用C 为：

式中，dj-1，j表示地块j-1 和地块j 之间的距离。当j=1 时，j-1=0，dj-1，j表示农机户和地块j 之间的距离；当j=NF+1 或NG+1 时，dj-1，j表示地块NF 或NG 和农机户之间的距离。

目标函数：

maxW=W1+W2-C

2.4 农业机械跨区作业任务分配关系模型

在以收入最大为目标的分配原则下，在一定范围内不对本场地块和跨区地块进行区分，对农业机械的作业分配进行统一规划。

2.5 农业机械运输最短路径模型

作业路径直接影响作业成本和收益，合理调配路径可以降低调配成本，提高农业机械运行效率，增加农机户经济效益[14]。分配关系确定后，各农机需要作业地，也就确定。鉴于抢抓农时，农机在一个地块作业完成后可以直接去下一个地块进行作业，待所分配的全部地块完成作业后再回到农机中心，此时需要对各农机的作业顺序进行规划，使各农机的运输路径最短。

式中，n=NF+NG。

3 实例分析

以黑龙江垦区尖山农场第二管理区2020 年跨区作业为例，其农业机械及本地作业地块和跨区作业地块情况如下：

以Matlab R2020a 为平台，利用表1、表2 的数据编写基于粒子群算法的农业机械作业任务分配问题的计算程序[1]，运用编写的计算程序求解农业机械作业任务分配问题模型，得出各台农机的最优行驶路线及最大作业收入。农机作业路线如下：

表1 农机相关数据Table 1 Related data of agricultural machinery

表2 地块相关数据Table 2 Related data of field

1 号农机的最优路线：农机中心→4→3→10→8→W5→W1→W8→W7→农机中心。1 号农机在本场地块和跨区地块进行作业的顺序为4→3→10→8→W5→W1→W8→W7 或W7→W8→W1→W5→8→10→3→4，路线全长为340.439 km，作业收入为270 015 元。

2 号农机的最优路线：农机中心→5→3→8→9→1→W1→W8→7→6→11→农机中心。2 号农机在本场地块和跨区地块进行作业的顺序为5→3→8→9→1→W1→W8→7→6→11 或11→6→7→W8→W1→1→9→8→3→5，路线全长为324.367 km，作业收入为268 601 元。

3 号农机的最优路线：农机中心→4→10→8→W5→W3→W4→W7→W6→6→农机中心。3 号农机在本场地块和跨区地块进行作业的顺序为4→10→8→W5→W3→W4→W7→W6→6 或6→W6→W7→W4→W3→W5→8→10→4，路线全长为485.731 km，作业收入为236 748 元。

4 号农机的最优路线：农机中心→2 →5 →4 →3→8→9→1→W2→W3→W7→W6→11→6→农机中心。4 号农机在本场地块和跨区地块进行作业的顺序为2→5→4→3→8→9→1→W2→W3→W7→W6→11→6 或6→11→W6→W7→W3→W2→1→9→8→3→4→5→2，路线全长为533.939 km，作业收入为227 446 元。

5 号农机的最优路线：农机中心→2 →3→8→9→1→W2→W5→W1→W3→W7→7→6 →11→农机中心。5 号农机在本场地块和跨区地块进行作业的顺序为2→3→8→9→1→W2→W5→W1→W3→W7→7→6→11 或11→6→7→W7 →W3 →W1→W5→W2→1→9→8→3→2，路线全长为460.002 km，作业收入为269 135 元。

6 号农机的最优路线：农机中心→8→9→1→W1→W4→W8→W7→7→农机中心。6 号农机在本场地块和跨区地块进行作业的顺序为8→9→1→W1→W4→W8→W7→7 或7→W7→W8→W4→W1→1→9→8，路线全长为361.161 km，作业收入为403 998 元。

7 号农机的最优路线：农机中心→2→4→8→9→1→W2→W3→W1→W4→W7→11→农机中心。7 号农机在本场地块和跨区地块进行作业的顺序为2→4→8→9→1→W2→W3→W1→W4→W7→11 或11→W7→W4→W1→W3→W2→1→9→8→4→2，路线全长为503.891 km，作业收入为403 516 元。

4 结论与建议

农业机械跨区对于改善区域农机发展不平衡状态将起到重要的作用。垦区先进的农机设备和农艺措施被带到周边服务区域，带动了这些区域的技术进步，同时也弥补了农村劳动力短缺带来的影响。随着农业机械向智能化、自动化方向发展，农机服务向全程化、信息化发展，提高机器利用率、增加农民收入的需求愈加迫切，必然会使跨区作业发展越来越理性。

未来需要从以下几方面实现突破：一是在不同的需求和约束条件下，农业机械调配的目标不同，比如通过节约路程降低成本，通过合理的调配路线设计减少作业时间，通过提高单位时间效率获取最大作业收益等都是农机调配中普遍遇到的实际目标，根据不同目标可建立不同模型。二是可以采用不同的方法对模型进行求解，在求解方法上有传统算法和智能算法，运用多种智能算法求解模型并进行比较得出最有的路径是接下来重点研究的方向。