基于WITNESS生物質(zhì)田間收獲系統(tǒng)配置研究

馬 力，范亞楠，張艷姣，孫躍鵬，李 鑫

（1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱 150030；2.黑龍江省濃江農(nóng)場，黑龍江 佳木斯 156335）

基于WITNESS生物質(zhì)田間收獲系統(tǒng)配置研究

馬 力1，范亞楠1，張艷姣1，孫躍鵬1，李 鑫2

（1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱 150030；2.黑龍江省濃江農(nóng)場，黑龍江 佳木斯 156335）

農(nóng)作物秸稈田間打捆后收集及運輸中存在機器系統(tǒng)配備問題，裝載及運載機械配備不合理導(dǎo)致作業(yè)成本增加，延誤農(nóng)時。結(jié)合生物質(zhì)秸稈收獲作業(yè)對裝載機及運輸機械作業(yè)時間實地測量數(shù)據(jù)，將工業(yè)工程方法應(yīng)用于分析裝載與運載機械聯(lián)合作業(yè)關(guān)系，建立作業(yè)時間和成本數(shù)學(xué)模型，獲得理論可選方案。應(yīng)用WINESS仿真軟件分別對4種配備方案作建模與仿真分析，得出中小型農(nóng)場采用2輛裝載和1輛運載機械且裝載機跟行方案時農(nóng)場收獲運輸成本最低?？蔀樘镩g生物質(zhì)收獲機器系統(tǒng)配備提供理論依據(jù)。

生物質(zhì)收獲；系統(tǒng)配置；系統(tǒng)仿真；WITNESS

農(nóng)作物秸稈從農(nóng)業(yè)廢棄物轉(zhuǎn)變成重要生物質(zhì)資源，秸稈資源綜合利用規(guī)劃為“五化”技術(shù)工程（能源化、飼料化、肥料化、原料化和基料化）[1]。

典型生物質(zhì)秸稈收獲、運輸、儲存技術(shù)路線為：收獲后用圓捆或方捆打捆機打捆、裝載、運輸、堆垛或直接散裝存儲[2]。其中，法國庫恩公司生產(chǎn)的VB2190系列圓捆打捆機打捆直徑高達(dá)1.85 m，作業(yè)幅寬2.3 m，生產(chǎn)效率較高。方捆打捆機相對圓捆打捆機，技術(shù)和結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，但壓制草捆密實度更高，捆型更整齊，在運輸存儲過程中不易變形。德國克拉斯生產(chǎn)的QUADRANT系列方捆打捆機作業(yè)幅寬可達(dá)2.35 m，草捆長度尺寸可調(diào)至3 m，可調(diào)范圍較大，草捆體積達(dá)3.6 m3，效率高，撿拾干凈。國內(nèi)內(nèi)蒙古海拉爾，山東濰坊、曲阜、萊州，河北石家莊、保定，湖北咸寧等地初步形成打捆機制造產(chǎn)業(yè)集群，均以生產(chǎn)小方捆、小圓捆、低密度、牽引型產(chǎn)品為主，撿拾幅度0.8～2.4 m，方捆長度可調(diào)范圍0.3～1.2 m，截面尺寸360 mm×460 mm，圓捆直徑范圍一般在500～700 mm。

在秸稈捆后運輸方面使用拖拉機和卡車。農(nóng)作物秸稈收獲運輸成為促進(jìn)秸稈資源化關(guān)鍵環(huán)節(jié)。針對生物質(zhì)外物流（即從田間到收儲中心到加工廠物流）研究，國內(nèi)外學(xué)者取得一定成果[3-5]。Webster等結(jié)合GIS數(shù)據(jù)系統(tǒng)分析秸稈田間收獲機器系統(tǒng)效率，確定有效收獲系統(tǒng)[6-7]；Gutesa等針對大型方形生物質(zhì)捆運輸分析，用ExtendSim建立仿真模型[8]；Morey等對玉米秸稈物流系統(tǒng)展開研究[9]； Turhollow等研究秸稈收集及物流成本，為確定最佳收集及運儲系統(tǒng)提供依據(jù)[10-11]；馬力等建模研究現(xiàn)場收獲運輸系統(tǒng)，為收獲機器系統(tǒng)配備研究提供相關(guān)理論依據(jù)[12-14]。

以上研究多針對大規(guī)模秸稈物流處理，對中小型農(nóng)場農(nóng)作物秸稈田間收獲及物流運輸成本分析較為少見。因此，本研究應(yīng)用工業(yè)工程方法分析裝載與運載機械聯(lián)合作業(yè)關(guān)系，以運籌學(xué)方法建立生物質(zhì)成捆后收集運輸作業(yè)時間及成本數(shù)學(xué)模型，通過分析過程相關(guān)數(shù)據(jù)，應(yīng)用建模仿真方法研究裝載和運載機械配置，引導(dǎo)中小型農(nóng)場農(nóng)戶理性購機，避免盲目投資。

1 田間草本生物質(zhì)收獲物流描述

1.1 生物質(zhì)收獲物流設(shè)備及作業(yè)過程描述

草本生物質(zhì)（秸稈）田間收獲過程主要包括草本植物收割或收集，打捆，以及生物質(zhì)捆裝載及運輸，作業(yè)過程如圖1所示[15]。

圖1 田間生物質(zhì)收獲物流作業(yè)過程Fig.1 Biomassfield harvesting logisticsoperation process

由圖1可知，生物質(zhì)秸稈首先經(jīng)過收割機割倒（或切斷），通過打捆機形成生物質(zhì)草捆，利用裝載機收集裝載，運輸?shù)絺}儲中心。

本研究的田間草本生物質(zhì)收獲物流成本，基于假設(shè)生物質(zhì)秸稈已由打捆機打捆，從農(nóng)場（即田間）經(jīng)裝載機收集運輸至倉儲地所花費成本。模型中主要作業(yè)實體包括裝載及運載機械，兩個實體作業(yè)過程如下：

（1）裝載機：文中所討論裝載機為當(dāng)前中小型農(nóng)場中常見撿拾裝載設(shè)備，裝載機1次操作1個草捆。裝載機作業(yè)劃分為3個作業(yè)單元，即裝載機到達(dá)草捆，抓起草捆，運行至運輸車，卸載，運行至下1個草捆。將裝載機工作時間分段：

①行走時間（tw），即裝載機從1個生物質(zhì)捆或運載機械到1個生物質(zhì)捆往返時間；

②撿拾時間（tg），指裝載機到達(dá)目標(biāo)后停下，抓起生物質(zhì)捆，轉(zhuǎn)向?qū)?zhǔn)運載機械或目標(biāo)地時間。

③卸載時間（tu)， 即裝載機將生物質(zhì)捆放下（或裝上運載機械）并轉(zhuǎn)向?qū)?zhǔn)下1個生物質(zhì)捆時間。

（2）運載機械： 運載機械每次可以裝載N0個草捆，滿載后將草捆運至距離農(nóng)場L倉儲地，返回作業(yè)現(xiàn)場。

1.2 分析模型建立方案

建模分析過程中將裝載與運載機械之間作業(yè)視為聯(lián)合作業(yè)，應(yīng)用工業(yè)工程方法中聯(lián)合作業(yè)分析法分析，確定運載機械?？课恢?、運載機械與裝載機間作業(yè)布局及兩者聯(lián)合作業(yè)流程圖[16]。

本文以1輛裝載機1輛運載機械方案建模，運載機械作業(yè)狀態(tài)可分為跟行和等待兩種情況。等待情況，作業(yè)過程中為避免行走路線混亂，應(yīng)用重心法原理[17]，裝載機以運載機械為原點，以運載機械到生物質(zhì)捆距離為半徑同心圓范圍收集生物質(zhì)捆作業(yè)，作業(yè)范圍主要由運載機械承載能力確定。

2 生物質(zhì)田間收獲物流成本模型研究

2.1 工作時間設(shè)定

2.1.1 裝載作業(yè)時間

裝載1個生物質(zhì)捆時間設(shè)為Tb，可分為以下3部分：

① 抓起1個生物質(zhì)捆時間（包括調(diào)整方向、對準(zhǔn)動作及轉(zhuǎn)向），設(shè)為tg。

② 放下生物質(zhì)捆時間（包括調(diào)整方向、放下及轉(zhuǎn)向?qū)?zhǔn)下一個目標(biāo)時間），設(shè)為tu。

③ 行走時間（即抓起后行走到放置處時間），設(shè)為tw。

其中，tw由生物質(zhì)捆與運載機械距離以及生物質(zhì)捆之間距離和裝載機速度決定。 裝載N0個生物質(zhì)捆時間設(shè)為T1，則

T1—裝載機裝N0個生物質(zhì)捆時間

N0—運載機械承載能力

tg—裝載機抓起一個生物質(zhì)捆時間（包括調(diào)整方向、對準(zhǔn)動作及轉(zhuǎn)向）

tu—裝載機放下生物質(zhì)捆時間（包括調(diào)整方向、放下及轉(zhuǎn)向?qū)?zhǔn)下一個目標(biāo)時）

tw—裝載機行走時間（即抓起后行走到放置處時間）

2.1.2 運載作業(yè)時間

本文設(shè)運載機械最大容量可裝N0個生物質(zhì)捆，運載時間可分為收集生物質(zhì)捆時間、運輸及等待時間。運輸時間主要由倉儲與農(nóng)場距離及運載機械速度決定。

T2—運載機械運輸時間

L—農(nóng)場距倉儲距離

vu—運載機械空載速度

vL—運載機械滿載速度

2.2 運載機械跟行情況

運載機械跟隨裝載機作業(yè)，當(dāng)運載機械裝滿后運往倉儲地時裝載機繼續(xù)生物質(zhì)捆收集作業(yè)，在運載機械返回前將生物質(zhì)捆收集于一處。本文假設(shè)裝載機在運輸機械返回前收集生物質(zhì)捆至N0個時，若運載機械仍未返回則停止收集作業(yè)等待運載機械返回。裝載機與運載機械作業(yè)時間存在如下兩種關(guān)系：

（1）當(dāng)T1≥T2時，即運載機械運輸時間≤其農(nóng)場作業(yè)時間，則此種作業(yè)裝載機及運載機械聯(lián)合作業(yè)圖如圖2所示，裝載機行走路線及與運載機械位置情況如圖3所示。

圖2 裝載機和運載機械聯(lián)合作業(yè)（T1≥T2）Fig.2 Cooperative operation processes(T1≥T2)

圖3 叉車與運載機械行走路線Fig.3 Layout of stacker and truck in field

由圖2可知，裝載機跟行運載機械裝載作業(yè)，在運載機械裝滿運往倉儲地同時裝載機繼續(xù)草捆收集作業(yè)，因為T1≥T2當(dāng)運載機械返回時裝載機收集草捆數(shù)≤N0。根據(jù)裝載機與運載機械工作過程和圖2得出裝載機和運載機械全部作業(yè)時間如公式（3）、（9）所示，總成本如公式（12）所示。

其中：

T1—裝滿運載機械時間

N—生物質(zhì)捆總數(shù)

vf—裝載機行走速度

l—生物質(zhì)草捆間距離

因為運載機械是跟行作業(yè)，裝載機行走時間tw為在生物質(zhì)捆之間行走時間，本研究中設(shè)生物質(zhì)捆間距離l相等，則tw亦不變。

其中：

T30—裝載剩余生物質(zhì)捆時間

N1—在T2時間內(nèi)收集生物質(zhì)捆數(shù)量

柴油機械燃料消耗（L）：

其中：

Pe—發(fā)動機功率

b—燃料消耗率，通常以每千瓦小時的耗油量表示農(nóng)機內(nèi)部發(fā)動機燃料消耗率一般為：170~220 g·(kW·h)-1[18]，結(jié)合實際情況，本文中的裝載機和運載機械每千瓦小時的耗油量取196 g·(kW·h)-1。

ρ—柴油密度，通常取0.84 g·mL-1

則，每小時燃油成本為：

其中，Pd為燃料價格，取4.23元·L-1。

設(shè)運載機械和裝載機操作人員作業(yè)時間與機器作業(yè)時間相同，則總成本為：

其中：

w1—裝載機人員作業(yè)成本（元·h-1）

μ1— 裝載機租賃費用（元·h-1）

w2—運載機械人員作業(yè)成本（元·h-1）

μ2—運載機械租賃費用（元·h-1）

（2）當(dāng)T1

圖4 裝載機和運載機械聯(lián)合作業(yè)（T1

此時分兩種情況：

①若T2時間內(nèi)，裝載機收集生物質(zhì)捆數(shù)

②若T2時間內(nèi)，裝載機收集生物質(zhì)捆數(shù)量等于N0后則停下等待運載機械返回，然后再裝載運輸作業(yè)，由此根據(jù)圖3作業(yè)流程可獲得裝載機及運載機械總作業(yè)時間如公式（13）、（16）所示，總成本如公式（17）所示。

裝載機總作業(yè)時間：

其中：

T31—裝載機撿拾收集和裝載N0個生物質(zhì)捆時間

在公式（13）中，若裝載機收集N0個生物質(zhì)捆時間

運輸車總作業(yè)時間為：

總成本為：

2.3 運載機械等待情況

此情況下運載機械在農(nóng)場裝滿N0生物質(zhì)捆時間T1為：

t0w—將運載機械裝滿時裝載機行走所用時間

為使作業(yè)時間最短，裝載機采用分塊作業(yè)形式，地塊面積以生物質(zhì)捆數(shù)量確定，設(shè)以分布N0個生物質(zhì)捆區(qū)域劃分，以運載機械?？课恢脼閰^(qū)域中心，裝載機圍繞運載機械收集作業(yè)。

將第ni（i=1,2,…，N0）個生物質(zhì)捆與運載機械距離設(shè)為li（i=1,2,…，N0），則：

其中：

(xt,yt)—為運載機械坐標(biāo)位置

(xi,yi)—為第ni個生物質(zhì)捆位置坐標(biāo)

此種情況下裝載機與運載機械作業(yè)時間存在如下兩種關(guān)系：

（1）當(dāng)T1≥T2時，裝載機及運載機械聯(lián)合作業(yè)圖如圖5所示，裝載機行走路線及與運載機械位置情況如圖6所示。

圖5 裝載機和運載機械聯(lián)合作業(yè)（T1≥T2）Fig.5 Cooperative operation processes(T1≥T2)

圖6 叉車與運載機械行走路線Fig.6 Layout of stacker and truck in field

圖5 可知，在運載機械運輸期間，裝載機收集草捆≤N0，根據(jù)裝載機械和運載機聯(lián)合作業(yè)關(guān)系可得出裝載機及運載機械全部作業(yè)時間公式如公式（21）、（26）所示，總成本如公式（27）所示。

由于T1≥T2，因此，T2時間內(nèi)裝載機收集生物質(zhì)捆數(shù)量≤N0，則

其中：

Tf—裝載機總作業(yè)時間

T32—裝載剩余生物質(zhì)捆時間

N1—T2時間內(nèi)叉車收集生物質(zhì)捆數(shù)量

運載機械所用總時間為：

總成本（包括作業(yè)人員成本）為：

(2)當(dāng)T1

此時T2時間內(nèi)，裝載機收集生物質(zhì)捆數(shù)量等于N0后停止作業(yè)，等待運載機械返回。

圖7 裝載機和運載機械聯(lián)合作業(yè)（T1

由圖7作業(yè)流程可得出裝載機及運載機械全部作業(yè)時間公式如下：

①裝載機總作業(yè)時間：

其中：

T33—裝載機撿拾和卸載N0個生物質(zhì)捆時間t10w—裝載機裝載N0個生物捆行走時間

②運載機械所用時間為：

總成本：

此種情況下裝載機出現(xiàn)等待情況，總等待時間為：

Δt—裝載機每次等待時間

ΔT—裝載機總等待時間

在實際生產(chǎn)中Δt數(shù)值可確定是否多配備運載機械。

3 實證分析

為驗證收獲成本模型可靠性、實效性，以某小型農(nóng)場小麥秸稈收獲及運輸物流成本核算為研究對象。

3.1 所需參數(shù)確定

模型參數(shù)如表1、2所示。本實例中運載機械空載速度和滿載速度相同，農(nóng)場到倉儲區(qū)距離為8.0467 km，根據(jù)表1中數(shù)據(jù)及公式（35）~（39）可得該農(nóng)場收1個生物質(zhì)捆對應(yīng)收獲面積為0.0867公頃，可收獲生物質(zhì)捆數(shù)量約233個，生物質(zhì)捆在田間可分布115行并且每行有2個生物質(zhì)捆。

表1 裝載機與運載機械參數(shù)Table 1 Parameters of stacker and truck

表2 生物質(zhì)與農(nóng)場參數(shù)Table 2 Parameters of biomass and farm

生物質(zhì)捆在田間分布行數(shù)：

可收獲生物質(zhì)捆數(shù)量：

每行生物質(zhì)捆數(shù)量：

收獲1個生物質(zhì)捆需要面積：

生物質(zhì)捆之間縱向距離：

根據(jù)以上相關(guān)數(shù)據(jù)，將生物質(zhì)捆田間分布情況按一定比例繪制出其田間分布圖（由于草捆較多，僅取局布），如圖8所示，圖中箭頭方向表示打捆機運行方向和路線。

3.2 模型求解分析

為便于模型推廣應(yīng)用以及提高模型可操作性，本研究中模型均采用Excel求解分析，模型求解結(jié)果如表3所示。

圖8 生物質(zhì)捆田間分布圖（局布）Fig.8 Field distribution of biomass bales(Bureau cloth)

表3 模型計算結(jié)果Table 3 Calculation results of model

由表3可知，本研究數(shù)據(jù)運載機械運輸時間小于農(nóng)場作業(yè)時間，即T1≥T2，且對于中小型農(nóng)場，農(nóng)場與倉儲地距離較近，采用1輛裝載機和1輛運載機械且運載機械跟行收獲運輸策略對于作業(yè)時間及成本而言較低。根據(jù)模型可針對不同類型農(nóng)場實際數(shù)據(jù)獲得最低成本作業(yè)。

3.3 WITNESS仿真優(yōu)化

裝載機與運載機械配備不合理是生物質(zhì)收獲作業(yè)時間較長成本較高主要原因。以文中作業(yè)時間和成本數(shù)學(xué)模型為依據(jù)，應(yīng)用WITNESS仿真軟件，根據(jù)實地測量小型農(nóng)場數(shù)據(jù)建立1輛裝機1輛運載機械且運載機械跟行小麥秸稈收獲運輸模型仿真試驗。裝載機與運載機械在田間行走路線由track元素鋪設(shè)[19]，根據(jù)作業(yè)時間和成本模型，通過程序設(shè)計控制裝載機與運載機械行走距離和作業(yè)時間，模型建立流程與運行過程如圖9所示。

令仿真模型運行收獲運輸238個生物質(zhì)捆（本文實地調(diào)研小型農(nóng)場小麥秸稈共收獲約233個生物質(zhì)捆），時間單位設(shè)為小時，仿真模型及運行結(jié)果如圖10所示。由圖10可知，裝載機總作業(yè)時間為10.09 h，運載機械總作業(yè)時間為10.31 h，與表3結(jié)果相近。裝載機裝載過程中運載機械會出現(xiàn)等待，為提高工作效率，降低總作業(yè)時間優(yōu)化仿真模型。

根據(jù)實際情況設(shè)定本模型中配置方案分別為：A：1輛裝載機+1輛運載機械；B：1輛裝載機+2輛運載機械；C：2輛裝載機+1輛運載機械；D：2輛裝載機+2輛運載機械四個方案。在運載機械跟行情況下設(shè)定模型運行收獲運輸238個生物質(zhì)捆，運行結(jié)果如表4所示。

由表4可知，對于中小型農(nóng)場在運載機械跟

圖9 模型流程Fig.9 Flow chart of model

行情況下配備2輛裝載機1輛運載機械收獲運輸生物質(zhì)捆總作業(yè)時間最短，分別為：裝載機總作業(yè)時間10.12 h，運載機械總作業(yè)時間7.24 h，根據(jù)成本模型計算該策略作業(yè)成本為4 560.9306元。結(jié)合實際情況，修改上述仿真模型中元素設(shè)計參數(shù)，即可獲得不同農(nóng)場生物質(zhì)收獲中裝載機與運載機械最佳配備量。

4 結(jié)論

圖10 WITNESS仿真模型及運行結(jié)果Fig.10 WITNESSsimulation model and operation results

表4 方案運行結(jié)果Table 4 Operation result of scheme

本文應(yīng)用聯(lián)合分析法建立農(nóng)作物秸稈田間收獲運輸成本核算數(shù)學(xué)模型，以成本模型為依據(jù)，應(yīng)用WITNESS仿真技術(shù)作物秸稈收獲運輸仿真試驗，建立收獲運輸系統(tǒng)仿真模型。實證分析驗證成本核算模型可行性及實用性。中小型農(nóng)場實際數(shù)據(jù)仿真結(jié)果表明，中小型農(nóng)場且農(nóng)場距離倉儲地較近情況采用2輛裝載機1輛運載機械，運載機械跟行為最優(yōu)方案。生物質(zhì)收獲運輸系統(tǒng)配備方案仿真模型分析，可為不同農(nóng)場裝載和運載機械配備提供參考依據(jù)，解決農(nóng)場因裝載與運載機械配備不合理造成的作業(yè)時間過長、成本過高等問題。

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Study on biomass field harvesting system configuration based on WITNESS/

MALi1,FANYanan1,ZHANGYanjiao1,SUNYuepeng1,LIXin2
(1.School of Engineering,Northeast Agricultural University,Harbin 150030,China;2.Heilongjiang Nongjiang Farm,Jiamusi Heilongjiang 156335,China)

At present,in the collection and transportation of crop stovers after field baling,the disposition of farm machinery system is based on the experience.And the unreasonable disposition results in increased cost and delay farming.In combination with field measurement data of operation time of stacker and truck in biomass straw harvesting operation,the industrial engineering method was innovatively applied to analyze the joint operation relationship between stacker and truck,and the mathematical models of operation time and cost were established,and the theoretical alternatives were obtained.According to the alternatives,WINESS simulation software was applied to modeling and simulation analyses for the four disposition schemes of stacker and truck.The results showed that for small and medium-sized farms,the harvesting and transportation costs were the lowest with the strategy of two stackers,one truck and truck works with line.The research results could provide theoretical basis for the study of field biomass harvesting machine system.

biomass harvesting;system configuration;system simulation;WITNESS

S225

A

1005-9369（2017）09-0072-10

時間 2017-10-20 12：50：43 [URL]http：//kns.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20171020.1250.012.

馬力,范亞楠,張艷姣,等.基于WITNESS生物質(zhì)田間收獲系統(tǒng)配置研究[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,2017,48(9)：72-81.

Ma Li,Fan Yanan,Zhang Yanjiao,et al.Study on biomass field harvesting system configuration based on WITNESS[J].Journal of Northeast Agricultural University,2017,48(9)：72-81.(in Chinese with English abstract)

2017-07-05

公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研子項目（201503116-04-01）

馬力（1976-），女，博士，副教授，研究方向為農(nóng)業(yè)系統(tǒng)工程、工業(yè)工程。E-mail：mwmary@163.com