甘蔗機械化收獲運輸系統(tǒng)優(yōu)化仿真研究

曾志強，區(qū)穎剛，余平祥，楊丹彤，劉慶庭

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甘蔗機械化收獲運輸系統(tǒng)優(yōu)化仿真研究

曾志強1a,2，區(qū)穎剛1a，余平祥1b，楊丹彤1a，劉慶庭1a

(1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) a.南方農(nóng)業(yè)機械與關(guān)鍵技術(shù)教育部重點實驗室;b.數(shù)學(xué)與信息學(xué)院，廣州 510642；2.廣東廣墾農(nóng)機服務(wù)有限公司，廣東 遂溪 524244)

針對在甘蔗機械化收獲田間轉(zhuǎn)運、公路運輸、糖廠卸蔗運輸系統(tǒng)中存在車輛配置和調(diào)度不合理現(xiàn)象，嚴重影響甘蔗機械化生產(chǎn)發(fā)展的問題，以湛江農(nóng)墾廣前公司為實例，運用非線性規(guī)劃建立優(yōu)化模型，并通過 ExtendSim軟件進行模擬研究。結(jié)果表明：運輸系統(tǒng)優(yōu)化后，在節(jié)約運輸車輛投資、降低運輸成本及縮短榨季時間方面取得了很好的效果，有利于促進甘蔗機械化收獲的發(fā)展。

甘蔗機械化；收獲運輸系統(tǒng)；優(yōu)化仿真

0 引言

甘蔗是我國主要的糖料作物，其面積占我國常年糖料面積的85%以上，產(chǎn)糖量占食糖總產(chǎn)的90%以上。2015年,我國甘蔗種植面積約170萬hm2，僅次于巴西和印度位居世界第3位，甘蔗產(chǎn)業(yè)已成為我國甘蔗主產(chǎn)區(qū)經(jīng)濟發(fā)展的重要支柱和農(nóng)民增收的主要來源。甘蔗機械化收獲運輸系統(tǒng)包括田間轉(zhuǎn)運、公路運輸及糖廠卸蔗等，是一個涉及到農(nóng)機農(nóng)藝、農(nóng)業(yè)工業(yè)結(jié)合的系統(tǒng)工程。目前，我國甘蔗收獲作業(yè)勞動強度大、效率低、耗人工多，占甘蔗生產(chǎn)總用工量的50%左右[1]。我國甘蔗機械化收獲水平低，運輸配備多和調(diào)度不合理，效率低、成本高，都是甘蔗生產(chǎn)發(fā)展的瓶頸,已成為蔗糖產(chǎn)業(yè)迫切期望解決的問題。廣東湛江農(nóng)墾20世紀90年代開始引進甘蔗機械化收割、運輸設(shè)備進行了長期的大規(guī)模甘蔗機械化收獲試驗示范?，F(xiàn)有CASE4000、CASE7000、CASE8000等甘蔗收割機7臺，并配套E900T型、7YZ4型田間轉(zhuǎn)運卡和公路運輸車等[2-3]。經(jīng)過多年的示范推廣試驗和改進，甘蔗機械化收獲技術(shù)示范推廣雖然已取得了初步成效，但仍然存在較多需要解決的問題，急需對甘蔗機械化收獲、田間轉(zhuǎn)運、公路運輸及糖廠卸蔗等全過程的運輸系統(tǒng)進行研究，為突破甘蔗機械化收獲瓶頸提供實踐經(jīng)驗和理論。因此，本文結(jié)合國家甘蔗技術(shù)體系項目，對廣東湛江農(nóng)墾廣前公司的甘蔗機械化收獲運輸系統(tǒng)進行優(yōu)化仿真研究。

1 廣前公司甘蔗機械收獲運輸系統(tǒng)現(xiàn)狀

1.1 運輸系統(tǒng)簡介

廣前公司位于遂溪縣城月鎮(zhèn)廣豐，是湛江墾區(qū)的甘蔗全程機械化試驗示范基地之一，其機收水平已經(jīng)達到全國領(lǐng)先水平；整個生產(chǎn)區(qū)分成64個生產(chǎn)隊，分屬兩個子公司管理，這兩個子公司分別是前進分公司和畔塘分公司；生產(chǎn)區(qū)占地面積12 307.19hm2，地塊總面積達11 244.59hm2，而每公頃甘蔗平均產(chǎn)量約為64.5t。廣前公司所有的甘蔗都要運輸?shù)綇V豐糖廠，整個甘蔗機械收獲運輸流程可分為甘蔗田間轉(zhuǎn)運、公路運輸和糖廠卸蔗3個環(huán)節(jié)，具體是由每臺大型切段式甘蔗聯(lián)合收割機配套兩臺田間運輸車完成包括扶倒、切梢、收割、喂入、切段、清洗、裝入田間轉(zhuǎn)運卡，以及田間轉(zhuǎn)運卡轉(zhuǎn)運給公路運輸車、公路運輸、排隊等候進廠、進廠后初始稱重、自動卸蔗和出廠稱重等流程。公路運輸車卸蔗后就返回蔗田進行一輪運輸，收獲的甘蔗需要24h內(nèi)進廠，收獲流程需遵循的機械收獲、甘蔗運輸和糖廠卸蔗等技術(shù)規(guī)范。表1為2013-2014、2014-2015年榨季廣前公司的運輸系統(tǒng)信息。

1.2 存在問題

目前，廣前公司的甘蔗機械化收獲運輸系統(tǒng)主要存在公路運輸車數(shù)量多、在糖廠等待卸蔗耗時長及閑置時間長等問題，收割機需要經(jīng)常停機等待公路運輸車，甘蔗不能在規(guī)定24h內(nèi)運輸?shù)教菑S進行壓榨。運輸季節(jié)，公路運輸車在糖廠前排起長龍，平均等待進廠卸蔗時間高達8h，高峰期甚至要等待24h，嚴重影響了運輸效率及收獲效率。生產(chǎn)隊、運輸車公司、糖廠人員思想上還都存在運輸車輛越多效率越高的誤區(qū)。

表1 廣前公司運輸車信息表Table 1 Information of transport vehicle in Guangqian company

2 建模仿真

根據(jù)湛江農(nóng)墾廣前公司大型機械收獲運輸系統(tǒng)的實際運作情況和存在問題，在滿足基本運輸需求的前提下，優(yōu)化公路運輸車數(shù)量、減少糖廠排隊等待時間、提高整個收獲運輸系統(tǒng)的運行效率，建立優(yōu)化整個收獲運輸系統(tǒng)的可變運營成本的目標函數(shù)，運用ExtendSim軟件進行仿真建模，進行校核和驗證，再逐步優(yōu)化[4-5]。

2.1 劃分工作區(qū)

使用動態(tài)聚類分析法進行分區(qū)工作，將原來的64個生產(chǎn)隊劃分成9個生產(chǎn)區(qū)，每個生產(chǎn)區(qū)作為1個分支系統(tǒng)。根據(jù)各個生產(chǎn)區(qū)的面積和重心，使用3倍標準差法剔除其中的6個生產(chǎn)隊，采用密度法選擇凝聚點(動態(tài)凝聚法)，最后可以從58個生產(chǎn)隊中得到9個坐標作為凝聚點，分別為編號為39、33、5、9、24、50、12、16、47的生產(chǎn)隊。根據(jù)新分各區(qū)的重心和地籍圖，可得廣豐糖廠的坐標，并計算出各生產(chǎn)區(qū)的面積和生產(chǎn)區(qū)到糖廠的平均距離，如表2所示。

表2 各生產(chǎn)區(qū)面積、距離、預(yù)計收成量和仿真的收成量、公路運輸車信息表Table 2 The area, distance,Expected harvest volume, simulated harvest volume, the information of road transporter in each district

2.2 構(gòu)建優(yōu)化目標函數(shù)

1)目標函數(shù)。在保證按期按量完成甘蔗收獲運輸任務(wù)的情況下，優(yōu)化目標函數(shù)為可變運營成本最低化，目標函數(shù)為公路運輸車總值、折舊費用、維修費用及員工工資的最低成本之和，表達式為[8-9]

式中 TTN—9個區(qū)(A～I)的公路運輸車數(shù)量；

Tc—公路運輸車原值50萬元/輛；

Td—折舊率8%；

Tr—年維修費0.3萬元/輛；

Ts—每輛運輸車配備2名員工工資為3.6萬元。

2)約束條件。運輸車輛數(shù)總數(shù)量必須少于或等于現(xiàn)有運輸車輛總數(shù)、各個生產(chǎn)區(qū)的收獲運輸量必須要大于或等于預(yù)計收成量。則有

式中 HSTi—各區(qū)的甘蔗預(yù)計總產(chǎn)量；

Ttd—每天每車運蔗車次；

Wcr—公路運輸車載重量30t/輛；

Tfc—裝滿運輸車時間為2.5h/車；

Di—各區(qū)與糖廠之間距離；

S—公路運輸車輛速度為30m/h；

Tuf—每車在糖廠卸蔗時間為2h/次，

Dst—榨季110天，裝滿1輛田間車的時間是0.083h。

2.3 構(gòu)建軟件仿真模型

運用ExtendSim軟件共用217個模塊模擬了蔗田、公路、糖廠、車廠等4個場景中的關(guān)鍵作業(yè)。系統(tǒng)模型由田間收割、公路運輸、糖廠卸蔗、車輛調(diào)度和統(tǒng)計信息五個功能模塊組成，各模塊結(jié)構(gòu)圖如圖1～圖4所示。其中，“田間收割”模塊仿真收割機進行扶倒、切梢、收割、喂入、切段、清洗等收割工序以及將甘蔗裝入田間運輸車流程；“公路運輸”模塊仿真公路運輸車在蔗田裝滿甘蔗后將其運輸?shù)教菑S流程；“糖廠卸蔗”模塊則是仿真到達糖廠后排隊等候進廠、進廠后稱重卸蔗以及卸蔗后空車返回各個生產(chǎn)區(qū)的流程?！败囕v調(diào)度”功能模塊仿真一輛公路車完成原先的生產(chǎn)區(qū)運輸工作后立即投入到剩余量最大生產(chǎn)區(qū)。而“統(tǒng)計信息”模塊則是負責(zé)匯總統(tǒng)計模型運行中所得到的如運營成本和生產(chǎn)區(qū)收成量等信息。

圖1 田間收割功能模塊結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The function block diagram of field harvesting

圖2 車輛調(diào)度功能模塊結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The function block diagram of vehicle scheduling function

圖3 各生產(chǎn)區(qū)的公路運輸模型結(jié)構(gòu)圖Fig.3 The function block diagram of road transport function in each district

圖4 糖廠卸蔗功能模塊結(jié)構(gòu)圖Fig.4 The function block diagram of unload sugarcane function in mill

2.4 模型校驗與調(diào)試

對模型需要檢驗收獲運輸系統(tǒng)中的甘蔗收割、公路運輸和糖廠卸蔗3個流程的最終收成量、運輸車效能、榨季天數(shù)與原實際運行系統(tǒng)是否相符。通過運行模型，得到各個生產(chǎn)區(qū)的仿真收成量和預(yù)計收成量是基本一致的，整個收獲系統(tǒng)仿真模型的公路運輸車來回一次平均需要13.284h，仿真模型中每臺運輸車每天可運輸1.807車次，與實際中每臺運輸車1.5～2.5車/天相附；仿真模型所得的理論榨季長度為109.344天，與實際榨季110天基本相同。仿真模型運行后所得結(jié)果在都在實際區(qū)間內(nèi)，可確認該模型為可行。

3 收獲運輸系統(tǒng)優(yōu)化及結(jié)果

根據(jù)目標函數(shù)，采用運籌學(xué)的非線性規(guī)劃求最優(yōu)解，決策變量就是分配給各個生產(chǎn)區(qū)的公路車輛數(shù)，仿真系統(tǒng)分為9個生產(chǎn)區(qū)，有9 個決策變量分別對應(yīng)1～9區(qū)的公路車數(shù)目。通過仿真優(yōu)化后得出6項指標數(shù)據(jù)，并與現(xiàn)狀模型進行對比,如表3所示。其中，公路車總數(shù)減少47輛、降幅達36.2%；糖廠等待時間縮短36.3%，運輸效率提高27.9%；運營成本降低2 721萬元，降幅35.4%，優(yōu)化效果十分明顯，此方案可行且有效。

表3 優(yōu)化前后指標對照表Table 3 The index at before and after optimization table

4 結(jié)論

針對湛江農(nóng)墾廣前公司的大型甘蔗機械收獲運輸系統(tǒng)中存在的問題，對甘蔗機械化收獲、田間轉(zhuǎn)運、公路運輸及糖廠卸蔗等全過程的運輸系統(tǒng)提出優(yōu)化改進方案，并進行了優(yōu)化仿真。通過優(yōu)化可知：廣前農(nóng)機公司甘蔗機械收獲運輸系統(tǒng)只需要83臺公路運輸車、每臺車運送2.311次/天，糖廠等待卸蔗時間為7.182h，即可正常高效運轉(zhuǎn)。同時，榨季可縮短為102.5天，運營成本降低至4 963.2萬元。仿真結(jié)果為突破甘蔗機械化收獲瓶頸提供了實踐經(jīng)驗和理論，有利于促進甘蔗生產(chǎn)機械化發(fā)展。

[1] 韋方志，韋杰權(quán)，杜國傳.甘蔗生產(chǎn)機械化發(fā)展現(xiàn)狀分析與對策研究[J].中國農(nóng)業(yè)信息,2015(11):148-149.

[2] 黃大毛.廣前公司甘蔗產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與對策研究 [D]. 南京：廣西大學(xué)，2014.

[3] 曾志強，區(qū)穎剛，解福祥，等.切斷式甘蔗聯(lián)合收獲機的試驗與分析[J].農(nóng)機化研究, 2012, 34(9):164-16 .

[4] 秦天保，王巖峰．面向應(yīng)用的仿真建模與分析：使用ExtendSim(2版)[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2011：5-154.

[5] 余平祥，楊丹彤，區(qū)穎剛，甘蔗機械化生產(chǎn)收獲-運輸系統(tǒng)配置調(diào)度的研究[J]．農(nóng)機化研究，2007(3)：12-14.

[6] 區(qū)穎剛,張亞利,楊丹彤，等.甘蔗生產(chǎn)機械系統(tǒng)的試驗和分析[ J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報, 2000 , 16( 5) : 74-77.

[7] YR Li，LT Yang.Sugarcane Agriculture and Sugar Industry in China[J]．Sugar Tech, 2015, 17(1):1-8.

[8] Higgins A，Davies I．Capacity planning in a sugarcane harvesting and transport system using simulation odelling [J].Proceedings- Australian Society of Sugarcane Technologists，2004(3)：76-81.

[9] Hansen A C，Barnes A J，Lyne P W L．Power Machinery - Simulation Modeling of Sugarcane Harvest-To-Mill Delivery Systems[J].Transactions of the ASABE - American Society of Agricultural Biological Engineers，2002，45(3)：531-538.

Study on Optimization and Simulation of Sugarcane Mechanized Harvesting and Transportation System

Zeng Zhiqiang1a,2，Ou Yinggang1a，Yu Pingxiang1b，Yang Dantong1a，Liu Qingting1a

(1.a.Key Laboratory of Key Technology on Agricultural Machine and Equipment, Ministry of Education; b.College of Mathematics and Information, South China Agricultural University, Guangzhou 510642,China; 2.Guangdong Nongken Agricultural Machinery Service Company Limited, Suixi 524244, China)

In order to settle the current problems in sugarcane mechanic field transportation, road transportation and discharge at sugar refinery mill system,such as unreasonable scheduling and vehicle configuration,and serious affect the development of sugarcane mechanization,taking Guangqian company of Zhanjiang state farms as an example, building optimization model with non-linear programming,and simulating by extend Sim software.After the logistics system optimized, the results show,it achieved good results in saving transport vehicle investment,reduce transport costs and shorten the sugar harvest time,and promoting the development of mechanization of sugarcane harvesting.

sugarcane mechanization；harvesting and transportation system harvest; optimization and simulation

2016-02-25

國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)(甘蔗產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系)建設(shè)項目(農(nóng)科教發(fā)[2008]10號)

曾志強(1980-)，男，江西萬年人，工程師，博士研究生，(E-mail)zzqpark@126.com。

區(qū)穎剛(1947-)，男， 廣東新會人，教授，博士生導(dǎo)師，(E-mail)ouying@scau.edu.cn。

S233.4

A

1003-188X(2017)03-0012-05