本文在回顧和分析國內(nèi)外農(nóng)業(yè)機器系統(tǒng)研究成果的基礎(chǔ)上，闡述了農(nóng)業(yè)機器系統(tǒng)研究中優(yōu)化目標的確定方法、優(yōu)化技術(shù)的主要手段。通過比較分析，提出了我國農(nóng)業(yè)機器系統(tǒng)研究中應(yīng)解決的主要問題，并指出了今后我國農(nóng)業(yè)機器系統(tǒng)優(yōu)化研究應(yīng)突出的四個方面的重點，即（1）要對農(nóng)業(yè)機器系統(tǒng)研究所需數(shù)據(jù)進行充分的挖掘。（2）通過加強氣候、適時性損失的研究來提高優(yōu)化模型的精度（3）探索新技術(shù)、新方法在農(nóng)業(yè)機器系統(tǒng)研究中的應(yīng)用（4）加快形成決策支持系統(tǒng)的應(yīng)用性成果。

    農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效益如何，是由成本和收入決定的。生產(chǎn)成本決定于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程的各種要素，如種子、化肥、農(nóng)藥、勞動力、農(nóng)業(yè)機械等，而農(nóng)業(yè)機械在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中起著基礎(chǔ)的作用，它參與了一列系的田間作業(yè)過程，從zui初的土壤耕種到zui后的收獲，它的作業(yè)成本一般在總生產(chǎn)成本中要占有很大的比重。在發(fā)達國家，一般要占50%左右[1]，在我國以種植業(yè)為主的機械化水平較高的農(nóng)場，農(nóng)業(yè)機器成本一般要占30－50%[2]，它在生產(chǎn)成本中比重zui大，因此要給予特別的關(guān)注。根據(jù)國內(nèi)外的管理經(jīng)驗，農(nóng)業(yè)機器系統(tǒng)配置水平的不同，將使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的經(jīng)濟效益產(chǎn)生顯著差異，因此，農(nóng)業(yè)機器優(yōu)化系統(tǒng)研究的具有十分重要的現(xiàn)實意義。

2 農(nóng)業(yè)機器優(yōu)化系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀

2．1 農(nóng)業(yè)機器系統(tǒng)研究的優(yōu)化目標

農(nóng)業(yè)機器優(yōu)化系統(tǒng)的研究，主要是通過合理配置農(nóng)業(yè)機器來降低作業(yè)成本，從而獲得較高的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益，在以往的研究中，主要確定了以下幾種不同的優(yōu)化目標。

1）農(nóng)業(yè)機器作業(yè)成本zui低

      在保證農(nóng)業(yè)生產(chǎn)任務(wù)按計劃完成的前堤下，投入的農(nóng)業(yè)機器作業(yè)成本zui低是投資者經(jīng)?？紤]的原則，這種方法可以不考慮機組選擇和作物輪作方式的相互影響，一般僅能在人工完成配置的機組中進行選擇，也不能處理拖拉機和農(nóng)機具的合理配置問題，它把沒能按農(nóng)時要求完成作業(yè)而產(chǎn)生的適時性損失作為懲罰因子計入總成本中。如文獻[3]從zui小成本角度來選擇合適的動力配置水平，種植作物為三種不同品種水稻、黃麻、小麥，輸入變量為種植面積、輪作方式、田間作業(yè)次序、作物產(chǎn)量、產(chǎn)值、機器購買價格等，優(yōu)化結(jié)果表明，動力配置水平將隨著種植面積、輪作方式的變化而產(chǎn)生顯著變化。文獻[4 ~ 10] 都以農(nóng)業(yè)機器作業(yè)成本zui低作為優(yōu)化的目標。

2） 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)收益zui大 

      投資者進行決策，總是希望獲取zui大收益，這種方法主要考慮了農(nóng)業(yè)機器成本，也考慮了土地、產(chǎn)量、種子、化肥、農(nóng)藥、勞動力等成本要素，因而以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益zui大化為目標比較符合實際決策背景，能直接指導(dǎo)投資者進行決策，決策結(jié)果也容易被用戶接受。如文獻[8]設(shè)計了種植作物為大豆、花生的農(nóng)業(yè)機器系統(tǒng)比較和成本分析模型，輸入變量為種植作物產(chǎn)量、產(chǎn)值、備選機器參數(shù)、田間作業(yè)次序、各項作業(yè)的起止日期等，通過計算農(nóng)業(yè)機器成本、適時性損失等，可獲得純農(nóng)業(yè)收入，比較得到zui大的收益方案，可優(yōu)化出相應(yīng)的農(nóng)業(yè)機器配置方案。文獻[11]也是以zui大收益作為決策目標來研究的。

3） 動力資源配置zui少

     有的學者基于能量的觀點，以整個農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)消耗的能量zui低為優(yōu)化目標，這種方法符合系統(tǒng)工程的思想，但在測算能量消耗時比較困難，也不直觀，一般僅適合研究人員使用。

文獻[12]設(shè)計了一個決策支持系統(tǒng)，用來優(yōu)化農(nóng)業(yè)機器系統(tǒng)配置，它建立了田間作業(yè)和運輸?shù)囊苿邮阶鳂I(yè)的能量消耗方程，以及灌溉和脫粒的固定式作業(yè)能量消耗方程，zui后優(yōu)化出了相應(yīng)的動力資源配備。其它相關(guān)的研究有文獻[13,14]。

2．2 農(nóng)業(yè)機器系統(tǒng)優(yōu)化的主要方法

1） 作業(yè)量法

      作業(yè)量法也稱生產(chǎn)率法。這是歷史悠久而且目前還被廣泛應(yīng)用的一種確定農(nóng)業(yè)機器系統(tǒng)配備量的方法。它是根據(jù)全年中間作業(yè)高峰階段的工作量來配備拖拉機的數(shù)量，只要滿足了高峰作業(yè)階段對拖拉機數(shù)量的要求，其它作業(yè)階段所需的拖拉機臺數(shù)都可用滿足，作業(yè)量法受到普遍歡迎的原因在于它不需要高深的數(shù)學知識和復(fù)雜的計算工具，而計算結(jié)果既能夠滿足農(nóng)業(yè)機械化生產(chǎn)過程中各個環(huán)節(jié)對機器的需要，又能在一定程度上實現(xiàn)經(jīng)濟優(yōu)化的目的。它一般不考慮適時性損失的影響。作業(yè)量法又分為生產(chǎn)率法、能量法和時間約束法。這些方法計算方便，但精度較低，隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在已很少單獨使用。

2） 機器－時間系統(tǒng)配備法

      該方法的創(chuàng)始人HUNT提出將每種農(nóng)具的年度成本表示為農(nóng)具的有效幅寬的函數(shù)，拖拉機的年度成本寫成zui大牽引功率的函數(shù)，對函數(shù)進行求導(dǎo)，并令其為0，就可得出的幅寬或牽引功率。同時HUNT還考慮了作業(yè)的適時性損失，并考察其與農(nóng)業(yè)機器成本相加構(gòu)成的總成本，從而得出優(yōu)化配備方案[15]。但這種方法一般不考慮作業(yè)時間順序，并且一次計算只以一種機型為對象，不便對若干機型進行優(yōu)選。

3） 專家調(diào)查法 

      專家調(diào)查法主要是考慮到農(nóng)機性能評價是一個多指標、多層次的復(fù)雜系統(tǒng)，許多指標不易直接量化，因此充分重視專家的經(jīng)驗來解決問題，它有時比數(shù)學模型更有效，但要求專家的經(jīng)驗比較可靠。如文獻[16]設(shè)計了農(nóng)業(yè)機械性能評價與選型的專家系統(tǒng)，為用戶提供了科學決策的依據(jù)和手段。文獻[17]用德爾菲法預(yù)測湖南雙峰縣農(nóng)機配備趨向，對31種農(nóng)業(yè)機械給給予模糊評審，再按規(guī)定的評審因子來打分，達到了模糊概念數(shù)量化的目的。

4） 線性規(guī)劃法

      線性規(guī)劃可以處理未知數(shù)量很多的問題，同時從許多個可行方案中找出一個*的方案，這是線性規(guī)劃法的突出有點，但是運用線性規(guī)劃法必須有一個前提條件，它要求全部必要的經(jīng)濟條件和農(nóng)藝條件都能用線性不等式方程列出來，而且作為*化的目標函數(shù)也應(yīng)用線性方程式列出。這種方法的主要不足是計算結(jié)果會產(chǎn)生小數(shù)，尤其是勞動力和農(nóng)業(yè)機器數(shù)量產(chǎn)生小數(shù)，難以直接指導(dǎo)生產(chǎn)實踐，因此zui后的結(jié)果必須在優(yōu)化的結(jié)果上再作調(diào)整。文獻[18]以效益zui大化為目標，以機器、勞動力、作業(yè)量等為限制條件，建立了線性規(guī)劃模型。文獻[19]根據(jù)我國農(nóng)業(yè)機器田間作業(yè)的基本要求和特點，分析了現(xiàn)行農(nóng)業(yè)機器線性規(guī)劃配備模型在實際應(yīng)用中存在的問題和缺點，并提出了兩種改進模型，模型能較好地滿足生產(chǎn)實際的需要。文獻[20]對江蘇省國營機械化小農(nóng)場機器系統(tǒng)進行了優(yōu)化。文獻[21]建立了華北一年兩熟地區(qū)農(nóng)田機器系統(tǒng)線性規(guī)劃模型。還有許多學者根據(jù)具體情況，為某生產(chǎn)單位農(nóng)業(yè)機器系統(tǒng)建立了線性規(guī)劃模型[22 ~ 24]，并將優(yōu)化結(jié)果指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

5） 非線性規(guī)劃法

       非線性規(guī)劃法可以分為有約束和無約束條件兩種情況，都屬于求一個多元高階函數(shù)極大值或極小值的問題，它已經(jīng)成為*化技術(shù)中一門獨立的學科。同線性規(guī)劃一樣，非線性規(guī)劃也能求解十分龐大復(fù)雜的農(nóng)業(yè)機器優(yōu)化問題。非線性規(guī)劃的缺點是它的解往往是局部的*解，為了求出全局*解，只能從多個初始點出發(fā)進行迭代運算，再從中挑選*者。

     文獻[25]利用非線性規(guī)劃方法對友誼農(nóng)場五分場一隊田間作業(yè)機器進行了選型配備優(yōu)化設(shè)計，以機器費用、勞力工資、適時性損失zui小為目標建立非線性規(guī)劃數(shù)學模型，應(yīng)用計算機求得了*田間作業(yè)機器系統(tǒng)。文獻[26]利用非線性規(guī)劃法建立了黑龍江省收獲機器系統(tǒng)配備的模擬優(yōu)化模型，并通過對不同作業(yè)面積、種植比例和收獲作業(yè)天數(shù)模擬得出對機器系統(tǒng)成本影響因素的主次關(guān)系。文獻[27]以zui小作業(yè)成本為目標，拖拉機、農(nóng)機具可作業(yè)小時數(shù)，勞動力、農(nóng)時要求、作業(yè)次序、作業(yè)生產(chǎn)率等為限制條件，建立了非線性規(guī)劃模型，模型輸出為合適的拖拉機動力、拖拉機數(shù)量以及配套的農(nóng)機具。

6） 混合整數(shù)線性規(guī)劃

文獻[28]用混合整數(shù)線性規(guī)劃法來進行優(yōu)化，它處理過程較長，在有條件的優(yōu)化過程中，用戶必須不斷調(diào)整輸入的農(nóng)業(yè)機器等參數(shù)，直到找到合適的農(nóng)業(yè)機器配置方案。

7） 計算機模擬

      農(nóng)業(yè)機器系統(tǒng)優(yōu)化的一些問題有時很難用數(shù)學模型來描述的。在這種情況下利用計算機求解系統(tǒng)的*化問題有許多優(yōu)點，因此，這種方法日益受到人們的重視。文獻[29]建立了海倫雜糧區(qū)少耕耕作系統(tǒng)模型和計算機模擬模型，模型包括作物、土壤、機器動力性等十個子模型和一個主體工藝模型，利用氣象資料，對一種現(xiàn)存的和兩種改進的少耕系統(tǒng)進行模擬，取得較好的效果。文獻[30]以國營農(nóng)場種植業(yè)機器作業(yè)系統(tǒng)為研究對象，在深入分析國內(nèi)外農(nóng)業(yè)機器配備理論、方法和模擬的基礎(chǔ)上，針對優(yōu)化配備在實際運用中存在建模復(fù)雜、求解困難、工作量大等主要問題，建立了計算機自動生成機器配備數(shù)學規(guī)劃模型的一套完整的程序化軟件。文獻[31]用基于遺傳算法的計算機模型來優(yōu)化農(nóng)業(yè)機器系統(tǒng)，以期獲得zui大效益，結(jié)果表明，遺傳算法不僅減少了尋優(yōu)時間，也改進了優(yōu)化的質(zhì)量。

3 我國農(nóng)業(yè)機器系統(tǒng)研究要解決的主要問題

3．1 農(nóng)業(yè)機器的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)不足 

      農(nóng)業(yè)機器系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)匱乏一直是農(nóng)業(yè)機器系統(tǒng)的障礙性問題，國內(nèi)農(nóng)業(yè)機器方面的研究一般數(shù)據(jù)來源非常窄，大多僅立足于農(nóng)場現(xiàn)有的農(nóng)業(yè)機器數(shù)據(jù)，有的學者則是在與國外學者進行合作研究的基礎(chǔ)上形成成果的[32]。

3．2 耕作制度的科學性研究不足

農(nóng)業(yè)機器的主要任務(wù)是完成農(nóng)藝要求的作業(yè)過程，隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，耕作方式發(fā)生了很大的變化，少耕法、免耕法、套種和直播技術(shù)的發(fā)展，使農(nóng)業(yè)機器的任務(wù)有所轉(zhuǎn)變，耕作制度的變化顯著影響著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的過程，尤其影響著農(nóng)業(yè)機器配備成本、作物產(chǎn)量等，而我國學者在這方面缺乏專門的研究，現(xiàn)有的研究成果都立足于農(nóng)場現(xiàn)有的作業(yè)流程，對耕作制度本身的科學性缺乏深入的研究，從而影響了機器配備的精度。

3．3 適時性損失的研究尚無應(yīng)用性成果

      在農(nóng)業(yè)機器系統(tǒng)優(yōu)化的研究中，適時性損失是要考慮的非常重要的因素，如果某項田間作業(yè)沒能按農(nóng)時要求完成，它會直接影響到作物的產(chǎn)量。農(nóng)業(yè)機器配備過多，它會顯著降低適時性損失，但農(nóng)業(yè)機器的總成本會增加；如果農(nóng)業(yè)機器的配備不足，則會降低農(nóng)業(yè)機器總成本，但同時又會使適時性損失增加，因此在配備中必須考慮農(nóng)業(yè)機器成本和適時性損失之間的相互影響。在實際研究中，由于實驗數(shù)據(jù)的不充分，而且已有的研究結(jié)果也僅適合于在氣候、土壤、作物種類、種植季節(jié)等種植條件相近的情況下應(yīng)用，不能適于其它地區(qū)引用，因而在研究中適時性損失常被忽略，而代之以要求某項作業(yè)要在規(guī)定的時間段內(nèi)完成，它成為農(nóng)業(yè)機器系統(tǒng)優(yōu)化研究中zui難解決的問題之一[33]。但適時性損失的研究也已具備了一定的基礎(chǔ)，文獻[34]認為，在某一優(yōu)化的作業(yè)期內(nèi)，不會產(chǎn)生適時性損失，而提前或滯后這一優(yōu)化的作業(yè)期，將按線性關(guān)系產(chǎn)生適時性損失。文獻[35]認為，假定某一天為優(yōu)化的作業(yè)日，則提前或滯后這一優(yōu)化的作業(yè)日，都將按線性關(guān)系產(chǎn)生適時性損失。文獻[6]在IOWA州通過實驗數(shù)據(jù)得出適時性損失與作業(yè)分布日期的二次方程式，但結(jié)果也僅適于實驗地區(qū)引用。國內(nèi)也有不少學者對適時性損失進行了研究，文獻[36]建立了數(shù)學模式，采用求極值的數(shù)學方法，使適時損失及農(nóng)業(yè)機器成本的費用之和為zui小，以確定合理的作業(yè)期限和農(nóng)業(yè)機器配備量。文獻[37]提出了適時性函數(shù)的概念，并根據(jù)這一函數(shù)，探討了計算作業(yè)的適時性費用和確定作業(yè)期較佳分布的方法。文獻[38]則在HUNT的基礎(chǔ)上，提出了不同產(chǎn)量函數(shù)下適時作業(yè)限期合理延遲天數(shù)的確定方法，以及依據(jù)作物產(chǎn)量函數(shù)計算適時性損失的方法。

3．4 氣候?qū)r(nóng)業(yè)機器配備影響的研究不充分

農(nóng)業(yè)機器系統(tǒng)的配置，都受到天氣這一自然因素的制約，農(nóng)田作業(yè)中耕、耙、播、收等工作日期因每年的氣候不同會有很大差異，只有科學測算氣候?qū)ψ鳂I(yè)的影響，才能避免由于機器投資過量而引起總成本上升，或者因農(nóng)業(yè)機器數(shù)量不足而引起適時性損失過大。文獻[39]通過對影響機器不能下地作業(yè)的多因素分析，建立了包括降雨量、日均溫度、蒸發(fā)、前期降雨、徑流、滲漏和土壤性質(zhì)等因素在內(nèi)的計算機器可下地概率的模型，但模型尚不能普遍應(yīng)用。文獻[40，41]對多年的歷史氣象數(shù)據(jù)進行了模擬,使系統(tǒng)能較好地擬合實際情況,從而降低了農(nóng)業(yè)機器配備的風險。

3．5 農(nóng)業(yè)機器配備中折舊費用的計算問題不太科學

農(nóng)業(yè)機器折舊費用在農(nóng)業(yè)機器作業(yè)成本中占有很大的比重，在以往的研究中，大多采用直線折舊法，如[4，5，9，35]都以直線折舊來計算折舊費的。也有采用投資回收因子的計算辦法[42]，文獻[43]曾對不同的折舊方法進行了專門的比較研究，結(jié)果表明，不同折舊方法對各年提取的折舊費用產(chǎn)生較大的差異。因此，在研究中，要根據(jù)生產(chǎn)實際，選擇農(nóng)業(yè)機器價值轉(zhuǎn)移規(guī)律與折舊費用變化規(guī)律一致的辦法來計算，才能保證決策的科學性。

4 今后的研究方向

農(nóng)業(yè)機器系統(tǒng)優(yōu)化是非常繁瑣和耗時的過程,今后的研究中要突出下面四個方面重點，

1） 農(nóng)業(yè)機器系統(tǒng)有效數(shù)據(jù)的獲取。

農(nóng)業(yè)機器系統(tǒng)的研究，需要大量的數(shù)據(jù)，而且隨著新機器的不斷出現(xiàn)，新的耕作方式的不斷變化，這些數(shù)據(jù)都要及時更新。農(nóng)業(yè)機器系統(tǒng)研究所需的相應(yīng)數(shù)據(jù)都要進行大量的調(diào)研工作，有些數(shù)據(jù)要通過田間實際測量才能得到。

2） 氣候、適時性損失的研究要進一步深入。

農(nóng)業(yè)機器系統(tǒng)研究的目標是為了應(yīng)用，這就要求提高農(nóng)業(yè)機器系統(tǒng)優(yōu)化模型的精度。因此對氣候、適時性損失的研究一定要有較好積累，才能加快成果應(yīng)用的步伐。

3） 新技術(shù)，新方法的應(yīng)用

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，我們已能方便地用LINDO，LINGO軟件來處理線性規(guī)劃和非線性規(guī)劃問題[44，45]。計算機摸擬技術(shù)發(fā)展很快，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)會有較快的發(fā)展和應(yīng)用，它是由多個神元連接而成，可以用來摸擬人腦思維行為，作出科學的決策[46，47]。

4） 決策支持系統(tǒng)成果會有越來越多的應(yīng)用。

在國外，已有一些比較成熟、方便用戶使用的應(yīng)用性成果，這些成果大都以決策支持系統(tǒng)的形式出現(xiàn)，方便用戶使用，在生產(chǎn)實際中產(chǎn)生了積極的影響。在加拿大，Murray等也開發(fā)了一個決策支持系統(tǒng)，該系統(tǒng)用于管理加拿大主要農(nóng)作物生產(chǎn)過程的多個方面，如作物種類選擇、作業(yè)機器選擇、種植計劃、作物輪作、施肥、病蟲害管理、殘余物管理、收獲、土壤保護等過程，以獲得*的經(jīng)濟效益[48]。在意大利，Massimo Lazzari 等開發(fā)了一個“農(nóng)業(yè)機械系統(tǒng)評測”的模型，從戰(zhàn)略和管理的角度分析了意大利農(nóng)場的農(nóng)業(yè)機械化問題，輸入作物品種、輪作時間和每一種作物的田間作業(yè)過程，模型能給出農(nóng)業(yè)機器系統(tǒng)的配套方案[49]。在丹麥，Sorensen 開發(fā)了決策支持系統(tǒng)，重點用于制訂作物田間種植計劃和作業(yè)計劃[50]；在澳大利亞，E.Li和其它研究人員也為農(nóng)戶開發(fā)了決策支持系統(tǒng)，以利于做出更好的決策[51]。Butani等也開發(fā)了一優(yōu)化的決策支持系統(tǒng)，能根據(jù)作物地區(qū)差異性、作物作業(yè)次序、農(nóng)場特點、農(nóng)機設(shè)備擁有量和型號、資源成本等因素直接為農(nóng)戶提供決策意見，zui后輸出優(yōu)化的農(nóng)業(yè)機器系統(tǒng)[12] 。美國在這方面更是積累了一系列的成果，如McKinion 等已開發(fā)了用于支持棉花生產(chǎn)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程的決策支持系統(tǒng)，它能利用產(chǎn)量分布圖、土壤分布圖、土壤肥料分布圖，決策支持系統(tǒng)能直接控制農(nóng)機進行變量播種、施肥和施藥等過程[52]。

我國在這方面研究起步較晚，研究基礎(chǔ)薄弱，目前尚無廣泛應(yīng)用的應(yīng)用性成果，今后這方面的研究有著廣闊的發(fā)展空間。