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(chǎng)，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(chǎng)，黑龍江 佳木斯 156335）

農(nóng)作物秸稈田間打捆后收集及運(yùn)輸中存在機(jī)器系統(tǒng)配備問(wèn)題，裝載及運(yùn)載機(jī)械配備不合理導(dǎo)致作業(yè)成本增加，延誤農(nóng)時(shí)。結(jié)合生物質(zhì)秸稈收獲作業(yè)對(duì)裝載機(jī)及運(yùn)輸機(jī)械作業(yè)時(shí)間實(shí)地測(cè)量數(shù)據(jù)，將工業(yè)工程方法應(yīng)用于分析裝載與運(yùn)載機(jī)械聯(lián)合作業(yè)關(guān)系，建立作業(yè)時(shí)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(duì)4種配備方案作建模與仿真分析，得出中小型農(nóng)場(chǎng)采用2輛裝載和1輛運(yùn)載機(jī)械且裝載機(jī)跟行方案時(shí)農(nóng)場(chǎng)收獲運(yùn)輸成本最低。可為田間生物質(zhì)收獲機(jī)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(yùn)輸、儲(chǔ)存技術(shù)路線為：收獲后用圓捆或方捆打捆機(jī)打捆、裝載、運(yùn)輸、堆垛或直接散裝存儲(chǔ)[2]。其中，法國(guó)庫(kù)恩公司生產(chǎn)的VB2190系列圓捆打捆機(jī)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(jī)相對(duì)圓捆打捆機(jī)，技術(shù)和結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，但壓制草捆密實(shí)度更高，捆型更整齊，在運(yùn)輸存儲(chǔ)過(guò)程中不易變形。德國(guó)克拉斯生產(chǎn)的QUADRANT系列方捆打捆機(jī)作業(yè)幅寬可達(dá)2.35 m，草捆長(zhǎng)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(guó)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(jī)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(zhǎng)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(yùn)輸方面使用拖拉機(jī)和卡車。農(nóng)作物秸稈收獲運(yùn)輸成為促進(jìn)秸稈資源化關(guān)鍵環(huán)節(jié)。針對(duì)生物質(zhì)外物流（即從田間到收儲(chǔ)中心到加工廠物流）研究，國(guó)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(jī)器系統(tǒng)效率，確定有效收獲系統(tǒng)[6-7]；Gutesa等針對(duì)大型方形生物質(zhì)捆運(yùn)輸分析，用ExtendSim建立仿真模型[8]；Morey等對(duì)玉米秸稈物流系統(tǒng)展開(kāi)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(yùn)儲(chǔ)系統(tǒng)提供依據(jù)[10-11]；馬力等建模研究現(xiàn)場(chǎng)收獲運(yùn)輸系統(tǒng)，為收獲機(jī)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(duì)大規(guī)模秸稈物流處理，對(duì)中小型農(nóng)場(chǎng)農(nóng)作物秸稈田間收獲及物流運(yùn)輸成本分析較為少見(jiàn)。因此，本研究應(yīng)用工業(yè)工程方法分析裝載與運(yùn)載機(jī)械聯(lián)合作業(yè)關(guān)系，以運(yùn)籌學(xué)方法建立生物質(zhì)成捆后收集運(yùn)輸作業(yè)時(shí)間及成本數(shù)學(xué)模型，通過(guò)分析過(guò)程相關(guān)數(shù)據(jù)，應(yīng)用建模仿真方法研究裝載和運(yùn)載機(jī)械配置，引導(dǎo)中小型農(nóng)場(chǎng)農(nóng)戶理性購(gòu)機(jī)，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(guò)程描述

草本生物質(zhì)（秸稈）田間收獲過(guò)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(yùn)輸，作業(yè)過(guò)程如圖1所示[15]。

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

由圖1可知，生物質(zhì)秸稈首先經(jīng)過(guò)收割機(jī)割倒（或切斷），通過(guò)打捆機(jī)形成生物質(zhì)草捆，利用裝載機(jī)收集裝載，運(yùn)輸?shù)絺}(cāng)儲(chǔ)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(jī)打捆，從農(nóng)場(chǎng)（即田間）經(jīng)裝載機(jī)收集運(yùn)輸至倉(cāng)儲(chǔ)地所花費(fèi)成本。模型中主要作業(yè)實(shí)體包括裝載及運(yùn)載機(jī)械，兩個(gè)實(shí)體作業(yè)過(guò)程如下：

（1）裝載機(jī)：文中所討論裝載機(jī)為當(dāng)前中小型農(nóng)場(chǎng)中常見(jiàn)撿拾裝載設(shè)備，裝載機(jī)1次操作1個(gè)草捆。裝載機(jī)作業(yè)劃分為3個(gè)作業(yè)單元，即裝載機(jī)到達(dá)草捆，抓起草捆，運(yùn)行至運(yùn)輸車，卸載，運(yùn)行至下1個(gè)草捆。將裝載機(jī)工作時(shí)間分段：

①行走時(shí)間（tw），即裝載機(jī)從1個(gè)生物質(zhì)捆或運(yùn)載機(jī)械到1個(gè)生物質(zhì)捆往返時(shí)間；

②撿拾時(shí)間（tg），指裝載機(jī)到達(dá)目標(biāo)后停下，抓起生物質(zhì)捆，轉(zhuǎn)向?qū)?zhǔn)運(yùn)載機(jī)械或目標(biāo)地時(shí)間。

③卸載時(shí)間（tu)， 即裝載機(jī)將生物質(zhì)捆放下（或裝上運(yùn)載機(jī)械）并轉(zhuǎn)向?qū)?zhǔn)下1個(gè)生物質(zhì)捆時(shí)間。

（2）運(yùn)載機(jī)械： 運(yùn)載機(jī)械每次可以裝載N0個(gè)草捆，滿載后將草捆運(yùn)至距離農(nóng)場(chǎng)L倉(cāng)儲(chǔ)地，返回作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)。

1.2 分析模型建立方案

建模分析過(guò)程中將裝載與運(yùn)載機(jī)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(yùn)載機(jī)械?？课恢?、運(yùn)載機(jī)械與裝載機(jī)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(jī)1輛運(yùn)載機(jī)械方案建模，運(yùn)載機(jī)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(guò)程中為避免行走路線混亂，應(yīng)用重心法原理[17]，裝載機(jī)以運(yùn)載機(jī)械為原點(diǎn)，以運(yùn)載機(jī)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(yùn)載機(jī)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(shí)間設(shè)定

2.1.1 裝載作業(yè)時(shí)間

裝載1個(gè)生物質(zhì)捆時(shí)間設(shè)為T(mén)b，可分為以下3部分：

① 抓起1個(gè)生物質(zhì)捆時(shí)間（包括調(diào)整方向、對(duì)準(zhǔn)動(dòng)作及轉(zhuǎn)向），設(shè)為tg。

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

③ 行走時(shí)間（即抓起后行走到放置處時(shí)間），設(shè)為tw。

其中，tw由生物質(zhì)捆與運(yùn)載機(jī)械距離以及生物質(zhì)捆之間距離和裝載機(jī)速度決定。 裝載N0個(gè)生物質(zhì)捆時(shí)間設(shè)為T(mén)1，則

T1—裝載機(jī)裝N0個(gè)生物質(zhì)捆時(shí)間

N0—運(yùn)載機(jī)械承載能力

tg—裝載機(jī)抓起一個(gè)生物質(zhì)捆時(shí)間（包括調(diào)整方向、對(duì)準(zhǔn)動(dòng)作及轉(zhuǎn)向）

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

tw—裝載機(jī)行走時(shí)間（即抓起后行走到放置處時(shí)間）

2.1.2 運(yùn)載作業(yè)時(shí)間

本文設(shè)運(yùn)載機(jī)械最大容量可裝N0個(gè)生物質(zhì)捆，運(yùn)載時(shí)間可分為收集生物質(zhì)捆時(shí)間、運(yùn)輸及等待時(shí)間。運(yùn)輸時(shí)間主要由倉(cāng)儲(chǔ)與農(nóng)場(chǎng)距離及運(yùn)載機(jī)械速度決定。

T2—運(yùn)載機(jī)械運(yùn)輸時(shí)間

L—農(nóng)場(chǎng)距倉(cāng)儲(chǔ)距離

vu—運(yùn)載機(jī)械空載速度

vL—運(yùn)載機(jī)械滿載速度

2.2 運(yùn)載機(jī)械跟行情況

運(yùn)載機(jī)械跟隨裝載機(jī)作業(yè)，當(dāng)運(yùn)載機(jī)械裝滿后運(yùn)往倉(cāng)儲(chǔ)地時(shí)裝載機(jī)繼續(xù)生物質(zhì)捆收集作業(yè)，在運(yùn)載機(jī)械返回前將生物質(zhì)捆收集于一處。本文假設(shè)裝載機(jī)在運(yùn)輸機(jī)械返回前收集生物質(zhì)捆至N0個(gè)時(shí)，若運(yùn)載機(jī)械仍未返回則停止收集作業(yè)等待運(yùn)載機(jī)械返回。裝載機(jī)與運(yùn)載機(jī)械作業(yè)時(shí)間存在如下兩種關(guān)系：

（1）當(dāng)T1≥T2時(shí)，即運(yùn)載機(jī)械運(yùn)輸時(shí)間≤其農(nóng)場(chǎng)作業(yè)時(shí)間，則此種作業(yè)裝載機(jī)及運(yùn)載機(jī)械聯(lián)合作業(yè)圖如圖2所示，裝載機(jī)行走路線及與運(yùn)載機(jī)械位置情況如圖3所示。

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

圖3 叉車與運(yùn)載機(jī)械行走路線Fig.3 Layout of stacker and truck in field

由圖2可知，裝載機(jī)跟行運(yùn)載機(jī)械裝載作業(yè)，在運(yùn)載機(jī)械裝滿運(yùn)往倉(cāng)儲(chǔ)地同時(shí)裝載機(jī)繼續(xù)草捆收集作業(yè)，因?yàn)門(mén)1≥T2當(dāng)運(yùn)載機(jī)械返回時(shí)裝載機(jī)收集草捆數(shù)≤N0。根據(jù)裝載機(jī)與運(yùn)載機(jī)械工作過(guò)程和圖2得出裝載機(jī)和運(yùn)載機(jī)械全部作業(yè)時(shí)間如公式（3）、（9）所示，總成本如公式（12）所示。

其中：

T1—裝滿運(yùn)載機(jī)械時(shí)間

N—生物質(zhì)捆總數(shù)

vf—裝載機(jī)行走速度

l—生物質(zhì)草捆間距離

因?yàn)檫\(yùn)載機(jī)械是跟行作業(yè)，裝載機(jī)行走時(shí)間tw為在生物質(zhì)捆之間行走時(shí)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(shí)間

N1—在T2時(shí)間內(nèi)收集生物質(zhì)捆數(shù)量

柴油機(jī)械燃料消耗（L）：

其中：

Pe—發(fā)動(dòng)機(jī)功率

b—燃料消耗率，通常以每千瓦小時(shí)的耗油量表示農(nóng)機(jī)內(nèi)部發(fā)動(dòng)機(jī)燃料消耗率一般為：170~220 g·(kW·h)-1[18]，結(jié)合實(shí)際情況，本文中的裝載機(jī)和運(yùn)載機(jī)械每千瓦小時(shí)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(shí)燃油成本為：

其中，Pd為燃料價(jià)格，取4.23元·L-1。

設(shè)運(yùn)載機(jī)械和裝載機(jī)操作人員作業(yè)時(shí)間與機(jī)器作業(yè)時(shí)間相同，則總成本為：

其中：

w1—裝載機(jī)人員作業(yè)成本（元·h-1）

μ1— 裝載機(jī)租賃費(fèi)用（元·h-1）

w2—運(yùn)載機(jī)械人員作業(yè)成本（元·h-1）

μ2—運(yùn)載機(jī)械租賃費(fèi)用（元·h-1）

（2）當(dāng)T1

圖4 裝載機(jī)和運(yùn)載機(jī)械聯(lián)合作業(yè)（T1

此時(shí)分兩種情況：

①若T2時(shí)間內(nèi)，裝載機(jī)收集生物質(zhì)捆數(shù)

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

裝載機(jī)總作業(yè)時(shí)間：

其中：

T31—裝載機(jī)撿拾收集和裝載N0個(gè)生物質(zhì)捆時(shí)間

在公式（13）中，若裝載機(jī)收集N0個(gè)生物質(zhì)捆時(shí)間

運(yùn)輸車總作業(yè)時(shí)間為：

總成本為：

2.3 運(yùn)載機(jī)械等待情況

此情況下運(yùn)載機(jī)械在農(nóng)場(chǎng)裝滿N0生物質(zhì)捆時(shí)間T1為：

t0w—將運(yùn)載機(jī)械裝滿時(shí)裝載機(jī)行走所用時(shí)間

為使作業(yè)時(shí)間最短，裝載機(jī)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(gè)生物質(zhì)捆區(qū)域劃分，以運(yùn)載機(jī)械?？课恢脼閰^(qū)域中心，裝載機(jī)圍繞運(yùn)載機(jī)械收集作業(yè)。

將第ni（i=1,2,…，N0）個(gè)生物質(zhì)捆與運(yùn)載機(jī)械距離設(shè)為li（i=1,2,…，N0），則：

其中：

(xt,yt)—為運(yùn)載機(jī)械坐標(biāo)位置

(xi,yi)—為第ni個(gè)生物質(zhì)捆位置坐標(biāo)

此種情況下裝載機(jī)與運(yùn)載機(jī)械作業(yè)時(shí)間存在如下兩種關(guān)系：

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

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

圖6 叉車與運(yùn)載機(jī)械行走路線Fig.6 Layout of stacker and truck in field

圖5 可知，在運(yùn)載機(jī)械運(yùn)輸期間，裝載機(jī)收集草捆≤N0，根據(jù)裝載機(jī)械和運(yùn)載機(jī)聯(lián)合作業(yè)關(guān)系可得出裝載機(jī)及運(yùn)載機(jī)械全部作業(yè)時(shí)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(shí)間內(nèi)裝載機(jī)收集生物質(zhì)捆數(shù)量≤N0，則

其中：

Tf—裝載機(jī)總作業(yè)時(shí)間

T32—裝載剩余生物質(zhì)捆時(shí)間

N1—T2時(shí)間內(nèi)叉車收集生物質(zhì)捆數(shù)量

運(yùn)載機(jī)械所用總時(shí)間為：

總成本（包括作業(yè)人員成本）為：

(2)當(dāng)T1

此時(shí)T2時(shí)間內(nèi)，裝載機(jī)收集生物質(zhì)捆數(shù)量等于N0后停止作業(yè)，等待運(yùn)載機(jī)械返回。

圖7 裝載機(jī)和運(yùn)載機(jī)械聯(lián)合作業(yè)（T1

由圖7作業(yè)流程可得出裝載機(jī)及運(yùn)載機(jī)械全部作業(yè)時(shí)間公式如下：

①裝載機(jī)總作業(yè)時(shí)間：

其中：

T33—裝載機(jī)撿拾和卸載N0個(gè)生物質(zhì)捆時(shí)間t10w—裝載機(jī)裝載N0個(gè)生物捆行走時(shí)間

②運(yùn)載機(jī)械所用時(shí)間為：

總成本：

此種情況下裝載機(jī)出現(xiàn)等待情況，總等待時(shí)間為：

Δt—裝載機(jī)每次等待時(shí)間

ΔT—裝載機(jī)總等待時(shí)間

在實(shí)際生產(chǎn)中Δt數(shù)值可確定是否多配備運(yùn)載機(jī)械。

3 實(shí)證分析

為驗(yàn)證收獲成本模型可靠性、實(shí)效性，以某小型農(nóng)場(chǎng)小麥秸稈收獲及運(yùn)輸物流成本核算為研究對(duì)象。

3.1 所需參數(shù)確定

模型參數(shù)如表1、2所示。本實(shí)例中運(yùn)載機(jī)械空載速度和滿載速度相同，農(nóng)場(chǎng)到倉(cāng)儲(chǔ)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(chǎng)收1個(gè)生物質(zhì)捆對(duì)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(gè)，生物質(zhì)捆在田間可分布115行并且每行有2個(gè)生物質(zhì)捆。

表1 裝載機(jī)與運(yùn)載機(jī)械參數(shù)Table 1 Parameters of stacker and truck

表2 生物質(zhì)與農(nóng)場(chǎng)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(gè)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(jī)運(yùn)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(jì)算結(jié)果Table 3 Calculation results of model

由表3可知，本研究數(shù)據(jù)運(yùn)載機(jī)械運(yùn)輸時(shí)間小于農(nóng)場(chǎng)作業(yè)時(shí)間，即T1≥T2，且對(duì)于中小型農(nóng)場(chǎng)，農(nóng)場(chǎng)與倉(cāng)儲(chǔ)地距離較近，采用1輛裝載機(jī)和1輛運(yùn)載機(jī)械且運(yùn)載機(jī)械跟行收獲運(yùn)輸策略對(duì)于作業(yè)時(shí)間及成本而言較低。根據(jù)模型可針對(duì)不同類型農(nóng)場(chǎng)實(shí)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(jī)與運(yùn)載機(jī)械配備不合理是生物質(zhì)收獲作業(yè)時(shí)間較長(zhǎng)成本較高主要原因。以文中作業(yè)時(shí)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(shí)地測(cè)量小型農(nóng)場(chǎng)數(shù)據(jù)建立1輛裝機(jī)1輛運(yùn)載機(jī)械且運(yùn)載機(jī)械跟行小麥秸稈收獲運(yùn)輸模型仿真試驗(yàn)。裝載機(jī)與運(yùn)載機(jī)械在田間行走路線由track元素鋪設(shè)[19]，根據(jù)作業(yè)時(shí)間和成本模型，通過(guò)程序設(shè)計(jì)控制裝載機(jī)與運(yùn)載機(jī)械行走距離和作業(yè)時(shí)間，模型建立流程與運(yùn)行過(guò)程如圖9所示。

令仿真模型運(yùn)行收獲運(yùn)輸238個(gè)生物質(zhì)捆（本文實(shí)地調(diào)研小型農(nóng)場(chǎng)小麥秸稈共收獲約233個(gè)生物質(zhì)捆），時(shí)間單位設(shè)為小時(shí)，仿真模型及運(yùn)行結(jié)果如圖10所示。由圖10可知，裝載機(jī)總作業(yè)時(shí)間為10.09 h，運(yùn)載機(jī)械總作業(yè)時(shí)間為10.31 h，與表3結(jié)果相近。裝載機(jī)裝載過(guò)程中運(yùn)載機(jī)械會(huì)出現(xiàn)等待，為提高工作效率，降低總作業(yè)時(shí)間優(yōu)化仿真模型。

根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定本模型中配置方案分別為：A：1輛裝載機(jī)+1輛運(yùn)載機(jī)械；B：1輛裝載機(jī)+2輛運(yùn)載機(jī)械；C：2輛裝載機(jī)+1輛運(yùn)載機(jī)械；D：2輛裝載機(jī)+2輛運(yùn)載機(jī)械四個(gè)方案。在運(yùn)載機(jī)械跟行情況下設(shè)定模型運(yùn)行收獲運(yùn)輸238個(gè)生物質(zhì)捆，運(yùn)行結(jié)果如表4所示。

由表4可知，對(duì)于中小型農(nóng)場(chǎng)在運(yùn)載機(jī)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(jī)1輛運(yùn)載機(jī)械收獲運(yùn)輸生物質(zhì)捆總作業(yè)時(shí)間最短，分別為：裝載機(jī)總作業(yè)時(shí)間10.12 h，運(yùn)載機(jī)械總作業(yè)時(shí)間7.24 h，根據(jù)成本模型計(jì)算該策略作業(yè)成本為4 560.9306元。結(jié)合實(shí)際情況，修改上述仿真模型中元素設(shè)計(jì)參數(shù)，即可獲得不同農(nóng)場(chǎng)生物質(zhì)收獲中裝載機(jī)與運(yùn)載機(jī)械最佳配備量。

4 結(jié)論

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

表4 方案運(yùn)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(yùn)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(yùn)輸仿真試驗(yàn)，建立收獲運(yùn)輸系統(tǒng)仿真模型。實(shí)證分析驗(yàn)證成本核算模型可行性及實(shí)用性。中小型農(nóng)場(chǎng)實(shí)際數(shù)據(jù)仿真結(jié)果表明，中小型農(nóng)場(chǎng)且農(nóng)場(chǎng)距離倉(cāng)儲(chǔ)地較近情況采用2輛裝載機(jī)1輛運(yùn)載機(jī)械，運(yùn)載機(jī)械跟行為最優(yōu)方案。生物質(zhì)收獲運(yùn)輸系統(tǒng)配備方案仿真模型分析，可為不同農(nóng)場(chǎng)裝載和運(yùn)載機(jī)械配備提供參考依據(jù)，解決農(nóng)場(chǎng)因裝載與運(yùn)載機(jī)械配備不合理造成的作業(yè)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、成本過(guò)高等問(wèn)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(shí)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(bào),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(xiàng)目（201503116-04-01）

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