甘蔗机械化收获运输系统优化仿真研究

曾志强，区颖刚，余平祥，杨丹彤，刘庆庭



甘蔗机械化收获运输系统优化仿真研究

曾志强1a,2，区颖刚1a，余平祥1b，杨丹彤1a，刘庆庭1a

(1.华南农业大学 a.南方农业机械与关键技术教育部重点实验室;b.数学与信息学院，广州 510642；2.广东广垦农机服务有限公司，广东 遂溪 524244)

针对在甘蔗机械化收获田间转运、公路运输、糖厂卸蔗运输系统中存在车辆配置和调度不合理现象，严重影响甘蔗机械化生产发展的问题，以湛江农垦广前公司为实例，运用非线性规划建立优化模型，并通过 ExtendSim软件进行模拟研究。结果表明：运输系统优化后，在节约运输车辆投资、降低运输成本及缩短榨季时间方面取得了很好的效果，有利于促进甘蔗机械化收获的发展。

甘蔗机械化；收获运输系统；优化仿真

0 引言

甘蔗是我国主要的糖料作物，其面积占我国常年糖料面积的85%以上，产糖量占食糖总产的90%以上。2015年,我国甘蔗种植面积约170万hm2，仅次于巴西和印度位居世界第3位，甘蔗产业已成为我国甘蔗主产区经济发展的重要支柱和农民增收的主要来源。甘蔗机械化收获运输系统包括田间转运、公路运输及糖厂卸蔗等，是一个涉及到农机农艺、农业工业结合的系统工程。目前，我国甘蔗收获作业劳动强度大、效率低、耗人工多，占甘蔗生产总用工量的50%左右[1]。我国甘蔗机械化收获水平低，运输配备多和调度不合理，效率低、成本高，都是甘蔗生产发展的瓶颈,已成为蔗糖产业迫切期望解决的问题。广东湛江农垦20世纪90年代开始引进甘蔗机械化收割、运输设备进行了长期的大规模甘蔗机械化收获试验示范。现有CASE4000、CASE7000、CASE8000等甘蔗收割机7台，并配套E900T型、7YZ4型田间转运卡和公路运输车等[2-3]。经过多年的示范推广试验和改进，甘蔗机械化收获技术示范推广虽然已取得了初步成效，但仍然存在较多需要解决的问题，急需对甘蔗机械化收获、田间转运、公路运输及糖厂卸蔗等全过程的运输系统进行研究，为突破甘蔗机械化收获瓶颈提供实践经验和理论。因此，本文结合国家甘蔗技术体系项目，对广东湛江农垦广前公司的甘蔗机械化收获运输系统进行优化仿真研究。

1 广前公司甘蔗机械收获运输系统现状

1.1 运输系统简介

广前公司位于遂溪县城月镇广丰，是湛江垦区的甘蔗全程机械化试验示范基地之一，其机收水平已经达到全国领先水平；整个生产区分成64个生产队，分属两个子公司管理，这两个子公司分别是前进分公司和畔塘分公司；生产区占地面积12 307.19hm2，地块总面积达11 244.59hm2，而每公顷甘蔗平均产量约为64.5t。广前公司所有的甘蔗都要运输到广丰糖厂，整个甘蔗机械收获运输流程可分为甘蔗田间转运、公路运输和糖厂卸蔗3个环节，具体是由每台大型切段式甘蔗联合收割机配套两台田间运输车完成包括扶倒、切梢、收割、喂入、切段、清洗、装入田间转运卡，以及田间转运卡转运给公路运输车、公路运输、排队等候进厂、进厂后初始称重、自动卸蔗和出厂称重等流程。公路运输车卸蔗后就返回蔗田进行一轮运输，收获的甘蔗需要24h内进厂，收获流程需遵循的机械收获、甘蔗运输和糖厂卸蔗等技术规范。表1为2013-2014、2014-2015年榨季广前公司的运输系统信息。

1.2 存在问题

目前，广前公司的甘蔗机械化收获运输系统主要存在公路运输车数量多、在糖厂等待卸蔗耗时长及闲置时间长等问题，收割机需要经常停机等待公路运输车，甘蔗不能在规定24h内运输到糖厂进行压榨。运输季节，公路运输车在糖厂前排起长龙，平均等待进厂卸蔗时间高达8h，高峰期甚至要等待24h，严重影响了运输效率及收获效率。生产队、运输车公司、糖厂人员思想上还都存在运输车辆越多效率越高的误区。

表1 广前公司运输车信息表Table 1 Information of transport vehicle in Guangqian company

2 建模仿真

根据湛江农垦广前公司大型机械收获运输系统的实际运作情况和存在问题，在满足基本运输需求的前提下，优化公路运输车数量、减少糖厂排队等待时间、提高整个收获运输系统的运行效率，建立优化整个收获运输系统的可变运营成本的目标函数，运用ExtendSim软件进行仿真建模，进行校核和验证，再逐步优化[4-5]。

2.1 划分工作区

使用动态聚类分析法进行分区工作，将原来的64个生产队划分成9个生产区，每个生产区作为1个分支系统。根据各个生产区的面积和重心，使用3倍标准差法剔除其中的6个生产队，采用密度法选择凝聚点(动态凝聚法)，最后可以从58个生产队中得到9个坐标作为凝聚点，分别为编号为39、33、5、9、24、50、12、16、47的生产队。根据新分各区的重心和地籍图，可得广丰糖厂的坐标，并计算出各生产区的面积和生产区到糖厂的平均距离，如表2所示。

表2 各生产区面积、距离、预计收成量和仿真的收成量、公路运输车信息表Table 2 The area, distance,Expected harvest volume, simulated harvest volume, the information of road transporter in each district

2.2 构建优化目标函数

1)目标函数。在保证按期按量完成甘蔗收获运输任务的情况下，优化目标函数为可变运营成本最低化，目标函数为公路运输车总值、折旧费用、维修费用及员工工资的最低成本之和，表达式为[8-9]

式中 TTN—9个区(A～I)的公路运输车数量；

Tc—公路运输车原值50万元/辆；

Td—折旧率8%；

Tr—年维修费0.3万元/辆；

Ts—每辆运输车配备2名员工工资为3.6万元。

2)约束条件。运输车辆数总数量必须少于或等于现有运输车辆总数、各个生产区的收获运输量必须要大于或等于预计收成量。则有

式中 HSTi—各区的甘蔗预计总产量；

Ttd—每天每车运蔗车次；

Wcr—公路运输车载重量30t/辆；

Tfc—装满运输车时间为2.5h/车；

Di—各区与糖厂之间距离；

S—公路运输车辆速度为30m/h；

Tuf—每车在糖厂卸蔗时间为2h/次，

Dst—榨季110天，装满1辆田间车的时间是0.083h。

2.3 构建软件仿真模型

运用ExtendSim软件共用217个模块模拟了蔗田、公路、糖厂、车厂等4个场景中的关键作业。系统模型由田间收割、公路运输、糖厂卸蔗、车辆调度和统计信息五个功能模块组成，各模块结构图如图1～图4所示。其中，“田间收割”模块仿真收割机进行扶倒、切梢、收割、喂入、切段、清洗等收割工序以及将甘蔗装入田间运输车流程；“公路运输”模块仿真公路运输车在蔗田装满甘蔗后将其运输到糖厂流程；“糖厂卸蔗”模块则是仿真到达糖厂后排队等候进厂、进厂后称重卸蔗以及卸蔗后空车返回各个生产区的流程。“车辆调度”功能模块仿真一辆公路车完成原先的生产区运输工作后立即投入到剩余量最大生产区。而“统计信息”模块则是负责汇总统计模型运行中所得到的如运营成本和生产区收成量等信息。

图1 田间收割功能模块结构图Fig.1 The function block diagram of field harvesting

图2 车辆调度功能模块结构图Fig.2 The function block diagram of vehicle scheduling function

图3 各生产区的公路运输模型结构图Fig.3 The function block diagram of road transport function in each district

图4 糖厂卸蔗功能模块结构图Fig.4 The function block diagram of unload sugarcane function in mill

2.4 模型校验与调试

对模型需要检验收获运输系统中的甘蔗收割、公路运输和糖厂卸蔗3个流程的最终收成量、运输车效能、榨季天数与原实际运行系统是否相符。通过运行模型，得到各个生产区的仿真收成量和预计收成量是基本一致的，整个收获系统仿真模型的公路运输车来回一次平均需要13.284h，仿真模型中每台运输车每天可运输1.807车次，与实际中每台运输车1.5～2.5车/天相附；仿真模型所得的理论榨季长度为109.344天，与实际榨季110天基本相同。仿真模型运行后所得结果在都在实际区间内，可确认该模型为可行。

3 收获运输系统优化及结果

根据目标函数，采用运筹学的非线性规划求最优解，决策变量就是分配给各个生产区的公路车辆数，仿真系统分为9个生产区，有9 个决策变量分别对应1～9区的公路车数目。通过仿真优化后得出6项指标数据，并与现状模型进行对比,如表3所示。其中，公路车总数减少47辆、降幅达36.2%；糖厂等待时间缩短36.3%，运输效率提高27.9%；运营成本降低2 721万元，降幅35.4%，优化效果十分明显，此方案可行且有效。

表3 优化前后指标对照表Table 3 The index at before and after optimization table

4 结论

针对湛江农垦广前公司的大型甘蔗机械收获运输系统中存在的问题，对甘蔗机械化收获、田间转运、公路运输及糖厂卸蔗等全过程的运输系统提出优化改进方案，并进行了优化仿真。通过优化可知：广前农机公司甘蔗机械收获运输系统只需要83台公路运输车、每台车运送2.311次/天，糖厂等待卸蔗时间为7.182h，即可正常高效运转。同时，榨季可缩短为102.5天，运营成本降低至4 963.2万元。仿真结果为突破甘蔗机械化收获瓶颈提供了实践经验和理论，有利于促进甘蔗生产机械化发展。

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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

国家现代农业(甘蔗产业技术体系)建设项目(农科教发[2008]10号)

曾志强(1980-)，男，江西万年人，工程师，博士研究生，(E-mail)zzqpark@126.com。

区颖刚(1947-)，男， 广东新会人，教授，博士生导师，(E-mail)ouying@scau.edu.cn。

S233.4

A

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