基于层次分析法的植保机械适用性综合评价方法

龚　艳　张　晓　刘　燕　王　果　陈　晓　陈小兵

(农业部南京农业机械化研究所， 南京 210014)



基于层次分析法的植保机械适用性综合评价方法

龚艳张晓刘燕王果陈晓陈小兵

(农业部南京农业机械化研究所， 南京 210014)

为综合评价植保机械的适用性，从技术指标、经济指标、作业条件指标3方面建立植保机械评价指标体系，利用层次分析法，对专家调查表进行汇总计算，采用专家判断矩阵加权几何平均法，确定各评价指标的权重。同时采用试验测评法、跟踪测评法和用户调查测评法交叉组合的方式获取3级指标分值，再通过分析计算，得到各级指标分值，从而构建植保机械适用性综合评价指标体系。最后对自走式喷杆喷雾机进行判定评分，从而得出单项指标评价和综合指标评价结果。建立植保机械适用性综合评价指标体系，为植保机械的推广应用提供了科学依据，同时对植保机械技术性能、作业质量等的优化提升具有指导意义。

植保机械; 适用性; 评价体系; 层次分析法

引言

随着我国规模化农业生产水平的提升和产业结构调整，农业生产活动对植保机械产品的需求及依赖性不断增加[1-3]。与此同时，我国植保机械产品的研发、生产和销售取得长足的发展，新型植保机械不断涌现，植保机械化程度显著增加。国内外对农业系统(技术)的评价主要是基于可持续发展的理念，通过构建生态、社会、经济等方面指标，采用层次分析法、主成分分析法、模糊聚类等方法进行综合分析[4-8]。但是，国内大部分列入植保机械产品支持推广目录的产品，由于没有科学完整的适用性评价方法，造成产品适用性评价不充分，导致不少农户购置的植保机械使用条件不符、经济效益差、防治效果不理想、农残污染严重，造成了巨大的经济损失，甚至严重影响农业生产。针对上述问题，本文构建植保机械适用性评价体系模型，明确各级评价指标因素，基于层次分析法确定各级指标权重，利用模糊矩阵等方法确定各级指标分值。通过理论和实践研究，最终建立植保机械适用性综合评价体系与方法。

1　植保机械适用性评价指标体系

植保机械的适用性是指其满足使用条件的能力，使用条件包括技术指标、经济指标、作业条件指标等；也可以说是作业性能相对特定使用条件的协调融合程度。我国幅员辽阔，土壤及生态环境类型多样，作物种类、种植结构繁杂[9]，而植保机械性能好坏和使用方法是否得当直接影响防治效果和工作效益，随着现代农业的发展，新的植保机械不断出现，由于结构特征与技术特征不同，应用范围也不同，因此应根据使用条件选择适宜的植保机械及其部件[10]。然而，多年来由于重视程度不够及现实条件的制约，目前我国尚无科学规范和统一完整的植保机械适用性评价方法。

1.1体系构建

构建的评价指标体系应能综合反映植保机械适用性，同时兼顾评价指标体系的可操作性。构建评价指标体系的原则主要有：全面性原则、客观性原则、科学性原则、实用性原则。植保机械评价第1级指标，主要从技术、经济、作业条件3方面选取指标。技术指标的主要来源是颁布实施的相关技术标准、规范、鉴定大纲；经济指标、作业条件指标主要通过文献查阅、实地调研、专家座谈等方式确定。

植保机械评价指标体系的结构模型采用3级(A、B、C)指标体系，整个指标体系由技术指标、经济指标、作业条件指标3个一级评价指标、6个二级评价指标、23个三级评级指标构成，结构模型如图1所示。其中技术指标包括机器性能、作业质量2类二级指标；经济指标包括使用效益、利用效率2类二级指标；作业条件指标包括自然条件、作物条件2类二级指标。

图1　植保机械评价指标体系模型图Fig.1　Evaluation index system model of plant protection machinery

1.2评价指标权重的研究方法

评价指标权重分析采用层次分析法。本文选择层次分析法(AHP)对植保机械适用性评价指标权重值进行测算。AHP 是一种解决多目标复杂问题的定性与定量相结合的决策分析方法[11-15]。该方法是将复杂问题分解成多个组成因素，形成一个多目标、多层次的模型，有序的递阶层次结构；通过两两比较的方式确定层次中诸要素的相对重要性，然后再转为对这些元素的整体权重进行排序判断，最后确立各元素的权重[16]。目前，系统工程中处理定性与定量相结合问题时，AHP是一种比较简单易行且又行之有效的系统分析方法[17-19]。其确定流程如图2所示。

图2　权重确定流程图Fig.2　Flow chart of weight determination

(1)构造判断矩阵

以上层相应元素为评价准则，对本层次元素进行两两比较，进而确定元素之间的相对重要性。设Ps为评价准则，S1，S2，…，Sn为评价因素，依据判断矩阵标度定义对评价因素进行两两比较判断，构成判断矩阵 ，即

(1)

(2)层次单排序

确定某一层次各因素对上一层次某因素的影响程度，并依次排出顺序。根据判断矩阵计算出各因素的相对权重向量，计算方法采用特征根法。

EW=λmaxW

(2)

式中λmax——E的最大特征根

W——λmax的正规化特征向量

(3)一致性指标检验

层次单排序的一致性检验，则要计算一致性指标CI。λmax-n越小，CI越小，矩阵的一致性越好，CI为零时矩阵具有完全一致性。

(3)

式中n——判断矩阵的阶数

C——一致性指标

检验判断矩阵是否具有满意的一致性，将一致性指标CI和平均随机一致性指标RI进行比较，计算判断矩阵的一致性比例，记作

(4)

式中I——平均随机一致性指标

当R<0.1 时，判断矩阵通过一致性检验；当R≥0.1 时，判断矩阵没有通过一致性检验，需调整矩阵重新检验。

1.3评价指标权重的确定

根据植保机械适用性评价指标体系，结合层次分析法的基本原理，设计确定权重的专家调查表。植保机械适用性具有区域差异性，技术、经济、环境不同，不同地区评价指标权重不同，要选择不同区域和专业领域的专家进行调查。本研究在东北、西北、华北、华东4个典型区域，选取推广、鉴定、监理、植保等政府部门及植保专业化服务组织的专家进行调查。将回收的专家调查表进行汇总计算，采用专家判断矩阵加权几何平均法，运用Yaahp分析软件进行汇总计算，归一化处理后，各级指标权重见表1。

表1　植保机械评价指标权重Tab.1　Evaluation index weight of plant protection machinery

1.4指标分值的确定

1.4.1三级指标分值的确定

针对上述4个典型作业区域的农业生产作业条件布点试验，利用试验检测结果得到分值；并针对4个区域的农业生产作业条件下实际用户进行跟踪考核，利用考核结果得到分值；同时对4个区域的农业生产作业条件下的一定数量的用户进行使用情况调查，利用调查结果得到分值。综合采用试验测评法、跟踪测评法和用户调查测评法的交叉组合的结果得到分值。下面以技术指标A1评判为例，详细阐述其指标分值的确定过程。

(1)建立模糊矩阵

确定评价指标集，根据表1可知，评价指标为10个，分别记为u1，u2，…，u10，则这10个评价指标构成指标集U；确定评价等级集，根据实际需要将评价结果划分为5个等级，分别记为v1，v2，…，v5，则这5个评价结果构成评价等级集V。

针对评价指标ui作出vk等级评定的人员数为Nik，参与等级评定的人员总数为N，则隶属度

(5)

构建模糊矩阵，针对每个评价指标ui都有一个相应隶属度函数(向量)

Mi=(mi1,mi2,…,miq)

(6)

整个评价指标集内各个指标的隶属度函数组成隶属度矩阵，即模糊矩阵F，F中的fi，q和Mi中的miq是一一对应的。

(7)

(2)确定评价等级标度值函数

设评价指标各等级标度值为x1，x2，…，x5，评价指标等级标度值组成向量为

X=(x1,x2,…,x5)=(0,25,50,75,100)

(8)

(3)三级指标分值(三级单项适用指数)的确定

设yc1，yc2，…，yc10为三级各指标分值，则

(9)

1.4.2二级指标分值(二级单项适用指数)的确定

对应B11的各三级指标权重向量为

WB11=(wc1,wc2,…,wc7)

(10)

则对应的各三级指标分值向量为

YB11C=(yc1,yc2,…,yc7)

(11)

机器性能B11指标分值为YB11，则

(12)

同理得出B12的分值，从而得到二级指标的分值函数。

1.4.3一级指标分值(一级单项适用指数)的确定

设技术指标A1的各二级指标权重向量为

WA1=(wB11,wB12)

(13)

设对应的各二级指标分值向量为

YA1B=(yB11,yB12)

(14)

技术指标A1分值为YA1，则

(15)

同理得出经济指标(A2)、作业条件指标(A3)的分值，从而得到一级指标的分值函数。

1.4.4综合指标分值(综合适用指数)的确定

设一级指标的权重向量为

WZ=(wA1,wA2,wA3)

(16)

设一级指标分值向量为

YA=(yA1,yA2,yA3)

(17)

因此可得出植保机械适用性评价指标体系的综合指标分值(综合适用指数)YZ为

(18)

依据综合指标的分值，将植保机械适用性评价分5个等级， 具体划分为：(0，20]很差， (20，40]较差， (40，60] 一般，(60，80] 较好，(80，100]很好。

2　实例

2.1背景

选取目前市场上应用较为广泛的某型号自走式喷杆喷雾机为评价样机，主要机具作业幅宽为10 m，药箱容量为1 000 L，最大行走速度为9 km/h，喷头类型为扇形雾喷头，雾锥角为110°，单个喷头喷量为1.2 L/min(0.3 MPa时)，喷头数量为19个，间隔500 mm，喷头高度可调，具体如图3所示。

图3　自走式喷杆喷雾机Fig.3　Self-propelled boom sprayer

2.2指标评分结果

为了能科学、系统地评价该自走式喷杆喷雾机，主要选取东北地区、华北地区、华东地区的小麦、水稻等矮秆作物区域进行试验，并对上述地区的农机

鉴定推广站、监理站、植保站、植保专业化服务组织等领域的专家和用户进行调查，利用植保机械适用性综合评价指标体系，对该植保机械的各级指标进行评分，具体分值如表2所示。

2.3讨论

依据已确定的一级单项适用指数、二级单项适用指数、三级单项适用指数，可得出该机具的单项指标评价结论。综合讨论可知，该机具在技术指标(A1)评分中差异性较大，机器性能(B11)指标较好，但其作业质量(B12)不佳；待评样机现场试验过程中，存在雾滴漂移、喷雾量分布均匀性较差等现象，可知该机具在用户使用过程中仍存在较多问题。

表2　自走式喷杆喷雾机各级指标分值Tab.2　Index scores at all levels of self-propelled boom sprayer

经济指标(A2)评分较好，作业条件指标(A3)评分较差，使用时对自然条件(B31)和作物条件(B32)要求较高，使用时局限性较大。试验时，北方连片大田作业区域，样机使用范围广，作业效率高，具有明显优势，但在南方田块分散且不规则的作业区域，机具不易灵活移动，容易受地块因素限制，影响作业效率，且机具不能很好地适应作物不同生长期的作业要求，容易造成农药浪费，尤其水稻后期封行后，机具下田作业时，作物倒伏现象明显，造成一定程度的减产。

根据样机的综合指标分值，可得出其综合指标评价结论为一般。通过样机现场试验可知，其结果与指标体系评分结果基本一致，因此可知利用该植保机械适用性评价体系能得出较为客观、科学的评判结论。针对该机具的各个单项指标的评价结论，可对该植保机械的技术性能、作业质量等进行针对性的优化与提升，为进一步提高该植保机械适用性水平以及推广应用提供了科学依据。

3　结束语

针对植保机械适用性评价体系研究，从技术指标、经济指标、作业条件指标3方面构建了植保机械适用性综合评价指标体系，确定了具体评价指标，制定了植保机械适用性评价指标的打分准则，采用试验测评法、跟踪测评法和用户调查测评法的交叉组合的结果得到分值。并以植保机械中自走式喷杆喷雾机为例，依据该机具的各项性能参数进行判定评分，从而得出单项指标评价和综合指标评价结论。通过上述研究可知，利用该评价体系能对植保机械适用性得出较为客观的结论，为植保机械的推广应用等提供了较为科学规范和统一完整的评价方法，并为植保机械适用性评价工作的全面深入开展提供了基础。

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Comprehensive Evaluation Method for Applicability of Plant Protection Machinery Based on Analytic Hierarchy Process

Gong YanZhang XiaoLiu YanWang GuoChen XiaoChen Xiaobing

(NanjingResearchInstituteforAgriculturalMechanization,MinistryofAgriculture,Nanjing210014,China)

In order to comprehensively evaluate the applicability of plant protection machinery, this paper established the evaluation index system from three aspects：technical index, economic index and operation condition index, used analytic hierarchy process to calculate the results of the expert questionnaires based on the structure model of the evaluation system, and determined the weights of each evaluation index by using judgment matrix and weighted geometric average method. And then it obtained the scores of the third level indicators by the method of test, as well as survey and evaluation of users, and then got the index scores of all levels through analysis and calculation. Finally the comprehensive evaluation index system for the applicability of plant protection machinery was built. This paper evaluated the self-propelled boom sprayer for example, and obtained the conclusions of the single index evaluation and the comprehensive evaluation. This can provide scientific basis for popularization and application of plant protection machinery by the comprehensive evaluation system, at the same time, it has guiding significance to the optimization and promotion of mechanical performance and operations quality of plant protection machinery.

plant protection machinery; applicability; evaluation system; analytic hierarchy process

10.6041/j.issn.1000-1298.2016.09.011

2016-05-25

2016-07-06

国家自然科学基金项目(31401296)、公益性行业(农业)科研专项经费项目(201203025)和江苏省科技自主创新资金项目(CX(14)2101)

龚艳(1976—)，女，研究员，主要从事植保施药技术与装备研究，E-mail： 254482460@qq.com

陈小兵(1963—)，男，研究员，主要从事植保施药技术与装备研究，E-mail： chxibi@126.com

S499； N945.16

A

1000-1298(2016)09-0073-06