農(nóng)機上運用GPS的經(jīng)濟效益
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本文作者：武寶傳、馬立萍 單位：黑龍江省寶泉嶺農(nóng)場農(nóng)機科、黑龍江省八五O農(nóng)場農(nóng)機科
黑龍江農(nóng)墾目前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中使用的主要是美國生產(chǎn)的gps導航產(chǎn)品，現(xiàn)在還沒有能夠滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需要的國產(chǎn)GPS導航產(chǎn)品投放市場。
美國Trimble公司生產(chǎn)的Autopilot自動導航系統(tǒng)簡介
目前，在黑龍江省墾區(qū)應用的GPS自動導航系統(tǒng)有美國天寶、迪爾綠色之星、瑞農(nóng)和瑞士徠卡等品牌產(chǎn)品，美國天寶產(chǎn)品市場占有量最大。下面以美國Trimble（天寶）GPS自動導航系統(tǒng)為例，將產(chǎn)品使用與推廣情況進行簡述。2005年，寶泉嶺農(nóng)場建立1個GPS地面RTK差分站，差分信號傳輸采用電臺發(fā)射方式，輻射半徑為20～30km，定位精度為2.5cm，完全可以滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需要。農(nóng)場在凱斯STX-500型拖拉機上安裝1套美國Trimble公司生產(chǎn)的Autopilot自動導航系統(tǒng)進行試驗，應用效果較好；2010年，又購進2套，分別安裝在凱斯-195型拖拉機和迪爾-7820型拖拉機上；2011年，又購進17臺，其中安裝在進口拖拉機上6臺（3臺凱斯-210型拖拉機、1臺凱斯-190型拖拉機和2臺迪爾-7830型拖拉機），安裝在國產(chǎn)迪爾-1204型拖拉機上11臺，基站差分信號傳輸采用網(wǎng)絡傳輸方式；2012年又購進15臺，分別安裝在國產(chǎn)東方紅、迪爾73.5-88.2kW拖拉機上。
中文彩色顯示器由GPS接收機、導航控制器、GPS衛(wèi)星天線、方向傳感器和液壓控制器等組成。系統(tǒng)中，導航控制器中的慣性導航設備用于T3地形自動補償技術。天線：接收衛(wèi)星信號。通信模塊：接收服務器輸出的高精度差分信號。光靶DE500：實時處理天線接收到的衛(wèi)星信號和通信模塊接收到的差分信號，解算出±2.5cm的高精度坐標，并將高精度坐標數(shù)據(jù)傳輸給NAV2控制器。方向傳感器：實時感應拖拉機的轉(zhuǎn)向方向和轉(zhuǎn)向角度的大小NAV2控制器：實時接收方向傳感器的轉(zhuǎn)向信號和光靶的位置信號，依據(jù)自身獨有的T3補償技術，向液壓閥發(fā)出拖拉機的實時轉(zhuǎn)向命令。液壓閥：實時接收NAV2控制器發(fā)出的控制信號，并將控制信號轉(zhuǎn)換為液壓油信號，實時控制液壓油的流量和流向，從而控制拖拉機轉(zhuǎn)向。
RTK地面基站差分信號傳輸方式：模塊網(wǎng)絡傳輸方式；作業(yè)精度：與RTK地面基站配套使用，作業(yè)精度±2.5cm；作業(yè)溫度：-25～55℃；配套機械：進口、國產(chǎn)88.20～404.25kW閉心液壓系統(tǒng)拖拉機；顯示語言：簡體中文（支持多語言）數(shù)據(jù)管理：提供數(shù)據(jù)管理、地圖顯示、自動存儲、自動生成作業(yè)報告；顯示器類型：17.8cm彩色顯示器、接收機、顯示器、控制系統(tǒng)一體化；導航模式：AB直線、A+直線、軸點導航、平行曲線、地頭導航、多地頭導航、自適應曲線、自由導航。
美國TrimbleAutopilot自動駕駛系統(tǒng)操作
步驟駕駛員在日常使用中只需要開機進入界面后，設置作業(yè)幅寬、設置AB直線、自動駕駛4個步驟，中文界面，操作簡單，使用方便。打開自動駕駛系統(tǒng)開關，等待衛(wèi)星圖標變綠后開始操作。點擊OK按鈕開始一個新的地塊或者選擇原有的地塊。有多種作業(yè)模式，一般都采用第一種AB直線導航模式（StraightAB），從地頭開始直線到地的另一頭，來回往復作業(yè)模式。點擊OK按鈕后，屏幕進入農(nóng)具寬度設置界面，使用上下三角符號按鈕，增減作業(yè)幅寬，最后按OK按鈕確定。點擊OK按鈕后進入起點A的設置，把拖拉機開到地塊地邊較長的一側地頭停車，當看到右邊工具條上的光標處于A字母上，然后按OK鍵即可將A點記錄下來，記錄之后屏幕中會顯示A字母。把農(nóng)具升起后，接著把車開到地的另一頭停下來，這時光標處于B字母上，點擊OK鍵將B點記錄下來，記錄之后屏幕中會顯示B字母，這時AB直線已經(jīng)生成。AB直線是由AB兩點連接生成的，在設置AB直線時，A點設置完成后，再從A點到B時，與實際行走的過程沒有關系。以AB為起始直線，直線是無限延伸的；其左右各有平行直線1000條。左側以L1、L2及L3等表示，右側以R1、R2及R3等表示；直線之間的間距為作業(yè)的幅寬。在地頭把拖拉機調(diào)過頭，進入下一個作業(yè)塹。在轉(zhuǎn)彎過程中，下一個直線（L1或R1）會自動顯示出來。進入AB線的范圍內(nèi)會顯示三角形符號代表當前的位置，拖拉機擺正方向后。這時自動駕駛按鈕變?yōu)辄S色，代表當前位置的三角符號也變?yōu)辄S色，說明可以進行自動駕駛了，按自動駕駛按鈕即可。自動駕駛實現(xiàn)后，自動駕駛按鈕與三角符號均變?yōu)榫G色。這時，已達到完全自動駕駛了，駕駛員的雙手完全可以離開方向盤了。當駕駛員用手轉(zhuǎn)動方向盤時，自動駕駛模式會自動退出。在自動駕駛時，切記注意安全。自動駕駛可以使用倒檔方向向后自動駕駛。
在實際作業(yè)過程中，導航模式多選擇為“直線AB”。設置A點和B點時，請根據(jù)田塊形狀，適當取點，充分提高土地利用率。導航模式多選擇為“直線AB”，一定要選地頭手動轉(zhuǎn)彎，能及時避讓地頭障礙物及排水溝，實現(xiàn)安全生產(chǎn)。在創(chuàng)建新的田塊時，一定要將田塊名修改為用戶自己能對應上的名稱，以備下一個作業(yè)環(huán)節(jié)使用。在實際作業(yè)過程中，駕駛員不用操控拖拉機的方向盤，但駕駛員的注意力一定得保持集中，時刻注意田塊中電線桿、水井等的障礙物。
在拖拉機上安裝GPS自動導航系統(tǒng)應用
情況安裝GPS自動導航系統(tǒng)的拖拉機可進行整地、播種、撒肥、噴霧、中耕和起壟等多項作業(yè)，通過應用，主要表現(xiàn)出以下幾個方面的優(yōu)點：可提高田間作業(yè)標準。寶泉嶺農(nóng)場28、9、25作業(yè)站播種作業(yè)直線作業(yè)百米彎曲度小于5cm，作業(yè)往復結合線在2cm以內(nèi)。在9、33、24、23作業(yè)站起大壟和播種作業(yè)，經(jīng)檢測，作業(yè)往復結合線在2cm以內(nèi)。因此，作業(yè)中減少重耕和漏耕，實現(xiàn)節(jié)本降耗，并提高了土地的利用率?？商岣攥F(xiàn)有機械的利用率。起大壟作業(yè)后，不同功率拖拉機可配套2、4、6、8、9及12行播種機進行壟卡種，由于壟距標準，大大降低了田間管理傷苗率，3、4、6行玉米收割機以及凱斯2388、迪爾9660型等進口大型可實現(xiàn)8行玉米對行收獲，減少收獲損失，提高作業(yè)效率，也對下年的原壟卡種提供了方便條件。GPS導航作業(yè)被種植戶認可，出現(xiàn)種植戶排隊等車作業(yè)的局面。可提高機械作業(yè)效率。在直線作業(yè)中取消劃印器，減少作業(yè)中升降劃印器的輔助時間，并可以在夜間、霧天、高灰塵的條件下作業(yè)，延長作業(yè)時間。沒有安裝自動導航系統(tǒng)的拖拉機在夜間、霧天或高灰塵的條件下作業(yè)將無法作業(yè)。作業(yè)時，可間隔一個作業(yè)幅寬進行套耕，能減少入塹轉(zhuǎn)彎的時間，延長有效作業(yè)時間。在同等作業(yè)條件下，作業(yè)效率可提高15%以上。在抗災搶種晝夜播種作業(yè)中發(fā)揮的作用更這突顯。減輕駕駛員的勞動強度。拖拉機駕駛員在進入作業(yè)塹，實現(xiàn)自動駕駛后，雙手可離開方向盤，駕駛員精神始終處于放松狀態(tài)，在地頭轉(zhuǎn)彎時也不需要升降劃印器，減輕了駕駛員的勞動強度，使駕駛員更有精力對拖拉機和配套農(nóng)具進行維護保養(yǎng)，使農(nóng)機具始終保持良好的技術狀態(tài)，為提高田間作業(yè)標準和作業(yè)效率提供了可靠的機械保證，也避免了因疲勞駕駛而引發(fā)的農(nóng)機事故?？删徑庖痪€高水平駕駛員匱乏與田間作業(yè)標準高的矛盾。由于安裝GPS自動導航系統(tǒng)的拖拉機在作業(yè)時，入塹后，拖拉機就進入自動駕駛狀態(tài)，自動實現(xiàn)高標準直線作業(yè)。自動駕駛作業(yè)時，因不用駕駛員把方向盤，將播種、起壟和中耕等要求操作技術水平較高的作業(yè)變得簡單容易操作了，因此，可降低對駕駛員操作水平的要求。從而，也緩解一線高水平駕駛員匱乏與田間作業(yè)標準要求高的矛盾。2010年9月14日，寶泉嶺管理局在寶泉嶺農(nóng)場第9作業(yè)站舉辦的GPS導航應用現(xiàn)場會，一個剛駕駛大功率拖拉機不久的駕駛員，駕駛安裝GPS導航系統(tǒng)的迪爾-7820型拖拉機與管理局各農(nóng)場選派的高水平駕駛員進行起壟大比武，他非常輕松地勝出了。提供多種信息方便用戶?？娠@示地塊的經(jīng)度、緯度、作業(yè)速度，已經(jīng)作業(yè)過地塊的作業(yè)面積，可以記錄已經(jīng)作業(yè)過地塊的信息，為下一個作業(yè)環(huán)節(jié)自動駕駛作業(yè)使用。
以1臺國產(chǎn)安裝GPS導航系統(tǒng)迪爾-1204型拖拉機為例，進行經(jīng)濟效益分析。2011年秋起大壟350hm2（5250畝），2012年在開春秋起大壟150hm2（2250畝）。可在夜間進行搶起大壟作業(yè)，每天增加20hm2的作業(yè)面積，每年可增加200hm2起大壟作業(yè)面積，增加收入3萬元。與進口精量播種機配套，可在夜間進行搶播種，延長作業(yè)時間，每年可增加播種面積200hm2，可增加收入4.8萬元?？商岣邫C械作業(yè)效率。耙地作業(yè)減少重耙和漏耙，在9作業(yè)站耙地作業(yè)，偏置耙1BY-7.0型圓盤耙的額定作業(yè)幅寬為7m，帶GPS導航作業(yè)幅寬可增加0.4m，增加效率5%，每天可增收入325萬元，每年可增收0.325萬元。可減少支出駕駛員工資支出。一個水平較高的駕駛員一年工資1.8萬元，通過GPS導航駕駛拖拉機，一般駕駛水平的駕駛員可做出高標準的田間作業(yè)，用一般駕駛水平的駕駛員工資可節(jié)省支出0.3萬元。成本合算。1臺安裝GPS導航國產(chǎn)迪爾1204拖拉機每年可增加直接收入合計8.425萬元。1臺GPS自動導航設備價值11.6萬元/臺，國家補貼3萬元/臺，農(nóng)場補貼2萬元/臺，個人自籌6.6萬元，購機戶當年就可收回投資。提高土地利用率。在播種作業(yè)中，減少往復結合線寬度，提高了土地的利用率3.76%，增加收入214元/hm2。1臺6行進口播種機每年可播種350hm2，可為種植戶增加收入7.5萬元。節(jié)本增效。1臺安裝GPS導航拖拉機每年機械戶可增加機械費收入和種植戶收入合計15.925萬元。寶泉嶺農(nóng)場現(xiàn)有GPS自動導航設備35臺，每年可加收入557.38多萬元。
有待解決的問題及建議
RTK地面基站差分信號傳輸方式有2種，一是通過模塊網(wǎng)絡傳輸模式。車載設備中有一個模塊，可安裝2個電話流量卡，一個是中國電信集團公司的，另一個是中國移動通信集團公司的。其優(yōu)點是受地理環(huán)境影響較小，輻射半徑在30~40km左右，傳輸范圍較大。缺點是由于傳輸環(huán)節(jié)較多，受網(wǎng)絡、電信設備和技術的影響，差分信號傳輸不夠穩(wěn)定，信號有少量延遲，在作業(yè)時有時會出現(xiàn)短時間掉線，影響作業(yè)的情況。二種是電臺傳輸模式。其特點是信號強度高，信號無延時，信號覆蓋區(qū)域內(nèi)幾乎不掉線。缺點是電臺發(fā)射信號覆蓋范圍相對較小，覆蓋半徑在20~30km內(nèi)，由于受到建筑物、山及樹等物理遮擋，會出現(xiàn)盲區(qū)死角，在盲區(qū)死角內(nèi)，收不到信號。建議經(jīng)銷商與通訊公司合作，傳輸方式需要在設備上和技術上進行改進，網(wǎng)絡傳輸和電臺發(fā)射兩種傳輸方式并用，取長補短，以保證車載GPS自動導航設備能接收到一個穩(wěn)定的差分信號。
目前GPS自動導航設備市場有待于規(guī)范，商較多，不同的商所的GPS導航設備的基站差分協(xié)議是不同的，差分信號不能通用，也就是1個商、1個品牌就得設1個RTK地面差分基站，造成重復投資，給用戶造成使用不便。建議有關部門進行規(guī)范管理，將商的各種GPS導航產(chǎn)品之間能將差分協(xié)議統(tǒng)一起來，不同商、不同品牌的產(chǎn)品可以使用一個基站，方便用戶，減少不必要的投資。（3）GPS自動導航技術在黑龍江墾區(qū)得到大力推廣和應用，建議采取聯(lián)網(wǎng)的方式解決差分信號傳輸不穩(wěn)定和盲區(qū)的問題。分3步走，第1步先以管理局為單位，差分信號以各農(nóng)場基站為節(jié)點進行聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)各農(nóng)場之間漫游，差分信號覆蓋全管理局，以解決局部差分信號弱的地區(qū)經(jīng)常出現(xiàn)掉線，影響正常作業(yè)的問題。第2步技術成熟后，在黑龍江墾區(qū)內(nèi)進行聯(lián)網(wǎng)，第3步積累成功經(jīng)驗后拓展到全國聯(lián)網(wǎng)。
結論
實踐證明，雖然GPS導航差分信號的傳輸與覆蓋還有待于完善，但在農(nóng)用拖拉機上應用GPS自動導航系統(tǒng)，表現(xiàn)出操作簡單，使用方便的特點。可提高田間作業(yè)質(zhì)量和作業(yè)效率，減輕駕駛員勞動強度，緩解一線缺少駕駛操作技術水平高的駕駛員的矛盾，投資回收快，可創(chuàng)造較好的經(jīng)濟效益。該系統(tǒng)設備已由只能在國外進口拖拉機上使用，從2011年開始轉(zhuǎn)向國產(chǎn)73.5～88.2kW拖拉機安裝使用。今后，隨著現(xiàn)代化大農(nóng)業(yè)發(fā)展步伐的加快和系統(tǒng)設備國產(chǎn)化率的提高，產(chǎn)品的價格將會大幅度下降，差分信號傳輸技術的成熟，也將帶來國產(chǎn)拖拉機使用范圍的擴大，還可拓展到水稻進口高性能插秧機上應用，為此，GPS自動導航技術在黑龍江墾區(qū)乃至全國都有極大的推廣應用價值和廣闊的市場前景。