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農機上運用GPS的經(jīng)濟效益論文
美國Trimble公司生產(chǎn)的Autopilot自動(dòng)導航系統簡(jiǎn)介
目前，在黑龍江省墾區應用的GPS自動(dòng)導航系統有美國天寶、迪爾綠色之星、瑞農和瑞士徠卡等品牌產(chǎn)品，美國天寶產(chǎn)品市場(chǎng)占有量最大。下面以美國Trimble（天寶）GPS自動(dòng)導航系統為例，將產(chǎn)品使用與推廣情況進(jìn)行簡(jiǎn)述。2005年，寶泉嶺農場(chǎng)建立1個(gè)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(mǎn)足農業(yè)生產(chǎn)需要。農場(chǎng)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(dòng)導航系統進(jìn)行試驗，應用效果較好；2010年，又購進(jìn)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(jìn)17臺，其中安裝在進(jìn)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(luò )傳輸方式；2012年又購進(jìn)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衛星天線(xiàn)、方向傳感器和液壓控制器等組成。系統中，導航控制器中的慣性導航設備用于T3地形自動(dòng)補償技術(shù)。天線(xiàn)：接收衛星信號。通信模塊：接收服務(wù)器輸出的高精度差分信號。光靶DE500：實(shí)時(shí)處理天線(xiàn)接收到的衛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，并將高精度坐標數據傳輸給NAV2控制器。方向傳感器：實(shí)時(shí)感應拖拉機的轉向方向和轉向角度的大小NAV2控制器：實(shí)時(shí)接收方向傳感器的轉向信號和光靶的位置信號，依據自身獨有的T3補償技術(shù)，向液壓閥發(fā)出拖拉機的實(shí)時(shí)轉向命令。液壓閥：實(shí)時(shí)接收NAV2控制器發(fā)出的控制信號，并將控制信號轉換為液壓油信號，實(shí)時(shí)控制液壓油的流量和流向，從而控制拖拉機轉向。
RTK地面基站差分信號傳輸方式：模塊網(wǎng)絡(luò )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(jìn)口、國產(chǎn)88.20～404.25kW閉心液壓系統拖拉機；顯示語(yǔ)言：簡(jiǎn)體中文（支持多語(yǔ)言）數據管理：提供數據管理、地圖顯示、自動(dòng)存儲、自動(dòng)生成作業(yè)報告；顯示器類(lèi)型：17.8cm彩色顯示器、接收機、顯示器、控制系統一體化；導航模式：AB直線(xiàn)、A+直線(xiàn)、軸點(diǎn)導航、平行曲線(xiàn)、地頭導航、多地頭導航、自適應曲線(xiàn)、自由導航。
美國TrimbleAutopilot自動(dòng)駕駛系統操作
步驟駕駛員在日常使用中只需要開(kāi)機進(jìn)入界面后，設置作業(yè)幅寬、設置AB直線(xiàn)、自動(dòng)駕駛4個(gè)步驟，中文界面，操作簡(jiǎn)單，使用方便。打開(kāi)自動(dòng)駕駛系統開(kāi)關(guān)，等待衛星圖標變綠后開(kāi)始操作。點(diǎn)擊OK按鈕開(kāi)始一個(gè)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(xiàn)導航模式（StraightAB），從地頭開(kāi)始直線(xiàn)到地的另一頭，來(lái)回往復作業(yè)模式。點(diǎn)擊OK按鈕后，屏幕進(jìn)入農具寬度設置界面，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(diǎn)擊OK按鈕后進(jìn)入起點(diǎn)A的設置，把拖拉機開(kāi)到地塊地邊較長(cháng)的一側地頭停車(chē)，當看到右邊工具條上的光標處于A(yíng)字母上，然后按OK鍵即可將A點(diǎn)記錄下來(lái)，記錄之后屏幕中會(huì )顯示A字母。把農具升起后，接著(zhù)把車(chē)開(kāi)到地的另一頭停下來(lái)，這時(shí)光標處于B字母上，點(diǎn)擊OK鍵將B點(diǎn)記錄下來(lái)，記錄之后屏幕中會(huì )顯示B字母，這時(shí)AB直線(xiàn)已經(jīng)生成。AB直線(xiàn)是由AB兩點(diǎn)連接生成的，在設置AB直線(xiàn)時(shí)，A點(diǎn)設置完成后，再從A點(diǎn)到B時(shí)，與實(shí)際行走的過(guò)程沒(méi)有關(guān)系。以AB為起始直線(xiàn)，直線(xiàn)是無(wú)限延伸的；其左右各有平行直線(xiàn)1000條。左側以L(fǎng)1、L2及L3等表示，右側以R1、R2及R3等表示；直線(xiàn)之間的間距為作業(yè)的幅寬。在地頭把拖拉機調過(guò)頭，進(jìn)入下一個(gè)作業(yè)塹。在轉彎過(guò)程中，下一個(gè)直線(xiàn)（L1或R1）會(huì )自動(dòng)顯示出來(lái)。進(jìn)入AB線(xiàn)的范圍內會(huì )顯示三角形符號代表當前的位置，拖拉機擺正方向后。這時(shí)自動(dòng)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(shuō)明可以進(jìn)行自動(dòng)駕駛了，按自動(dòng)駕駛按鈕即可。自動(dòng)駕駛實(shí)現后，自動(dòng)駕駛按鈕與三角符號均變?yōu)榫G色。這時(shí)，已達到完全自動(dòng)駕駛了，駕駛員的雙手完全可以離開(kāi)方向盤(pán)了。當駕駛員用手轉動(dòng)方向盤(pán)時(shí)，自動(dòng)駕駛模式會(huì )自動(dòng)退出。在自動(dòng)駕駛時(shí)，切記注意安全。自動(dòng)駕駛可以使用倒檔方向向后自動(dòng)駕駛。
在實(shí)際作業(yè)過(guò)程中，導航模式多選擇為“直線(xiàn)AB”。設置A點(diǎn)和B點(diǎn)時(shí)，請根據田塊形狀，適當取點(diǎn)，充分提高土地利用率。導航模式多選擇為“直線(xiàn)AB”，一定要選地頭手動(dòng)轉彎，能及時(shí)避讓地頭障礙物及排水溝，實(shí)現安全生產(chǎn)。在創(chuàng )建新的田塊時(shí)，一定要將田塊名修改為用戶(hù)自己能對應上的名稱(chēng)，以備下一個(gè)作業(yè)環(huán)節使用。在實(shí)際作業(yè)過(guò)程中，駕駛員不用操控拖拉機的方向盤(pán)，但駕駛員的注意力一定得保持集中，時(shí)刻注意田塊中電線(xiàn)桿、水井等的障礙物。
在拖拉機上安裝GPS自動(dòng)導航系統應用
情況安裝GPS自動(dòng)導航系統的拖拉機可進(jìn)行整地、播種、撒肥、噴霧、中耕和起壟等多項作業(yè)，通過(guò)應用，主要表現出以下幾個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)：可提高田間作業(yè)標準。寶泉嶺農場(chǎng)28、9、25作業(yè)站播種作業(yè)直線(xiàn)作業(yè)百米彎曲度小于5cm，作業(yè)往復結合線(xiàn)在2cm以?xún)�。�?、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(xiàn)在2cm以?xún)�。因此，作業(yè)中減少重耕和漏耕，實(shí)現節本降耗，并提高了土地的利用率�？商岣攥F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(jìn)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(jìn)口大型可實(shí)現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(hù)認可，出現種植戶(hù)排隊等車(chē)作業(yè)的局面�？商岣邫C械作業(yè)效率。在直線(xiàn)作業(yè)中取消劃印器，減少作業(yè)中升降劃印器的輔助時(shí)間，并可以在夜間、霧天、高灰塵的條件下作業(yè)，延長(cháng)作業(yè)時(shí)間。沒(méi)有安裝自動(dòng)導航系統的拖拉機在夜間、霧天或高灰塵的條件下作業(yè)將無(wú)法作業(yè)。作業(yè)時(shí)，可間隔一個(gè)作業(yè)幅寬進(jìn)行套耕，能減少入塹轉彎的時(shí)間，延長(cháng)有效作業(yè)時(shí)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(dòng)強度。拖拉機駕駛員在進(jìn)入作業(yè)塹，實(shí)現自動(dòng)駕駛后，雙手可離開(kāi)方向盤(pán)，駕駛員精神始終處于放松狀態(tài)，在地頭轉彎時(shí)也不需要升降劃印器，減輕了駕駛員的勞動(dòng)強度，使駕駛員更有精力對拖拉機和配套農具進(jìn)行維護保養，使農機具始終保持良好的技術(shù)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)的農機事故�？删徑庖痪�(xiàn)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(dòng)導航系統的拖拉機在作業(yè)時(shí)，入塹后，拖拉機就進(jìn)入自動(dòng)駕駛狀態(tài)，自動(dòng)實(shí)現高標準直線(xiàn)作業(yè)。自動(dòng)駕駛作業(yè)時(shí)，因不用駕駛員把方向盤(pán)，將播種、起壟和中耕等要求操作技術(shù)水平較高的作業(yè)變得簡(jiǎn)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(xiàn)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場(chǎng)第9作業(yè)站舉辦的GPS導航應用現場(chǎng)會(huì )，一個(gè)剛駕駛大功率拖拉機不久的駕駛員，駕駛安裝GPS導航系統的迪爾-7820型拖拉機與管理局各農場(chǎng)選派的高水平駕駛員進(jìn)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(hù)�？娠@示地塊的經(jīng)度、緯度、作業(yè)速度，已經(jīng)作業(yè)過(guò)地塊的作業(yè)面積，可以記錄已經(jīng)作業(yè)過(guò)地塊的信息，為下一個(gè)作業(yè)環(huán)節自動(dòng)駕駛作業(yè)使用。
經(jīng)濟效益分析
以1臺國產(chǎn)安裝GPS導航系統迪爾-1204型拖拉機為例，進(jìn)行經(jīng)濟效益分析。2011年秋起大壟350hm2（5250畝），2012年在開(kāi)春秋起大壟150hm2（2250畝）�？稍谝归g進(jìn)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(wàn)元。與進(jìn)口精量播種機配套，可在夜間進(jìn)行搶播種，延長(cháng)作業(yè)時(shí)間，每年可增加播種面積200hm2，可增加收入4.8萬(wàn)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(pán)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(wàn)元，每年可增收0.325萬(wàn)元�？蓽p少支出駕駛員工資支出。一個(gè)水平較高的駕駛員一年工資1.8萬(wàn)元，通過(guò)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省支出0.3萬(wàn)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(wàn)元。1臺GPS自動(dòng)導航設備價(jià)值11.6萬(wàn)元/臺，國家補貼3萬(wàn)元/臺，農場(chǎng)補貼2萬(wàn)元/臺，個(gè)人自籌6.6萬(wàn)元，購機戶(hù)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(xiàn)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(jìn)口播種機每年可播種350hm2，可為種植戶(hù)增加收入7.5萬(wàn)元。節本增效。1臺安裝GPS導航拖拉機每年機械戶(hù)可增加機械費收入和種植戶(hù)收入合計15.925萬(wàn)元。寶泉嶺農場(chǎng)現有GPS自動(dòng)導航設備35臺，每年可加收入557.38多萬(wàn)元。
有待解決的問(wèn)題及建議
RTK地面基站差分信號傳輸方式有2種，一是通過(guò)模塊網(wǎng)絡(luò )傳輸模式。車(chē)載設備中有一個(gè)模塊，可安裝2個(gè)電話(huà)流量卡，一個(gè)是中國電信集團公司的，另一個(gè)是中國移動(dòng)通信集團公司的。其優(yōu)點(diǎn)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(diǎn)是由于傳輸環(huán)節較多，受網(wǎng)絡(luò )、電信設備和技術(shù)的影響，差分信號傳輸不夠穩定，信號有少量延遲，在作業(yè)時(shí)有時(shí)會(huì )出現短時(shí)間掉線(xiàn)，影響作業(yè)的情況。二種是電臺傳輸模式。其特點(diǎn)是信號強度高，信號無(wú)延時(shí)，信號覆蓋區域內幾乎不掉線(xiàn)。缺點(diǎn)是電臺發(fā)射信號覆蓋范圍相對較小，覆蓋半徑在20~30km內，由于受到建筑物、山及樹(shù)等物理遮擋，會(huì )出現盲區死角，在盲區死角內，收不到信號。建議經(jīng)銷(xiāo)商與通訊公司合作，傳輸方式需要在設備上和技術(shù)上進(jìn)行改進(jìn)，網(wǎng)絡(luò )傳輸和電臺發(fā)射兩種傳輸方式并用，取長(cháng)補短，以保證車(chē)載GPS自動(dòng)導航設備能接收到一個(gè)穩定的差分信號。
目前GPS自動(dòng)導航設備市場(chǎng)有待于規范，代理商較多，不同的代理商所代理的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(gè)代理商、1個(gè)品牌就得設1個(gè)RTK地面差分基站，造成重復投資，給用戶(hù)造成使用不便。建議有關(guān)部門(mén)進(jìn)行規范管理，將代理商代理的各種GPS導航產(chǎn)品之間能將差分協(xié)議統一起來(lái)，不同代理商、不同品牌的產(chǎn)品可以使用一個(gè)基站，方便用戶(hù)，減少不必要的投資。（3）GPS自動(dòng)導航技術(shù)在黑龍江墾區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定和盲區的問(wèn)題。分3步走，第1步先以管理局為單位，差分信號以各農場(chǎng)基站為節點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現各農場(chǎng)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經(jīng)常出現掉線(xiàn)，影響正常作業(yè)的問(wèn)題。第2步技術(shù)成熟后，在黑龍江墾區內進(jìn)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(shí)踐證明，雖然GPS導航差分信號的傳輸與覆蓋還有待于完善，但在農用拖拉機上應用GPS自動(dòng)導航系統，表現出操作簡(jiǎn)單，使用方便的特點(diǎn)�？商岣咛镩g作業(yè)質(zhì)量和作業(yè)效率，減輕駕駛員勞動(dòng)強度，緩解一線(xiàn)缺少駕駛操作技術(shù)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。該系統設備已由只能在國外進(jìn)口拖拉機上使用，從2011年開(kāi)始轉向國產(chǎn)73.5～88.2kW拖拉機安裝使用。今后，隨著(zhù)現代化大農業(yè)發(fā)展步伐的加快和系統設備國產(chǎn)化率的提高，產(chǎn)品的價(jià)格將會(huì )大幅度下降，差分信號傳輸技術(shù)的成熟，也將帶來(lái)國產(chǎn)拖拉機使用范圍的擴大，還可拓展到水稻進(jìn)口高性能插秧機上應用，為此，GPS自動(dòng)導航技術(shù)在黑龍江墾區乃至全國都有極大的推廣應用價(jià)值和廣闊的市場(chǎng)前景。
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