農機上運用GPS的經濟效益
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本文作者：武寶傳、馬立萍 單位：黑龍江省寶泉嶺農場農機科、黑龍江省八五O農場農機科
黑龍江農墾目前農業生產中使用的主要是美國生產的gps導航產品，現在還沒有能夠滿足農業生產需要的國產GPS導航產品投放市場。
美國Trimble公司生產的Autopilot自動導航系統簡介
目前，在黑龍江省墾區應用的GPS自動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品，美國天寶產品市場占有量最大。下面以美國Trimble（天寶）GPS自動導航系統為例，將產品使用與推廣情況進行簡述。2005年，寶泉嶺農場建立1個GPS地面RTK差分站，差分信號傳輸采用電臺發射方式，輻射半徑為20～30km，定位精度為2.5cm，完全可以滿足農業生產需要。農場在凱斯STX-500型拖拉機上安裝1套美國Trimble公司生產的Autopilot自動導航系統進行試驗，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），安裝在國產迪爾-1204型拖拉機上11臺，基站差分信號傳輸采用網絡傳輸方式；2012年又購進15臺，分別安裝在國產東方紅、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、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地形自動補償技術。天線：接收衛星信號。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：實時感應拖拉機的轉向方向和轉向角度的大小NAV2控制器：實時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，向液壓閥發出拖拉機的實時轉向命令。液壓閥：實時接收NAV2控制器發出的控制信號，并將控制信號轉換為液壓油信號，實時控制液壓油的流量和流向，從而控制拖拉機轉向。
RTK地面基站差分信號傳輸方式：模塊網絡傳輸方式；作業精度：與RTK地面基站配套使用，作業精度±2.5cm；作業溫度：-25～55℃；配套機械：進口、國產88.20～404.25kW閉心液壓系統拖拉機；顯示語言：簡體中文（支持多語言）數據管理：提供數據管理、地圖顯示、自動存儲、自動生成作業報告；顯示器類型：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、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。打開自動駕駛系統開關，等待衛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，來回往復作業模式。點擊OK按鈕后，屏幕進入農具寬度設置界面，使用上下三角符號按鈕，增減作業幅寬，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的幅寬。在地頭把拖拉機調過頭，進入下一個作業塹。在轉彎過程中，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為黃色，代表當前位置的三角符號也變為黃色，說明可以進行自動駕駛了，按自動駕駛按鈕即可。自動駕駛實現后，自動駕駛按鈕與三角符號均變為綠色。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彎，能及時避讓地頭障礙物及排水溝，實現安全生產。在創建新的田塊時，一定要將田塊名修改為用戶自己能對應上的名稱，以備下一個作業環節使用。在實際作業過程中，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自動導航系統應用
情況安裝GPS自動導航系統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，通過應用，主要表現出以下幾個方面的優點：可提高田間作業標準。寶泉嶺農場28、9、25作業站播種作業直線作業百米彎曲度小于5cm，作業往復結合線在2cm以內。在9、33、24、23作業站起大壟和播種作業，經檢測，作業往復結合線在2cm以內。因此，作業中減少重耕和漏耕，實現節本降耗，并提高了土地的利用率。可提高現有機械的利用率。起大壟作業后，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8行玉米對行收獲，減少收獲損失，提高作業效率，也對下年的原壟卡種提供了方便條件。GPS導航作業被種植戶認可，出現種植戶排隊等車作業的局面。可提高機械作業效率。在直線作業中取消劃印器，減少作業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，延長作業時間。沒有安裝自動導航系統的拖拉機在夜間、霧天或高灰塵的條件下作業將無法作業。作業時，可間隔一個作業幅寬進行套耕，能減少入塹轉彎的時間，延長有效作業時間。在同等作業條件下，作業效率可提高15%以上。在抗災搶種晝夜播種作業中發揮的作用更這突顯。減輕駕駛員的勞動強度。拖拉機駕駛員在進入作業塹，實現自動駕駛后，雙手可離開方向盤，駕駛員精神始終處于放松狀態，在地頭轉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具進行維護保養，使農機具始終保持良好的技術狀態，為提高田間作業標準和作業效率提供了可靠的機械保證，也避免了因疲勞駕駛而引發的農機事故。可緩解一線高水平駕駛員匱乏與田間作業標準高的矛盾。由于安裝GPS自動導航系統的拖拉機在作業時，入塹后，拖拉機就進入自動駕駛狀態，自動實現高標準直線作業。自動駕駛作業時，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第9作業站舉辦的GPS導航應用現場會，一個剛駕駛大功率拖拉機不久的駕駛員，駕駛安裝GPS導航系統的迪爾-7820型拖拉機與管理局各農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。可顯示地塊的經度、緯度、作業速度，已經作業過地塊的作業面積，可以記錄已經作業過地塊的信息，為下一個作業環節自動駕駛作業使用。
經濟效益分析
以1臺國產安裝GPS導航系統迪爾-1204型拖拉機為例，進行經濟效益分析。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，每天增加20hm2的作業面積，每年可增加200hm2起大壟作業面積，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，延長作業時間，每年可增加播種面積200hm2，可增加收入4.8萬元。可提高機械作業效率。耙地作業減少重耙和漏耙，在9作業站耙地作業，偏置耙1BY-7.0型圓盤耙的額定作業幅寬為7m，帶GPS導航作業幅寬可增加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，用一般駕駛水平的駕駛員工資可節省支出0.3萬元。成本合算。1臺安裝GPS導航國產迪爾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。寶泉嶺農場現有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。其優點是受地理環境影響較小，輻射半徑在30~40km左右，傳輸范圍較大。缺點是由于傳輸環節較多，受網絡、電信設備和技術的影響，差分信號傳輸不夠穩定，信號有少量延遲，在作業時有時會出現短時間掉線，影響作業的情況。二種是電臺傳輸模式。其特點是信號強度高，信號無延時，信號覆蓋區域內幾乎不掉線。缺點是電臺發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、山及樹等物理遮擋，會出現盲區死角，在盲區死角內，收不到信號。建議經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，網絡傳輸和電臺發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定的差分信號。
目前GPS自動導航設備市場有待于規范，商較多，不同的商所的GPS導航設備的基站差分協議是不同的，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范管理，將商的各種GPS導航產品之間能將差分協議統一起來，不同商、不同品牌的產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得到大力推廣和應用，建議采取聯網的方式解決差分信號傳輸不穩定和盲區的問題。分3步走，第1步先以管理局為單位，差分信號以各農場基站為節點進行聯網，實現各農場之間漫游，差分信號覆蓋全管理局，以解決局部差分信號弱的地區經常出現掉線，影響正常作業的問題。第2步技術成熟后，在黑龍江墾區內進行聯網，第3步積累成功經驗后拓展到全國聯網。
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，但在農用拖拉機上應用GPS自動導航系統，表現出操作簡單，使用方便的特點。可提高田間作業質量和作業效率，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，可創造較好的經濟效益。該系統設備已由只能在國外進口拖拉機上使用，從2011年開始轉向國產73.5～88.2kW拖拉機安裝使用。今后，隨著現代化大農業發展步伐的加快和系統設備國產化率的提高，產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乃至全國都有極大的推廣應用價值和廣闊的市場前景。