Система контролируемого движения техники по полю

Важным направлением развития сельскохозяйственного производствана современном этапе является реализация идеи «точного земледелия» контролируемого движения техники (КДТ) по полю. Данное словосочетание является переводом выражения Controlled Traffic Farming (CTF). КДТ является сельскохозяйственной системой, направленной на повышение экономической эффективности сельскохозяйственного производства, снижения загрязнения и разрушения почвы с использованием информационных технологий (ИТ).

Выполненные исследования показали, что КДТ способствует снижению уплотнения почвы, улучшению ее физико-механических и биологических свойств (увеличение на 19% инфильтрации почвы, увеличение популяции червей в 10 раз), повышению производительности сельхозмашин, снижению вариабельности урожайности и повышению урожая на 15-20%. В статье рассмотрены основные составляющие КДТ и возможности его реализации в отечественном сельскохозяйственном производстве.

Система КДТ является инструментом управления сельскохозяйственными машинами на поле во время выполнения ими технологических операций, направленным на снижение вреда почве, наносимого многократными проходами тяжелых машин при их движении по полю. Негативные последствия этого изложены во множестве научных публикаций: увеличение затрат горючего, снижение урожая, ухудшение свойств почвы, увеличение выхода парниковых газов. На рисунке 1 показана фотография части посевов, где проходил посевной агрегат. Видно, что почва сильно уплотняется, иссушается, появляются глубокие трещины.

Рис. 1. Разрушение верхнего слоя почвы после прохода посевного агрегата.

В настоящее время сельскохозяйственная техника перемещается по полю в большинстве случаев без особого контроля и из-за этого за один сезон уплотняется до 75 % поля и вся площадь за второй сезон (рис. 2).

Рис 2. Участки с низкой растительностью, обусловленной воздействием ходовых систем сельскохозяйственных машин, обозначены красным и желтым цветом

Восстановление почвы происходит в течение нескольких лет. Использование КДТ позволит снизить уплотненную площадь до 15% за счет использования постоянной колеи. При этом существенно снижается потребность в глубокой пахоте. Постоянные колеи могут засеваться или нет. Это зависит от множества факторов и местных ограничений.

Для реализации КДТ в производстве необходимо в первую очередь выполнить три условия:

— обеспечить одинаковую рабочую ширину захвата для всех машин, используемых при возделывании конкретной сельскохозяйственной культуры;

— обеспечить одинаковую ширину колеи для всех машин, работающих в поле;

— обеспечить из года в год движение сельскохозяйственной техники по одной и той же колее.

Применение машин с одинаковой рабочей шириной захвата необходимо планировать заранее. Следует иметь в виду, что чем больше ширина захвата машин, тем меньше будет уплотненная площадь (Рис. 3).

Рис. 3. Работа широкозахватного агрегата по уходу за растениями

Обеспечить одинаковую ширину колеи для всех машин довольно сложно. Так, например, ширина колеи комбайна составляет 3 м и более. Если у всех машин обеспечить такую ширину колеи, то ими будет сложно пользоваться в повседневной жизни. В Австралии на многих фермах это осуществлено. Это объясняется тем, что в некоторых регионах страны большие площади и широкие дороги, поэтому передвижение по ним техники с широкой колеей не вызывает большого неудобства. В других странах, включая Европу, найдены другие альтернативы. Может они не столь эффективны для снижения уплотнения почвы колесами сельскохозяйственных машин, но даже уменьшение уплотненной почвы до 20% экономически выгодно.

Обеспечить движение сельскохозяйственной техники по одной и той же колее в настоящее время стало возможным благодаря использованию глобальных навигационных спутниковых систем ГЛОНАСС и GPS, применению подруливающих устройств, использующих корректирующий сигнал RTK. Только использование корректирующего сигнала позволит двигаться сельскохозяйственным машинам по одной и той же колее из года в год с точностью ± 2 см. Возможность использования навигационных систем дает сельхозтоваропроизводителю много других преимуществ и является хорошей предпосылкой перехода к КДТ (Рис. 4).

Рис. 4. Траектория движения агрегата с использованием навигационных спутниковых систем ГЛОНАСС и GPS

Использование систем навигации позволит обеспечить оптимальную величину перекрытия смежных проходов посевных агрегатов и машин для внесения удобрений, мелиорантов и химических средств защиты растений (ХСЗР). Особенно это относится к машинам с большой шириной захвата. Отклонение от оптимального перекрытия в ряде случаев достигает 5-10%. Как правило, это приводит к перерасходу посевного материала, удобрений и ХСЗР. Отклонение от оптимального перекрытия при внесении удобрений приводит к тому, что на одну часть поля вносится удобрений больше чем необходимо для получения планируемого урожая, а на другую меньше. Это приводит к снижению окупаемости удобрений за счет недобора урожая, снижению качества урожая, загрязнению окружающей среды.

В связи с этим следует усовершенствовать сельскохозяйственные машины и агрегаты, которые стали бы более производительными, качественно выполняющими различные агроприемы и, в меньшей степени, травмирующими почву и растения (рис. 5).

Рис. 5. Модификация посевного агрегата для движения его по колее трактора

По данным Тюменской ГСХА, при посеве зерновых с одновременным внесением минеральных удобрений трактором John Deere в агрегате с посевным комплексом Horsch, имеющим техническую ширину захвата 18 м, рабочая ширина захвата с навигатором составила 17,6 м (перекрытие стыковых рядков от 0 до 40 см), а без навигационного оборудования — 16,7 м (перекрытие стыковых рядков от 28 до 150 см. Расчет дополнительных затрат для выполнения отдельных операций на 10 тыс. га показывает, что площадь пересева и внесения минеральных удобрений составил 550 га. При этом перерасход семян яровой пшеницы составил 130 т. Товаропроизводитель на такой площади несет убыток: только от пересева семян в стыковых междурядьях — 780 тыс. руб. Излишне внесенные минеральные удобрения составляют 80 т, что в денежном выражении составляет 736 тыс. руб. Дополнительные затраты на дизельное топливо при посеве яровой пшеницы составляют 91,63 тыс. руб.

В целом, только использование такого элемента точного земледелия, как параллельное вождение с навигационной системой, приносит хозяйству с размером пашни 10 000 га экономию 2,7 млн. руб. За минусом приобретения четырех комплектов GРS-систем стоимостью 300 000 руб. экономический эффект составит боле 2,4 млн. рублей.

К преимуществам системы КДТ можно отнести:

— повышение урожайности с.-х. культур, особенно во влажные или засушливые периоды;

— снижение затрат горючего;

— переход на менее мощные энергетические средства (трактора) для выполнения той же работы (тех же операций)

— сокращение времени на выполнение технологических операций;

— улучшение свойств почвы:

— улучшение водоудерживающей способности почвы;

— улучшение инфильтрации, что приводит к снижению водной эрозии и доступности влаги растениям;

— более интенсивное развитие корневой системы и более эффективное использование элементов питания, приводящее к уменьшению загрязнения окружающей среды;

— возможность работы сельскохозяйственной техники при повышенной влажности.

На первом этапе реализации системы КДТ необходимо сосредоточить внимание на обеспечении хозяйств навигационными системами управления движением МТА и других самоходных сельскохозяйственных машин. При этом необходимо опираться на следующие основные требования:

— использование двух и более глобальных навигационных систем ГЛОНАСС, NAVSTAR/GPS и др. для обеспечения высокой точности позиционирования;

— создание и развитие систем получения и распространения дифференциальных поправок (в том числе дифференциальных референтных станций) для обеспечения требуемой точности;

— поэтапное внедрение систем: курсоуказателей, подруливающих устройств, автопилотов, роботизированных машин, управляемых с диспетчерского пункта;

— прочность, устойчивость к вибрации, воздействию пыли, влажности и химических веществ используемого навигационного оборудования;

— универсальность в использовании при проведении пахотных работ, внесении удобрений, посеве, уборке урожая и т.д.

Навигационная система управления МТА и самоходных сельскохозяйственных машин по архитектуре и базовым компонентам должна соответствовать следующим критериям:

— магистрально-модульная архитектура системы, высокая степень открытости, наращиваемости и гибкости аппаратуры и программного обеспечения;

— соответствие международным стандартам по совместимости программно-аппаратных интерфейсов и протоколов с другими системами автоматизации;

— освоенность базовых аппаратных компонентов в крупносерийном производстве, доступность усовершенствуемых версий программного обеспечения в течение всего срока эксплуатации системы;

— наличие программы диагностирования своей работоспособности и отдельных частей.

Использование навигационной системы управления движением МТА и других самоходных сельскохозяйственных машин является звеном комплексной автоматизации всего сельскохозяйственного предприятия и способствует скорейшему переходу к системе контролируемого движения сельскохозяйственных машин по полю.

Личман Г.И., д.т.н., Смирнов И.Г., к с-х.н., ФГБНУ ВИМ

Беленков А.И., д.с.-х. н.., РГАУ — МСХА имени К.А. Тимирязева

Журнал "Нивы Зауралья" №3 (125), апрель 2015