31.08.2012 | 11:08
Autor:
Kategorie:
Štítky:

GPS navigace a udržitelné zemědělství

Globální poziční systém spolu s vyspělými navigačními přístroji představují značný přínos pro optimalizaci vstupů a minimalizování chyb při práci na poli. Využívání navigačních systémů u strojních souprav v zemědělství tak začíná stále více nabývat na svém významu. Kromě výhod, jakými jsou úspora paliva, přípravků, času, opotřebení součástí, přispívá používání navigací k úlevě od zátěže řidičů zemědělských strojů.

Velmi často diskutovanými tématy v souvislosti s ochranou půdy a krajiny je nadměrné zhutňování půdy a erozní ohrožení. Utužení půdy je nejčastěji dáváno do souvislosti především s provozem těžké mechanizace na poli. Také v této oblasti mohou navigace strojů přispět ke snížení nežádoucích dopadů intenzivního hospodaření.
Pouhý monitoring pohybu strojů po pozemcích nám odhalí řadu možností, kde hledat rezervy v současném způsobu hospodaření. Hodnocení intenzity přejezdů dokazuje úroveň, s jakou je půda vystavována působení pojezdových mechanismů strojů.

Výhody použití navigace
 
Využití těchto zařízení představuje řadu výhod, které se týkají především minimalizace chyb při práci na polích. Základní prostředek GPS ale může být rovněž využit pro shromažďování dat o provozu strojů, které se mohou uplatnit v půdoochranných technolo-
giích a opatřeních. Podle vybraných autorů si můžeme shrnout výhody spojené s použitím navigací do následujících bodů:
 snížení zátěže/únavy řidiče,
 snížení nákladů: efektivnost práce je navýšena snížením „vynechávkek“ a „překryvů“ mezi sousedními drahami,
 zvýšení produktivity: je možné zvýšení provozní rychlosti,
 zlepšení kvality: řidič může zaměřit svou pozornost jinam než na řízení stroje,
 zvýšení bezpečnosti práce,
 možnost pracovat v noci a při snížené viditelnosti,
 zkrácení nepracovních časů při otáčení souprav,
 menší dopad na životní prostředí (snížení přejezdů stroje, půdního zhutnění, eroze, povrchového odtoku vody, atd.).
V následujícím textu jsou představeny výsledky polních měření a sledování, které potvrzují výše popsané výhody použití satelitních navigací. Na druhou stranu výsledky ukazují na příklady nadměrného zatěžování půdy pojezdovými mechanismy nebo nevýhody spojené s nevhodnou volbou jízdních tras po pozemku.

Hodnocení chyb mezi sousedními jízdami
 
RTK korekce v současnosti představují nejvyšší úroveň dosažitelné přesnosti u polních navigací. Přesnost, resp. chyby v navádění byly sledovány u čtyř strojních souprav (tab. 1) vždy střídavě při použití navigace a bez použití navigace.
Velmi jednoduché monitorovací zařízení bylo nainstalováno na stroj – záznamníky byly zapojeny přímo s RTK navigací. Úkolem každého řidiče bylo pracovat bez jakéhokoliv ovlivňování minimálně 45 minut s využitím navigace a následně bez navigace. Tyto dvě varianty byly opakovány minimálně třikrát pro každou soupravu.
Porovnání stejné strojní soupravy se stejným řidičem střídavě s použitím navigace s RTK signálem a bez jejího použití ukázalo, že využití naváděcího systému poskytuje značné výhody, které spočívají ve významné minimalizaci chyb. V případě, že je stroj řízen manuálně, chyby jsou větší než s autonomní navigací.
Z grafů je také patrné, že při manuálním řízení mají řidiči sklon především překrývat jednotlivé jízdy. Takto vzniklé chyby se mohou dále kumulovat, například při hnojení nebo ochraně, kdy se využívají kolejové řádky. Statistické analýzy a grafické zpracování výsledků přináší obr. 1.
Za zmínku rovněž stojí rozdíl v přesnosti navigace u dvou druhů řízení, autopilot a asistované řízení. Systém asistovaného řízení EZ-Steer vychází z přidání krokového motorku na volant stroje, který kontroluje a ovládá linii stroje při pohybu. V porovnání s plně automatizovaným řízením má asistované řízení pomalejší reakční čas na požadovanou změnu směru.

Snížení zátěže obsluhy
 
Každý řidič mobilního prostředku nebo obsluha strojního zařízení je vystaven určitému psychicky stresovému zatížení. Tento jev vzniká souhrou různých faktorů, které se označují jako stresory. Ty mohou mít původ fyzický (uvnitř kabiny stroje nebo vozidla to může být hluk, vysoké teploty, nepohodlí, špatné ergonomické podmínky a další), dále sociálně-pracovní (u profesionálních řidičů například vysoké požadavky ze strany zaměstnavatele, práce na směny, pocity izolace, přesčasy, dodržování časových termínů, zodpovědnost za převážené osoby a zboží), a konečně i původ v samotné osobě řidiče (impulsivita, odolnost vůči zátěži, adaptabilita). Tento jev byl zkoumán zejména u řidičů v silniční automobilové dopravě v reálném provozu, kde je počet stresorů největší.
Podle klasifikace stresorů rozlišujeme tři hlavní formy psychické zátěže: jedná se o zátěž senzorickou, která vyplývá z nároků na činnost smyslových orgánů a jim odpovídajících struktur centrálního nervového systému, dále zátěž mentální, vyplývající z požadavků na zpracování informací kladoucích nároky na psychické procesy jako pozornost, paměť, představivost, myšlení a rozhodování, a konečně zátěž emoční.
Ta vyplývá ze situací a požadavků, vyvolávajících afektivní odezvu. Posledně jmenovaná emoční zátěž se opět projevuje zejména u řidičů pohybujících se v silničním provozu.
Dey a Mann (2010) publikovali výzkum týkající se sledování zátěže řidičů postřikovačů, kteří využívali navigační systém řízení pomocí světelné LED lišty. Při měřeních byly sledovány pohyby očí a tepová frekvence řidičů. Měření byla doplněna dotazníkem, kde řidiči vyplňovali otázky týkající se faktorů, které mají vliv na mentální i fyzickou zátěž obsluhy postřikovače. Batte a Ehsani (2005) hodnotili ekonomický přínos po-
užívání navigačního systému u postřikovačů a jako doplňková měření provedli také hodnocení únavy obsluhy postřikovačů při využívání navigace. Cílem prezentovaného výzkumu zaměřeného na hodnocení zátěže obsluhy zemědělských strojů bylo vyhodnotit přínosy navigačních systémů používaných v zemědělství, které se projeví na snížení zatížení řidičů strojních souprav.
Pro měření a následné vyhodnocení zátěže obsluhy zemědělských strojů byla zvolena metoda monitorování srdeční tepové frekvence řidičů v průběhu práce stroje na pozemku. Srdeční tepová frekvence byla měřena řidičům při polních pracích střídavě s použitím navigace a bez použití navigace, tedy při řízení stroje manuálně. Pro účely monitorování tepové frekvence řidičů byly pořízeny dvě měřicí soupravy sporttesteru Polar RSX800CX G (obr. 2). Součástí soupravy je GPS přijímač, který lokalizuje okamžitou polohu osoby.
Pro vlastní měření zátěže řidičů traktorů byli vybráni náhodně řidiči rozdílného věku, kteří měli zkušenosti s využíváním navigačního systému ve svém traktoru. Tento předpoklad byl důležitý, jelikož používání navigace pro řidiče nenavyklého na navigační systém může působit jako stresový faktor.
Pozemky, na kterých bylo provedeno měření zátěže obsluhy strojů, byly vybírány o větší velikosti (20 ha a více) a pravidelného tvaru, aby byly zajištěny dostatečně dlouhé průjezdy strojů bez nutnosti stálého otáčení na souvratích, zatáčení a objíždění překážek.
Pro další hodnocení byl použit program ArcGIS. GPS souřadnice míst uložení tepové frekvence bylo možné rozdělit tak, že došlo k rozdělení pracovní plochy pozemku na souvratě a produkční plochu (obr. 3). Následně byly zpracovány naměřené hodnoty pro úseky měření v průběhu jízdy mezi souvratěmi bez navigace a s navigací, a dále pro úseky měření při otáčení na souvratích, opět při jízdách bez navigace a s navigací.
Z výsledů měření jsou uvedeny dva příklady vyhodnocení. Prezentovány jsou výsledky měření získané při základním zpracování půdy. V prvním případě byl nasazen kloubový traktor Case. V druhém případě se jednalo o soupravu taženou pásovým traktorem Caterpillar.
Obr. 4 ukazuje graf, kde jsou vyneseny hodnoty tepové frekvence řidiče kloubového traktoru. Jsou zde patrné rozdíly mezi hodnotami tepové frekvence při použití navigace a bez jejího použití. Nárůst hodnot tepové frekvence je také patrný na souvratích při otáčení soupravy.
Při porovnání průměrných hodnot došlo k poklesu hodnot o 1,4 % při použití navigace v porovnání s řízením bez navigace. Při porovnání hodnot tepové frekvence zaznamenané v produkční ploše a na souvrati při použití navigace (otáčení traktoru bylo zajišťováno vždy manuálním řízením) narostly hodnoty na souvratích o 3,9 %. Při manuálním řízení bylo pozorováno navýšení hodnot pouze o 0,9 %. I když byl pozorován pokles hodnot tepové frekvence při použití navigace během práce, při otáčení bylo zatížení řidiče vyšší.
Jak dokazuje tabulka 2, byly v hodnotách tepové frekvence prokázány statisticky významné rozdíly.
V druhém případě byl sledován řidič při řízení a obsluze pásového traktoru. Graf na obrázku 5 rovněž poukazuje na rozdíly v hodnotách tepové frekvence. Z grafického znázornění je možno označit dvě skupiny hodnot: Jízda bez navigace a s použitím navigace. Při použití navigace byly hodnoty naměřené v produkční ploše o 2 % nižší oproti manuálnímu řízení.
Jak dokazuje tab. 2, rozdíly byly opět statisticky významné. Při otáčení na souvratích nevykazovaly hodnoty tepové frekvence při jednotlivých způsobech řízení významné rozdíly.
Použití navigace přispělo ke snížení zátěže obou sledovaných řidičů během pracovní jízdy. Na souvratích tepová frekvence vždy narůstá. Avšak, jak ukazují výsledky, významné navýšení tepové frekvence na souvratích bylo pozorováno pouze při řízení kloubového traktoru. Řízení pásového traktoru představuje odlišný charakter otáčení volantu, kdy se volantem neotáčí dokola, ale pouze se natáčí o určitý úhel.
Snížení zatížení řidiče na souvratích by mohly dále napomoci nové systémy navigace, které soupravu na souvratích samy automaticky otáčí a ovládají.

Plánování tras a optimalizace pohybu souprav
 
Z hlediska okamžitého praktického využití je dalším významným krokem k navýšení efektivity práce modelování a vhodná volba trajektorie jízdy. Pokud jde o plánování tras pro polní operace, v řadě případů již byly představeny vyspělé metody pro návrhy optimálních tras pohybu soupravy. Dostupnost satelitních navigačních systémů pro zemědělství bezpochyby přispívá k rozvoji a praktickému nasazení v provozu.
Jako praktická ukázka byl pro návrhy směrů naváděcích linií použit program OptiTrail, který je poskytován společností LeadingFarmers a. s. Výstupem programu jsou údaje o tom, jak změna směru řídicí křivky a tvar pole ovlivní poměr pracovních a nepracovních jízd a následné doporučení optimální trasy s ohledem na tvar pozemku. V současné době je volba směru jízd založena především na zkušenostech řidičů nebo zvycích zemědělců.
Obr. 6 a ukazuje příklad nepravidelného tvaru pozemku, pro který byly počítány modelové trajektorie. Model byl navržen pro postřikovač s pracovním záběrem 18 m.
Obr. 6 b představuje optimální trajektorii, která respektuje tvar pozemku. Srovnání délek pracovních a nepracovních jízd pro různé směry řídicí trajektorie přináší obrázek 7. Základní krok úhlu natočení trajektorie byl 5°.
Landers (2000) nebo Jílek a Podpěra (2005) dokládají, že existuje celá řada vlivů, které ovlivňují efektivitu práce strojních souprav. Tvar pozemku, jeho velikost, terén, překážky a pracovní záběry strojů hrají v tomto ohledu významnou roli.
V našich podmínkách platí, že pozemky, kde nejsou dvě protilehlé strany rovnoběžné, můžeme považovat za standard.
Jak dokládá obr. 7, i minimální odchylka od optimální cesty může vést k významnému navýšení podílu nepracovních jízd a přejezdů. Modelovou trajektorii můžeme vcelku snadno přenést do navigace. Na druhou stranu model nerespektuje sklon pozemku.
Právě sklon pozemku představuje zásadní podmínku při plánovaných protierozních opatřeních. Tady vzniká významný prostor pro další návrhy, protože otázka sklonu pozemku, trakčního výkonu a návrhu jízd není dostatečně řešena. Řada autorů na podobný problém, kdy dochází k problémům při přenosu výkonu na podložku, poukazuje.

Hodnocení intenzity přejezdů po pozemcích
 
Zemědělská půda je v různé míře vystavována tlakům vyvíjeným pojezdovými ústrojími traktorů, sklizňových strojů a dopravních prostředků. Přejezdy po pozemcích jsou v současném zemědělství nevyhnutelné.
Právě přejezdy jsou však spojené s mnoha negativními dopady na půdní prostředí, především nežádoucím zhutněním půdy.
Chamen (2006) uvádí, že průměrná hmotnost a výkon zemědělských vozidel je přibližně trojnásobná oproti roku 1966 a maximální zatížení kol vzrostlo šestinásobně. Pokračující trend použití větších a výkonnějších strojů pro polní práce ještě zvyšuje riziko zhutnění půdy.
Pouhé vybavení traktoru přijímačem GPS může posloužit k detekci ploch, kde dochází k opakovaným přejezdům souprav. Takto byla hodnocena četnost přejezdů na sledovaných pozemcích. V pravidelných intervalech byl sledován pohyb každé strojní soupravy, která na pozemek v průběhu sezóny vstoupila. Přepočtem na šířku pneumatik byla vyjádřena přejetá plocha a četnost opakovaných přejezdů.
Tímto způsobem byl monitorován pohyb souprav na pozemcích oraných, pozemcích, kde byly uplatněny minimalizační technologie, ale také plochy s travními porosty, určenými k senážování. Časově a organizačně náročné měření přineslo poměrně alarmující zjištění. Z následujících obrázků jsou patrné plochy, které byly vystaveny přejezdům.
V našem případě organizace přejezdů odpovídala provozním podmínkám v zemědělském podniku, nebylo do ní nijak zasahováno. V organizování přejezdů tedy zůstávají značné rezervy.
Na výřezu o výměře 1 ha je demonstrováno pokrytí plochy jízdními stopami při uplatnění orebná (obr. 8a) a minimalizační technologie (obr. 8b). Orebná technologie vykázala pokrytí celkem 86,1 % plochy. U konzervační technologie bylo pneumatikami přejeto 63,8 % plochy.
Jednou z možností, jak omezit přejezdy, je soustřeďování přejezdů po půdě do trvalých kolejových stop. Nejvyšší přínos kolejových řádků nastane v případě, že každý stroj, který vstupuje na pole, včetně sklízecí mlátičky, má shodný rozchod kol.
Technické řešení stejného rozchodu pneumatik nebo pásů by mohlo představovat hlavní překážku. Na druhou stranu je možné uplatňovat uvedený systém s kombinací rozdílného rozchodu kol, ve kterém především sklízeče představují jedinou výjimku v porovnání s traktory a ostatními stroji.
Na experimentálním pozemku, kde byl uplatněn systém jednotných kolejových stop s kombinací rozdílného rozchodu, došlo ke snížení výměry přejeté plochy na 31 %. Jednalo se přitom o shodné stroje a technologické postupy, jaké byly použity u minimalizační technologie s neorganizovanými jízdami. Jedná se tedy o snížení zatížení o polovinu. Pro uplatnění této technologie je navigace nezbytná.
Stejná metoda sledování přejezdů byla uplatněna během sklizně pícnin. V tomto případě byla intenzita přejezdů hodnocena při senážování píce. Navíc bylo možné porovnání mezi technologií se samojízdnou řezačkou a svinovacím lisem.
Z výsledků hodnocení vyplývá, že celkově přejetá plocha a četnost opakovaných přejezdů se nelišila mezi technologií s využitím řezačky nebo sběracího lisu. Z grafu na obrázku 9 je patrné rozložení četností přejezdů. V obou případech je nejčetnější dvojí opakovaný přejezd. Obr. 10 a 11 ukazují plochu pokrytou pneumatikami. V případě řezání bylo přejeto celkem 63.8 % plochy 1 ha, v případě lisování se jednalo o 63.4 %.
Kromě náhodně organizovaných jízd bylo možné z výsledků měření vysledovat další možnosti pro zlepšení stavu. Lepší organizovanost a součinnost odvozových prostředků s řezačkou by jistě snížení opakovaných přejezdů napomohlo.
V uvedených příkladech měření vždy souprava s prázdným vlekem sledovala po celou dobu soupravu pracující s řezačkou. V případě lisování by bylo možné dopředu připravit svozový plán balíků.

 

Klíčové informace

– Využití navigací pro zemědělské operace přináší řadu výhod. Výsledky měření ukázaly, že použití navigací nabízí možnost snížit chyby při navazování jízd, snížení zátěže řidičů nebo optimalizovat přejezdy po pozemcích.
– Přijetí systému stálých jízdních stop může výrazně snížit intenzitu zatížení půdy pojezdovými mechanismy zemědělských strojů.
– Na druhou stranu výstupy z tohoto článku ukázaly nutnost dalšího výzkumu a vývoje v oblasti navigování a pohybu strojů po pozemcích.

 

Použitá literatura je k dispozici u autorů.

Ing. Milan Kroulík, Ph.D.
Ing. Zdeněk Kvíz, Ph.D.
Ing. Jan Chyba

Česká zemědělská univerzita v Praze
Technická fakulta
katedra zemědělských strojů

Napsat komentář

Napsat komentář

Vaše e-mailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *

deník / newsletter

Odesláním souhlasíte se zpracováním osobních údajů za účelem zasílání obchodních sdělení.
Copyright © 2022 ČTK. Profi Press, s.r.o. využívá zpravodajství z databází ČTK, jejichž obsah je chráněn autorským zákonem. Přepis, šíření či další zpřístupňování tohoto obsahu či jeho části veřejnosti, a to jakýmkoliv způsobem, je bez předchozího souhlasu ČTK výslovně zakázáno.
crossmenuchevron-down