Προγραμματισμός και έλεγχος στόλου γεωργικών μηχανημάτων για τη διαχειριστική βελτιστοποίηση εκτελούμενων εργασιών αγρού

Abstract

This thesis, presents an algorithmic approach towards computing traversal sequences for parallel field tracks (for one or for numerous fields), covered by one machine or by a fleet of them. This algorithmic approach improves the field efficiency of the machines, by minimizing the total (in-field and out-field) non working traveled distance. Due to lack of literature concerning mathematical models which describe field operations, the fieldwork pattern in parallel tracks is initially modeled. Following, field coverage is expressed as the traversal of a weighted graph and the problem of finding optimal traversal sequences is shown to be equivalent to finding shortest tours in the graph. For the expressions of the optimization problem, a number of powerful algorithms with low computational requirement can be implemented. The field operation types that are modeled and solved are: area coverage operations (tillage, seedbed preparation, mowing etc.), operations with capacity constraints (harvesting, seeding, spraying, fertilization etc.), orchard operations (inter-row, intra-row and combined), operations with one-way oriented implements as well as operations with trafficability constraints. A number of field experiments were performed to validate and evaluate the proposed theoretical framework. The first set of field experiments was carried out using a conventional (manned) tractor. The second set was carried out at the University of Copenhagen research farm (Denmark), using an autonomous tractor. For the experiments with the autonomous tractor, the mission planning code was developed based on the approach presented in this thesis. The experimental results showed that by using algorithmically computed optimal sequences, the total non working distance can be reduced significantly (up to 50%), depending on the operation. This reduction has as a consequence, the decrease of the total operation time, the increase of the seasonal and overall productivity and the reduction of the headland compaction as well as of the headland area itself. The presented fieldwork planning approach is directly applicable to the present day navigation aid systems. Furthermore, beyond the potential economic and environmental benefits deriving from this approach implementation, such fieldwork planning constitutes a fundamental part of mission planning for the future autonomous agricultural machines.

Στη διατριβή αυτή, παρουσιάζεται μια αλγοριθμική προσέγγιση του υπολογισμού της βέλτιστης κάλυψης με το σύστημα των παραλλήλων διαδρομών, ενός αγρού ή συνόλου απομακρυσμένων αγρών, από ένα γεωργικό μηχάνημα ή ένα στόλο αυτών. Η αλγοριθμική αυτή προσέγγιση, βελτιώνει την απόδοση των μηχανημάτων ελαχιστοποιώντας τη συνολική (εντός και εκτός αγρού) παθητική διανυθείσα απόσταση. Δεδομένης της βιβλιογραφικής απουσίας μαθηματικών μοντέλων περιγραφής των εκτελούμενων εργασιών αγρού, αρχικά παρουσιάζεται, για πρώτη φορά, η μοντελοποίηση του συστήματος εκτέλεσης εργασίας των παράλληλων διαδρομών. Στη συνέχεια, η κάλυψη της εργασίας απεικονίζεται ως η διάσχιση ενός γράφου και το πρόβλημα της βέλτιστης κάλυψης δείχνεται ότι είναι ισοδύναμο με την εύρεση των συντομότερων κλειστών διαδρομών στον αντίστοιχο γράφο. Οι εκφράσεις του προβλήματος βελτιστοποίησης έγιναν με τέτοιο τρόπο ώστε για την επίλυση του προβλήματος να μπορούν να χρησιμοποιηθούν ισχυροί αναπτυγμένοι αλγόριθμοι οι οποίοι απαιτούν ελάχιστο υπολογιστικό χρόνο. Οι τύποι των εργασιών αγρού που μοντελοποιούνται και επιλύονται είναι οι εργασίες κάλυψης επιφάνειας (κύριας και δευτερεύουσας κατεργασίας του εδάφους, κοπή χόρτου κ.α), εργασίες με περιορισμό χωρητικότητας (συγκομιδής, ψεκασμού, λίπανσης) και εργασίες σε οπωρώνα. Το πειραματικό μέρος της εργασίας χωρίζεται σε δύο τμήματα. Τα πειράματα του πρώτου τμήματος αφορούν εκτελέσεις εργασιών με τη χρήση συμβατικού (επανδρωμένου) γεωργικού ελκυστήρα, ενώ του δεύτερου τμήματος αφορούν εκτελέσεις εργασιών με τη χρήση αυτόνομου (μη-επανδρωμένου) γεωργικού ελκυστήρα και πραγματοποιηθήκαν στο αγρόκτημα του Πανεπιστημίου Κοπεγχάγης. Τα αποτελέσματα των πειραμάτων έδειξαν ότι με τη χρήση των αλγοριθμικά υπολογισμένων βέλτιστων διαδοχών διαδρομών, η συνολική παθητική διανυθείσα απόσταση μπορεί να μειωθεί σημαντικά έως και 50% αναλόγως των παραμέτρων της εργασίας. Η μείωση αυτή, έχει σαν συνέπεια την ταχύτερη εκτέλεση των εργασιών, την αύξηση της πραγματικής καθώς και της ημερήσιας παραγωγικότητας, την αύξηση του βαθμού απόδοσης των μηχανημάτων και την ελαχιστοποίηση της συμπίεσης του εδάφους στις ζώνες ελιγμών.