Προγραμματισμός και έλεγχος στόλου γεωργικών μηχανημάτων για τη διαχειριστική βελτιστοποίηση εκτελούμενων εργασιών αγρού
Creators: name: Μπόχτης, Διονύσιος Δ.
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2008
Subjects: Διαχείριση στόλου
Σχεδιασμός εργασιών
Αυτόματη πλοήγηση
Βελτιστοποίηση
Μοντελοποίηση
Αυτόνομα οχήματα
Fleet management
Mission planning
Fieldwork patterns
Optimization
Modelling
Automatic guidance
Autonomous vehicles

description: Βασικός περιοριστικός παράγοντας στο σχεδιασμού ενός συστήματος εκτέλεσης εργασιών αγρού, είναι ο άνθρωπος - χειριστής των γεωργικών μηχανημάτων. Για παράδειγμα, η διαδοχή κάλυψης των παράλληλων διαδρομών ενός αγρού, περιορίζεται από τη δυνατότητα του χειριστή να διακρίνει την επόμενη διαδρομή που πρέπει να ακολουθήσει από αυτή στην οποία εργάζεται. Η εμφάνιση εμπορικά διαθέσιμων συστημάτων υποβοηθούμενης ή αυτόματης πλοήγησης γεωργικών μηχανημάτων, μειώνει τον ανθρώπινο αυτόν παράγοντα δίνοντας τη δυνατότητα ακριβούς παρακολούθησης οποιουδήποτε σχεδίου εκτέλεσης της εργασίας. Η νέα αυτή τεχνολογία, όπως θα φανεί στα επόμενα, μπορεί να προσφέρει μια καινοτόμα προοπτική αναθεώρησης των παραδοσιακών συστημάτων εκτέλεσης των εργασιών αγρού, χωρίς την ταυτόχρονη παραβίαση αγρονομικών περιορισμών. 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. Το πρόβλημα της βελτιστοποίησης διατυπώνεται και επιλύεται επίσης ως πρόβλημα δυαδικού ακέραιου προγραμματισμού. Οι παραπάνω 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. Έτσι, παρέχεται η δυναμική επέκταση του βέλτιστου σχεδιασμού της εργασίας, όπου κατά τη διάρκεια της εκτέλεσής της θα πρέπει να γίνει επανασχεδιασμός όταν αυτό απαιτείται εξαιτίας της αλλαγής κάποιων παραμέτρων. Το χαρακτηριστικό αυτό είναι εξαιρετικά χρήσιμο στο ανοικτό και μερικώς ελεγχόμενο περιβάλλον των εργασιών αγρού. 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 (πάνω στις σειρές, ανάμεσα στις σειρές). Επίσης εργασίες που αφορούν πλευρικά μηχανήματα καθώς και εργασίες με περιορισμούς προσπελασιμότητας. Το πειραματικό μέρος της εργασίας χωρίζεται σε δύο τμήματα. Τα πειράματα του πρώτου τμήματος αφορούν εκτελέσεις εργασιών με τη χρήση συμβατικού (επανδρωμένου) γεωργικού ελκυστήρα και πραγματοποιήθηκαν στο αγρόκτημα της Γεωπονικής σχολής του Αριστοτέλειου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης, ενώ του δεύτερου τμήματος αφορούν εκτελέσεις εργασιών με τη χρήση αυτόνομου (μη-επανδρωμένου) γεωργικού ελκυστήρα και πραγματοποιηθήκαν στο αγρόκτημα του Πανεπιστημίου Κοπεγχάγης. Για την εκτέλεση των πειραμάτων του δεύτερου τμήματος αναπτύχθηκε κώδικας σχεδιασμού αποστολής για τον αυτόνομο ελκυστήρα, βασισμένος στην αλγοριθμική προσέγγιση της παραγωγής του βέλτιστου σχεδίου εκτέλεσης της ανατιθέμενης εργασίας. 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
description: The main constraint of fieldwork pattern planning is the very presence of a human in the driver's seat. For example, the traversal sequence of the parallel tracks in a field is the result of the machine operator's experience and it is constrained by human ability to distinguish the next track that the operator must follow, after the end of the track currently followed. The introduction of commercially available auto-steering or navigation-aid systems for agricultural machines has made it possible to enter arbitrary field pattern sequences into programmable navigation computers and to follow them precisely. This new technology, as it will appear in this thesis, offers a totally new perspective for the revision of the traditional fieldwork patterns, without the violation of the agronomical constraints. 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. The optimization problem is also formulated and solved as a binary integer programming problem (BIP). For these expressions of the optimization problem, a number of powerful algorithms with low computational requirement can be implemented. These algorithms make feasible to re-plan an optimal fieldwork pattern for the machines that are committed to the operation, while the operation proceeds. This fact is extremely useful in the open and partially controlled environment of the agricultural operations. 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 at the A.U.Th. research farm (Greece), using a conventional (manned) tractor. The second set was carried out at the University of Copenhagen research farm (Denmark), using an autonomous (un-manned) 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 for the conventional agricultural machines. Furthermore, beyond the potential economic and environmental benefits deriving from this approach implementation, such fieldwork planning constitutes a fundamental part of algorithmic mission planning for the future autonomous agricultural machines