بخشی از مقاله
چکیده
انجام عملیات کشاورزی مکانیزه در مزرعه بدون حرکت ماشین امکانپذیر نیست و ماشینهای زراعی به منظور پوشش کل مزرعه مجبور به تبعیت از یکی از الگوهای حرکتی موجود میباشند. یکی از مشکلات اصلی الگوهای حرکت متداول در مزرعه، اتلاف زمانی دورزدن در انتهای مزرعه است که تاثیر شگرفی در کاهش بازده مزرعهای خواهد داشت. الگوهای سنتی مختلفی برای نحوه- ی حرکت ماشین در مزرعه به کار گرفته میشود که از جمله میتوان به الگوی تردد پیوسته، مارپیچ، دور تا دور و بلوکبندی اشاره کرد. تمام این الگوها در راستای کاهش مقدار مسافت غیرمفید طی شده هنگام دور زدن سر مزرعه ابداع شدهاند.
هدف از این پژوهش، کاهش مسافت غیرمفید طیشده توسط ماشینهای کشاورزی با استفاده از الگوریتم ژنتیک، در حین دور زدن در منطقهی سرمزرعه برای حرکت از یک مسیر به مسیر بعدی و به تبع آن افزایش بازدهی مزرعهای میباشد. در این مقاله با استفاده از الگوریتم ژنتیک، الگویی بهینه برای حرکت ماشینهای کشاورزی در مزرعهی مستطیلیشکل شبیهسازی شده است، و در نهایت این الگوی بهینه در قالب نمودار با الگوهای سنتی مقایسه گردید. نتایج شبیهسازی نشان داد که الگوی بهینه قادر است به طور میانگین حدود % 50 در مسافت غیرمفید طی شده، صرفهجویی نماید.
مقدمه
در سالهای اخیر پیشرفت و توسعهی سیستمهای هدایت خودکار در ماشینها، به افزایش علاقه برای برنامهریزی مسیر به کمک ابزارهای محاسباتی هوش مصنوعی منجر شدهاست . - Keicher and Seufert ,2000 - شکل مزرعه، اندازه و نوع ماشین مورد- استفاده، خودرو یا دنبالهبند بودن به لحاظ قابلیت مانور ماشین از جمله مهمترین عوامل تاثیرگذار در تعیین الگوی مناسب حرکت در مزرعه است - مصری گندشمین ، . - 1395 انجام عملیات مکانیزهی کشاورزی در مزرعه بدون حرکت ماشین امکانپذیر نیست و تراکتورها و ماشینهای کشاورزی که بطور سنتی در مزرعه حرکت میکنند، توسط نیروی انسان هدایت میشوند. در واقع راننده با تشخیص موقعیت فعلی در مزرعه، بررسی نقطهی هدف، انتخاب مسیر و هدایت در مسیر، هدایت ماشین را به انجام میرساند
- مزیدی و همکاران، . - 1393 به گونه ای که استراتژی عملیات بدون کمک ابزارهای کامپیوتری بر پایهی عادت، نوع وظیفه و ماموریت، ویژگی ماشین و تجربیات شخصی طراحی میشود که از مشخصات آن تکراری بودن الگو و عدم اصلاح پیوسته آن است که این استراتژی بطور مستقیم بر بازده مزرعهای تاثیر میگذارد. لذا ضرورت استفاده از تکنیکهای بهینهسازی درتعیین الگو و مسیر بهینه ماشین در مزرعه بسیار کارگشا خواهد بود و تاثیر قابل توجهی بر بهبود بازدهی مزرعهای خواهد داشت. در میان تکنیکهای بهینهسازی، الگوریتم ژنتیک یا الگوریتم تکاملی به علت داشتن ویژگیهای خاص در یافتن مجموعه جوابهای بهینهی مساله، بطور وسیعی در حل مسالهی بهینهسازی مسیرها بکارگرفته میشود.
در زمینهی استفاده از تکنیکهای بهینهسازی در برنامهریزی مسیر ماشینآلات در مزرعه تا کنون پژوهشهای مختلفی انجام گرفته است. محققان دریافتند که تقسیم مرزهای پیچیده مزرعه به شکلهای سادهتر ممکن است فرآیند بهینهسازی را بهبود ببخشد. آنها بیان داشتند که بهرهگیری از الگوریتم تفکیک ذوزنقهای، تکنیکی قابلقبول برای تقسیم مزرعه به بخشهای فرعی است. فرآیند تفکیک با ترسیم خطوطی میان رئوس پلیگون آغاز میشود که سلولهایی که از ترسیم این خطوط شکل میگیرند تحت عنوان ذوزنقه منظور خواهند شد.
جاروب مساحت هر سلول از طریق حرکات رفت و برگشتی ساده کنار هم حاصل خواهد شد. بطور متداول مسیرهای رفت و برگشت بصورت موازی و کنار هم رسم شدهاند و الگوی بهینه نیز بر حرکت حدالامکان مسیر از نزدیکترین مسیر مجاور تاکید دارد. جاروب مساحت کل مزرعه از طریق بررسی حداقل یک مرتبهای هر سلول در گراف مجاورت، حاصل میشود. در گراف مجاورت، هر گره بیانگر یک سلول میباشد، نقطهای که سلولهای مجاور، یالهایی مشترک با هم دارند و از این طریق به همدیگر مرتبطند.
آنها همچنین شکل اصلاحشدهای از تفکیک سلولی را تحتعنوان تفکیک " Boustrophedon" ارائه دادند که در این رویکرد، سلولها به گونهای با هم ترکیب میشوند که تعداد حرکات اضافی و تکراری کاهش یابد . - Choset and Pignon,1997 - همچنین محققان الگوریتمی را ایجاد کردند که امکان تفکیک بهینهی مزرعه و انتخاب مسیر کاری بهینه را برای مزارع فرعی فراهم میکرد. الگوریتم، زمین را در چندین ناحیه تفکیک میکند و سپس هر ناحیه را بطور جداگانه از لحاظ بهترین مسیر کاری مورد ارزیابی قرار میدهد.
- . - Jin and Tang,2010 سایر پژوهشگران روشی را برای حل مسائل برنامهریزی مسیر به منظور جاروب کل مساحت مزرعه ارائه دادند که در این روش مزرعه بعنوان یک صفحه در نظرگرفته میشود و مسیر برای پوشش صفحه بعنوان دنبالهای از سلولها فرمولبندی میشود “Ryerson and . - Zhang, 2006 محققان سناریویی را تحلیل کردند که در آن هزینهی معمول عبور و مرورهای مجاور یکدیگر کاهش پیدا کرده بود . نویسندگان سیستمی را تحت عنوان مسالهی فروشندهی دورهگرد - - TSP مدلسازی کردند و مسیرهای ممکن را روی یک گراف وزن دار غیر مستقیم ارائه دادند.
معیار هزینهی بکارگرفتهشده توسط نویسندگان بر پایهی مسافت غیرمفید طیشده در طول دورزدن قرار داشت با توجه به این موضوع که وسیلهی نقلیه از مرزهای مزرعه با گوشهی راست عبور کرد - Bochtis هدف اصلی از این پژوهش ایجاد و توسعهی متدهایی مبتنی بر الگوریتم ژنتیک برای تعیین الگوهای مناسب مسیر حرکت ماشینهای کشاورزی در مزارع به منظور حداقلکردن مسافت غیرمفید طیشده و زمان غیرمفید تلفشده میباشد که به دنبال کمینهسازی این دو عامل - مسافت و زمان غیرمفید - ، بازده مزرعهای نیز افزایش خواهد یافت.
مواد و روشها
در این پژوهش، مزرعهای مستطیلی شکل به عرض 80 m و طول دلخواه در نظر گرفتهشد و در آن عملیات کاشت با استفاده از تراکتور MF399 با سرعت حرکت 7 kms-1 بعنوان وسیله کشنده به همراه خطیکار کششی با عرض کار 4 m انجام شد. برای بدست آوردن مسیرهای تردد و اولویت حرکت در مسیرهای تعیینشده، عرض مزرعه به 20 مسیر تقسیم گردید و بمنظور محاسبه- ی کمترین زمان و مسافت غیرمفید در حین دورزدن، انواع روشهای دورزدن مورد آزمون قرارگرفت.
ج - دور زدن با استفاده از دنده عقب - - T- TURN
حداقل مسافت طیشده برای هر نوع دور زدن توسط یک وسیلهی نقلیه، بر اساس معادلات سینماتیک حرکت محاسبه میشود که بر اساس این معادلات ، حداقل مسافت لازم برای دور زدن دستگاه و حرکت از انتهای مسیر i به ابتدای مسیر j برای سه روش معمول دور زدن در منطقه سر مزرعه توسط ماشینهای مزرعهای در معادلات 1و 2 و 3 ارائه شدهاست - Bochtis and
