futurefarm deliverable 6 - au...

92
Project no. 212117 Project acronym: FUTUREFARM Project title: Integration of Farm Management Information Systems to support realtime management decisions and compliance of management standards Instrument: Collaborative project Thematic Priority: THEME 2 FOOD, AGRICULTURE AND FISHERIES, AND BIOTECHNOLOGY Deliverable 6.3: Preliminary report on optimized fleet management to reduce energy consumption and costs Due date of deliverable: 31/12/2009 Actual submission date: 15/12/2009 Start date of project: 1 st January 2008 Duration: 36 months Work package 3: “Analysis Influences of robotics and biofuels on economic and energetic efficiencies of farm production” Organization name of lead contractor for this deliverable: WUR Authors: Vougioukas, S. (AUTH), Bochtis, D. (AU), Sørensen, C. (AU), Oksanen, T. (TKK), Guzman, H. (UA).

Upload: others

Post on 08-Oct-2020

4 views

Category:

Documents


1 download

TRANSCRIPT

Page 1: FutureFarm Deliverable 6 - AU Purepure.au.dk/portal/files/34430118/FutureFarm_Deliverable_6.3.pdf · optimised farm mechanization management comprising single machines or fleets of

    Project no.     212117   Project acronym:  FUTUREFARM  Project title:   Integration  of  Farm Management  Information  Systems  to  support  real‐time 

management decisions and compliance of management standards   Instrument:     Collaborative project  Thematic Priority:  THEME 2 FOOD, AGRICULTURE AND FISHERIES, AND BIOTECHNOLOGY   

Deliverable  6.3:  Preliminary  report  on  optimized  fleet  management  to  reduce 

energy consumption and costs 

  Due date of deliverable:  31/12/2009 Actual submission date:  15/12/2009 

 Start date of project: 1st January 2008          Duration: 36 months 

 Work package 3: “Analysis Influences of robotics and biofuels on economic and energetic efficiencies of farm production”  Organization name of lead contractor for this deliverable: WUR  Authors: Vougioukas,  S.  (AUTH), Bochtis, D.  (AU),  Sørensen, C.  (AU), Oksanen, T.  (TKK), Guzman, H. (UA).                  

Page 2: FutureFarm Deliverable 6 - AU Purepure.au.dk/portal/files/34430118/FutureFarm_Deliverable_6.3.pdf · optimised farm mechanization management comprising single machines or fleets of

Project No. 212177 FutureFarm D.3.3

- 2 -

                                                 

Page 3: FutureFarm Deliverable 6 - AU Purepure.au.dk/portal/files/34430118/FutureFarm_Deliverable_6.3.pdf · optimised farm mechanization management comprising single machines or fleets of

Project No. 212177 FutureFarm D.3.3

- 3 -

REPORT INTRODUCTION ....................................................................................................................................... - 4 - 

1  FLEET MANAGEMENT: LITERATURE REVIEW .............................................................................................. - 5 - 

1.1  INTRODUCTION TO AGRICULTURAL FLEET MANAGEMENT .................................................................................... - 5 - 1.2  PROBLEM DESCRIPTION ................................................................................................................................. - 7 - 1.3  PROBLEM DEFINITION ................................................................................................................................... - 9 - 1.4  OFF‐LINE FLEET OPERATIONS PLANNING ......................................................................................................... - 11 - 

1.4.1  Scheduling of fleet operations ........................................................................................ - 12 - 1.4.2  Harvesting in forestry ..................................................................................................... - 13 - 1.4.3  Harvesting in agriculture ................................................................................................. - 14 - 

1.5  FIELD TRAFFIC PLANNING ............................................................................................................................. - 15 - 1.5.1  Independent machines ................................................................................................... - 15 - 1.5.2  Cooperating machines .................................................................................................... - 19 - 

1.6  ON‐LINE FLEET MANAGEMENT ...................................................................................................................... - 20 - 1.6.1  Dynamic scheduling of fleet operations ......................................................................... - 21 - 1.6.2  Field traffic planning ....................................................................................................... - 24 - 1.6.3  Field traffic control .......................................................................................................... - 26 - 

1.7  SUMMARY AND CONCLUSIONS ..................................................................................................................... - 29 - 1.8  REFERENCES ............................................................................................................................................... - 30 - 

2  FLEET MANAGEMENT: ASSESSMENT OF POTENTIAL SAVINGS ................................................................ - 36 - 

2.1  INTRODUCTION .......................................................................................................................................... - 36 - 2.2  IDENTICAL MACHINES ................................................................................................................................. - 37 - 

2.2.1  Methods .......................................................................................................................... - 37 - 2.2.2  Simulation Results ........................................................................................................... - 42 - 

2.3  FLEET OF COOPERATING MACHINES .............................................................................................................. - 59 - 2.3.1  Methods .......................................................................................................................... - 59 - 2.3.2  Results ............................................................................................................................. - 62 - 

2.4  CONCLUSIONS ............................................................................................................................................ - 65 - 2 . 5   R E F E R E N C E S ................................................................................................................................ - 67 - 

3  FLEET MANAGEMENT: DATA AND INFORMATION REQUIREMENTS ........................................................ - 75 - 

3.1  DATA AND INFORMATION FLOWS .................................................................................................................. - 75 - 3 . 2   D A T A   A N D   I N F O R M A T I O N   R E Q U I R E M E N T S .................................................................. - 78 - 3 . 3   C O M M U N I C A T I O N S   I N F R A S T R U C T U R E ............................................................................ - 79 - 

3.3.1  Dispatcher‐to‐vehicle ...................................................................................................... - 79 - 3.3.2  Vehicle‐to‐vehicle ........................................................................................................... - 80 - 

3 . 4   C O N C L U S I O N S ................................................................................................................................ - 83 - 

4  APPENDICES................................................................................................................................................ - 84 - 

Project co‐funded by the European Commission within the Seven Framework Programme (2007‐2013) 

Dissemination Level  

PU  Public  X 

PP  Restricted to other programme participants (including the Commission Services)   

RE  Restricted to a group specified by the consortium (including the Commission Services)   

CO  Confidential, only for members of the consortium (including the Commission Services)   

Page 4: FutureFarm Deliverable 6 - AU Purepure.au.dk/portal/files/34430118/FutureFarm_Deliverable_6.3.pdf · optimised farm mechanization management comprising single machines or fleets of

Project No. 212177 FutureFarm D.3.3

- 4 -

APPENDIX A: TERMINOLOGY ..................................................................................................................................... - 84 - APPENDIX B: REPRESENTATIVE SCHEDULING PROBLEMS ................................................................................................ - 87 - 

4.1.1  Project scheduling ........................................................................................................... - 87 - 4.1.2  Job shop scheduling ........................................................................................................ - 88 - 4.1.3  Vehicle routing ................................................................................................................ - 89 - 4.1.4  Solution techniques ........................................................................................................ - 90 - 

REPORT INTRODUCTION 

Deliverable 6.3 is a report titled “Preliminary report on optimized fleet management to reduce energy consumption and costs “. Its objectives are:  a) to investigate the potential savings in energy consumption and production cost by optimising single and multiple machine (fleet) machine usage at the farm level b) to investigate the required data, information flow and information management for optimised farm mechanization management  comprising  single machines  or  fleets  of  conventional,  or  autonomous machines.   The report is divided into three sections. Section 1:  This section presents a scientific literature review to assess what the research community has shown to be possible for planning and managing the operation of teams of conventional and semi‐autonomous machines. Then, it presents the currently available commercial technology for planning and managing the  operation  of  agricultural machine  fleets.  It  proceeds  by  identifying  the  limitations  of  currently available commercial  research‐prototype systems. Finally  it offers  recommendations  for bridging  the gaps between what  is commercially available, and what constitutes state of  the art  in  research, and develops a roadmap for what needs to be developed further.  Section 2: This  section  presents  an  assessment  of  the  energy  and  cost  savings  that  could  be  achieved when farming operations (e.g., fertilising, grain harvesting) are performed by many machines (fleet) operated in  an  optimal  way,  as  opposed  to  the  standard  operation  of  current  agricultural  practice.  The assessment will be based on available state of the art algorithms which model, optimise and simulate the execution of agricultural operations at the farm level.  Section 3: This  report  investigates  the  required  data,  information  flow  and  information  management  for optimised  farm mechanization management  comprising  single machines  or  fleets  of  (autonomous) machines. It compares the currently available data flow with the required one, identifies the limitations of current technology and suggests directions for future technological development. 

 

Page 5: FutureFarm Deliverable 6 - AU Purepure.au.dk/portal/files/34430118/FutureFarm_Deliverable_6.3.pdf · optimised farm mechanization management comprising single machines or fleets of

Project No. 212177 FutureFarm D.3.3

- 5 -

1 Fleet Management: Literature Review  

Vougioukas2 S G; Bochtis1 D D; Sørensen1 C G; Oksanen3 T; Guzman4 J L.; van Henten5 E.

1Aristotle University of Thessaloniki, Faculty of Agriculture, Department of Agriculture Engineering, Greece. 

2 University of Aarhus, Faculty of Agricultural Sciences, Department of Agricultural Engineering,  Blichers Allé 20, P.O box 50, 8830 Tjele, Denmark. 

3  Helsinki  University  of  Technology,  Department  of  Automation  and  Systems  Technology,  P.O.  Box  5500,  02015  TKK, Finland. 

4 University of Almería, Department of Languages and Computation, Ctra. Sacramento s/n, 04120, Almería, Spain. 

5 Wageningen University and Research Centre, Bornsesteeg 59, 6708 PD Wageningen, The Netherlands, 

 

1.1 Introduction to agricultural fleet management 

By 2050, global population  is projected to be 50%  larger  than at present and global grain demand  is projected to double (Alexandratos, 1999). The U.S. Department of Energy (DOE) aims to displace 30% of  the  2004  gasoline  use  (60  billion  gal/yr)  with  biofuels  by  2030  as  outlined  in  the  Energy Independence  and  Security  Act  of  2007,  which  will  require  700  million  tons  of  biomass  to  be sustainably delivered to biorefineries annually. In European Union, the biofuel directive set as a target to  blend  10%  of  bio‐based  fuels with  conventional  gasoline  and  diesel  for  road  transport  by  2020, although  the goal  is under reconsideration due to environmental and social concerns. The necessary biomass for energy will come mainly from energy crops as well as agricultural residues. Pressures like the ones mentioned above have been major thrusts  for the  intensification of agricultural production and  can  explain  the  demand  for  agricultural  machines  of  increasing  size,  capacity  and  cost. Furthermore, the introduction of sensors, actuators, software, on‐board networking and auto‐steering technology  is  gradually  transforming  conventional  agricultural  vehicles  into  supervised  semi‐autonomous  machines  which  can  traverse  field  lines,  turn  at  headlands  and  control  implements automatically.  Given  the  large  amounts  of  capital  invested  in  such  high‐efficiency  agricultural machinery  and  the  computing  and  communication  platforms  they  carry,  it  is  both  imperative  and technologically  feasible to plan and coordinate  the execution of  field operations by  fleets of modern agricultural machines in an optimal manner. Such planning has the potential to lower operational cost by  reducing  fuel  consumption  and  the  number  of  required  machines  and  operators,  to  reduce emissions and to increase machine utilisation.  In parallel, research shows that an alternative mechanisation model which relies on smaller and more intelligent multi‐robot systems rather than on a few large machines (Blackmore et al., 2005; Pedersen et al., 2006; Blackmore et al., 2007) may bring significant benefits. Examples include micro‐spraying for significant  reduction of applied  chemicals, automated documentation  for  traceability, elimination of soil compaction, independence of production from labour shortage, effective scouting for disease, etc. 

Page 6: FutureFarm Deliverable 6 - AU Purepure.au.dk/portal/files/34430118/FutureFarm_Deliverable_6.3.pdf · optimised farm mechanization management comprising single machines or fleets of

Project No. 212177 FutureFarm D.3.3

- 6 -

It is likely that both mechanisation models will coexist in the not so distant future. Such a development would  increase  the  demand  for  advanced  automated  fleet management which will  act  as mission planner for teams of autonomous robots.  In  an  agricultural  context,  a  Fleet Management  System  (FMS)  is  regarded  as  a  practical  tool  for managing  a  fleet  of  vehicles  to  improve  resource  allocation,  scheduling,  routing  and monitoring  of vehicles  involved  in  agricultural  operations  (Auernhammer,  2001).  Existing  commercial  FMS  for agriculture  (e.g., PROGIS LoGIStic™, Claas Telematics™, Trimble’s Agricultural Manager™,  John Deere JDLink™)  focus on  telematics,  i.e.,  real‐time monitoring of vehicle operational parameters during  in‐field  operation  and  transport,  data  collection  and  documentation  for  accounting,  statistics,  and communication with the drivers. Optimal routing via the road network is not present in the majority of systems and automated dispatching and optimal dynamic  scheduling  tools are not widely available. This is in sharp contrast with commercial fleet management and dispatch systems in other industries, like  trucking,  courier  and  transport  services,  construction  and mining where  automated  scheduling, dispatching and routing is the norm.  A major goal of  the  first  section of  this  report  is  to provide a  systematic analysis of  the  theoretical problems involved with fleet management, to review solutions to these problems as those have been developed  for  agricultural  operations,  and  to  provide  links  to  approaches  in  other  areas,  such  as transportation science, automation and robotics. An important consideration in fleet management for agriculture is that operations are being performed at different levels. These levels require management at  different  spatial  and  temporal  resolution.  This  is  illustrated  in  Figure  1  for  the  case  of  biomass harvesting.  

Figure 1 The total supply chain of integrated field operations (Sørensen and Bochtis, 2009).

 

Page 7: FutureFarm Deliverable 6 - AU Purepure.au.dk/portal/files/34430118/FutureFarm_Deliverable_6.3.pdf · optimised farm mechanization management comprising single machines or fleets of

Project No. 212177 FutureFarm D.3.3

- 7 -

For  the  purposes  of  analysis,  fleet management will  be  expressed  as  a  sequential  decision making process, i.e., a systems control problem. This framework does not offer tools for solving the problem, but it provides the insight to analyse the various levels of field operations and examine their relations, coupling and different  requirements. Special attention will be given  to  the management of machine teams at the farm level (in‐field operations), for two basic reasons. First, fleet scheduling and routing is an established field and assessments of cost, time and energy savings have been performed for them. This does not appear  to be  the  case  for  in‐field operations. Second,  in‐field operations are  strongly coupled with higher‐level  fleet management,  i.e., decisions  taken  in one affect  the other. Therefore, greater savings in energy, time and overall cost may be achievable by optimising fleet operations at the farm level as well as the fleet scheduling and routing level.   The application domain of this report  is on management of teams of semi‐autonomous vehicles,  i.e., vehicles  which  can  operate  autonomously  in  the  field  for  parts  of  an  operation  (e.g.,  row  auto‐guidance, headland  turning) but require a human operator  to execute parts of  the operation and  to supervise  the  entire  operation.  Such machines  constitute  state  of  the  art, when  it  comes  to  single machine  operations.  Multi‐vehicle  cooperation  and  coordination  is  not  currently  available commercially but  it has been demonstrated experimentally  (Johnson et al., 2009) using off‐the shelf technology and lies within current technological capabilities.  

1.2 Problem description 

Let us consider the following general scenario. We are given a set of separate fields and for each field a sequence of agricultural field operations which are associated with it. A minimum time lag is given for any given operation, which implies that the operation cannot start before a specified time has elapsed after the finish of one of  its predecessor operations (e.g., necessary set‐up times for various types of machines).  Similarly,  a  maximum  time  lag  exists  for  any  given  operation  which  implies  that  the operation must  be  started,  at  the  latest,  a  certain  amount  of  time  after  the  finish  of  one  of  its predecessor. The presence of a combination of both minimum and maximum time lags for a given pair of operations result  in a time window during which an operation has to be started  in relation to the finish of a preceding operation. If all operations are known at start time, a time window may be given for  the  execution  of  all  operations  in  all  fields;  otherwise,  new  operations may  arrive  at  any  time. Except for the agricultural operations, there is an “idle” operation in which a machine is idle, a “setup” operation in which a machine is being setup for an agricultural operation, and a “transfer” operation in which a machine is moving or is being transferred from one field to another.  Also,  a  fleet  of  (semi‐)autonomous machines  of  different  types  is  available  (e.g.  corn  harvesters, tractors)  and  for  each  type,  a  fixed  set  of  individual machines  is  always  available,  with  different operational  characteristics.  An  operation  may  require  only  one  type  of  machine  (e.g.,  tractor  in plowing),  or  several  types  of  cooperating  machines  (e.g.,  harvester  and  unloading  truck  in  grain harvesting). For an operation, one or more machines of the same type can be used at the same time (e.g., three corn harvesters in the same field). A machine can only perform one operation at a time but it may also be or become  temporarily unavailable at any  time  (due  to  refuelling, maintenance, etc). Finally,  a  number  of workers  are  available.  Each worker  can  set  up  and  operate  specific  types  of machines and the setup and operation of a machine may require certain numbers of workers. 

Page 8: FutureFarm Deliverable 6 - AU Purepure.au.dk/portal/files/34430118/FutureFarm_Deliverable_6.3.pdf · optimised farm mechanization management comprising single machines or fleets of

Project No. 212177 FutureFarm D.3.3

- 8 -

 If we were to take a snapshot at any time  instant within the specified time window of all machines’ activities we would see that each machine would be either idle, travelling towards a target field, being setup in a field for operation, or operating in a field. Consider a simple example with three farms with one  field  each,  two  operations  per  field  (swathing  ~  operation  1,  harvesting  ~  operation  2), with 

operation 1 preceding operation 2, and six machines, three of type 1 ( 1 2 31 1 1, ,M M M ) and three of type 2 

( 1 2 32 2 3, ,M M M ) respectively.  Initially al machines are  located  in  farm 1. The  following  figure shows an 

example of the operation of each machine over time.   

Figure 2 Examples of machine fleet operation over time  (Basnet, et al., 2006)

 

For example, at time instant tk=2 two machines ( 11M , 2

1M ) are being setup for swathing in field 1, one 

machine ( 31M ) is moving towards farm 3 and the machines of type 2 are idle, since harvesting must be 

performed after  swathing. At  time  instant  tk=8  two machines  ( 11M , 2

1M ) are  swathing  in  farm 1 and 

machine  31M is being  setup  in  farm 3. Obviously  there are many different  combinations of machine 

assignments  and  sequences  that  could  accomplish  the  overall  task.  The  performance  of  each combination with respect to a desired criterion will vary.   Now,  consider  a  combination  in  which  three  harvesters  were  assigned  to  operate  in  a  field concurrently and assume that two carts are available  in that field for unloading the harvesters’ grain tanks. During the agricultural field operation (i.e., inside the “OP 1” boxes of Figure 2) the traffic of the harvesters  and  trucks  must  be  carefully  coordinated  (e.g.,  Figure  3)  so  that  important  efficiency parameters  such  as  the  idle  times  of  the  harvesters,  the  total  dead  distance  and  the  fuel  are minimised.  

 

 

 Figure 3 Cordinated traffic pattern for harvesting operation (Bochtis et al., 2007b) 

Page 9: FutureFarm Deliverable 6 - AU Purepure.au.dk/portal/files/34430118/FutureFarm_Deliverable_6.3.pdf · optimised farm mechanization management comprising single machines or fleets of

Project No. 212177 FutureFarm D.3.3

- 9 -

 Clearly, the time, fuel, and cost requirements of an agricultural field operation such as harvesting are not fixed, or even completely known in advance. They depend – possibly non linearly ‐ on factors, such as:  number  and  operational  characteristics  of  assigned machines,  field  geometry,  a machine’s  field visiting  order which  changes  the  entry  and  exit  points  of  the machine  in  a  field,  the  traffic  of  the machines and the work demand, which can be affected by soil resistance, yield spatial distribution and moisture, etc. Therefore, the assignment of operations to machines over time is strongly coupled with the way each operation  is executed; hence  the entire problem  should be  solved  together,  if  global optimality  is  desired,  even  under  the  assumption  that  all  information  relevant  to  the  operations  is known in advance.   Finally, conditions may change during the execution of operations by the machine fleet. For example: a machine may break or a new one may become available; a new  field may need  to be  cultivated; a field’s  yield  may  be  much  higher  than  the  predicted;  the  weather  may  change  suddenly  and consequently  short  completion  time may  become more  important  that  low  fuel  cost.  Therefore,  in practice the assignment of operations and the coordination of their execution should be dynamic and not static.   

1.3 Problem definition 

Fleet management can be expressed as sequential decision making/control problem. The goal is not to utilise control techniques to solve the problem, but to state it in a general form, analyse the levels of field  operations  and  examine  their  relations,  and  show  how  existing  approaches  correspond  to simplified  versions  of  the  general  problem  and  assess  the  possibilities  for  possible  future improvements.  

Definition: Fleet Management System  In the context of this work, a fleet management system (FMS) is a sequential decision making system (control system). Given sets of operations, machines, constraints, and some utility function, an FMS at every time instant:   

a) Assigns a specific operation to each machine   b) Coordinates the execution of each operation by the coalition of machines assigned to it.   

 The  above definition  regards  a  fleet management  system  as  a dispatcher which  schedules machine assignments to fields and also routes inter‐field transfers, and as a coordinator which orchestrates the in‐field operations. Hence, the FMS operates at two distinct levels. For the purposes of this study, any other machine‐related issues such as maintenance are not included in fleet management.  Task (a) constitutes a resource scheduling and routing problem. At any time  instant tk, each machine must be assigned to a certain operation. Operations may  include  field operations, set‐up operations, inter‐field transportation, etc. An assignment can be thought of as a vector containing ones and zeros, 

Page 10: FutureFarm Deliverable 6 - AU Purepure.au.dk/portal/files/34430118/FutureFarm_Deliverable_6.3.pdf · optimised farm mechanization management comprising single machines or fleets of

Project No. 212177 FutureFarm D.3.3

- 10 -

where  zero  (at  an  appropriate  location within  the  vector) means  that a machine  is not  assigned  to execute  an  operation,  and  one  means  that  it  is.  Each  assignment  contributes  an  instantaneous assignment cost. For example, the cost could be the distance travelled, or the fuel required for moving the  assigned machine  from  its  current  position  and  operation  towards  the  location  of  its  assigned operation within the time interval [tk  tk+1]. Note that in the general case, at any time instant a machine may  suspend  its  execution  in  the  current  operation  ‐  before  finishing  it  ‐  and  be  reassigned  to  a different operation. This mode of operation is called pre‐emptive operation.   Task (b) is a control problem. In general the state of each machine may have continuous and discrete components (e.g., speed, implement up/down). Therefore, the FMS must provide at each time instant tk  suitable  continuous  and  discrete  control  commands  (e.g.,  speed=2.2 m/s,  implement=up), which execute the assigned collective operation for each machine  in each coalition. The continuous control commands  are  related  to  the  control of  a machine’s motion, whereas  the discrete  controls  involve typically various implements. The execution of a field operation by a coalition is associated with:    an instantaneous execution cost, which stems from the actual operation/motion of the coalition 

members  in  the assigned  field  (e.g., distance, or  fuel needed  to move within  the  interval  [tk  tk+1]).  

an  instantaneous execution utility, which expresses  the benefit  from executing  the operation (e.g., quantity of harvested grain, field area covered) within the interval [tk  tk+1]. 

 The overall goal of an FMS  is to plan and orchestrate the execution of all operations so that the cost minus the utility of the fleet during the entire operation is minimised; equivalently, the utility minus all cost  is maximised.  This has  to be done while  satisfying  any  imposed  constraints.  In  the  agricultural context  these  constraints  may  be  related  to  weather,  crop  physiology,  soil  conditions,  workforce availability, market demand, etc.   According  to  the principle of optimality, an optimal policy has  the property  that whatever  the  initial state and initial decision are, the remaining decisions must constitute an optimal policy with regard to the  state  resulting  from  the  first  decision  (Bellman,  1957).  The  optimal  solution  to  the  fleet management  problem  can  be  expressed  as  dynamic  programming  problem:  compute  at  each  time instant tk, a control vector FMk which depends on the current state of the fleet and contains solutions to problems (a) and (b) which optimise the cost‐to‐go:  

arg min , 0,1,...,

END

k k k kn k

FM AssignmentCost ExecutionCost ExecutionUtility k T             (1) 

 The  above  formulation  describes  a  fleet management  problem  in  which  any  cost,  utility  term  or problem  parameter may  change  at  any  time.  It  is  based  on  a  time‐indexed  formulation  (Dyer  and Wolsey, 1990) which discretizes the planning horizon of the problem into time periods. A time‐indexed formulation has very large size because decision variables are defined at each time instant. As a result, for  instances  with  many  operations  or  operations  with  large  processing  times,  the  memory requirements and the solution times will be huge. An agricultural FMS operates at two  levels: in‐field traffic coordination requires real‐time control of the fleet and therefore very fine time discretization, in the  order  of  fractions of  a  second;  scheduling  and  routing  is  a  slower  decision  process  and  a  time 

Page 11: FutureFarm Deliverable 6 - AU Purepure.au.dk/portal/files/34430118/FutureFarm_Deliverable_6.3.pdf · optimised farm mechanization management comprising single machines or fleets of

Project No. 212177 FutureFarm D.3.3

- 11 -

discretization of several minutes might suffice. Expressing both operations  in a single formula implies that a common  fine  time discretization must be used. Clearly  the  formulation  is not  intended  to be used  for  solving  the  fleet management  problem,  especially  in  an  agricultural  context  in which  the planning horizon may be several weeks. However,  it  is  ideal  for expressing the problem as a general sequential  decision  making  problem  and  using  existing  analysis  to  identify  and  classify  different versions of the problem (Bertsekas, 1976).    Let us consider  the  fleet management problem under  the assumption  that all necessary  information for solving equation (1) is available from the beginning and that nothing changes after the solution has been constructed. The assumption of available information includes the following cases:   

1. all  involved quantities are deterministic and known a‐priori. The problem  is deterministic and the solution can be found off‐line, by a‐priori optimisation of equation (1). The solution will be an open‐loop policy.  

2. some quantities are random  (stochastic) with known probability distributions. The problem  is stochastic and can be solved either off‐line, resulting in an open‐loop policy which will be most likely suboptimal, or on‐line using an optimal closed‐loop policy. 

3. some  quantities  change  during  operation  or  are  unknown  before  the  beginning  of  the operations and reveal themselves during the operation of the fleet. For example, the number of fields may be unknown because many new orders arrive for cultivating  fields. The problem  is dynamic and  can only be  solved on‐line using appropriate policies, which depend on  current state. 

 

1.4 Off‐line fleet operations planning 

 Existing  approaches  to  off‐line  fleet  operations  planning,  i.e.,  the  deterministic  problem  will  be reviewed  first. Task  (a)  is essentially a static resource scheduling and routing problem,  i.e., allocating specific units  from a  limited  resource pool  to alternative spatially  remote possible uses over  time.  If only  the  number  of  resource  units  assigned  to  each  operation were  to  be  computed,  the  problem would be a resource capacity scheduling problem. The machines and human personnel constitute the “resources” and the field operations correspond to “uses” which demand utilisation of the resources. Numerous  variations  of  this  problem  have  been  studied  in  manufacturing,  project  management, computing  and  networking,  human  resources  management,  logistics,  robotics  and  many  other application fields (see Appendix B: Representative scheduling problems).   Under the assumption of determinism, task (b) is equivalent to a motion planning problem for one or multiple machines working in the field. This problem has been studied extensively in the robotics and automation literature. In the context of agricultural fleet management motion planning is not relevant for inter‐field motion because over the rural or public road network the machines are either carried, or they  simply  follow  the  road. On  the  other  hand, motion planning  in  the  field  (aka  traffic  planning) involves  area  coverage,  since  entire  areas  need  to  be  cultivated  or  harvested  and  also  multiple machine  coordination when many machines  operate  in  the  same  field.  The  next  two  sections will 

Page 12: FutureFarm Deliverable 6 - AU Purepure.au.dk/portal/files/34430118/FutureFarm_Deliverable_6.3.pdf · optimised farm mechanization management comprising single machines or fleets of

Project No. 212177 FutureFarm D.3.3

- 12 -

present the existing approaches to the problems of agricultural fleet operations scheduling and in‐field motion planning within the agriculture‐related literature.   

1.4.1 Scheduling of fleet operations 

 The  problem  of  agricultural  fleet  operations  planning  is  related  to  other  scheduling  and  routing problems  like the vehicle routing problem (VRP), the  job‐shop scheduling problem (JSSP), the project scheduling problems  (PSP) etc. However,  there exists one major difference which  is  the operations’ execution costs.  In deterministic scheduling problems the execution costs are known  in advance, and are  typically  fixed. For example,  in  JSSP  the operation  cost  relates directly  to  the  time a processing machine  is  busy  servicing  a  job.  In  VRP  the  execution  cost  corresponds  to  the  time  spent  at  each customer‐node. The execution cost of performing an agricultural field operation, depends on factors, such as: number and operational characteristics of assigned machines,  field geometry, work demand (e.g., soil  resistance, yield, or pest  infection spatial distribution), and  traffic of  the vehicles. The  last, vehicle traffic is a direct result of the motion plan generated by the FMS itself. Therefore, tasks (a) and (b) are strongly coupled and ideally must be solved together, if global optimality is desired, even under the assumption that all information relevant to the operations is known in advance.   Various  versions  of  deterministic  scheduling  of  machines  and  crew  resources  for  operations  in dispersed  locations have been addressed  in  the areas of agricultural and  forest  science; all of  them deal with harvesting. Due to the  long growing period of trees, harvest planning  in forestry  is done at three  levels:  strategic,  tactical  and  operational.  The  operative  phase  focuses  on  scheduling  harvest crews on a monthly or weekly basis, truck scheduling and choosing bucking instructions. This phase is the one closest to agricultural harvest planning because it spans periods of weeks to months, whereas the  first  two  levels are  concerned with  long  term  financial  and  forest growing planning.  In general, forest harvesting involves decisions pertaining to:   

a) when harvest units (forest parts, or stands) are harvested  b) who harvests them (machine and crew) c) what log‐types are made (bucking / cutting patterns of stems into merchantable tree‐logs) d) which customers are supplied  

 Problems  (a),  (b)  are  closely  related  to  resource  scheduling  for multi‐field harvesting  in  agriculture. Problem (d) is also similar to transferring cropped product to silos, bio. Problem (c) is related to traffic planning  for agricultural harvesting,  in  the sense  that  the  stem‐cutting  (bucking) strategy affects  the required time and cost of the operation,  just  like traffic patterns affect time and cost  for harvesting. Additionally,  in  forestry  the  bucking  strategy  affects  strongly  the  yield  (merchantable  tree‐logs) whereas  in agriculture  traffic does not  influence  the  field’s yield. Also,  the  introduction of green‐up adjacency constraints (not cutting nearby forest areas) complicates the harvest scheduling problem for forestry.  

Page 13: FutureFarm Deliverable 6 - AU Purepure.au.dk/portal/files/34430118/FutureFarm_Deliverable_6.3.pdf · optimised farm mechanization management comprising single machines or fleets of

Project No. 212177 FutureFarm D.3.3

- 13 -

1.4.2 Harvesting in forestry 

The problem of allocating  stands and  cutting patterns  to  logging  crews  for a  single  time period  (no scheduling) was addressed by Murphy (1998). Solutions which maximised total profit were computed using tabu search.   Brumelle, et al.,  (1998) solved a  forest harvest scheduling problem with green‐up constraints. These are adjacency constraints which aim to eliminate large clear cut areas and dictate for example that the trees  in a block must  reach a certain mean height before any adjacent block can be harvested. The introduction of these adjacency constraints complicates the harvest scheduling problem, as it becomes combinatorial  in  nature.  Before  the  emergence  of  such  constraints  linear  programming  had  been applied to solve timber harvesting problems for over 25 years (Johnson and Scheurman, 1977).  The problem of planning harvest sequences or schedules for harvest crews for a period of 4–6 weeks was  addressed  by  Karlsson  et  al.,  (2003).  The  harvesting  of  areas  was  planned  in  order  to meet industrial demand. The  total cost  included harvesting,  transportation, and storage. One considerable cost was due to the quality reduction of logs stored at harvest areas. Areas are of varying size and the composition  of  assortments  in  each  area  was  different.  Each  harvest  team  had  different  skills,  a different home base, and different production capacity. There was also a cost related to road opening (restoring, snow removal). A mixed  integer programming model was developed for the problem with 0/1 variables representing schedules. A commercial MIP solver and a heuristic solution approach were used and compared.   Mitchell  (2004)  modelled  and  solved  various  versions  of  operational  harvest  scheduling  which included: assigning forest harvesting crews to  locations within a forest  in the short‐term (4‐8 weeks); instructing crews to harvest specific log‐types and allocating these log‐types to customers; maximising profitability while meeting customer demand. The problem was modelled as a Mixed  Integer Linear Program  (MILP)  and  was  solved  using  techniques  developed  in  previous  work  on  aircraft  crew scheduling  optimisation  (Ryan  1992).  These  techniques  include  constraint  branching  and  column generation. Pre‐emptive scheduling was made possible by  introducing the concept of relaxed  integer solutions.  A  traditional  integer  solution  requires  harvesting  crews  to  move  between  harvesting locations at the end of a week (time period). However, a relaxed integer solution allows crews to move at any time during a week and provides improved solutions.  Moura and Scaraficci (2008) treated the forest planning problem stemming from the daily operation of some  large pulp and paper companies. The problem consists  in planning and scheduling harvest and transportation  activities  for  each  day  in  a  planning  horizon  of  around  one  year, while  satisfying  a sizable  and  complex  set  of  constraints  related  to  the  structure  of  the  harvest  areas,  structure  and productivity  of  the  harvest  teams,  transportation  conditions  during  the  rainy  seasons,  and  some properties of the harvested logs. The cost function was a weighted sum of terms which penalised: the volume of  logs not delivered on time; the distances of wood quality  index and the average density of the logs from the desired values; the kilometres covered by the teams; the number of periods before or  after  the  appropriate  time  waiting  window  the  logs  were  delivered.  A  hybrid  approach  was proposed which focused on the GRASP (greedy randomized adaptive search procedure) metaheuristic 

Page 14: FutureFarm Deliverable 6 - AU Purepure.au.dk/portal/files/34430118/FutureFarm_Deliverable_6.3.pdf · optimised farm mechanization management comprising single machines or fleets of

Project No. 212177 FutureFarm D.3.3

- 14 -

and on  linear models. Other  techniques  such as  construction based on memory, path‐relinking, and recombination methods were used to enhance the basic GRASP procedure.  

1.4.3 Harvesting in agriculture 

Fokkens and Puylaert (1981) developed a linear programming planning model for the management of harvest operations  at  the  large  scale  grain  farm.  Their objective was  to minimise  the  total  cost  for harvesting, which included: cost of field losses (crops are ripe and cannot be harvested at that moment so  the  grain  falls  or  germinates),  cost  of  resource  capacities  for  the harvesting  period,  and  cost  of moving  resources  from one parcel of  land  to another and  for  transferring grain  to  silo elevators  for drying.  The  decision  variables  included:  the  number  of  combine‐harvesters,  tractors  and  grain transport‐wagons allocated to parcels, the transfers of machines between parcels and from parcels to silos. Their model uses numerous parameters such as number of threshing hours per hectare per crop, expected  yield per hectare of  a  crop,  the  size of each parcel,  the  available  resource  capacities,  the delays and costs due  to machine  transfer between parcels. The solution resulted  in optimal capacity scheduling of the resources, i.e., how many machines of each type process each parcel. The problem of assignment  specific machines  to  parcels was  not  addressed.  The  implicit  assumption was  that  the machines of each type (harvesters, tractors, transport wagons) had  identical capacities. Furthermore, only a single type of field operation, i.e., scheduling was addressed.  In  the  work  of  Bin  Deris  and  Ohta  (1990)  scheduling  for  rice  production  in  numerous  farms  was scheduled  in  two  phases.  First,  the  field operations  themselves were  scheduled  (seedling,  planting, field maintenance, harvesting) on a yearly basis. The criterion was minimisation of required machines and dynamic programming was used. In a second stage, given the sequence of operations and machine types  with  different  operational  characteristics,  the  weekly  assignment  of  machine  capacity  and required  transfer  was  expressed  as  a  linear  programming  transportation  problem.  The  objective function was the cost of operation in the field plus transfer.   Higgins  et  al.,  (2004)  developed  a modelling  framework  identifying  the  key  drivers  and  links  in  the complex  system  of  sugar  cane  harvesting  and  transport  operations  in Australia.  It was  argued  that optimising the entire system as a single entity is too complex and that although overall optimality may be achieved, conflicts between whole‐of‐system objectives and those of individual system components in the sugar industry negate this advantage. Each harvester was assumed to be located at a particular farm.  A  capacitated  clustering  problem  was  formed  to  solve  the  problem  of  allocating  farms  to harvesters. The objective was to form a set of harvesting groups so that the sum of distances from the assigned harvester  to  the centre of  the harvesting group  is minimised. This problem was  solved   by combined simulated annealing and tabu search. Sugar cane  is transported by truck from the fields to railway sidings and then to processing plants via railway. For this reason, transport planning was done by  adopting  capacity  planning  models  from  railway  applications,  instead  of  using  scheduling methodologies.   Foulds and Wilson (2005) focus on harvesting of renewable resources such as rape seed and hay on a single farm, in the presence of machine and labour resource constraints and minimum and maximum time  lags  between  successive  operations.  The  duration  of  each  operation  is  dependent  upon  the combination of constrained resources allocated to it. Also, equipment and worker capacity allocation is 

Page 15: FutureFarm Deliverable 6 - AU Purepure.au.dk/portal/files/34430118/FutureFarm_Deliverable_6.3.pdf · optimised farm mechanization management comprising single machines or fleets of

Project No. 212177 FutureFarm D.3.3

- 15 -

restricted.  Further, minimum or maximum  time  lags on  the  start  and  completion of operations  are imposed.  The  problem  was  expressed  as  0‐1  integer  programming  (IP)  and  two  heuristics  are compared  against  the  exact  optimal  solution  found  by  the  commercial  integer  programming  code XPRESS‐MP.   Basnet  et  al.,  (2006)  extended  this  approach  to  scheduling  of  operations  that  are  carried  out  by contractors  who  harvest  crops  at  numerous  farms.  Since  harvesting  at  more  than  one  farm  is addressed,  inter‐farm  travel  times  are  also  taken  into  account.  The  problem was  expressed  as  an integer  programming  (IP)  problem  containing mostly  0‐1  variables.  An  example  problem  involving three farms, two types of operations in each farm (swathing, harvesting) and three machines/crews for each operation was solved. A greedy heuristic and the Tabu search heuristic were used and compared against the exact solution to solve it. If more than ten farms and four operations were involved, the IP software  failed  to  converge  within  the  pre‐specified  cut‐off  time  of  three  hours.    The  model  is sophisticated,  yet  it  is  constrained  to  a  single  type of operation  (harvesting)  and performs  capacity scheduling and not scheduling of individual units (assignment).  

1.5 Field traffic planning  

Planning field traffic in agricultural fields involves in general:   

a) Agricultural  field  area  coverage:  the  entire  field  area must  be  cultivated  or  harvested  by machines with a given working width 

b) Subfield and swath  traversal planning:  the optimal subfield and swath  traversal sequences must be generated so that dead distances are minimised 

b) Headland turning: vehicles need to manoeuvre at the field boundary in a way that minimises dead distances and guarantees no collisions 

 When many machines  operate  in  the  same  field  there  are  two  classes  of  operations  which  have different  characteristics.  In one  class  the machines are  independent of each other,  i.e.,  they do not share  any  resources.  In  such  cases,  machine  coordination  planning  is  not  necessary  because  the machines can  simply work on different  swaths or parts of  the  field. The other class of operations  is cooperative field operations which are executed by one or more primary unit/s performing the main work task and one or more service unit/s supporting it/them. For example, in a harvesting operation a self‐propelled harvester may be supported by  transport wagons used  for out‐of‐the  field  removal of harvested grain. Similarly, in fertilising operations a tractor carrying a sprayer is supported by transport vehicles carrying the  fertiliser for the refilling of the application unit. Such operations require careful planning of the coordination in order to achieve high efficiency.  

1.5.1 Independent machines 

The  complete  area  coverage  problem  (visiting  all  points  in  free  space)  for  known  and  unknown environment,  has  been  researched  extensively  in  the  robotics  literature.  It  has  been  shown  to  be related to the covering salesman problem and proven to be NP‐hard. (Arkin et al., 2000). Specifically, the  covering  salesman  problem  is  a  variant  of  the  travelling  salesman  problem where,  instead  of visiting each city, an agent must visit a neighbourhood of each city that minimizes the travel length for 

Page 16: FutureFarm Deliverable 6 - AU Purepure.au.dk/portal/files/34430118/FutureFarm_Deliverable_6.3.pdf · optimised farm mechanization management comprising single machines or fleets of

Project No. 212177 FutureFarm D.3.3

- 16 -

the agent. A review of approaches can be found in Choset (2001). Most approaches either implicitly or explicitly use a cellular decomposition which breaks down the coverage area into simpler cells such that coverage in each cell is “simple”. Then a graph is created with nodes representing cells and coverage is cast as a search problem. Most approaches assume an omni‐directional robot; very few examine the case of a vehicle with non holonomic constraints, as is the case in agricultural applications.   In the agricultural literature, due to the nature of the crops and the machines, swaths instead of cells have been used by many researchers to provide field coverage. The working width of the machine  is very important because it sets the width of the swath which will be used for field coverage. In order to reduce complexity, most researchers have split the field coverage problem into the following steps:  

a) Field subdivision Fields of complex geometry cannot be traversed with a single orientation; the efficiency would be too  low because of excessive  turning. Therefore, a  field of arbitrary geometrical complexity may need to be split into simpler subfields or regions.  b) Selection of margins and driving direction The optimal orientation of  the driving direction  (swaths/rows) and  the appropriate  field margins must  be  computed  for  each  subfield,  in  order  to  achieve maximum  efficiency  and  feasibility  of manoeuvres. We refer to these two steps as “spatial planning for field coverage”.   c) Swath based field coverage The problem  is static  in  the sense  that  the  inputs and outputs of  this procedure are geometrical entities, or primitives. However,  the procedure must  take  into account  the  characteristics of  the machine(s) (working width, turning radius).  

1.5.1.1 Agricultural field area coverage  Agricultural  field  coverage has been  addressed by numerous  researchers.  In  the work of  Taïx et  al. (2006) a convex polygonal  field with at most one vertex of concavity  is  split  into a work area and a turning area. The driving direction  is given as  input  (not computed) and  the work area  is covered by parallel non‐overlapping swaths. Non convex fields and fields with large obstacles are subdivided along the boundary segments defined by the concave vertices, and are treated separately. Oksanen (2007) used  exact  trapezoidal decomposition  to  split non‐convex  fields  into  simpler  trapezoids which  later merged into as large as possible blocks. Split‐and‐merge was performed along driving directions which varied  iteratively  in  order  to  come  up  with  the  optimal  combination  of  field  subdivisions  and corresponding driving directions. The optimisation criterion was a weighted sum of the efficiency, area and total driving distance. Examples of such field planning with fixed working width are given in Figure 4.  

Page 17: FutureFarm Deliverable 6 - AU Purepure.au.dk/portal/files/34430118/FutureFarm_Deliverable_6.3.pdf · optimised farm mechanization management comprising single machines or fleets of

Project No. 212177 FutureFarm D.3.3

- 17 -

 

Figure 4 Examples of splitting fields and computing motion directions (Oksanen 2007)

 Jin and Tang  (2006) subdivide a polygonal  field with obstacles recursively  (two,  four, eight subfields, etc). For each subfield they compute its optimal driving direction by minimising the total dead distance at the headlands. In the work of de Bruin et al., (2009) optimal swath directions for simple polygonal fields are computed by exhaustive incremental search, based on the minimisation of cost involved with un‐cropped areas, turning at headlands and subsidies received for field margins. Sörensen et al. (2004) presented  a  planning method using  a  range  of  solution methods  attached  to  the Chinese Postman Problem (Greistorfer, 1995) for finding the optimal coverage path for a designated field operation.   Ryerson  and  Zhang  (2007)  conducted  a  feasibility  study  to  determine  the  applicability  of  a  genetic algorithm  for  path  planning  of  agricultural  vehicles.  Although,  this methodology  did  not  result  in completely optimized paths, the approach achieved 90% coverage of the field.   Oksanen  and Visala  (2007) presented  two different  algorithms  to  solve  the  coverage path planning problem  for agricultural machines. The  first merge and  search algorithm, based on  trapezoidal  split, used to split a complex shaped field plot,  including obstacles, to smaller parts. The second algorithm utilizes a bottom‐to‐top approach and solves the problem recursively for real‐time usage. This second approach  does  not  split  the  coverage  problem  into  static  covering with  parallel  swaths  and  swath sequence  computation.  It  is  inspired by model predictive  control  and  generates  a  coverage pattern based on swaths of various  lengths by simulating a machine which  is driving and at the same time  is optimising  its efficiency along a  future horizon. This approach can generate more complex coverage patterns,  like  circular,  and  can  handle  non  convex,  non  rectangular  fields.  Further,  the machine’s capacity constraints have been included and the swath sequence is computed simultaneously.  A recent approach (Ali et al., 2009)  is  inspired by cellular decomposition and represents the field as a polygonal area. An obstacle  in the field  is represented by a polygon within the field that encloses the obstacle. After representing the field and the obstacles, the remaining area is converted into a grid of equally spaced vertices, where each vertex  represents  the centre point of a cell. The  result  is a grid graph of a field. Each cell approximates the area covered by the combine harvester when standing still. The crop yield from a cell is determined on the basis of the estimated density of the crop. formulates the field coverage problem as an  integer  linear programming vehicle routing problem with additional turn  penalty  constraints.  This  is  further  converted  into  a minimum‐cost  network  flow  problem  for solution efficiency. The result of solving the problem with the proposed modelling approaches is a set 

Page 18: FutureFarm Deliverable 6 - AU Purepure.au.dk/portal/files/34430118/FutureFarm_Deliverable_6.3.pdf · optimised farm mechanization management comprising single machines or fleets of

Project No. 212177 FutureFarm D.3.3

- 18 -

of itineraries ('tours'), covering the entire field. Each 'tour' is characterized by the combine harvester's start  and  end  points  and  the  positions  where  the  combine  harvester  needs  to  be  unloaded.  The planning models minimize non‐productivity (i.e. the time when a combine harvester travels  in a field without harvesting). The advantage of such a method is that non parallel swaths may e used to cover the field (e.g. spiral pattern). However, turning is addressed simply as a cost and it is assumed that the machine’s turn radius enables it to turn from one cell to its adjacent. Further, although cell primitives (instead  of  swaths)  provide  flexibility  they  increase  dramatically  the  number  of  variables  and  the required solution time (10 hrs for 5 hectares).  The most common criteria used for field coverage planning are minimum length of travel and number of headland  turns. However,  it has been shown recently  (Stombaugh et al., 2009)  that other criteria like  minimizing  the  overlap  in  automatic  section  control  result  in  coverage  patterns  which  differ drastically  from  the patterns which maximize  field efficiency. Hence,  field  coverage which optimises multiple objectives is still an open area of research. Furthermore, all coverage algorithms use a swath of  fixed width,  implicitly assuming  that  the  field will be covered by one machine, or many machines with  the  same  operating  width.  If  this  assumption  is  relaxed  the  problem  becomes  much  more complicated.  

1.5.1.2 Subfield and swath traversal sequence generation Given  that  the subfields and driving direction orientations are  fixed,  this planning problem concerns the  computation  of  the  visiting  sequence  of  the  subfields  to  be  covered,  and  also  the  traversal sequence of the rows in each subfield. The solution to this problem depends on characteristics of the vehicles and on the work demands of the operation. Especially  important are the machine’s working width and  turning radius. Also, capacity constraints which may be  imposed by  the  type of operation and machine  can  affect  these  sequences.  For  operations where  the machine must  apply  or  gather material  in the field (e.g., harvesting, fertilising) the machine’s storage capacity affects the maximum number of swaths that the machine can travel until  its capacity  is met; the same applies to fuel. For operations which do not involve material transfer (e.g., ploughing), or when the quantities involved are smaller  than  the machine’s  tank or  storage  space,  the machine’s  limited  storage  capacity does not affect the solution.  In  the work  of  Taïx  et  al.  (2006)  the  endpoints  of  the  parallel  swaths  of  a  polygonal  convex  field constitute  nodes  in  a  graph.  The  optimal  coverage  path  (swath  sequence)  of  a  single machine  is determined by  computing a Hamiltonian path of  this graph. Non  convex  fields and  fields with  large obstacles  are  subdivided  and  treated  separately, whereas  small  obstacles  are  treated  heuristically, using an avoidance curve.   For  one  machine  without  capacity  constraints  a  solution  has  been  presented  by  Bochtis  and Vougioukas (2008). According to the proposed method 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 the Vehicle Routing Problem (VRP) of finding shortest tours in the graph. In this work the problem of computing  the  right  sequence  for  visiting  subfields has been  solved  simultaneously with  the one of finding  the best swath sequence, by creating a  large graph containing all  the swaths of all subfields. The  inter‐field  distances  are  approximated  by  Euclidean  distances.  The  same  approach  has  been 

Page 19: FutureFarm Deliverable 6 - AU Purepure.au.dk/portal/files/34430118/FutureFarm_Deliverable_6.3.pdf · optimised farm mechanization management comprising single machines or fleets of

Project No. 212177 FutureFarm D.3.3

- 19 -

extended (Bochtis 2008) for many vehicles with capacity constraints (e.g., fuel tank, fertiliser tank, etc) which must visit stationary stations at fixed locations out of the field.   

1.5.1.3 Headland turning If autonomous machines were  to operate  in a  farm, general coordinated motion planning would be required for motions out of the field, e.g., when moving from a parking location to the field or from the field to a silo, etc. This problem is not addressed in this review; it lies in the area of general coordinated motion planning and has been studied extensively in the robotics literature.  The fact that the machines operate  independently of each other  in the field means that they do not share  resources other  than  the physical area  they work  in. Hence,  their corresponding paths can be planned independently. Furthermore, in fields cultivated according to parallel‐swath patterns the paths of the vehicles are predetermined and do not intersect, with the possible exception of headland areas where machines  turn  in order  to move  from  their current swath  to  their next. Therefore,  the major tasks of motion planning for headland turning are: a) plan independent geometrical paths for turning, and b) compute appropriate velocity profiles  for  these paths  so  that collision avoidance  is achieved, when two or more paths  intersect. Problem (b)  is a coordinated trajectory planning problem and has been solved by various researchers in the robotics literature (LaValle and Hutchinson, 1998; Simeon, et al., 2002).  The problem of automatically computing optimal headland turning paths has received some attention in the  literature. One approach (Bochtis, 2008)  is to compute a set of turning path primitives off‐line (e.g.,  fish‐tail  turn, u‐turn, etc) which  include parameters such as  turning  radius and swath distance. Then, the turning manoeuvre can be generated on‐the‐fly after the parameters have been set. Optimal control formulations (Torisu, 1997; Oksanen and Visala, 2004) have also been used to compute optimal paths  of  single  tractors  and  tractor‐trailers  in  free  space,  with  a  focus  on  headland‐turning.  One problem with  such  approaches  is  that  the  optimisation  constraints  are  highly  non‐linear  and  non‐convex.  Therefore,  the  computed  solution  depends  strongly  on  the  initial  feasible motion  estimate which, in the general case, is not available. A two‐stage motion planning algorithm was developed by Vougioukas et al. (2005) which can be used to compute low cost paths (e.g., shortest path, maximum clearance  etc)  in  free  space  and  also  in  the presence of obstacles.  In  the  first  stage,  the  algorithm utilizes randomized motion planning to explore the space of possible motions and computes a feasible suboptimal trajectory. In the second stage, the optimisation of the stage‐1 motion is formulated within the optimal control  framework. The drawback of  this approach  is  that because  it  is generic and not tailored to headland turning, it is computationally expensive.  

1.5.2 Cooperating machines 

Cooperative  agricultural  field  operations  are  typically  executed  by  one  or  more  primary  unit/s performing the main work task and one or more service unit/s supporting  it/them. For example,  in a harvesting operation a self‐propelled harvester may be supported by transport wagons used for out‐of‐the field removal of harvested grain. Clearly, the PU’s interact directly with the SUs; however they also interact with each other indirectly, because they may share the services of the same SU. For example, a 

Page 20: FutureFarm Deliverable 6 - AU Purepure.au.dk/portal/files/34430118/FutureFarm_Deliverable_6.3.pdf · optimised farm mechanization management comprising single machines or fleets of

Project No. 212177 FutureFarm D.3.3

- 20 -

harvester may have to wait for a transport wagon to finish loading from another harvester before using it  for unloading  its own  cargo.  Since  the operation of PUs  and  SUs  is  strongly  coupled,  field  traffic planning  requires  consideration  of  both  categories  of  vehicles.  It  should  be  reminded  that  such planning  assumes  that  the work  demand  is  known  perfectly  (e.g.,  yield  distribution)  and  that  each machine’s  operation  is  also  perfectly  predictable  (fuel  consumption,  fertiliser  application  rate,  etc). Traffic planning for cooperating machines must address issues of timing and how timing is affected by operational constraints like capacity.   The general problem of motion planning for multiple cooperating machines has been addressed in the robotics  literature  for  applications  involving  industrial manipulators,  unmanned  aerial  vehicles,  and teams of ground robots. The main focus of existing literature is on coordinated collision avoidance and on  formation  planning  for  teams  of  robots.  However,  the  requirements  and  special  structure  of agricultural applications does not allow the adoption of existing approaches. More specifically, motion‐planning for teams of robots which transfer material from one to another and have limited storage and fuel capacities have not been addressed in the general robotics literature.  The problem of  in‐field traffic planning for cooperating machines has not received much attention  in the literature. The same applies to static area coverage for cooperating machines (excluding timing) for which  it  is not clear how much  it differs  from doing so for  independent machines. To a  large extent, field coverage with primitives  is a geometric problem, which  is  influenced though by the operational characteristics of the machines. If swath primitives were to be used, the solution requires dividing the field  into subfields, selecting the margins and driving direction  in each subfield and covering the field with  swath  primitives.  It  is  conceivable  though  that  the  need  to  accommodate  cart  circulation  or unloading points in a headland may affect the required margin of the field or even the choice of driving direction.  One  recent  approach  (Bochtis  et  al.,  2007b)  addresses  harvesting  and  simplifies  the  problem  by decoupling  it  into  planning  for  PUs  and  SUs  separately.  The  traffic  planning  problem  for  the independent,  capacity‐limited  PUs  is  considered  already  solved  (section  1.5.1).  The  swaths  and headlands of the field are represented as nodes in a graph and the motion of the SUs is formulated as a graph search optimisation problem. The cost  is  the  time needed  for a cart  to move  from  its current position to the PU needing service plus the PU’s idle time waiting for service. The graph search is very fast  and  it  is  proposed  that  this  scheme  be  used  in  real  time  for  dynamic  traffic  planning  of  the cooperating vehicles.  

1.6 On‐line fleet management 

Fleet management problem  is an  inherently dynamic problem, because part of the  input required to solve it is revealed only during fleet operation and information relevant to its solution changes during operation.  For  example,  very  often  the  number  of  fields  to  be  cultivated  is  not  known  exactly  in advance  and new  requests  arrive during operations. Also,  a machine may break down, or  the  time required for moving between fields or cultivating a certain field may turn out bigger than the time used for computing the off‐line operations schedule.  

Page 21: FutureFarm Deliverable 6 - AU Purepure.au.dk/portal/files/34430118/FutureFarm_Deliverable_6.3.pdf · optimised farm mechanization management comprising single machines or fleets of

Project No. 212177 FutureFarm D.3.3

- 21 -

Off‐line  (static)  scheduling  algorithms  require  knowledge  of  all  problem  parameters  and  accurate predictions of the durations of  in‐field operations and  inter‐field  transfers  in order to compute good schedules. Their computational complexity is very high and it may take tens of minutes, or even hours to come up with very good schedules. Similar comments can be made about off‐line traffic planning for operations in the field, although running times may be significantly lower, depending on the approach. Once each machine has received  its scheduling and  field  traffic plan,  the operation can start. During cultivation it is very likely that the traffic plan will need to be recomputed due to unexpected events or conditions in the field. For example, differences between the real crop yield distribution and its off‐line prediction may  render  the  planned  grain  unloading  places  and  times  obsolete,  causing  the  a‐priori traffic plan of the loading carts to become useless. The ideal solution would be to re‐solve on‐line the entire scheduling and traffic planning problem centrally every time some parameter changes. This is – and most  likely will  remain  –  impossible  because  of  the  problem’s  computational  complexity.  The standard  approach  is  to  decouple  the  scheduling  from  the  traffic  planning  problem  and  effectively pretend that scheduling does not “care” about the details of in‐field traffic, as long as the durations of in‐field operations are known for any machine assignment that it makes. This means that the new in‐field traffic plan could be computed locally and that only the updated estimated cultivation time must be communicated  to  the central dispatcher. Next,  the problems of dynamic scheduling and dynamic field traffic planning will be treated separately. 

1.6.1 Dynamic scheduling of fleet operations 

In scheduling, when some quantities are random (stochastic) with known probability distributions the problem is called stochastic and it can be solved either off‐line, resulting in an open‐loop policy which will be most likely suboptimal, or on‐line using an optimal closed‐loop policy. Another possibility is that the problem  is dynamic,  i.e., part of  the  input  required  to  solve  it  is  revealed concurrently with  the determination of the route or information relevant to its solution changes during operation. Given this, it  is  impossible  for  an  optimal  schedule  be  produced  in  advance. One  such  example  is  scheduling without a priori knowledge of the total number and start‐times of the tasks. Dertouzos and Mok (1989) showed  that  without  a  priori  knowledge  of  task  start‐time,  it  is  impossible  to  guarantee  optimal scheduling.    In dynamic scheduling, at best, what can be produced  is a policy, specifying what action should be taken as a function of the state of the system. This means than no open loop solution exists to equation (1) and a closed loop policy must be adopted. To summarize, both stochastic and dynamic problems require the use of on‐line decision making policies in order to achieve optimal performance.   Agricultural fleet management  in the real world  is  inherently a dynamic problem. The operating time needed for field cultivation is typically long and it is generally unknown in advance. If an accurate yield distribution estimate is available, then it could be approximated based on machine performance data from  past  years  from  the  same  field,  or  form  the  literature.  However,  such  data  for  teams  of cooperating machines  are  not  readily  available. Weather  conditions  and  soil  conditions  also  affect these  time. Also,  the  inter‐field  transport  time depends on  traffic,  road and weather conditions and cannot be  known  accurately  in  advance. Unexpected events,  like machine  failures, operator  illness, may  happen  at  any  time.  Also,  new  orders  for  cultivating  and  harvesting  fields may  arise,  or  be cancelled; however the rate is much smaller than in other fleet management applications, like courier services, repair‐crew dispatching, delivery services, taxi services, etc.  

Page 22: FutureFarm Deliverable 6 - AU Purepure.au.dk/portal/files/34430118/FutureFarm_Deliverable_6.3.pdf · optimised farm mechanization management comprising single machines or fleets of

Project No. 212177 FutureFarm D.3.3

- 22 -

The  standard  approach  to  solving  stochastic  and  dynamic  scheduling  and  routing  problems  is  to compute  in  a  first  stage,  off‐line  a  nominal,  or  tentative  solution,  and  to  update  the  routing  and scheduling by applying corrective actions on‐line, according to some chosen policies (Gendreau, 1996). When  a  problem  is  very  dynamic,  i.e.,  there  is  no  a‐priori  knowledge  of  the  number  of  jobs,  jobs require  little  processing  time  but  new  jobs  arrive  at  high  rates,  then  no  a‐priori  solution  can  be computed  and  operations  rely  on  policies.  Examples  of  such  problems  can  be  found  in  computer networking applications  such as queuing and  routing packets and bandwidth allocation. Agricultural applications  however do  not  share  such  characteristics.  In  general,  jobs  arrive with  low  rates,  they require long processing times and there is a good estimate of their total number in advance.  The stochastic and dynamic versions of the fleet management problem have not received attention in the agricultural and forestry related literature. One approach is to re‐solve regularly on‐line the static scheduling problem using  any new or updated  information  available  at  the moment.  This  could be practical only in the case where the time required for solving the static problem is relatively small with respect to the reaction time of the scheduler. Foulds and Wilson (2005) report: “The model could be comfortably solved for instances of size 35 workers, 10 types of machine and up to three duplicates of each machine, which  is a realistic practical size of problem. Problems solved  in fewer than 5s of CPU time  using  XPRESS‐MP.  For  a  larger  problem  of  the  type  solved  the  size  is  approaching  30,000 constraints and 1400 binary variables. A problem of this size is close to our local limitations on size for the software XPRESS‐MP, so the difficulty with problems of  larger size  is not CPU time but the actual size of the IP matrix. However, the rapidity of solution with fewer than 100 branch and bound nodes being required is extremely encouraging and indicates that practical problems can be solved relatively easily”. Also, Basnet et al., (2007) report the following table for six machines and increasing number of farms and operations:  

 Figure 5 Execution times of exact (IP) and heuristic (Tabu) solutions for problems of various sizes 

 Clearly, even  for  small problems exact  solutions are  impractical  to  compute with  currently available computer  systems  of  reasonable  cost.  For  small  to medium  size  problems,  heuristic  solutions  have been reported to give reasonably good results in less than a minute of run time. Hence, it seems that 

Page 23: FutureFarm Deliverable 6 - AU Purepure.au.dk/portal/files/34430118/FutureFarm_Deliverable_6.3.pdf · optimised farm mechanization management comprising single machines or fleets of

Project No. 212177 FutureFarm D.3.3

- 23 -

re‐solving the static problem regularly on‐line may be a practical approach to dealing with the dynamic and  stochastic  nature  of  small  size  real‐world  problems.  Of  course,  if  a  contractor  has  to  service hundreds  of  fields  it  is  possible  that  even  heuristic  approaches  cannot  solve  such  problems  in acceptable time.   The dynamic vehicle routing problem (DVRP) problem is the one that is closest to dynamic agricultural fleet management.  It has been analysed extensively on the  literature and various policies have been proposed and studied. Bertsimas and Van Ryzin (1991) have proposed and analysed several policies for a simpler version of dynamic VRP, the dynamic travelling repairman problem. The policies are also used in DVRP:   First  Come  First  Served  (FCFS). 

The demands are served in the order in which they are received by the dispatcher.  Stochastic  Queue  Median  (FCFS‐SQM).  

The FCFS‐SQM policy is a modification of the FCFS policy. According to the FCFS‐SQM policy the server  travels directly  from  the median of  the  service  region  to  the  location of  the demand. After the service has been completed, the server returns to the median and waits for the next demand. 

Nearest  Neighbor  (NN). After completing service at one location the server travels to the nearest neighbouring demand. 

Traveling  Salesman  Problem  (TSP).  The  demands  are  batched  into  sets  of  size  n.  Each  time  a  new  set  of  demands  has  been collected, a Traveling Salesman Problem  is  solved. The demands are  served according  to  the optimal TSP tour. If more than one set exists at the same time, the sets are served  in an FCFS manner. 

 The DVRP that has recently received most attention is the one in which new customer requests arrive and/or the travel times between destinations are variable. This is typical of urban environments, where traffic congestion depends on the time of day. Representative approaches mainly from the operations research literature are presented next.  In Montemanni et al., (2005) the DVRP with new customer requests orders was solved using ant colony optimisation.  Their  approach  is based on  the  idea of dividing  the working day  into  time  slices with equal length and to postpone the processing of each new order arrived during a time slice to the end of  it.  During  each  time  slice,  a  problem  very  similar  to  a  static  VRP,  but  with  vehicles  with heterogeneous capacities and starting locations, is created, and optimization is carried out. In each of these problems,  the aim  is  to minimize  the  total  travel  time while serving all  the known orders. The concept of time slice has been introduced to set a bound on the time dedicated to each static problem.  In  the  work  of  Potvin  et  al.,  (2006)  a  dynamic  vehicle  routing  and  scheduling  problem  with  time windows  was  described  where  both  real‐time  customer  requests  and  dynamic  travel  times  were considered. Different reactive dispatching strategies were defined based on a minimum‐cost insertion heuristic of new customers and forecasts of travel times.   

Page 24: FutureFarm Deliverable 6 - AU Purepure.au.dk/portal/files/34430118/FutureFarm_Deliverable_6.3.pdf · optimised farm mechanization management comprising single machines or fleets of

Project No. 212177 FutureFarm D.3.3

- 24 -

Bernard et al., (2008) propose a framework  in which a static vehicle routing problem is solved before the start of the daily operation. Dynamic changes of the routing are made whenever new information is  obtained  throughout  the  day.  Heuristic  solution methods  are  proposed  for  both  the  static  and dynamic  problems.  The  heuristic  for  the  static  problem  emphasizes  effectiveness.  It  includes  the development of an initial feasible solution using the idea of ‘‘seed selection’’, as well as the refinement of  the  solution  via  local  search  techniques  and  a  genetic  algorithm.  The  heuristic  for  the  dynamic problem emphasizes efficiency and it tries to transfer customer nodes to another position or route for the same vehicle, or another vehicle’s route. Updated routes are constrained to short computational time limits, in the order of half a minute.  

1.6.2 Field traffic planning 

Planning motions trajectories for teams of robotic vehicles is in general a complex and time consuming problem.  In centralised approaches all  the  robots are grouped  together as a  single composite  robot (Latombe,  1991).  Thereafter,  the  problem  reduces  to  a  single‐robot motion  planning  problem.  The issue with  this approach  is  that usually  the  resulting composite  robot has many degrees of  freedom (DOF) which  is undesirable given  that  the  time  complexity of general path planning methods grows exponentially  with  number  of  DOF.  In  decoupled  approaches,  planning  is  done  in  two  essentially decoupled phases.  In  the  first phase,  for each  robot, a path  is computed which  is collision‐free with respect to the obstacles in the environment excluding the other robots. Collisions between the robots are  resolved  in  the  second  phase  by  velocity  tuning,  i.e.,  velocities  for  robots  along  their  paths, computed in the first phase, are selected in such a way that the robots avoid collisions with each other along  their  respective  paths.  In  essence,  velocity  tuning  involves  assigning  time  along  the  paths planned in the first stage so that inter‐robot collisions are avoided (Kant and Zucker, 1986). Decoupled planning  can  be  performed  in  a  distributed  manner,  locally  by  each  robot,  whereas  centralised planning  leads  naturally  to  a  single  computer  implementation  which  uses  global  knowledge. Centralised planning performs exhaustive  computing  to  come‐up with optimal  solutions, whereas  in decoupled  implementations  suboptimal plans  are  the norm. Usually  centralised planning  cannot be performed in real‐time, i.e., in the time scale that the machine controllers operate (e.g. milliseconds).   In  real‐world  conditions  a motion  plan  for  all  robots will  be  valid  only  for  a  limited  time,  because external disturbances, sensing and control errors will soon render the plan useless. There are various approaches to planning vehicle paths and trajectories under uncertainty. One approach is to compute a nominal path off‐line (before the operation starts) based on existing a priori knowledge and to rely on  control  techniques  to  compensate  for  small  disturbances  or  unexpected  deviations  during  the actual operation. A  second  approach  is  to  re‐plan on‐line when disturbances or unexpected  events during the operation render the original plan useless, or suboptimal, or when new information arrives which  may  improve  the  existing  plan.  Of  course,  this  approach  implies  that  there  is  a  way  of recognising that the existing plan  is no  longer valid, or optimal which  is not trivial, and that the time required  for  re‐planning  is  not  prohibitive  for  on‐line  execution.  Another  approach  is  to  express uncertain quantities as probabilistic variables which have a probability distribution and perform off‐line stochastic planning; combinations of these approaches can be used too.   

Page 25: FutureFarm Deliverable 6 - AU Purepure.au.dk/portal/files/34430118/FutureFarm_Deliverable_6.3.pdf · optimised farm mechanization management comprising single machines or fleets of

Project No. 212177 FutureFarm D.3.3

- 25 -

Another  approach  for  on‐line  traffic  planning  is  to  compute  centrally  a  high‐level  task  plan which assigns  tasks  to  each  robot  taking  into  account  the  required  coordination  of  the  robot  team.  Each robot can then plan  its own path and trajectory  in real‐time. This approach splits the computing  load among a central  task‐planner and  the members of  the  team and can achieve  real‐time performance while incorporating global knowledge in the plan.   This approach has been used by Johnson et al. (2009), to coordinate a team of peat moss harvesting robots  in  an  open  field.  In  their work  each  tractor  had  a  high‐level  controller  that was  capable  of performing  its  own  behaviours  such  as  path  planning, mission  execution,  and  obstacle  avoidance. However,  the coordination of  these  tractors was handled by a centralized component known as  the mission director. The mission director’s primary purpose was to provide the system with a mechanism for multi‐robot coordination by acting as a gateway between all of the pertinent vehicle telemetry and the human team leader. Additionally, it provided a central repository for shared data and configuration information, as well as a mission generator  (task allocation).  It was  the  responsibility of  the mission director  to  allocate  tasks  to  the  individual  robots  as well  as maintain overall  coordination between robots.  These missions were  a  sequence  of  parameterized  commands  for  performing  one  of  four simple tasks: drive to a given field, harvest a given field, drive to a given pile, or dump at a given pile. Various rules were used by the mission director to ensure that missions were safe (collision free) and deadlock‐free. Each robot used the task description to generate  its own plan using a combination of visibility graph planning and grid search based on an optimal A* algorithm.  A  similar approach was  implicitly adopted by Bochtis  (2008)  for on‐line  traffic  re‐planning  for many independent machines cultivating a field in parallel swaths. The machines had identical working widths and different capacity constraints (e.g., fuel tank, fertiliser tank) and had to visit stationary stations at fixed  locations out of  the  field. The main  task of  field coverage was structured and  therefore  it was expressed  as  the  traversal  of  a weighted  graph, where  each  swath  represents  a  node.  The  visiting sequence  of  a  set  of  swaths was  essentially  the  task  that  a  robot  had  to  execute.  The  problem  of finding optimal traversal sequences  is equivalent to a multiple Travelling Salesman Problem  (m‐TSP). Using heuristic search the solution time for solving the static problem was reported to be in the order of seconds and it was proposed that the method be used for on‐line re‐planning. The issues headland turn path planning and trajectory generation were not addressed in this work.  In Bochtis et al., (2007b) static planning for cooperating machines harvesting a field in parallel swaths was  performed  by  planning  for  PUs  and  SUs  separately.  The  traffic  planning  problem  for  the independent,  capacity‐limited  PUs  was  considered  already  solved  (section  1.5.1).  The  swaths  and headlands of the field were represented as nodes in a graph and the motion of the SUs was formulated as a graph  search optimisation problem. The cost was  the  time needed  for a  cart  to move  from  its current position to the PU needing service plus the PU’s idle time waiting for service. The graph search was very fast and it was proposed that this scheme be used in real time for dynamic traffic re‐planning of the cooperating vehicles.  

Page 26: FutureFarm Deliverable 6 - AU Purepure.au.dk/portal/files/34430118/FutureFarm_Deliverable_6.3.pdf · optimised farm mechanization management comprising single machines or fleets of

Project No. 212177 FutureFarm D.3.3

- 26 -

1.6.3 Field traffic control 

In the robotics literature work has mainly focused on formation control, i.e., how can a group of robots be controlled in a coordinated way to get into and maintain a formation with a certain shape, such as a wedge, a  circle or a  chain. The  focus  is on  large or  very  large  teams of  robots, with applications  in surveillance,  search, and mobile  sensor networks. There are  two major approaches:  centralised and decentralised  control.  In  centralized pattern  formation methods,  a  computational unit oversees  the whole group and plans  the motion of  the group members accordingly. The motion of each  robot  is then  transmitted  to  the  robot  via  a  communication  channel.  Egerstedt  et  al.,  (2001)  propose  a coordination  strategy  for moving  a  group  of  robots  in  a desired  formation over  a  given  path.  Path planning  is separated from the path tracking task.  It  is done  in a centralized way and the tracking of virtual  reference  points  are  handled  separately.  The  path  for  a  virtual  leader  is  computed  as  a reference point  for  the  robots  to  follow.  They  applied  the method  to  coordinate  the movement of simulated robots in a triangular formation while avoiding an obstacle. Belta and Kumar (2004) propose a  centralized  trajectory  computation  scheme  that  uses  kinetic  energy  shaping.  Instead  of  using  a constant  kinetic  energy  metric,  they  employ  a  smoothly  changing  the  kinetic  energy  metric.  The method generates smooth trajectories  for a set of mobile robots. The proximity between the robots can  be  controlled  via  a  parameter.  However  the  method  does  not  take  obstacle  avoidance  into consideration  and  that  is  not  scalable.  Centralized  formation  control  relies  on  a  central  unit  that oversees  the whole group and assumes  the existence of a  fast and  reliable  communication  channel between  the central unit and  the  individual  robots. Such assumptions make  the centralized strategy more costly, less robust to failures, and less scalable to the control of large number of robots.   An alternative  is  to use decentralized  formation  strategies.  In distributed behaviour‐based approach (Balch and Arkin, 1998; Carpin and Parker, 2002; Fredslund et al., 2002; Lawton et al., 2003) each robot has  basic  motor  schemas.  Each  schema  generates  a  vector  representing  the  desired  behaviour response  to  sensory  input. Possible motor  schemas  include  collision  avoidance, obstacle  avoidance, goal seeking, and formation keeping. The control action of each robot is a vector weighted average of the control of all behaviours. Behaviour based approaches have been combined with potential  fields for guidance and obstacle avoidance (Reif and Wang, 1999; Savvas et al., 2003). Another approach uses leader‐follower patterns (Desai, et al., 2001; Das et al., 2002; Vidal et al., 2004) and assumes that only local sensor‐based  information  is available for each robot. The  leader specifies  its own trajectory and the  followers  track  the  leader’s  trajectory  under  desired  spatial  constraints  which  describe  the formation.  Model  predictive  control  (Wesselowski,  2003),  receding  horizon  control  (Dunbar  and Murray, 2006) and sliding mode control (Sanchez, Fierro, 2003) have also been proposed for tracking leader‐follower  schemes.  Formation  control  has  been  stated  as  a  tracking  problem  and  Liapunov theory has been used to achieve coordinated tracking and collision avoidance for groups of robots with non‐holonomic dynamics  (Mastellone et  al., 2008). Bio‐inspired  approaches  are based on  swarming and flocking behaviours observed in nature (Reynolds, 1987; Jadbabaie, 2002; Tanner et al., 2005) and rely on rules based on local sensing to achieve overall formation.   

1.6.3.1 Independent machines 

Most  agricultural  operations  are  structured  (e.g.,  parallel  swaths)  and  therefore  general  formation control methods are not directly applicable. When machines operate  independently of each other  in 

Page 27: FutureFarm Deliverable 6 - AU Purepure.au.dk/portal/files/34430118/FutureFarm_Deliverable_6.3.pdf · optimised farm mechanization management comprising single machines or fleets of

Project No. 212177 FutureFarm D.3.3

- 27 -

the field they do not share resources other than the physical area they work in. Also, the large majority of fields are cultivated according to the parallel‐swath pattern. In this pattern the paths of the vehicles are parallel and do not intersect, with the exception of headland areas where machines turn in order to move  from  their  current  swath  to  their  next.  Therefore,  the major  task  of  traffic  control  is  to coordinate  the  motion  of  machines  during  headland  turning.    This  is  naturally  performed  in  a distributed manner,  i.e.,  each  vehicle  runs  its own  trajectory  tracking  algorithm.  Two  distinct  cases arise:  

a) The trajectories of the vehicles or any moving obstacles intersect momentarily at a single point; therefore collision between machines can be prevented by adjusting  their  respective velocity profiles without changing their paths.  

b) Unexpected obstacles may exist on the robot’s path, or the vehicles have parts of paths which coincide; therefore path alterations are required to avoid collisions.  

 In both cases it is important that each vehicle has a good estimate of the trajectories of all unexpected obstacles and other nearby vehicles.  The work  of  Kyriakopoulos  and  Saridis  (1992)  addresses  case  (a)  for  a  single  robot  among moving obstacles. A detailed dynamic model of a robotic vehicle is used, which takes into account skidding and imposes  bounds  on  the  velocity  and  control.  During  operation  the  velocity  is  changed  along  the nominal  path  based  on  estimated  robot  velocities  so  that  the  robot  can  avoid  dynamic  obstacles crossing  its  path.  It  is  assumed  that  the  obstacles  will  never  obstruct  the  robot  permanently.  An extension of this approach (Papageorgiou and Steinkogler, 1994) allows deviation from a nominal path (cases a, b). It uses dynamic programming to control a moving vehicle in real‐time using measurements from  a  changing  environment.  The  optimal  control  solution  is  continuously  updated,  applying  the rolling horizon method. Measurements of the number, the dimensions, the current positions, and the speeds of  the obstacles are used along with extrapolation of the obstacle’s movements to cover the time horizon.   These approaches were not developed with multiple robots in mind therefore the issues of precedence have not been addressed. For example, if the trajectories of two moving robots intersect, each one will think of the other as obstacle and adjust its velocity or steering accordingly. It is conceivable that both robots  decelerate  or  accelerate  together  in  order  to  avoid  each  other  causing  oscillations  or  even deadlock. This problem has been addressed by Fujimori et al., (2000) by assigning priorities to robots and  assuming  that  the  position  of  each  robot  is  made  known  to  all  others  by  some  means  of communication. Each robot can be in one of three modes: navigation, cooperative collision avoidance, or  final.  The  danger  of  collision  is  estimated  by  extrapolating  other  robot’s  speeds  and  computing possible collision points. Robots arriving first at a collision point are given higher priority. If the collision danger is high the cooperative collision mode is entered in which the velocity and direction of a robot are  computed  via  appropriate  first‐order  differential  equations.  It  is  proved  that  under  certain conditions collision avoidance can be achieved. These conditions however can be violated when more than two robots have intersecting trajectories.  The work of Vougioukas and Sigrimis (2007) is a further extension which covers both cases (a) and (b). A  distributed  control  scheme  for  coordination  and  collaborative  collision  avoidance was  proposed. Each vehicle  is equipped with  its own nonlinear model predictive tracking controller which optimises 

Page 28: FutureFarm Deliverable 6 - AU Purepure.au.dk/portal/files/34430118/FutureFarm_Deliverable_6.3.pdf · optimised farm mechanization management comprising single machines or fleets of

Project No. 212177 FutureFarm D.3.3

- 28 -

tracking performance  along  a  fixed  future horizon. Each  controller provides  accurate  tracking when possible,  but  also  avoids  collisions with  nearby  vehicles  by  altering  the  path  velocity  profile  or  the path’s geometry. To do  this,  it assumes  that  the motion  trajectories of all other nearby vehicles are known via some broadcast mechanism. Implicitly, it is assumed that the trajectories of all unexpected obstacles are also known within  the  future horizon, something which  in practice  is not  trivial. Robot priorities  are not  addressed. Precedence  could be  imposed by  introducing  an  “importance” weight‐factor for each robot. The stability properties of such a scheme were not investigated. 

1.6.3.2 Cooperating machines 

The  increasing  need  for  financially  competitive  and  environmentally  sustainable  agricultural production,  combined with  a  decreasing workforce  in  the  entire  agricultural  section  are  the major thrusts  towards  incorporating  information  technologies,  automation  and  robotics  in  the  production process.  The  introduction  of  auto‐steering  has  turned  conventional  agricultural  vehicles  into supervised  autonomous  machines  which  can  traverse  field  swaths  autonomously.  Autonomous headland turning has already been achieved and will reach very soon commercial  level. Also, a  lot of effort has been made  towards automating agricultural operations  like  spraying, harvesting, etc. The incorporation  of  supervised  autonomous  machines  in  many  real‐world  agricultural  production processes will  require  the  cooperation  and  coordination  of more  than  one machine.  For  example, robotic  vegetable  harvesting  in  a  greenhouse  would  require  the  cooperation  of  specialised autonomous harvesting robots with robotic carriers which will move the harvested produce towards a collecting point  for  further processing.  In many cases one machine  is performing the main work and one or more machines support its operation. An example is grain harvesting with on‐the‐go unloading where a combine harvester must be followed by an unloading truck. Other examples include seeding, fertilising and spraying where the machine performing the work has a tank with  limited capacity and therefore must be reloaded regularly, possibly by a reloading vehicle.  In the work of Hao et al., (2004) the problem of operating a tractor−cart combina on  in conjunc on with a small−grain combine harvester, was  inves gated. The harvester and tractor combina on were treated as a formation of autonomous robots that need to maintain a specified geometric relationship. The combine path dictated the path of the trailer to ensure a collision−free path that would allow grain transfer. The path of the trailer,  in turn, dictated the required path of the tractor to ensure that the trailer is in the optimal location at the correct time. The  idea of differential flatness was used to plan and optimize local collision‐free trajectories for the machines and a special trajectory controller for non holonomic vehicles was used. The approach was generalised to multiple tractor‐trailers following one harvester which basically acts as the  leader of the formation and simulation results were given along with experimental results for scaled‐down versions of the real machines.  Noguchi et al.  (2004) have proposed a general master‐slave architecture  for  two  robots performing farm operations. The master  commands  the  slaves  to either  follow a path parallel  to  it  ‐ at a  fixed distance from it ‐ or go to a certain point along any path, as long as it does not collide with the master. Sliding mode control was used for accurate path tracking and collision avoidance was achieved by a risk function based on the master‐slave distance, which was  included  in the velocity and steering  laws of the slave.   

Page 29: FutureFarm Deliverable 6 - AU Purepure.au.dk/portal/files/34430118/FutureFarm_Deliverable_6.3.pdf · optimised farm mechanization management comprising single machines or fleets of

Project No. 212177 FutureFarm D.3.3

- 29 -

In (Vougioukas, 2009) a control framework was proposed for cooperative control of teams of tractor‐robots operating  in the same field. The framework supports master‐slave and peer‐to‐peer modes of operation.  It  is based on a distributed control approach, where each  robot  is equipped with  its own nonlinear model predictive  tracking  controller.  Each  controller minimises  the  tracking  error  along  a finite  horizon  and  thus  provides  accurate  tracking. When  necessary,  it  also  avoids  collisions  with nearby  vehicles  by  altering  the  path  velocity  profile  or  the  path’s  geometry.  To  do  this,  it  uses information  about  the motion  trajectories  of  all  other  vehicles  which may  interfere  with  its  own projected motion. The  communication  requirements of  this approach along with  the  computational complexity of model predictive control  limit  the application of  this  framework  to  small  robot  teams consisting of a few vehicles.  

1.7 Summary and Conclusions 

From a theoretical point of view, fleet management for agriculture is a two‐level problem: a) dynamic vehicle  scheduling  and  inter‐field  routing,  and b)  in‐field  traffic planning  and  coordination. The  two problems are characterised by different spatial and temporal scales, yet they are coupled, although all existing literature treats them separately to reduce problem complexity.   In  the  agricultural  and  forestry  literature,  the  existing  work  on  scheduling  and  routing  concerns deterministic off‐line plans. In real applications the data used for planning contains a lot of uncertainty, errors, and sometimes  is simply not available. No work has been done  for  incorporating uncertainty, either  through  stochastic  scheduling with off‐line and on‐line policies, or  robust off‐line  scheduling. Clearly, some of the policies developed for dynamic vehicle routing could be transferred and tested in the agricultural domain.  In‐field  traffic  and  coordination  planning  requires  the  collaborative  coverage  of  the  entire  field  by cultivating/harvesting units and  their  service by  secondary vehicles. The planning problem has been split  by most  researchers  into  static  field  coverage  based  on  swaths,  generation  of  swath  traversal sequences for each machine and motion planning for headland turns. Field coverage for independent machines  has  been  studied,  but  issues  like multi‐objective  coverage,  non  flat  fields,  and  swaths  of different  widths  have  not  been  addressed.  For  cooperating machines  field  coverage  and  dynamic motion planning have also not received enough attention.   A basic conclusion of this report is that in addition to vehicle scheduling and routing, fleet management for agricultural operations  should  integrate  somehow  the planning and  real‐time coordination of  in‐field operations. The  framework of sequential decision making used  in  this  report could be used  for computing solutions to (very?) small  instances of the combined problem. Such solutions may provide insights as to how strong the coupling is between the two problems; they could also be used as globally optimal solutions against which other heuristics‐based solutions could be compared.  From  a  practical  point  of  view,  real‐time  agricultural  fleet  monitoring  is  already  a  commercially available  technology and automated  scheduling, dispatching and  routing  tools already exist  in other commercial  sectors  like  trucking,  construction,  delivery  and  courier  services,  etc.  It  is  likely  that incorporation of such  tools  in agricultural production has not materialised yet because  there was no 

Page 30: FutureFarm Deliverable 6 - AU Purepure.au.dk/portal/files/34430118/FutureFarm_Deliverable_6.3.pdf · optimised farm mechanization management comprising single machines or fleets of

Project No. 212177 FutureFarm D.3.3

- 30 -

economic  justification  for  it. Additionally, agriculture  is notoriously slow  in adopting  information and communications technologies (NASS, 2009). 

1.8 References 

 Adams, J., Balas, E., Zawack, D. (1988). The Shifting Bottleneck Procedure for Job Shop Scheduling. Mgmt. Sci. 

34, 391‐401. Alexandratos, N. (1999).World food and agriculture: outlook for the medium and longer term. Proc. Natl. Acad. 

Sci. USA 96: 5908–5914.  Ali,  O.,  Verlinden,  B.,  Van  Oudheusden,  D.  (2009).  Infield  logistics  planning  for  crop‐harvesting  operations. 

Engineering Optimization, 41(2) , pp. 183‐197. Arkin, E.M., Fekete, S.P., Mitchell,  J.  (2000). Approximation algorithms  for  lawn mowing and milling. Comput. 

Geom. 17(1–2): 25–50. Auernhammer  H  (2001).  Precision  farming‐the  environmental  challenge.  Computers  and  Electronics  in 

Agriculture, 30(1–3), 31–43. Balch,  T.  and  Arkin,  R.,  1998.  Behavior‐based  formation  control  for multirobot  teams.  IEEE  Transactions  on 

Robotics and Automation. 14(6): 926 – 939. Basnet,  C.,  Foulds,  L.,  Wilson,  J.  (2006).  Scheduling  contractors'  farm‐to‐farm  crop  harvesting  operations. 

International Transactions in Operational Research, 13(1), 1‐15. Bell,  J., McMullen,  P.  (2004). Ant  colony  optimization  techniques  for  the  vehicle  routing problem. Advanced 

Engineering Informatics 18:41–48. Bellman, R.E. (1957). Dynamic Programming. Princeton University Press, Princeton, NJ.  Belta, C. and Kumar, V., 2004. Optimal Motion Generation for Groups of Robots: A Geometric Approach. Journal 

of Mechanical Design. 126: 63‐71. Bertsekas, D.  (1976). Dynamic Programming  and  Stochastic Control. Academic Press,  ISBN 0120932504, New 

York, NY, U.S.A. Bertsimas, D., Van Ryzin, G. (1991). A Stochastic and Dynamic Vehicle Routing Problem  in the Euclidean Plane. 

Operations Research, 39:601‐615. Bin Deris,  S., Ohta, H.  (1990). A Machine‐Scheduling Model  for  Large‐Scale Rice Production  in Malaysia.  The 

Journal of the Operational Research Society, 41(8): 713‐723. Blackmore  B.,  Stout  W.,  Wang  M.,  Runov,  B.  (2005).  Robotic  agriculture–the  future  of  agricultural 

mechanisation?  In:  Fifth  European  Conference  on  Precision  Agriculture  (Stafford  J.  V.),  pp.  621–628 Wageningen Academic Publishers, The Netherlands.  

Blackmore,  B.,  Griepentrog,  H.,  Fountas,  S.,    Gemtos,  T.  (2007).  A  Specification  for  an  Autonomous  Crop Production Mechanization System”. Agricultural Engineering International: the CIGR Ejournal. Manuscript PM 06 032. VOL. IX. 

Blum, C., Sampels, M. (2005). An Ant Colony Optimization Algorithm for Shop Scheduling Problems. Journal of Mathematical Modelling and Algorithms. 3: 285–308. 

Bochtis,  D.,  Vougioukas,  S.,  Ampatzidis,  Y.,  Tsatsarelis,  C.  (2007a).  On‐line  Coordination  of  Combines  and Transport  Carts  during  Harvesting  Operations.  In:  Proceedings  of  the  European  Precision  Farming Conference 2007 (ECPA’07), pp. 715‐721, Skiathos, Greece. 

Bochtis,  D.,  Vougioukas,  S.,  Tsatsarelis,  C.,  and  Ampatzidis,  Y.  (2007b).  Optimal  Dynamic Motion  Sequence Generation for Multiple Harvesters. Agricultural Engineering International: the CIGR Ejournal. Manuscript ATOE 07 001. Vol. IX. July, 2007. 

Bochtis,  D.,  Vougioukas,  S.  (2007).  Machine  Allocation  for  Agricultural  Operations  based  on  Simulation. Proceedings of the IFAC Agricontrol 2007, pp. 147‐152, Osijek, Croatia. 

Page 31: FutureFarm Deliverable 6 - AU Purepure.au.dk/portal/files/34430118/FutureFarm_Deliverable_6.3.pdf · optimised farm mechanization management comprising single machines or fleets of

Project No. 212177 FutureFarm D.3.3

- 31 -

Bochtis, D.D.,   Vougioukas, S., Ampatzidis,  I., Tsatsarelis, C.  (2007a). Field Operations Planning  for Agricultural Vehicles: A Hierarchical Modeling Framework. Agricultural Engineering International: the CIGR Journal of Scientific Research and Development. IX, 11pp. 

Bochtis,  D.,  Vougioukas,  S.,  Ampatzidis,  Y.,  Tsatsarelis,  K.  (2007b).  On‐line  Coordination  of  Combines  and Transport Carts during Harvesting Operations. European Precision  Farming Conference 2007  (ECPA’07), pp. 715‐721, July 2007, Skiathos, Greece.  

Bochtis, D.  (2008). Planning and Control of a Fleet of Agricultural Machines  for Optimal Management of Field Operations. Ph.D. Thesis. AUTh, Faculty of Agriculture, Department of Agricultural Engineering, Greece. 

Bochtis, D. D., and Vougioukas, S. (2008). Minimising the non‐working distance travelled by machines operating in a headland field pattern. Biosystems Eng. 101(1): 1‐12.  

Bochtis,  D.D.,  Sørensen,  C.G.  (2009a).  The  vehicle  routing  problem  in  field  logistics  part  I.  Biosystems Engineering, 104(4):447‐457. 

Bochtis,  D.D.,  Sørensen,  C.G  (2009b).  Conceptual  model  of  fleet  management  in  agriculture.  Biosystems Engineering. Article in press. doi:10.1016/j.biosystemseng.2009.09.009 

Bräysy, O., Gendreau, M., Hasle, G., Løkketangen A (2002). A survey of rich vehicle routing models and heuristic solution techniques. Technical report, SINTEF. 

Brucker, P., Jurisch, B. and Sievers, B., (1994). A Branch and Bound Algorithm for Job‐Shop Scheduling Problem, Discrete Applied Mathematics, Vol 49, pp. 105‐127 

Brumelle, S., Granot, D., Halme, M., Vertinsky, I. (1998). A tabu search algorithm for finding good forest harvest schedules satisfying green‐up constraints. European Journal of Operational Research, 106:408‐424. 

Carpin, S., Parker, L. (2002).  Cooperative leader following in a distributed multi‐robot system. In Proceedings. Of the IEEE International Conference on Robotics and Automation, vol.3, pp. 2994‐3001. 

Cheng, R., Gen, M. and Tsujimura, Y.  (1999). A  tutorial  survey of  job‐shop  scheduling problems using genetic algorithms, part II: hybrid genetic search strategies, Computers & Industrial Engineering. 36:343‐364. 

Bernard, K., Cheung, K., Choy, C., Wenzhong, S., Jian, T. (2008). Dynamic routing model and solution methods for fleet management with mobile technologies. International Journal of Production Economics, 113(2): 694–705. 

Choi,  I.,  Korkmaz,  O.  (1997).  Job  shop  scheduling  with  separable  sequence‐dependent  setups.  Annals  of Operations Research 70(1997)155 – 170. 

Choset,  H.  (2001).  Coverage  for  robotics  –  A  survey  of  recent  results.  Annals  of Mathematics  and  Artificial Intelligence, 31:113‐126. 

Cordeau J F; Gendreau M; Laporte G; Potivn J Y; Sment F (2002). A guide to vehicles routing heuristics. Journal of Operational Research Society, 53(5), 512–522. 

Cordeau  J  F;  Laporte  G;  Savelsbergh M;  Vigo  D  (2006).  Vehicle  routing.  In:  Transportation,  Handbooks  in Operations Research and Management Science (Barnhart C; Laporte G eds). Elsevier, North‐Holland. 

Dantzig, G.B., Ramser, J.H., (1959). The truck dispatching problem. Management Science, 6(1), 80–91. Das  K.,  Fierro  R.,  Kumar  V.,  Ostrowski  J.,  Spletzer  J.,  Taylor  C.  (2002).  A  vision‐based  formation  control 

framework. IEEE Transactions on Robotics and Automation, 18(5): 813‐825. de Bruin, S., Lerink, P., Klompe, A., van der Wal, T., Heijting, S. (2009). Spatial optimisation of cropped swaths 

and field margins using GIS. Computers and Electronics in Agriculture. 68(2): 185‐190. Dell'Amico,  M.,  Trubian,  M.  (1993).  Applying  tabu  search  to  the  job‐shop  scheduling  problem.  Annals  of 

Operations Research. 41(3): 231‐252. Dertouzos,  M.  L.,  &  Mok,  A.  K.‐L.  (1989).  Multiprocessor  on‐line  scheduling  of  hard‐real‐time  tasks.  IEEE 

Transactions on Software Engineering, 15 (12): 1497–1506.  Desai  J., Ostrowski  J., Kumar, V.  (2001). Modeling and control of  formations of nonholonomic mobile  robots. 

IEEE Transactions on Robotics and Automation, 2001, 17(6): 905‐908. Dorndorf,  U.,  Pesch,  E.  and  Phan‐Huy,  T.(2002).  Constraint  propagation  and  problem  decomposition:  A 

preprocessing procedure for the job shop problem, Ann. Oper. Res. 115(1): 125–145. 

Page 32: FutureFarm Deliverable 6 - AU Purepure.au.dk/portal/files/34430118/FutureFarm_Deliverable_6.3.pdf · optimised farm mechanization management comprising single machines or fleets of

Project No. 212177 FutureFarm D.3.3

- 32 -

Drozdowski,  M.    (1996).  Scheduling  multiprocessor  tasks  ‐  An  overview.  European  Journal  of  Operational Research 94 (1996) 215‐230. 

Dunbar, W. and Murray, R., 2006. Distributed receding horizon control for multi‐vehicle formation stabilization. Automatica, 42(4):549–558. 

Dyer, M., Wolsey, L. (1990). Formulating the single machine sequencing problem with release dates as a mixed integer program. Discrete Applied Mathematics 26: 255–270. 

Egerstedt, M., Hu, X. and Stotsky, A. 2001. Control of mobile platforms using a virtual vehicle approach.  IEEE Transactions on Automatic Control. 46: 1777–1782. 

Fokkens, B. and Puylaert, M.,(1981). A  linear programming model  for daily harvesting operations at  the  large scale grain farm of the IJsselmeerpolders development authority, Journal of operational research society, 32: 535‐547. 

Foulds, L.R., Wilson,  J.M.,  (2005). Scheduling operations  for the harvesting of renewable  resources,  Journal of food engineering, 70: 281‐292. 

Fredslund,  J., Mataric, M.  (2002). A  general  algorithm  for  robot  formations  using  local  sensing  and minimal communication. IEEE Transactions on Robotics and Automation, 18(5): 837‐846. 

Garey, M., Johnson, D., Sethi, R. (1976). The Complexity of Flowshop and Jobshop Scheduling. MATHEMATICS OF OPERATIONS RESEARCH, 1(2): 117‐129. 

 Gendreau M, Hertz A, Laporte G.(1994). A tabu search heuristic for the vehicle routing problem. Management Science. 40:1276–90. 

Gendreau,  M.,  Laporte,  G.,  Seguin,  R.  (1996).  Stochastic  vehicle  routing.  European  Journal  of  Operational Research 88 (1996) 3‐12. 

Greistorfer, P. (1995) Solving mixed and capacitated problems of the Chinese postman. Central European Journal for Operations Research and Economics,3(4):285‐309. 

Hao,  Y.,  Laxton,  B.,  Benson,  E.,  Agrawa,  S.  (2004).  DIfferential  Flatness−based  Forma on  Following  of  a Simulated Autonomous Small Grain Harvesting System. Transactions of the ASABE, 47(3): 933−941.  

Hart,  E.,  Ross,  P.  (1999).  The  Evolution  and  Analysis  of  a  Potential  Antibody  Library  for  Use  in  Job‐Shop Scheduling.  In David Corne, Marco Dorigo,  and  Fred Glover, editors, New  Ideas  in Optimization, pages 185–202. McGraw‐Hill, London. 

Higgins, A., Antony, G., Sandell , G., Davies, I., Prestwidge, D., Andrew, B.  (2004). A framework for integrating a complex harvesting and transport system for sugar production. Agricultural Systems 82: 99–115. 

Huang, W.  (2001). Optimal Line‐sweep‐based Decompositions  for Coverage Algorithms.  In Proceedings of  the 2001 IEEE International Conference on Robotics and Automation. 

Hunt D. (2001). Farm Power and Machinery Management (tenth ed.). Iowa State Press, Ames, Iowa. Jadbabaie A.  Lin  J. Morse A.  (202).  rdination of groups of mobile autonomous agents using nearest neighbor 

rules. IEEE Transactionss on Automatic Control, 48(6): 988‐1001. Jain A.S., Meeran S.  (1999). Deterministic  job‐shop  scheduling: past, present and  future. European  Journal of 

Operational Research (Netherlands) 113(2): 390‐435. Jain, A.S., Meeran, S.  (1999). Deterministic  job‐shop scheduling: past, present and future. European Journal of 

Operational Research (Netherlands) 113(2): 390‐435. Jin,  J.,  Tang,  L.  (2006).  Optimal  path  planning  for  arable  farming.  Proceedings  of  the  2006  ASABE  Annual 

International Meeting, Portland, Oregon, American Society of Agricultural Engineers Johnson. K.N., Scheurman, H.L. (1977). Techniques for prescribing optimal timber harvest and investment under 

different objectives Discussion and synthesis. Forest Science Monograph, 18. Johnson, D., Naffin, D.,  Puhala,  J.,  Sanchez,  J., Wellington,  C.  (2009). Development  and  Implementation of  a 

Team of Robotic Tractors for Autonomous Peat Moss Harvesting. Journal of Field Robotics, 26(6‐7): 549‐571. 

Kant, K., Zucker, S. (1986). Towards efficient trajectory planning: path velocity decomposition. Int. J. of Robotics Research, 5:72‐89. 

Page 33: FutureFarm Deliverable 6 - AU Purepure.au.dk/portal/files/34430118/FutureFarm_Deliverable_6.3.pdf · optimised farm mechanization management comprising single machines or fleets of

Project No. 212177 FutureFarm D.3.3

- 33 -

Karlsson, J., Rönnqvist, M., and Bergström, J. (2003). Short‐term harvest planning including scheduling of harvest crews. International Transactions in Operational Research, 10(5):413–431.  

Kolisch, R., Padman, R. (2001). An integrated survey of deterministic project scheduling. Omega, The Intl. Journal of Management Science, 29: 249–272. 

Kyriakopoulos, K., Saridis, G. (1992).  An integrated collision prediction and avoidance scheme for mobile robots in non‐stationary environments, Automatica 29(2): 309–322.  

Laporte G. 1992. The Vehicle Routing Problem: An overview of exact  and approximate algorithms. European Journal of Operational Research 59: 345‐358. 

Larsen, A. (2000). PhD Thesis, Technical University of Denmark (DTU), Department of MathematicalModelling. Latombe, J.‐C. (1991). Robot Motion Planning. Kluwer Academic Publishers, Boston, MA, U.S.A. LaValle S. and S. Hutchinson (1998). Optimal motion planning for multiple robots having independent goals. IEEE 

Transactions on Robotics and Automation, 14(6), 912‐925. Lawton J., Beard R., Young B.  (2003). A decentralized approach to  formation maneuvers.  IEEE Transactions on 

Robotics and Automation, 19(6): 933‐941. Loukil,  T,  Teghem,J.,  Tuyttens,  D.  (2005).  Solving  multi‐objective  production  scheduling  problems  using 

metaheuristics. European Journal of Operational Research. 161: 42–61. Mastellone,  S.,  Stipanovic, D., Graunke,  C.,  Intlekofer,  K.,  Spong, M.  (2008).  Formation  Control  and  Collision 

Avoidance for Multi‐agent Non‐holonomic Systems: Theory and Experiments. The International Journal of Robotics Research, 27(1):107–126. 

Mitchell,  S.A.  (2004). Operational  forest harvest  scheduling optimisation.  PhD  thesis, University  of Auckland, New Zealand.  

Montamanni,  R.,  Gambardella,  L.,  Rizzoli,  A.,  Donati,  A.  Ant  Colony  System  for  a  Dynamic  Vehicle  Routing Problem. Journal of Combinatorial Optimization, 10: 327–343. 

Moura, A.V.,   Scaraficci, R.A. (2008). Hybrid Heuristic Strategies for Planning and Scheduling Forest Harvest and Transportation  Activities.  In  proceedings  of  the  11th  IEEE  International  Conference  on  Computational Science and Engineering (CSE '08), pp. 447‐454. 

Murphy, G.  (1998). Allocation of  stands  and  cutting patterns  to  logging  crews using  a  tabu  search heuristic. International Journal of Forest Engineering, 9(1):31–37. 

NASS, USDA, (2009). Farm Computer Usage and Ownership.  Noguchi,  N., Will,  J.,  Reid,  J.  and  Zhang,  Q.,  2004.  Development  of  a master–slave  robot  system  for  farm 

operations. Computers and Electronics in Agriculture 44: 1–19. Oksanen,  T.  and  Visala,  A.  (2004).  Optimal  Control  of  Tractor‐Trailer  System  in  Headlands.  In:  Automation 

Technology  for Off‐Road  Equipment:  Proceedings  of  the  7‐8 October  2004  Conference  (Kyoto,  Japan), edited by Q. Zhang, M. Iida, and A. Mizushima. ASAE Publication Number 701P1004., ASAE, St Joseph, MI, USA. 

Oksanen, T., Kosonen,  S., Visala, A.  (2005). Path planning algorithm  for  field  traffic. Proceedings of  the 2005 ASAE Annual Meeting. American Society of Agricultural and Biological Engineers, Tampa, Florida. 

Oksanen, T., and A. Visala. 2007. Path Planning Algorithms  for Agricultural Machines. Agricultural Engineering International: the CIGR Ejournal, Manuscript ATOE 07 009. Vol. IX. 

Ombuki, B., Ross, B., Hanshar, F.  (2006). Multi‐Objective Genetic Algorithms for Vehicle Routing Problem with Time Windows. Applied Intelligence 24: 17–30. 

Osman  LH.  (1993).  Metastrategy  simulated  annealing  and  tabu  search  algorithms  for  the  vehicle  routing problem. Ann Operations Research.41:421–51. 

Papageorgiou, M., Steinkogler, A. (1994) Real‐time optimal control of moving vehicles in changing environments, IEEE Trans. Control Systems Technology 2(4): 447–454.  

Pedersen, S. M., Fountas,  S., Have, H., and Blackmore, B. S.  (2006) Agricultural  robots –  system analysis and economic feasibility. Precision Agriculture Journal 7:4295‐308.  

Potvin, J‐Y., Xua, Y., Benyahia, I. (2006). Vehicle routing and scheduling with dynamic travel times. Computers & Operations Research 33: 1129–1137. 

Page 34: FutureFarm Deliverable 6 - AU Purepure.au.dk/portal/files/34430118/FutureFarm_Deliverable_6.3.pdf · optimised farm mechanization management comprising single machines or fleets of

Project No. 212177 FutureFarm D.3.3

- 34 -

Qureshi, A., Carlisle, J., Guttag, J. (2006). Tavarua: Video Streaming with WWAN Striping. In Proceedings of the 14th annual ACM international conference on Multimedia, Santa Barbara, CA, U.S.A., pp.327 ‐ 336. 

Reif,  J.  and Wang, H.  1999.  Social potential  fields: A distributed behavioral  control  for  autonomous  robots,” Robotics and Autonomous Systems.  27: 171–194. 

Ryerson,  A.E.F.  and  Zhang,  Q.,  (2007).  Vehicle  path  planning  for  complete  field  coverage  using  genetic algorithms. Agricultural Engineering International: The CIGR Ejournal, IX (Manuscript PM ATOE 07).  

Reynolds C. (1987). Flocks, birds, and schools: a distributed behavioural model. Computer Graphics, 1987, 21(4): 25‐34. 

Rousseau, L‐M., Gendreau, M. (2002). Using Constraint‐Based Operators to Solve the Vehicle Routing Problem with Time Windows. Journal of Heuristics, 8: 43–58. 

Sanchez  J.,  Fierro  R.  (2003).  Sliding  mode  control  for  robot  formations.  In:  Proceedings  of  the  2003  IEEE International Symposium on Intelligent Control, pp. 438‐443. 

Savvas  G.  Loizou,  Herbert  G.  Tanner,  Vijay  Kumar,  and  Kostas  J.  Kyriakopoulos,  (2003).  Closed  loop motion planning and control  for mobile  rboots  in uncertain environments.  in Proceedings of  IEEE  International Conference on Decision and Control, Maui, Hawaii, USA, pp. 2926 – 2931. 

Simeon,  T.,  S.  Leroy  and  J.‐P.  Laumond  (2002).  Path  coordination  for multiple mobile  robots:  A  resolution‐complete algorithm. IEEE Transactions on Robotics and Automation, 18(1), 42‐49. 

Søgaard H T; Sørensen C G (2004). A model for optimal selection of machinery sizes within the farm machinery system. Biosystems Engineering, 89(1), 13–28. 

Sørensen, C. G., T. Bak, and R. N. Jörgensen. (2004). Mission planner for agricultural robotics. In Proc. of AgEng 2004, Leuven, Belgium.  

Sørensen,  C.G  Bochtis,  DD.  (2009).  Conceptual  model  of  fleet  management  in  agriculture.  Biosystems Engineering, doi:10.1016/j.biosystemseng.2009.09.009.  

Standard  Specification  for  Telecommunications  and  Information  Exchange  Between  Roadside  and  Vehicle Systems ‐ 5 GHz Band Dedicated Short Range Communications (DSRC) Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications, Sept. 2003. 

Stombaugh,  T.,  Zandonadi,  R.,  and    Dillon,  C.  (2009).  Assessing  the  potential  of  automatic  section  control. Proceedings of  the Precision Agriculture Conference  (JIAC2009), Eds. E.J. van Henten, D. Goense and C. Lokhorst,  pp. 759‐766. 

Sousa,  J.P.,  L.A.  Wolsey  (1992).  A  time‐indexed  formulation  of  non‐preemptive  single‐machine  scheduling problems. Math. Programming 54 353‐367. 

Taïx, M., Souères, P., Frayssinet, H., Cordesses, L. (2006). Path planning for complete coverage with agricultural machines.  In:  B.  Siciliano, O.  Khatib  and  F. Groen,  Editors,  Field  and  Service  Robotics,  Springer,  Berlin (2006), pp. 549–558. 

Tang,  A.,  Yip,  A.  (2010).  Collision  avoidance  timing  analysis  of  DSRC‐based  vehicles.  Accident  Analysis  and Prevention, 42(1): 182‐195. 

 Tanner H., Jadbabaie A., Pappas G. (2005). Flocking in teams of nonholonomic agents. Lecture Notes in Control and Information Sciences. Berlin: Springer‐Verlag, 2005. 229‐239. 

Tiantian, Y.,  Liu, Z., Chen, H. , Pei, R. (2007). Robust Tracking Control of Mobile Robot Formation with Obstacle Avoidance. Journal of Control Science and Engineering,  

Torisu, R. 1997. Optimal Path of Headland for Tractors by Optimal Control Theory. Theory, Journal of Japanese Society of Agricultural Machinery. 59(4) 31‐36. 

van  Laarhoven,  P.,  Aarts,  E.,  Lenstra,  J.  (1992).  Job  Shop  Scheduling  by  Simulated  Annealing.  Operations Research 40(1): 113‐125.  

Vidal R., Shakernia O., Sastry S. (2004). Distributed formation control with omnidirectional vision‐based motion segmentation and visual servoing. IEEE Robotics & Automation Magazine, 2004, 11(14): 14‐20. 

Vougioukas,  S.,  S.  Blackmore,  J.  Nielsen,  and  S.  Fountas.  2006.  A  two‐stage  optimal  motion  planner  for autonomous agricultural vehicles. Precision Agric. 7(5): 361‐377. 

Page 35: FutureFarm Deliverable 6 - AU Purepure.au.dk/portal/files/34430118/FutureFarm_Deliverable_6.3.pdf · optimised farm mechanization management comprising single machines or fleets of

Project No. 212177 FutureFarm D.3.3

- 35 -

Vougioukas, S., Sigrimis., N. (2007). Coordinated Path Tracking for Teams of Agricultural Robotic Vehicles. IFAC Agricontrol 2007, pp. 165‐170 Osijek, Croatia. 

Vougioukas,  S.  (2009).  A  framework  for  motion  coordination  of  small  teams  of  agricultural  robots.  In: Proceedings  of  the  Precision  Agriculture  ’09  (Editors:  E.J.  van  Henten,  D.  Goense  and  C.  Lokhorstpp), pp.585‐593. 

Wesselowski K., Fierro R. (2003). A dual‐mode model predictive controller for robot formations. In: Proceedings of the IEEE 2003 Conference on Decision and Control, pp. 3615‐3620. 

Zhang,  W.  and  Dietterich,  T.  G.  (1995).  A  reinforcement  learning  approach  to  job‐shop  scheduling.  In Proceedings  of  the  Fourteenth  International  Joint  Conference  on  Artificial  Intelligence  (IJCAI‐95),  pp. 1114–1120. Montreal, Canada. Morgan Kaufmann.  

Zomaya, A. Y., Clements, M., & Olariu, S.  (1998). A  framework  for  reinforcement‐based scheduling  in parallel processor systems. IEEE Transactions On Parallel and Distributed Systems, 9 (3), 249–259. 

Page 36: FutureFarm Deliverable 6 - AU Purepure.au.dk/portal/files/34430118/FutureFarm_Deliverable_6.3.pdf · optimised farm mechanization management comprising single machines or fleets of

Project No. 212177 FutureFarm D.3.3

- 36 -

2 Fleet Management: Assessment of Potential Savings 

Bochtis1 D D; Vougioukas2 S G; Sørensen1 C G; Hammed1 I A; Oksanen3 T 1 University of Aarhus, Faculty of Agricultural Sciences, Department of Agricultural Engineering,  Blichers Allé 20, P.O box 50, 8830 Tjele, Denmark 

2Aristotle University of Thessaloniki, Faculty of Agriculture, Department of Agriculture Engineering, Greece 

3 Helsinki University of Technology, Department of Automation and Systems Technology, P.O. Box 5500, 02015 TKK, Finland 

This section presents an assessment of the energy, time and cost savings that could be achieved when farming operations are performed by many machines (fleet), operated in an optimal way, as opposed to the standard operation of current agricultural practice. The operations examined take place at the farm  level,  i.e.,  in one or neighbouring  fields. This  is equivalent  to computing  the minimum possible execution cost of these operations. This is very important to know, since the execution cost is needed by the agricultural fleet operations scheduling to compute the optimal resource allocation over time. The  assessment will  be  based  on  available  state  of  the  art  algorithms which model,  optimise  and simulate the execution of farming operations.  In  the  first  part  of  this  section,  the  savings will  be  assessed  for  field  coverage  operations  in which numerous machines cover parts of the field independently, i.e., they do not share any resources. In the second part, the savings will be estimated for farming operations  in which numerous machines must cooperate  in order to perform the task.  In practice, almost all  field operations  involve the motion of one  or  several  machines.  The  machine(s)  must  cover  the  entire  field  area  while  performing  the assigned  task. The  field pattern  that  the machines use  could be parallel  swaths, circular, etc.  (Hunt, 2001). In this report we restrict ourselves to parallel‐swath field patterns.  

2.1 Introduction  

The maximisation of agricultural machine productivity is an important element in the continued efforts of planning and controlling resource inputs in both arable and high value crops farming.  A preliminary step in the direction of achieving increasing operational efficiency is a renewed focus on the usage of advanced systems both in terms of technology and management measures. In the longer perspective, research shows that a paradigm shift from large machines to smaller and more intelligent multi‐robot systems,  which  can  establish  and  nurse,  for  example,  plants  at  an  individual  level  is  expected (Blackmore  et  al.,  2005;  Fountas  et  al.,  2007).  Such  a  development  will  increase  the  demand  for advanced management  tools,  like  fleet management  tools,  for  scheduling, monitoring  and  on‐line coordination of multiple vehicles to  improve operational efficiency and effectiveness (Auernhammer, 2001; Sørensen and Nielsen, 2005). The objective of this report is to assess the on potential savings in terms of operational time as well as non‐working  travelled  distance  (that  is  equaled  with  fuel  consumption)  as  a  result  of  the  implementation of optimisation measures for operations carried out by a teams of agricultural mobile 

Page 37: FutureFarm Deliverable 6 - AU Purepure.au.dk/portal/files/34430118/FutureFarm_Deliverable_6.3.pdf · optimised farm mechanization management comprising single machines or fleets of

Project No. 212177 FutureFarm D.3.3

- 37 -

units  (non‐autonomous  or  autonomous).  These  operations  include  the  optimization  of  the configurations of  teams of co‐operative machines  (e.g., combines and  transport units,  fertilizers and supply units) as well as of identical machines (e.g., multiple forage harvesters).  The first case regards agricultural field operations involving a number of interconnected tasks executed by cooperating heterogeneous agricultural machines. For example, this is the case for operations that take place within the biomass supply chain such as harvesting, material handling, removal of biomass from the field, and subsequent rural and public road transportation. Multiple machinery operations of similar planning complexity as harvesting (‘‘output material flow’’) are operations such as spraying and fertilising  (‘‘input  material  flow’’).  These  operations  also  involve  multi‐machinery  systems  that potentially  include one or a number of  self‐propelled or  tractor‐pulled application units and one or more transport units (Bochtis and Sørensen, 2009a; 2009b). In addition to the agricultural operations that naturally  incorporate the  fleet machinery concept, the growth of the range of available self‐propelled machines including fertilizer spreaders, plant protection sprayers, mowers, etc., motivates the adoption of ‘‘team work’’ for the execution of the corresponding agricultural  operations.  This  adoption  has  the  advantages  of  a  collective  behaviour  and  allows scheduled work to be carried out on time. On the other hand,  if  large teams of smaller autonomous machines are  to  replace  smaller groups of heavier machines  in  the  future,  ‘‘fleet management’’ will also play a key role in maximizing the overall efficiency (Sørensen and Bochtis, 2009).  

2.2 Identical Machines  

2.2.1 Methods  

Mission  planning  for  operations  involving  the  coverage  planning  for  an  area  has  been  studied extensively in the robotics literature. The research has been prompted by applications such as cleaning, mapping unknown environments, and mine detection. See Choset (2001) for an extensive presentation of  developed  algorithms).  However,  the  pursued  approaches  cannot  be  adopted  for  the  coverage problem  in the case of agricultural operations due to the special  features and agronomic constraints inherent  in  these operations.  In agricultural operations, a number of additional  constraints must be taken into account such as soil compaction, operating while following contour lines, and the fact that a typical  agricultural  machine  usually  cannot  operate  while  manoeuvring.  Another  important  factor influencing  the  planning  is  the  fieldwork  pattern  followed  in  previous  treatments  or  by  other machinery  types. Consequently, area coverage planning  for  field operations  is mostly determined by agronomic structures and constraints. Here, the area coverage planning problem for field operations is considered as a hierarchy of sub‐problems: 

1. Field area decomposition. Decomposition of the coverage region into sub‐fields and generation 

of the corresponding headlands.  

2. Determination of the driving direction in each sub‐field.    

3. Field tracks generation. It determines how the set of parallel field tracks is generated given sub‐

fields.   

Page 38: FutureFarm Deliverable 6 - AU Purepure.au.dk/portal/files/34430118/FutureFarm_Deliverable_6.3.pdf · optimised farm mechanization management comprising single machines or fleets of

Project No. 212177 FutureFarm D.3.3

- 38 -

4. Route planning over the geometrical representation derived from the above sub‐problems. The 

resulting  route  refers  to  the  sub‐fields body  coverage,  that  is,  the generation of a path  that 

covers  each  sub‐region  ensuring  that  the mobile  unit  covers  the  field main  body  (between 

headlands  and  access paths)  in  an optimum way,  according  to  an optimisation  criterion  (i.e. 

minimisation of the non‐working travelled distance or non‐productive time), without overlaps 

or missed areas and avoiding all obstacles.  

5. Sub‐fields sequence. It determines the sequence that the mobile unit visits the sub‐fields given 

the access paths between them.  

Steps 1, 2, and 3,  regard  the  representation of  the  field as a geometrical entity while steps 4 and 5 regard the the route planning by adhering to this representation. 

2.2.1.1 Field geometrical representation   

Recently, a number of algorithms for the representation of the field as a geometrical entity have been resented. Figure 6 presents examples of developed methods. The most important of them are briefly described in the following.   Oksanen  (2007) presented a  two‐stage method  for  the  field  coverage planning problem.  In  the  first stage, a field is split into blocks that are easy to cover with tracks. In this algorithm, a greedy selection is used. First, the best block is found and removed from the region and the same algorithm is repeated until the whole field is split. In the search of the best block at each step, the best driving direction is the searching criteria. In the case of several possible driving directions, so called trapezoidal decomposition is  applied  in  order  to  split  the  region  into  smallest  possible  pieces,  trapezoids.  After  trapezoidal decomposition,  trapezoids which  can be merged are merged  into blocks. The  condition  for merging includes  equal  parallel  lines  and  certain  requirements  for  headland  angles.  After  trapezoidal decomposition and merging, the block with most efficient track coverage is selected as the block which is removed from the region. The algorithm can handle also obstacles in field. Details of the algorithm can be found in Oksanen (2007), and Oksanen and Visala (2009). Two examples are presented in Figure 6a. At the left side, a simple field is presented containing seven blocks and on the right there is a more complex field with an obstacle, resulting in 30 blocks. In both cases the, the results are logical. Hameed et al., (2009) presented two algorithmic approaches for the geometrical representation of a field as an entity that can be used for the route planning of an agricultural mobile unit.  

Single‐block representation algorithm  for both convex and non‐convex  fields: This algorithms works  in 

two  stages:  in  the  first  stage,  it  generates  a  predetermined  number  of  parallel  headland  passes 

peripheral  to  the  field boundary  to be used as  the headland area.  In  the second stage,  the algorithm 

selects  the  longest edge of  the  field, or  the  side of  the  field  resulted  from a  set of  sequential edges 

within a predefined threshold angle difference, and that will cover the whole field as a single‐block area 

(Figure 6b).  

Page 39: FutureFarm Deliverable 6 - AU Purepure.au.dk/portal/files/34430118/FutureFarm_Deliverable_6.3.pdf · optimised farm mechanization management comprising single machines or fleets of

Project No. 212177 FutureFarm D.3.3

- 39 -

Multiple‐blocks  representation  algorithm: The  first  stage of  this  algorithm  is  the  same  as  that of  the 

previous one.  In  the  second  stage, a non‐convex  field  is divided  into  convex  sub‐fields by  recursively 

checking for intersections between the track being generated and field boundaries Figure 6c). 

In de Bruin et al.,  (2009),  the optimal direction  for parallel straight tracks  is generated automatically based on criterions like the minimisation of the cost of loss of net income for un‐cropped area, the cost of an additional track, cost of  turning, and subsidy received  for  field margins. The resulted  fieldwork patterns were oriented along the  longest direction of the fields. The  inclusion of obstacles within the field requires further study. Hofstee et al., (2009) presented a tool for determining the optimum path for field operations. It gives optimal solution for single convex fields. When fields consist of more than one subfield, the current optimal solutions are not necessarily the optimal solution. 

(a) 

(b)  (c) 

Figure 6 – Examples for algorithmic subfields and tracks generation: a) Oksanen (2007), and b) and c) Hameed et al. 2009 

 Here, the method of Hammed et al.,  (2009) was used for the geometrical representation of the field where the generation of optimal routers for teams of agricultural machines in the examined simulated scenarios will take place.   

Page 40: FutureFarm Deliverable 6 - AU Purepure.au.dk/portal/files/34430118/FutureFarm_Deliverable_6.3.pdf · optimised farm mechanization management comprising single machines or fleets of

Project No. 212177 FutureFarm D.3.3

- 40 -

2.2.1.2 Optimal route planning method  

The  implemented  route planning method  is based on  an  algorithmic  approach  aimed  at  computing traversal  sequences  for parallel  field  tracks  (tracks),  for one or  for numerous  fields,  covered by one machine or by a fleet of them (Bochtis, 2008; Bochtis and Vougioukas, 2008). This algorithmic approach improves  the  field efficiency of  the  agricultural machines, by minimizing  the  total  (in‐field  and out‐field) non working travelled distance. Field coverage is expressed as the traversal of a weighted graph and the problem of  finding optimal traversal sequences  is equivalent to  finding shortest tours  in the graph.  The traversal of the graph  is subject to the constraint that the tour has to be of minimum total cost while each node has to be visited exactly once and any sub‐tours should be excluded from a feasible solution.  For  the  solution  of  the  optimization  problem,  a  heuristic  graph  search  algorithm  was constructed. The algorithm operates in two stages: 

1. The randomization phase, where by choosing the best amongst traditional headland fieldwork patterns, 

e.g. alternation patterns, continuous patterns, an initial solution is built, and 

2. The improvement phase, where various improvement heuristics are performed based on the use of local 

search  techniques  e.g.  Or‐opt  operation,  2‐opt  operations  and  swap  operations  (Papadimitriou  and 

Steiglitz, 1998) 

Details  of  the  method  can  be  found  in  Bochtis  (2008).  An  implementation  of  the  algorithm  on conventional machines can be found in Bochtis and Vougioukas (2008) while its implementation in the mission planning on an autonomous tractor can be found in Bochtis et al. (2009). Figure 2 illustrates a solution from the algorithm  implementation  in the mission planning of the autonomous tractor Hako tractor (a description of the tractor can be found in Griepentrog and Blackmore, (2007)).  

Figure 7 ‐ Agricultural coverage operations in a rectangular field based on optimal and on traditional planning (adopted from Bochtis et al., 2009) 

 

2.2.1.3 Integration of algorithms   

For  the complete  implementation of  the above described  route planning method,  the  integration of the  route  planning  algorithm  with  a  geometry  generation  algorithm  has  to  take  place.  The 

Page 41: FutureFarm Deliverable 6 - AU Purepure.au.dk/portal/files/34430118/FutureFarm_Deliverable_6.3.pdf · optimised farm mechanization management comprising single machines or fleets of

Project No. 212177 FutureFarm D.3.3

- 41 -

implementation of  the  integration of  the algorithms  is presented  through a simple example  (Bochtis and Oksanen, 2009). The example regards a real field located in Southern Finland (Figure 8a). The area of the field is approximately 1 ha, the working width of machine (for example hitch mounted seed drill) is 2.5 m, and the minimum turning radius is 6m. 

 (a) 

 (b) 

 (c) 

 (d) 

Figure 8 –  (a) An example  field and  the  split algorithm  result,  (b)  the  resulted nodes  representing  the endings of  the  field 

tracks, (c) the problems topology and (d), the permitted transitions between sub‐sets. 

 The split algorithm results  in five blocks, shown  in Figure 8b. The area of the  largest block  is 0.73 ha, the second largest is 0.17 ha and the third largest 0.084 ha. The rest of the blocks are under 0.001 ha. The  result makes  sense  as  the  largest  block  covers most  of  the  field  and  it  results  in  long  straight driving lines which provide good efficiency for operation. The main body of the particular field consists of  the  three  largest  blocks  with  number  of  tracks  |T1|=22,  |T2|=8,  and  |T3|=9,  respectively. Consequently,  the  main  body  corresponding  graph  is  composed  by  three  sub‐sets  e.g.,  S Si, i{1,2,3} where  the number of  the nodes  included  in  each  subset  is  given by:  |Si|=2|Ti|,  i1,2,3} (Figure 8c). Concerning the operation at the headland area, this area usually consists of two or three tracks (each one equals to the effective operating width of a machine) and the order in which the machines operate at  the headlands  is determined by  the  type of  the operation  (for example,  in harvesting operations headland area is harvested first while in the seeding operations headland area is seeded last). As it  is easily understood from the blocks layout, some connections between tracks can be permitted or not, depending on the machine’s current moving direction. Let us consider for example, Block 1 and Block 2. If two nodes correspond to the upper endings of two tracks, the connection between them is permitted. In contrast, if two nodes correspond to the  lower endings of two tracks, the connection  is 

Page 42: FutureFarm Deliverable 6 - AU Purepure.au.dk/portal/files/34430118/FutureFarm_Deliverable_6.3.pdf · optimised farm mechanization management comprising single machines or fleets of

Project No. 212177 FutureFarm D.3.3

- 42 -

permitted  only  if  the  tracks  are  elements  of  the  same  subset.  These  restrictions  are  automatically taken  into  account  by  the  algorithm  assigning  an  infinite  cost  to  the  undesirable  connections.  The topology of  the permitted connections  for  the particular  field  is depicted  in Figure 8d, where green arrows depict the permitted transitions between the field blocks and white and grey areas, within the sub‐sets, designate the two opposite headlands of each field block. From the implementation of the optimization algorithm, the optimal track sequence for the given field was: 

BLOCK1 BLOCK 2 BLOCK 1

*

BLOCK 3 BLOCK 1 BLO

3 8 2 7 1 6 13 18 12 17 11 16 5 10 15 20 27 23 19 ...

34 39 33 38 32 37 31 36 35 21 26 30 25 29 24 28

BLOCK 1CK 2

22 14 9 4

  

From the track sequence,  it  is obvious that the resulted optimal field‐work pattern  is not akin to any traditional pattern. Furthermore,  this optimal planning  is diversified  from any  traditional planning  in the way  the machine  visits  the  field  blocks.  According  to  the  ‘traditional  sense’  in  field  operation execution, the driver starts working in a block and moves to the next one only after the completion of the work in the first one. In the proposed planning, as it is depicted in Figure 9, after operating in track 20 which belongs to Block 1, the machine is moving to Block 2 where it operates in two tracks (27 and 23). Next, it returns to Block 1 where whilst operating on track 19 it is moving to Block 3. 

 Figure 9 ‐ Part of the resulted optimal planning. 

2.2.1.4 Traditional planning The  fieldwork  pattern  that was  simulated  for  the  case  of  the  traditional  planning was  the  straight alternation pattern.  In the case of a single‐field operation, the  field area was divided  in a number of parts equal to the number of units. The applied rule stated that the total effective distance  (and not the number of the tracks) should be (about) the equal. 

2.2.2 Simulation Results  

In  the  following,  the comparison between  the  traditional and optimised planning of  field operations carried  out  by  one,  two,  three,  and  four  identical  units  is  presented.  All  relative  time  factors  (i.e., blockages, preparing  time, and operator’s mistakes) have been excluded  from  the operational  time. 

Page 43: FutureFarm Deliverable 6 - AU Purepure.au.dk/portal/files/34430118/FutureFarm_Deliverable_6.3.pdf · optimised farm mechanization management comprising single machines or fleets of

Project No. 212177 FutureFarm D.3.3

- 43 -

The  comparison  is  based on  the  travelled  distance which  is  divided  into  effective  and  non‐working distance  (turnings,  and  out‐of‐field  travelled  distance).  The  time  elements  (effective,  non‐effective) result from the corresponding travelled distances using average speeds. The average speeds that use used  throughout  the  simulations were operating  speed:  2 m/s  (7.2  km/h  as  a mean  typical  driving speed for the most of the field operations, ASAE (2009)), out‐of‐field travelling: 1.8 m/s, maneuvering in smooth headland turnings: 1.5 m/s, and maneuvering in steep headland turning: 1.2 m/s.      In a field operation, headlands are created by the sequential passes that the agricultural machine has to perform peripheral  to the  field before or after  (depending on the operation)  the operation  in the main field. Thus, the headland width results from the multiplication of the effective operating width of the machine with the number of the peripheral passes. For the simulated operations three headland passes were  considered.  The  operation  regarding  headland  area  generation was  common  for  both traditional and optimal planning: 

1 unit: sequential passing on three headland tracks starting from the entry point of the field. 

2 units: the first two passes are carried out simultaneously by the units moving in parallel and the third pass is allocated to the unit with the shorter operational time. It has to be noted that the operational time that result  from the allocated route to each machine  is not equal  for all units,  and  that  is  because  there  is  a  lower  limit  on  the  distance  ”entities”  that  is  the  track lengths which cannot be divided.  

3 units:  all passes carried out simultaneously by the tree units moving in parallel. 

4 units: the passes are allocated to the (3) units with the shortest allocated operational time.     In order to cover the range from large size units to medium and small size units, four machinery cases in terms of operating width and maneuverability (minimum turning radius) were considered (namely: case A, B, C, and D) (Table 1).         Table 1 – The four machinery cases were used in the simulated scenarios 

  Size  operating width (m) min  turning  radius (m) 

Case A  small size unit  1.5 3.5 Case B  small/medium size unit   3  3,5 Case C  large/medium size unit  3  5 Case B  large size unit  6  5 

 As  test  fields,  four  fields  located at Research Centre Foulum  (Denmark:  [N 56o 29´ 21.55, E 009o 34´ 59.40]), were used  (Figure 10). The geometrical representation of  the  field was based on shape‐files including all the necessary  information pertaining to the field as a geographic feature. The shape‐file was provided by the GIS database of the Danish Ministry of Food, Agriculture and Fisheries.  The area of each field is given in   

Page 44: FutureFarm Deliverable 6 - AU Purepure.au.dk/portal/files/34430118/FutureFarm_Deliverable_6.3.pdf · optimised farm mechanization management comprising single machines or fleets of

Project No. 212177 FutureFarm D.3.3

- 44 -

 Figure 10 ‐ The farm and the four fields   Table 2 – The area of the four fields 

Filed  Field area (m2) Aprox. Field area (ha) 

A  60577 6,01

B  56497  5,65 

C  57033  5,70 

D  37580  3,76 

total  211689  21,17 

 In the following figures, the total operational time for each field separately as well for the whole farm (four fields), for the above mentioned machinery cases, are presented.       

Page 45: FutureFarm Deliverable 6 - AU Purepure.au.dk/portal/files/34430118/FutureFarm_Deliverable_6.3.pdf · optimised farm mechanization management comprising single machines or fleets of

Project No. 212177 FutureFarm D.3.3

- 45 -

 (a) 

 (b) Figure 11 ‐ Operational time for a) optimized and b) traditional planning in field A for one and teams of 2, 3, and 4 identical units, for the 3 scenario cases       

Page 46: FutureFarm Deliverable 6 - AU Purepure.au.dk/portal/files/34430118/FutureFarm_Deliverable_6.3.pdf · optimised farm mechanization management comprising single machines or fleets of

Project No. 212177 FutureFarm D.3.3

- 46 -

 (a) 

 (b) Figure 12. Operational time for a) optimized and b) traditional planning in field B for one and teams of 2, 3, and 4 identical units, for the 3 scenario cases    

Page 47: FutureFarm Deliverable 6 - AU Purepure.au.dk/portal/files/34430118/FutureFarm_Deliverable_6.3.pdf · optimised farm mechanization management comprising single machines or fleets of

Project No. 212177 FutureFarm D.3.3

- 47 -

 (a) 

 (b) Figure 13. Operational time for a) optimized and b) traditional planning in field C for one and teams of 2, 3, and 4 identical units, for the 3 scenario cases    

Page 48: FutureFarm Deliverable 6 - AU Purepure.au.dk/portal/files/34430118/FutureFarm_Deliverable_6.3.pdf · optimised farm mechanization management comprising single machines or fleets of

Project No. 212177 FutureFarm D.3.3

- 48 -

 (a) 

 (b) Figure 14. Operational time for a) optimized and b) traditional planning in field D for one and teams of 2, 3, and 4 identical units, for the 3 scenario cases     

Page 49: FutureFarm Deliverable 6 - AU Purepure.au.dk/portal/files/34430118/FutureFarm_Deliverable_6.3.pdf · optimised farm mechanization management comprising single machines or fleets of

Project No. 212177 FutureFarm D.3.3

- 49 -

 (a) 

 (b) Figure 15  ‐ Operational time for a) optimized and b) traditional planning  in  four fields for one and teams of 2, 3, and 4 identical units, for the 3 scenario cases            

Page 50: FutureFarm Deliverable 6 - AU Purepure.au.dk/portal/files/34430118/FutureFarm_Deliverable_6.3.pdf · optimised farm mechanization management comprising single machines or fleets of

Project No. 212177 FutureFarm D.3.3

- 50 -

 Table 3 – Savings from using optimal planning in field A    

operating width (m) turning radius (m)  number of units  nonworking distance operational time

1 60,48 9,76

2 58,24 8,95

3 55,33 9,24

4 52,25 7,45

1 54,23 8,41

2 50,73 6,68

3 43,89 7,54

4 40,01 4,65

1 57,94 11,98

2 55,37 10,40

3 50,64 10,91

4 48,93 10,11

1 57,30 10,51

2 47,53 6,15

3 41,07 8,63

4 37,15 7,21

savings (%)

case A

case B

case C

case D

1,5

3,0

6,0

3,5

5,0

   Table 4 ‐ Savings from using optimal planning in field B    

operating width (m) turning radius (m)  number of units  nonworking distance operational time

1 60,11 10,72

2 58,69 9,91

3 53,64 9,89

4 52,09 7,82

1 56,94 9,53

2 58,37 8,90

3 59,75 9,924 61,27 9,90

1 51,94 12,20

2 43,15 9,28

3 34,36 9,24

4 25,47 4,91

1 56,11 10,79

2 45,50 6,13

3 39,55 8,53

4 28,75 3,40

savings (%)

case A 1,5

3,5

case B

3,0

case C

5,0

case D 6,0

             

Page 51: FutureFarm Deliverable 6 - AU Purepure.au.dk/portal/files/34430118/FutureFarm_Deliverable_6.3.pdf · optimised farm mechanization management comprising single machines or fleets of

Project No. 212177 FutureFarm D.3.3

- 51 -

Table 5 ‐ Savings from using optimal planning in field C    

operating width (m) turning radius (m)  number of units  nonworking distance operational time

1 60,72 9,13

2 58,87 8,33

3 57,21 8,84

4 53,43 7,16

1 60,85 8,44

2 63,30 7,81

3 64,91 9,10

4 66,15 9,52

1 58,45 11,17

2 59,09 10,22

3 52,48 10,33

4 48,51 7,76

1 58,16 9,76

2 48,98 5,72

3 41,49 7,96

4 35,26 4,40

savings (%)

case A 1,5

3,5

case B

3,0

case C

5,0

case D 6,0

    Table 6 ‐ Savings from using optimal planning in field D 

operating width (m) turning radius (m)  number of units  nonworking distance operational time

1 59,58 14,20

2 57,81 12,98

3 53,38 13,02

4 50,62 10,12

1 56,39 12,57

2 57,81 11,48

3 59,35 12,88

4 60,90 12,97

1 57,24 17,01

2 54,66 14,73

3 49,44 14,91

4 46,33 10,36

1 54,97 14,19

2 44,45 7,68

3 33,68 10,07

4 27,47 3,26

savings (%)

case A 1,5

3,5

case B

3,0

case C

5,0

case D 6,0

             

Page 52: FutureFarm Deliverable 6 - AU Purepure.au.dk/portal/files/34430118/FutureFarm_Deliverable_6.3.pdf · optimised farm mechanization management comprising single machines or fleets of

Project No. 212177 FutureFarm D.3.3

- 52 -

Table 7 ‐ Savings from using optimal planning in the four fields    

operating width (m) turning radius (m)  number of units  nonworking distance operational time

1 31,60 9,42

2 30,34 8,43

3 35,04 8,50

4 36,32 7,45

1 38,00 8,24

2 6,43 6,43

3 33,78 6,89

4 31,17 6,01

1 34,73 10,20

2 36,79 8,72

3 28,35 9,34

4 26,24 8,26

1 41,35 7,13

2 39,83 6,64

3 32,36 5,92

4 28,28 4,12

savings (%)

case A 1,5

3,5

case B

3,0

case C

5,0

case D 6,0

    Table 8 – Range of the savings operational time from the adoption of optimal fieldwork patterns in single‐field operations   

number of units   min savings (%)  max  savings (%) 

Mean savings (%)  median (%) 

1  8.41  17.01  11.27  10.75 

2  5.72  14.73  9.08  8.92 

3  7.54  14.91  10.06  9.57 

4  3.26  12.97  7.56  7.61 

   Table  9  ‐  Range  of  the  savings  in  non/working  travelled  distance  from  the  adoption  of  optimal fieldwork patterns in single‐field operations 

number of units   min savings (%)  max  savings (%) 

mean  savings (%) 

median (%) 

1  51,94  60,85  57,59  57,62 

2  43,15  63,30  53,91  56,59 

3  33,68  64,91 49,39 51,56 

4  25,47  66,15 45,91 48,72 

       

Page 53: FutureFarm Deliverable 6 - AU Purepure.au.dk/portal/files/34430118/FutureFarm_Deliverable_6.3.pdf · optimised farm mechanization management comprising single machines or fleets of

Project No. 212177 FutureFarm D.3.3

- 53 -

Table 10 ‐ Range of the savings in operation time from the adoption of optimal fieldwork patterns in multiple‐fields operations   

number of units   min savings (%)  max  savings (%) 

mean  savings (%) 

median (%) 

1  8,24  10,20 9,09 8,96 

2  6,43  8,72  7,76  7,94 

3  6,89  9,34  8,24  8,37 

4  6,01  8,26  7,04  6,94 

 Table  11  ‐ Range  of  the  savings  in  non/working  travelled  distance  from  the  adoption  of  optimal fieldwork patterns in multiple‐fields operations   

number of units   min savings (%) max  savings (%) 

mean  savings (%) 

median (%)

1  26,24  36,79 30,62 29,73 

2  28,35  41,35  34,81  34,73 

3  26,24  39,83  34,29  36,79 

4  28,35  41,35  34,02  32,36 

   

2.2.2.1 Machinery Capacity 

In the above simulated results, as it concerns the non‐effective time, the factors that have been taken into account are turning time 

Turning time on headlands during operating at the main field 

Turning time during operating at headlands    

Travel time to and from the field from and to the farm For the machine capacity the following factors also have to be taken into account:  

Machine  preparation  time  in  the  field  both  before  and  after  operations  (not  including  daily servicing, preparation  for  towing, and  lubrication,  time spent  in  the  field  to replace or renew parts that have become inoperative) 

Machine adjustment time 

Maintenance time (i.e. refueling) 

Operator’s personal time For the  implementation of average of the above factors, a time delay of 1.65 min/ha  (100 s/ha) was added  to  the operational  time  and  a  super‐addition of 5% dedicated  to personal breaks  (Sørensen, 2003; Sørensen and Nielsen, 2005)  Since  the  study  regards  the  operational  time,  it  was  not  taken  into  consideration  the  machine preparation  time at  the  farmstead, and also  the  time  for  removal  from and preparation  for storage, and shop work.     

Page 54: FutureFarm Deliverable 6 - AU Purepure.au.dk/portal/files/34430118/FutureFarm_Deliverable_6.3.pdf · optimised farm mechanization management comprising single machines or fleets of

Project No. 212177 FutureFarm D.3.3

- 54 -

 Table 12 – Effective capacity based on field A   

increase increase increase increase

units trad. opt. (ha/h) trad. opt. (ha/h) trad. opt. (ha/h) trad. opt. (ha/h)

1 0.89 0.98 0.09 1.73 1.88 0.15 1.64 1.85 0.21 3.01 3.33 0.32

2 1.69 1.84 0.16 3.14 3.34 0.20 2.99 3.30 0.31 5.13 5.41 0.28

3 2.42 2.65 0.23 4.34 4.64 0.31 4.14 4.58 0.44 6.77 7.27 0.50

4 3.02 3.24 0.22 5.15 5.36 0.21 4.95 5.42 0.47 7.60 8.06 0.45

Case A Case B Case C Case D

capacity (ha/h) capacity (ha/h) capacity (ha/h) capacity (ha/h)

 Table 13 ‐ Effective capacity based on field B   

increase increase increase increase

units trad. opt. (ha/h) trad. opt. (ha/h) trad. opt. (ha/h) trad. opt. (ha/h)

1 0.77 0.86 0.09 1.49 1.64 0.15 1.40 1.58 0.19 2.67 2.97 0.30

2 1.47 1.62 0.15 2.71 2.95 0.24 2.56 2.80 0.24 4.56 4.81 0.26

3 2.11 2.33 0.22 3.77 4.13 0.37 3.58 3.90 0.32 6.05 6.51 0.46

4 2.64 2.84 0.21 4.49 4.91 0.42 4.28 4.48 0.19 6.80 6.99 0.19

Case A Case B Case C Case D

capacity (ha/h) capacity (ha/h) capacity (ha/h) capacity (ha/h)

 Table 14 ‐ Effective capacity based on field C   

increase increase increase increase

units trad. opt. (ha/h) trad. opt. (ha/h) trad. opt. (ha/h) trad. opt. (ha/h)

1 0.86 0.94 0.08 1.66 1.80 0.14 1.58 1.77 0.19 2.97 3.26 0.29

2 1.62 1.76 0.14 3.00 3.23 0.23 2.87 3.16 0.30 4.99 5.25 0.26

3 2.33 2.54 0.21 4.14 4.51 0.36 3.98 4.38 0.40 6.57 7.02 0.45

4 2.89 3.10 0.20 4.90 5.34 0.44 4.72 5.06 0.34 7.31 7.57 0.26

Case A Case B Case C Case D

capacity (ha/h) capacity (ha/h) capacity (ha/h) capacity (ha/h)

 Table 15 ‐ Effective capacity based on field D   

increase increase increase increase

units trad. opt. (ha/h) trad. opt. (ha/h) trad. opt. (ha/h) trad. opt. (ha/h)

1 0.77 0.89 0.12 1.49 1.69 0.20 1.37 1.64 0.27 2.60 2.99 0.39

2 1.45 1.66 0.21 2.70 3.01 0.32 2.50 2.90 0.40 4.42 4.74 0.32

3 2.09 2.38 0.29 3.73 4.22 0.48 3.49 4.03 0.54 5.84 6.38 0.53

4 2.60 2.87 0.27 4.42 4.98 0.56 4.16 4.57 0.42 6.53 6.71 0.18

Case A Case B Case C Case D

capacity (ha/h) capacity (ha/h) capacity (ha/h) capacity (ha/h)

 Table 16 ‐ Effective capacity based on whole farm  

increase increase increase increase

units trad. opt. (ha/h) trad. opt. (ha/h) trad. opt. (ha/h) trad. opt. (ha/h)

1 0.84 0.93 0.09 1.61 1.75 0.14 1.53 1.70 0.17 2.82 3.02 0.20

2 1.55 1.68 0.14 3.00 3.19 0.19 2.86 3.11 0.25 4.98 5.28 0.30

3 2.28 2.48 0.20 4.01 4.27 0.26 3.85 4.20 0.35 6.26 6.58 0.32

4 2.60 2.80 0.19 4.49 4.74 0.25 4.31 4.65 0.34 6.94 7.18 0.24

Case A Case B Case C Case D

capacity (ha/h) capacity (ha/h) capacity (ha/h) capacity (ha/h)

   

Page 55: FutureFarm Deliverable 6 - AU Purepure.au.dk/portal/files/34430118/FutureFarm_Deliverable_6.3.pdf · optimised farm mechanization management comprising single machines or fleets of

Project No. 212177 FutureFarm D.3.3

- 55 -

 Figure  16  –  Effective  capacity  (ha/h);  comparison  between  traditional  (trad.)  and  optimal  (opt.) planning in field A   

 Figure  17  ‐  Effective  capacity  (ha/h);  comparison  between  traditional  (trad.)  and  optimal  (opt.) planning in the four fields     

Page 56: FutureFarm Deliverable 6 - AU Purepure.au.dk/portal/files/34430118/FutureFarm_Deliverable_6.3.pdf · optimised farm mechanization management comprising single machines or fleets of

Project No. 212177 FutureFarm D.3.3

- 56 -

 Figure 18 – Increase of the effective capacity (ha/h) for the implementation of optimal planning    Table  17  ‐  Range  of  the  increase  in  effective  capacity  from  the  adoption  of  optimal  fieldwork patterns (single fields)  

number of units  mn incr. (%)  max incr. (%)  mean incr. (%)  median (%) 

1  8.69  19.53 12.09 11.38 

2  5.15  15.82  9.19  9.12 

3  6.90  15.49  9.83  9.27 

4  2.71  12.76  7.12  7.24 

 Table  18  ‐  Range  of  the  increase  in  effective  capacity  from  the  adoption  of  optimal  fieldwork patterns (multiple‐fields) 

number of units  mn incr. (%)  max incr. (%) mean incr. (%) median (%)

1  7.01  10.80  9.12  9.32 

2  6.03  15.82  7.43  7.47 

3  5.10  15.49 7.32 7.56 

4  3.41  10.03  6.03  6.46 

       

Page 57: FutureFarm Deliverable 6 - AU Purepure.au.dk/portal/files/34430118/FutureFarm_Deliverable_6.3.pdf · optimised farm mechanization management comprising single machines or fleets of

Project No. 212177 FutureFarm D.3.3

- 57 -

 

2.2.2.2 Fuel savings For the prediction of the fuel consumption during the above operations and the corresponding savings from using optimal planning,  the measure of  specific volumetric  fuel consumption  (SVFC) was used. SVFC is given in units of  /( )l kW h .  SVFC is generally not affected by the engine size and can be used to 

compare energy efficiencies of tractors having different sizes and under different operating conditions. SVFC  for  diesel  engines  typically  range  from  0.244  to  0.57  /( )l kW h   (Grisso  et  al.,  2004).  For  the 

calculations the equation given at Agricultural Machinery Management Data, D497.4 (ASAE Standards, 2002b) was used: 

2.64 3.91 0.203 738 173l

X XkW h

 

where,  X   is the ratio of equivalent PTO power required by an operation to that maximum available from the PTO. It has to be mentioned that the above equation models fuel consumptions 15% higher than  typical  Nebraska  Tractor  Test  Laboratory  (Grisso  et  al.,  2004)  performance  to  reflect  loss  of efficiency  under  field  conditions.  Also,  the  equation  is  estimate  of  specific  volumetric  fuel consumption, (SVFC) along the full throttle or governor response curve. It does not provide estimates of the fuel consumption during reduced engine speed settings that are often recommended for partial load applications (Grisso and Pitman, 2001).   For the prediction of the fuel consumption the considered units in terms of power were the following:   Table 19 – The four machinery cases were used in the simulated scenarios 

  Size  Power (kW) 

Case A  small size unit  25Case B  small/medium size unit   50 Case C  large/medium size unit  75 Case B  large size unit  100 

 In order to evaluate an “average” field operation,  X  was set to 75% while operating. During turnings X  was set 0% (PTO off). It has to be noted that all of the savings derived from the minimisation of the turning and transport distances and thus fuel consumption during effective operation  is the same for both optimal and traditional planned operations. This means that  in the case of field operations that carried out also while turning, the expected savings should be even more.          The results of the implementation of the above method on the examined cases are given in Fig. 19 and 20.    

Page 58: FutureFarm Deliverable 6 - AU Purepure.au.dk/portal/files/34430118/FutureFarm_Deliverable_6.3.pdf · optimised farm mechanization management comprising single machines or fleets of

Project No. 212177 FutureFarm D.3.3

- 58 -

  Figure 19 ‐ Fuel consumptions for field A 

 Figure 20 – Fuel savings in ( /l ha ) from the implementation of optimal planning (presentment results regard field A)    

Page 59: FutureFarm Deliverable 6 - AU Purepure.au.dk/portal/files/34430118/FutureFarm_Deliverable_6.3.pdf · optimised farm mechanization management comprising single machines or fleets of

Project No. 212177 FutureFarm D.3.3

- 59 -

 

2.3 Fleet of Cooperating Machines  

This part examines the potential savings derived from optimal management of a fleet of cooperating agricultural machinery units. The case of large‐scale grain harvesting was examined, since it constitutes the most important operation where in‐field cooperation between heterogeneous units (i.e. combines and transport carts) takes place.  

2.3.1 Methods  

2.3.1.1 Simulation Model for the optimal execution  

During  grain  harvesting,  the  exact  times  when  a  harvester’s  grain  tank  will  become  full  and  the corresponding locations where it must unload the grain can only be estimated with considerably large uncertainty because of  the variability of  the yield. Hence,  the efficient  scheduling  for  the unloading carts  that  serve  a  fleet  of  harvesters  constitutes  a  stochastic  optimization  problem.  There  are  two general  methods  developed  to  deal  with  stochastic  optimisation  problems;  the  a  priori  methods (Bertsimas et al., 1990) and the real‐time optimisation methods  (Papastavrou, 1996). The  first one  is based  on  a  priori  probabilistic  information  on  future  expected  events.  For  the  harvesting  case,  for example,  the  a  priori  information  comprise  of  knowledge  of  the  statistics  of  the  yield  spatial distribution  in  the  field.  Such  statistics  are  difficult,  if  not  impossible  to  obtain.  Furthermore,  the uncertainty  related  to  the  time and  location of a “full‐grain‐tank” event  increases  the uncertainty of the next similar event, and so on. Due  to  the dependence between sequential “events”,  the a priori scheduling  method  is  of  limited  use  for  planning  the  operational  execution  of  agricultural  field operations. On the other hand, real‐time optimisation methods include the repetitive solution of a new static optimisation problem at a fixed sampling rate based on the latest updated information. For field operations  related  to un‐known demands,  real‐time optimisation methods are more  suitable due  to the  limited number of primary units  (i.e.  combines)   which does not  result  in planning problems of  high complexity making re‐planning possible in almost real time (Bochtis and Sorensen, 2009). The method  used  for  optimal  operation  planning  is  based  on  an  algorithmic  approach  for  on‐line coordination of combines and transport carts during harvesting operation presented by Bochtis et al., (2007). The method  regards a  real  time optimization where  static optimization problems are  solved continuously,  at  a  fixed  sampling  rate,  based  on  the  latest  updated  information.  At  a  determined sampling  interval,  state  vectors  for  each mobile  unit  participating  in  the  operation  (i.e.  harvesters, transport carts) are  received  from  the dispatching centre. State vectors contain  the  location of each unit  (x,  y  co‐ordinates)  including  the  load  that  they  are  carrying  and  their  state  (if  they  are  in  an unloading  procedure  or  not).    From  the  evaluation  of  the  vehicles’  state  vectors,  the  probabilistic parameters are updated. These parameters are the average yield, the average operating speed of the harvesters,  the  average  speed  manoeuvring  at  the  headlands,  the  average  in‐field  and  out‐field travelling speeds of  the carts. Using  these parameters, a simulator predicts  the possible  locations as well as the remaining time for the next filling of each harvester’s grain tank.  For  the  generation  of  optimal  in‐field  paths  to  be  followed  by  the  service  units,  a  path  planning approach presented by Bochtis et al., (2009) was used. The approach  is based on an abstraction of a field  as  a  2‐dimentional  grid  in which  obstacle,  free,  initial  and  goal  regions  are defined.  From  the 

Page 60: FutureFarm Deliverable 6 - AU Purepure.au.dk/portal/files/34430118/FutureFarm_Deliverable_6.3.pdf · optimised farm mechanization management comprising single machines or fleets of

Project No. 212177 FutureFarm D.3.3

- 60 -

action  spaces of  the grid  states,  the nodes of a discrete  transition graph are created and by using a breadth‐first graph search algorithm the optimal path is generated.  The paths that connect the current location of each transport cart with each other location (facility units, i.e. silos, and harvesters) have to be determined each time a re‐planning occurs.  Based  on  the  provided  information,  a  weighted  graph  is  created.    The  static  capacitated  routing problem is solved using dynamic programming and its solution results in the assignment of harvesters to the carts, the sequence of their service and the routes which the carts have to follow, according to the optimization  criterion of minimisation of  the  total  travelled  length of  the paths  followed by  the carts and the penalty factor for the cases where a harvester stops  its operation while waiting for the transport cart.  For the simulation of the above described planning tool, a simulation program developed by Bochtis and Vougioukas (2007) has been implemented. The architecture of the program is described in Figure 21. The input data that are provided to the simulator are the following:  

Field: These data concern the area and the geometry of the field and also the locations where the silos 

or the transport trucks are placed as well as their capacities and their cycle time.  

Machinery: In the case of harvesting, this  input concerns the number of the harvesters, the number of 

the grain carts, and  the operational  features of  these machines/vehicles. These  features  include  their 

kinematics  (minimum  turning  radius,  operating  speed,  speed  during  turnings,  etc.),  the  capacities  of 

their tanks, the operating width of each harvester, the unloading rate of each harvester and each cart.  

Traffic mode: There are available two options for the field traffic of the grain carts concerning the kind 

of paths  that  they are commanded  to  follow. According  to  the  first mode,  the carts are  restricted  to 

manoeuvring only on the field’s boundaries and thus they must enter the track where they will meet the 

harvester and moving in the same direction as the harvester. According to the second option, the carts 

can move freely inside the harvested area. This means that the carts are allowed to perform loop turns 

in the field’s interior if there is adequate space.  

Field work pattern: The area coverage plan of the operation. It concerns the allocation of the field tracks 

to the harvesters, and the permutation of the allocated tracks that each harvester must follow.  

Initial  system state: These data concern  the  initial  locations of  the harvesters and  the carts and  their 

initial load (if there is). Also, initial values are given to the probabilistic parameters of the system. These 

parameters are  the average yield,  the average operating speed of  the harvesters,  the average  in‐field 

and out‐field travelling speeds of the carts.  

The  important  feature of  this  simulation  tool  is  that  the yield  is not known at  the beginning of  the operation. On the contrary,  it  is provided to the simulator as the simulation proceeds,  just  like  in the actual operation where the yield after the current point is unknown. By doing so, the dynamic nature of the harvesting operation is being taken into account and the simulation’s results are more realistic.     

Page 61: FutureFarm Deliverable 6 - AU Purepure.au.dk/portal/files/34430118/FutureFarm_Deliverable_6.3.pdf · optimised farm mechanization management comprising single machines or fleets of

Project No. 212177 FutureFarm D.3.3

- 61 -

 Figure 21 ‐ The architecture of the simulator for the optimal machinery co‐operation  

2.3.1.2 Simulation Model for the traditional execution  

For  the  evaluation  of  the  system’s  performance  when  operations  are  carried  out  based  on  the traditional  operation  planning,  a  simulation  model  presented  by  Sørensen  (1999)  was  used, supplemented  with  modules  for  specific  operations  (Sørensen,  2003;  Sørensen  et  al.,  2003).  The simulation model has been designed with the purpose of analysing and supporting the managing of the physical  farm  resources  (time,  labour,  technical  equipment,  installations,  etc.)  associated  with production activities in the field – see Figure 12. The simulation model has been built by using detailed work studies producing basic performance data (time required, machine performance, etc.), enabling the evaluation of operational performance to be adjusted to  farm‐specific conditions. The total  time for  specific machines or  collaborating machines  is divided  into  time elements. These  time elements include operation time (effective field time, turning time, unloading, etc.), ancillary time (adjustments, repair time, disturbances due to crop or soil, relaxation allowance, etc.), waiting time and preparation time. The simulation model is used in two ways: (1) in a diagnostic way to determine the “current state” of the field operations, or (2) in a prognostic way to predict the state of the field operations system given operational  variables  including  machinery  size,  transport  distance,  dosage,  etc.  The  latter  data application  involves  the use of work models  (labour  requirement/machine  capacity as a  function of machinery size, dosage, etc.) using the data for work elements as building blocks for such models (e.g., Auernhammer, 1976; Nielsen and Sørensen, 1993; Achten, 1997, Sørensen & Nielsen, 2005)). The work models are then aggregated to different levels, such as machine level, crop level, and farm level..  

Page 62: FutureFarm Deliverable 6 - AU Purepure.au.dk/portal/files/34430118/FutureFarm_Deliverable_6.3.pdf · optimised farm mechanization management comprising single machines or fleets of

Project No. 212177 FutureFarm D.3.3

- 62 -

 Figure 22 ‐ Procedural outline for analyzing and modelling operational resources 

2.3.2 Results  

The  simulation examples were based on  recorded yield data  from  the harvesting of a winter wheat field of approximately 5.5 ha (Figure 23). The average yield was 7.69 tn/ha.    

 Figure 23 - The yield map of the field used for the case studies; the black polygonal line indicates the part of the field where the simulation took place.  The effective operating width of the harvesters was set to 5 m. The average yield‐dependent speed of the harvesters was set to 1.4 m/s, while the load‐dependent traveling speed of the carts was set to 2 m/s for  in‐field transportation and 2.4 m/s for out‐of‐field transportation. The unloading rate for the harvesters (to the cart) was set to 75 l/s and for the cart (to the silo) 105 l/s.   

Page 63: FutureFarm Deliverable 6 - AU Purepure.au.dk/portal/files/34430118/FutureFarm_Deliverable_6.3.pdf · optimised farm mechanization management comprising single machines or fleets of

Project No. 212177 FutureFarm D.3.3

- 63 -

      Table 20 – Simulation results for the optimal operation execution   Number of harvesters  

Harvester’ Grain  tank Capacities (t) 

Number of Carts 

Cart Capacities (t) 

Idle time (s) 

Total Delay(s) 

Operational time (s) 

  

Harvester 1 

Harvester 2 

Harvester 3 

Capacity (ha/h)  

2  6  2 12  219  543     543  6170  2.81 

18  261  36     261  5888  2.93 

3 4 

12  0  96  87  96  4702  3.59 

16  0  96 0 96 4702  3.59 

6  18  0  0  0  0  4606  3.66 

  Table 21 – Simulation results for the traditional operation execution  Number of harvesters  

Harvester’ Grain  tank Capacities (t) 

Number of Carts 

Cart Capacities (t) 

Idle time (s) 

Total Delay(s) 

Operational time (s) 

  

Harvester 1 

Harvester 2 

Harvester 3 

Capacity (ha/h)  

2  6  2 12  745  890     890  6517  2.67 

18  365  619     619  6246  2.78 

3 4 

12  327  512  715  715  5321  3.21 

16  0  245  435  435  5041  3.38 

6  18  0  230  265  265  4871  3.48 

  Table 22 – Savings for the implementation of optimal planning  

Number of Carts 

Cart Capacities (t) 

Total delay reduction (%) 

Operational time reduction (%) 

Capacity increase  (ha/h) 

Capacity increase (%) 

2 12  38.99  5.32  0.14  5.17 

18  57.84  5.73  0.15  5.57 

12  86.57  11.63  0.38  11.80 

16  77.93  6.72  0.22  6.46 

18  100.00  5.44  0.18  5.15 

     

Page 64: FutureFarm Deliverable 6 - AU Purepure.au.dk/portal/files/34430118/FutureFarm_Deliverable_6.3.pdf · optimised farm mechanization management comprising single machines or fleets of

Project No. 212177 FutureFarm D.3.3

- 64 -

 Figure 24 – Effective capacity (ha/h) for the cases of optimal and traditional planning  

 Figure 25 – Increase of effective capacity from the implementation of optimal planning           

Page 65: FutureFarm Deliverable 6 - AU Purepure.au.dk/portal/files/34430118/FutureFarm_Deliverable_6.3.pdf · optimised farm mechanization management comprising single machines or fleets of

Project No. 212177 FutureFarm D.3.3

- 65 -

2.4 Conclusions  

Multiple identical units: 

The adoption of optimal fieldwork patterns for field coverage operations reduced the operational time 

in the case of single‐fields in the range of 3.26% to 17.01% ( 

 

Table 8), and the non‐working travelled distance in the range of 25.47% to 66.25% ( 

 

Table 9), while the increase in the effective capacity (ha/h) (of the teams) was in the range of 2.71% to 

19.53% (Table 17). The reduction  in the case of multiple‐fields was 6.01% to 10.20% and of 26.24% to 

41.85% for the operational time and the non‐working distance, respectively ( 

 

 

   

Table 10, and Table 11), while the increase in the effective capacity was in the range of 3.41% to 15.82% 

(Table 18).         

There  is  a  non‐linear  correlation  between  the  number  of  units  and  the  total  operational  time  and 

consequently to the effective capacity of system. In the case of the capacity, in a same extent, this is due 

to the presence of the fixed non‐productive time (such as preparations, and adjustments). Nevertheless, 

increasing the team size did not result in a corresponding reduction of the operational time. This fact is 

mainly caused by the presence of the individual operation at the headland area that imposes the notion 

of the prioritized tasks.  In such cases of planning, route planning  is not enough for the optimisation of 

the whole operation. Optimised task allocation and a general mission planning problem should provide 

the  optimal  planning  of multiple‐units  operations.  Furthermore,  the  increased motion  coordination 

problems as a result of the increased traffic are expected to increase even more the divergence from a 

linear type of correlation between number of units and operational time.  

In  the  case  of  a  single  field  operation,  the  differences  between  the  executions  using  optimal  and 

traditional planning was seen in terms of the turning distances and the distances for travelling from the 

last  track  to  the  exit point  and  form  the  entry  point  to  the  first  track.  In  the  case  of multiple‐fields 

operations, the inter‐fields travelled distance also is minimised in the case of optimal planning.      

Fuel consumption 

Page 66: FutureFarm Deliverable 6 - AU Purepure.au.dk/portal/files/34430118/FutureFarm_Deliverable_6.3.pdf · optimised farm mechanization management comprising single machines or fleets of

Project No. 212177 FutureFarm D.3.3

- 66 -

The reduction in the fuel consumption during optimal planned operations was in the range of 1.82  /l ha  

to 4.75  /l ha   for different combinations of machinery power, maneuverability and working width.    It 

has  to  be  noted  that  all  of  the  savings  derived  from  the minimisation  of  the  turning  and  transport 

distances.  This means  that  in  the  case  of  field  operations  that  carried  out  also  while  turning,  the 

expected savings will be even more. 

Fuel consumption in the case of traditional planning for a 100 kW unit operating with working width of 

6m, for the presented fields, was predicted to be 16.76    /l ha , while the total fuel consumption for a 

team of 4 units of 25 kW power was 12.18  /l ha . The total operation times  for  these two case were 

predicted to be 6291 s and 5818 s, respectively, resulting to a effective capacities 3.24 ha/h and 3.01 

ha/h, respectively.  

Cleary, the case of 4 small units operating following optimal planning  is significant more effective of a 

large unit operating according to the current traditional planning in terms of fuel consumption, effective 

capacity  and  consequently  in  timeliness  cost,  and  soil  compaction  effects.  Nevertheless,  fixed, 

ownership costs, labour costs and reliability have also to be considered.  

                

Cooperating units 

The use of optimised panning  in  the case of  the multiple‐harvesting operations  resulted  in  savings  in 

operational  time  and  increase  in  the  effective  capacity  of  the  whole  system.  The  reduction  in  the 

operational time was mainly a result of the reduction of the in‐field travelled distance. The out‐of‐field 

travelled distance  remains  the  same  since  the  same number of  trips  required  for  the  removal of  the 

total harvested yield in both cases of traditional and optimal planned operations. This fact that provides 

additional benefits in terms of reduced soil compaction, given that transport carts usually carry material 

quantities that are multiple times greater than the tank capacities of the harvesters. 

When  the number of  the  cooperating units  increases  the  savings  in operation  time  also  increase.  In 

terms of the implementation of larger teams of agricultural machinery units, effective planning tools are 

needed. 

Optimal  planning  can  even  reduce  the  required machine  capacity  (and  consequently,  the machinery 

size)  that necessary  in order  to obtain  a  total operational  time  as predicted by  the modelling of  the 

traditional operations execution. For example, according  to the traditional execution  for the case of 3 

harvesters with a 6 t grain tank supported by 3 carts with a 18 t grain tank, the total operational time 

equals 4,871 s (Table 21). In the case of optimal planning of the operation carried out by 3 harvesters of 

4 t grain tanks supported by carts of 12 t grain tanks, the total time  is almost the same (even reduced 

about 3 min ‐ 4,702 s)  (Table 20). 

Page 67: FutureFarm Deliverable 6 - AU Purepure.au.dk/portal/files/34430118/FutureFarm_Deliverable_6.3.pdf · optimised farm mechanization management comprising single machines or fleets of

Project No. 212177 FutureFarm D.3.3

- 67 -

Issues for further consideration: 

Enhanced task allocation (headlands, especially  in the case of a number of subfields where more than 

one headlands need to be covered before or after the operation)    

Development  of  algorithms  capable  of  generating  optimal  routes  for  multiple‐  non‐identical 

(homogenous in terms of the operation) units. This make sense since usually the available teams, i.e. of 

a contractor, consists of different units  in terms of operating width, maneuverability, capacity, power, 

etc.   

Docking issues (Hao et al., 2004)  

Traffic coordination issues  (Vougioukas et al., 2006) 

General: 

Low computational  time  requirements of  the planning algorithms  (for  the  route planning of coverage 

operations and the on‐line coordination of cooperating machines), makes it feasible to perform the re‐

planning of the operation in almost real‐time. This is a very important aspect in the case of a unit failure, 

since new routes and tasks can be planned, sequenced and allocated to the rest of the team very fast, 

resulting  in an  increased reliability of the multiple‐unit system compared to the single‐unit systems, as 

long as there is overlap between the capabilities of the units.   

    

2 . 5 R E F E R E N C E S    

Achten M  F H  (1995).  Application  of  Tasktime Models  and Databases.  Institute  of  Agricultural  and Environmental  Engineering  (IMAG‐DLO),  The  Netherlands.  Presented  at  CIOSTA/CIGR/ISHS Congress 1995 The NetherlandsBertsimas D; Jaillet P; Odoni  A R (1990). A Priori Optimization. Operations Research, 38(6), 1019‐1033. 

ASAE Standards, 49th Ed. 2002b. D497.4 JAN98. Agricultural machinery management data. St. Joseph, Mich.: ASAE 

Auernhammer  H  (1976).  Eine  integrierte  Methode  zur  Arbejtszeitanalyse.    KTBL‐Schrift  203. Kuratorium  für Technik und Bauwesen  in der Landwirtschaft e. V. 61 Darmstadt‐Kranichstein, Germany. 261 pages 

Auernhammer H (2001). Precision farming‐the environmental challenge. Computers and Electronics in Agriculture, 30(1–3), 31–43. 

Blackmore  B  S;  Stout W; Wang M;  Runov  B  (2005).  Robotic  agriculture–the  future  of  agricultural mechanisation?  In:  Fifth European Conference on Precision Agriculture  (Stafford  J V ed), pp. 621–628 Wageningen Academic Publishers, The Netherlands. 

Page 68: FutureFarm Deliverable 6 - AU Purepure.au.dk/portal/files/34430118/FutureFarm_Deliverable_6.3.pdf · optimised farm mechanization management comprising single machines or fleets of

Project No. 212177 FutureFarm D.3.3

- 68 -

Bochtis  D  D;  Vougioukas  S  G  (2007).  Agricultural  Machine  Allocation  based  on  Simulation.  In Proceedings  of  the  2nd  IFAC  International  Conference  on Modeling  and  Design  of  Control Systems in Agriculture, 147‐152. Osijek, Croatia. 

Bochtis D (2008). Planning and Control of a Fleet of Agricultural Machines for Optimal Management of Field  Operations.  Ph.D.  Thesis.  AUTh,  Faculty  of  Agriculture,  Department  of  Agricultural Engineering, Greece.   

Bochtis  D  D;  Vougioukas  S  G  (2008). Minimising  the  non‐working  distance  travelled  by machines operating in a headland field pattern. Biosystems Engineering, 101 (1), 1–12. 

Bochtis D D; Vougioukas S G; Griepentrog H W (2009). A Mission Planner for an Autonomous Tractor. Transactions of ASABE, 52(5). 

Bochtis D D; Sørensen C G  (2009a).The Vehicle Routing Problem  in Field Logistics Part  I. Biosystems Engineering, 104(4), 447‐457. 

Bochtis D D; Sørensen C G (2009b). The Vehicle Routing Problem  in Field Logistics Part  II. Biosystems Engineering. Article in press, available on‐line, doi: 10.1016/j.biosystemseng.2009.10.006. 

Bochtis D D; Oksanen T  (2009). Combined coverage path planning  for  field operations.  In Proc.  Joint International Agricultural Conference, JIAC 2009, Precision Agriculture 09, Edts: Van Henten E J; Goense D; Lokhorst C, Wageningen, Netherlands pp 521‐527. 

Bochtis D D;  Sørensen C G; Vougioukas  S G. Path Planning  for  in‐Field Navigation‐Aiding of  Service Units. Computers and Electronics in Agriculture, under review, submitted 03‐Nov‐2009. 

Choset  H  (2001).  Coverage  for  robotics  ‐  A  survey  of  recent  results.  Annals  of Mathematics  and Artificial Intelligence, 31: 113‐126. 

Fountas S; Blackmore B S; Vougioukas S; Tang L; Sørensen C G; Jørgensen R (2007). Decomposition of agricultural tasks into robotic behaviours. CIGR E‐Journal, IX. October. 

Hameed I A; Bochtis D D; Sørensen C G; Nøremark M. Automated Geometric Field Representation for Operational Planning. Biosystems Engineering, Under review, 2009.   

Hao Y; Laxton B; Benson E R; Agrawal S K (2004). Differential Flatness‐based Formulation Following of a Simulated Autonomous  Small Grain Harvesting  System.  Transactions  of  the ASAE, 47(3):  933‐941.  

Griepentrog H W;  Blackmore  B  S    (2007).  Autonomous  Crop  Establishment  and  Control  System.  In  Proc.  Land‐Technik  AgEng  2007  ‐  Engineering  Solutions  for  Energy  and  Food  Production, Hanover, Germany, VDI‐Verlag, Duesseldorf, Germany, 175‐181. 

Grisso R D; Pitman R  (2001). Gear up and  throttle down −saving  fuel. Virginia Coopera ve Extension Publication, 442−450, Virginia Tech, Blacksburg. 

Grisso R D; Kocher M F; Vaughan D H (2004). Predicting tractor fuel consumption. Applied Engineering in Agriculture, 20(5): 553−561. 

Nielsen  V:  Sørensen  C  G  (1993)  "DRIFT"  ‐  A  program  for  Calculation  of  work  requirement,  work capacity, work budget and work profile. 53. Danish  Institute of Agricultural Science, Denmark, (In Danish). 124 pages 

Page 69: FutureFarm Deliverable 6 - AU Purepure.au.dk/portal/files/34430118/FutureFarm_Deliverable_6.3.pdf · optimised farm mechanization management comprising single machines or fleets of

Project No. 212177 FutureFarm D.3.3

- 69 -

Oksanen  T  (2007).  Path  planning  algorithms  for  agricultural  field  machines.  PhD  Thesis,  Helsinki 

University of Technology Automation, Technology Laboratory, Finland. 

Oksanen T; Visala A (2009). Coverage Path Planning Algorithms for Agricultural Field Machines. Journal of Field Robotics 26(8), 651–668. 

Papadimitriou  C  H;  Steiglitz  K  (1998).  Combinatorial  Optimization.  Mineola,  New  York:  Dover Publications, Inc. 

Papastavrou  J D  (1996). A Stochatic and Dynamic Routing Policy using Branchin Processes with State Dependent Immigration. European Journal of Operational Research, 95(1), 167‐177. 

Sørensen, C.A.G.  (1999) A Bayesian Network Based Decision Support System  for the Management of Field Operations. Case: Harvesting Operations, PhD Thesis, Technical University of Denmark. 

Sørensen,  C.G.,  Jacobsen,  B.H.,  &  Sommer,  S.G.,  2003.  An  Assessment  Tool  applied  to  Manure Management Systems using Innovative Technologies. Biosystems Engineering 86(3), 315‐325. 

Sørensen, C.G., 2003. Workability and machinery sizing for combine harvesting. The CIGR Journal of AE Scientific Research and Development, Vol 5. ISSN 1682‐1130.  

Sørensen C G; Nielsen V (2005). Operational Analyses and Model Comparison of Machinery Systems for Reduced Tillage. Biosystems Engineering, 92(2): 143‐155. 

Sørensen  C  G;  Bochtis  D  D.  Conceptual  Model  of  Fleet  Management  in  Agriculture.  Biosystems Engineering. Article in press, Accepted 15‐09‐2009, doi: 10.1016/j.biosystemseng.2009.09.009. 

Vougioukas, S., Blackmore, S., Nielsen,  J., Fountas, S., 2006. A  two‐stage optimal motion planner  for autonomous agricultural vehicles. Precision Agriculture 7:361–377. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 70: FutureFarm Deliverable 6 - AU Purepure.au.dk/portal/files/34430118/FutureFarm_Deliverable_6.3.pdf · optimised farm mechanization management comprising single machines or fleets of

Project No. 212177 FutureFarm D.3.3

- 70 -

 

 

 

 

 

 

 

  

 

 

 

Page 71: FutureFarm Deliverable 6 - AU Purepure.au.dk/portal/files/34430118/FutureFarm_Deliverable_6.3.pdf · optimised farm mechanization management comprising single machines or fleets of

Project No. 212177 FutureFarm D.3.3

- 71 -

 Figure 26 ‐ Field A operations. Left to right: teams of 2,3 and 4 units, up to down: cases A, B, C, and D.      

 

 

 

Page 72: FutureFarm Deliverable 6 - AU Purepure.au.dk/portal/files/34430118/FutureFarm_Deliverable_6.3.pdf · optimised farm mechanization management comprising single machines or fleets of

Project No. 212177 FutureFarm D.3.3

- 72 -

 Figure 27 ‐ Field A operations. Left to right: teams of 2, 3 and 4 units, up to down: cases A, B, C, and D   

 

 

 

Page 73: FutureFarm Deliverable 6 - AU Purepure.au.dk/portal/files/34430118/FutureFarm_Deliverable_6.3.pdf · optimised farm mechanization management comprising single machines or fleets of

Project No. 212177 FutureFarm D.3.3

- 73 -

 Figure 28 ‐ Field C operations. Left to right: teams of 2, 3 and 4 units, up to down: cases A, B, C, and D  

 

 

 

Page 74: FutureFarm Deliverable 6 - AU Purepure.au.dk/portal/files/34430118/FutureFarm_Deliverable_6.3.pdf · optimised farm mechanization management comprising single machines or fleets of

Project No. 212177 FutureFarm D.3.3

- 74 -

 Figure 29 ‐ Field D operations. Left to right: teams of 2, 3 and 4 units, up to down: cases A, B, C, and D 

Page 75: FutureFarm Deliverable 6 - AU Purepure.au.dk/portal/files/34430118/FutureFarm_Deliverable_6.3.pdf · optimised farm mechanization management comprising single machines or fleets of

Project No. 212177 FutureFarm D.3.3

- 75 -

Figure 30 – Multiple‐field optimal operations for case D. Up to down: cases A, B, C, and D  

Page 76: FutureFarm Deliverable 6 - AU Purepure.au.dk/portal/files/34430118/FutureFarm_Deliverable_6.3.pdf · optimised farm mechanization management comprising single machines or fleets of

Project No. 212177 FutureFarm D.3.3

- 76 -

3 Fleet Management: Data and Information Requirements 

Vougioukas2 S G; Bochtis1 D D; Sørensen1 C G; Oksanen3 T; Guzman4 J L.; van Henten5 E. 1Aristotle University of Thessaloniki, Faculty of Agriculture, Department of Agriculture Engineering, Greece. 

2 University of Aarhus, Faculty of Agricultural Sciences, Department of Agricultural Engineering,  Blichers Allé 20, P.O box 50, 8830 Tjele, Denmark. 

3  Helsinki  University  of  Technology,  Department  of  Automation  and  Systems  Technology,  P.O.  Box  5500,  02015  TKK, Finland. 

4 University of Almería, Department of Languages and Computation, Ctra. Sacramento s/n, 04120, Almería, Spain. 

5 Wageningen University and Research Centre, Bornsesteeg 59, 6708 PD Wageningen, The Netherlands, 

This  section  of  the  report  analyses  the  data  and  information  requirements  and  flows  of  a  fleet management system for agricultural operations. The term “data” refers to numbers or strings that can be stored in a database, communicated over some network and that can be used by some algorithm in order  to  come  up  with  optimal  or  very  good  solutions  to  the  scheduling  and  in‐field  operation problems. The  term  “information”  refers  to any  input  can be used by humans  to alter or guide  the solution  computed  automatically  by  the  system.  One way  to  achieve  this  is  by  adjusting  the  cost function  or  the  constraint  set  of  the  problem.  For  example,  the  current  locations  of  all  combine harvesters of a certain type in a fleet constitute data. The fact that the operators’ union has declared a strike  for  the  next  day  constitutes  information  that must  be  entered  into  the  system  so  that  re‐scheduling  is done. The  flows of data and  information describe  the paths  that can be used  to  travel from sources to destinations, and back and the precedence relations that may exist. 

3.1 Data and information flows 

Fleet management systems must operate at different levels of abstraction and different time scales if they  are  to  become  practical  tools  for  farm  machinery  management.  Off‐line  (static)  scheduling algorithms require knowledge of all problem parameters and accurate predictions of the durations of in‐field operations and  inter‐field transfers  in order to compute good schedules. Their computational complexity  is very high and  it may  take  tens of minutes, or hours  to come up with close‐to‐optimal schedules. The computation depends on the size of the problem (number of fields, operations, types of machines,  other  constraints).  As  a  general  remark,  off‐line  planning  algorithms  require  global knowledge about  the  fleet and  the  field operation  requirements  and  can execute only on powerful computers.  Therefore,  it makes  sense  to  run  them  on  a  central  computing  system,  also  called  the dispatcher. Similar comments can be made about off‐line  traffic planning  for operations  in  the  field, i.e.,  knowledge  of  all  vehicle  states  and  field  conditions  are  required. However,  the  computational effort may be significantly  lower, depending on the approach. For example, field coverage with small rectangular  cells  (Ali  et  al.,  2009)  requires  two  orders  of magnitude  longer  computation  (hrs)  than parallel  swath‐based coverage  (Oksanen, 2007)  (min).  In a centralised scheme  scheduling and  traffic planning  can  be  optimised  together  resulting  in  better  performance.  An  example  of  a  centralised system  is the PROGIS LoGIStic system currently being used by the German sugar beet producers and 

Page 77: FutureFarm Deliverable 6 - AU Purepure.au.dk/portal/files/34430118/FutureFarm_Deliverable_6.3.pdf · optimised farm mechanization management comprising single machines or fleets of

Project No. 212177 FutureFarm D.3.3

- 77 -

machine contractors. All scheduling is performed on a central dispatching computer which has access to  a GIS  and  database  of  all  data  relevant  to  the  harvesting  of  all  fields.  In  this  system  no  traffic planning is performed, since the machines are conventional and do not utilise auto‐guidance.  

Figure 31 Centralised architecture for management of conventional machine fleet for harvesting (PROGIS LoGIStic)

 If the simpler approach were used, in‐field traffic planning could be performed locally by the on‐board computer of  a designated  coordinator machine, or  centrally by  the dispatcher.  The  scenario where scheduling  is  performed  centrally  and  traffic  planning  is  done  locally  is  proposed  in  the  work  of Sørensen and Bochtis (2009). One drawback of this scenario is that scheduling and traffic planning are decoupled and there is no way that they could be optimised together, if more computing power were to become available. A centralised scheme would keep such an option open.  

Page 78: FutureFarm Deliverable 6 - AU Purepure.au.dk/portal/files/34430118/FutureFarm_Deliverable_6.3.pdf · optimised farm mechanization management comprising single machines or fleets of

Project No. 212177 FutureFarm D.3.3

- 78 -

 Figure 32 De‐centralized vs. centralized planning distribution (Sørensen and Bochtis, 2009).

 Once each machine has  received  its scheduling and  field  traffic plan  from  the central computer,  the traffic plan’s  coordinated execution  in  the  field  requires  real‐time  control and high‐bandwidth,  low‐latency  communication  among  members  of  the  coalition  operating  in  the  field.  Naturally,  these algorithms must execute locally, using the on‐board navigation computers of the machines. It would be technically impossible for a central computer to control the navigation and operations of all machines.   During cultivation  it  is very  likely that the traffic plan will need to be recomputed due to unexpected events or conditions in the field. For example, differences between the real crop yield distribution and its off‐line prediction may render the planned grain unloading places and times obsolete, causing the a‐priori traffic plan of the loading carts to become useless. The on‐line computation of a new plan or the modification of the existing one requires  information from all machines  involved  in the cultivation of the particular field and must be computed very fast to avoid  idle times. Of course, a new traffic plan may influence the overall performance or feasibility of the original schedule. The ideal solution would be  to  re‐solve on‐line  the entire  scheduling and  traffic planning problem  centrally every  time  some parameter  changes.  This  is  –  and most  likely  will  remain  –  impossible  because  of  the  problem’s computational  complexity.  One  approach  is  to  decouple  the  scheduling  from  the  traffic  planning problem  so  that  effectively  the  dispatcher  abstracts  the  detailed  in‐field  traffic  patterns  and  treats them  as  simple  numbers  expressing  the  duration  of  in‐field  operations  for  any  given  machine assignment. This means that the new  in‐field traffic plan could be computed  locally and that only the updated estimated  cultivation  time must be  communicated  to  the  central dispatcher. The new plan could  also be  computed  centrally and  sent back  to  the  coalition.  In  terms of  speed,  the  choice will depend on  the  ratio of central over  local CPU power and on  the communication delays.  In  terms of reliability,  it  would  be  preferable  to  perform  computation  locally  to  avoid  possible  dispatcher  or communication failures. Both schemes can be implemented in a more coordinated and timely fashion 

Page 79: FutureFarm Deliverable 6 - AU Purepure.au.dk/portal/files/34430118/FutureFarm_Deliverable_6.3.pdf · optimised farm mechanization management comprising single machines or fleets of

Project No. 212177 FutureFarm D.3.3

- 79 -

if one machine acts as a team coordinator, responsible for communicating with the central dispatcher and  for  re‐computing plans  (Johnson et al., 2009). For example,  if a new  field  traffic plan has been generated by  the central computer each machine of a coalition must  receive  the entire plan, or  the part that is relevant to itself. However, before switching to executing the new plan, it should be made sure  that  all  machines  have  received  it.  If  communication  is  between  every  machine  and  the dispatcher,  this  will  require  additional  messaging  among  the  members  of  the  team.  If  a  local coordinator exists,  it is much easier for this coordinator to distribute the updated plan to all involved parties  and  verify  its  reception  before  signalling  its  initiation. Of  course,  if  the  coordinator  fails  for some reason, another machine could take its role using some well defined protocol.   One very  important  issue related to data and  information flow  is the  issue of representation. A  fleet management system should be able to communicate with on‐board computers of agricultural vehicles of different companies and vice versa,  i.e., a vehicle  from one company should be able  to exchange data  with  fleet  management  systems  of  different  companies.  As  part  of  fleet  management construction efforts,  improvements in the on‐machinery communication interfaces and connection to the central managing unit are important. On‐going work in this area include the ISO TC 23/SC 19/WG1 (Agricultural  Electronics),  which  has  the  purpose  of  setting  up  an  open  interconnected  on‐board system, permitting electronic units  to communicate, and  to define  the data exchange with  the Farm Management  Information  System  (includes  software,  decision  support  system,  etc.  for  farm management). 

3 . 2 D a t a   a n d   i n f o r m a t i o n   r e q u i r e m e n t s  

First we shall focus on the data required for assigning and scheduling machines to field operations and for planning their  in‐field traffic off‐line. This procedure does not require any real‐time data, since  it takes place before the beginning of all operations. An indicative list of required data is given below:  

1. the set of the fields to be serviced located on a suitable detailed GIS map, from which the field boundary, field and headland areas and any obstacles can be computed accurately, along with additional descriptive data, such as ownership, soil condition, etc. 

2. the set of operations  in each  farm  in a suitable representation. For example:  for a harvesting operation, the expected yield distribution together with additional descriptive data (crop type, predicted price, earliest and latest harvest dates, field loss function due to non optimal harvest date, etc) 

3. the sequence in which the operations must be performed in each farm 4. the  distance  from  one  farm  to  another  farm.  This  can  be  estimated  by  searching  the  road 

network available in the GIS. 5. the time to transport any machines from one farm to another farm estimated by using distance 

and expected transport speeds. 6. the price of fuel 7. the set of machines in the fleet. This set gives us the composition of the fleet, and contains for 

each  machine,  its  type  and  suitability  for  each  operation,  its  availability,  operational characteristics, like operating width, turning radius, fuel tank capacity, material capacity (where applicable), fuel consumption, operating costs, etc. The number of machine types, the number of individual machines of each type and similar data can be extracted from this set. 

Page 80: FutureFarm Deliverable 6 - AU Purepure.au.dk/portal/files/34430118/FutureFarm_Deliverable_6.3.pdf · optimised farm mechanization management comprising single machines or fleets of

Project No. 212177 FutureFarm D.3.3

- 80 -

8. the  set of  crew members  (operators, assistants)   and data  related  to  them  like hourly  costs, availability ability to operate or service different types of machines, etc. 

9. the initial locations of all machines 10. the minimum and maximum time lag between operations successive operations at each farm 11. the set up time of machines of a given type and the crew requirements 12. the time needed to carry out each operation at each farm if a certain number of machines of a 

specific type are used 13. weather  historical  and  prediction  data  that  can  be  used  to  assess  soil  conditions,  predict 

unavailable days due to high probability of rain, etc.  

3 . 3 C o mm u n i c a t i o n s   i n f r a s t r u c t u r e  

Within a fleet management system data and information needs to be exchanged between the central dispatching  station and  the vehicles, and between vehicles. The purposes and  requirements of each type of communication are different and will be examined next. 

3.3.1 Dispatcher‐to‐vehicle  

Communication  between  a  vehicle  and  the  central  dispatching  unit  is  typically  long  distance, with ranges that may exceed hundreds of kilometres. Each vehicle must send periodically, preferably in real‐time its position and operational status to the dispatcher. This is already achieved by commercial fleet management  systems  using  established  commercial  satellite  and  cellular  telecommunication technologies.  In Europe, where  the coverage of GSM networks  is very high,  the need  for  satellite  is lower.  In  contrast,  such  communication  in  USA,  Canada,  or  Australia  may  need  to  rely  on more expensive satellite links. Combinations of both technologies are also possible (Figure 33). The 2G GSM system supports data communications at the maximum rate of 9.6kbps. Higher data rates are possible when GPRS  (<171kbps)  and  EDGE  (<384kbps)  are  available. New  3G  systems  support much  higher maximum data rates of 144kbps and 384kbps under high mobility and low mobility.  

 

Page 81: FutureFarm Deliverable 6 - AU Purepure.au.dk/portal/files/34430118/FutureFarm_Deliverable_6.3.pdf · optimised farm mechanization management comprising single machines or fleets of

Project No. 212177 FutureFarm D.3.3

- 81 -

Figure  33  State  of  the  art  fleet  management  communications  architecture  (Trimble’s  @Road  GeoManagerSM  iLM® solution) 

 

3.3.2 Vehicle‐to‐vehicle  

Once  each machine  has  received  its  scheduling  and  possibly  its  field  traffic  plan  from  the  central dispatcher, the on‐board tracking controllers of the vehicles in the coalition will have to execute all or part of the traffic plan autonomously in a coordinated manner; hence fast and reliable communication mechanisms will be required. The two main operations which put a heavy burden on communications are cooperative motion control and collaborative collision avoidance. Although algorithms exist which rely  solely on  local  sensing  for  coordination  and  collision  avoidance  it  is expected  that  coordinated motion and collision avoidance  in agricultural applications will use  the  services of  the high precision GPS units available on most modern vehicles. This means that at minimum the tracking controllers of each  vehicle  involved  in  a  formation will have  to broadcast or unicast  the  vehicle’s  state  (position, velocity,  acceleration,  fuel  and material  tank  level, etc)  to  all other  vehicles  in  the  formation, or  in general nearby vehicles. If more elaborate coordination algorithms are used, such as predictive control, then the future states within a short time horizon must be sent.   The key characteristics for evaluating wireless technologies for vehicular network communication are: performance, coverage area, reliability, security, and mobility. Performance is assessed from measured bandwidth and latency. High‐bandwidth and low latency are necessary to maintain fast and timely data exchange suitable for real‐time coordination. Coverage area is evaluated from the measured distance needed  between  base  stations,  the  number  of  devices  required  to  support  the  infrastructure,  and whether  the  technology  has  the  ability  to  switch/hand‐off  between  base  stations  without  loss  of coverage. Coverage area  is an  important characteristic for  in‐field coordination because fields can be quite large, in the order of hundreds or thousands of meters. Reliability is characterized by the average number of dropped packets, average number of disconnects, and whether the technology  is affected by environmental factors such as  line of sight, weather, etc. Reliability  is very  important because the network will be used  for coordinated motion and collaborative collision avoidance.  If a connection  is not reliable, packets are being dropped; the speed of the network connection will decrease. This would adversely affect the performance of the operation. Mobility is the speed of the mobile access point at which the technology can connect and remain connected without packet  loss or service  interruption. Naturally,  a  wireless  vehicular  environment  will  need  to  be  mobile.  The  network  must  sustain connection at vehicular speeds which in agricultural applications are not very high.   Since digital  tracking  controllers operate with  a  sampling period of  a  few milliseconds,  coordinated motion and collaborative collision avoidance will require high‐bandwidth,  low‐latency, high reliability, relatively  long  range  and  relatively  high mobility  networking  technologies  among members  of  the coalition operating in the field. In the next paragraphs existing candidate wireless technologies will be presented and compared. These technologies are: DSRC (IEEE 802.11p), WiMAX (IEEE 802.16) and 3G (ITU). A future emerging standard, MBWA (IEEE 802.20) is also presented.  Dedicated Short‐Range Communication (DSRC) is a short to medium range communication technology operating  in the 5.9 GHz range, which was developed especially  for vehicle‐to‐vehicle  (V2V) network applications. DSRC systems  in Europe,  Japan and U.S. are not at  the present moment compatible.  In 

Page 82: FutureFarm Deliverable 6 - AU Purepure.au.dk/portal/files/34430118/FutureFarm_Deliverable_6.3.pdf · optimised farm mechanization management comprising single machines or fleets of

Project No. 212177 FutureFarm D.3.3

- 82 -

the US DSRC will be based upon a group of IEEE standards, namely IEEE 802.11p and 1609 family, and will use seven 10 MHz‐wide channels in the 5.85‐5.925 GHz bandwidth. IEEE 802.11p is an extension to 802.11 Wireless LAN medium access layer (MAC) and physical layer (PHY) specification in order to add wireless  access  in  the  vehicular  environment  (WAVE).  WAVE  mode  of  operation  foresees  data exchange between vehicular devices  in rapidly changing communication environments, where mobile stations may move up to 200 Km/h, have a nominal transmission range of 300m (up to 1000m), and default  data  rate of  6Mbps  (up  to  27Mbps). DSRC  has  two modes  of  operations:  (1) Ad  hoc mode characterized  by  distributed  multi‐hop  networking  (vehicle‐vehicle),  (2)  Infrastructure  mode characterized  by  a  centralised  mobile  single  hop  network  (vehicle‐gateway).  Depending  on  the deployment scenarios, gateways can be connected to one another or to the Internet, and they can be equipped  with  computing  and  storage  devices.  The  communication  between  the  V2V  devices  is performed through a pre‐assigned communication channel when nearby vehicles are within range.  It takes  approximately  20 ms  to  handshake.  Then  each  vehicle would  allocate  a  channel,  out  of  10 possible  channels,  and  communication  would  take  place  through  that  dedicated  channel.  The minimum  time  for  data  exchange  between  two  vehicles  is  in milliseconds.  This  time  includes  data transmission and broadcasting latency and would vary depending on the load on the communications channels. A recent study has shown that the delay performance of a DSRC warning message falls well within the 100 msec delay requirement for safety applications (Tang and Yip, 2010). On the other hand the average throughput  lied between 50% and 60%, which is considered modest performance from a safety point of view since more  than 40% of vehicles, on  the average, within  the sender’s broadcast range will not receive the warning messages.   WiMAX  is  the  latest wireless  technology  to  be  approved  by  the  IEEE  802.16 working  group.  It  is  a standard for point‐to‐multipoint wireless networking. The IEEE 802.16e version  is an extension of the IEEE 802.16 standard that was drafted specifically to deal with mobility. WiMAX is a point‐to‐multipoint (PMP) technology that operates in the 10 to 66GHz and sub11GHz wavelengths. At higher frequencies, line of  sight  is a  requirement.  It can provide  service over distances up  to 50 Km. The WiMAX‐based solutions  are  set  up  and  deployed  like  cellular  systems  using  base  stations  that  service  a  radius  of several kilometers. The most typical WiMAX‐based architecture includes a base station mounted on a building and  shall be  responsible  for  communicating on a point  to multi‐point basis with  subscriber stations located in business offices, homes, and automobiles.  Cellular  systems  have  been  evolving  rapidly  to  support  the  ever  increasing  demands  of  mobile networking. The 2G GSM system supports data communications at the maximum rate of 9.6kbps. To provide  higher  rate  data  communications,  GSM‐based  systems  use  GPRS  (<171kbps)  and  EDGE (<384kbps). Now 3G systems support much higher data rate. UMTS/HSDPA provides maximum rates of 144kbps,  384kbps,  and  2Mbps  under  high  mobility,  low  mobility,  and  stationary  environments respectively.  The  average  data  rate  perceived  by  users  is  much  lower  in  practice:  <128kbps  for GSM/EDGE  and  <512kbps  for  3G  technologies.  The  reported  packet  latency  is  150‐250ms.  The behaviour  of  3G  services  in  a  vehicular  environment  has  evaluated  by Qureshi  et  al.  (2006).  They reported  that 1)  the average  round  trip  time  (RTT) was  consistently high  (around 600ms) with high variance  (ρ=350ms); 2)  there were a  small number of  short‐lived  (<30s) disconnections during  their experiments;  3)  the  download  throughput  varied,  ranging  from  100kbps  to  420kbps,  and  the  peak upload  throughput was  less  than 140kbps;  and  4)  they  found  no  correlation  between  the  vehicle’s speed  and  the  achieved  throughput,  but  geographic  location  is  the  dominant  factor  leading  to 

Page 83: FutureFarm Deliverable 6 - AU Purepure.au.dk/portal/files/34430118/FutureFarm_Deliverable_6.3.pdf · optimised farm mechanization management comprising single machines or fleets of

Project No. 212177 FutureFarm D.3.3

- 83 -

variations.  The  high  latency  of  the GSM  packets  and  the  variance  in  round  trip  times makes  even UMTS/HSDPA technologies it a poor choice for vehicular coordination.  Another  candidate  technology  for  V2V  applications  is Mobile  broadband  wireless  access  (MBWA) which is a name given to the IEEE 802.20 standard currently under development. The standard is still in its  infancy and  it  is hoping to standardize an efficient packet‐based air  interface that  is optimized for the  transport of  IP‐based  services. The  goal of  this  standard  is  to enable worldwide deployment of affordable, ubiquitous, always‐on and  interoperable multi‐vendor mobile broadband wireless access networks.  The  goal  is  also  to  support  vehicular mobility  up  to  200  Km/h  with  spectral  efficiency (throughput/bandwidth).  It  seeks  to  boost  real‐time  data  transmission  rates  in  wireless  MANs (metropolitan area networks)  to speeds  that rival DSL and cable connections.  It  is being designed  to operating  in  small  chunks  of  spectrum, meaning  that  the  required  channel  bandwidth  is  small.  It requires base stations and has an approximate base station range of 15 Km.  The following table presents a brief comparison of the wireless technologies.  

  Max. Bit rate  Latency (expected) 

Range (up to) Mobility (up to)

DSRC  (IEEE 802.11p) 

54 Mbps  50 ms  300 m  160 Km/h 

WiMax  (IEEE 802.16e) 

100 Mbps  25‐40 ms  50 Km (LoS) 8Km (NLoS) 

120‐150 Km/h 

3G  2 Mbps  500 ms 1.5‐8 Km 120 Km/h at 384 Kbps10 Km/h at 2 Mbps 

MBWA  IEEE (802.20) 

16 Mbps  10‐30 ms  15 Km  250 Km/h 

 Safe navigation  support  through wireless car‐to‐car and car‐to‐curb communications has become an important  priority  for  car manufacturers  as well  as  transportation  authorities  and  communications standards organizations. While safe navigation has always been the prime motivation behind vehicle‐to‐vehicle  (V2V)  and  vehicle‐to‐infrastructure  (V2I)  communications,  vehicular  networks  provide  a promising  platform  for  a much  broader  range  of  large  scale,  highly mobile  applications. Given  the automobile’s role as a critical component in peoples’ lives, embedding software‐based intelligence into cars has the potential to drastically improve the user’s quality of life. This, along with significant market demand for more reliability, safety and entertainment value in automobiles, has resulted in significant commercial development and support of vehicular networks and applications. Therefore,  the driving force behind V2V technologies is the car manufacturing industry.  Given the strict safety requirements from V2V technologies the most promising existing technologies are DSRC and WiMax, provided that a worldwide standard will be achieved. MBWA promises to be superior to both of them, but  it has not been implemented yet.   

Page 84: FutureFarm Deliverable 6 - AU Purepure.au.dk/portal/files/34430118/FutureFarm_Deliverable_6.3.pdf · optimised farm mechanization management comprising single machines or fleets of

Project No. 212177 FutureFarm D.3.3

- 84 -

3 . 4 C o n c l u s i o n s  

 On‐line fleet management must operate at the inter‐field transportation level performing dispatching, scheduling  and  routing,  and  at  the  in‐filed  level  providing  coordination.  The  on‐line  central computation of  solutions of problems at both  levels  is not practically possible due  to  the problem’s computational  complexity.  Therefore  computation  is  expected  to  be  done  both  centrally  and  in  a distributed  fashion.  This  can  be  achieved  by  decoupling  the  scheduling  from  the  traffic  planning problem  so  that  effectively  the  dispatcher  abstracts  the  detailed  in‐field  traffic  patterns  and  treats them  as  simple  numbers  expressing  the  duration  of  in‐field  operations  for  any  given  machine assignment. This means that the new  in‐field traffic plan could be computed  locally and that only the updated estimated cultivation time must be communicated to the central dispatcher. Communication between every machine and the dispatcher may require excessive messaging among the members of the team. If a  local coordinator exists,  it  is much easier for this coordinator to distribute the updated plan  to  all  involved  parties  and  verify  its  reception  before  signalling  its  initiation. Of  course,  if  the coordinator  fails  for  some  reason,  another  machine  could  take  its  role  using  some  well  defined protocol.  Within a fleet management system data and information needs to be exchanged between the central dispatching station and the vehicles, and between vehicles. Communication between a vehicle and the central dispatching unit is typically long distance, with ranges that may exceed hundreds of kilometres. Each vehicle must send periodically, preferably  in real‐time  its position and operational status to the dispatcher. Medium‐size  latency,  relatively  low  bandwidth  and  packet  drop  are  acceptable  in  this mode of communication because real‐time vehicle monitoring for slow‐moving agricultural vehicles is not a demanding application. This is already achieved by commercial fleet management systems using established commercial satellite and GSM cellular telecommunication technologies. On the other hand, vehicle‐to‐vehicle  (V2V)  communications  for  coordinated motion  control  and  collaborative  collision avoidance will require high‐bandwidth, low‐latency, high reliability, relatively long range and relatively high mobility networking. The driving force behind V2V technologies is the car manufacturing industry. Given the strict safety requirements from V2V technologies the most promising existing technologies are DSRC and WiMax, provided  that a worldwide  standard will be achieved. MBWA promises  to be superior to both of them, but it has not been implemented yet.  

Page 85: FutureFarm Deliverable 6 - AU Purepure.au.dk/portal/files/34430118/FutureFarm_Deliverable_6.3.pdf · optimised farm mechanization management comprising single machines or fleets of

Project No. 212177 FutureFarm D.3.3

- 85 -

 

4 Appendices 

Appendix A: Terminology 

 Agricultural field operations Almost all agricultural field operations require the utilisation of one or several self propelled machines and  implements.  From  a  high‐level  point  of  view,  all  agricultural  machines  consume  energy  and perform  mass  and  energy  transfer.  Based  on  material  exchange  between  field  and  machine, agricultural field operations can be categorised in three groups (Bochtis and Vougioukas, 2009):   

1. Material  input  operations:  In  these  operations  material  is  carried  by  the  machine  and  is distributed in the field area (e.g., seeding, spraying, fertilising).  

2. Material  output  operations:  In  these  operations material which  is  distributed  in  the  field  is collected and carried by the machine (e.g., harvesting, collecting hay bales). 

3. Material  neutral  operations: No material  is  distributed  or  collected  (e.g.,  tillage,  cultivation, seedbed preparation, mowing) 

 Coalition of machines A coalition of machines assigned to an operation associated with the a certain field at time t, is any set of available machines which can be used for performing this operation.   Control input of machine All manipulated  variables which  control  the operation of a machine are  contained  in  the machine’s time‐dependent control  input vector Uij(tk) which may contain a continuous part, and a discrete part. The  continuous part may  contain  real‐number variables  such as  throttle, wheel  turn angle, etc. The discrete part may contain discrete variables such as the commanded machine’s gear (1, 2, 3, ..), lifting an implement (1) or lowering it (0), etc.  Control input of fleet The control  input of the entire fleet  is simply the concatenation of all control  input vectors. The fleet control input can be partitioned into a continuous part and a discrete part.   Coordination of Machines Cooperation of Machines When more  than one machine  is used  there  are  two major  categories of operations:  a) operations where the machines do not share, or compete for any resources, and b) operations for which machines must  share,  or  compete  for  resources.  In  the  former  type  of  operations  the  machines  work independently whereas  in the  latter they must coordinate or cooperate  in order to execute the task. Coordination in this report is merely the resolution of resource‐sharing conflicts (e.g. avoid occupying 

Page 86: FutureFarm Deliverable 6 - AU Purepure.au.dk/portal/files/34430118/FutureFarm_Deliverable_6.3.pdf · optimised farm mechanization management comprising single machines or fleets of

Project No. 212177 FutureFarm D.3.3

- 86 -

the  same  space;  aka  collisions).  Cooperation  refers  to  coordinated motion which  also  involves  the transfer  or  simultaneous  use  of  resources  in  order  to  execute  a  task.  As  an  example,  harvesting requires the cooperation of a harvester and an unloading truck (grain transfer); pulling a log out of the field using two tractors requires simultaneous use of two cooperating machines.  Field pattern Guidance pattern The terms field pattern or guidance pattern have been used to refer to the geometric path traveled by a machine  inside  a  field  (e.g.,  circular,  parallel  lines); motions  outside  of  the  field  (e.g.,  headland turning) are typically not included. The same term has also been used to describe the swath sequence of a machine, when it moves in parallel lines. For example, in Hunt (2001) the continuous pattern, the straight  alteration  and  the  overlapping  alteration  are  considered  field  patterns which  differ  in  the sequence that the swaths are traveled. Such a use associates time or sequence  information with the word  ‘pattern’.  In  this work  the  term  “field pattern” will be used  to  refer  to  the part of  the  traffic pattern which  is strictly  inside the field. Thus, the field pattern  is a static collection of  lines and does not include any time, or sequence information.   Path of machine The  machine’s  path  is  a  continuous  geometrical  curve  and  it  is  defined  as  the  union  of  all  its instantaneous positions. Note that the path is a geometrical entity, whereas the trajectory is a function of  time.  The  term  traffic  pattern  has  also  been  used  to  refer  to  a  collection  of  points which  are produced by sampling the paths of machines.  Position of machine In the context of performing a specific agricultural task T, consider a machine which starts its operation at some  time  instant  t1 and stops operating at a  time  instant  t2. The geo‐referenced position of  the 

machine at any time instant  1 2 ot t t is given by its coordinates.  

 Pre‐emptive allocation In  pre‐emptive  allocation,  a machine must  complete  the  execution  of  the  operation  it  is  currently performing before being assigned to another operation.   Semi‐autonomous machine A semi‐autonomous machine  is one which can operate autonomously for parts of an operation (e.g., row auto‐guidance, headland turning) but requires a human operator to execute parts of the operation and to supervise the entire operation.  Hybrid system equations for machine In  general,  since  the  state  of  each  machine  includes  discrete  components,  its  differential  state equation which describes the machine’s operation may depend on the discrete state; it is essentially a hybrid  system.  For  example,  in  a  vehicle with  four  distinct  gears,  the  acceleration  depends  on  the efficiency function of the current gear.   State of machine 

Page 87: FutureFarm Deliverable 6 - AU Purepure.au.dk/portal/files/34430118/FutureFarm_Deliverable_6.3.pdf · optimised farm mechanization management comprising single machines or fleets of

Project No. 212177 FutureFarm D.3.3

- 87 -

All data  related  to a machine’s  current  location, operating  status, etc  is  contained  in  the machine’s time‐dependent state vector which may contain a continuous part, and a discrete part. The continuous part may contain  real‐number variables  such as UTM Northing, orientation,  speed, etc. The discrete part may  contain  discrete  variables  such  as  the machine’s  current  gear  (1,  2,  3,  ..)  ,  whether  an implement is up (1) or down (0), etc.  State of fleet The state of the entire fleet is simply the concatenation of all machine states.   Trajectory of machine The  motion  of  the  machine  during  its  entire  operation  in  task  T  is  completely  described  by  its continuous trajectory, which  is basically  its coordinates as a  function of time. The trajectory  includes the motions outside the  field, e.g., during  turning.  In the agricultural engineering  literature the term traffic has also been used to refer to the GPS position and timestamp data associated with the motion of one or more machines. A machine’s traffic constitutes a discrete sampling of its trajectory.  

Page 88: FutureFarm Deliverable 6 - AU Purepure.au.dk/portal/files/34430118/FutureFarm_Deliverable_6.3.pdf · optimised farm mechanization management comprising single machines or fleets of

Project No. 212177 FutureFarm D.3.3

- 88 -

 

Appendix B: Representative scheduling problems 

The problem of allocating finite resources over time with various constraints arises in many application fields  like  project  management,  manufacturing,  computing  and  networking,  human  resources management, logistics, robotics and many others. Next, three of the more representative problems are presented.   

4.1.1 Project scheduling 

Following  Kolisch  and  Padman  (2001),  project  scheduling  problems  (PSP)  are  made  of  activities, resources,  precedence  relations,  and  performance  measures.  A  project  consists  of  a  number  of activities, also known as jobs, operations, or tasks. In order to complete the project successfully, each activity  has  to  be  processed  in  one  of  several  modes.  Each  mode  represents  a  distinct  way  of performing  the  activity  under  consideration.  The  mode  determines  the  duration  of  the  activity, measured  in  number  of  periods,  which  indicates  the  time  taken  to  complete  the  activity,  the requirements  for resources of various categories as explained  later  in this section, and possible cash inflows or outflows occurring at  the  start, during processing, or on completion of  the activities. The presence  of modes  complicates  the  PSP  by  requiring  assignments  of  activities  to  different modes. Often technological reasons imply that some activities have to be finished before others can start. This is handled by depicting the project as a directed graph where an activity is represented by a node and the precedence relation between two activities  is represented by a directed arc. Also, minimum and maximum time lags may be given between the finish of an activity and the start of the next one.   Resources utilized by the activities are classified according to categories, types, and value. The category classification  includes  resources  that  are  renewable,  nonrenewable, partially  renewable  and  doubly constrained.  Each  resource  type  has  a  value  associated with  it,  representing  the  available  amount. Whenever  there  is  at  least  one  category  of  constrained  resources,  we  term  the  resulting  PSP  a resource‐constrained  project  scheduling  problem  (RCPSP). Makespan  minimization  is  probably  the most  researched  and widely  applied  objective  in  the  project  scheduling  domain.  The makespan  is defined as the time span between the start and the end of the project. Since the start of the project is usually assumed to be at t = 0, minimizing the makespan reduces to minimizing the maximum of the finish times of all activities. Other performance measures are the minimization of the (weighted) flow time of the activities or, if due dates are given, the minimization of the (weighted) delays, activity plus resource cost, and others.   In the standard PSP the duration or processing of an operation is fixed and known. A generalization of this  setting  that  is  still deterministic  (and  assumes  complete  information)  is obtained by permitting processing times to vary according to how much the planner is willing to pay for it. This control on the processing times can be interpreted as allocation of a nonrenewable resource to the activities, where a larger allocation to an activity (i.e., a higher cost input) reduces its processing time. As the allocation is usually measured in money, these problems are commonly referred to as time‐cost tradeoff problems.  In  reality  the  processing  time  of  activities may  not  be  fixed  because  it  is  subject  to  unpredictable changes  due  to  unforeseen  events  (weather  conditions,  obstruction  of  resource  usage,  delay  of 

Page 89: FutureFarm Deliverable 6 - AU Purepure.au.dk/portal/files/34430118/FutureFarm_Deliverable_6.3.pdf · optimised farm mechanization management comprising single machines or fleets of

Project No. 212177 FutureFarm D.3.3

- 89 -

predecessors  of  an  activity  etc).  In  order  to  cope with  such  influences,  the  processing  time  of  an activity is assumed to be a random variable. This is known as stochastic project scheduling and it leads to  the  area  of  stochastic  dynamic  programming.  Because  of  complexity  and  stability  reasons, scheduling  is done by relatively simple policies or strategies (Möhring et al., 1984). The complexity of such problems is open, but there is evidence that is also NP.  

4.1.2 Job shop scheduling 

The standard deterministic job‐shop‐scheduling problem (JSSP) involves an assignment of a set of jobs to machines  in  a predefined  sequence  in order  to optimize one or more objectives  considering  job performances measures of  the  system. A  job  shop environment  consists of n  jobs, m machines and each job has a given machine route in which some machines can be missed and some can repeat. Each job requires a fixed, known processing time on any given machine. The goal is to assign jobs to specific machines according to a schedule which minimises criteria  like the makespan (end of  last operation), or the average tardiness, etc. The number of all possible solutions of the standard JSSP is in the order of (n!)m and cannot be exhaustively enumerated even for moderate sized problems. Unfortunately, the standard  JSSP  is  known  to  be NP‐complete when m≥3  (Garey,  et  al.,  1976), which means  that  no nonenumerative algorithms are known. The deterministic JSSP has been studied extensively because of its  importance  for manufacturing  and  numerous  approaches  have  been  used  to  solve  it  (Jain  and Meeran 1999).   The standard deterministic JSSP has been extended to problems in which the execution time for a job is increased by a setup time which is dependent on the sequence of previous jobs in the machine. For example, a certain job after completion may impose more cleaning and retooling of the machine than another  one,  so  that  the  next  job  is  serviced.  This problem  is  equivalent  to  the multiple  Travelling Salesman  problem  and  are  even  harder  to  solve  than  the  standard  JSSP.  Another  variation  is  the Dynamic  JSSP  (DJSSP)  in which  the number of  jobs  is not  fixed and new  jobs may arrive at any  time according to some probability distribution. Furthermore, when job setup times or processing times are not  fixed but  random,  the problem becomes one of Stochastic  Job Shop Scheduling  (SJSSP). Most of research  in production  scheduling  is  concerned with  the minimization of a  single criterion.  JSSP has been  recently  extended  to multi‐objective  VRP  (Loukil  et  al.,  2005).  A multi‐objective  optimization problem is one in which two or more objectives or parameters contribute to the overall result. These objectives often affect one another in complex, nonlinear ways. The challenge is to find a set of values for them which yields an optimization of the overall problem at hand. Instead of an optimal solution, a set of solutions is computed which form the Pareto optimal of different objectives.  If  agricultural  machines  are  thought  of  as  manufacturing  machines  in  a  machine  shop  and  field operations as  jobs,  then  the Fleet Management Problem  (FMP)  looks  similar  to  some variant of  the deterministic  job‐shop‐scheduling  type problem;  in particular  to  the  JSSP with  sequence dependent setup time. The reason is that in the FMP the assignment cost at time tk depends on the current state of  the machines of a candidate assignment and consequently on  the previous operations  they were involved in. For example, assigning a machine to work in a field A will cost less if the machine is already operating there, rather than if it is currently working in a distant field B. The FMP cannot be expressed trivially as a JSSP because an agricultural field operation can be performed by more than one machine in parallel; this is not the case for JSSP, where a major assumption is that each operation is performed 

Page 90: FutureFarm Deliverable 6 - AU Purepure.au.dk/portal/files/34430118/FutureFarm_Deliverable_6.3.pdf · optimised farm mechanization management comprising single machines or fleets of

Project No. 212177 FutureFarm D.3.3

- 90 -

by only one machine. The FMP  involves machine allocation  (coalition  formation)  in conjunction with scheduling.  

4.1.3 Vehicle routing 

The  classical  vehicle  routing  problem  (VRP)  determines  the  minimum  cost  routes  to  a  set  of geographically dispersed customers  for a  fleet of  identical vehicles of a specific capacity starting and terminating  at  a  depot.  Each  customer must be  visited  only  once  by  exactly  one  vehicle.  The  total demands of all points on one particular route must not exceed the capacity of the vehicle. The problem was  introduced by Dantzig and Ramser  (1959) and  constitutes a difficult  combinatorial optimisation problem. A  large body of  literature has been devoted  to  it,  including a number of extensive  reviews (Desrochers et al., 1990; Toth and Vigo, 2002). Following the analysis of Bochtis and Sørensen (2009), the VPR is a generalisation of the travelling salesman problem (TSP), in which one person has to visit a set of dispersed customers with a minimum cost. The TSP can be generalised to the case of multiple TSP (m‐TSP) in which more than one salesman is involved in servicing the customers. This is equivalent tot  adding  capacity  constraints  to  the  classic VRP. Addition of  a new  set of  constraints  results  in  a number of VRP  instances. One example  is  the constraint of maximum  length or duration of a  route (distance  constrained  VRP  – DCVRP)  or  that  every  customer  should  be  served within  a  given  time window  (TSP with  time windows  –  TSPTW  and VRP with  time windows  – VRPTW,  for  the  cases  of single‐ and multiple‐vehicle problems, respectively). Such cases require vehicle scheduling  in addition to  routing.  Furthermore,  in  some  cases  the  possibility  that  customers  return  some  commodities  is considered  (VRP with pick‐up  and delivery  ‐ VRPPD),  and  that  all deliveries must be made on each route before any pickups can be made (TSP with Backhaus‐ TSPB and VRP with Backhaus‐VRPB, for the cases of single‐ and multiple‐vehicle problems, respectively).  In practise, requests for service can often arrive sequentially in time, with stochastic inter‐arrival times. Moreover,  locations  and  quantities  of  future  demands  may  be  unknown  or  known  only probabilistically,  as  many  routing  problems  are  inherently  dynamic  (DVRP)  and  stochastic  (SVRP). Stochastic  Vehicle  Routing  Problems  (SVRPs)  arise  whenever  some  elements  of  the  problem  are random  (Gendreau  et  al.,  1996).  Common  examples  are  stochastic  demands  and  stochastic  travel times. Sometimes, the set of customers to be visited is not known with certainty. Stochastic VRPs differ from  their  deterministic  counterpart  in  several  fundamental  respects.  The  concept  of  a  solution  is different, several fundamental properties of deterministic VRPs no  longer hold  in the stochastic case, and solution methodologies are considerably more intricate. Since they combine the characteristics of stochastic  and  integer  programs,  SVRPs  are  often  regarded  as  computationally  intractable.  Only relatively small  instances have been solved  to optimality and good heuristics are hard  to design and assess. The SVRP  can be  solved by a‐priori optimisation methods  (open  loop) which minimise  some expected –  in a probabilistic sense ‐ cost. On the other hand, the DVRP can only be solved by on‐line policies which depend on the current state of the  fleet and the new  information arriving. Obviously, given some available  information before  the  route scheduling. no a‐priori solution can be optimal  in the  cases  that  a)  a new  request  for  service  arrives  from  a new node, b) nothing  changes  from  the available information. A review of stochastic and dynamic VRP’s and various solution methods for can be found in Larsen (2000).  

Page 91: FutureFarm Deliverable 6 - AU Purepure.au.dk/portal/files/34430118/FutureFarm_Deliverable_6.3.pdf · optimised farm mechanization management comprising single machines or fleets of

Project No. 212177 FutureFarm D.3.3

- 91 -

Figure  34  depicts  the  relationships  between  all  the  previously  mentioned  VRP  variations.  More recently, attention has been devoted to more complex variants of the VRP (usually called “rich” VRPs) that are closer to the practical distribution problems than classic VRP models. These complex variants are  characterised  by  such  multiple  depots,  multiple  trips,  multiple  vehicle  types,  and  loading constraints (Bräysy et al., 2002; Cordeau et al., 2006).   

Figure 34 Relationships between the basic VRP instances (Bochtis and Sørensen, 2009) 

VRP  has  been  recently  extended  to  multi‐objective  VRP  (Ombuki  et  al.,  2006).  A  multi‐objective optimization problem  is one  in which two or more objectives or parameters contribute to the overall result. These objectives often affect one another in complex, nonlinear ways. The challenge is to find a set  of  values  for  them which  yields  an  optimization  of  the  overall  problem  at  hand.  Instead  of  an optimal solution, a set of solutions is computed which form the Pareto optimal of both total cost and number of vehicles. 

4.1.4 Solution techniques 

 Moderate and  large size resource scheduling problems are too difficult to be solved exactly within a reasonable  amount  of  time  and  heuristics  become  the methods  of  choice.  Common  heuristics  are those based on applying some sort of greediness or applying priority based procedures including, e.g., insertion and dispatching rules. As an extension of  these, a  large number of  local search approaches has been developed to improve given feasible solutions. The main drawback of these approaches, their inability to continue the search upon becoming trapped in a local optimum,  leads to consideration of techniques for guiding known heuristics to overcome  local optimality.  Intelligent search methods  like the  tabu  search  constitute meta‐heuristics  for  solving optimization problems. Other meta‐heuristics include evolutionary algorithms, simulated annealing and ant‐colony optimization. Many state‐of‐the‐art  meta‐heuristic  developments  are  too  problem‐specific  or  too  knowledge‐intensive  to  be implemented  in  cheap, easy‐to‐use  computer  systems. A  recent approach  is  to use hyper‐heuristics, i.e., use  (meta‐) heuristics  to  choose  (meta‐)heuristics  to  solve  the problem. Next, a brief  review of solution techniques will be presented for the scheduling problems presented above.  There is vast literature available on the solution of PSP problems (Brucker et al., 1999; Kolisch, 2001). Exact procedures offer globally optimal solutions for small problems whereas heuristic procedures may 

Page 92: FutureFarm Deliverable 6 - AU Purepure.au.dk/portal/files/34430118/FutureFarm_Deliverable_6.3.pdf · optimised farm mechanization management comprising single machines or fleets of

Project No. 212177 FutureFarm D.3.3

- 92 -

solve  larger  problems  without  guarantees  of  optimality.  Exact  approaches  include  dynamic programming,  zero‐one  programming,  and  implicit  enumeration  with  branch‐and‐bound.  Heuristic techniques  include single and multi‐pass priority‐rule based scheduling, truncated branch‐and‐bound, and meta‐heuristics  include  simulated annealing, genetic algorithms, and ant  colony optimization. A promising approach is the constraint propagation technique in which model based local reasoning over the  constraint  set  makes  problem  specific  knowledge,  which  is  implicitly  contained  in  the model description, explicitly available. The goal is to accelerate exact algorithms or local search procedures.  JSSP  is one of  the hardest combinatorial optimisation problems. A  large number of different  solving approaches  have  been  developed  over  the  years.  Exact  methods  use  integer  programming formulations  and  enumeration  techniques  like  branch‐and‐bound  (Brucker  et  al.,  1994)  to  find  a globally optimal solution. Exact methods can only solve relatively small problems. Many approximate (meta‐)heuristic methods have also been proposed which do not guarantee globally optimal solutions, but can tackle problems of  large size. These  include the shifting bottleneck procedure  (Adams et al., 1988), simulated annealing  (van Laarhoven et al., 1992),  tabu search  (Dell'Amico and Trubian 1993), genetic algorithms  (Cheng et al., 1999), ant algorithms  (Blum and Sampels, 2005), artificial  immune systems (Hart and Ross, 1999) and constraint programming (Dorndorf et al., 2002).  VRP constitutes one of the most challenging combinatorial optimisation problems, and a large number of different problem  solving approaches have been developed over  the years;  they can be  found  in existing overview papers (Laporte, 1992; Bräysy et al., 2002; Cordeau et al., 2002). Exact methods use integer  programming  formulations  and  techniques  like  branch‐and‐bound,  branch‐and‐cut,    and branch‐and‐cut with pricing to find a globally optimal solution. Exact methods can only solve relatively small problems. Many  inexact heuristic methods have  also been proposed which do not  guarantee globally optimal  solutions, but  can  tackle problems of  large  size. These  include  simulated annealing (Osman  1993),  tabu  search  (Gendreau  et  al.,  1994),  genetic  algorithms,  ant  algorithms  (Bell  and McMullen, 2004) and constraint programming (Rousseau and Gendreau, 2002).  As it can be seen all problems share similar exact or aproximate solution methods, based on heuristics. Good  heuristics  are  extremely  important  because  they  enable  the  solution  of  very  large  problems. Heuristics depend on the aplication domain and require insight; hence they are hard to come up with. An alternative approach  is  learning appropriate heuristics. For example, Zhang and Dietterich  (1995) presented a reinforcement learning approach to scheduling, that learned domain specific heuristics for the scheduling procedure. The state space consisted of possible schedules and actions were possible changes  to the schedules. The system  learned what changes would quickly create  feasible schedules with  maximized  capacity  utilization.  The  problem  domain  considered  was  space  shuttle  payload processing. Zomaya et al. (1998) presented another algorithm for learning scheduling heuristics. Their algorithm learned dynamic scheduling, i.e., scheduling when there is no a priori knowledge about the tasks.  It used a back‐propagation neural network and a history queue that functions  like an eligibility trace to learn how to associate a set of job parameters with a set of machines.