Doctorado en Ingeniería · 2025
Diagnóstico y desarrollo de técnicas de optimización basadas en métodos metahurísticos en el diseño de maquinaria agroindustrial para el sector floricultor colombiano
Esta investigación procura llevar a cabo un diagnóstico del sector floricultor colombiano, específicamente sobre la producción de flores para exportación a Estados Unidos y en la identificación de posibles aportes tecnológicos para mejorar la eficiencia y reducir la morbilidad laboral. El estudio acoge una muestra de 35 compañías activas del sector floricultor y se enfoca particularmente en la empresa Florval. La investigación toma esta empresa como caso tipo en razón a que posee el mayor cultivo de miniclaveles del sistema GHT, con 30 hectáreas bajo invernadero y técnicas avanzadas de cultivo que incluyen la hidroponía (sustrato compuesto de cascarilla de arroz cruda, tostada y compost) y el riego automatizado israelí. Florval se destaca por el uso de tecnologías de última generación, incluyendo sistemas de riego precisos, fumigación semiautomática y una línea de poscosecha altamente automatizada que clasifica 8500 tallos/hora. Con más de treinta años de experiencia, esta empresa sirve como caso de estudio ideal para analizar la evolución tecnológica y su impacto en la productividad, que ha pasado de 100 flores/m2 en los años 90 a 225 flores/m2 en la actualidad. Pese a estos avances, persisten oportunidades significativas para introducir nuevas tecnologías que optimicen varios procesos que aún se realizan manualmente, para incrementar la eficiencia y para disminuir la alta rotación de personal, que actualmente promedia 600 empleados anuales. La investigación no solo diagnostica el estado actual del sector, sino que también propone estrategias tecnológicas para mejorar la producción y la calidad de vida laboral. El objetivo final es disponer de un estudio actualizado que abarque todas las actividades de la cadena de producción de flores frescas y ofrecer recomendaciones para la implementación de nuevas tecnologías en el sector.
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Contenido
- INTRODUCCIÓNp. 18
- CAPÍTULO 1p. 22
- ASPECTOS PRELIMINARESp. 22
- 1.1. Motivaciónp. 23
- 1.2. Marco de referenciap. 24
- Antecedentesp. 24
- Planteamiento del problemap. 26
- 1.3. Justificaciónp. 30
- 1.4. Objetivosp. 34
- Objetivo generalp. 34
- Objetivos específicosp. 34
- CAPÍTULO 2p. 35
- ESTADO TECNOLÓGICO DEL SECTOR FLORICULTORp. 35
- 2.1. Desafíos actuales de la demanda agrícola globalp. 35
- La Revolución Verde y la transformación del modelo agrícolap. 36
- Evolución de la I+D agrícola y el papel del sector privadop. 37
- 2.2. Aporte tecnológico en el sector agroindustrial e innovaciónp. 38
- 2.3. Capacidades operativas e innovadorasp. 41
- 2.4. Optimización de recursos en la agroindustriap. 43
- 2.5. Técnicas de optimización del diseño de elementos mecánicos y de maquinariap. 45
- 2.6. Desarrollo del sector floricultor colombianop. 48
- 2.7. Incidencia de la incorporación de aportes tecnológicos en la agroindustriap. 49
- CAPÍTULO 3p. 54
- REVISIÓN Y DIAGNÓSTICO DE LOS PROCESOS DE PRODUCCIÓN DEL SECTOR FLORICULTORp. 54
- 3.1. Diagnóstico del sector floricultor de Cundinamarca, Antioquia y Quitop. 55
- 3.2. Criterio de morbilidadp. 57
- 3.3. Proceso de producción y postcosecha de la empresa Florvalp. 62
- 3.4. Sistemas de aspersión y fumigaciónp. 64
- 3.5. Sistemas de manejo integrado de riego y fertilización (Mirfe)p. 68
- 3.6. Fertirrigación de precisiónp. 70
- 3.7. Modelo y sistema de corte de la florp. 71
- 3.8. Postcosecha y clasificación de la florp. 72
- Clasificación manualp. 73
- Clasificación automáticap. 74
- 3.9. Erradicación y renovación de cultivo (nuevas siembras)p. 75
- Renovación parcial de camas hidropónicasp. 76
- Aspectos medibles en la laborp. 78
- Árbol de objetivos de la erradicación de plantasp. 81
- CAPÍTULO 4p. 85
- TRABAJO DE CAMPO Y ESTUDIO TECNOLÓGICOp. 85
- 4.1. Desarrollo del trabajo de campop. 85
- Desarrollo de la metodología de diseño de máquinasp. 86
- 4.2. Propuesta de diseño de equipo de clasificación de flor, atadora de formación de ramosp. 90
- Introducción del equipo actualp. 91
- Especificaciones de la atadorap. 92
- Fallos del equipo de atadop. 94
- 4.3. Diseño del mecanismo anudadorp. 96
- Mecanismo anudadorp. 96
- Diseño del mecanismo de expulsión del nudop. 98
- CAPÍTULO 5p. 100
- Y DE ASPERSIÓN O FUMIGACIÓNp. 100
- 5.1. Requisito de diseñop. 101
- 5.2. Gestión de alternativas de posibles solucionesp. 102
- Primera alternativap. 102
- Segunda alternativap. 103
- Tercera alternativap. 104
- Especificaciones técnicas de los sistemas a usarp. 106
- Alternativas de actuadores Festop. 107
- 5.3. Análisis presupuestalp. 112
- 5.4. Diseño final de la optimización de la labor basado en su diagnósticop. 114
- MODELO METAHEURÍSTICO SEGÚN SU APLICABILIDADp. 119
- 5.5. Sistema atadora de ramosp. 120
- Esquema del mecanismo de leva, eslabones y seguidor con apoyosp. 120
- Variables y esquema de posición (altura de la leva) función armónicap. 121
- Movimiento de Bp. 125
- 5.6. Gráficas de posición y velocidadp. 132
- 5.7. Optimizaciónp. 80
- 5.8. Comportamiento en función de cada variable independientep. 135
- Variable 𝒓p. 136
- Variable 𝑳p. 137
- Variable 𝑿𝟎p. 138
- 5.9. Optimización y referenciap. 138
- Algoritmo de fuerza brutap. 138
- Comparativo de métodos metaheurísticosp. 141
- Algoritmo de seno y cosenop. 142
- Algoritmo de enjambre de partículasp. 147
- Algoritmo genéticop. 150
- Estrategia utilizada para optimización con algoritmo genéticop. 150
- Comparación de métodos utilizadosp. 153
- REFERENCIASp. 165
- APÉNDICEp. 182
- SUBCONJUNTO DE ESTRUCTURA PRINCIPALp. 182
- Tabla 1. Métodos metaheurísticos más conocidosp. 46
- examinadasp. 56
- Tabla 3. Variables del modelop. 59
- Tabla 4. Producción del miniclavel de la empresa Florvalp. 62
- Tabla 5. Métodos de aplicación de insumos agroquímicosp. 64
- Tabla 6. Etapas del proceso de clasificación automáticap. 74
- Tabla 7. Etapas de la erradicación de material vegetalp. 78
- Tabla 8. Aspectos medibles en la laborp. 79
- Tabla 9. Rúbrica de validación de especificacionesp. 79
- Tabla 10. Comparación de las metodologías de diseñop. 89
- Tabla 11. Caracterización de los principales problemas de la atadorap. 95
- Tabla 12. Caracterización del mecanismo anudadorp. 97
- Tabla 13. Caracterización del mecanismo de expulsión del nudop. 99
- Tabla 14. Requisitos de diseño de la máquinap. 101
- Tabla 15. Algoritmo para la erradicación de plantasp. 102
- Tabla 16. Especificaciones de los actuadoresp. 107
- Tabla 17. Especificación de actuadores SMSp. 108
- Tabla 18. Especificación de actuadores neumáticosp. 110
- Tabla 19. Cotización de servomotorp. 113
- Tabla 20. Algoritmos metaheurísticos a compararp. 141
- Tabla 21. Resumen del comparativo de los métodos metaheurísticosp. 142
- Tabla 22. Comparación de los valores del SCA y fuerza brutap. 147
- Figura 1. Línea de tiempo de las revoluciones industrialesp. 25
- Figura 2. Caseta de fumigaciónp. 65
- Figura 3. Métodos de aplicación de insumos agroquímicosp. 66
- Figura 4. Zonas de contacto del producto agroquímico con la plantap. 67
- Figura 5. Sistema de riego por goteop. 68
- Figura 6. Sistema de riego por goteop. 69
- Figura 7. Sistema de riego por goteop. 70
- Figura 8. Sistema de bombeo para el riego por goteop. 71
- Figura 9. Representación del corte de miniclavelp. 72
- Figura 10. Clasificación manual de las floresp. 73
- Figura 11. Proceso de renovación de camas hidropónicasp. 77
- Figura 12. Diagrama de funciones en el proceso de renovaciónp. 80
- Figura 13. Árbol de objetivos de la erradicación de plantasp. 81
- Figura 14. Cama hidropónica (vista superior)p. 82
- Figura 15. Cultivos de sistema GHT con diferentes variedades de floresp. 84
- Figura 16. Esquema de la metodología de diseño de la VDI 2221p. 90
- clavelesp. 157
- Figura 18. Render de atadora completap. 92
- Figura 19. Render del mecanismo completo del atadorp. 93
- Figura 20. Fotografía del mecanismo completo del atadorp. 93
- Figura 21. Fotografía del mecanismo completo del atadorp. 94
- Figura 22. Diagrama de sistemas y subsistemas para el diseño de la atadorap. 96
- Figura 23. Primera alternativa. Arranque del material vegetalp. 103
- Figura 24. Segunda alternativa. Arranque material vegetalp. 104
- Figura 25. Disposición de actuadores. Arranque material vegetalp. 107
- Figura 26. Primera alternativa: actuadores neumáticosp. 109
- Figura 27. Segunda alternativa: actuadores neumáticosp. 109
- Figura 28. Carrito auxiliar con compuertap. 111
- Figura 29. Carrito auxiliar sencillop. 111
- Figura 30. Diseño de la optimización del sistema de aspersión o fumigaciónp. 115
- Figura 31. Esquema del mecanismo de leva (mecanismo atador)p. 120
- Figura 32. Leva en dos Dp. 121
- Figura 33. Altura de la leva en función de su ángulo de girop. 121
- Figura 35. Gráfica de posición del punto Bp. 126
- Figura 36. Posiciones inicial y final según el diseño 3D del mecanismop. 127
- levap. 97
- la levap. 133
- de la levap. 133
- Figura 41. Gráfica de jerk máximo en función de rp. 136
- Figura 42. Gráfica de jerk máximo en función de Lp. 137
- Figura 43. Gráfica de jerk máximo en función de 𝑋0p. 138
- de fuerza brutap. 140
- Figura 45. Diagrama de flujo del algoritmo de seno y coseno modificadop. 144
- parámetro bp. 145
- Figura 49. Gráfica de optimización para algoritmo colonia de hormigasp. 149
- Figura 50. Gráfica de optimización para algoritmo genéticop. 152
- Figura 51. Tiempos de ejecución para cada algoritmo de optimizaciónp. 153