Автоматизация планирования первоначального сплава лесоматериалов в плоских сплоточных единицах

Реализация первоначального сплава лесоматериалов по известным транспортнотехнологическим схемам [1—2], функционирующим на базе плоских сплоточных единиц, обеспечивается следующими мероприятиями [3—8]:

• ■    Разработка современных плоских сплоточных единиц [9—14], характеризующихся высокими транспортно-эксплуатационными показателями.

• ■    Создание технических средств [15], [16], предназначенных для изготовления усовершенствованных плоских сплоточных единиц.

• ■    Оперативное планирование первоначального сплава лесоматериалов в усовершенствованных плоских сплоточных единицах при изменении габаритов сплавного хода, параметров лесоматериалов и физико-механических свойств сплавляемой древесины на протяжении всей навигации.

2.    Материалы и методы

Последнее мероприятие требует создания специальных программ для электронновычислительных машин (ЭВМ), позволяющих оперативно произвести расчёт основных транспортно-эксплуатационных показателей сплоточных единиц, т. к. требуется неоднократный перерасчёт транспортно-эксплуатационных показателей плоских сплоточных единиц в результате изменения транспортных условий из-за влияния климатических факторов.

Цель работы — разработать программу для ЭВМ, предназначенную для автоматизации процесса планирования первоначального сплава лесоматериалов в усовершенствованных плоских сплоточных единицах, и реализовать оперативное планирование первоначального сплава лесоматериалов при изменении транспортных условий на протяжении всей навигации.

При разработке программы для ЭВМ, которая предназначена для автоматизации процесса планирования первоначального сплава лесоматериалов в плоских сплоточных единицах, был произведён анализ российских и зарубежных систем программирования [17—27]. В интегрированной системе программирования Borland Delphi 7 [28—32] на языке Object Pascal создана многофункциональная программа для ЭВМ [33], интерфейс которой представлен на рисунке 1. Данная программа позволяет не только достоверно выполнить планирование первоначального сплава лесоматериалов в усовершенствованных плоских сплоточных единицах, но и построить графики зависимости осадки плоских сплоточных единиц от основных факторов, влияющих на данный показатель [33], [34]. Расчёт транспортно-эксплуатационных показателей может осуществляться с учётом изменения транспортных условий, параметров используемых круглых лесоматериалов, физикомеханических свойств сплавляемой древесины, процентного содержания древесины повышенной и ограниченной плавучести, а также вида используемого сплоточного такелажа.

В программе исходный текст имеет объём 1,9 Мбайт, а сама программа предъявляет определённые требования к компьютеру, который должен иметь процессор не ниже Pentium 1,6 ГГц и объём оперативной памяти не менее 256 Мбайт.

Работа в предлагаемой программе начинается посредством командной кнопки «Расчётный анализ» (см. рисунок 1). С помощью данной командной кнопки переходим в открывшееся окно «Расчётный анализ» (рисунок 2 а ). В открывшемся окне «Расчётный анализ» «Конструкция плоской сплоточной единицы № 1» — это плоская сплоточная единица, выполненная по патенту РФ № 2777674 (ПСЕ1). «Конструкция плоской сплоточной единицы № 2» — это плоская сплоточная единица, выполненная по патенту РФ № 210485 (ПСЕ2), а «Конструкция плоской сплоточной единицы № 3» — это плоская сплоточная единица, выполненная по патенту РФ № 2777676 (ПСЕ3). Командная кнопка «Расчёт» даёт возможность рассчитать по отдельности транспортно-эксплуатационные показатели каждой усовершенствованной плоской сплоточной единицы. В свою очередь, при выборе кнопки «Сводный расчёт» появляется рабочее окно «Сводный расчётный анализ плоских сплоточных единиц» (рисунок 2 б ). В появившемся окне производится расчёт транспортноэксплуатационных показателей данных сплоточных единиц.

Рисунок 1. Интерфейс программы планирования сплава   лесоматериалов в усовершенствованных плоских сплоточных единицах

Figure 1. Interface of the timber floating planning program in advanced flat raft units

Оперативное планирование первоначального сплава лесоматериалов в усовершенствованных плоских сплоточных единицах при изменении транспортных условий на протяжении всей навигации осуществляется при следующем условии: в ходе всей навигации изменяются минимальная глубина h_ЛХ и минимальная ширина b_ЛХ сплавного хода, а остальные параметры факторов, влияющих на транспортноэксплуатационные показатели плоских сплоточных единиц, остаются постоянными.

а

б

Рисунок 2. Интерфейс командной кнопки «Расчётный анализ»: а — форма расчётного анализа; б — форма сводного расчётного анализа

Figure 2. Interface of the «Calculation Analysis» command button: (a) calculation analysis form; (b) summary calculation analysis form

Обуславливаемся, что при открытии навигации минимальная глубина сплавного хода составляет 2,0 м. Затем на протяжении навигации минимальная глубина сплавного хода уменьшается с шагом 0,1 м до 1,3 м, что является значением летнего периода, когда наступает межень. В осенний период минимальная глубина сплавного хода увеличивается с шагом 0,1 м до 1,5 м. Таким образом, расчёт транспортно-эксплуатационных показателей усовершенствованных плоских сплоточных единиц будет осуществляться при глубине hЛХ , равной 2,0, 1,9, 1,8, 1,7, 1,6, 1,5, 1,4, 1,3, 1,4 и 1,5 м. Минимальная ширина сплавного хода при открытии навигации составляет 10,0 м. На протяжении всей навигации минимальная ширина сплавного хода уменьшается с шагом 0,2 м до 8,6 м, что соответствует показателю летнего периода, когда наступает межень. В осенний период ширина bЛХ увеличивается с шагом 0,2 м до 9,1 м. Следовательно, расчёт транспортно-эксплуатационных показателей усовершенствованных плоских сплоточных единиц будет осуществляться при ширине bЛХ , равной 10,0, 9,8, 9,6, 9,4, 9,2, 9,0, 8,8, 8,6, 8,8 и 9,0 м.

Параметры идентичных факторов, влияющих на транспортно-эксплуатационные показатели усовершенствованных плоских сплоточных единиц, представлены в таблице 1.

Таблица 1. Параметры идентичных факторов, влияющих на транспортноэксплуатационные показатели усовершенствованных плоских сплоточных единиц

Table 1. Parameters of identical factors affecting the transport and operational performance of improved flat raft units

Факторы	Плоская сплоточная единица
	ПСЕ1	ПСЕ2	ПСЕ3
Длина круглых лесоматериалов, м	6,0	6,0	6,0
Диаметр круглых лесоматериалов в верхнем отрезе во всех рядах, см	20,0	20,0	20,0
Плотность древесины повышенной плавучести, кг/м3	700,0	700,0	700,0
Плотность древесины ограниченной плавучести, кг/м3	800,0	800,0	800,0
Содержание древесины повышенной плавучести, %	50,0	50,0	50,0
Содержание древесины ограниченной плавучести, %	50,0	50,0	50,0
Запас для сплава плоских сплоточных единиц вольницей, м	2,0	2,0	2,0
Донный запас, м	0,3	0,3	0,3
Средняя сбежистость круглых лесоматериалов, см на 1,0 м	1,0	1,0	1,0

Для ПСЕ1 идентичными факторами с разными параметрами являются коэффициент полнодревесности и масса сплоточного такелажа. Коэффициент полнодревесности плоской сплоточной единицы для диаметра круглых лесоматериалов в верхнем отрезе 20,0 см принимается равным 0,47, а масса сплоточного такелажа составляет 50,0 кг. К неидентичным факторам относятся следующие: ширина кольца с ребристой внутренней поверхностью 5,0 см; запас длины прокладки от кольца до её конца 0,3 м; расстояние от кольца до места крепления стропы 0,2 м; предельно допустимое напряжение при изгибе верхней прокладки (сосна обыкновенная) 4,8·107 Па; предельно допустимое напряжение при изгибе нижней прокладки (сосна обыкновенная) 4,8·107 Па; средняя сбежистость лесоматериалов верхней прокладки 1,0 см на 1 м; средняя сбежистость лесоматериалов нижней прокладки 1,0 см на 1 м.

Идентичные факторы с разными параметрами для ПСЕ2: коэффициент полнодревесности и масса сплоточного такелажа (скобы). В данном случае коэффициент полнодревесности плоской сплоточной единицы для диаметра круглых лесоматериалов в верхнем отрезе 20,0 см будет 0,70, а масса сплоточного такелажа (скобы) — 50,0 кг. Неидентичные факторы для данной сплоточной единицы — это число проволоки в гибкой связи (15 шт.); предельно допустимое напряжение проволоки при растяжении 5·108 Па; плотность материала проволоки 7800 кг/м3; предельно допустимое напряжение гибкой связи при растяжении 5·108 Па; плотность материала гибкой связи 7800 кг/м3.

В отношении ПСЕ3 идентичные факторы с разными параметрами: коэффициент полнодревесности и масса сплоточного такелажа (скобы). Для диаметра круглых лесоматериалов в верхнем отрезе 20,0 см коэффициент полнодревесности данной плоской сплоточной единицы принимается равным 0,81, а масса сплоточного такелажа (скобы) составляет 50,0 кг. Неидентичные факторы, касающиеся ПСЕ3, следующие: коэффициент уменьшения диаметра для внутренних поперечных прокладок 0,85; коэффициент уменьшения диаметра для наружных поперечных прокладок 1,0; число проволоки в гибкой связи 15 шт.; предельно допустимое напряжение проволоки при растяжении 5·108 Па; плотность материала проволоки 7800 кг/м3; предельно допустимое напряжение гибкой связи при растяжении 5·108 Па; плотность материала гибкой связи 7800 кг/м3.

Принимая во внимание все условия по планированию первоначального сплава лесоматериалов в усовершенствованных плоских сплоточных единицах (при изменении транспортных условий на протяжении всей навигации) и используя установленные требования к параметрам всех факторов, влияющих на транспортно-эксплуатационные показатели сплоточных единиц, было выполнено оперативное планирование первоначального сплава лесоматериалов. При этом оперативное планирование первоначального сплава лесоматериалов в усовершенствованных плоских сплоточных единицах реализовывалось путём расчёта их основных транспортно-эксплуатационных показателей.

3.    Результаты

На основе параметров всех факторов, влияющих на транспортно-эксплуатационные показатели сплоточных единиц, реализовано оперативное планирование первоначального сплава лесоматериалов в усовершенствованных плоских сплоточных единицах. Полученные расчётные данные по основным транспортно-эксплуатационным показателям плоских сплоточных единиц приведены в таблице 2. Основные транспортно-эксплуатационные показатели усовершенствованных плоских сплоточных единиц, приведённые в таблице 2, подтверждают, что независимо от изменения минимальной ширины и глубины сплавного хода ПСЕ2 и ПСЕ3 имеют наиболее высокие показатели. При изменении ширины b_ЛХ и глубины h_ЛХ фактическая длина ПСЕ1, ПСЕ2 и ПСЕ3 остаётся постоянной, т. к. она зависит от длины заготавливаемых круглых лесоматериалов. В свою очередь, такие показатели у ПСЕ1, ПСЕ2 и ПСЕ3, как фактическая ширина, высота и осадка, непостоянные, и при сокращении габаритов сплавного хода они уменьшаются. Следовательно, сокращение габаритов сплавного хода приводит к уменьшению фактической ширины и высоты плоских сплоточных единиц, а значит, уменьшается объём древесины в них.

Таблица 2. Результаты   расчёта основных   транспортно-эксплуатационных показателей усовершенствованных плоских сплоточных единиц

Table 2. The results of the calculation of the main transport and operational indicators of improved flat raft units

Транспортно-эксплуатационные показатели	h Параметры показателей ЛХ b ЛХ
	2,0 10,0	1,9 9,8	1,8 9,6	1,7 9,4	1,6 9,2	1,5 9,0	1,4 8,8	1,3 8,6	1,4 8,8	1,5 9,0
—	Плоская сплоточная единица № 1 (ПСЕ 1)
Фактическая длина, м	6,0	6,0	6,0	6,0	6,0	6,0	6,0	6,0	6,0	6,0
Фактическая ширина, м	5,07	4,84	4,61	4,15	3,92	3,46	3,0	2,54	3,0	3,46
Фактическая высота, м	2,26	1,98	1,96	1,66	1,64	1,34	1,3	1,26	1,3	1,34
Фактическая осадка, м	1,7	1,49	1,48	1,25	1,24	1,01	0,98	0,95	0,98	1,01
Фактический объём древесины, м3	32,31	27,06	25,51	19,5	18,17	13,12	11,02	9,01	11,02	13,12
—	Плоская сплоточная единица № 2 (ПСЕ 2)
Фактическая длина, м	6,0	6,0	6,0	6,0	6,0	6,0	6,0	6,0	6,0	6,0
Фактическая ширина, м	5,29	4,83	4,6	4,14	3,91	3,45	2,99	2,53	2,99	3,45
Фактическая высота, м	2,05	2,03	1,78	1,76	1,5	1,48	1,24	1,23	1,24	1,48
Фактическая осадка, м	1,58	1,57	1,37	1,36	1,15	1,14	0,95	0,95	0,95	1,14
Фактический объём древесины, м3	45,58	41,25	34,35	30,7	24,59	21,5	15,57	13,08	15,57	21,5
—	Плоская сплоточная единица № 3 (ПСЕ 3)
Фактическая длина, м	6,2	6,2	6,2	6,2	6,2	6,2	6,2	6,2	6,2	6,2
Фактическая ширина, м	4,83	4,6	4,37	3,91	3,45	3,22	2,76	2,07	2,76	3,22
Фактическая высота, м	2,22	2,02	1,82	1,82	1,62	1,43	1,43	1,23	1,43	1,43
Фактическая осадка, м	1,69	1,54	1,39	1,39	1,23	1,08	1,08	0,93	1,08	1,08
Фактический объём древесины, м3	53,9	46,73	40,02	35,8	28,14	23,05	19,75	12,74	19,75	23,05

Обоснование эффективности выполнения первоначального сплава лесоматериалов на базе определённой сплоточной единицы реализуется с помощью графиков зависимости объёма древесины в усовершенствованных плоских сплоточных единицах от параметров сплавного хода. Указанные графики, изображённые на рисунке 3, были построены на основе расчётных данных, приведённых в таблице 2. В соответствии с изображёнными графиками наименьший объём содержания древесины у ПСЕ1, а наибольший объём древесины — у ПСЕ3. Исключением является случай, когда h_ЛХ = 1,3 м и b_ЛХ = 8,6 м, что соответствует меженному периоду года. При данных обстоятельствах ПСЕ2 содержит на 2,7 % больше древесины по сравнению с ПСЕ3.

Рисунок 3. Графики зависимости объёма древесины в усовершенствованных плоских сплоточных единицах от глубины и ширины сплавного хода

Figure 3. Graphs of the dependence of the volume of wood in improved flat raft units on the depth and width of the floating route

В практических условиях меженный период года, когда h_ЛХ = 1,3 м, а b_ЛХ = 8,6 м, может быть краткосрочным, интервальным и долгосрочным. Краткосрочный меженный период — это единичный случай в течение одной навигации, когда габариты сплавного хода имеют минимальные показатели. Интервальный меженный период — это неоднократное установление минимальных показателей сплавного хода в течение одной навигации, т. е. когда присутствуют постоянные колебания габаритов сплавного хода. В данном случае высшая точка — это максимальные габариты сплавного хода, а низшая точка — это минимальные габариты сплавного хода. Долгосрочный меженный период — это когда габариты сплавного хода однократно принимают минимальные значения в рамках одной навигации и на протяжении длительного времени остаются неизменными. При этом для каждого бассейна краткосрочный, интервальный и долгосрочный периоды устанавливаются индивидуально.

Так как, в соответствии с графиком, изображённым на рисунке 3, меженный период года влияет на выбор конструкции плоской сплоточной единицы, которая будет считаться базовой, поэтому требуется предметное обоснование целесообразности использования конструкции ПСЕ2 по отношению конструкции ПСЕ3 для каждого вида меженного периода.

Для краткосрочного меженного периода года обуславливаемся, что данный промежуток времени составляет пять рабочих дней. Рабочий день включает 8 ч, где интервал времени между плывущими плоскими сплоточными единицами составляет 0,1 ч. Следовательно, объём сплава лесоматериалов в ПСЕ3 за пять рабочих дней будет равен 5096,0 м3. В свою очередь, объём сплава лесоматериалов в ПСЕ2 за пять рабочих дней составит 5232,0 м3. Из данных расчётов видно, что разность между объёмом сплава лесоматериалов в ПСЕ2 и объёмом сплава лесоматериалов в ПСЕ3 равна 136,0 м3. Значит, целесообразность использования конструкции ПСЕ2 взамен конструкции ПСЕ3 при межени присутствует, т. к. транспортировка 136,0 м3 лесоматериалов сухопутным транспортом влечёт большие финансовые затраты. Исключение составляет тот случай, когда в меженный период планируется сплав лесоматериалов объёмом меньше или равным 5096,0 м3, что в практических условиях будет являться сплавом остаточного объёма заготовленных лесоматериалов на лесосеке.

Основным условием для интервального меженного периода является то, что в указанный период присутствует пятикратное установление минимальных показателей сплавного хода в течение одной навигации общей продолжительностью 20 рабочих дней. При этом рабочий день составляет восемь часов, а интервал времени между плывущими плоскими сплоточными единицами равен 0,1 ч. На основе принятых условий объём сплава лесоматериалов в ПСЕ3 за 20 рабочих дней составляет 20384,0 м3, а объём сплава лесоматериалов в ПСЕ2 за такой же период — 20928,0 м3. Таким образом, объём сплава лесоматериалов в ПСЕ2 превышает на 544,0 м3 объёма сплава лесоматериалов в ПСЕ3. Отсюда следует, что использование конструкции ПСЕ2 в меженный период является целесообразным, т. к. исключается необходимость транспортировки 544,0 м3 лесоматериалов сухопутным транспортом. Если в меженный период планируется сплав лесоматериалов объёмом меньше или равным 20384,0 м3, то необходимо использовать конструкцию ПСЕ3. Данные обстоятельства возникают при сплаве остаточного объёма заготовленных лесоматериалов на лесосеке.

В отношении долгосрочного меженного периода регламентируются следующие условия. Продолжительность данного периода составляет 35 рабочих дней. Рабочий день устанавливается восьмичасовым, а интервал времени между плывущими плоскими сплоточными единицами — 0,1 ч. Тогда объём сплава лесоматериалов в ПСЕ3 за 35 рабочих дней составит 35672,0 м3. При этом объём сплава лесоматериалов в ПСЕ2 за такой же период будет равен 36624,0 м3. Учитывая приведённый расчёт, можно сделать вывод, что целесообразность использования конструкции ПСЕ2 взамен конструкции ПСЕ3 при межени присутствует. Это связано с тем, что объём сплава лесоматериалов в ПСЕ3 меньше на 952,0 м3 по сравнению с объёмом сплава лесоматериалов в ПСЕ2. Целесообразность использования конструкции ПСЕ3 будет в том случае, когда сплав лесоматериалов в меженный период меньше или равен 35672,0 м3. Данные обстоятельства возникают при сплаве остаточного объёма заготовленных лесоматериалов на лесосеке.

Приведённые расчётные данные в таблице 2, построенные графики (рисунок 3) и установленный объём сплава лесоматериалов в меженный период года показывают, что при организации первоначального сплава лесоматериалов в усовершенствованных плоских сплоточных единицах при условии сплава их вольницей рационально использовать плоские сплоточные единицы, выполненные по патенту РФ № 2777676 (ПСЕ3) и по патенту РФ № 210485 (ПСЕ2). Данные плоские сплоточные единицы будут выступать как базовые при организации первоначального сплава лесоматериалов. В весенний и осенний периоды при изменении минимальной ширины сплавного хода от 10,0 до 8,7 м и минимальной глубины сплавного хода от 2,0 до 1,4 м следует использовать конструкцию плоской сплоточной единицы, выполненную по патенту РФ № 2777676 (ПСЕ3). Если b_ЛХ = 8,6 м, а h_ЛХ = 1,3 м, то в летний период года, когда наступает межень, необходимо применять конструкцию плоской сплоточной единицы, выполненную по патенту РФ № 210485 (ПСЕ2). Практическое использование различных конструкций плоских сплоточных единиц в зависимости от фактических габаритов сплавного хода в конкретный период времени осуществимо за счёт того, что грузовая платформа [16] позволяет изготавливать плоские сплоточные единицы ПСЕ3 (патент РФ № 2777676) и ПСЕ2 (патент РФ № 210485) без внесения в них конструктивных изменений. Указанная комбинация использования различных конструкций усовершенствованных плоских сплоточных единиц необходима для того, чтобы реализовать сплав максимального объёма лесоматериалов по водным объектам, имеющим лимитирующие габариты сплавного хода, за короткий промежуток времени.

4.    Обсуждение и заключение

Разработанная компьютерная программа для автоматизации процесса планирования первоначального сплава лесоматериалов в усовершенствованных плоских сплоточных единицах является современным решением для оперативного планирования сплава плоских сплоточных единиц вольницей при изменении транспортных условий, параметров используемых круглых лесоматериалов, физико-механических свойств сплавляемой древесины, процентного содержания древесины повышенной и ограниченной плавучести, а также вида используемого сплоточного такелажа. Программа для ЭВМ учитывает конструктивные особенности современных плоских сплоточных единиц (патенты РФ № 2777674, № 210485, № 2777676), предназначенных для эксплуатации в сложных условиях плавания, и позволяет установить конструкцию плоской сплоточной единицы, которая будет наиболее эффективной при сложившихся условиях выполнения сплава лесоматериалов. При этом установление приоритетности определённой конструкции усовершенствованной плоской сплоточной единицы осуществляется по расчётным данным её транспортноэксплуатационных показателей для конкретных условий сплавных работ.

Также реализовано оперативное планирование первоначального сплава лесоматериалов в усовершенствованных плоских сплоточных единицах при условии изменения ширины сплавного хода от 10,0 до 8,7 м и глубины сплавного хода от 2,0 до 1,4 м. Выявлено, что при изменении ширины и глубины сплавного хода следует использовать конструкцию плоской сплоточной единицы, выполненную по патенту РФ № 2777676 (ПСЕ3). В том случае, когда b_ЛХ = 8,6 м, а h_ЛХ = 1,3 м, необходимо применять конструкцию плоской сплоточной единицы, выполненную по патенту РФ № 210485. Указанная комбинация в практических условиях реализуема, т. к. грузовая платформа (патент РФ № 213802) позволяет изготавливать плоские сплоточные единицы (патенты РФ № 2777676 и № 210485) при погрузке лесоматериалов на лесопромышленном складе (терминале) или непосредственно на лесосеке.

Предлагаемая комбинация использования конструкций усовершенствованных плоских сплоточных единиц позволит наиболее эффективно выполнить первоначальный сплав лесоматериалов с максимальным использованием пропускной способности эксплуатируемых водных объектов, в т. ч. и в меженный период года.