Имитационное моделирование работы харвестера: алгоритмы и реализация

Проведение имитационных экспериментов с компьютерными моделями, учитывающими особенности машин и природно-производственных условий, помогает решать проблемы оптимального выбора техники для проведения промышленных лесозаготовок или рубок ухода за лесом. Методикой моделирования операций лесных машин, оснащенных манипулятором, занимались в СПбГЛТУ им. С. М. Кирова [5]. Проблемы расчета производительности операций лесосечных работ изучали в Сибирском федеральном университете [6]. В Петрозаводском государственном университете были проведены значительные работы по созданию моделей лесозаготовительных машин [1], [2], [3]. Модели создавались с помощью методов имитационного моделирования, ГИС-технологий и системы управления базами данных. Проводились работы по созданию моделей процессов заготовки древесины комплексами машин с использованием теории очередей [4].

На лесоинженерном факультете в сотрудничестве с НИИ леса Финляндии METLA и в соответствии с Программой стратегического развития ПетрГУ проводятся исследования операций лесозаготовительных машин в рамках проектов «Технико-экономическая и эколого-социальная оценка перспективности заготовки древесной биомассы для нужд местной энергетики с использованием логистического подхода и ГИС-технологий», «Новые трансграничные решения в области интенсификации ведения лесного хозяйства и повышения степени использования топливной древесины в энергетике».

Модель позволяет имитировать работу специализированных лесосечных машин (колесных харвестеров) и переоборудованной для работы в лесу дорожно-строительной техники (харвестеров на базе гусеничных экскаваторов). Исходными данными для работы модели являются характеристики сгенерированной модельной делянки и характеристики имитируемой лесозаготовительной машины.

Для моделирования работы машины в цикле выполняются три подпрограммы: определения следующей технологической стоянки; движения; валки и обработки деревьев.

При моделировании расположение машины в пространстве характеризуется двумя координатами и углом между продольной осью машины и осью координат. Машина движется по оси технологического коридора, валит и обрабатывает назначенные в рубку деревья. В модели реализованы проверки возможности наведения манипулятора и захвата дерева, а также проверки на возможное опрокидывание машины.

Если дерево прошло все проверки, то оно назначается в валку. При моделировании производится учет повреждений оставляемым на доращивание деревьям, нанесенных им в ходе работы лесной машины:

• •    повреждение кроны и ствола при наведении манипулятора;

• •    повреждения при валке дерева;

• •    повреждения при подтаскивании дерева;

• •    повреждения при обработке дерева.

После того как произведен расчет временных затрат по операциям валки, обрезки сучьев и раскряжевки, отмечаем дерево как поваленное.

При моделировании учитывается:

• •    время на наведение и доставку харвестерной головки к дереву;

• •    время на зажим дерева рычагами;

• •    время на валку дерева;

• •    время на обрезку сучьев и время раскряжевки ствола;

• •    время на перемещение порубочных остатков.

Также на каждой технологической стоянке учитываются временные промежутки на перевод манипулятора из транспортного положения в рабочее и из рабочего в транспортное.

Данные о полученных сортиментах и порубочных остатках включаются в специальные таблицы, которые содержат данные об объемах, координатах расположения в пространстве. Для каждого сортимента учитываются его длина и концевые диаметры.

Алгоритм моделирования работы харвестера представлен на рис. 1.

Рис. 1. Схема алгоритма моделирования работы харвестера:

а – основной цикл; б – подпрограмма движения; в – подпрограмма определения координат технологической стоянки; г – подпрограмма валки и обработки

Отличительными особенностями харвестера на базе экскаватора являются гусеничный движитель и поворотная платформа, на которой расположен как сам оператор, так и стрела с навешенной харвестерной головкой. Эти конструктивные особенности значительно влияют на мо-

делирование операций наведения харвестерной головки на дерево, подтаскивания дерева и перемещения порубочных остатков. При моделировании учитываются время поворота платформы

и время перемещения стрелы.

При наведении на дерево угол поворота платформы изменится и найдется как доля от полного оборота, а время на поворот платформы в секундах находится по формуле:

t pov

fabs ^yg i - yg 2 )

I 2 ■ n

■ 60

n

пл

леи с глубиной, равной клиренсу машины. Кроме этого, глубина колеи и уплотнение грунта могут ограничиваться экологическими условиями.

Также в подпрограмме передвижения учитываются повреждения, наносимые оставляемым на доращивание деревьям, которые возникают при перемещении лесной машины по технологическому коридору в условиях сложного рельефа местности. Рассчитываются обдиры коры от корпуса машины, а также процент повреждения корневой системы (за исключением зимнего времени).

Моделирование рассмотренных выше операций работы харвестера реализовано на языке С++ (компилятор MinGW, инструментарий Qt 4.5). Полученная программа позволяет работать в двух режимах: без визуального представления процесса моделирования и в графическом режиме (рис. 2).

где nпл – частота вращения платформы, мин. -1; yg1 – текущий угол поворота платформы, рад.; yg2 – новый угол поворота платформы, рад.

Время, затраченное на движение стрелы в секундах,

.fabs p(XД - Xмаш )2 + (Fd - Yмаш P - V(Xod - Xмаш P + (Yo-d - Yмаш P tper =                                                                                             , str

где Vstr – скорость перемещения стрелы, м/c; Xд,Yд – координаты дерева, м; Xмаш,Yмаш– координаты машины, м; Xold,Yold – координаты харве-стерной головки, м.

Общая скорость на операцию в секундах

op ( pov    per ) ∙ sov ,

где k _sov – коэффициент совмещения операций поворота и перемещения (по хронометражным наблюдениям за машиной).

В подпрограмме передвижения необходимо

Рис. 2. Графический режим моделирования работы харвестера: 1 – управление масштабом; 2 – отладочная информация; 3 – кнопка «Пауза»

учитывать грунтовые условия, которые влияют на возможность перемещения машины. Граничным условием, по которому определяем, что движение машины невозможно, является наличие ко-

На программы, реализующие данные модели, получено свидетельство о регистрации в Реестре программ для ЭВМ № 2012615490 от 19 июня 2012 года.

* Работа выполнена при поддержке Программы стратегического развития (ПСР) ПетрГУ в рамках реализации комплекса мероприятий по развитию научно-исследовательской деятельности на 2012–2016 гг.