Обоснование технологических решений сплошных рубок леса на основе имитационного моделирования и ГИС-технологий

При исследовании технологии и машин лесозаготовок все более широкое распространение получает метод имитационного моделирования [1-4], позволяющий учитывать большое число факторов, воздействующих на работу лесосечных машин, носящих случайный характер. При имитации технологического процесса лесозаготовок эксперименты проводятся с моделью технологического процесса, а не с самим реальным процессом. В этой связи появляется возможность проводить их по математически обоснованному плану с использованием соответствующих методов. В рассматриваемой задаче предметом труда является лес, запасы которого распределены на значительных площадях. Применение геоинформационных систем (ГИС) наиболее актуально т. к. с их помощью можно быстро и точно собирать и анализировать большой объем пространственных данных с высокой периодичностью [7].

В Республике Карелия общий объем лесозаготовок на сплошных рубках главного пользования составляет 90%. Решение задач повышения эффективности лесозаготовок немыслимо без применения современных систем лесозаготовительных машин, которые отвечали бы всем современным экономическим требованиям. Существующая в настоящее время широкая номенкла-

' Работа выполнена под руководством профессора

Ю. Ю. Герасимова

' Автор - инженер кафедры тяговых машин

тура лесосечных машин (отечественных и импортных) дает свободу выбора проектных решений по компонентам системы, что усложняет научно обоснованный выбор машин для конкретных природно-производственных условий функционирования.

Ранее нами было показано [5], что обоснование выбора технического решения с позиций системного подхода и использования современных информационных технологий (ГИС-технологий) позволяет обеспечивать высокую эффективность применения, а реализованные на этих принципах имитационные модели дадут возможность принять оптимальное решение о подборе техники для конкретных природно-климатических условий. Исследование качества и эффективности сложной технической системы, каковой является система машин для рубок главного пользования, характеризуется множеством неопределенных факторов: надежности машин, расположения лесосеки и погрузочной площадки, породного состава древостоя. Поэтому для обеспечения высокой эффективности систем лесных машин необходимы соответствующие исследования по оценке эффективности различных вариантов систем с расчетом экономических показателей функционирования, на основании которых принимается решение по выбору той или иной системы машин для конкретных условий проведения рубок.

Реализация данного подхода к оценке технологического процесса проведения сплошных рубок базируется на применении ГИС-технологий. На основе картографической информации, данных о лесном фонде на исследуемой территории, показателей надежности машин, их эксплуатационных характеристик, действующих цен на лесоматериалы, различных технологий лесозаготовок и вариантов организации технологического процесса с использованием компьютерной системы оценки проводится имитационное моделирование работы системы машин с определением следующих показателей функционирования: производительности, приведенных затрат и прибыли.

Предлагаемая нами система оценки функционирования систем машин на сплошных рубках реализуется в два этапа.

На первом этапе генерируется модельная лесосека. Характеристики модельной лесосеки эквивалентны реально существующей.

Второй этап включает выбор машин и оборудования, ввод действующих цен на лесоматериалы и затем в среде проводится имитационное моделирование работы систем машин с определением оценочных показателей (рис. 1): е производительности системы;

• е полных затрат на лесозаготовку и вывозку;

• • прибыли.

Рис. 1 Схема имитационного моделирования работы системы лесосечных машин на сплошных рубках леса

Эффективность работы системы лесных машин напрямую связана с показателями надежности техники. В теории надежности оперируют с такими случайными величинами, как ресурс, наработка до отказа, число отказов за некоторый период эксплуатации, время восстановления. Расчет времени простоя техники по причине отказов, возникающих в процессе работы, основывается на методе статистических испытаний. Этот метод сводится к имитационному моделированию реальных случайных процессов возникновения отказов. Исходным материалом для моделирования служат полученные в ходе реальных условий эксплуатации фактические данные об отказах тракторов [6], а также законы распределения времени возникновения отказов и времени восстановления. В результате анализа данных об отказах тракторов было установлено, что функции распределения отказов по их системам подчинены экспоненциальному закону распределения. Экспоненциальный закон характеризуется плотностью распределения наработки д<у отказа (плотностью вероятности отказов):

/(7) = X * ехр(-20, где X = const - интенсивность отказов (параметр закона распределения).

Наработка до отказа t моделируется с применением метода обратных функций:

t = -Т • 1п(Р),

где Т - средняя наработка на отказ, ч.; Р - равномерно распределенная от 0 до 1 случайная величина.

Моделирование отказов производится до тех пор, пока сумма наработок до отказов не превысит расчетное время трелевки древесины. Далее моделируется время устранения отказов по системам трактора и группам сложности.

Необходимые данные об эксплуатационных характеристиках машин и оборудования, показателях надежности и прочие имеются в соответствующих таблицах ГИС.

С использованием предложенной системы нами ведется оценка функционирования следующих систем машин и оборудования на сплошных рубках главного пользования:

• • валка деревьев МП-5 «Урал 2» + обрезка сучьев «Тайга-244» + трелевка ТЛТ-100;

в валка деревьев МП-5 «Урал 2» + обрезка сучьев «Тайга-244» + трелевка ТБ-1М-15;

• ® валка деревьев МП-5 «Урал 2» + обрезка сучьев и раскряжевка «Тайга-244» + трелевка ТБ-1М-16.

Выбор именно этих систем машин на рубках главного пользования обусловлен их низкими приведенными эксплуатационными затратами в расчете на 1 м3 заготовленной древесины.

В качестве различных вариантов организации технологического процесса сплошных рубок могут быть приняты комплексные бригады в составе:

• • вальщик - 1 человек + обрезчики сучьев - 1,

• 2,    3, 4 человека + 1 тракторист + 1 чокеров-щик при хлыстовой технологии (трактор ТЛТ-100);

а вальщик - 1 человек + обрезчики сучьев - 1,

• 2,    3, 4 человека + 1 оператор при хлыстовой технологии (трактор ТБ-1М-15);

а вальщик - 1 человек + обрезчики сучьев и раскряжевщики - 1, 2, 3, 4, 5, 6 человек + 1 оператор при технологии заготовки и трелевки древесины сортиментами (форвардер ТБ-1М-16).

Имитационная модель сплошных рубок с оценочными показателями реализована в виде программы для ЭВМ на языке Map Basic.

Предварительные результаты имитационного моделирования приведены в таблице 1.

Из приведенных данных можно сделать следующие выводы:

е наиболее эффективной является сортиментная технология заготовки древесины при которой отношение прибыли к затратам составляет от 0,54 до 4,48, в то время при хлыстовой технологии это соотношение составляет от 0,24 до 1,51;

е наиболее эффективной при хлыстовой технологии заготовки леса является комплексная бригада в составе: вальщик - 1 человек + обрезчики сучьев - 2 человека + 1 тракторист + 1 чокеровщик (трактор ТЛТ-100); вальщик -1 человек + обрезчики сучьев - 2 человека + 1 оператор (трактор ТБ-1М-15);

• • при сортиментной технологии заготовки леса на базе форвард ера ТБ-1М-16 оптимальный состав бригады следующий: вальщик - 1 человек + обрезчики сучьев и раскряжевщики -5 человек + 1 оператор.

о наилучшие показатели эффективности работы систем машин достигаются в сосновых древостоях (отношение прибыли к затратам составляет 4,48), минимальные - в смешанных древостоях (отношение прибыли к затратам составляет 0,24).