На правах рукописи
Антонова Татьяна Степановна
ОБОСНОВАНИЕ МЕТОДИКИ РАЗМЕЩЕНИЯ ЛЕСОСЕК И
ТРАНСПОРТНОГО ОСВОЕНИЯ ЛЕСОВ
ЛЕСОЗАГОТОВИТЕЛЬНОГО ПРЕДПРИЯТИЯ НА БАЗЕ
ГЕОИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ
05.21.01 – Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Санкт-Петербург – 2012 2
Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургском государственном лесотехническом университете им. С.М. Кирова»
(СПбГЛТУ)
Научный руководитель: кандидат технических наук, профессор Тюрин Николай Александрович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Овчинников Михаил Михайлович кандидат технических наук, профессор Ларионов Владимир Яковлевич
Ведущая организация: ФГУ «Санкт-Петербургский научноисследовательский институт лесного хозяйства»
Защита диссертации состоится «28» марта 2012 г. в 11 час на заседании диссертационного совета Д212.220.03 при Санкт-Петербургском государственном лесотехническом университете (194021, г. СанктПетербург, Институтский пер. 5, главное здание, зал заседаний)
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПбГЛТУ Автореферат разослан «_» _ 2012 г.
Ученый секретарь Диссертационного совета Бирман А.Р.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Эффективность работы лесозаготовительного предприятия зависит от рационального размещения лесосек на арендуемой территории. Задачу набора лесосек необходимо рассматривать в комплексе с их транспортным освоением, обеспечивающим эффективное использование, охрану, защиту и воспроизводство лесных ресурсов.
Набор летних и зимних лесосек и их транспортное освоение является сложной многоэтапной и многовариантной задачей. Решение этого вопроса связано с поиском лучшего варианта при учете климатических и природных условий, неравномерном распределении лесных ресурсов и требований передовых технологий заготовки древесины. В настоящее время работа, связанная с выбором летних и зимних лесосек на очередной год, выполняется в основном вручную.
Традиционный ручной способ подбора лесосек и их транспортного освоения основан на многоэтапной работе с многочисленными картами, схемами, планшетами в увязке с табличными данными лесоустроительной информации. Качество проектирования зависит от опыта специалиста, точности схем и карт, количества рассмотренных вариантов. В этой связи, научный и практический интерес представляют исследования, а так же практические разработки методики автоматизированного оптимального размещения лесосек по сезонам года, минимизирующей удельные транспортные затраты на трелевку и вывозку древесины, строительство и содержание лесных дорог.
Размещение лесосек и элементов их транспортного освоения имеет ярко выраженную географическую природу и наиболее рационально может быть реализовано современными средствами геоинформационных систем и систем спутникового позиционирования. Применение спутниковой навигации наиболее перспективно для полевого сбора и актуализации необходимой геоинформации и выноса в натуру лесных дорог и набранных лесосек при их отводе. Все это определило актуальность выбранной темы диссертации.
Цель работы. Целью работы является повышение эффективности транспортных процессов лесозаготовительного предприятия путем разработки методики рационального размещения лесосек и их транспортного освоения с учетом сезонного зонирования лесов.
Объект исследования. Объектом исследования является лесосечный фонд и транспортная сеть лесозаготовительного предприятия.
Предмет исследования: методика набора лесосек в рубку и календарная последовательность транспортного освоения лесов с учетом их сезонного зонирования на основе геоинформационных систем.
Методы исследования. Решение поставленных задач получено на основе системного подхода, математико-картографического моделирования, геоанализа и вычислительного машинного эксперимента средствами геоинформационных систем. Для разработки программного комплекса системы и экспериментальных исследований использовались:
геоинформационная система MapInfo, язык программирования MapBasic, операционная система Windows XP и пакет программ Microsoft Office.
Научная новизна исследования. Научной новизной обладают:
1. Методика рационального размещения лесосек и транспортного освоения лесов с учетом сезонного зонирования на базе геоинформационных систем.
2. Математическая модель рационального размещения лесосек и их транспортного освоения по сезонам (лето, зима) на период до 10 лет.
3. Программный комплекс PTOL на базе геоинформационной системы MapInfo, реализующий алгоритмы рационального подбора лесосек по сезонам освоения (лето, зима), с формированием календарной последовательности строительства дорог.
Практическая значимость работы. Практическая значимость работы заключается: в разработке методики, математической модели, алгоритма и программного обеспечения рационального размещения лесосечного фонда лесозаготовительного предприятия с учетом сезонного зонирования лесов, на срок до 10 лет, на основе геоинформационных систем. Использование методики и разработанного программного комплекса снизит затраты лесозаготовительного предприятия на трелевку, вывозку древесины, строительство, содержание и ремонт дорог.
Результаты исследований могут быть использованы лесозаготовительными предприятиями, научно-исследовательскими, проектными, и учебными заведениями лесной отрасли при разработке проектов освоения лесов и формировании лесной декларации.
Научные положения, выносимые на защиту:
- методика рационального размещения лесосек и транспортного освоения лесов с учетом сезонного зонирования на основе геоинформационных систем;
- математическая модель рационального размещения летних и зимних лесосек и их транспортного освоения на период до 10 лет;
- разработанный алгоритм оптимизации подбора лесосек и их транспортного освоения на основе метода динамического программирования;
- программный комплекс PTOL на базе геоинформационной системы MapInfo, реализующий алгоритмы рационального подбора лесосек по сезонам освоения (лето, зима), с формированием календарной последовательности строительства участков дорог.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы доложены, обсуждены и получили одобрения на заседаниях кафедры сухопутного транспорта леса СПбГЛТУ, научных конференциях профессорско-преподавательского состава СПбГЛТУ в 1998-2012гг.
Реализация результатов. Разработанная методика и программный комплекс был использован при подборе лесосечного фонда на 10 лет, с проектированием элементов технологических путей лесотранспорта в арендных лесах ЗАО «Комилесзаготпром», а так же при подборе лесосечного фонда и его транспортного освоения в арендных лесах ООО «ВЦБК-Лес».
Результаты исследования используются в учебном процессе при курсовом и дипломном проектировании студентами СПбГЛТУ.
Публикации. По результатам научных исследований опубликовано 6 печатных работ, в том числе 2 работы в изданиях, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки Российской Федерации.
Свидетельства и патенты. Разработанный программный комплекс транспортного освоения лесов PTOL зарегистрирован в Федеральной службе по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам.
Свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ №2011616538 от 19 августа 2011года.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и выводов, списка литературы и приложений.
Содержание работы изложено на 188 страницах машинописного текста, включая иллюстративный материал и приложения.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи работы, научная новизна, практическая значимость результатов работы и основные положения, выносимые на защиту.
Первая глава посвящена аналитическому обзору и научному анализу существующей методики отвода лесосечного фонда в рубку, и системе планирования транспортного освоения лесов.
Одной из основных задач лесозаготовительного предприятия является решение вопроса подбора лесосечного фонда и транспортного освоения лесов. Данные процессы взаимосвязаны между собой. Там, где существуют дороги, размещаются лесосеки, а туда где размещаются лесосеки, вынуждены строить дороги. Для осуществления предприятием лесозаготовительной деятельности разрабатывается проект освоения лесов.
Проект освоения лесов для каждого лесного участка содержит перечень лесотаксационных выделов, в которых проектируется заготовка древесины по годам планового периода. На основании проекта освоения лесов формируется лесная декларация, в которой указывается перечень лесосек, в которых осуществляется заготовка древесины на декларируемый год.
Вместе с тем, подбор выделов с формированием из них лесосек для заготовки по годам планового периода является сложной техникоэкономической задачей пространственно-временной динамики лесозаготовок, основанной на транспортном освоении лесов. Ручной способ подбора не учитывает всех требуемых факторов и, как правило, приводит к хаотичному строительству дорог и увеличению затрат. Для того чтобы рационально подобрать лесосечный фонд и построить дороги для транспортного освоения необходимо использовать возможности геоинформационных систем и математико-картографического моделирования.
Известно, что проблемами транспортного освоения лесов и организации лесосечно-транспортных работ в разное время занимались следующие ученые: Б.А. Ильин, Г.А. Борисов, Б.И. Кувалдин, В.И.
Алябьев, Ф.А. Павлов, А.К. Редькин, Р.Н. Ковалев, В.Н. Меньшиков, В.И.
Патякин, С.М. Базаров, И.Р. Шегельман, В.Я. Ларионов, Э.О. Салминен, Е.Г. Гладков, Н.А. Тюрин, Т.В. Коваленко, Д.Тан и другие специалисты, которыми разработаны методы и автоматизированные системы по решению данного вопроса.
Анализ литературных источников по теме диссертации, существующих правил отвода лесосек в рубку и правил заготовки древесины позволил сделать следующие выводы:
изменения в лесном законодательстве и быстрое развитие информационных компьютерных технологий требует новых подходов и решений задачи размещения лесосек и их транспортного освоения;
- комплексный учет всех требований при освоении лесных участков наиболее эффективен при использовании возможностей геоинформационных систем и математико-картографического моделирования;
- задача рационального размещения лесосек и их транспортного освоения может быть реализована в два этапа: на первом этапе разрабатывается генеральная схема полного транспортного освоения лесного участка лесовозными магистралями и ветками; на втором этапе, обеспечивается рациональный набор лесосек на плановый период с календарной последовательностью строительства участков магистралей, веток и усов на основе генеральной схемы дорог. На основании анализа состояния вопроса сформулированы и решены следующие задачи исследований.
Задачи исследования:
1. Разработать методику и математическую модель размещения лесосек, которая учитывает долгосрочные цели полного транспортного освоения и краткосрочные цели планируемого периода.
лесозаготовительного процесса и обеспечить взаимосвязь подбора лесосечного фонда и перспективных календарных планов ввода запроектированных генеральной схемой участков магистралей и веток.
3. Обеспечить возможность использования спутниковых навигационных систем для полевых работ отвода в рубку запланированных лесосек.
4. Выбрать метод математической оптимизации предложенной математической модели, разработать алгоритм и программный комплекс рационального размещения лесосек лесозаготовительного предприятия по сезонам освоения на основе геоинформационных систем.
Провести машинный эксперимент с использованием программного комплекса с целью апробирования работоспособности и оценки эффективности его использования.
6. С помощью разработанного программного комплекса решить задачу подбора лесосечного фонда и транспортного освоения лесов действующего лесозаготовительного предприятия и дать оценку ее эффективности.
Во второй главе рассматриваются теоретические предпосылки задачи обоснования размещения лесосек и их транспортного освоения.
Представлена математическая модель рационального размещения лесосек и транспортного освоения лесов, выбран и обоснован метод оптимизации.
Исходными данными являются: лесохозяйственный регламент лесничества, таксационное описание выделов, в которых возможна заготовка древесины, сезонное зонирование лесного участка на зоны зимней и летней заготовки, существующая дорожная сеть и генеральная схема полного транспортного освоения лесного участка магистралями и ветками.
Лесохозяйственные условия определяют сроки примыкания лесосек, максимальную площадь и ширину лесосеки, условия полной вырубки отведенной лесосеки в течение года, действующие нормы и правила отвода лесосек и заготовки древесины.
Для подбора лесосечного фонда и проектирования транспортной сети используем критерий минимума приведенных расходов на лесотранспорт: строительство необходимых участков дорог, на трелевку и вывозку древесины, на содержание и ремонт дорог. Задача оптимизации заключается в том, чтобы подобрать лесосечный фонд и создать такую сеть первичных технологических путей, магистралей и веток, чтобы затраты на строительство новых дорог, их содержание и текущий ремонт, затраты на вывозку и трелевку древесины были минимальны.
Для математического описания задачи введены следующие обозначения:
T – длительность планируемого периода ( от 1 до 10лет);
N– список возможных лесосек в лесосырьевой базе в зоне летней заготовки;
M– список возможных лесосек в лесосырьевой базе в зоне зимней заготовки;
n – номер лесосеки;
t – год учетного периода;
s– индекс сезона заготовки и категория дороги, s=1,2, где s=1 летний сезон, дорога круглогодового действия, s=2 зимний сезон, зимняя сезонная дорога;
lnус– протяженность уса для обслуживания n-ой лесосеки, км;
ltв,ltм ltус – среднее расстояние вывозки по ветке, магистрали, усу в tый год, км;
Ln– протяженность вывозки от n-ой лесосеки до нижнего склада или лесного терминала, км;
Qn –ликвидный запас древесины на n –ой лесосеке, м3;
Ps(t) –планируемый объем заготовки в лесном фонде в t–ом году учетного периода в s-ый сезон, м3;
Ssус, Ssv – средняя стоимость строительства 1 км лесовозного уса, ветки в s -ый сезон по предприятию, руб/ км;
Sm– средняя стоимость строительства 1 км лесовозной магистрали по предприятию, руб/ км;
Qср– средний запас древесины, м3/га;
dm,dv – зона тяготения лесных грузов к магистрали, к ветке, км;
Sв– стоимость машино-смены автопоезда на вывозке по предприятию, руб/маш.-смену;
Пsnсм– сменная производительность лесовозного автопоезда на вывозке в s-ый сезон с n-ой лесосеки, м3/смену;
предприятию, руб/маш.-смену;
Пsnтр– сменная производительность на трелевке в s -ый сезон в n-ой лесосеке, м3/смену;
Sр– средняя годовая стоимость содержания и ремонта лесовозных дорог по предприятию, руб/км.;
rус, rв, rм – коэффициент приведения, учитывающий затраты на содержание и ремонт усов, веток, магистралей (rус=0,5; rв=0,7; rм=1,0);
R– размер расчетной лесосеки, м3/год;
Условие примыкания лесосек формализуются следующим образом:
tn– год рубки n-ой лесосеки по срокам примыкания;
tl– год рубки рассматриваемой лесосеки;
p– срок примыкания лесосек из лесохозяйственного регламента лесничества;
примыкания: yn =0 – данная лесосека в t-ый год не отводится в рубку;
yn(t)=1 – данная лесосека в t-ый год отводится в рубку;
xt m = 1, xt v=1, если в t-ом году строится участок магистрали, ветки;
xt m = 0, xt v=0, если в t-ом году не строится участок новой магистрали, ветки.
Математическая модель задачи может быть представлена в виде:
( L,l )