«ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ПАРКА АВТОПОЕЗДОВ ПРИ ОСВОЕНИИ ТЕРРИТОРИАЛЬНО РАСПРЕДЕЛЕННЫХ ЛЕСНЫХ РЕСУРСОВ ...»

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования «Петрозаводский

государственный университет»

На правах рукописи

Иванова Ольга Анатольевна

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ПАРКА

АВТОПОЕЗДОВ ПРИ ОСВОЕНИИ ТЕРРИТОРИАЛЬНО

РАСПРЕДЕЛЕННЫХ ЛЕСНЫХ РЕСУРСОВ

Специальность 05.21.01 – Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Шегельман И. Р.

Петрозаводск –

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1 СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ТРАНСПОРТНОЙ ОСВОЕННОСТИ ЛЕСНЫХ

ТЕРРИТОРИЙ И АВТОМОБИЛЬНОГО ТРАНСПОРТА ЛЕСА

1.1 Понятие лесотранспортной инфраструктуры, её современное состояние и обзор научных исследований по данному направлению

1.2 Основные направления развития автомобильного транспорта леса, анализ научных исследований в данной области

1.3 Применение методов оптимизации для решения научнопроизводственных задач в лесопромышленном комплексе

1.4 Выводы по главе, цель и задачи диссертационного исследования...............

2 ОБОСНОВАНИЕ КОМПЛЕКТАЦИИ ПАРКА ЛЕСОВОЗНЫХ

АВТОПОЕЗДОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ МЕТОДА ДИНАМИЧЕСКОГО

ПРОГРАММИРОВАНИЯ

2.1 Применение метода динамического программирования для решения оптимизационных задач

2.2 Роль комплектации парка лесовозных автопоездов на этапе транспорта леса

2.3 Обоснование комплектации парка лесовозных автопоездов для обновления имеющегося подвижного состава

2.4 Обоснование комплектации парка лесовозных автопоездов, используемых на вывозке

2.5 Выводы по главе

3 ПРИМЕНЕНИЕ МНОГОКРИТЕРИАЛЬНОЙ ОПТИМИЗАЦИИ ДЛЯ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ЭТАПА ВЫВОЗКИ ЗАГОТОВЛЕННОЙ

ДРЕВЕСИНЫ

3.1 Применение многокритериальных задач принятия решения для решения оптимизационных задач

3.2 Постановка задачи оптимизации вывозки заготовленной древесины......... 3.3 Описание математической модели, действующей в задаче

3.4 Выводы по главе

4 ОЦЕНКА ЗАТРАТ НА СТРОИТЕЛЬСТВО ЛЕСОВОЗНЫХ

АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ТИПА ПОКРЫТИЯ.....

4.1 Описание методики

4.2 Расчет стоимости строительства постоянных лесовозных дорог (магистралей, веток)

4.3 Расчёт стоимости строительства временных лесовозных дорог (усов)....... 4.4 Выводы по методике

5 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ДВИЖЕНИЯ ЛЕСОВОЗНЫХ

АВТОПОЕЗДОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ СИСТЕМ GPS-МОНИТОРИНГА......... 5.1 Описание исследований

5.2 Описание технологического этапа вывозки, применяемого на лесозаготовительном предприятии ЗАО «Шуялес»

5.3 Обработка результатов движения лесовозных GPS-мониторинга автопоездов

5.4 Выводы по главе

6 АПРОБАЦИЯ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ С ЦЕЛЬЮ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ЭТАПА ВЫВОЗКИ ЗАГОТОВЛЕННОЙ

ДРЕВЕСИНЫ

6.1 Апробация математической модели для обоснования комплектации парка лесовозных автопоездов для обновления имеющегося подвижного состава ....... 6.2 Апробация математической модели комплектации парка лесовозных автопоездов, используемых на вывозке

6.3 Апробация задачи многокритериальной оптимизации с целью совершенствования этапа вывозки заготовленной древесины

6.4 Выводы по главе

ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ВВЕДЕНИЕ

Государственного совета «О повышении эффективности лесного комплекса лесозаготовительного производства.

В любой технологической схеме применяемой в производственном цикле на стадии заготовки древесины, вывозка и перевозка лесоматериалов играет связующую роль между лесосечными работами и отгрузкой лесоматериалов потребителям. Так как, обладая обширными запасами лесных ресурсов, транспортная освоенность лесных территорий остается низкая, то перед лесозаготовителями возникает вопрос о путях совершенствования технологического процесса вывозки древесины, направленного на повышение возможности освоения труднодоступных лесов.

В настоящее время остро стоит вопрос повышения стабильности рабочего транспортировки заготовленной древесины. Их безубыточное и устойчивое усовершенствованием применяемых технологий вывозки, поддержанием предъявляемым к ним нормативным требованиям, а также строительством лесовозных дорог, для полного освоения разрабатываемых лесосек.

Решению поставленной задачи могут способствовать исследования в автопоездов путем рациональной комплектации автопарка и учета состояния лесотранспортной сети.

Степень разработанности.

Диссертационная работа представлена в виде полноценного научного рекомендаций, списка используемой литературы из 127 наименований. В работе изучено состояние проблемы, описана постановка цели и задач, разработаны математическая модель обоснования комплектации парка лесовозных автопоездов с целью обновления имеющегося подвижного состава и математическая модель обоснования комплектации парка лесовозных совершенствования этапа вывозки заготовленной древесины, учитывающая состояние лесотранспортной инфраструктуры и автопарка, используемого на вывозке. Сформирована база данных оценки затрат на строительство лесовозных автомобильных дорог в зависимости от типа покрытия, проведены экспериментальные исследования движения лесовозных автопоездов с применением систем GPS-мониторинга, представлены результаты апробации рекомендации.

Общий объём работы 134 страницы, 20 рисунков, 9 таблиц.

функционирования лесовозных автопоездов путем рациональной комплектации автопарка и учета состояния лесотранспортной сети.

Объекты исследований: технологические процессы и транспортные средства для вывозки заготовленной древесины, тип покрытия лесовозных автомобильных дорог по которым осуществляется вывозка.

Предмет исследования: выявление оптимальных решений для обоснования направления развития этапа вывозки заготовленной древесины, учитывая состояние используемой сети лесовозных дорог и лесовозных автопоездов, участвующих в технологическом процессе вывозки.

Задачи исследования.

лесовозных автопоездов, приобретаемых для замены используемого подвижного состава и дальнейшего использования на вывозке, учитывая затраты на содержание одной машино-смены.

2. Разработать зависимость оптимального направления совершенствования технологического этапа вывозки заготовленной древесины, учитывая используемого на вывозке.

3. Разработать базу данных затрат на строительство магистралей, веток и усов лесовозных дорог с разными типами покрытий.

4. Провести экспериментальные исследования движения лесовозных автопоездов, используемых на вывозке лесозаготовительными предприятиями с применением GPS-мониторинга, с целью выявления закономерностей, между основными характеристиками, влияющими на 5. Апробировать разработанные модели на экспериментальных данных.

6. Разработать рекомендации, позволяющие применять разработанные модели, алгоритмы на практике.

Научная новизна исследования заключается в том, что полученные результаты позволят лесопромышленным предприятиям принимать научно обоснованные решения по формированию парка лесотранспортных средств, используемых на вывозке учитывая состояние лесотранспортной инфраструктуры.

Теоретическая и практическая значимость работы заключается в том, что разработанные модели и зависимости позволят лесозаготовителю определиться с выбором направления совершенствования технологического этапа транспортировки заготовленной древесины. Учитывая затраты на себестоимость вывозки 1 м3 лесоматериалов, производительность применяемых автопоездов, затраты на строительство, ремонт дорожной сети и приобретение подвижного состава, количество автопоездов используемых на вывозке, обосновать применяемые на вывозке технологические схемы, улучшить технико-экономические показатели всего предприятия.

Методология и методы исследования.

отечественных и зарубежных ученых в области развития вопросов лесотранспортной инфраструктуры, автомобильного транспорта леса, оптимизации производственных процессов в лесопромышленном комплексе.

В процессе выполнения работы применялись метод динамического программирования, методы математической статистики и принятия решений на основе многокритериальной оптимизации. Постановка эксперимента реализована с помощью языка программирования Visual Basic в Microsoft Office Excel. Обработка экспериментальных данных полученных в ходе исследования осуществлена в Microsoft Office Excel, Mathcad 13.

Положения, выносимые на защиту.

1. Математические модели формирования парка лесовозных автопоездов, приобретаемых для замены используемого подвижного состава и дальнейшего использования на вывозке.

2. Зависимость оптимального направления совершенствования технологического этапа вывозки заготовленной древесины, учитывающая используемого на вывозке.

3. База данных затрат на строительство магистралей, веток и усов лесовозных дорог с разными типами покрытий.

4. Результаты экспериментальных исследований движения лесовозных автопоездов, используемых на вывозке лесозаготовительными предприятиями с применением систем GPS-мониторинга.

5. Результаты апробации разработанных моделей на экспериментальных 6. Рекомендации, позволяющие применять разработанные модели, алгоритмы на практике.

Степень достоверности и апробация результатов.

Практическая апробация разработанных алгоритмов реализована на лесозаготовительном предприятии ЗАО «Шуялес» на стадии планирования транспортных процессов.

Международных научно-технических конференциях «Актуальные проблемы и перспективы развития лесопромышленного комплекса» (Кострома, 2013), «Механика технологических процессов в лесном комплексе» (Воронеж, 2014), на Всероссийском конкурсе молодежных авторских проектов, направленных на социально-экономическое развитие российских территорий «Моя страна – моя Россия» (Москва, 2012), на Республиканских научных конференциях «Повышение эффективности лесного комплекса Республики Карелия»

(Петрозаводск, 2012, 2013), на заседаниях кафедры технологии и оборудования лесного комплекса и НТС КарНИИЛПКа ПетрГУ.

1 СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ТРАНСПОРТНОЙ ОСВОЕННОСТИ

ЛЕСНЫХ ТЕРРИТОРИЙ И АВТОМОБИЛЬНОГО ТРАНСПОРТА ЛЕСА

1.1 Понятие лесотранспортной инфраструктуры, её современное состояние и обзор научных исследований по данному направлению Под понятием лесотранспортная инфраструктура принимают во внимание совокупность лесовозных дорог и дорог общего пользования, используемых для вывозки и перевозки заготовленных лесоматериалов.

инженерных сооружений, обеспечивающих бесперебойное и безопасное движение автомобилей и автопоездов с расчетными нагрузками и скоростями.

Строительство автомобильных лесовозных дорог необходимо для их использования с целью взаимосвязи технологических процессов на лесозаготовительных операциях и лесного хозяйства. В зависимости от своего назначения, годового объёма вывозки и структуры лесозаготовительного предприятия лесовозная дорога может входить в состав лесопункта;

представлять собой самостоятельный цех, обслуживающий несколько лесопунктов; входить в состав крупного транспортного предприятия, обслуживающего несколько лесозаготовительных предприятий. [74] Транспортная сеть, используемая лесозаготовителем для вывозки и перевозки заготовленных лесоматериалов, подразделяется в зависимости от срока эксплуатации, времени действия и расчётного объёма перевозок в год.

В зависимости от срока эксплуатации лесовозные дороги делятся на постоянные и временные. К постоянным лесовозным дорогам относят магистральные дороги, срок эксплуатации которых выше пяти лет. Они соединяют лесной массив с нижним складом. К временным лесовозным дорогам относят ветки и лесовозные усы, срок службы которых не превышает пяти лет. Как правило, усы примыкают к магистрали или ветке и служат для вывозки заготовленной древесины с одной или нескольких лесосек.

По времени действия лесовозные дороги разделяют на круглогодовые и сезонные. Круглогодовые лесовозные дороги используются в течение всего календарного года заготовки древесины. Сезонные дороги эксплуатируются в зависимости от сезона заготовительных работ, поэтому выделяют два основных вида сезонных дорог – летние и зимние. Строительство летних и зимних лесовозных дорог осуществляется на основании анализа грунтовых условий лесных массивов. По результатам которого, осуществляют их распределение на зоны летнего и зимнего освоения. К зоне летнего освоения относят участки с плотными грунтами, к зоне зимнего освоения – лесосеки на переувлажненных и заболоченных участках, неравномерным запасом лесных насаждений, для освоения которых необходима обильная протяженность лесовозных дорог.

В зависимости от расчётного объёма перевозок древесины в год автомобильные дороги лесного комплекса и их отдельные участки в соответствии со СНИПом 2.05.07 – 91 подразделяются на четыре категории, млн. т. нетто/год: I-л категория – от 0.35 до 0.7, II-л категория – от 0.14 до 0.35, III-л категория – менее 0.14, к категории IV-л относятся лесовозные дороги с невыраженным грузооборотом.

Стоит отметить, что состояние дорожной сети оказывает колоссальное влияние на качество освоения лесосек, так как дорожная сеть, находящаяся в технически плохом состоянии ведет к снижению выработки систем лесосечных машин, поэтому технологический процесс может быть нарушен в любой момент времени, а запасы не вывезенной древесины на лесосеке снижают её качество [81].

По данным Росавтодора [39], доля дорог регионального и муниципального значения, не отвечающих нормативным требованиям, в республике Карелия составляет 75%. Согласно лесному плану республики Карелия [68], густота дорожной сети в республике, используемая для перевозки лесных грузов составляет 1,84 км на 1000 га, но для полного освоения лесных территорий всеми лесохозяйственными мероприятиями плотность дорог должна находиться в пределах от 5 до 10 км на 1000 га.

С применением на вывозке тяжеловесного транспорта увеличился процент дорог требующих ремонтных работ. Из территориальных дорог общего пользования запроектированы и построены под осевую нагрузку 12 т – 1 % от всех имеющихся дорог, под нагрузку 10 т – 3 %, оставшиеся 96 % построены под осевую нагрузку до 6 т. В среднем по республике Карелия около 45% дорог требует капитального ремонта и реконструкции. Основными видами ремонтных работ на лесовозных дорогах являются усилие дорожной одежды и перестройка деревянных мостов. Данные виды ремонтных работ широко распространены в связи с увеличением движения тяжеловесного транспорта.

Для предотвращения возможных непредвиденных ситуаций, связанных с преждевременным разрушением дорожного полотна, необходимо уделять внимание при строительстве автомобильных лесовозных дорог качеству и типу дорожной одежды.

Дорожная одежда является частью лесовозной дороги, по которой происходит движение лесовозных автопоездов. Её прочность зависит от её способности обеспечить суточный и годовой объём вывозки леса. Поэтому одним из рациональных путей увеличения объёмов вывозки леса является улучшение технического состояния дорожных одежд лесовозных автомобильных дорог. На практике при строительстве магистралей и веток лесовозных дорог, предпочтение отдают дорожным одеждам на основе гравия и щебня, покрытиям и основаниям из грунтов укрепленных вяжущими материалами, покрытиям из черного щебня (гравия) и асфальтобетона. При строительстве лесовозных усов в качестве покрытий используют покрытия из лесосечных отходов (хворостяную подушку), гравийные покрытия.

Однако перечисленные типы покрытий требуют постоянного технического усовершенствования, потому что от их состояния зависит производительность работы лесозаготовительных предприятий.

В процессе лесозаготовок на территориях со слабыми заболоченными грунтами, где работа трелевочных тракторов и транспортных средств невозможна, широко используют зимние лесовозные дороги со снежным, снежно-ледяным и ледяным покрытием. Главным преимуществом зимних лесовозных дорог заключаются в уменьшении расходов на текущий ремонт и содержание.

Строительство новых лесовозных дорог и капитальный ремонт имеющейся капиталовложений. Одним из важнейших этапов дорожного строительства лесовозных автомобильных дорог является транспортировка материалов.

Транспортные расходы составляют 30-50% от общей сметной стоимости дорожных работ, а в некоторых случаях приближаются к стоимости самого материала или превышают её. В большинстве случаев одним из эффективных путей снижения транспортных расходов является использование местных строительных материалов, отвечающим всем нормативным требованиям [69].

Состояние лесовозных дорог, удовлетворяющее всем нормативнотехническим требованиям, оказывает положительное влияние на качество освоения лесосек, снижается себестоимость вывозки заготовленной древесины и лесосечных отходов, что впоследствии влияет на полное использование лесосечного фонда [81].

лесотранспортной инфраструктуры являются одним из самых перспективных научных направлений для ученых лесного хозяйства.

Весомый вклад в развитие данного вопроса внесли ученые Д. М. Афоничев [18], [19], [20], [21], О. Н. Бурмистрова [31], [32], Ю. Ю. Герасимов [34], Е. В.

Кондрашова [52], А. Н. Кочанов [56], Б. И. Кувалдин [60], В. К. Курьянов [65], Л. С. Матвиенко [74], А. В. Скрыпников [89], Ф. А. Павлов [81] и другие. Под руководством перечисленных учёных, опубликованы научные статьи, написаны методические и учебные пособия по данному направлению.

В работе [34] Ю. Ю. Герасимовым перечислены основные факторы, за счёт которых при наличии густой сети лесовозных дорог достигается экономический эффект деятельности лесозаготовительного предприятия. К ним относятся: беспрерывность работ на лесозаготовках и вывозке лесоматериалов, включая периоды распутицы, сокращение расстояния трелёвки и расстояния между делянками и погрузочным пунктом у дороги, сокращение общих издержек и расходов на автотранспорт за счет возможности выбора более короткого маршрута, достижение экономии на разных этапах проведения работ в области лесовосстановления, ухода за молодняком и других лесоводственных мероприятий, достижение оптимизации расходов на складирование, сохранение высокого качества круглых лесоматериалов, использование сети лесовозных дорог для других лесохозяйственных мероприятий, в том числе и для организации защиты леса от пожаров.

Для достижения подобного экономического эффекта на практике, учёными проводится плодотворная научная работа по двум основным направлениям вопроса развития лесотранспортной инфраструктуры – исследования, связанные с обоснованием и разработкой методик проектирования сети лесовозных дорог и исследованиями в области повышения транспортноэксплуатационных качеств лесовозных дорог, оценкой эксплуатационной надежности дорожных покрытий.

Проблема обоснования и разработки методик проектирования сети лесовозных дорог отражена в работах Д. М. Афоничева [18], [19], [20], [21], Л.

Я. Громской [37], А. П. Мохирева [77], Д. В. Рожина [86], В. Т. Суриковым [95], А. Н. Тюрина [96].

Многие научные статьи Д. М. Афоничева посвящены анализу схем транспортного освоения лесных массивов, пространственному размещению лесовозных усов на лесосеке [20]. В работе [18] представлен анализ аналитических зависимостей для расчета оптимальной протяженности лесовозного уса и оптимальной длины его грунтового участка. По полученным результатам установлено, что с экономической точки зрения оправдано прокладывать ус в лесосеку на некоторую часть ее глубины. Величина глубины лесосеки зависит от ее размеров, от соотношения удельных стоимостей строительства, содержания и ликвидации уса, трелевочных волоков, вывозки и трелевки древесины, а также от ликвидного запаса древесины.

Также обоснован угол примыкания лесовозных усов относительно положения пункта примыкания лесовозной магистрали к зоне тяготения лесовозной ветки при схеме размещения дорог в лесосырьевой базе «в елочку»

делится на «ближнюю» и «дальнюю» части. В «дальней» части при определенных параметрах лесосек целесообразно лесовозные усы к ветке прокладывать под углом равным оптимальному углу примыкания ветки к магистрали, что позволяет снизить затраты на вывозку древесины по ветке. В «ближней» части, а также при вильчатой и комбинированной схемах размещения дорог в лесосырьевых базах для снижения затрат на вывозку древесины следует усы прокладывать под оптимальными углами, определяемыми по установленной аналитической зависимости описанной в работе [19].

В работе [21] автором предложен способ транспортного освоения лесосырьевых баз, обеспечивающий снижение энергозатрат на вывозку лесоматериалов из лесосек. Предлагаемый способ может быть реализован при схемах транспортного освоения лесосырьевых баз: глубинной, с последовательным продвижением в лес, при схемах размещения путей в лесосырьевых базах: вильчатой, в елочку, комбинированной, с двумя расходящимися магистралями. Энергоэффективность предложенного способа осуществляется за счёт прокладки усов под прямым углом к ветке в части зоны её тяготения, расположенной с глубинной стороны осваиваемой лесосырьевой базы. Дополнительный пробег транспортных средств и дополнительная грузовая работа по ветке в пять раз больше, чем дополнительный пробег и дополнительная грузовая работа по усам при прокладке усов к ветке под углом равным оптимальному углу примыкания ветки к магистрали.

В исследовании А. П. Мохирева [77] разработана методика проектирования схемы сети лесных дорог и определения экономически доступных участков лесного фонда, учитывающая основные природно-климатические и техникоэкономические факторы для прогнозирования и планирования участков лесного фонда. В работе определены аналитические зависимости экономической доступности лесных ресурсов от основных технико-экономических и природноклиматических факторов. Выведены закономерности влияния стоимости строительства дороги и вывозки древесины на оптимальную схему сети лесовозных дорог. Разработана универсальная методика проектирования оптимальной схемы сети лесовозных дорог и определения экономической доступности лесных ресурсов для объектов разной площади квартал, арендный участок, лесничество, группа лесничеств, учитывающая возрастную динамику всего лесного фонда рассматриваемого объекта.

В. Т. Суриковым [95] разработан алгоритм определения оптимальной конфигурации и структуры лесотранспортных сетей. Автор предлагает конфигурацию лесотранспортной сети определить как совокупность маршрутов перемещения древесины из всех точек лесосырьевой базы на нижний склад.

Структура лесотранспортной сети зависит от видов лесотранспорта, которые с экономической точки зрения целесообразно использовать на определённых участках лесотранспортной сети.

Исходными данными для определения конфигурации лесотранспортной сети являются: конфигурация лесосырьевой базы (её размеры, рельеф местности, распределение запасов древесины); количество нижних складов; существующие виды дорог; возможные виды транспорта.

В качестве функции оптимизации принята функция минимизации полных затрат на полное освоение всей лесосырьевой базы за срок её освоения.

В настоящее время научные исследования по данному направлению проводятся с применением геоинформационных систем, которые позволяют проводить виртуальный эксперимент для апробации предлагаемых методик, моделей, алгоритмов.

В исследовании Л. Я. Громской [37] главной целью является повышение эффективности работы лесотранспортных средств путем оптимизации структуры сети лесных автомобильных дорог и их рационального размещения на основе геоинформационных систем.

В результате теоретических и экспериментальных исследований параметров структуры сети лесных дорог было установлено, что требуемая густота лесных магистралей и веток зависит, от капитальности дорожных конструкций, лесовозного автомобильного транспорта, применяемого на вывозке и концентрации запасов древесины. Строительство капитальных дорог и использование лесовозных автомобилей большой грузоподъемности снижают требуемую густоту магистралей и веток на единицу площади, что приводит к увеличению эксплуатационных затрат на лесовозный транспорт.

предложено предварительное разделение лесного фонда на зоны сезонной эксплуатации на базе геоинформационных систем, что позволит повысить обоснованность выбора типа проектируемых дорог для обеспечения ритмичности вывозки древесины по сезонам года.

обеспечивает взаимное и равномерное их размещение, при этом, себестоимость лесосечно-транспортных работ снижается на 5%.

Д. В. Рожиным [86] предложена методика оптимального проектирования сети лесовозных дорог, методика оптимизации конструкций альтернативных планирования сети автомобильных лесовозных дорог, позволяющие одновременно проектировать оптимальную сеть дорог и оптимизировать конструкции дорог в зависимости от распределения лесных ресурсов по рассматриваемой территории, почвенно-грунтовых и гидрологических условий, местоположения и характеристик источников строительных материалов (карьеров), местоположения потребителей, а также имеющейся дорожной инфраструктуры.

На основании этих данных разработана компьютерная информационновычислительная система для проектирования сети лесовозных автомобильных дорог на основе ГИС-технологий. Апробация показала, что экономическая эффективность применения предложенной компьютерной программы в сравнении с результатами ручного планирования составляет 10 %, удельные затраты на строительство и ремонт дорог снижаются в среднем на 5%.

В своей исследовательской работе А. Н. Тюрин [96] обосновал и разработал методику организации лесосечно-транспортных процессов на базе геоинформационных систем и систем спутникового позиционирования.

Автором предложена методика на основе математических моделей, алгоритмов и программных средств позволяющая формировать рациональные пространственно-временные схемы транспортного освоения лесосек, выбирать оптимальную структуру технологических лесотранспортных путей и дорожные конструкции на лесовозных усах с учётом лесохозяйственных, технологических и климатических факторов, что позволяет получить существенный экономический эффект.

Предлагаемая методика обеспечивает не только создание ГИС-проектов технологических карт разработки лесосек, но и их вынос в натуру, и реализацию средствами спутниковой навигации.

Работы перечисленных выше авторов обширно раскрывают состояние вопроса развития лесотранспортной инфраструктуры в области проектирования сети лесовозных дорог. Предложены разные методики для пространственного размещения лесотранспортной сети с целью повышения техникоэкономических показателей на вывозке заготовленной древесины, учитывая природно-производственные факторы лесосек.

Однако для полного раскрытия темы развития лесотранспортной инфраструктуры, необходимо уделять внимание вопросам повышения транспортно-эксплуатационных качеств лесовозных автомобильных дорог и оценке эксплуатационной надежности дорожных покрытий. Этим вопросам посвящены работы О. Н. Бурмистровой [31], [31], Р. А. Гниломедова [35], Е. В.

Кондрашовой [52], С. А. Король [55], Ю. В. Лобанова [69], А. Н. Петрова [83], А. В. Скрыпникова [89].

В работе [31] О. Н. Бурмистровой доказано, что режим движения лесовозного автомобильного автопоезда отличается от режима движения автопоезда общего назначения и одиночного грузового автомобиля. По результатам исследований доказано, что конструктивные параметры, приводящие к колебаниям прицепов, полуприцепов и роспусков к изменению их тягово-динамических характеристик, предъявляют свои требования к назначению элементов плана лесовозных автомобильных дорог. Продолжение исследований подобного характера представлено в работе [32], в которой автором представлены математические модели, позволяющие рассчитать вертикальные и горизонтальные реакции на колёсах автопоезда в режимах экстренного и служебного торможения, а также модели для определения силовых и кинематических параметров, присущих процессу торможения лесовозных автопоездов в любых эксплуатационных условиях. Особое внимание автором уделено теоретическому обоснованию метода управления качеством дорожных покрытий на основе оптимизации ремонтных работ в условии ограниченных ресурсов, отличающееся тем, что позволит повысить транспортно-эксплуатационный уровень лесовозных автомобильных дорог, и будет способствовать более обоснованному планированию ремонтных мероприятий и рациональному использованию материальных ресурсов.

Автором предложены математические модели метрологического обеспечения измерений при ремонте и содержании лесовозных автомобильных дорог, позволяющие выявить влияние качества работ по содержанию и текущему ремонту на транспортно-эксплуатационные показатели автомобильных дорог, разработаны алгоритмы, реализующие модели анализа дорожных условий с целью выявления мест повышенной опасности, позволяющие разработать и назначить мероприятия по их ликвидации.

Р. А. Гниломедовым [35] разработаны методики обследования и определения эксплуатационного состояния покрытий лесовозных автомобильных дорог для планирования ремонтных работ по критериям, обеспечивающим эффективность и безопасность дорожного движения. В результате проведённых теоретических и экспериментальных исследований разработаны методики по обследованию транспортно-эксплуатационных характеристик автомобильных дорог, которые позволили получить:

фактические данные о качественном состоянии покрытия, объективное представление о тенденциях изменения качественного состояния элементов автомобильной дороги во времени, что будет способствовать своевременному и обоснованному планированию ремонтных мероприятий, объемов и видов первоочередных работ.

Результаты исследований показали, что средние расчётные скорости транспортных потоков, имеют тенденцию к росту на отдельных участках дорог, но в целом остаются довольно низкими, что приводит к росту себестоимости автомобильных перевозок. Высокая интенсивность дорожного движения и несвоевременное проведение работ по ремонту и содержанию дорожных покрытий способствуют их ускоренному износу и ухудшению их сцепных свойств. Возросшие осевые нагрузки транспортных средств, способствуют ухудшению ровности дорожных покрытий.

В исследованиях Е. В. Кондрашовой [52] усовершенствована методика экспресс-контроля состояния участков лесовозных автомобильных дорог позволяющая уточнить степень вреда от проезда тяжеловесных автопоездов в любой момент времени и за любой период в пределах фактического срока службы дорожной одежды, а также выявить участки с ослабленным основанием и назначить соответствующие мероприятия по их восстановлению.

Предложен метод планирования ремонтных работ с учётом ограничений по техническим требованиям и условиям на имеющиеся трудовые и материальные ресурсы позволяет эффективно решать задачи оптимизации затрат для последовательных и параллельных множеств работ, что обеспечивает удовлетворительное состояние проезжей части лесовозных автомобильных дорог.

Также разработаны математические модели и алгоритмы поиска оптимального объема поставок ресурсов для ремонта позволяющие учесть зависимость затрат на транспортировку дорожно-строительных материалов от объема поставляемой партии. Полученные результаты позволяют обеспечить эффективное управление запасами материалов при содержании и ремонте лесовозных автомобильных дорог, а также учитывают широкий спектр изменения стоимости дорожно-строительных материалов и их доставки.

Исследования С. А. Король [55] направлены на совершенствование транспортно-эксплуатационных показателей лесных автомобильных дорог на основе комплексной оценки дорожных условий и управления качеством дорожных покрытий в условиях ограниченных ресурсов и экологической безопасности.

Автором разработана методика качественного состояния лесных автомобильных дорог, позволяющая определить рациональные сроки проведения ремонта и выбирать наиболее рациональные виды ремонтных работ.

Разработан алгоритм управления качеством дорожных покрытий в условиях ограниченных ресурсов, позволяющий инспектировать качество выполнения ремонтных работ.

Проблема организации ремонтных работ отражена в исследовании Ю. В.

Лобанова [69]. Разработанный метод управления качеством ремонтных работ на основе минимизации среднегодовых суммарных дорожно-транспортных затрат с учётом стоимостей средних, текущих ремонтов и транспортных расходов позволяет получать зависимости о минимальных сроках завершения работ для решения. Полученные зависимости необходимы для решения задачи минимизации продолжительности выполнения комплекса работ по ремонту участков лесовозных автомобильных дорог. Транспортная составляющая суммарных затрат зависит от интенсивности и состава движения, себестоимости перевозок. Характер изменения себестоимости перевозок во времени зависит от ровности проезжей части дороги.

Автором доказано, что использование грунтов повышенной плотности из местных материалов в основании дорожных одежд является наиболее экономичным способом повышения их долговечности и снижения стоимости строительства, позволяет увеличить прочность грунтового основания до 98 Мпа и уменьшить толщину щебня на 10%.

А. Н. Петров [83] к решению данной проблемы подошёл с точки зрения повышения транспортно-эксплуатационных качеств лесовозных автомобильных дорог на стадии проектирования и эксплуатации путем уточнения методов расчета напряженно-деформированного состояния дорожной конструкции, моделирования разрушения и изнашивания дорожного покрытия, а также разработка методов определения вероятности безотказной работы дорожных покрытий.

В своём исследовании автор применяет методы для определения вероятности безотказной работы участка лесовозной дороги вследствие эрозионного и усталостного изнашивания дорожного покрытия, методы оценки вероятности безотказной работы дорожных покрытий лесовозных автомобильных дорог при разрушении от однократного приложения нагрузки, при циклических нагрузках с позиций механики разрушения и использования кривой усталости.

Результаты, полученные в результате исследований путем применения георадаров показывают, что использование данного оборудования позволяет получать непрерывную и полную информацию о состоянии дорожной конструкции, которая может быть положена в основу прогнозирования работ по ремонту и содержанию. Точность получаемых данных получаемых данных в значительной степени превышает точность используемых в настоящее время методик.

совершенствования теории и методов оценки транспортно-эксплуатационных качеств лесовозных автомобильных дорог с целью формирования системы показателей для выбора оптимальных проектных решений проектирования взаимодействий автотранспортных средств между собой и дорогой. Реализация разработанных методов, моделей и ЭВМ-программ оценки и повышения транспортно-эксплуатационных качеств лесовозных автомобильных дорог позволяет получить адекватные условиям эксплуатации проектные решения для реконструкции и нового строительства и обеспечивает оптимальное соотношение капитальных вложений в строительство (реконструкцию) и затрат на перевозку грузов и содержание дорог.

Обзор научных исследований в сфере развития лесотранспортной инфраструктуры показывает, что состояние данного вопроса необходимо раскрыть с точки зрения влияния затрат на строительство новых участков лесотранспортной сети для освоения труднодоступных запасов древесины и затрат на ремонт имеющихся дорог.

Данное исследование позволит лесозаготовителю оценить экономическую определиться с направлением развития лесозаготовительного процесса на этапе вывозки древесины с целью повышения производительности используемых лесовозных автопоездов.

1.2 Основные направления развития автомобильного транспорта леса, анализ научных исследований в данной области обеспечивающая взаимосвязь между заготовителем и переработчиком древесины. Доля участия автотранспорта в общем объёме вывозки древесины составляет примерно 85%. Данный показатель не является постоянным и имеет тенденцию к повышению, так как объём транспортировки древесного сырья в сортиментах с лесосек потребителям и на перерабатывающие предприятия ежегодно возрастает.

В настоящее время на вывозке заготовленной древесины используют лесовозные автопоезда, состав которых определяется технологическим процессом, применяемым на предприятии.

Автопоезд – это транспортное средство, состоящее из автомобиля и прицепного состава.

Необходимость в применении того или иного вида прицепного состава зависит от вида груза, автомобиля и от необходимой конструктивнотехнологической комплектации автопоезда.

В зависимости от расположения перевозимого груза и характера динамической связи между тяговым средством и прицепным составом выделяют три разновидности прицепных составов: прицепы, полуприцепы и прицепы-роспуски. Прицепы представляют собой несамоходные транспортные средства, сопряженные с тягачом только тяговой связью и передающие всю вертикальную нагрузку от собственной массы и массы груза на опорную поверхность через свои колеса. Полуприцепы – несамоходные транспортные средства, передающие часть вертикальной нагрузки от собственной массы и массы груза на дорожную одежду через свои колеса, а часть на седельный тягач через опорно-сцепное устройство. Прицепы-роспуски предназначены для перевозки длинномерных грузов преимущественно хлыстов, масса которых передается на дорожное покрытие через колеса тягового автомобиля и через колеса роспуска. Собственная масса роспусков передается на опорную поверхность через колеса. [14] Состав лесовозного автопоезда определяется в зависимости от технологического процесса, применяемого на предприятии.

При транспортировке деревьев и хлыстов используются в основном лесовозные автопоезда, состоящие из базового автомобиля, тягача и прицепароспуска. В данной технологии прицепной состав снабжается специальным технологическим оборудованием. Вместо платформ и кузовов автомобили и прицепы оборудуются специальными опорными устройствами – кониками, через которые вертикальные нагрузки передаются на раму транспортного средства.

Для повышения рейсовой нагрузки в состав лесовозного автопоезда могут быть включены полуприцеп или два роспуска, образующие длиннобазный прицеп. Последняя схема получила название «двухкомплектный лесовозный автопоезд».

Для вывозки или транспортировки леса потребителям в сортиментах широко используют автопоезд, сформированный из лесовозного тягача и роспуска, манипулятор в данной схеме располагают за кабиной автомобиля.

Перевозка короткомерных сортиментов при данной комплектации автопоезда возможна при установке на коники автомобиля и роспуска специального контейнера с кониками.

Наибольшее распространение за рубежом и в России получила схема для транспортировки сортиментов, в которой автопоезд сформирован из длиннорамного автомобиля и двухосного, трёхосного или четырёхосного прицепа, манипулятор устанавливается в задней части автомобиля. Основными достоинствами данного автопоезда являются наименьшая подъёмная масса и отсутствие трудностей при снятии манипулятора после погрузки сортиментов [102], [109].

В настоящее время крупнейшими автомобильными заводами России, Белоруссии, Украины, Финляндии, Швеции выпускаются лесовозные автопоезда для транспортировки леса в хлыстах и сортиментах. Главным совершенствование в области увеличения грузоподъёмности. Однако, их использование в производственном цикле отрицательно сказывается на состоянии дорожного покрытия лесовозных дорог, так как скорость износа дорожного покрытия, в большинстве случаев, превышает расчетный срок эксплуатации дороги, что приводит к дополнительным затратам на ремонт, снижению времени технологического цикла на транспортировку древесины и преждевременному износу транспортных средств.

Поэтому кроме проблем связанных со строительством новых дорожных сетей и реконструкцией имеющихся дорог, перед лесозаготовителем стоит проблема выбора лесовозного автопоезда, а также организация его работы.

Значение подвижного состава для работы лесозаготовительных предприятий очень велико. Его количество, надежность, грузоподъёмность и исправность влияют на технологический цикл работы лесозаготовительного предприятия.

Затраты на приобретение и подготовку подвижного состава играют важную роль в общей сумме капиталовложений. Главной задачей для лесозаготовителя является обеспечение его эффективной и длительной работы, высокого коэффициента технической готовности, а также полное использование имеющихся транспортных средств.

Исследования в области автомобильного транспорта леса направленные на оптимизацию технологических процессов и минимизацию транспортных расходов за счет увеличения производительности применяемых транспортных средств на вывозке являются актуальной проблемой для современных лесозаготовительных предприятий.

Решением данного вопроса занимаются ученые во многих странах мира. В научно-исследовательском институте леса Финляндии Metla проводятся исследования в области новых технологий логистики и инноваций промышленной и топливной древесины, разрабатываются логистические модели и приложения заготовки древесины, оценивается рентабельность лесозаготовок и транспортных операций [116], [117], [120], [121], [122], [123], [124], [126], [127].

позволяющими решить сложившуюся проблему, являются: исследования условий функционирования машин, применяемых на вывозке, обоснование и оптимизация параметров и режимов работы применяемой техники, выбор и оптимизация применяемых технологий, обоснование схем транспортного освоения лесосырьевых баз, поставки лесопродукции.

Большой вклад в развитие данного вопроса внесли В. И. Алябьев [2], Ю.

Ю. Герасимов [118], [110], [125], В. А. Горбачевский [36], Б. А. Ильин [49], Б.

И. Кувалдин [60], П. Д. Клычков [51], В. В. Никитин [80], Э. О. Салминен [49], И. Р. Шегельман [102], [103], [105], [106], [107], [108], [109], Л. В. Щёголева [111].

В. И. Алябьевым [15] обоснованы важные аспекты совершенствования и повышения эффективности автотранспортных перевозок леса.

К рассматриваемым аспектам относят: рационализацию административнопроизводственной структуры лесотранспортных и дорожно-строительных подразделений; формирование (проектирование и строительство) рациональной сети лесных дорог; формирование и использование рациональной системы лесотранспортных и погрузочно-разгрузочных машин; автоматизация управления лесотранспортным процессом.

Модернизация лесопромышленного комплекса по направлениям, выделенными В. И. Алябьевым, способствует его ускоренному развитию на всех этапах видах производственно-технологического процесса.

В настоящее время данная проблема включает в себя вопросы формирования используемого на вывозке автопарка и обоснование эксплуатационных параметров применяемых автопоездов, их экономическое обоснование.

Вопрос формирования используемого на вывозке автопарка и обоснование эксплуатационных параметров применяемых автопоездов отражён в работах В.

Ю. Дудникова [41], А. М. Крупко [59], В. Я. Ларионова [66], В. М. Лукашевича [70], Д. Н. Некрасова [78], [79], А. В. Пладова [84], А. П. Соколова [91], А. Е.

Фокина [98], И. Р. Шегельман [102], [109], Л. В. Щёголевой [111].

В статье [66] В. Я. Ларионовым уделено особое внимание постановке задачи рационального комплектования автотранспортного парка, технологии и организации его использования. В своей работе автор отмечает, что для предприятий лесопромышленного комплекса актуальной является задача оптимизации систем машин на погрузке, вывозке и разгрузке леса, включающая в себя выбор технологической схемы вывозки леса и выбор систем машин. Сложность составления математической модели для данной задачи и её оптимизации заключается в учёте принципов технологической совместимости работы систем машин.

В качестве оптимизируемой величины может быть численность парка машин, объём вывозки леса и срок выполнения работ.

В своём исследовании В. Ю. Дудников [41] предлагает совершенствовать процесс организации вывозки сортиментов от мест заготовки до складов сырья перерабатывающих производств лесопромышленных холдингов путем оперативного управления потоками круглых лесоматериалов.

Автором обоснована схема оперативного распределения автопоездов сортиментовозов по направлениям вывозки, реализованная в имитационной модели, применительно к условиям лесопромышленных холдингов, отличающаяся использованием критерия обеспечения оперативной потребности перерабатывающего производства в сырье.

Расчетный экономический эффект от повышения загрузки лесовозного автопарка, выражается в увеличении эффективного времени его работы вследствие автоматизации распределения автопоездов по направлениям вывозки, который достигается за счет исключения его простоев по причине дефицита сырья.

К решению данной проблемы В. М. Лукашевич [70] и Л. В. Щёголева [111] подошли с точки зрения учёта природно-производственных факторов.

В. М. Лукашевичем [70] разработана математическая модель и алгоритм, позволяющие формировать наиболее рациональные комплекты машин и выбирать режим их работ, а также принимать решения в условиях риска с учетом сезонности и вероятностных сроков зимней заготовки. Сформированы базы данных по природно-производственным условиям по каждому району Республики Карелия, совмещенные в единую геоинформационную систему, позволяющие находить и принимать эффективные решения при формировании комплектов машин и режимов их работ с учетом рисков.

Л. В. Щёголевой [111] обоснованы оптимальные комплекты систем машин и режимов их работы, повышающих эффективность сквозных процессов заготовки, транспортировки и переработки круглых лесоматериалов в рамках территориально распределенных лесозаготовительных и лесоперерабатывающих предприятий лесопромышленного региона, учитывая сезонность проведения лесосечных работ, вариантность направлений использования круглых лесоматериалов и транспортную инфраструктуру.

Исследование факторов, влияющих на выбор сквозных технологических процессов, увязывающих лесозаготовительные и лесоперерабатывающие предприятия, с использованием метода экспертных оценок показало, что наибольшее влияние на этот выбор оказывает «транспортная инфраструктура».

Максимальные экспертные оценки получили факторы «расстояние транспортировки», «технология лесозаготовок», «состояние дорожной инфраструктуры», «качество и состояние техники», минимальные – «породный состав», «наличие подроста».

Обоснование парка лесовозных автопоездов, учитывая их надежность и эксплуатационные характеристики, отражены в работах А. Е. Фокина и А. В.

Пладова соответственно.

А. Е. Фокин разработал методику определения оптимального числа погрузочных и транспортных машин в технологическом процессе с учётом их надёжности [98].

Алгоритм предложенной методики состоит из двух модулей: модуля определения числа резервных лесовозных автопоездов в технологическом процессе и модуля определения числа резервных погрузочных машин.

Определение числа резервных лесовозных автопоездов и погрузочных машин осуществляется по методу Неймана, с помощью которого моделируются отказы, и вычисляется время исправной работы применяемых машин. В результате всех операций определяется вероятность безотказной работы систем машин.

В исследовательской работе [84] А. В. Пладова главной задачей является повышение эффективности выбора рациональных типов и эксплуатационных параметров лесовозных автопоездов для конкретных автодорог на основе применения методов тягово-эксплуатационных расчетов, позволяющих моделировать движение лесовозных автопоездов и определять рациональные параметры их движения.

Разработаны математические модели, позволяющие учесть изменение тягового усилия и основного сопротивления движению (сопротивления качению) с изменением скорости движения. Учитывается наличие инерционных сил непрерывного изменения сопротивления движению от уклона на вертикальных кривых, сопротивление движению от кривой в плане, сопротивление движению от воздушной среды, а также все факторы, учитываемые при традиционных методах расчета. Разработанные математические модели дают возможность определять скорость и время движения во всех режимах движения автопоезда.

Результаты исследований показали, что для повышения техникоэкономических показателей работы лесовозного автотранспорта следует организовать производство лесовозных автопоездов на базе автомобилей КамАЗ с двигателем мощностью 264,7 кВт (360 л. с.) и колесной формулой 66 и лесовозного автопоезда на базе МАЗ-631708-241 с мощностью 294,4 кВт (400 л.

с.), с колесной формулой 66. Эксплуатация автопоездов на базе этих производительность на вывозке леса, организовать вывозку на нижние склады лесозаготовительных предприятий и потребителям, как правило, непосредственно с лесосек без перегрузок на промежуточных складах.

Формирование используемого на вывозке автопарка с точки зрения применения геоинформационных систем раскрыто А. П. Соколовым [91].

Автором предложена методика оптимизации парка автомобилей на вывозке сортиментов на основе имитационного моделирования в среде ГИС. Искомое число и модели применяемых автомобилей-сортиментовозов зависят от применяемых систем лесосечных машин, количества и производительности лесозаготовительных бригад, характеристик и пространственного размещения планируемых к освоению лесосек, распределения лесозаготовительных бригад по лесосекам, плотности и состояния дорожной сети, характеристики и пространственного распределения потребителей продукции лесозаготовок.

При формировании оптимального автопарка необходимо учитывать не только природно-производственные факторы, но и факторы, характеризующие затраты на транспортные операции.

В статьях [78], [79] Д. Н. Некрасовым предложен алгоритм выбора лесовозного подвижного состава для автопарка лесопромышленного предприятия, которые должны соответствовать характеру и структуре грузопотока и условиям эксплуатации. Используемые автопоезда должны обеспечивать максимальную скорость и безопасность движения, обеспечивать сохранность груза и своевременную доставку в необходимый пункт, методы показатели.

А. М. Крупко в своей исследовательской работе [59] главной целью автопоездов путем снижения транспортных затрат с минимизацией порожнего распределенных лесных участков с учетом территориально распределенных моделирования.

Математические модели, описывающие процессы функционирования лесовозных автопоездов при транспортном освоении лесных участков, взаимосвязаны между собой, и учитывают территориальную распределённость лесопользователей и лесопереработчиков.

Формирование рациональной структуры парка лесовозных автопоездов с использованием математической модели рекомендуется для предприятий, обеспечивается распределение инвестиций в заданные периоды времени, что способствует снижению издержек на транспортировке древесины.

Исходя из анализа научно-исследовательских работ рассмотренных используемого на вывозке необходимо учитывать природно-производственные перечисленных факторов, оказывающих влияние на окончательный выбор автопарка лесовозных автопоездов, самым весомым является показатель транспортных расходов на вывозку. Для получения его значения необходимо проводить экономическое обоснование используемых на вывозке автопоездов.

Данный вопрос отражен в работах С. В. Будалина [28], [29], В. А.

Горбачевского [36], П. Д. Клычкова [51], А. В. Кузнецова [61], [62], [88], [105], [106], С. В. Ляхова [71], [72], [73], В. И. Скрыпника [61], [88] [105], [106], И. Р.

Шегельмана [104], [105], [106].

В статье [51] П. Д. Клычковым проведена оценка факторов, влияющих на технико-экономические показатели лесовозных автопоездов, оборудованных устройством для самозагрузки и саморазгрузки. Автором выведено уравнение, позволяющее определить расстояние вывозки при котором затраты на 1 м будут одинаковыми как при применении самозагружающихся автопоездов так и транспортных автопоездов. Также автором получена зависимость для определения расстояния вывозки, обеспечивающего окупаемость дополнительных капиталовложений в заданный нормативный срок. На изменение расстояния вывозки в обоих случаях весомое влияние оказывают:

переменные расходы; коэффициент снижения грузоподъёмности автопоездов;

коэффициент повышения величины переменных расходов; по содержанию машино-смены; коэффициент повышения величины постоянных расходов;

коэффициент, учитывающий изменение величины затрат времени на погрузку, разгрузку, их ожидание, включая время пробега по усу на 1 рейс.

транспортного автопоезда и того же автопоезда, оборудованного манипулятором.

проведенный В. А. Горбачевским [36] показывает, что выгоднейший тип лесовозного автопоезда для определённых условий эксплуатации определяется такими критериями как производительность, машинная и дорожная составляющие стоимости вывозки 1 тонны леса, срок окупаемости дополнительных капиталловложений. Также, по мнению автора, большое влияние при выборе типа автопоезда оказывает его проходимость, которая определяет максимально-допустимые подъёмы на дорогах, оказывая влияние на дорожную составляющую стоимости кубометра.

В. И. Скрыпником и А. В. Кузнецовым [61], [88] обоснованы способы минимизации затрат на первичный транспорт леса. В работе представлена методика по которой можно определить условия, при которых целесообразно проложить ус в пределах лесосеки, снизив этим расстояние трелевки.

Проведёнными расчётами доказано, что при прокладке уса внутри лесосеки суммарные затраты на трелёвку, прокладку магистральных волоков, временных дорог и транспортировку до точки примыкания уса к лесосеке меньше на 10 – 30%.

В исследовательской работе С. В. Ляхова [71], [72], [73], представлено новое решение задачи комплексной оценки, прогнозирования и планирования показателей вывозки лесоматериалов автопоездами, позволяющее повысить эффективность их использования, что имеет существенное значение для развития теории и практики управления эксплуатацией лесотранспортных машин.

Выполненный обзор исследований показал, что наиболее приемлемым методом оценки эффективности вывозки лесоматериалов автопоездами является без экспертный с применением функционального критерия. Для повышения эффективности использования лесовозных автопоездов следует заниматься не отдельными транспортными единицами, а парком в целом, учитывая при этом особенности процесса вывозки.

Определена значимость функционального критерия и номенклатура технико-экономических показателей эффективности вывозки лесоматериалов автопоездами, учитывающая их специфику и особенности эксплуатации как лесотранспортных машин что позволяет наиболее точно количественно оценить выполнение автопоездами своей функции.

Под руководством И. Р. Шегельмана разработана методика оптимизации транспортно-технологического освоения лесосырьевой базы с минимизацией затрат на заготовку и вывозку древесины [105]. В статье представлены расчёты, по которым определяются суммарные затраты на заготовку леса по каждому периоду освоения лесосырьевой базы (зимней и летней). Расчёты по строительству временных дорог, вывозке леса, содержанию дорог с учетом выполнения запланированных поставок леса потребителю. При этом обеспечиваются оптимальные объемы вывозки по сезонам года (зима, весна, лето, осень) с использованием дорог круглогодового и зимнего действия, очередности освоения лесосек и вывозки леса потребителям в запас местному населению, как при прямой, так и при двухступенчатой вывозке.

Работы всех авторов по экономическому обоснованию применяемых автопоездов и формированию парка автопоездов используемых на транспортных операциях в технологическом цикле, являются необходимыми для оценки вывозки заготовленной древесины.

1.3 Применение методов оптимизации для решения научнопроизводственных задач в лесопромышленном комплексе Применение методов оптимизации в производственном цикле для повышения экономической эффективности деятельности лесозаготовительных предприятий является современным и перспективным направлением развития не только самого предприятия, но и науки.

Оптимальные решения возникающих производственно-экономических задач могут быть найдены с применением современных математических методов, применение которых широко используется в разных отраслях производства.

Согласно источнику [75] процесс принятия оптимального решения включает шесть фаз:

2. постановка проблемы, включающая конструирование действий, подлежащих анализу;

3. поиск решения проблемы;

4. принятие решения;

5. выполнение решения;

6. оценка полученных результатов.

Обратная связь от оценки полученных результатов к поиску решения проблемы стимулирует поиск новых решений, если результаты, полученные ранее, не приводят к решению искомой проблемы.

Классификация методов нахождения решений представлена на рисунке 1.

В основу представленной классификации предложено понятие структуризации проблемы, которая определяется пятью основными логическими элементами:

1. цель или ряд целей, достижение которых показывает, что проблема 2. альтернативные средства или действия с помощью которых цель 3. затраты ресурсов, необходимые для каждого альтернативного 4. модель или модели, в которых отображаются связи между целями, альтернативами и затратами;

5. критерий, с помощью которого сопоставляются цели и затраты и отыскивается наиболее предпочтительное решение.

Степень структуризации проблемы зависит от того, насколько хорошо выделены логические элементы проблемы, так как именно от этого зависит возможность применения того или иного метода. С этой точки зрения проблемы могут быть разделены на четыре типа: стандартные; хорошо структуризованные; слабоструктуризованные; неструктуризованные.

Рисунок 1 – Классификация методов нахождения решения Стандартные проблемы отличаются полной ясностью и однозначностью целей, альтернатив, затрат и решений. Как правило, решаются они на основе заранее выработанных процедур, правил или на основе чётко определённой методики.

Хорошо структуризованные проблемы многовариантны, но все их элементы и связи могут быть выражены количественно. Наилучший из всех возможных вариантов решения может быть найден с помощью методов исследования операций и экономико-математических моделей.

Решение слабоструктуризованных проблем происходит поэтапно. И связано с выработкой долгосрочных курсов действий, каждый из которых затрагивает многие аспекты деятельности отрасли или предприятия. Такие проблемы решаются с помощью количественно-качественной методологии системного анализа, сочетающей математические расчёты и качественными соображениями.

Неструктуризованные проблемы отличаются значительной неопределённостью и неформализуемостью целей и альтернатив. При решении этих проблем учитывают рассуждения, опыт, интуицию, квалификацию лиц принимающих решение или экспертов. Научные методы решения таких проблем основываются на использовании общих идей системного подхода в процессе систематизации мыслительной деятельности при рассмотрении проблем, правильной организации экспертных опросов и квалифицированной обработке данных, получаемых на их основе.

Для решения выделенных типов проблем могут быть использованы четыре класса методов решения проблем:

1. стандартные процедуры и правила расчёта и выбора решений;

2. экономико-математические методы поиска оптимальных решений;

3. системный анализ для построения рациональных альтернатив;

4. экспертно-эвристические методы принятия решений.

При сведении производственных задач к моделям оптимизации необходимо наличие единого критерия оптимизации, который может быть количественно измерен; выявление ограниченности средств достижения цели;

наличие взаимозаменяемости средств и многовариантность их использования.

При решении оптимизационных задач наличие единого критерия оптимизации является важным исходным условием. Для его формулировки необходимо оценить порядок предпочтения рассматриваемых решений.

К ограниченным ресурсам относят трудовые, материально-технические, денежные, природно-экологические, информационные, социальнопсихологические ресурсы.

Ограниченность ресурсов может быть вызвана значительным ростом потребностей по сравнению с ростом экономических возможностей или результатом просчетов в планировании, возникающих из-за неправильно установленной потребности в ресурсах, невыполнения плана производства, неправильного распределения или несвоевременной доставки ресурсов.

взаимозаменяемостью ресурсов и способов их использования.

Взаимозаменяемость ресурсов может быть прямой и косвенной. При прямой взаимозаменяемости ресурсов один и тот же вид деятельности в процессе производства или потребления выполняется разными средствами. При косвенной взаимозаменяемости взаимозаменяемость осуществляется через использование других средств.

Модели оптимизации производственных задач позволяют находить оптимальное решение, позволяющее экономить не только материальнотехнические, денежные, прирородно-экономические ресурсы, но и ресурсы времени, которые способствуют повышению производительности работ и увеличению прибыли предприятия.

Методы оптимизации широко применяют для решения возникающих проблем во всех отраслях лесопромышленного комплекса.

Теоретические основы вопроса оптимизации транспортных перевозок и оптимизации производственных процессов отражены в работах Алябьева [16], [17], А. С. Беленького [23], А. Ф. Булатова [30], П. Н. Коробова [53]. В вышеперечисленных трудах авторами описаны наиболее предпочтительные методы оптимизации производственных процессов, а также представлены примеры их применения на реальных производственных оптимизационных задачах.

Научно-производственные вопросы оптимизации автомобильных перевозок отражены в работах, Е. Т. Батищева [22], Ю. Ю. Герасимова [90], [91], [92], В. В. Никитина [80], А. П. Соколова [90], [91], [92], С. С. Стороженко [93], Чулуунбаатара Болдбаатара [100], Л. В. Щёголевой [112], П. О. Щукина [113], А. В. Яшина [115].

В. В. Никитиным [80] разработан агрегативный метод моделирования процесса вывозки древесины автопоездами. Применение разработанного метода на практике показало, что закрытая схема вывозки эффективна в случаях когда длины маршрутов вывозки примерно равны. В случаях, когда протяжённость маршрутов отличается от средней величины протяжённости открытая схема значительно эффективнее.

Е. Т. Батищевым [22] разработана методика оптимизации транспортнотехнологических связей предприятий лесного комплекса, отличающаяся учётом дорожно-транспортных и технологических факторов, условий неопределенности оптимальных решений. В условиях неопределенности оптимальных решений, методика позволяет избежать риска слишком больших убытков от принимаемых решений при появлении одного из неблагоприятных условий реализации транспортных связей путем решения многокритериальной задачи нахождения условного экстремума последнего критерия.

Автором установлено, что основными характеристиками движения транспортного потока лесных грузов служат: плотность распределения скорости и вероятность свободного движения. Плотность распределения скорости определяется выбираемой водителем скоростью свободного движения и дорожными условиями, а режимы движения автомобиля в потоке отражаются вероятностью свободного движения этого автомобиля.

В работах Ю. Ю. Герасимова и А. П. Соколова отражены вопросы оптимизации транспортной логистики [90], [91], [92] с применением геоинформационных систем. Для описания поставленных задач авторами используются оптимизационные методы математического моделирования.

Реализация поставленных моделей проводится с использованием геоинформационной системы MapInfo.

В работе С. С. Стороженко [93] разработана логистико-математическая модель оптимизации транспортно-технологического процесса лесного комплекса региона и алгоритмы его оптимального планирования которые дают возможность долгосрочного планирования транспортно-технологического процесса лесного комплекса на региональном уровне.

Разработанное алгоритмическое и программное обеспечение учитывает возможность перевозок лесоматериалов различными видами транспортных средств (автомобильный, железнодорожный), наличие пунктов перегрузки, разнородность перевозимой продукции. Оно позволяет определять объёмы перевозок различных видов древесины от лесозаготовительных к деревоперерабатывающим предприятиям непосредственно или с использованием промежуточных пунктов перегрузки по критерию минимума затрат на все перевозки, учитывая затраты на погрузку, разгрузку, складирование, хранение и измерение лесоматериалов по критерию общей прибыли, получаемой лесозаготовительными предприятиями от потребляемой продукции.

Целью работы Чулуунбаатара Болдбаатара [100] является повышение эффективности лесотранспортных процессов путем создания математических моделей рациональной пространственно-временной динамики лесозаготовок и дорожного строительства.

Предложенный автором метод в виде математической модели, алгоритма и программных средств позволяет формировать рациональные схемы лесозаготовительного предприятия с формированием лесных деклараций заготовки древесины по годам планового периода с учетом лесохозяйственных, технологических и географических факторов, что позволяет получить существенный экономический эффект.

Разработанная логистико-математическая модель организации транспортного освоения арендных лесов лесозаготовительного предприятия дает возможность комплексно планировать организацию лесосечных и лесотранспортных работ. При расчете рациональной организации лесозаготовительного предприятия, критерием оптимизации служат затраты на заготовку, вывозку древесины, затраты на строительство лесных дорог и их содержание с учетом лесохозяйственных и лесоэксплуатационных ограничений. Разработанный алгоритм и основанный на нем программный комплекс позволяют получить рациональный план транспортного освоения арендуемых участков лесного фонда с набором лесосек лесной декларации лесозаготовительного предпрятия методом динамического программирования на плановый период до10 лет.

В исследовании П. О. Щукина [113] разработаны математические модели, позволяющие формировать рациональные маршруты круглых лесоматериалов по лесотранспортной сети в зависимости от её пропускной способности с учётом транспортных средств, перемещающих не лесные грузы, и модель, позволяющая определить распределение технологических потоков круглых лесоматериалов, учитывающая рассредоточение заготовительных технологий как арендаторов лесных участков, входящих в вертикально-интегрированную лесопромышленную структуру, так и подрядных организаций.

Применение разработанных моделей на практике позволит сократить затраты времени на транспортные операции и повысить экономический эффект.

Повышение экономического эффекта в процессе планирования и управления транспортно-технологических процессов лесозаготовительного предприятия путём оптимизации управления транспортными грузопотоками при условии многовариантности путей, использования различных видов транспортных средств, при наличии пунктов перегрузки, учёта и хранения лесопродукции отражено в А. В. Яшина [115].

Результатом выполненных автором исследований является разработка и обоснование методов планирования транспортных грузопотоков лесозаготовительного предприятия.

Представленный обзор исследований в сфере автомобильного транспорта леса отражает все обозначенные вопросы по данному направлению. Однако, состояние их раскрытия с научной точки зрения требует дальнейшего изучения.

1.4 Выводы по главе, цель и задачи диссертационного исследования Обзор научных исследований в области развития лесотранспортной инфраструктуры, автомобильного транспорта леса и применения методов лесопромышленного комплекса показывает, что на протяжении десятилетий все перечисленные направления являются актуальными. С развитием компьютерных технологий появились новые задачи, решение которых раньше было практически невозможным.

В настоящее время необходимо провести исследования, объединяющие все рассмотренные направления с точки зрения оптимизации процесса вывозки заготовленной древесины и строительства лесотранспортной инфраструктуры, учитывая технико-экономические показатели.

Результатом подобных исследований будут математические модели, алгоритмы и методики, позволяющие лесозаготовителю на практике оценить направление развития этапа транспортировки заготовленной древесины.

Исходя из описания современного состояния выделенных направлений и анализа научных исследование по каждому направлению сформулирована цель диссертационного исследования и поставлены задачи для её достижения.

Целью диссертационной работы является решение научной проблемы совершенствования технологических решений на транспортных операциях вывозки заготовленной древесины автомобильным транспортом, учитывая состояние используемой лесотранспортной сети и подвижного состава, используемого на вывозке.

Исходя из поставленной цели исследования, выделены следующие задачи.

1. Разработать математические модели задач формирования парка лесовозных автопоездов, приобретаемых для замены используемого подвижного состава и дальнейшего использования на вывозке, учитывая затраты на содержание одной машино-смены.

2. Разработать зависимость оптимального направления совершенствования технологического этапа вывозки заготовленной древесины, учитывая состояние лесотранспортной инфраструктуры и автопарка, используемого на вывозке.

3. Разработать базу данных затрат на строительство магистралей, веток и усов лесовозных дорог с разными типами покрытий.

4. Провести экспериментальные исследования движения лесовозных автопоездов, используемых на вывозке лесозаготовительными предприятиями с применением GPS-мониторинга, с целью выявления закономерностей, между основными характеристиками, влияющими на движение.

5. Апробировать разработанные модели на экспериментальных данных.

Разработать рекомендации, позволяющие применять разработанные модели, алгоритмы на практике.

2 ОБОСНОВАНИЕ КОМПЛЕКТАЦИИ ПАРКА ЛЕСОВОЗНЫХ

АВТОПОЕЗДОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ МЕТОДА ДИНАМИЧЕСКОГО

ПРОГРАММИРОВАНИ

2.1 Применение метода динамического программирования для решения оптимизационных задач Метод динамического программирования относится к классу задач нелинейного программирования.

Под динамическим программированием понимают вычислительный метод, опирающийся на аппарат рекуррентных соотношений, разработанных в середине ХХ века американским учёным Р. Беллманом [24], [25], [26], [27].

В источниках [24], [25] автором сформулированы идея и сущность предлагаемого метода, описаны свойства задач, при решении которых он используется.

Идея метода динамического программирования состоит в том, что поиск экстремума функции многих переменных заменяется многократным поиском экстремума функции одного или небольшого числа переменных.

Сущность метода динамического программирования сводится к составлению функциональных уравнений, управляющих процессом и дальнейшему решению этих уравнений с помощью вычислительных процедур.

Функциональным называется такое уравнение, которое выражает функциональную связь между множеством функций.

Составление функциональных уравнений проводится на основе принципа оптимальности Р. Беллмана, смысл которого заключается в том, что оптимальная стратегия имеет то свойство, что каково бы ни было начальное состояние и принятое начальное решение, все остальные решения на последующих шагах должны составлять оптимальную стратегию относительного состояния, возникшего в результате первого решения.

Другими словами динамическое программирование – это поэтапное планирование многошагового процесса, при котором на каждом этапе оптимизируется только один шаг.

Задачи, которые могут быть отнесены к задачам динамического программирования, должны обладать тремя свойствами.

1. Задача может рассматриваться как N-шаговый процесс принятия решения, в котором на каждом шаге принимается решение о рассматриваемым способам. Поиск решения осуществляется до тех пор, пока не будут включены все N шагов.

2. Оптимальный план зависит от состояния процесса в исходный регрессивностью решения задачи. Аддитивным считается план, полученный путём сложения результатов по этапам решения.

Регрессивность решения заключается в том, что решение задач направлении, т.е. от конца к началу.

Метод динамического программирования широко применяется при решении оптимизационных производственных задач, в которых в качестве функции нахождения экстремума используются числовые показатели, производительности и экономических показателей функционирования производственного процесса.

2.2 Роль комплектации парка лесовозных автопоездов на этапе транспорта леса Проблема обоснования комплектации парка лесовозных автопоездов является актуальной для предприятий лесозаготовительного производства. В настоящее время перед лесозаготовителями стоит вопрос не только о формировании парка лесовозных автопоездов, учитывая имеющиеся и приобретенные автопоезда, но и их комплектации для использования на технологическом этапе транспортировки.

Решение данной проблемы возможно в два этапа. На первом этапе необходимо обосновать комплектацию парка лесовозных автопоездов для обновления подвижного состава, используемого на вывозке на втором этапе необходимо обосновать оптимальную комплектацию автопоездов, используемых на вывозке, учитывая приобретенные и имеющиеся автопоезда.

Решение поставленных проблем не возможно без использования современных оптимизационных методов математического моделирования, позволяющих оптимизировать количество используемой техники, учитывая особенности применяемых технологий.

2.3 Обоснование комплектации парка лесовозных автопоездов для обновления имеющегося подвижного состава Для обоснования комплектации парка лесовозных автопоездов с целью обновления имеющегося подвижного состава будем предполагать, что лесозаготовительное предприятие планирует приобрести определенное количество лесовозных автопоездов для выполнения нормированного сменного объёма вывозки. Каждый автопоезд характеризуется сменной производительностью и затратами на содержание одной машино-смены.

Требуется определить какое количество автопоездов необходимо приобрести для выполнения сменного объёма вывозки.

Для описания математической модели и её решения введем обозначения индексов, параметров и переменных, действующие в ней:

I – множество индексов марок автопоездов рассматриваемых для замены подвижного состава;

– индекс автопоезда, имеющего минимальные затраты на arg min Ci содержание одной машино-смены;

xi – количество приобретаемых автопоездов марки i ;

– нормированный сменный объём вывозки, м3;

– сменная производительность автопоезда марки i, м3/см;

– затраты на содержание одной машино-смены автопоезда марки i, руб./мСi см;

n – количество марок автопоездов, шт.;

– минимальные затраты на содержание одной машино-смены Carg min Ci автопоезда вида arg min Ci, руб./м-см;

Parg min Ci – сменная производительность автопоезда вида arg min Ci, м /см.

Построим математическую модель. Общий объём вывозки заготовленных лесоматериалов ограничен нормированным сменным объёмом вывозки:

Ограничения на переменные:

Целевая функция минимизирует затраты на содержание одной машиносмены всех автопоездов:

динамического программирования [11], [16], [34]. Так как данный метод используется для задач с целочисленными исходными данными, а значения Pi и W измеряются в сотых долях, то для нахождения оптимального решения необходимо перевести значения Pi и W в целые числа, умножив на 100.

автопоездов при выполнении объема вывозки y:

Для хранения номеров автопоездов, при использовании которых достигается минимум функции ( y) введем дополнительный массив ( y).

Вычислим начальные значения функций ( y) и ( y) при значении y 0 (5), (6) и 0 y Parg min C (7), (8):

воспользуемся рекуррентным соотношением Беллмана:

программирования Visual Basic в Microsoft Office Excel [73]. Алгоритм расчета подвижного состава состоит из четырёх этапов.

1. Сортировка по возрастанию исходных данных по критерию «Затраты на содержание одной машино-смены».

2. Заполнение массивов y и ( y) при y 0 на основе соотношений (5), (6) и 0 y Parg min C – (7), (8).

соотношений (9), (10).

Подсчет количества автопоездов, необходимых для замены подвижного состава, необходимо начать со значения функции ( y), при y W, тогда функции ( y) присваивается значение номера автопоезда ( y) i, при котором функция ( y) минимальна. Следовательно, для дальнейших расчётов от нормы сменного объёма вывозки вычитаем значение сменной производительности того автопоезда, которому присвоен номер i на предыдущем этапе расчётов, тогда номер следующего автопоезда, включенного в автопарк равен ( y Pi ).

Подсчёт производим до тех пор, пока значение объёма вывозки не станет равным нулю ( y 0 ).

используемых на вывозке В обосновании комплектации парка лесовозных автопоездов, используемых на вывозке необходимо распределить имеющиеся автопоезда таким образом, чтобы выполнялась сменная норма объёма вывозки, а затраты на содержание были минимальны.

Опишем математическую модель, действующую в задаче. Введем действующие в ней обозначения индексов, параметров и переменных:

J – множество индексов автопоездов включенных в состав автопарка, используемого на вывозке;

n – количество автопоездов, рассматриваемых для комплектации автопарка, используемого на вывозке;

x j – переменная принимает значение 1, если автопоезд j используется на вывозке, 0 – иначе, j J ;

Pj – сменная производительность, выполняемая j -м автопоездом, jJ, м3/см;

C j – затраты на содержание одной машино-смены j -ого автопоезда, j J, руб./м-см;

R j Pj – сумма сменных производительностей для k первых автопоездов, м3/см;

W – нормированный сменный объём вывозки, м.

заготовленных лесоматериалов ограничен нормированным сменным объёмом вывозки:

Ограничения на переменные:

Целевая функция минимизирует затраты на содержание одной машиносмены всех автопоездов, используемых в технологическом цикле:

Как и в первой задаче для решения будем использовать метод динамического программирования.

Введем функцию j ( y), которая отображает минимальные затраты на содержание автопарка среди первых j автопоездов при выполнении сменной нормы вывозки y :

На начальном этапе расчетов необходимо отсортировать исходные данные по критерию «Производительность в смену» по возрастанию.

Объём вывозки, для первых рассматриваемых автопоездов j функции j ( y) выразим через R j. Объём вывозки для всех рассматриваемых автопоездов функции n ( y) определяет максимальный объём вывозки, выполняемый всеми рассматриваемыми автопоездами y Rn. В расчетах необходимо учитывать, что значение сменной нормы вывозки не должно быть больше объёма вывозки всех рассматриваемых автопоездов W Rn.

выполнении объёма вывозки y введем вспомогательный массив j ( y). По значениям массива j ( y) будем определять оптимальный набор автопоездов, при котором функция j ( y) принимает минимальные значения. Если j ( y) 1, рассматриваемый автопоезд при выполнении объёма вывозки y используется, если j ( y) 0 автопоезд не используется.

Зададим начальные условия функции j ( y) и j ( y) для первого автопоезда:

Для нахождения минимальных затрат на содержание одной машино-смены для оставшихся автопоездов построим рекуррентное соотношение Беллмана:

где j1 ( y) – функция, отображающая минимальные затраты на содержание автопарка среди предыдущих j автопоездов при выполнении объёма вывозки max( 0, y Pj ) – показывает объём работы, которую необходимо выполнить автопоездами с индексами j 1,..., j 1 ;

R j1 ( y) –объём вывозки предыдущих j автопоездов.

Определим значения массива j ( y) программирования Visual Basic в Microsoft Office Excel. Алгоритм расчёта состоит из четырех этапов.

«Производительность в смену».

2. Заполнение массивов j ( y) и j ( y) для первого рассматриваемого автопоезда согласно соотношениям (15), (16).

3. Заполнение массивов j ( y) и j ( y) для последующих автопоездов согласно соотношениям (17) – (19).

Подсчет количества автопоездов, используемых на вывозке, начинается с автопоезд можно включить в используемый на вывозке автопарк только один раз, если функция j ( y) 1, то значение функции для следующего автопоезда осуществляется до тех пор, пока значение объёма вывозки не станет равным нулю ( y 0 ).

Представленные алгоритмы обоснования комплектации парка лесовозных автопоездов на основе методов динамического программирования позволяют:

1. обосновать комплектацию парка лесовозных автопоездов при обновлении подвижного состава и формировании автопарка используемого на вывозке на основе минимизации затрат на содержание одной машино-смены;

амортизационные отчисления, затраты на текущий и средний ремонт, горючесмазочные материалы и заработную плату основных и дополнительных рабочих;

3. использовать в качестве ограничения суммарную сменную производительность, рассчитанную в зависимости от технологической схемы, используемой на вывозке, с целью выполнения условия сменной нормы вывозки;

4. получить результаты, позволяющие лесозаготовителю повысить объёмы вывозки, сократить простои, а также уменьшить себестоимость за счёт сокращения затрат на содержание автопоездов.

3 ПРИМЕНЕНИЕ МНОГОКРИТЕРИАЛЬНОЙ ОПТИМИЗАЦИИ

ДЛЯ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ЭТАПА ВЫВОЗКИ ЗАГОТОВЛЕННОЙ

ДРЕВЕСИНЫ

3.1 Применение многокритериальных задач принятия решения для решения оптимизационных задач Многокритериальные задачи принятия решений широко применяются в научных исследованиях, для решения возникающих научно-оптимизационных задач.

Р. Штойер [110] условно разделил многокритериальные задачи принятия решений на две группы. В первую группу автором отнесены задачи, решение которых осуществляется с применением анализа решений по набору показателей, которые наиболее часто применяются в ситуациях с небольшим числом альтернатив в условиях неопределённости. Во вторую группу отнесено понятие многокритериальной оптимизации, которая применяется для решения задач с большим числом возможных альтернатив. Чаще всего она используется в случаях одновременной оптимизации двух или более целевых функций в заданной области определения.

При решении многокритериальных задач используют многокритериальные методы принятия решений, которые основываются на рассуждениях лица принимающего решение, или человека, интересы которого являются главным фактором в определении важности рассматриваемых критериев относительно друг друга.

Многокритериальные методы принятия решений подразделяются на три группы. Методы первой группы основаны на выявлении предпочтений лиц принимающих решения и построении единственного критерия качества решения до рассмотрения конкретных альтернатив. Методы второй группы состоят в последовательном анализе возможных решений с постепенным выявлением предпочтений лиц принимающих решения и переходом к более выгодному решению. Третья группа методов основана на предварительном выделении множества эффективных решений.

последовательность пяти этапов решения, описанных в источнике [50]. К данным этапам относят: предварительный анализ, структурный анализ, анализ неопределённости, анализ полезности или ценности, процедуры оптимизации.

В предварительном анализе определяется проблема и возможные альтернативы действий.

В структурном анализе проводят качественную структуризацию проблемы с целью построения дерева решений, с помощью которого можно получить всю необходимую информацию о проблеме.

вероятностей для каждой ветви дерева решений.

Анализ полезности и ценности заключается в определении численных значений полезности последствий, связанных с реализацией того или иного пути на дереве решений.

соответствующих значений вероятности и полезности оптимальная альтернатива с помощью вычислений. Оптимальной будет та альтернатива, которая максимизирует или минимизирует ожидаемую полезность.

максимизировать или минимизировать требуемые критерии оптимальности, в качестве которых могут выступать производительность, расход материалов и денежных средств за определённый момент времени, ограниченные рядом ограничений.

3.2 Постановка задачи оптимизации вывозки заготовленной древесины Проблема оптимизации этапа вывозки заготовленной древесины является актуальной для лесозаготовительных предприятий. Так как лесозаготовителю необходимо определиться с направлением, по которому необходимо совершенствовать этап транспортировки заготовленной древесины. К возможным путям решения данной проблемы можно отнести развитие лесотранспортной инфраструктуры на основе дорог общего пользования, магистралей, веток и усов лесовозных дорог, реконструкции имеющейся дорожной сети, а также полное или частичное обновление подвижного состава, используемого на вывозке. Применение вышеизложенных направлений в комплексе или по отдельности способствует минимизации суммарных затрат на транспорт древесины.

Исходя из выше изложенного, сформулируем существующую проблему в виде задачи, в условии которой примем, что лесозаготовительное предприятие занимается заготовкой и транспортировкой заготовленных лесоматериалов.

Транспортировка потребителю осуществляется по сети лесовозных дорог и дорог общего пользования лесовозными автопоездами. Для увеличения объёмов вывозки, и получения максимальной прибыли на этапе транспортировки заготовленных лесоматериалов предприятие имеет возможность расширять производство, развивая дорожную сеть или обновляя подвижной состав, используемый на вывозке. Необходимо обосновать выбранный путь совершенствования этапа транспортировки древесины.

Решение поставленной проблемы возможно с применением методов многокритериального принятия решения. Для описания математической модели необходимо выделить возможные альтернативы направлений и критерии эффективности для каждой рассматриваемой альтернативы. Введем основные обозначения для описания возможных альтернатив:

ИА – использование имеющегося автопарка;

ПЗА – полная замена автопарка;

ЧЗА – частичная замена автопарка;

РД – ремонт дорог;

СД – строительство дорог.

Комбинации рассматриваемых альтернатив представлены в таблице 1.

Таблица 1 – Варианты комбинаций рассматриваемых альтернатив Критериями эффективности решаемой задачи являются затраты на содержание машино-смен автопоездов, используемых на вывозке, себестоимость вывозки 1 м3 лесоматериалов, производительность автопоездов, затраты на строительство, ремонт дорожной сети и приобретение подвижного состава, количество автопоездов используемых на вывозке.

3.3 Описание математической модели, действующей в задаче Для описания математической модели и её решения введем обозначения индексов, параметров и переменных, действующие в ней:

Обозначения модели:

F – множество индексов приобретенных автопоездов;

G – множество индексов автопоездов лесозаготовительного предприятия;

K – множество индексов типов дорожных покрытий сети лесовозных дорог;

P – множество индексов критериев эффективности;

T – множество индексов рассматриваемых альтернатив.

Управляемые факторы (переменные) задачи:

x f, x g – количество автопоездов, используемых на вывозке вида f и g;

n f – количество автопоездов вида f;

y f, y g – количество машино-смен, отработанных автопоездами вида f и g;

– количество километров построенного дорожного полотна с покрытием типа k;

z 2 k – количество километров отремонтированного дорожного полотна с покрытием типа k.

Параметры задачи:

Q – объём заготовки лесоматериалов;

n j – количество автопоездов вида j;

CYk – издержки на строительство 1 км дорог с покрытием типа k;

CRk – издержки на ремонт дорог 1 км с покрытием типа k;

CA f – затраты на приобретение одного автопоезда вида f;

C f, C g – затраты на содержание одной машино-смены автопоездов, вида f и S f, S g – себестоимость вывозки 1 м лесоматериалов автопоездами вида f и Pf, Pg – сменная производительность автопоездов вида f и g;

A – матрица парных сравнений для критериев;

a ij – элемент матрицы парных сравнений критериев, i – это строка матрицы, j – это столбец;

A p – матрица парных сравнений значений альтернатив для критерия p;

a ijp – элемент матрицы парных сравнений для критерия p, i – строка матрицы, j – столбец;

V p – вектор, определяющий значения альтернатив для критерия p;

B – нормализованная матрица парных сравнений для критериев;

bij – элемент нормализованной матрицы парных сравнений критериев;

– нормализованная матрица парных сравнений рассматриваемых альтернатив для критерия p;

bijp – элемент нормализованной матрицы парных сравнений для критерия p, i – строка матрицы, j – столбец;

W – вектор-столбец, определяющий значения относительных весов для критерия p;

w p – относительный вес критерия p;

– вектор-столбец, определяющий значения относительных весов альтернатив для критерия p;

wtp – относительный вес альтернативы t по критерию p.

Исходя из предложенных в условии задачи критериев эффективности, поставленная задача имеет пять целевых функций.

1. Целевая функция минимизации затрат на содержание одной машиносмены автопоездов, используемых на вывозке:

заготовленных лесоматериалов:

3. Целевая функция минимизации затрат на строительство, ремонт дорожной сети и приобретение подвижного состава:

участвующих на вывозке заготовленных лесоматериалов:

5. Целевая функция минимизации использования лесовозных автопоездов на вывозке (24) Условия не отрицательности и целочисленности переменных:

Для решения оптимизационной задачи используем метод анализа иерархии, который включает в себя четыре этапа [63].

1. Формализация задачи в виде иерархической структуры с несколькими уровнями: цель, критерии, альтернативы (рисунок 1).

2. Определение степени важности критериев и альтернатив по каждому критерию с помощью матриц парных сравнений.

коэффициенты важности и индекс согласованности при помощи которого проверяется согласованность матриц парных сравнений.

4. Подсчитывается итоговый вес каждой альтернативы, полученные результаты ранжируем по убыванию.

Рассмотрим каждый этап решения сформулированной задачи.

Формализация задачи в виде иерархической структуры представлена на рисунке 3.1. Для достижения поставленной цели выбраны пять критериев, и девять альтернатив принятия решения.

После составления иерархической структуры задачи устанавливаются приоритеты критериев и оценки альтернатив по каждому критерию на основе матриц парных сравнений. Составление матриц парных сравнений начинается с главного иерархического уровня, в котором описываются критерии, действующие в задаче (Рисунок 2). Элементы матрицы отображают важность рассматриваемых критериев относительно друг друга и оцениваются по шкале от 1 до 9 (Таблица 2).

Таблица 2 – Шкала оценок элементов матрицы парных сравнений Значение элементов матрицы рассчитывается по формулам:

где b – оценка важности критерия.

После определения значений всех элементов, матрица парных сравнений для критериев относительно друг друга примет вид:

В случае определения важности альтернатив по каждому критерию, матрицы парных сравнений составляются на основе ранее рассчитанных данных рассматриваемого критерия для каждой альтернативы. Представим их в виде вектора, определяющего значения альтернатив для критерия p:

Элементы матрицы рассчитываются по формуле: