Методология моделирования. 
Моделирование процессов выращивания и заготовки энергетической биомассы в лесном комплексе

Разработка математических моделей устанавливающих количественные связи между конструктивными и/или технологическими параметрами машин и процессов представляет собой классическую задачу инженерных наук, связанных с лесозаготовками и лесовосстановлением. Ретроспективный анализ показывает, что методология математического моделирования процессов и машин в лесном комплексе прошла достаточно длинный путь развития от аналитических детерминированных линейных (как статических, так и динамических) моделей до вероятностных и имитационных [1−6]. Бурное развитие имитационного моделирования в науке в целом, и применительно к лесоинженерным наукам в частности, имеет естественный базис в виде объективного роста вычислительной мощности современных компьютеров и их доступности для широкого круга исследователей. Имитационные модели позволяют получить как качественную, так и количественную оценку влияния на моделируемые процессы различных параметров, при этом сами процессы могут носить выраженный характер нелинейных и стохастических, что делает предпочтительным для моделирования лесосечных и лесовосстановительных работ именно этот метод. При этом не смотря на достаточно большое количество предложенных имитационных моделей, касающихся как лесосечных, так и лесовосстановительных работ в них не нашло отражение основополагающих особенностей процессов по выращиванию и заготовке энергетической биомассы в лесных культурах и плантациях, но они представляют собой хорошую базу для разработки имитационной модели, учитывающей данные особенности.

Обоснование подхода к моделированию

Предмет исследований определяет перечень моделируемых составляющих работ по выращиванию и заготовке энергетической биомассы в лесных культурах и лесных плантациях. Данными составляющими на этапе выращивания являются лесокультурная площадь, характеризуемая рельефом, параметрами почвенного покрова, наличием непреодолимых препятствий для рабочих органов лесохозяйственных машин (пни, валуны и т. д.), технологический процесс создания энергетических культур, характеризуемый способом обработки почвы и рядом технологических параметров (густота и схема размещения сеянцев, способы движения машин и т. д.), технологические машины, характеризуемые своими конструктивно-технологическими параметрами (масса, мощность, скорости выполнения операций, выдерживаемые нагрузки и т. д.). На этапе заготовки биомассы составляющей моделируемых работ кроме вышеперечисленных является древостой, характеризуемый как параметрами отдельного дерева, так и параметрами их размещения на площади.

Моделируемыми процессами данного исследования являются в первую очередь процессы взаимодействия машин с предметом труда. На стадии формирования энергетических плантаций и культур это процессы движения машины по лесокультурной площади с учётом имеющихся непреодолимых препятствий, непосредственно процесс обработки почвы, процессы высадки сеянцев. На стадии заготовки добавляются процессы взаимодействия машин с биомассой, такие как срезание деревьев, их пакетирование, трелёвка, штабелёвка.

Анализ данного перечня составляющих работ и моделируемых процессов показывает, что они носят выраженный нелинейный и стохастический характер. При этом нелинейность вызвана главным образом дискретностью моделируемых процессов, а стохастичность тем, что большинство параметров составляющих работ представляют собой либо случайные величины, либо случайные процессы. В этой связи наиболее целесообразным является использование метода дискретно-событийного имитационного моделирования, при котором исследуемый процесс разбивается на ряд отдельных, но взаимосвязанных и взаимодействующих «элементарных» событий, параметры которых в каждом опыте представляют собой реализации некоторого перечня случайных величин и процессов.

Схема моделирования

Согласно вышеизложенным положениям была разработана имитационная модель процессов выращивания и заготовки биомассы в энергетических лесах, общая схема которой представлена на рисунке 2.

Модель состоит из шести блоков: блока лесокультурной площади, блока древостоя, блока машины для обработки почвы, блока машины для посадки сеянцев, блока машины для срезания и пакетирования деревьев и блока машины для трелёвки пачек деревьев и их штабелёвки для естественной сушки.

В блоке лесокультурной площади генерируется по исходным данным цифровая модель территории, на которой выполняются работы по созданию энергетических лесных культур или плантаций. Исходными данными для цифровой модели являются форма и размеры участка, его рельеф, характеристика почвенно-грунтовых условий (мощность почвенного покрова, удельное сопротивление резанию почвы, её влажность, коэффициент сопротивления движению), а также количество и размеры непреодолимых препятствий для рабочих органов почвообрабатывающей машины и закон их распределения по площади (пуассоновское, равномерное или контагиозное).

Рисунок 2 — Общая схема имитационной модели процессов выращивания и заготовки биомассы в энергетических лесах.

Непреодолимые препятствия моделируются в виде кругов, диаметр которых представляет случайную величину с заданным законом распределения. Пример цифровой модели лесокультурной площади сгенерированной по заданным параметрам приведён на рисунке 3.

В блоке древостоя по исходным данным аналогичным образом формируется цифровая модель деревьев, отражающая координаты каждого дерева на участке и ряд его параметров (диаметр в месте срезания, высота, масса, высота центра тяжести относительно плоскости срезания, момент инерции относительно поперечной оси, проходящей через центр тяжести дерева).

Рисунок 3 — Пример цифровой модели лесокультурной площади сгенерированной по заданным параметрам.

Координаты деревьев и их масса наследуются из блока машины для посадки сеянцев с учётом моделирования роста насаждения. Остальные параметры генерируются как случайные величины коррелированные с величиной массы дерева. Пример цифровой модели древостоя также приведён на рисунке 4. имитационный широколиственный лес заготовка.

Рисунок 4 — Пример цифровой модели древостоя.

Блок машины для обработки почвы на вход получает цифровую модель лесокультурной площади и конструктивно-технологические параметры самой машины (минимальный и максимальный диаметр обрабатываемых участков, параметры рабочих органов, скорости обработки почвы и перемещения, номинальная мощность двигателя, ёмкость и алгоритм работы энергоаккумулятора, масса машины). По этим исходным данным в блоке имитируется работа машины по следующему алгоритму. На первом этапе определяется положение на лесокультурной площади обрабатываемых участков. Для этого программа размещает круг обрабатываемого участка на лесокультурной площади и проверяет, пересекает ли он непреодолимые для рабочих органов машины препятствия, имеющиеся в цифровой модели лесокультурной площади. Если таких пересечений нет, то на этом этапе данное размещение обрабатываемого участка считается принятым и выполняется попытка размещения следующего обрабатываемого участка. При наличии пересечений происходит либо сдвиг обрабатываемого участка по одному из четырёх направлений, либо уменьшение его размеров на некоторую достаточно малую величину единичного шага, при этом приоритет отдаётся тем действиям, которые обеспечивают минимум эвристической функции, представляющей собой площадь взаимного пересечения, что позволяет найти наилучшее расположение кругов обрабатываемых участков на лесокультурной площади. На следующем этапе при наличии на лесокультурной площади препятствий непреодолимых для движения машины (деревьев, крупных валунов и т. д.) каждый круг обрабатываемого участка проверяется на доступность для машины, при этом используется разработанный ранее алгоритм моделирования движения машины по ленте леса [2,3]. Положение доступных кругов считается окончательным, недоступные круги либо просто удаляются из обрабатываемых участков, либо запускается аналогичный алгоритм их смещения в зону машинной доступности.

После определения положения кругов обрабатываемых участков на лесокультурной площади прокладывается траектория движения машины для обработки почвы по лесокультурной площади, которая разбивается на ряд участков, для каждого из которых определяется коэффициент сопротивления движению машины и продольный уклон. Для каждого из кругов обрабатываемых участков также определяется средневзвешенное удельное сопротивление резанию почвы. Указанные данные позволяют определить затраты времени, энергии и действующие усилия в процессе выполнения операции по обработке почвы.

Блок машины для посадки сеянцев функционирует аналогично блоку машины для обработки почвы и позволяет моделировать как совмещённое, так и раздельное выполнение операций по обработке почвы. Также в результате работы блока рассчитываются затраты времени и энергии на выполнение операции посадки сеянцев.

Блок машины для срезания и пакетирования деревьев в качестве входных параметров имеет цифровые модели лесокультурной площади и древостоя, а так же конструктивно-технологические параметры самой машины (масса, номинальная мощность, ёмкость и алгоритм работы энергоаккумулятора, скорости рабочих движений, грузоподъёмность). Траектория движения машины может как задаваться (например, при работе в густых насаждениях плантаций фронтальным способом), так и находиться с использованием алгоритма моделирования движения лесной машины по ленте леса (при уходах за культурами и заготовке в них биомассы). Далее последовательно определяются затраты времени, энергии и действующие усилия в процессах перемещения от дерева к дереву, срезания и пакетирования. Таким образом, кроме циклограмм затрат времени и энергии, а также действующих усилий, определяемых аналогично другим машинам, в результате работы блока на лесосеке формируются пачки деревьев, для каждой из которых определено её положение (координаты и ориентация), а так масса.

Блок машины для трелёвки и штабелёвки пачек деревьев по входным данным (цифровая модель лесокультурной площади, описанию пачек деревьев, сформированных машиной для срезания и пакетирования, конструктивно-технологическим параметрам самой машины — номинальная мощность, ёмкость и алгоритм работы энергоаккумулятора, максимальная длина тягового каната) определяет траектории по которым осуществляется трелёвка каждой пачки и с учётом коэффициентов сопротивления и уклонов аналогично другим блокам модели, в которых имитируется работа технологических машин при выращивании и заготовке биомассы в энергетических лесных культурах и плантациях.