Автоматизация выбора системы лесозаготовительных машин для проведения рубок ухода в хвойных насаждениях

В настоящее время лесовыращивание является важной составляющей народного хозяйства РФ. Эффективность лесовыращивания определяется качественной работой всех составляющих лесопромышленного комплекса. Одним из этапов этой большой работы является проведение рубок ухода за лесом. повреждённый дерево автоматизированный лесозаготовительный Существующие системы лесозаготовительных машин для проведения рубок ухода опираются на современные классификации, и как показывает практика эффективность работы этих систем машин на рубках ухода низкая (невысокая производительность, высокая повреждаемость остающихся деревьев и т. д.). Существует проблема составления оптимальной системы лесозаготовительных машин для проведения рубок ухода за лесом, обеспечивающих высокую эффективность.

Выполнение поиска этой оптимальной системы лесозаготовительных машин является трудоемким процессом, осуществить который ручными методами невозможно. Для решения этой задачи необходимо применение автоматизированных процессов с использованием ЭВМ. Однако использование в автоматизированных системах проектирования существующих классификации рубок ухода, технологий и систем лесозаготовительных машин малоэффективно, т.к. они носят либо узкоспецифический, либо весьма обширный характер [1], и малоприменимы в автоматизированных системах. Поэтому для реализации автоматизированного выбора лесозаготовительных машин, обеспечивающих эффективное проведение рубок ухода в хвойных насаждениях разработана классификация, представленная в табл.1.

Таблица 1. Классификация технологий и машин для проведения рубок ухода.

где БП — бензопила «Хускварна», МТЗ-52, МТЗ-82, ТДТ-55 — трелевочные трактора для чокерной трелевки, Т-40А «муравей» — трелевочный трактор с навесным оборудованием для бесчокерной трелевки «муравей», Харв — харвестер NORCAR XC-15, Форв — форвардер NORCAR C-15, ВПМ-35 — валочно-пакетирующая машина, ЛТ-190 — машина для бесчокерной трелевки.

При проведении рубок ухода от валки и трелевки деревьев часто наблюдается значительное количество повреждений остающихся деревьев, их корневой системы, почвенного покрова. Количество повреждаемых деревьев является одним из показателей эффективности проведения рубок ухода в хвойных насаждениях. В настоящее время в лесничествах и лесхозах отсутствуют четкие методики планирования снижения количества поврежденных деревьев на основе рационального использования лесозаготовительных машин при проведении рубок ухода. Это приводит к большим потерям растущих деревьев, ухудшению устойчивости лесонасаждений и нарушению их целостности. В итоге сводится на нет положительный лесохозяйственный эффект от рубок ухода за лесом.

На количество повреждаемых деревьев в большей степени влияют такие показатели как возраст, полнота, количество деревьев до вырубки на 1 га, процент вырубаемых деревьев и типы трелевочного оборудования, используемого при проведении рубок ухода.

В ФБГОУ ВПО «Воронежская лесотехническая академия» на кафедре «Автоматизация производственных процессов» автором была разработана регрессионная модель количества повреждаемых деревьев при проведении рубок ухода за лесом. Функционирование этой модели опирается на классификацию, представленную в табл.1. Общее количество поврежденных деревьев Кd определяется выражением.

(1).

где Y₁, Y₂, Y₃, Y₄, Y₅ — количество повреждённых деревьев, соответствующих разной степени интенсивности повреждения и тяжести повреждения. Y₁ — характер повреждений, соответствующий слому ствола ниже 0.5 высоты дерева; Y₂ — характер повреждений, соответствующий слому ствола выше 0.5 высоты дерева; Y₃ — характер повреждений слома вершинок стволов; Y₄ — повреждения корневой системы у растущих деревьев; Y₅ — повреждения кроны и коры.

(2).

где а₀, а₁, а₂, а₃, а₄, а₅, а₆, а₁₂, а₁₅, а₂₄, а₃₄, а₃₆ — коэффициенты, определяемые на основании опытных данных для каждой системы лесозаготовительных машин (табл.2); X₁ — возраст насаждения, лет; Х₂ — полнота насаждения; Х₃ — система лесозаготовительных машин, варьируется в зависимости от их технических характеристик: типа движителя (колесные, гусеничные), массы, механизмов, габаритов (табл.3); Х₄ — число деревьев до рубки на 1 га, шт.; X₅ — диаметр вырубаемых деревьев, м; Х₆ — количество срубленных деревьев, шт.

Парные взаимодействия необходимо учитывать, так как рассматриваемый процесс рубок ухода это взаимодействие техники и технологии (X₃X₅ и X₃X₆) а также таксационных характеристик насаждений (Х₁Х₂, X₁X₄, X₁X₅) при повреждении оставшихся деревьев.

Тяжесть повреждения оставшихся деревьев после рубки определяется следующим приоритетом:

. (3).

Полученные таким образом пять уравнений регрессии, составляющие математическую модель, приведенные выше, дают возможность решения задачи многокритериальной оптимизации параметров рубок ухода и определение требуемой системы лесозаготовительных машин — Х₃, при которой количество поврежденных деревьев .

Без минимизации лесоводственно-экологического ущерба от машинизации рубок ухода невозможно в полной мере решить проблему получения максимально возможного объёма стволовой древесины от рубок ухода и главной рубки с 1 га за 1 год лесовыращивания. Однако сильное снижение производительности систем лесосечных и трелёвочных машин может привести к высокой стоимости и неэффективности рубок ухода как лесохозяйственных мероприятий. Поэтому необходимо решить задачу, содержащую конфликтную ситуацию: с одной стороны минимизировать повреждаемость деревьев, с другой оставить производительность систем лесозаготовительных машин при проведении рубок ухода за лесом на довольно высоком уровне.

Таблица 2. Значение коэффициентов уравнения регрессии количества повреждённых деревьев.

Таблица 3. Системы лесозаготовительных машин и их весовые коэффициенты.

Для решения этой задачи рассмотрим древостой, как объект управления. На рис. 1 представлена структурная схема управления ускоренным выращиванием древостоев. Главным управляющим воздействием на состояние древостоя являются рубки ухода за лесом, которое описывается следующими входными управляющими воздействиями: технология проведения рубки ухода за лесом; система лесосечных и трелёвочных машин, во многом зависящая от технологии проведения рубки ухода; количество (процент) удаляемых из древостоя деревьев.

Другой группой входных воздействий на объект управления — древостой являются параметры, характеризующие состояние древостоя на момент проведения рубки ухода — возраст древостоя, средняя высота и средний диаметр деревьев, запас, плотность насаждения.

Рис. 1. Структурная схема управления ускоренным выращиванием древостоев.

Выходные значения также подразделяются на две группы. Первая группа выходных параметров — состояние древостоя после проведения рубки ухода, аналогична входным параметрам. Прогнозируется при расчёте интенсивностей проведения рубок ухода. Во вторую группу выходных параметров включены: повреждаемость остающихся в древостое деревьев Kd и производительность систем машин Pc. Те параметры, по которым требуется произвести оптимизацию проведения рубок ухода за лесом.

Для решения задачи оптимизации был использован метод свёртки целевых функций [3]. Даны две целевых функции:

Количество повреждённых деревьев от проведения рубки ухода.

где i=1,2…6.

Производительности системы лесосечных и трелёвочных машин.

где i=1,2…6.

В качестве функции преобразования и привода целевых функций используются положительное линейное преобразование, дающее нормализованные функции в виде:

;, (4).

где Kd_min, Pc_min > min — минимальное значение целевой функции во всей области существования входных переменных; Kd_max, Pc_max > max — максимальное значение целевой функции во всей области существования входных переменных.

Здесь целевые функции (частные критерии оптимальности) Kd, Pc при помощи нормализации приведены к безразмерному виду, общему началу отсчёта и единому интервалу изменения [0…1].

;. (5).

Для свертки нормализованных целевых функций, в единую аддитивную функцию P необходимо использовать коэффициенты веса и каждой функции, найденные методом экспертных оценок, исходя из средних баллов значимости каждого критерия оптимальности. Так как повреждаемость остающихся в древостое деревьев имеет большую значимость, чем производительность систем лесозаготовительных машин, то. Причем. Таким образом, единая аддитивная функция P в виде свертки нормализованных целевых функций управления будет:

. (6).

Экстремум единой аддитивной функции с вычислением значений оптимальных управляющих воздействий X_0i был найден методом Гаусса-Зайделя.

Таблица 4. Оптимизация системы лесозаготовительных машин для проведения рубок ухода в одновозрастных сосновых насаждениях II бонитета.

Проведенный оптимизационный расчёт был использован при составлении компьютерной программы «Формирование оптимальных решений по выбору технологий и лесозаготовительных машин для проведения рубок ухода в хвойных насаждениях». Программой «Формирование оптимальных решений по выбору технологий и лесозаготовительных машин для проведения рубок ухода в хвойных насаждениях» был произведен оптимизационный расчёт систем машин для проведения рубок ухода, обеспечивающий максимальную производительность при снижении повреждаемости деревьев, остающихся после проведения очередной рубки. Результаты расчёта представлены в табл.4.

Оптимальной системе лесозаготовительных машин соответствует минимальное значение единой аддитивной целевой функции P (6). Для соснового насаждения II бонитета были построены диаграммы, отображающие выбор оптимальной системы лесозаготовительных машин по показателям повреждаемости остающихся деревьев и производительности системы машин. Диаграммы представлены на рис. 2, 3, 4.

Рис. 2. Выбор оптимальной системы машин для проведения первой рубки ухода

Рис. 3. Выбор оптимальной системы машин для проведения второй рубки ухода

Рис. 4. Выбор оптимальной системы машин для проведения третьей рубки ухода

Выполненные расчёты для насаждений сосны обыкновенной второго бонитета показали, что на каждом этапе рубки выбор системы лесозаготовительных машин обеспечивает максимальную эффективность. Производительность оптимальной системы лесозаготовительных машин может достигать двукратной величины по сравнению с существующими системами лесозаготовительных машин.

• 1. Математические модели, вычислительные процедуры систем автоматизированного проектирования рубок ухода за лесом. Авдонин И. Б., Гордиенко В. Л., Коваль И. И., Петровский B.C., Попов В. К., Черепухин С.А./ Под общ, ред. проф. В. С. Петровского. Воронеж: Воронеж, гос. лесотех. академ., 2001. — 309с.
• 2. Пошарников Ф. В. Практикум по технологии и оборудованию рубок промежуточного пользования/ Ф. А Пошарников, А. С. Черных, С. П. Черепанов — Воронеж: ВГЛТА, 2002. — 104с.
• 3. Петровский В. С. Теория управления [Текст]: Учебное пособие. — Воронеж: Воронежская лесотехническая академия, 1998. — 166с.