Оптимизация лесопиления в структуре нижних лесопромышленных складов в малолесных районах

Различные виды производства не могут обойтись без продукции лесопиления нижних лесопромышленных складов, где перерабатывается наибольшее количество заготавливаемой древесины. Лесозаготовительные предприятия Урала и Сибири, перерабатывающие сравнительно качественное сырье от сплошных рубок, являются основными поставщиками готовой продукции в малолесные районы. Около 50% всей готовой продукции составляют пиломатериалы, выпускаемые в виде досок, брусьев и брусков, различного вида заготовок. Основная часть вырабатываемых пиломатериалов широко используется в строительстве и для ремонтно-эксплуатационных нужд (около 55%), в деревообработке и машиностроении (до 14%), в мебельном производстве (7%) и более 10% пиломатериалов отгружается на экспорт. Однако, несмотря на достаточно большой спрос, качество пилопродукции не в полной мере отвечает современным требованиям рынка, что ведет к снижению ее конкурентоспособности. Такое обстоятельство обусловлено: недостаточным обоснованием состава (типажа) технологического оборудования, режимов его функционирования и компоновки в лесопильных цехахсложностями, связанными с перестройкой лесопильных потоков при изменении размерно-качественных параметров сырья и смене номенклатуры производимой продукциинизким уровнем концентрации производства, а так же не высоким научным уровнем в области лесопиления.

Размещение большинства деревообрабатывающих предприятий в Европейской части России, в то время когда основным поставщиком качественного сырья и готовой продукции являются традиционные районы лесозаготовок Урала и Сибири, создает ряд трудностей экономического характера. С одной стороны пилопродукция, производимая в многолесных районах не пользуется особым спросом, так как основными потребителями по-прежнему остаются малолесные районы. С другой стороны перевозка пиловочного сырья или готовой продукции к основному потребителю на сегодняшний день не выгодна, так как себестоимость пилопродукции будет гораздо выше в результате транспортных издержек. При этом отсутствие необходимого объема качественного сырья в Европейской части еще больше усугубляет данную проблему.

Интенсивное лесопользование в Европейско-Уральской части, где сосредотачивается до 75% предприятий лесного комплекса, привело к сокращению запасов спелых и перестойных лесов. Уменьшение концентрированных сплошнолесосечных рубок и преобладание лиственных насаждений (до 67%) создают определенный дефицит качественного сырья в этих районах. Поэтому для обеспечения потребителей качественной пилопродукцией без существенного увеличения объемов лесозаготовок необходимо перерабатывать и сырье от рубок, характерных для малолесных районов Европейской части России: — проходных и санитарных рубок, а в лесах второй группы возможно и главных сплошных или выборочных.

Около 70% крупной древесины от рубок промежуточного пользования и 50% средней получается главным образом от санитарных и рубок переформирования, но заготавливаемая древесина многосортна и отличается широким диапазоном размерно-качественных параметров. Существующие технологии переработки древесины в цехах нижних лесопромышленных складов при широком варьировании значений параметров сырья не дают ожидаемого эффекта, так как в них закладывались диапазоны размерной спецификации сырья и готовой продукции, не свойственные условиям рубок промежуточного пользования, и почти не учитывалась их связь с технологической структурой производства. Поэтому для нижних складов малолесных районов необходима разработка качественно новых технологий лесопиления, обеспечивающих полное и комплексное использование древесного сырья и выпуск пломатериалов требуемого качества, несмотря на неоднородность и много-сортность древесины. Однако, в процессе проектирования такого рода технологий, возникают трудности, связанные с учетом всех характеристик сырья и параметров оборудования, воздействующего на предмет переработки. Различные сочетания этих параметров дают большое количество вариантов, поэтому задача нахождения оптимального варианта технологического процесса становится сложнее.

Ввиду сложности моделирования лесопильного производства устранить данное противоречие с применением регулярных методов линейного и нелинейного программирования затруднительно, так как математический аппарат этих методов реализует ограниченное число вариантов и варьируемых параметров, а в данном случае допустимые решения и пределы изменения каждого параметра, как сырья так и технологического оборудования лежат, в области конечных множеств, которые являются дискретными и замкнутыми. Поэтому учесть конечное множество действующих факторов при моделировании и оптимизации технологических процессов лесопиления на нижних лесопромышленных складах возможно только с привлечением дискретного программирования, реализующего теорию множеств. Таким образом решение поставленной проблемы необходимо искать в области дискретного программирования, с проведением многокритериальной оптимизации технологических процессов производства пиломатериалов, с детальным анализом промежуточного решения на каждом этапе и с использованием компьютерной поддержки. Это позволит разработать технологические процессы производства пиломатериалов в малолесных районах, наиболее адекватно учитывающие реальные природно-производственные условия по всему спектру параметров сырья и изделий, технологического оборудования и технико-экономических показателей. А так же даст возможность при очень большом числе вариантов и значений параметров упростить вычислительные процедуры, снизить трудоемкость процесса обработки информации, избежать ошибок и повысить качество проектных решений.

Таким образом, тема диссертации, которая посвящена оптимизации лесопиления в структуре нижних лесопромышленных складов в малолесных районах является актуальной.

Целью предлагаемой работы является повышение эффективности лесопиления на основе решения многокритериальных задач оптимизации с использованием процедур дискретного программирования, что позволит существенно повысить качество и конкурентоспособность пиломатериалов при лесозаготовках в малолесных районах страны в структуре нижних лесопромышленных складов.

Научная новизна. Выделены конечные множества поверхностей, параметров поверхностей и их значений бревен пиловочных и пиломатериалов, технологического оборудования и значений его параметров, свойственные процессу переработки многосортного сырья на нижних лесопромышленных складах. На основе формализованного описания множеств, входящих в технологическую структуру, разработана ее математическая модель и многоуровневая модель многокритериальной оптимизации, а так же методика для ее реализации на основе теории графов и матричной теории, теории бинарных отношений и теории множеств, с использованием компьютерной поддержки. Дополнена структура показателя избыточности и впервые разработана методика его количественной оценки для лесопильных цехов. Предложена система безусловного и условного критериев предпочтения и система показателей эффективности для оценки и последующего выбора допустимых, не худших и оптимального вариантов технологической структуры производства пиломатериалов при лесозаготовках в малолесных районах в структуре нижних лесопромышленных складов.

Исследования, выполненные в работе, базируются на аппарате системного анализа, теории многоуровневого проектирования, теории выбора и принятия решений, теории множеств и методов дискретного программирования.

Основные положения выносимые на защиту:

1. Формализованное описание технологической структуры лесопильных цехов нижних лесопромышленных складов малолесных районов.

2. Многоуровневая модель многокритериальной оптимизации производства пиломатериалов и математическая модель технологической структуры лесопильных цехов.

3. Методика количественной оценки показателей избыточности и сложности технологической структуры с выбором допустимых вариантов технологического оборудования.

4. Методика выбора не худших и оптимального варианта технологической структуры лесопильных цехов на множестве показателей эффективности.

5. Решение задачи оптимизации по определению режимов функционирования основного технологического оборудования на множестве размерно-качественных параметров бревен пиловочных и пиломатериалов с программным обеспечением.

Научная и практическая ценность. Значимость для науки состоит в развитии теории методов многоуровневого проектирования технологических процессов лесопиления нижних лесопромышленных складов, а предлагаемая методология может служить основой для создания новых гибких технологий в области переработки древесины.

Результаты научных исследований могут быть использованы при решении задач оптимального выбора вариантов технологического процесса лесопильных предприятий по любому количеству и сочетанию показателей эффективностейопределение избыточности и сложности технологического оборудования и технологических структур действующих цехов по переработке древесины с целью их реконструкции или снижения затрат на производствовыбор оптимальных схем раскроя и режимов функционирования оборудования в зависимости от множества размерно-качественных параметров сырья и требований к качеству и ассортименту пилопродукции.

Разработанный пакет прикладных программ, реализующий методику определения оптимального варианта технологической структуры и режимов ее функционирования, позволяет сократить срок проектирования (учитывая предпроектные работы) в 3−4 раза, снизить затраты на обработку информации в 3.5 раза и повысить качество проектных решений, по сравнению с известными методами проектирования на 8−12%.

Реализация результатов. Работа выполнялась по госбюджетной теме № 66.01.11 «Совершенствование производственных процессов в лесном комплексе на основе ресурсосберегающих и экологически-перспективных технологий и оборудования» и по хоздоговорной теме № 30/99 «Разработка рекомендаций по повышению финансовой устойчивости Воронежской области». На основе результатов исследований разработаны и переданы в производство рекомендации по повышению эффективности технологических процессов лесопильных цехов Воронцовского и Бобровского лесхозов.

Методика имитационного эксперимента многокритериальной оптимизации лесопильного производства включена в учебный процесс по дисциплине «Моделирование и оптимизация производственных процессов лесного комплекса» и «Технология и оборудование лесных складов» .

Апробация работы. Результаты проведенных исследований докладывались, обсуждались и были одобрены на всероссийских научно-технических конференциях (Воронеж 1998;2000г.) — международных (Воронеж 1998 г.), (Йошкар-Ола 1999 г.), (Гомель 1999 г.) и на ежегодных научно-технических конференциях ВГЛТА (1997;2000г.).

Достоверность выводов и результатов исследований подтверждается: использованием современного аппарата в виде комплексного системного анализа содержащего методы многоуровневого проектирования, теорию множеств и теорию бинарных отношений, теорию графов и теорию матриц, что в наибольшей степени подтверждает адекватность полученных результатовиспользованием имитационного моделирования с компьютерной поддержкойапробацией в производственных условиях рекомендаций по результатам научных исследований. Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 16 статей.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем работы составляет 232 страницы, из них 187 страниц основного текста и 45 страниц приложений. Работа включает 27 иллюстраций, 9 таблиц и 124 наименований используемых источников.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ.

Выполненные исследования позволили получить научно обоснованные выводы и рекомендации, направленные на решение вопросов повышения эффективности лесопиления в структуре нижних лесопромышленных складов в малолесных районах.

1. В результате анализа существующих отечественного и зарубежного оборудования и технологий для производства пиломатериалов установлено что, в лесопильных цехах нижних лесопромышленных складов в малолесных районах целесообразно применение легких (наименее энергоемких) моделей лен-точнопильных станков и лесопильных рам, торцовочных и обрезных станков, причем в качестве головного оборудования должны использоваться комбинации первых, что позволит производить продукцию по гибкой технологии. При этом повысить качество пиломатериалов возможно за счет индивидуального подхода к оценке каждой единицы предмета труда, с назначением рациональных схем раскроя и оптимальных режимов работы оборудования.

2. Анализ работ по методам проектирования и оптимизации технологических процессов переработки древесины позволил выявить наиболее эффективное направление проектирования для условий малолесных районов, основанное на многоуровневом, формализованном подходе к проектированию индивидуальных технологий с использованием принципов дискретного программирования, с представлением исходной информации в виде графов и матриц.

3. Впервые проведено формализованное описание технологической структуры лесопильных цехов, как сложной системы, а выделенные конечные множества значений параметров поверхностей заготовок и изделий, конечное множество технологического оборудования и множество показателей эффективности, с применением методов дискретного программирования позволили перейти от геометрической модели заготовок и изделий к формированию исходных вариантов технологических процессов, адекватно отражающих отношение между входными и выходными параметрами.

4. На основе теории бинарных отношений разработана многоуровневая модель многокритериальной оптимизации и математическая модель технологической структуры. В последней исходные конечные множества представлены в виде графа размерных связей, что позволяет за счет применения матричной теории, снизить трудоемкость обработки информации при наибольшей достоверности конечных результатов.

5. Предложенная система безусловного и условного критериев предпочтения обладает высокой чувствительностью и являются наиболее эффективной для решения поставленных задач. Данные критерии позволяет оценить любое количество вариантов технологической структуры по любому количеству и сочетанию показателей эффективности, а методы для реализации критериев позволяют избежать субъективизма при выборе вариантов, и на основе компьютерной поддержки легко автоматизируются.

6. На основе многоуровневой и математической моделей обоснована целесообразность использования показателей избыточности и сложности. При этом в известном выражении по определению показателя избыточности предложена дополнительно составляющая, показывающая отношение между технологическим оборудованием и технико-экономическими показателями в процессе выполнения операции. Это позволило более полно оценить связь технологического оборудования с предметом обработки, а также сформировать заведомо эффективные варианты технологических структур. Установлено, что для эффективных вариантов значения показателя избыточности находятся в пределах от 0.75 до 1.13, что говорит об оптимальном выборе типажа оборудования для данных условий.

7.Разработанная методика многокритериальной оптимизации процессов лесопиления на нижних лесопромышленных складах, позволила решать всех поставленные задачи со снижением трудоемкости обработки информации в 3.5 раза и повысить качество проектных решений на 8−12% при этом избежать субъективизма.

8. Проведенные имитационные эксперименты с компьютерной поддержкой подтвердили теоретические выводы, по результатам которых определен оптимальный вариант технологической структуры лесопильного цеха Воронцов-ского лесхоза и режимы его функционирования в зависимости от множества размерно-качественных параметров сырья и требований к качеству и ассортименту продукции.

9. Методика, программное обеспечение и результаты проведенных исследований, представленные в виде графиков и таблиц, внедрены в лесопильном цехе Воронцовского лесхоза, что подтверждается соответствующими актами. При этом объемный выход пилопродукции увеличился на 25% при улучшении качества на 17.8%. Экономический эффект от внедрения составил 3906.4 т. руб.

10. Предлагаемая методология может использоваться для решения оптимизационных задач технологических процессов и в других отраслях промышленности, где в основе производства лежит геометрия обрабатываемого материала.