Метод комплексного анализа систем устойчивого лесопользования

К 90-ЛЕТИЮ СПЕЦИАЛЬНОСТИ «ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО»

МЕТОД КОМПЛЕКСНОГО АНАЛИЗА СИСТЕМ УСТОЙЧИВОГО ЛЕСОПОЛЬЗОВАНИЯ

П.Б. РЯБУХИН, проф., декан факультета природопользования Тихоокеанского ГУ, д-р техн. наук, Н.В. КАЗАКОВ, доц. каф. технологии заготовки и переработки древесных материалов Тихоокеанского ГУ, канд. техн. наук,

А.В. АБУЗОВ, доц. каф. технологии заготовки и переработки древесных материалов Тихоокеанского ГУ, канд. техн. наук

В целях осуществления комплексного анализа систем устойчивого промышленного лесопользования (СУПЛ) предлагается метод, включающий формализацию и математическое моделирование связей, процессов и элементов лесопользования. При этом учитывались лесоэксплуатационные характеристики древосто-ев, рельеф местности, состояние лесных почв, технология и технические характеристики машин и механизмов. Построение модели СУПЛ и ее реализация осуществлялись на принципе динамического развития в виде компьютерной программы©, позволяющей оперативно определять в количественных показателях эффективность СУПЛ в целом и отдельно уровень различных технологических процессов (ТП) и систем машин и механизмов (СММ) с учетом лесорастительных природных (ЛПУ) и региональных производственных условий (РПУ).

Алгоритм построения программного комплекса© имеет следующий порядок действий.

Предварительный этап

I. По лесопромышленным показателям была проведена классификация лесосек Дальневосточного региона, согласно которой определено ограниченное количество таксонов, описанных, в свою очередь, полимодальным законом распределения, что существенно позволяет сократить область поиска [1].

II. Произведено моделирование транспортных схем освоения лесосек, позволяющее определить интересующие нас параметры транспортного освоения лесосеки исходя из определенного, заданного или сгенерированного перечня показателей из всех существующих типов лесосек, т.е. непосредственно связанной с классификацией лесосек региона по лесопромышленным показателям [2, 4].

tolp@mail.khb.ru

III. Формализовано поле теоретически возможных воздействий на предмет труда (ПТ), в рамках концепции устойчивого лесопользования, по полному условно замкнутому циклу, начиная от ухода за лесом до процедур добычи ресурсов, непосредственно изъятие сырья и мероприятия по возобновлению биоразнообразия лесной экосистемы и ее промышленного потенциала. Здесь для каждого воздействия на ПТ определяется соответствующий массив механизмов и агрегатов машин, способных выполнить работу по требуемому воздействию на ПТ, для каждого из которых приведены нормированные диапазоны их параметров. На основе проведенного анализа конструкций современной лесосечной техники и патентного поиска по данному вектору исследований создается база данных по конструктивным и технологическим параметрам машин и обрабатывающего оборудования (&-СММ) для всех возможных j-ТП [1].

IV. Обосновываются показатели качества и строятся математические модели для их количественной оценки [3].

Основной этап

1. Генерируются или задаются количественные значения лесопромышленных показателей лесосек природно-производственных условий для i-го таксона и формируется массив исходных данных.

2. Формируется массив принципиально возможных технологических процессов, состоящих из совокупности элементов j-ТП, с помощью которых может быть отображено и осуществлено изменение качественного состояния ПТ (деревьев) и (или) его перемещение в пространстве и (или) во времени.

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 1/2013

129

НАУКА И ОБРАЗОВАНИЕ. ЛЕСОПРОМЫШЛЕННЫЙ КОМПЛЕКС

3. Для каждого действия п.2. формируется граф агрегатов и механизмов, их характеристик и параметров.

4. Генерируются или задаются ТП n-совокупностей действий по п. 2. путем разворачивания (распределения) по элементарным технологическим переходам (операциям) и формируется массив данных.

5. Распознаются переходы отдельно для операций перемещения и отдельно для изменения качественного состояния ПТ.

6. Вычисляются показатели качества для j-го принципа ТП, путем обращения к подпрограммам пооперационного расчета показателей качества.

7. Если n-ая совокупность элементов j-ТП не обеспечивает условию завершения ТП, то переходят к шагу 2.

8. Сводятся значения показателей качества для всех n-совокупностей элементов j-ТП и запоминается.

9. Если не определена хотя бы одна n-ая совокупность элементов j-ТП, то переходим к шагу 14.

10. Выбираются способы нормализации значений показателей качества (с разной размерностью) для решения многокритериальной задачи.

11. С использованием математического аппарата теории многопараметрической оптимизации определяется эффективный по Парет-то глобальный диапазон значений экстремумов показателей качества, с учетом ограничений разработчика из всего множества j-х ТП и к-х СММ остаются m-ТП и n-СММ (me j; ne k).

12. Задается (или выбирается) метод сведения эффективной по Паретто области значений показателей качества (например, справедливого компромисса).

13. Вычисляется рациональное значение из n-ой совокупности элементов j-ТП и осуществляются другие необходимые технологические расчеты.

14. Формируется массив по показателям к-СММ, т.е. вариации параметров к-СММ для определенной на шаге 7 совокупности элементов j-ТП.

15. Если не все параметры к-СММ рассчитаны, переходим к шагу 5.

16. Значения показателей качества для эффективной n-ой совокупности элементов j-ТП сводятся со значениями параметров к-СММ и запоминаются в соответствии с количественными значениями ЛПУ.

17. Если не все ЛПУ рассчитаны, переходим к шагу 1.

18. Производится вывод результатов эффективной n-ой совокупности элементов j-ТП со значениями параметров к-СММ для конкретных значений ЛПУ.

Завершающий этап Для решения ряда задач комплексного анализа целесообразно применить в качестве показателя экономической эффективности величину прибыли предприятия от реализации продукции, полученной из всего объема древесины, отпущенной в рубку. Используемый показатель позволяет учесть не только экономическую эффективность ТП, но и уровень использования древесного сырья и, как следствие, степень занятости населения. Тем самым комплексно отражаются основные критерии устойчивого лесопользования - экономический, экологический, социальный [5].

Поиск эффективных СУПЛ для конкретных ЛПУ предлагается поставить как задачу многокритериального структурно-параметрического синтеза [6]. Математическая постановка задачи поиска совокупности элементов j-ТП и значений параметров к-СММ сводится к минимизации векторного критерия

(S) Е = ф(Ж, T, D, M, P), (1) где W, T, D, M, P - глобальные диапазоны целевых функционалов.

tkYi max Yi max Yp max

min ME=f{ ... J ... J ф(yt)M(xm,Xt,Y>

tnYi min Yi min Yp min

xdyVdy 2-..:dyp -dt,

min TE= |/../..|ф( y»T ( Xm X ,Y yty,-dy ,-..dpd,

T ’ r'y\^' y 2 • • • '"yp^t >

min Dv=

||-.|-. |ф( yt) D( XM XT ,Y )dy1 dy 2 •• .•'dyp d,

min WZ=||- |.|ф( yt)W (XM XT ,Y Kd 2^ dA,

tn

h

in Р!=1Шф( yt )P( X« Xt Y K-dy p-d„d,,

min PE=

130

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 1/2013

К 90-ЛЕТИЮ СПЕЦИАЛЬНОСТИ «ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО»

где t t— временной интервал изменения условий;

Y , Y - граничные значения /-ой характеристики разрабатываемых лесосек;

XM - параметры k-СММ;

X Y - соответственно, значения n-ой совокупности элементов j-ТП и природно-производственных условий эксплуатации техники;

W(Xm> Xt, Y), T(.), D(.), M(-), P(.) - соответственно, математические модели затрат энергии, времени и потерь древесного сырья, минерализации почвы, повреждений оставляемых деревьев, молодняка, подроста;

9(Y, t)- обобщенная совместная плотность распределения характеристик лесосек.

Физический смысл данной постановки задачи сводится к поиску таких параметров машин (ХМ) и технологических процессов (Х) в диапазоне области их применимости для заданных состояний предмета труда (дерево, хлыст и т.д.), которые в различных природных условиях (Y) минимизируют значения затраченных энергии (W) и времени на реализацию технологического процесса (T); потерь древесного сырья (D); повреждения почвы (M) и оставляемых на лесосеке деревьев, молодняка и подроста (P). При этом параметры СММ и значения совокупности элементов j-ТП должны соответствовать действующим лесоводственным нормам и требованиям техники безопасности.

Таким образом, процесс поиска оптимальной совокупности элементов j-ТП и соответствующих параметров СММ, а также процедура определения уровня их эффективности при эксплуатации в различных природно-производственных условиях сводится к решению задачи векторного нелинейного программирования. Анализ физической сущности критериев оптимизации показывает, что они носят противоречивый характер. Естественно, что оптимизация технических систем по каждому из критериев в отдельности приведет к различным значениям оптимальных параметров. В связи с этим для совместного учета всей совокупности частных критериев

рассмотрим векторный критерий оптимальности

ЩМ Xr Y) = W Tv P » D » М].

Векторный (комплексный) критерий позволяет решить задачу многокритериальной оптимизации, результат которой, в общем случае, не являясь оптимальным для одного из частных критериев, оказывается компромиссным для вектора S(XM X Y) в целом.

Решение задачи многокритериальной оптимизации (компромиссное решение^ gD* является эффективной точкой, если для нее справедливо неравенство

S

Иными словами, если любая компонента S(XM*, XT*, Y) < S(XM XT, Y), то хотя бы для одного из критериев найдется точка, в которой выполняется строгое неравенство S(Xm*, Xt*, Y) > S(Xm, Xt, Y).

Из определения эффективной точки следует, что она не единственная. Множество всех эффективных точек называется областью компромиссов или областью решений, оптимальных по Паретто. Оптимальность по Паретто векторного критерия S(XM XT, Y) означает, что нельзя более улучшать значения одного из частных критериев, не ухудшая хотя бы одного из остальных. Для определения экстремума по Паретто перейдем от задачи векторной оптимизации к задаче нелинейной оптимизации специально сконструированной скалярной функции цели

S

Сконструируем следующую свертку критериев

S

(•=1 i=l

S (XM,XT,Y) = (L(XM,XT,Y)-L])/L]

- для минимизируемых критериев;

E(XM,XT,Y) = (L*-L(XM,XT,Y))/L]

- для максимизируемых критериев.

где L . - значение /-го критерия, полученное при выборе оптимальных параметров с учетом только /-го показателя качества.

Экстремальные значения L*. получаются после решения оптимизационной задачи по одному из /-ых критериев.

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 1/2013

131