Перспективы создания и использования систем автоматизированного проектирования схем волоков на лесосеке

ПЕРСПЕКТИВЫ СОЗДАНИЯ И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СИСТЕМ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ СХЕМ ВОЛОКОВ

НА ЛЕСОСЕКЕ

Пискунов М.А., Воронова А.М.

The paper is concerned with tasks creation and usage computer-aided design for network skidding roads on cutting areas.

Традиционные подходы к проектированию схемы волоков на лесосеке опираются в основном на некоторый набор типовых схем, которые представлены в большинстве учебных пособий и монографий, посвященных технологии лесосечных работ. Используются либо сами схемы, либо их комбинации. Этот набор разработан и испытан на практике в период подавляющего доминирования хлыстовой технологии лесосечных работ, в котором осуществляется трелёвка хлыстов или деревьев. Трелёвка хлыстов или деревьев накладывает ограничения на схему волоков. Одно из ограничений - это максимальное количество поворотов, которое может совершать трактор при трелёвке пачки. Типовые схемы обладают, преимущественно, прямолинейными волоками с возможным количеством поворотов трактора при трелёвке 1 или 2 раза. Использование таких схем не позволяет учитывать набор факторов, который оказывает влияние на технические, экологические, экономические аспекты трелёвки. В частности: неоднородность свойств почво-грунта - на лесосеках существуют участки с различной несущей способностью; рельефные особенности - типовые схемы не позволяют в полной мере учесть особенности рельефа лесосеки; неравномерное распределение древостоя по лесосеке, а также различия в грузообороте отдельных участков волоков.

С развитием сортиментной технологии, где выполняется трелёвка сортиментов в полностью погруженном положении, маневренность трелёвочного трактора повышается. Возможное количество поворотов в полностью погруженном состоянии может быть увеличено. Схемы волоков могут проектироваться в более тесной связи с особенностями каждой отдельно взятой лесосеки.

Практика полевых исследований на лесозаготовительных предприятиях Республики Карелия показала, что в настоящее время фактические схемы волоков заметно отличаются от типовых. Фактические схемы принимают более ветвистый вид, причём составляются они либо после обхода технологом всей лесосеки, либо получаются по факту, когда операторы лесозаготовительных машин самостоятельно принимают решения о направлении движения трактора.

В Петрозаводском государственном университете проводятся исследования, направленные на создание и развитие систем автоматизированного проектирования схем волоков на лесосеке и способов дальнейшей практической реализации этих схем в реальном лесозаготовительном процессе на основе анализа подробной информации о лесосеке.

Так были выполнены экспериментальные исследования по составлению карт распределения естественной влажности почво-грунтов на произвольных участках леса, назначенных в рубку площадью не менее 1 га. Измерения проводились таким образом, что точки, в которых осуществлялся отбор проб, форми-

ровали сетку с шагом 10 м. Эксперименты показали, что различия влажности для соседних участков могут составлять 60-80%.

Для таких карт был разработан алгоритм, предназначенный для поиска расположения верхнего склада и проектирования схемы волоков. Так как грузооборот разных участков волока разный, то, очевидно, наибольшее количество проходов будет осуществляться по участкам волока наиболее приближенных к верхнему складу, наименьшее количество проходов - для участков наиболее удаленных от верхнего склада. Основная задача моделирования схемы заключалась в том, чтобы построить схему, в которой на участки с большей влажностью грунта сосредоточить наименьшее количество проходов.

При поиске решения использовались методы математического моделирования. Математическая модель лесосеки представляет собой взвешенный ориентированный граф, все вершины которого соответствуют участкам набора сортиментов, дуги графа сопоставлены всем возможным путям соединения смежных пасек, по которым можно прокладывать волока. Веса дуг графа зависят от коэффициента устойчивости грунта к воздействию трелюющей техники. Коэффициент устойчивости является обобщенной характеристикой свойств грунта на участке пасеки. Чем коэффициент меньше, тем слабее грунт пасеки, следовательно, меньшее число проходов трелевочного трактора грунт участка пасеки способен выдержать.

После выполнения исследований по составлению алгоритма и практической реализации этого алгоритма в виде программного обеспечения с удобным для лесопромышленников интерфейсом возникает задача практического освоения полученных результатов.

Оптимальная схема, которая получилась в результате, в значительной степени отличается от общепринятых и используемых на практике в настоящий момент схем волоков. С одной стороны это показывает, что существует значительный резерв повышения эффективности лесосечных работ за счет планирования схемы волоков. С другой стороны возникают сложности практической реализации оптимальных схем.

Применение математических моделей и полученных решений на практике неизбежно приведет к необходимости решения двух основных проблем. Связано это с тем, что практическая реализация математических моделей и методов требует структуризации входных данных и формализации правил вывода, алгоритмов расчета. Если без использования математических моделей и методов мастер производит на глаз осмотр лесосеки и, используя свой опыт, определяет место размещения погрузочных пунктов и направления магистральных волоков, к которым примыкают пасечные волок, то при использовании математических моделей и методов необходимы входные данные, выраженные количественно.

Первая проблема: необходимо осуществлять сбор данных о свойствах грунта, рельефе на лесосеке, причём данные должны быть максимально подробные. Для сбора данных о свойствах грунта можно применять несколько способов. Первый способ ручной сбор данных - отбор проб. Этот способ достаточно прост с позиций затрат на оборудование, однако существенный недоста-

ток - очень большая трудоемкость сбора данных (например, чтобы составить сетку с шагом 10 м для 1 га, необходимо около 12 часов при участии двух человек). Второй способ основан на широком использовании современных средств и методик измерений, инструментария. Трудоёмкость резко снижается, но по мере снижения трудоемкости возрастает стоимость оборудования.

В качестве инструментов для анализа свойств грунта могут использоваться: георадары; специальные пенетрометры, позволяющие записывать данные о силе вдавливания пенетрометра в грунт, причем послойно (возможность получения, некоторой интегральной характеристики грунта, которая включает влажность, наличие слоёв, тип грунта и т. д.); технологии, основанные на дистанционном зондировании. Технически последний способ может быть реализован, однако требуется еще проработка для прикладного использования на лесозаготовках на уровне сбора данных с высоким разрешением, чтобы выделять участки, отличающиеся по свойствам грунта, площадью 2-5 м2. В текущий момент эти технологии реализуются для сбора и анализа данных, полученных для больших площадей при использовании аэрозондирования и зондирования со спутников. Перспективы сбора данных по рельефу, связаны в основном с GPS навигацией, в текущий момент с использованием широко распространённых спутниковых навигаторов имеется техническая возможность выявлять особенности рельефа на лесосеке с достаточной точностью. Опыт использования GPS навигации показал, что выполняя дополнительные измерения рельефа к данным, которые представлены на топографических картах, формируется достаточно подробная карта рельефа, в которой могут быть учтены индивидуальные особенности лесосек.

В целом технические средства, разработанные к текущему моменту, позволяют говорить о принципиальной возможности составления подробных карт лесосек.

Вторая проблема: реализация полученных оптимальных схем на практике. Оснащение современных лесозаготовительных машин системами управления и контроля на основе информационных технологий практически снимают сложность в реализации. Системы навигации, установленные в кабине трактора, объединенные с программным комплексом по расчёту схем волоков, позволяют оператору получать информацию о направлении движения машины в оперативном режиме.

В процессе адаптации была выявлена еще одна особенность: оптимальные схемы не всегда целесообразно использовать в полном объеме. В некоторых случаях по ряду технологических признаков, оптимальные схемы должны быть скорректированы. Не всегда удается формализовать некоторые природно-производственные особенности, имеющие место на каждой конкретной лесосеке. В этой связи систему автоматизированного проектирования схемы волоков следует рассматривать как систему поддержки принятия решений, в которой выдаются некоторые оптимальные варианты для различных исходных данных, но должна оставаться возможность для мастера или оператора проводить корректировку рассчитанных схем.