Алгоритм решения задачи по комплексной оценке технологических процессов лесопромышленных предприятий

УДК 630.323 П.Б. Рябухин, Н.В. Казаков, Е.В. Луценко

АЛГОРИТМ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧИ ПО КОМПЛЕКСНОЙ ОЦЕНКЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ЛЕСОПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ

Для решения научно-практических задач по внедрению в лесопромышленном комплексе (ЛПК) современных высокоэффективных технологических процессов (ТП) и систем лесозаготовительных машин (ЛЗМ) разработаны методика и пакет прикладных программ, которые позволяют производить выбор ТП и ЛЗМ по комплексу оценочных критериев, удовлетворяющих основным принципам устойчивого лесопользования. Реализация полученных программных продуктов дает возможность предприятиям ЛПК осуществлять научно обоснованный выбор ТП и ЛЗМ с решением экономических, социальных и экологических проблем для конкретных природно-производственных условий, в которых они осуществляют свою деятельность.

Для осуществления комплексного анализа функционирования различных систем лесозаготовительных машин (ЛЗМ) в работе предпринята попытка создания математической модели, основанной на оценке экономической эффективности систем машин и технологий лесосечных работ, прошедших экологическую экспертизу и удовлетворяющих всем экологическим требованиям действующих нормативных и законодательных актов. При этом учитывались лесоэксплуатационные характеристики древостоев, рельеф местности, состояние лесных почв и технические характеристики машин. Построение модели и ее реализация осуществлялись на принципе динамического развития в виде компьютерной программы, позволяющей оперативно определять экономическую эффективность различных технологических процессов (ТП) и систем лесозаготовительных машин с учетом лесорастительных природных (ЛПУ) и региональных производственных условий (РПУ).

Алгоритм построения математической модели представлен на рисунке 1. При этом использовался следующий порядок действий:

1. На базе информации, собранной путем анкетирования работников лесхозов и лесозаготовительных предприятий субъектов ДВФО в 2003-2005 гг. и материалам, предоставленным ФГУ "ДальНИИЛХ”, а также собственных данных, осуществлялось формирование массива исходных характеристик лесорастительных условий в виде лесоэксплуатационных показателей древостоев, рельефа местности, категории грунтов и т.д. по 1-м участкам лесного фонда.

2. Сформированный массив информации с использованием математического аппарата представлялся в виде сверсток (таксонов), на базе которых создавалась математическая модель ЛПУ.

3. Формировался массив принципиально возможных технологических процессов рП, с помощью которых может быть реализовано изменение качественного состояния предмета труда (деревьев) и его перемещение в пространстве и во времени.

4. На основе проведенного анализа конструкций современной лесосечной техники и патентного поиска по данному вектору исследований создавалась база данных по конструктивным и технологическим параметрам лесозаготовительных машин и обрабатывающего оборудования (к-ЛЗМ) для всех возможных ]-ТП.

5. Используя принцип разворачивания процесса по технологическим переходам (операциям), создавались математические модели ТП и систем ЛЗМ по выбранным критериям качества - энергоемкости и затратам времени на выполнение переходов.

6. Переходы распознавались отдельно по разделяющим и переместительным операциям.

7. Вычислялись показатели качества к-ЛЗМ для реализации Ко ТП путем обращения к подпрограммам пооперационного расчета.

8. Все полученные значения показателей качества для ]-х ТП сводили в массив и запоминались.

9. Эвристическим путем определялись ограничения сочетаний ЛПУ, при которых целесообразность реализации технологического процесса лесозаготовок из всего множества ]-х ТП и к-х ЛЗМ отсутствовала (из всего массива 1-х ЛПУ удалялось до 30% в виде территорий неэксплуатационных лесов и осталось 1-ЛПУ, 1е I).

10. С использованием математического аппарата теории многопараметрической оптимизации определялся эффективный по Паретто глобальный диапазон значений экстремумов показателей качества, с учетом ограничений разработчика из всего множества ]-х ТП и к-х ЛЗМ оставались т-ТП и п-ЛЗМ (те ]; пе к).

11. Полученные значения показателей качества с учетом 1-ЛПУ сводились в массив и запоминались.

12. Производились: вывод результатов синтеза т-ТП и п-ЛЗМ для 1-ЛПУ Дальневосточного региона и ранжирование их по критериям применимости.

13. Из сформированного подмножества т-ТП и п-ЛЗМ определялся оптимальный технологический процесс ТПопт с составом ЛЗМ опт для его реализации по критерию экономической эффективности.

В качестве показателя экономической эффективности была принята величина прибыли предприятия от реализации продукции, полученной из всего объема древесины, отпущенной в рубку. Используемый показатель позволил учесть не только экономическую эффективность ТП, но и уровень использования древесного сырья и, как следствие, степень занятости населения. Тем самым, комплексно отражались основные критерии устойчивого лесопользования - экономический, экологический, социальный [1].

Задачу поиска эффективных систем лесосечных машин и технологий лесосечных работ предлагалось поставить как задачу многокритериального структурно-параметрического синтеза на базе задач оптимального управления [2]. Математическая постановка задачи поиска структуры и параметров машин и технологий в работе сводились к минимизации векторного критерия

(5 ) 5 = р ^,Т, Б, М, Р), где \М,Т,й,М,Р - глобальные диапазоны целевых функционалов.

гк У тах У; тах Ур тах

ттМЕ = | | ... | ... /ру, ОМ (Хм, Хт , У^у1  йу 2 •... • йур  й,,

гп У1 тт У; тт Ур тт

т1п Т = Я..!..!^ ,)Т(ХМ , ХТ , У)йу1  йу2 ...  йур  ,

тт = ,г)Б(Хм, Хт,У)йу1  йу2 ... йур  й,

тт Wz = ,г)W(Хм, Хт ,У)йу1  йу2 ... йур  й,,

т1п Р = !!../../Р(у,г)Р(ХМ , ХТ , У)йу1  йу2  ...  йур  й,,

п

где 1п,1к - временной интервал изменения условий;

Утт, Утах - граничные значения 1-й характеристики разрабатываемых лесосек;

Хм - технические параметры и технологическая структура лесосечной машины;

Хт,У - соответственно, параметры технологического процесса и природно-производственных условий эксплуатации техники;

W (Хм, ХТ, У), Т (), Б(-), М (), Р(-) - соответственно, математические модели удельных затрат энергии, времени, потерь древесного сырья, минерализации почвы, повреждений оставляемых деревьев, молодняка, подроста;

р(У, г) - обобщенная совместная плотность распределения характеристик лесосек.

Физический смысл данной постановки задачи сводился к поиску параметров машин (Хм) и технологических процессов (Хт) в диапазоне области их применимости для заданных состояний предмета труда (дерево, хлыст и т.д.), которые в различных природных условиях (Ур) минимизируют значения затраченных энергии (М) и времени на реализацию технологического процесса (Т), потерь древесного сырья (О), повреждения почвы (М и оставляемых на лесосеке деревьев, молодняка и подроста (Р). При этом параметры техники и технологии должны соответствовать действующим лесоводственным нормам и требованиям техники безопасности.

Таким образом, процесс поиска оптимальной структуры систем лесосечных машин и определения уровня их эффективности при эксплуатации в различных природно-производственных условиях сводился к решению задачи векторного нелинейного программирования. Анализ физической сущности критериев оптимизации показывал, что они носят противоречивый характер. Естественно, что оптимизация технических систем по каждому из критериев в отдельности приводит к различным значениям оптимальных параметров.

к

к

к

к

В связи с этим, для совместного учета всей совокупности частных критериев рассматривали векторный критерий оптимальности

Е

Рис. 1. Алгоритм построения математической модели для комплексной оценки технологических процессов лесозаготовок и систем ЛЗМ

Векторный (комплексный) критерий позволяет решить задачу многокритериальной оптимизации [3], результат которой, не являясь оптимальным для одного из частных критериев, оказывается компромиссным для вектора Е( Хм, ХТ, У) в целом.

Решение задачи многокритериальной оптимизации (компромиссное решение) X * е В * является эффективной точкой, если для нее справедливо неравенство [4]

Е

Иными словами, если любая компонента Е(X *м, X*т ,У) < Е(Xм, XT, У), то хотя бы для одного

из критериев найдется точка, в которой выполняется строгое неравенство

Е. (X *м, X V, У) > Е. (Xм , Xт, У).

Из определения эффективной точки следует, что она не единственная. Множество всех эффективных точек называется областью компромиссов или областью решений, оптимальных по Парето [5]. Оптимальность по Парето векторного критерия Е( Xм, XT, У) означает, что нельзя более улучшать значения одного из частных критериев, не ухудшая хотя бы одного из остальных. Для определения экстремума по Парето перейдем от задачи векторной оптимизации к задаче нелинейной оптимизации специально сконструированной скалярной функции цели

Е

Сконструируем следующую свертку критериев:

Е^м,Xт,У) = £п[Z^]Vnг- > 0.0;£п = 1,0;

г=1 г=1

Е(Xм,XT ,У) = (Ь(Xм,XT,У) - Ь*)/Ь* - для минимизируемых критериев;

- м ’ ^ Т ’ *- ) м ’^'-Т--

Е(Xм, XT, У) = (Ь* - Ь(Xм, XT, У)) / Ь* - для максимизируемых критериев, где Ь* - значение ко критерия, полученное при выборе оптимальных параметров с учетом только ко показателя качества.

Экстремальные значения Ь* получают после решения оптимизационной задачи по одному из ьх критериев.

Таким образом, обобщенная целевая функция для нашего случая представлена в следующем виде:

~WZ ^, Xт, У) - Ж* Ту (Xм, Xт, У) - Ту* Ру ^м, Xт, У) - Ру*

Ту* Р*

Ву (Xм, Xт, У) - В, му ^м , Xт, У) - му

В му

где *, Ту *, Ру *, *, му * - экстремальные значения частных критериев (показателей качества);

, Ту, Ру, , м у - текущие значения частных критериев.

Формализация показателей качества выполнена с использованием аналитических методов решения технологических задач. При определении энергоемкости машин и оборудования, участвующих в реализации технологических процессов лесозаготовок, были использованы теоретические исследования В.Г. Кочегарова [6] и М.В Коломиновой [7]. Вопросам изучения влияния комплекса факторов на время выполнения технологических операций различными системами ЛЗМ посвящены работы В.Ф. Кушляева, В.Н. Меньшикова, В.И. Фаста, Г.М. Ушакова. В них авторы на высоком научном уровне провели исследования по функционированию всех систем ЛЗМ отечественного производства для хлыстовой и сортиментной технологий лесозаготовок. Поэтому наибольший интерес в научно-практическом плане представляет система ЛЗМ зарубежного производства для работы в горной местности, характерной для лесорастительных условий ДФО. Данная система машин включает валочно-пакетирующую машину с выравниваемой технологической платформой и трелевочную машину манипуляторного типа. Для этой системы ЛЗМ получены аналитические зависимости, позволяющие установить влияние лесоэксплуатационных характеристик древостоев и способов разработки

лесного массива на значения времени выполнения технологических операций [8]. Формализация таких показателей качества, как потери древесного сырья (D), повреждение почвы (M) и повреждение оставляемых на лесосеке деревьев, молодняка и подроста (P) осуществлялась по результатам натурных наблюдений и полученных регрессионных зависимостей для ЛПУ ДФО [9].

Наиболее простым и доступным современным способом решения задачи по выбору оптимального, с точки зрения комплексной эффективности, технологического процесса функционирования лесозаготовительного предприятия, является реализация математической модели этого процесса в виде компьютерной программы. К числу наиболее известных таких программ относится система Math CAD, позволяющая решать математические задачи, информация в которых имеет привычный вид аналитических формул с блоками текстовых комментариев [10]. Из систем управления базами данных наиболее распространена система Microsoft Acces [11].

Математическая модель экономической эффективности ТП и систем ЛЗМ строится комплексным способом, при этом одна часть показателей определяется аналитическими, а другая - статистическими методами.

Математическую модель экономической эффективности j-го ТП представим в общем виде [12].

Пр =

n m

IРП =XIv,';;; * Д,.„.

n=1 m=0

где n, m - количество наименований ассортимента продукции, произведенной из круглых лесоматериалов и из низкотоварной древесины и древесных стволовых остатков (НТДО) соответственно;

V.m - объем и цена реализации ассортимента продукции, сконцентрированного на лесопромышленном складе за период времени t.

__ З З k n m

IЗ=IIIIIC *Vijknm ^ min,

i=1 j=1 k=1 n=1 m=1

где Cj - себестоимость работ на i-й фазе j-го ТП.

Vjknm - объем n-й и m-й продукции, прошедший через каждую i-ю фазу j-го ТП с использованием k-й

системы ЛЗМ и оборудования;

i - фазы лесозаготовительного производства. i = 1, 2, 3 (1 - лесосечные работы; 2 - вывозка; 3 - лесопромышленный склад);

j - типы ТП (1 - вывозка хлыстов; 2 - вывозка сортиментов; 3 - комбинированная вывозка деловой древесины и НТДО).

Задача создания программного продукта для реализации полученной математической модели решалась с использованием языка программирования UML [13]. В качестве подпрограмм использовался стандартный пакет программ LP98 [14].

Физическое представление модели разрабатываемой программы на языке UML показано в виде диаграммы компонентов приложения (рис. 2).

После моделирования программы и создания файлов расчета в математической системе MathCAD

11,0 PRO производится программирование в системе управления базами данных Microsoft Access на языке Visual Basis of Application 6,0 с применением методов реляционной алгебры [15].

Реализация разработанной программы для ЛПУ и РПУ ОАО «Горинский КЛПХ» показывает, что внедрение хлыстовой технологии с вывозкой из лесосеки всей стволовой древесины (деловой и НТДО) позволяет увеличить объем товарной продукции предприятия на 30-35%. При этом затраты увеличиваются на 1518%, а при сложившихся ценах на мировом и внутреннем рынках на круглые лесоматериалы и размером рассчитанной минимально допустимой цены реализации НТДО (из условия «неубыточности» производства) прибыль предприятия увеличивается на 20-25%.

Данная подсистема производит оценку применимости систем машин и технологий лесозаготовок и хранит информацию о применимости систем машин для заданных участков лесного фонда

Подсистема хранения промежуточной информации

і----------ь

| 486 файлов]

Системные и аппаратные требования программного комплекса

1) Оперативная память - 32 Мб;

2) Тактовая частота процессора -166 МГц;

3) Объем памяти на жестком диске -100 Мб;

4) Операционная система - Windows 98 и выше;

5) Необходимые для работы программы - Microsoft Office 2000 и выше, MathCAD 7.0 и выше.

Рис. 2. Диаграмма компонентов приложения по оценке применимости и эффективности систем машин и технологических процессов

Выводы

1. Для получения формализованных описаний технологического процесса функционирования ЛПК необходимо рассматривать процессы лесозаготовок и переработки древесины как единую взаимосвязанную систему, включающую описание следующих объектов: лесоэксплуатационные условия, структуру техники и оборудования по фазам производства, их параметры и характер воздействия на окружающую среду. Функционирование систем лесозаготовительных машин и оборудования для переработки древесины должно оцениваться по комплексу критериев, включающему в себя решение экономических, лесоводственно-экологических и социальных задач. Эффективность технологического процесса предприятия должна рассматриваться как определенный компромисс в решении данного комплекса задач.

2. Комплексный подход к оценке функционирования технологических процессов предприятий лесопромышленного комплекса и их взаимодействия с обществом и экосистемой позволяет установить наиболее эффективную структурную схему технологии лесопользования и степень использования древесных ресурсов леса. Разработанная методика учета связей природно-производственных условий и ее реализация в виде математической модели позволяет оценить реализуемый или прогнозируемый технологический процесс функционирования ЛПК с учетом лесоводственных, технико-экономических и социальных требований региона.

3. Разработанная методика структурно-параметрического синтеза систем ЛЗМ и технологий позволяет на основе комплексного анализа определять объемы применения существующих лесозаготовительных машин для конкретных лесохозяйствующих субъектов ДВФО и в целом для региона, а также обосновать целесообразность и экономическую эффективность технологического процесса функционирования лесопромышленного предприятия с учетом рационального использования лесных ресурсов.

Литература

1. Петров, А.П. Экономическое стимулирование комплексного использования древесного сырья / А.П. Петров. - М.: Лесн. пром-сть, 1980. - 104 с.

З1

2. Батищев, Д.И. Методы оптимального проектирования / Д.И. Батищев. - М.: Радио и связь, 1984.

- 248 с.

3. Ковалевский, В.А. Методы оптимальных решений в распознавании изображений / В.А. Ковалевский. -М.: Наука, 1976. - 328 с.

4. Теория вероятностей и математическая статистика: учеб. пособие для вузов. - М.: Высш. шк., 2002. -479 с.

5. Абрахамс, Дж. Анализ электрических цепей методом графов / Дж. Абрахамс, Дж. Каверзи. - М., 1976. -176 с.

6. Кочегаров, В.Г. Теоретические исследования технологий лесосечных работ: дис. ... д-ра техн. наук / В.Г. Кочегаров. - Л.: Изд-во ЛТА, 1973. - 416 с.

7. Коломинова, М.В. Повышение эффективности производства круглых лесоматериалов путем обоснования технологии с минимальной энергоемкостью: дис. ... канд. техн. наук / М.В. Коломинова. - СПб., 2001.

- 208 с.

8. Рябухин, П.Б. Определение путей перемещения трелевочных тракторов, работающих в комплексе с ва-лочно-пакетирующей машиной / П.Б. Рябухин, Е.В. Луценко // Актуальные проблемы лесного комплекса: сб. науч. тр. - Вып.16. - Брянск: Изд-во БГИТА, 2006. - С. 28-31.

9. Разработка системы оценки лесоводственных показателей: отчет НИР / ДальНИИЛХ; рук. Д.Ф. Ефремов.

- Хабаровск, 1990. - 37 с.

10. Дьяконов, В.П. Справочник по MathCAD PLUS 7.0 PRO / В.П. Дьяконов. - М.: СКПресс, 1998. - 352 с.

11. Харитонова, И.А. Самоучитель по Access 2000 / И.А. Харитонова. - СПб.: Питер, 2002. - 384 с.

12. Горошко, С.К. Экономика безотходных технологий лесного комплекса / С.К. Горошко. - М.: Лесн. пром-сть, 1990. - 184 с.

13. Леоненков, А.В. Самоучитель UML / А.В. Леоненков. - СПб.: БХВ - СПб., 2001. - 304 с.

14. Ефремова, С.А. Оптимизация использования производственных ресурсов лесопромышленных предприятий: дис. ... канд. экон. наук / С.А. Ефремова. - СПб.: Изд-во СПб. ГЛТА, 1998. - 179 с.

15. Литвин, П. Разработка настольных приложений в Access 2002. Для профессионалов / П. Литвин, К. Гетц, М. Гунделой. - СПб.: Питер; Издательская группа BHV, 2002. - 1008 с.