Обоснование параметров и размещение лесотранспортных сетей на участках лесного фонда

Актуальность темы

.

Участки лесного фонда (УЛФ) Европейской части России расположены в районах с высокой плотностью населения, с развитыми отраслями промышленности и сельского хозяйства" с высоким уровнем развития дорожной сети общего пользования. До начала новых экономических реформ лесопромышленным предприятиям (Л1Ш) в качестве лесосырьевых баз выделялись на длительный период части УЛФ. Этим было предопределено достижение высоких уровней концентрации жизнедеятельности и освоенности территории" лесосырьевых баз" размещение на них многочисленных лесных поселков, сельских поселений и перерабатывающих предприятий различного профиля" а также развитой местной сети дорог между населенными пунктами.

Длительное время ЛПП не стремились рационально использовать лесосечный фонд" осваивая в основном высокопродуктивные хвойные лесонасаждения и часто оставляя вне эксплуатации низкобонитет-ные леса о большой долей лиственных пород. Этому способствовали применяемые технология и комплексы лесосечных машин, предназначенные для проведения сплошных концентрированных рубок с неполным учетом лесоводственных требований. Транспортное освоение лесных ресурсов проводилось путем прокладки лесовозных дорог в глубь лесосырьевых баз для обеспечения текущих интересов по вырубке спелых лесонасаждений. За 25−40 лет эти причины привели к истощению лесосырьевых баз многих ЛПП вышеуказанных регионов.

К настоящему времени лесосырьевые базы данных ЛПП в основном освоены" а их лесососечный фонд характеризуется разобщенностью и сокращением площадей спелых лесонасаждений, вовлечением в эксплуатацию лесов I и П групп и небольшими (до 6−10 га) размерами лесосек.

Принятием Лесного кодекса Российской Федерации >13 определен новый порядок предоставления УЛФ в аренду или в безвозмездное пользование ЛПП (лесопользователям) на срок до 49 лет. Предоставляемые площади УЛФ и виды лесопользования определяются госудаст-венными органами управления лесным хозяйством по согласованию с субъектами лесных отношений (республиками" краями., областями в составе РФ, муниципальными образованиями и т. д.). Со своей стороны лесопользователи на период эксплуатации УЛФ должны обеспечить непрерывное, некстощительное и рациональное использование лесов, / — а также сохранить или усилить их средообразующие, водоохранные и защитные функции, что установлено Федеральным Законом «Об охране окружающей природной среды» £ЕЗ.

Поэтому в условиях рыночной экономики и при росте роли лесов в защите окружающей природной среды важно выработать новый подход к вопросам проектирования коммуникационной основы ЛППлесотранопортных сетей (ЛТС) с учетом, что в освоенных и истощенных лесозаготовками районах Европейской части России основное назначение лесовозных дорог — вывозка по ним не только различных видов древесного сырья, а также и перевозка народнохозяйственных грузов и перемещение пассажиропотоков между населенными пунктами.

При аренде на длительный срок (свыше 5−10 лет) лесопользователь эксплуатацию УЛФ должен организовать согласно схеме его транспортного освоения. Для чего проектированию самой ЛТС следует выполнить с учетом конфигурации, состава и неоднородности природных условий арендуемого УЛФ, а также недоступных для лесозаготовок и затрудняющих прокладку лесотранопортных путей лесных и нелесных земель. Для обоснования оптимальной конфигурации и структуры ЛТС и ее размещения потребуется оценка перспектив формирования транспортных потоков различных видов древесного сырья на — лесосеках, народнохозяйственных грузов и пассажиропотоков в населенных пунктах эа весь срок освоения УЛФ.

Рассмотрение по существу вопросов проектирования процессов транспортного освоения УЛФ, поиска новых предпроектных и технологических решений для их осуществления обеспечивает, на наш взгляд: сокращение времени и затрат на прёдпроектные работы по обоснованию схем транспортного освоения участков лесного фонда и в подготовительный период лесотранопортных изысканий: повышение качества проектов лесопромышленных предприятий: снижение затрат на освоение участков лесного фонда за счет улучшения конфигурации и структуры лесотранопортных сетей.

На актуальность предпроектного поиска оптимальных параметров лесотранспорнтных сетей многократно обращалось внимание на различных Всесоюзных научно-технических конференциях и совещаниях, в научных разработках РосШИПМ, ДШШМЗ, ВКШЯлеспрома, КарНИйЛПа и других научно-исследовательских организаций.

Цель работы.

Настоящими исследованиями предусматривается разработка методики предпроектного синтеза и автоматизированного поиска оптимальных параметров лесотранспортных сетей с учетом неоднородности природных условий, неравномерности распределения запасов древесного сырья и нелесных грузов на участках лесного фонда, а также недоступных для лесозаготовок участков лесных и нелесных земель.

Это позволит внести в методику проектирования лесотранспорт-ных сетей изменения, направленные на повышение эффективности освоения участков лесного фонда путем размещения сети лесовозных дорог для обеспечения вывозки древесного сырья, а также перемещения пассажиропотоков и транспортировки народнохозяйственных грузов.

Методика исследований.

Для решения поставленных задач были выполнены литературные исследования.

В основу исследований из-за сложности и комплексного характера решаемого вопроса положен системный подход с использованием методов математического моделирования. Математические модели построены на основе теорий графов, множеств и исследования операций, а для их решения используются методы линейного и целочисленного программирования.

Оценка природных условий участков лесного фонда и их классификация выполнены на теоретических основах и практических рекомендациях биогеоценотической типологии В. К. Сукачева и лесо-экологической типологии П. С. Погребняка и Д. В. Воробьева.

При создании пакета прикладных программ использованы вновь разработанные и модифицированные стандартные машинные программы.

Научная новизна.

Научной новизной обладают: методика составления многоуровневой системы математических моделей оптимизации ЛТСметодика де-соинженерной оценки и схема классификации природных условий участков лесного фонда Европейской части России на лесотипологической основематематическая модель и алгоритм поиска оптимальной конфигурации и структуры ЛТС в виде графа, включающего развилки путей и алгоритм поиска их оптимальных конфигурации и структурметод оптимального размещения лесосек в хозяйственных секцяхматематическая модель и алгоритм определения оптимальной очередности освоения лесосек в секции.

Практическая значимость.

Результаты научных исследований имеют практическую значимость при выборе оптимального варианта реконструкции ЛТС действу.

— э ющйх ЛПП, для обоснования схемы транспортного освоения лесооырь-евой базы вновь проектируемого ЛПП" выделения на участке лесного фонда однородных по природным условиям и условиям лесоэксплуатации хозяйственных секции, выбора конструкции и определения предельных стоимостей лесовозного уса и магистрального трелевочного волока в пределах секции, выбора способа и стоимости лесовосстановлейия.

Предложенная классификация природных условий применима для лесотранспортной оценки участков лесного фонда Европейской части России*.

Разработанный комплекс программ, реализующий метод автоматизированного поиска параметров ЛТС в режиме диалога «лесоинженер—ЭВМ» сокращает на ?5% время и на 10−15%, затраты на предпроект-ные работы и повышает их качество.

Апробация работы.

Основные положения диссертации и ее отдельные разделы были заслушаны и получили одобрение: на Всесоюзных научно-технических конференциях: «Применение математических методов и ЭВМ в научных исследованиях в лесной промышленности» (Москва, 1978) — «Рациональное и комплексное использование лесных ресурсов» (Мытищи, 1980), «Экономические проблемы комплексного использования древесного сырья» (Москва, 1982), «Состояние и перспективы разработки и внедрения АСУ в лесной, целлюлозно — бумажной и деревообрабатывающей промышленности» (Москва, 1984), «Комплексная механизация и автоматизация перемес-тительных работ на предприятиях лесного комплекса» (Мытищи, 1989);

Всесоюзном специализированном постоянно действующем семинаре «Проблемы формирования систем машин и техники новых поколений (Москва, РосНШШМ, 1991);

Всесоюзных научно-технических совещаниях: «Совершенствование техники и технологий предприятий лесной промышленности и лесного хозяйства» (Архангельск, 1985), «Повышение эффективности использования лесозаготовительных и лесохозямственных многооперационных машин» (Москва, 1987);

Всесоюзном симпозиуме по проблемам автоматизации проектирования транспортного и мелиоративного освоения лесных массивов (Петрозаводск, 1979);

Выездном заседании научно-методической комиссии по высшему лесоинженерному образованию Минвуза СССР (Йошкар-Ола, 1387);

Республиканской научно-практической конференции «Итоги внедрения и пути дальнейшей реализации мероприятий комплексной целевой программы «Марийский лес» (Йошкар-Ола, 1988);

Межвузовском семинаре «Использование средств вычислительной техники в учебном процессе на лесохозяйственных факультетах» (Йошкар-Ола, 1392) — ежегодных научно-технических конференциях МарШ! и МарГТУ (1380−97).

Реализация работы.

Основные результаты работы вместе с математическими моделями и программной реализацией в виде пакета прикладных программ (ППП) могут быть использованы проектными организациями и в НШ для решения реальных задач: оптимизации параметров ЛТС действующих предприятии, требующих реконструкцииоптимизация параметров ЛТС вновь проектируемых предприятий различной мощностиобоснования варианта размещения лесосек на УЛФ и выбора очередности их освоения.

Результаты исследований и ППП использованы при составлении проектов реконструкции ЛТС Волжского ЛК, Майского ЛПП и Визимьяр-сксго ЛПП Республики Марий Эл. Экономический эффект от внедрения предложенных в работе рекомендаций в пересчете на 1 м³ вывезенной древесины составил до 1,51 руб.(цены на 1.01.83 г.). ППП используется при курсовом и дипломном проектировании на специальности ?60 100 «Лесоинженерное дело» для расчета параметров первичной ЛТС и размещения лесосек на площадях лесосечного фонда.

Результаты и рекомендации по классификации и оценке природных условий лесосек использованы в 1983;9Е г. г. при выполнении и внедрении КЦП «Марийский лес», а также включены в выполненное в соавторстве учебное пособие «Несплошные рубки леса по Скандинавской технологии» Г1393. Пособие используется Марийской лесотехнической школой для обучения и переподготовки специалистов лесной отрасли по новой технологии.

Основные научные положения и результаты исследования, выносимые на защитусистема моделирования и методика оптимизации параметров ЛТС на трех иерархических уровняхметодика лесотранспортной оценки природных условий УЛФ, позволяющая учитывать их неоднородность при расчетахматематические модели оптимизации ЛТС и их фрагментов, размещаемых на УЛФ, в секциях и на лесосекахматематические модели для расчета размещения лесосек в секциях и определения очередности освоения лесосек в секциипрактические примеры и результаты оптимизации ЛТСрекомендации по выбору оптимальных значении параметров и предпроектных схем размещения ЛТС.

Автор выражает признательность проф. В. И. Алябьеву, П.М.Мазур-кину, доц. Ю. H. Венценосцеву, Е. Й. Успенскому и Г, А. Иванову, научное общение с которыми способствовало завершению данной работы.

Объем работы.

Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка использованной литературы из 167 наименований и 5 приложений. Основное содержание диссертационной работы изложено на 215 страницах машинописного текста. Иллюстрировано 49 рисунками и 31 таблицами. Приложение включает 138 страниц текста, 46 рисунков и 30 таблиц.

5.7. Выводы.

1. Разработанные пакет прикладных программ (ЩШ) и алгоритмы решения моделей оптимизации позволяют выполнить предпроектный синтез и автоматизированный поиск параметров ЛТС для размещения на истощенных рубками УЛФ и обеспечивающих многоотраслевое хозяйствование на них .

2. Методика подготовки исходных данных обеспечивает адекватное описание реальных ситуаций на УЛФ, в лесоэксплуатационных секциях и на лесосеках, а представление результатов расчета в виде печатных форм, схем, эскизов и чертежей позволяет сократить затраты при дальнейшем проектировании ЛТС и их фрагментов.

3. Полученные в результате расчетов реальных ЛТС зависимости и фотохронометражные наблюдения подтвердили, что с использованием нового ИЛИ возможно выполнить проектирование ЛТС с исходным числом вершин до 800. При этом время на подготовку данных не превышает 25 часов, а время расчёта составляет до 2,5−3,0 часов.

4. Выполненные расчеты по параметрам, конфигураций и структуре ЛТС действующих лесопромышленных предприятий подтвердили, что применение предложенной методики автоматизированного поиска позволяет:

— сократить (на 25%) время и затраты (на 10−15% > на пред-проектных работах и повысить качество проектов;

— по сравнению с известными методами оптимизации ЛТС снизить общую длину лесотранспортных путей на 1,9−3,4%;

— получить экономический эффект в объеме до 32,04 тыс. руб С цены на 30.06.97 г.) на 1 км длины проектируемой сети;

— по сравнению с существующими методами проектирования сни-I зить на 2,1−4,7% суммарные затраты на транспортное освоение УЛФ за счет улучшения конфигурации и структуры ЛТС. Это достигается за счет снижения общей длины ЛТС и изменения структуры сети в сторону сокращения длины магистралей (на 2,4−5,5%) и веток (на 2,8−5,7%) лесовозной дороги и лесовозный усов (до 2,9%).

5. ЛТС и размещаемые в лесоэксплуатационных секциях фраг.

V н> И менты сети характеризуются конфигурацией, структурой и показателями густоты. Выполненные расчеты подтвердили, что в будущем густота ЛТС в большей степени будет определяться полной длиной построенных путей (Lj) всех категорий и в меньшей — величиной диа-I метра () и показателем формы (ri) сети, степенью центральности (oCv) пункта примыкания и конфигурацией УЛФ.

5. Выполненные расчеты по размещению лесосек в секциях и по определению рациональной очередности освоения лесосек подтвердили:

— использование разработанного ШШ позволяет решать задачи размещения лесосек с необходимой для практики лесозаготовок размерностью (йс<1000);

— оценивать результаты размещения лесосек следует по коэффициенту использования эксплуатационной площади секции (а®-) значение которого снижается с увеличением числа природных «недоступных» областей (ks) в секции;

— использование ШШ для расчета рациональной очередности освоения лесосек обеспечивает на достаточном уровне эксплуатационную густоту (1Э) фрагмента ЛТС в течении срока освоения секции.

7. Предпроектными расчетами ЛТС установлено, что значение коэффициента частоты размещения развилок путей tf& составляет О, 176.0,375, а коэффициента участия развилок в изменении конфигурации сети ф3 достигает 0,149,., 0,263. Это отражает специфику формирования ЛТС, исходные вершины Xi которых практически расположены в узловых точках квартальных сеток УЛФ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Результаты анализа известных методов расчета и¦оптимизации параметров лесотранспортных. сетей (ЛТС) показали, что они недостаточно эффектны для применения в условиях многоцелевого лесопользования и многоотраслевого хозяйствования на участках лесного фонда (УЛФ). Совершенствование методики обоснования параметров и автоматизированного проектирования ЛТС для размещения на истощенных рубками УЛФ действующих предприятий является актуальной.

Из полученных результатов теоретических исследований и пред-проектных расчетов ЛТС исходят следующие выводы и рекомендации:

1. На основе системно-структурного анализа процессов размещения ЛТС на участках лесного фонда и формирования в составе предприятия было установлено, что вопросы оптимизации и обоснования параметров ЛТС следует решать как задачу предпроектного синтеза сложной по составу и большой по размерам многофункциональной технической системы с иерархической структурой, обеспечивающей транспортное освоение природной среды функционирования.

Размещением ЛТС должна обеспечиваться вывозка древесного сырья на нижние лесопромышленные склады и сохранение лесной среды, транспортировка народнохозяйственных грузов и перемещение пассажиропотоков между населенными пунктами, расположенными на УЛФ.

2. На выбор вариантов размещения ЛТС решающее влияние оказывают природные условия, исключительно разнообразные в пределах крупных лесопромышленных районов и отдельных УЛФ. Выполнена методика лесс-инженерной оценки и схема классификации всего диапазона изменения природных условий в равнинных лесах Европейской части России на лесотшшлогической основе.

Схема предназначена для систематизации и выделения пяти групп природных факторов, она позволяет определить числовые значения диапазонов изменения факторов и выделить на картосхемах УЛФ однородные по типам местности и эксплуатационным показателям лесосек хозяйственных секции, выбрать для секций конструкции и стоимости временных лесотранспортных путей, способы и стоимости лесовосстановления.

3. Выполнена классификация природных объектов, затрудняющих или исключающих размещение по ним лесотранспортных путей, предло.

— ?18 жена методика для их выделения на картосхемах УЛХ и формального описания их как контурных «недоступных областей» 1, линейных и точечных препятствий.

4. Из-за больших размеров УЛФ, неоднородности природных условии и неравномерности распределения запасов древесного сырья и и нелесных грузов на них рекомендуется вести поиск оптимальных параметров ЛТС на нескольких иерархических уровнях. Разработанная методика составления трехуровневой системы математических моделей позволяет поэтапно оптимизировать параметры: временных технологических сетей на лесосекахфрагментов ЛТС — для размещения в хозяйственных секцияхсамой ЛТС — для освоения УЛФ. 5. При моделировании ЛТС выявлены новые резервы для повышения результатов предпроектного синтеза сетей и при автоматизированном поиске их параметров предложено применять:

— схемы соединения путей с оптимизацией количества и координат развилок при существующей классификации лесовозных дорог;

— схемы оптимального размещения лесосек в хозяйственных секциях, имеющих недоступные для размещения лесотранспортных путей контурные участки и линейные препятствия;

— исключающие образование недорубов маршруты освоения лесосек в секциях.

6. Для эффективного транспортного освоения УЛФ необходимо разместить ЛТС с оптимальными конфигурацией и структурой. Составлены функции цели и математические модели ЛТС в виде графа, включающего развилки лесотранспортных путей, автором рекомендованы методика автоматизированного поиска данных параметров сети путем определения оптимальных количества и координат развилок.

7. Автоматизированный поиск оптимальных параметров ЛТС, размещаемых на истощенных рубками УЛФ и обеспечивающих многоотраслевое хозяйствование на них, рекомендуется выполнить с использованием разработанного пакета прикладных программ (ППП). Предложена методика представления исходной информации, получения результатов расчета в виде печатных форм и эскизов сетей.

Хронометражные наблюдения и полученные на их основе формулы позволили установить: на основе ППП возможно проектировать ЛТС с числом вершин до 800, при этом на подготовку исходных данных потребуется ?4 часа времени, а время решения задачи не превышает ?-3 часов.

8. Анализ расчетов по параметрам, конфигурациям и структурам ЯТС дают основание заключить, что использование предложенной методики предпроектного синтеза и автоматизированного поиска оптимальных параметров ЛТС позволяет:

— по сравнению с известными методами оптимизации снизить на 2,1−4,71 суммарные затраты на транспортное освоение УЛФ за счет улучшения конфигурации и структуры ЯТС и снижения на 1,3−3,4% общей длины лесотранспортных путей;

— получить экономический эффект в пересчете на 1 м5 вывезен-мой древесины до 1,61 руб (цены на 1.01.83 г.) и в размере до 32,04 тыс, руб (цены на 30.12.97 г.) на 1 км длины проектируемой ЛТС;

— сократить (на 25%) время и затраты (на 10−15%) на стадии предпроектных разработок и повысить качество проектов ЛТС.

3. Установлено, что применение ППП для расчета задач размещения лесосек в хозяйственных секциях и по определению очередности освоения лесосек, а использование полученных результатов позволяют:

— освоить 84−33% эксплуатационных площадей секций лесосеками прямоугольной формы и упростить их транспортную и технологическую подготовку к разработке;

— поддерживать в течении срока освоения секции на достаточном уровне (17.29 м/га) эксплуатационную густоту фрагмента ЛТС;

— исключить образование недорубов в секции.

Список принятых сокращений:

ЛТС — лесотранспортная сеть ЛГУ — лесотранспортный узел.

ЛП — лесное предприятие и его типы: ЛПП — лесопромышленное предприятие.

ЛПХ — леспромхоз ЛХ — лесхоз.

ЛК — лесокомбинат ХЛХ — химвесхоз.

КЛПХ — комплексный леспромхоз.

ЛПК — лесопромышленный комплекс ТПК — территориально-производственный комплекс ЛЗС — лесозаготовительная система ЛЭС — лесоэксплуатационная система РЛЭС — региональная лесоэксплуатационная система.

РЛХС — региональная лесохозяйственная система ЛТТС — лесосечно-транспортная технологическая система ОТО УЛФ — процесс транспортного освоения участка лесного массива ЙЛТО — процесс лесосечно-транспортного освоения.

СФ — среда функционирования системы — участок лесного фонда (УЛФ) и его части:

ХС — хозяйственная секцияЛС — лесосека.

НП — населенный пункт НС — нижний лесопромышленный склад СЭФ — социально-экономические факторы ЭПР — экономический потенциал района ОПП — основные параметры производства.

ОВД — объекты прошлой деятельности на участке лесного фонда ТС — техническая (Т-) система ЯТС — параметры технической системы.

ТЯ — технологический процесс и его операции:

В — валка деревьев Р — раскряжевка Д — дробление в щепу.

С — очистка от сучьев О — окорка.

Т — трелевка Ев — вывозка Пг — погрузка.

П — пакетирование.

К — контейнирование.

Пвтрелевка в погруженном.

Со — сортировка положении Рг — выгрузка (разгрузка) Сп — подсортировка.

3 — укладка в запас, штабелевка.

ПТЯ — параметры технологического процесса ТПД — технологический процесс дополнительный СТС — структурно-технологическая схема ТП.

ПТ — предмет труда им его состояние:

Др — растущее дерево Д — дерево.

X — хлыст С — сортимент.

В — баланс Щ — щепа.

Дк — дерево с корнем Дп — древесина пней.

8ВД — вид вывозимой древесины ТМ — тип местности (лесоэксплуатационный) ТЛЯ — типологические признаки ЛБГЦ — лесные биогеоценозы.

ДСП — лесотипологические признаки:

ТЛ — тип леса ТВ — тип вырубки.

ТЛУ — тип лесорастительных условий ГТЛ — группа типов леса ГТВ — группа типов вырубок.

ЛВУО — лесоводственные условия и ограничения: ПОД — породный состав древестоя СП — состояние подроста ВРГ — вид рубок главного пользования ВРУ — вид рубок ухода СРЛ — способ (вид) рубок леса НРЛ — направление рубок леса СОЛ — способ очистки лесосек.

Др — древесина сучьев К — кора.

Др — древесина откомлевок Дм — древесная мелочь слв.

НТВJW-KdrJW способ лесовосстановления направление господствующих ветров.

ЭИЯ — эксплуатационные показатели лесосекСНГ — состав почвогрунтов СУГ — степень увлажнения грунтов.

КЛМ — комплекс лесосечных машин.

ГШ — тип трелевочной машины.

TTC — тип транспортного средства (автопоезда).

ТОО — технологическая схема освоения лесосеки.

Математические понятия:

ККС — кратчайшая связывающая сеть.

ОДШ — минимальное «многоярусное дерево Штейнера'.

ЭКП — задача о кратчайшем пути.

ЗКВ — задача о коммивояжере.

Математические символы, обозначения и понятия:

• умножение (точка) х умножение (косой крест) А знак треугольника б знак «принадлежит»? знак «не принадлежит» с знак включения $ знак «не включается» и знак объединения л знак пересечения 0 пустое множество -«• горизонтальная стрелка соответствует») V квантор общности («для всех»).

Математическая формулировка задачи принятия решении f: Р х U х Я Y — отображение ситуации;

Р — множество векторов параметров объекта управленияII — множество векторов управляющих воздействийЙ — множество векторов внешних возмущенийУ — множество векторов выходных переменных.