автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.01, диссертация на тему:Обоснование методики проектирования лесосечно-транспортных процессов на базе геоинформационных систем и глобальных систем позиционирования

004616416

На правах рукописи

ТЮРИН Алексей Николаевич

ОБОСНОВАНИЕ МЕТОДИКИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЛЕСОСЕЧНО-ТРАНСПОРТНЫХ ПРОЦЕССОВ НА БАЗЕ ГЕОИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ И ГЛОБАЛЬНЫХ СИСТЕМ ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ

05.21.01 - Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

- 9 ДЕК 2010

Санкт-Петербург - 2010

004616416

На правах рукописи

ТЮРИН Алексей Николаевич

ОБОСНОВАНИЕ МЕТОДИКИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЛЕСОСЕЧНО-ТРАНСПОРТНЫХ ПРОЦЕССОВ НА БАЗЕ ГЕОИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ И ГЛОБАЛЬНЫХ СИСТЕМ ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ

05.21.01 - Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург- 2010

Работа выполнено в Санкт-Петербургской государственной лесотехнической академии им. С.М. Кирова

Научный руководитель: Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор технических наук, профессор Патякин Василий Иванович

доктор технических наук, профессор Шегельман Илья Романович кандидат технических наук, доцент Полищук Владлен Петрович

Санкт-Петербургский научно-исследовательский институт лесного хозяйства

Защита диссертации состоится (¿¿% ¡2 2010 г. часов на заседании диссертационного Совета Д 212. 220. 03 при Санкт-Петербургской государственной лесотехнической академии (194021, Санкт-Петербург, Институтский пер., 5, главное здание, зал заседаний).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-

Петербургской государственной лесотехнической академии им. С.М. Кирова.

Автореферат разослан «¡3» // 2010г.

(

диссертационного совета

Ученый секретарь ¡' И

' АЛ4--

Анисимов Г.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Лесосечно-транспортный процесс

осуществляется под открытым небом под воздействием всего комплекса погодно-климатичсеких факторов при широком разнообразии природно-производственных условий каждой лесосеки. Существующая система планирования лесопользования предполагает заготовку древесины только в лесосеках лесной декларации очередного года. Для эффективной организации лесосечно-транспортных процессов, рационального использования климатических ресурсов региона необходимо предварительное распределение лесосек лесной декларации по календарным срокам их освоения. Существующая практика календарного планирования освоения лесосек лесной декларации носит ярко выраженный субъективный характер. В этой связи научный и практический интерес представляют исследования и практические разработки календарного транспортного освоения лесосек лесной декларации, минимизирующие общую годовую себестоимость лесозаготовительных работ.

При освоении каждой лесосеки необходимо решать вопрос выбора дорожной конструкции и необходимости удлинения лесовозного уса, рационально размещать магистральные и пасечные волоки, погрузочные пункты. При увеличении густоты сети усов, волоков резко увеличиваются затраты на их строительство, но одновременно значительно снижается иг'-. себестоимость трелевки и вывозки древесины. В этой связи научный и практический интерес представляют исследования оптимальной лесотранспортной структуры сети, минимизирующие общую себестоимость лесосечных работ, включающей в себя затраты на строительство и содержание лесовозных усов, магистральных и пасечных волоков, трелевку и вывозку древесины. Все эти параметры реализуются через технологическую карту разработки лесосеки.

Размещение объектов технологической карты имеет ярко выраженную географическую природу и наиболее рационально может быть реализовано современными средствами геоинформационных систем и систем глобального спутникового позиционирования. Применение систем спутникового позиционирования наиболее перспективно для полевого сбора необходимой геоинформации на лесосеке и реализации технологической карты через бортовой компьютер харвестера или бытовой спутниковый навигатор при выносе в натуру местоположения лесовозного уса, погрузочных пунктов, магистральных и пасечных волоков. Все это определило актуальность выбранной темы диссертации.

Цель работы. Целью работы является повышение эффективности лесосечных работ и первичного транспорта древесины путем оптимизации

календарного освоения лесосек лесной декларации, структуры лесотранспортной сети и ее размещения на лесосеке на основе геоинформационных систем и систем спутникового позицирования.

Объект исследования. Объектом исследования является логистическая подсистема рациональной пространственно-временной динамики освоения лесосек лесной декларации, размещения путей первичного лесотранспорта технологической карты разработки лесосеки.

Предмет исследования: модель рациональной пространственно-временной динамики лесозаготовок и структуры первичных путей лесотранспорта при освоении лесосек лесной декларации, методика рационального размещения путей первичного транспорта заготовленной древесины на лесосеке на базе GIS-GPS-технологий.

Методы исследования. Решение поставленных задач получено на основе системного подхода, метода динамического программирования и математико-картографического моделирования средствами

геоинформационных систем. При экспериментальных исследованиях и разработке системы использовались объектно-ориентированный язык Delphi, геоинформационная система Maplnfo, OziExplorer, TimberNavi, Microsoft Excel, Microsoft Access и глобальная система позиционирования.

Научная новизна исследования. Разработаны и апробированы математические модели рациональной пространственно-временной динамики лесозаготовок и структуры первичной лесотранспортной ссти при освоении лесосек лесной декларации и методика размещения транспортной сети технологическрой карты разработки лесосеки, что позволит повысить эффективность заготовки древесины.

Практическая значимость работы. Практическая значимость работы заключается в разработанной математической модели, алгоритме, программном обеспечении рациональной пространственно-временной динамики освоения лесосек лесной декларации, в методики размещения первичных путей лесотранспорта на базе ГИС-технологий при составлении технологических карт разработки лесосеки и их реализации средствами глобальных спутниковых систем позиционирования, которые могут быть использованы лесозаготовительными, научно-исследовательскими, проектными и учебными организациями лесной отрасли при решении задач планирования и управления лесозаготовительным производством. Научные положения, выносимые на защиту: - разработанная математическая модель, алгоритм и программное обеспечение рациональной пространственно-временной динамики освоения лесосек лесной декларации ЛЗП, оптимальной структуры первичной лесотранспортной сети лесовозных усов и трелевочных волоков с учетом климатических и природно-производственных условий;

- разработанная методика составления и практической реализации технологических карт разработки лесосеки с размещением путей первичного лесотранспорта на базе СВ-ОРЗ-техпологий.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы доложены, обсуждены и получили одобрения на заседаниях кафедры Технологии лесозаготовительных производств и кафедры Сухопутного транспорта леса СПбГЛТА, научных конференциях профессорско-преподавательского состава СПбГЛТА в 2008-2010 годах; на Международной научно-практической конференции «Современные проблемы лесозаготовителышх производств» СПб. 2009г.

Реализация результатов. Созданная система была использована при разработки генеральной схемы транспортного освоения арендных лесов, организации лесосечных работ освоения лесосек лесных деклараций 2009 и 2010 года в ООО «Метсялитго-Подпорожье». Полученные результаты внедрены и используются в учебном процессе, курсовых и дипломных проектах студентов СПбГЛТА.

Публикации. По результатам научных исследований опубликовано 7 печатные работы, в том числе 1 работа в издании, рекомендованном ВАК Министерства образования и науки Российской Федерации.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и выводов, списка литературы и приложений. Содержание работы изложено на 177 страницах машинописного текста, включая иллюстративный материал и приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследования, научная новизна, практическая значимость результатов работы и основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена аналитическому обзору литературных источников по теме диссертации, анализу существующих правил заготовки древесины и системы краткосрочного оперативного планирования лесопользования.

Одной из концептуальных основ нового лесного законодательства выступает замена разрешительного порядка использования лесов, заявительным. Лесная декларация содержит сведения обо всех видах и объемах использования лесов на декларируемый календарный год. Эффективное освоение лесосек лесной декларации в значительной мере зависит от календарной помесячной последовательности их освоения. Связано это, прежде всего, с ярко выраженной сезонностью лссосечно-

транспортных работ и широким разнообразием природно-производственных условий лесосек лесной декларации.

Трудности, возникающие при решении задач размещения и развития первичной технологической транспортной сети временных лесовозных дорог (волоков и усов), обусловлены необходимостью учета двух основных фаз лесозаготовительного производства - лесосечных работ и вывозки автомобилями заготовленной древесины, с решением экстремальных задач, возникающих при моделировании лесосечно-транспортных процессов.

Исследования в области моделирования и оптимизации лесозаготовительного производства выполнялись такими ведущими организациями лесной промышленности, как ЦНИИМЭ, МГУЛ, СГОГЛТА, КарНИИЛП и другими научными организациями. Весьма значительный вклад внесли работы Меньшикова В.П., Ильина Б.А., Виногорова Г.К., Кочегарова В.Г., Патякина В.И., Редькина А.К., Анисимова Г.М., Андреева В.Н., Герасимова Ю.Ю., Шегельмана И.Р., Борисова Г.А., Григорьева И.В., Коробова П.Н. , Петрова А.П., Мурашкина Н.В. и работы других специалистов.

Анализ литературных источников по теме диссертации, существующих правил заготовки древесины и системы краткосрочного оперативного планирования лесопользования позволили сделать следующие выводы:

задачи эффективной организации лесосечно-транспортных процессов решались разными способами, но не существует универсального метода, пригодного к новой системе планирования, лесоуправления и лесопользования;

- комплексный учет всех требований современных правил заготовки древесины при традиционном ручном способе проектирования организации лесосечно-транспортных процессов сложен и трудоемок и во многом зависит от опыта и интуиции проектировщика. Наиболее перспективно использование математико-картографическое моделирование на базе геоинформационных систем и систем спутникового позиционирования;

- все лесозаготовительные предприятия ежегодно выполняют работу, связанную с выбором очередности пространственно-временного освоения лесосек лесной декларации, размещением технологических путей лесовозных усов и трелевочных волоков технологических карт разработки лесосек, но делают это в основном вручную на основании субъективного опыта и знаний конкретного специалиста.

На основании анализа состояния вопроса сформулированы и решены следующие задачи исследования:

1) Разработаны математические модели рациональной помесячной пространственно-временной динамики транспортного освоения лесосек лесной декларации, выбора дорожной конструкции на усах и оптимизации структуры технологической лесотранспортной сети лесовозных усов и волоков;

2) Разработаны алгоритмы и программный комплекс рациональной помесячной пространственно-временной динамики транспортного освоения лесосек лесной декларации, выбора дорожной конструкции на усах и оптимизации структуры технологической лесотранспортной сети лесовозных усов и волоков;

3) Разработана методика составления технологических карт разработки лесосек с использованием ГИС-технологий и систем спутникового позиционирования и навигации на базе созданного программного комплекса;

4) Выполнены экспериментальные исследования и получены эмпирические оптимизационные модели влияния основных факторов на оптимальную структуру технологической лесотранспортной сети лесовозных усов и волоков;

5) С помощью разработанного программного комплекса решена задача транспортного освоения лесосек лесной декларации действующего лесозаготовительного предприятия и дана оценка ее эффективности.

Во второй главе рассматриваются теоретические основы организации лесосечно-транспортных процессов освоения лесосек лесной декларации на базе геоинформационных и спутниковых навигационных систем и технологий.

Лесозаготовительный процесс носит ярко выраженный собирательный транспортный характер, рациональная организация которого возможна лишь на картографической основе. Современными высокоэффективными средствами электронной картографии являются геоинформационные системы.

Особенностью ГИС ЛЗП является необходимость проводить и поддерживать весь комплекс лесозаготовительных и лесохозяйственных работ. Помимо этого, ГИС должна периодически пополняться информацией с мобильных лесозаготовительных и лесотранспортных машин, оснащенных спутниковыми навигаторами и, в свою очередь, экспортировать информацию на бортовые компьютеры этих машин. На основе перечисленных требований для ГИС ЛЗП рекомендованы следующие системы программного обеспечения: Мар1пАэ, Агс1пйэ.

Эффективная организация лесопользования не возможна без знания местоположения лесных объектов, их координат. Наиболее современное определение координат основано на использовании Глобальных

спутниковых систем позиционирования - американской GPS и отечественной ГЛОНАСС.

Выполненный анализ спутниковых систем позиционирования показывает, что для эффективной навигации в несу и организации лесосечно-транспортных процессов необходимы двухсистемные (GPS+ГЛОНАСС), кодовые приемники с числом каналов 24 и более, обеспечивающие автономный режим определения местоположения объектов лесозаготовительного производства.

Для эффективного и рационального освоения задекларированного в рубку лесосечного фонда предлагается его дальнейшее помесячное распределение, которое основываться на пряродно-производственных характеристиках лесосек и их пространственном размещении, климатических условиях района. Это позволяет выбрать рациональную последовательность освоения лесосек, которая приведёт к наименьшим издержкам на их освоение и разработку.

Для определения оптимального плана освоения лесосек лесной декларации предлагается использование оптимизационного метода динамического программирования. Данная задача решается за счёт общей идеи пошаговой оптимизации, проходимой в одном направлении "условно", а в другом "безусловно".

Любая из лесосек лесной декларации может быть запланирована в рубку в любой из двенадцати календарных месяцев года, однако эффективность проведения лесосечно-транспортных работ обусловленная, прежде всего, климатом региона, будет при этом различной. Проведение лесосечных работ в каждой лесосеке должно осуществляться в один прием, без календарных перерывов. К концу года все лесосеки должны быть освоены, а заготовленный лес вывезен.

В качестве критерия оценки качества выбора отводимого в рубку леса, приняты суммарные годовые приведенные расходы на лесосечные, лесотранспортные и лесовосстановительные работы. Задача заключается в

выборе таких управлений , , в результате реализации которых система за п шагов перейдет из начального состояния х(0) в конечное х(п) и

при этом целевая функция примет минимальное значение.

12

F = ^Wj(xJ-\uj)^> min

(1)

при ограничениях:

С (2)

^х,>Ври-1~п) л (3)

/

V-/-' . и :

где х - исходное состояние систем на ^ом. шаге; 1

и )

выбранное управление на .¡-ом шаге; ^ ' ] - расходы на лесосечно-

X"

транспортные работы на ]-ом шаге. 11 - объем заготовки леса в г-ой

лесосеке ву'-ом месяце; - ликвидный объем леса, заготовляемый в

г-ой лесосеке; ^ - помесячный объем поставки заготовленной древесины на лесной терминал в у'-ом месяце.

Технико-экономическая сущность задачи проектирования рациональных дорожных конструкций на лесовозных усах сводится к следующему. Имеется годовой лесосечный фонд ЛЗП на очередной планируемый год в виде множества лесосек лесной декларации. Известна оптимальная помесячная стратегия его пространственно-временного освоения лесосечными и лесотранспортными работами, полученная в результате расчетов по выше предлагаемой математической модели. Необходимо найти оптимальную дорожную конструкцию проезжей части усов к каждой лесосеке, обеспечивающую по своей работоспособности вывозку всего заготовленного леса в планируемые календарные сроки.

Критерием выбора рациональной дорожной конструкции уса приняты суммарные расходы на их строительство и содержание при обеспечении требуемой работоспособности для вывозки всей древесины из лесосек лесной декларации.

Математическую модель данной задачи можно сформулировать следующим образом. Найти минимум целевой функции

т п

(5)

при ограничениях:

^ (6)

Я, > а, V/ б {1,2,..., т), V/ 6 {1,2,...л} (7)

х, € {0,1},^ б {0,1},V» е {1,2,...,т},V/ е {1,2,...,«} (8)

где - протяженность уса для освоения I — ой лесосеки; Су-стоимость строительства и содержания 1 км уса у — ой конструкции для освоения г — ой лесосеки; - объемы заготовки древесины в I - ой лесосеке; работоспособность уса у - ой конструкции в условиях г - ой лесосеки в планируемые календарные сроки; п — количество вариантов дорожных конструкций на усах; т - количество лесосек лесной декларации.

Целевая функция (5) представляет собой общую величину затрат на строительство и содержание лесовозных усов для освоения лесосек лесной декларации. Первое ограничение (6) гарантирует лишь одну из возможных дорожных конструкций на усах для освоения каждой лесосеки лесной декларации. Условие необходимости обеспечения требуемой работоспособности дорожной конструкции для вывозки всей древесины из лесосеки в намеченные сроки выражено во втором ограничении (7), а условие двоичности переменных^- - в третьем (8)

В предлагаемой математической постановке задачи (5)-(8) булевы переменные ху являются известными коэффициентами в системе ограничений (6), полученными в результате решения задачи календарного освоения лесосек лесной декларации. Неизвестными, определяемыми в данной модели являются только переменные у у.

При принятом технологическом процессе лесозаготовок и условии связности и непрерывности лесотранспортных сетей любое изменение протяженности путей одной степени иерархии неизбежно приводит к соответствующему изменению протяженности вывозки или трелевки по другим. Задача определения оптимальной структуры технологической лесотранспортной сети предполагает нахождение оптимальной зоны тяготения лесных грузов к ветке, лесовозному усу и магистральному волоку.

В качестве критерия оптимизации структуры лесотранспортной сети используем суммарные удельные затраты на строительство лесотранспортной сети и ее содержание, трелевку и вывозку древесины s = + Syc + Sm + Sm + Sm + Smp + Stm + => min (9)

где Seem, Syc, SM, Sna, Snn - удельные затраты на строительство соответственно лесовозных веток, усов, магистральных волоков, пасечных волоков и погрузочных пунктов; Smp - удельные затраты на трелевку; Бвыв -удельные затраты на вывозку; Scod - удельные затраты на содержание дорог.

Задача поиска оптимальной структуры технологических путей заключается в поиске таких значений грузосборочной зоны ветки, уса, и магистрального волока, которые минимизируют целевую функцию (9).

Третья глава посвящена разработке автоматизированной системы рационального пространственно временного освоения лесосек лесной декларации и оптимизации структуры первичной лесотранспортной сети.

Для разработки алгоритма решения задачи помесячного планирования освоения задекларированного годового лесосечного фонда методом динамического программирования сформулируем описательный алгоритм, представленный на рис 1.

Январь Февраль Ноябрь Дскяорь Критерий

ЧЕХ ©- © 0: (ЕГ ©V ©V. '(¿/У ©Ч

о Г°\ о а о- сх а, Ю-О-п ' а" сх" С\ СУ"'" Ж

о о а а . О-тО-Ю7 О? 'су а' СУ"

Рис. 1. Принципиальная схема оптимизации календарного плана освоения лесосек лесной декларации Процедура разворачивается в обратном направлении от конца года к началу. Прежде всего, производится условная оптимизация последнего шага. Для этого перебираются все возможные допустимые состояния системы на последнем шаге, когда не освоена лишь одна лесосека из лесной декларации. Предположим, например, что эта лесосека №1, тогда у нас нет выбора (управление вынужденное) и надо планировать эту лесосеку в рубку, определяя для нее соответствующие расходы на лесосечно-транспортные работы.

Далее приступают к оптимизации предпоследнего шага. Для этого рассматриваются все возможные допустимые состояния системы на предыдущем шаге. Так, если на последнем шаге осваивается лесосека №1, то на предпоследнем шаге система может находиться в состояниях, требующих освоения лесосеки - 2, 3,...,га. В этом случае назначение очередной лесосеки в рубку из оставшихся уже не вынужденное, а выбираемое, наилучшее по принятому критерию. Определив значение целевой функции для каждой из оставшихся лесосек, выбираем одну, наилучшую, условно-оптимальную. Таким образом, мы получаем минимум критериальных расходов на двух последних шагах.

Последовательно осуществляя описанный выше итерационный процесс, дойдем, наконец, до первого шага, когда незапланированной в рубку окажется лишь одна, последняя лесосека. В этом случае уже не требуется делать предположений о допустимых состояниях системы, а

остается лишь выбрать эту лесосеку как наилучшую с учетом условно-оптимальных управлений, уже принятых на всех последующих шагах.

Таким образом, процесс повторяется по всем отведенным в рубку m лесосекам лесной декларации, и мы получаем условно-оптимальные управления по каждой последовательности, которые обеспечивают минимальные суммарные критериальные расходы. На основании этих данных, выбирается оптимальная последовательность освоения лесосек в течение года, как имеющая минимальные суммарные расходы.

Программное обеспечение DynLes для решения задачи рационального планирования освоения лесосек лесной декларации в течение года и подбора рациональной конструкции дорожной одежды усов к данным лесосекам осуществлено на языке Delphi.

Программа DynLes состоит из двух основных подпрограммы: выбор рациональной последовательности освоения лесосек лесной декларации и подбор рациональной дорожной одежды для усов. Исходными данными для системы являются: запас ликвидной древесины на лесосеке; количество подроста; расстояние от лесосеки до существующей дороги, в км; тип местности по увлажнению на лесосеке; тип местности по увлажнению на подъезде к лесосеке; средний объём хлыста; расстояние вывозки заготовленной древесины от лесосеки до лесного терминала; расстояние от лесосеки до ближайшего карьера с гравием; плановые помесячные объемы поставки древесины на лесной терминал; техническая характеристика лесовозного автопоезда.

Как итог работы программы DynLes по расчету рациональной помесячной последовательности освоения лесосек и выбору дорожных конструкций к ним мы получаем таблицу выходных данных, которую можно экспортировать в геоинформационную систему с визуализацией

Рис. 2. Результат расчета календарной очередности освоения лесосек лесной декларации, экспортированные в Мар!пйз

Математическая модель оптимизации структуры первичной технологической лесотранспортной сети реализована в подсистеме «Поиск

среде MS Excel.

Методика автоматизированного проектирования заключается в последовательных расчетах в начале оптимальной календарной последовательности освоения лесосек лесной декларации с выбором оптимальной дорожной конструкции лесовозного уса к каждой лесосеке. Затем, по известным календарным срокам освоения лесосек и конструкциям усов, выполняются расчеты оптимальной структуры технологической лесотранспортной сети для освоения каждой лесосеки с последующим использованием этих параметров при ГИС-проектировании технологической карты лесосеки.

В четвертой главе изложены требования нормативных документов к технологической карте разработки лесосеки и методика разработки технологической карты на базе геоинформационных и спутниковых навигационных систем и технологий.

Предлагаемая методика составления технологических карт разработки лесосеки с размещение первичной лесотранспортной сети выполняется в следующей последовательности.

На первом этапе осуществляется создание ГИС-проекта существующей транспортной инфрастуктуры региона лесной аренды путем разработки новых или использование готовых баз данных картографической и атрибутивной информации. Вторым этапом математико-картографического моделирования является помесячное календарное планирование освоения лесосек лесной декларации. С помощью математической модели территориально-временной динамики лесозаготовок оптимизируется пространственно - временное, помесячное

освоение лесосек, задекларированных на очередной год с выбором оптимальных дорожных конструкций, обеспечивающих необходимую их работоспособность. В результате работы модели устанавливается очередность и календарные сроки проведения заготовки древесины в каждой лесосеки и рациональные дорожные конструкции лесовозных усов. Эти данные визуализируются на помесячных картах ГИС-проекта.

На третьем этапе математико-картографического моделирования выполняется расчеты по оптимизации структуры технологических путей, обеспечивающие определение рациональных зон тяготения лесных грузов к технологическим путям - магистральным трелевочным волокам, и лесовозным усам. В результате этих расчетов на карте визуализируются две транспортные грузосборочные зоны: трелевочная зона и зона лесовозных усов (рис.4).

Рис. 4. Грузосборочные зоны прямой трелевки и зоны строительства лесовозных усов с лесосеками лесной декларации Лесосеки, попавшие в трелевочную зону, для транспортного освоения потребуют лишь прокладки магистральных и пасечных волоков. Лесосеки лесной декларации, попавшие в зону усов, для транспортного освоения потребуют строительства лесовозных усов и волоков. Таким образом, картографическое зонирование, выполненное по результатам оптимизационных расчетов структуры технологических путей позволяет обоснованно определиться с категорией пути при транспортном освоении той или иной лесосеки лесной декларации.

Собственно процесс размещения технологических путей -лесовозных усов, магистральных и пасечных волоков на карте ГИС-проекта выполняется в несколько этапов в соответствии с их иерархией. Сначала от лесосеки до существующей дороги размещается лесовозный ус,

а при нахождении лесосеки в трелевочной зоне - основной магистральный волок, затем стоянку машин и механизмов с объектами обслуживания, погрузочные площадки и магистральные волоки, от них - пасечные волоки.

Изложена подробная методика выноса в натуру и реализации ГИС-проектов схем разработки лесосек через систему Ог!Ехр1огег средствами персональных спутниковых навигаторов. При наличии на харвестере спутникового навигатора ГИС-проект схемы разработки лесосеки загружается через систему ТипЬегКаУ1 в бортовой компьютер (рис. 5), обеспечивая оператору визуализацию своего местоположения, элементов технологической и транспортной инфраструктуры лесосеки и курсоуказания реализации технологической карты выполнения лесосечных работ. Фиксируемый на карте маршрут движения лесозаготовительной машины позволяет контролировать руководителю соответствие фактической схемы разработки лесосеки проектной._

™ IСвТтТЛй т** . ... ™-г т .'

¿6 а к а т.:;■ * г» в- »й £вд ж и.'- ш &

Рис. 5. Технологическая карта в ТнпЬегМаут

Пятая глава посвящена экспериментальным исследованиям параметров структуры технологической лесотранспортной сети.

Основными параметрами структуры технологической лесотранспортной сети являются зона тяготения лесных грузов к лесовозному усу, магистральному и пасечному волоку. Расстояние между пасечными волоками определяется технологией валки и радиусом захвата валочной машины. Расстояние между магистральными волоками определяет расстояние между лесопогрузочньми пунктами и необходимую протяженность строительства магистральных волоков для транспортного освоения единицы лесной площади. Расстояние между лесовозными усами определяет их требуемую удельную протяженность и объемы строительства на единицу лесной площади. Для каждой осваиваемой лесосеки в зависимости от конкретных природно-

производственных условий, техники и технологии лесосечных и лесотранспортных работ будут иметь место свои показатели параметров структуры. Учитывая большое практическое значение зоны тяготения лесных грузов к усу и расстояния между погрузочными пунктами на расстояние трелевки и ее эффективность, объемы необходимого строительства лесовозных усов и затраты на их содержание возникает необходимость экспериментального исследования этих параметров.

Основной целью данного исследования является получение адекватной математической регрессионной модели зависимости зоны тяготения к усу и расстояния между погрузочными пунктами от основных влияющих факторов, и возможность использования этих зависимостей для практического решения задач проектирования технологических карт разработки лесосек.

В результате проведенного полного факторного эксперимента и обработке его результатов была получена следующая регрессионная модель для грузосборочной зоны уса в км

du = -0,493264 + 0,101703*t - 0,00218127*z + 0,00155022*с + 0,0775222*q + 0,0305472*а - 0,000088214*t*c - 0,00716903*t*q - 0,00359063*t*a + 0,0000882153*c*q + 0,00359061 *q*a;

где t- стоимость машино-смены трелевочного трактора, тыс. руб/ маш-смену; z — запас древесины, м3/га; с - стоимость строительства лесовозного уса, тыс. руб / км; q - нагрузка на рейс трелевочного трактора, м3; а -стоимость машино-смены лесовозного автопоезда, тыс. руб / мага-смену.

Полученная регрессионная модель достаточно хорошо коррелирует с экспериментальными данными: коэффициент детерминации R-squared = 95,1 %; стандартная ошибка Standard Error of Est. = 0,50. Наибольшее влияние на зону тяготения к усу оказывает стоимость строительства одного километра уса, полезная нагрузка и стоимость машино-смены трелевочного трактора и парные взаимодействия этих факторов. Влияние стоимости машино-смены лесовозного автомобиля и среднего запаса древесины на гектаре и их парных взаимодействий не велико, но значимо.

При известной грузосборочной зоне лесовозного уса достаточно легко может быть формализована и потребность в их строительстве на единицу площади. Конечным результатом проведенного эксперимента является искомая математическая модель протяженности строительства усов в км на 1000 га лесной площади

1и = 12,1302 + 0,911044*t + 0,0212311*z - 0,00677859*с - 0,500047*q -0,0524101*а + 0,000642933*t*z - 0,000379224*t*c - 0,0164395*t*q -0,0000101917*z*с - 0,000642896*z*q + 0,000379212*c*q; где t- стоимость машино-смены трелевочного трактора, тыс. руб/ маш-смену; z - запас древесины, м3/га; с — стоимость строительства лесовозного

уса, тыс. руб / км; q - нагрузка на рейс трелевочного трактора, м3; а -стоимость машино-смены лесовозного автопоезда, тыс. руб / маш-смену.

Из полученной сводки дисперсионного анализа известно, что полученная регрессионная модель достаточно хорошо коррелирует с экспериментальными данными: коэффициент детерминации R-squared = 99,44%; стандартная ошибка Standard Error of Est. = 0,81.

В результате эксперимнтальных исследований и обработки их результатов была получена и регрессионная модель для определения расстояния между погрузочными пунктами в км

р = 0,047186 + 0,00475507*t + 0,0186836* q + 0,00420872*а -0,00093755l*t*q - 0,000497645*t*a + 0,000497647*q*a; где t- стоимость машино-смены трелевочного трактора, тыс. руб/ маш-смену; q - нагрузка на рейс трелевочного трактора, м3; а - стоимость машино-смены лесовозного автопоезда, тыс. руб / машино-смену.

Наибольшее влияние на расстояние между лесопогрузочными пунктами оказывает стоимость машино-смены и полезная нагрузка на рейс трелевочного трактора. С ростом полезной нагрузки на рейс трелевочного трактора расстояние между погрузочными пунктами возрастает, а с ростом стоимости машино-смены трелевочного трактора -уменьшается. Увеличивает расстояние между погрузочными пунктами и рост стоимости машино-смены лесовозного автопоезда.

Полученная регрессионная модель достаточно хорошо коррелирует с экспериментальными данными: коэффициент детерминации R-squared = 97,62 %; стандартная ошибка Standard Error of Est. = 0,028.

Расстояние между погрузочными пунктами определяют потребность в строительстве магистральных трелевочных волоков на единицу площади. В приведенном ниже уравнении регрессии представлена потребность в магистральных трелевочных волоках в км на 1000 га лесной площади /v = 43,3311 + 3,49354*t + 0,00399332*с - l,36312*q - 0,292536*а + 0,000299383*t*c - 0,0852176*t*q - 0,000299323*с*q

где t- стоимость машино-смены трелевочного трактора, тыс. руб/ маш-смену; с- стоимость строительства 1 км лесовозногоуса; q - нагрузка на рейс трелевочного трактора, м3; а — стоимость машино-смены лесовозного автопоезда, тыс. руб / машино-смену.

Полученная регрессионная модель достаточно хорошо коррелирует с экспериментальными данными: коэффициент детерминации R-squared -99,63%; стандартная ошибка Standard Error of Est. = 2,02.

Полученные уравнения регрессии в пределах исследованных уровней изменения факторов могут быть использованы для расчета необходимых ресурсов, планирования и строительства технологической

лесотранспортной сети и проектирования технологических карт разработки лесосек.

В шестой главе рассмотрено решение промышленной задачи транспортного освоения арендных лесов ООО «Метсялитто-Подпорожье» с помощью разработанной системы.

Участки лесного фонда, переданные в аренду ООО «Метсялитто-Подпорожье», находятся на территории Подпорожского лесничества в Ленинградской области. Данный объект выбран в связи с типичностью природно-производственных условий разрозненных лесов расстроенных рубками предыдущих лет и объемов лесопользования, характерных для крупного лесопромышленного предприятия.

В ходе реализации была успешно решена задача организации транспортного освоения лесосек лесных деклараций заготовки древесины на период 2009 и 2010 г.

При сравнивании машинного варианта, рассчитанного с помощью разработанной системы, с вариантом традиционного ручного проектирования специалистами ООО «Метсялитто-Подпорожье» экономия затрат на лесотранспорт и лесозаготовку составила 3.5%.

Общие выводы

В результате выполненных в диссертационной работе исследований обоснована и разработана методика организации лесосечно-транспортных процессов на базе геоинформационных систем и систем спутникового позиционирования. Предложенная методика на основе разработанных математических моделей, алгоритмов и программных средств позволяет формировать рациональные пространственно-временные схемы транспортного освоения лесосек лесной декларации ЛЗП, выбирать оптимальную структуру технологических лесотранспортных путей и дорожные конструкции на лесовозных усах с учетом лесохозяйственных, технологических и климатических факторов, что позволяет получить существенный экономический эффект.

Предлагаемая методика обеспечивает не только создание ГИС-проектов технологических карт разработки лесосек, но и их вынос в натуру и реализацию средствами спутниковой навигации.

Основные результаты работы заключаются в следующем.

1. В результате анализа особенностей технологического процесса лесозаготовительного предприятия установлено, что для решения задачи рациональной организации лесосечно-транспортных процессов при освоении лесосек лесной декларации ЛЗП необходимо применение математико-картографического моделирования на основе ГИС-технологий и систем спутникового позиционирования и навигации.

2. Сформулированы требования к программному обеспечению ГИС и системам спутникового позиционирования и навигации для организации лесосечно-транспортных процессов лесозаготовительного предприятия. Рекомендовано применение программного обеспечения ГИС МарГпГо и двухсистемных (СРБ+ГЛОНАСС) кодовых спутниковых приемников с числом каналов 24 и более, обеспечивающих автономный режим определения местоположения объектов.

3. Разработаны математические модели и алгоритмы рациональной помесячной пространственно-временной динамики транспортного освоения лесосек лесной декларации ЛЗП, выбора дорожной конструкции на усах и оптимизации структуры технологической лесосечно-транспортной сети лесовозных усов и волоков.

4. Разработан программный комплекс, реализующий математические модели и алгоритмы рациональной помесячной пространственно-временной динамики транспортного освоения лесосек лесной декларации ЛЗП, выбора дорожной конструкции на усах и оптимизации структуры технологических путей.

5. Полученные результаты апробации разработанной системы в разнообразных граничных и типичных природно-производственных условиях функционирования ЛЗП подтвердили достоверность и адекватность предложенной модели, а также созданных на ее базе алгоритмов и программного обеспечения.

6. Разработана методика составления технологических карт разработки лесосек с использованием ГИС технологий и систем спутникового позиционирования и навигации на базе созданного программного комплекса.

7. Выполнены экспериментальные исследования и получены эмпирические оптимизационные модели влияния основных факторов на оптимальную структуру технологической лесотранспортной сети лесовозных усов и волоков.

8. Результаты исследований успешно внедрены в ООО «Метсялитто Подпорожье» арендующей лесные массивы в Подпорожском лесничестве Ленинградской области, а также используются в учебном процессе в СПбГЛТА при подготовке инженеров по специальности «Лесоинженерное дело».

9. Результаты исследований могут быть рекомендованы к внедрению в производственно-технических отделах лесозаготовительных предприятий и использоваться научно-исследовательскими и проектными организациями лесного комплекса при решении задач рациональной организации лесосечно-транспортных процессов освоения лесосек лесной декларации.

Основное содержание диссертационной работы опубликовано в следующих работах:

1. Тюрин А.Н. Использование ГИС и GPS технологий для сезонного районирования лесосечно-транспортных работ в лесосырьевых базах лесозаготовительных предприятий / Тюрин А.Н. Сухопутный транспорт леса. Материалы научно-методического семинара. СПб.: СПбГЛТА, 2007. с. 66-68.

2. Соловьев А.Н., Тюрин А.Н. Применение ГИС при управлении лесозаготовительным предприятием / Соловьев А.Н., Тюрин А.Н. // Современные проблемы лесозаготовительных производств. Материалы международной научно-практической конференции 2728 марта 2009 г. СПб.: НП «НЦО МТД», 2009. С. 202-204.

3. Тюрин H.A., Громская Л.Я., Тюрин А.Н. К вопросу обоснования требуемой густоты транспортной сети для заготовки древесины / Тюрин H.A., Громская Л.Я., Тюрин А.Н. // Сухопутный транспорт леса: материалы научно-технической конференции. СПб.: СПбЛТА, 2009. С. 64-68

4. Тюрин H.A., Громская Л.Я., Тюрин А.Н, Классификация лесов по транспортно-промышленной доступности / Тюрин H.A., Громская Л.Я., Тюрин А.Н. // Сухопутный транспорт леса: материалы научно-технической конференции. СПб.: СПбЛТА, 2009. С. 68-72.

5. Тюрин H.A., Громская Л.Я., Тюрин А.Н. Обоснование требуемой густоты транспортной сети для заготовки древесины / Тюрин H.A., Громская Л .Я., Тюрин А.Н. // Леса России в XXI веке. Материалы первой межвуз. научно-практической интернет-конференции. Июль 2009. СПб.: СПбЛТА, 2009. С. 211-214.

6. Тюрин H.A. и др. Сухопутный транспорт леса. Глобальные системы позиционирования на лесотранспорте: учебное пособие / H.A. Тюрин, А.Н. Тюрин, A.A. Борозна, Л.Э. Еремеева, Л.Я. Громская, Э.О. Салминен ; СПбЛТА, Сыкт. лесн. ин-т. - Сыктывкар: СЛИ, 2009.-100с.

7. Тюрин А.Н.. Рациональное пространственно-временное освоение лесосек лесной декларации ЛЗП методом динамического программирования / Тюрин А.Н. // Известия Санкт-Петербургской лесотехнической академии. Вып.191 . СПб.: СПб ГЛТА, 2010. С. 213220.

ТЮРИН АЛЕКСЕЙ НИКОЛАЕВИЧ АВТОРЕФЕРАТ

Подписано в печать с оригинал-макета 17.11.10. Формат 60x84/16. Бумага офсетная. Печать трафаретная. Уч.-изд. л. 1,0. Печ. л. 1,25. Тираж 100 экз. Заказ № 269. С 16 а.

Санкт-Петербургская государственная лесотехническая академия Издательско-полиграфический отдел СПбГЛТА 194021, Санкт-Петербург, Институтский пер., 5

Введение.

Глава 1. Анализ оперативного планирования организации лесосечных работ.

1.1. Среднесрочное и краткосрочное планирование лесосечных работ.

1.2. Требования правил заготовки древесины к проектам организации лесосечно-транспортных процессов и их анализ.

1.3. Моделирование и оптимизация процесса лесозаготовок.

1.4. Постановка задачи исследования.

Глава 2. Теоретические предпосылки организации лесосечно-транспортных процессов на базе геоинформационных и спутниковых навигационных систем и технологий.

2.1. Требования к геоинформационным системам в лесозаготовительном производстве.

2.2. Спутниковые навигационные системы и технологии для организации лесосечно-транспортных процессов.

2.3. Рациональное пространственно-временное освоение лесосек лесной декларации методом динамического программирования.

2.4. Математическая модель выбора рациональных дорожных конструкций усов лесовозных автомобильных дорог.

2.5. Оптимизация структуры первичной лесотранспортной сети при проектировании технологических карт разработки лесосек.

Глава 3. Автоматизированная система рационального пространственно-временного освоения лесосек лесной декларации, выбора дорожной конструкции на усах и оптимизации структуры первичной транспортной сети.

3.1. Формулировка описательного алгоритма для задачи рационального освоения лесосек лесной декларации и задачи определения рациональных конструкций усов.

3.2. Блок-схема алгоритма рационального освоения лесосек лесной декларации и задачи определения рациональных конструкций усов.81 3.3 Обоснование выбора языка программирования для реализации разработанного алгоритма.

3.4. Обработка и ввод исходной геоинформации.

3.5. Автоматизированная система пространственно-временного освоения лесосек лесной декларации и определения рациональной дорожной конструкции усов.

3.6. Оптимизация структуры технологической лесосечно-транспортной сети в среде MS Excel.

Глава 4. Методика проектирования технологических карт разработки лесосек на базе геоинформационных и спутниковых навигационных систем и технологий.

4.1. Требования к технологической карте разработки лесосеки.

4.2. Методика размещения первичной лесотранспортной сети технологической карты лесосеки на базе геоинформационных систем и спутниковой навигации.

4.3. Методика экспорта технологической карты из Mapinfo в GPS-навигатор.

4.4. Методика выноса в натуру и реализации технологической карты разработки лесосеки.

Глава 5. Исследование автоматизированной системы организации лесосечно-транспортных процессов на базе геоинформационных и спутниковых навигационных технологий.

5.1. Цели и задачи экспериментов на математической модели и методика выполнения вычислительного эксперимента.

5.2. Исследование параметров структуры технологической лесотранспортной сети.

Глава 6. Технико-экономические показатели использования системы организации лесосечно-транспортных процессов на базе геоинформационных и спутниковых навигационных технологий.

6.1. Сведения об объекте реализации разработанной системы.

6.2. Результаты работы автоматизированной система рационального пространственно-временного освоения лесосек, выбора дорожной конструкции на усах и оптимизации структуры первичной транспортной сети для участков, арендуемых

ООО «Метсялиитго-Подпорожье».

Актуальность темы: Лесопромышленный комплекс является одной из важнейших отраслей экономики страны. Леса России по площади и запасу составляют 22% общей площади и запаса лесов планеты. Большая ответственность перед страной и мировой общественностью - проводить качественный учет состояния лесов, обеспечивать их охрану, воспроизводство и рациональное использование.

Согласно лесному кодексу Российской Федерации, заготовка древесины осуществляется преимущественно при рубках главного пользования, проводимых в спелых и перестойных древостоях. По данным Федерального агентства лесного хозяйства [62], в России общий запас древесины превышает 82 млрд. куб.м. Ежегодная расчетная лесосека составляет около 520 млн. куб.м., в том числе по хвойному хозяйству - 295 млн. куб.м, а осваивается, в среднем по стране, около 22% объема расчетной лесосеки. Наиболее интенсивно используются леса северо-западных, северных, центральных и западных районов европейской части страны. Расчетная лесосека по хвойному хозяйству на территории Европейско-Уральской части Российской Федерации осваивается на 40-60%.

Из потенциальной нормы неистощительного лесопользования свыше 500 млн. куб. м неиспользованным остается около 400 млн. куб. м, в том числе по хвойному хозяйству свыше 200 млн. куб. м [13].

Факторами, ограничивающими развитие лесозаготовок, являются резкое снижение уровня инвестиций в лесной сектор, обусловленные мировым экономическим кризисом и процессом реформирования отрасли, значительное падение спроса на древесину как внутри страны, так и за рубежом, низкая способность стратегического планирования лесозаготовительных предприятий на значительную перспективу.

Создание эффективной системы лесоэксплуатации на принципах неистощительного лесопользования требует четкой планово-проектной взаимосвязи лесопромышленной и лесохозяйственной деятельности, учета лесоводственных, экологических и природных ограничений, потребностей рынка. Комплексного решения этих вопросов можно достичь путем создания интегрированных систем автоматизированного проектирования и управления лесопользованием на базе современных геоинформационных систем и технологий.

Решение должно быть таковым, чтобы обеспечить выгодность, экономическую целесообразность проведения всех видов хозяйственной деятельности, включая лесозаготовки, лесотранспорт, используя методы, направленные на повышение продуктивности лесов и уменьшение затрат, сохранение экологической устойчивости лесов и лесохозяйственных требований.

Для рациональной организации заготовки древесины и ее вывозки необходимо применение комплексного логистического подхода, составной неотъемлемой частью которого является транспортное освоение арендуемых участков лесного фонда каждого лесозаготовительного предприятия (ЛЗП).

Существующая система организации лесосечно-транспортного процесса в ЛЗП предлагает годовое, квартальное и помесячное его планирование.

Особо актуальной в связи со сложившейся системой организации заготовки древесины, ее сезонностью является оперативное помесячное планирование лесозаготовок и транспорта леса на годовой срок действия лесной декларации, которое носит массовый характер. Оно осуществляется на уровне планово-производственных отделов предприятия и предполагает определение не только объемов и сроков, но и местоположение лесозаготовок и строительство необходимых лесных дорог, что, в конечном счете, определяет эффективность всего лесозаготовительного процесса.

Существующая практика организации лесосечно-транспортных работ при освоении лесосек лесной декларации содержит множество неформализованных субъективных этапов, в основном основанных на интуиции специалиста и опыте предыдущих лет.

Географические информационные системы (ТИС) в комплексе с глобальными спутниковыми системами позиционирования и навигации становятся одним из основных средств управления природными ресурсами и организации многих видов производства[19,30-32,52,53]. На данный момент ГИС являются оптимальным средством хранения, обработки и представления данных о лесных ресурсах. Все лесоустроительные предприятия России [80] используют ГИС-технологии и системы спутникового позиционирования для создания баз данных лесного • фонда, выполнения расчетов лесопользования, создания проектных материалов. Геоинформационные базы данных лесоустройства содержат как минимум две структурные части -электронные карты лесов и совмещенные с ними атрибутивные базы данных с географическими координатами и таксационными характеристиками. Для пользователя геоинформационными базами данных лесного фонда (сотрудника лесозаготовительной организации) имеются возможности оперативного обращения к картографическим и атрибутивным данным, получения разносторонней информации о ресурсах, наглядного представления результатов поиска на карте и местности и выноса проектных I объектов в натуру. Преимуществом ГИС перед иными программами и технологиями является возможность пространственного анализа данных. Так, при организации лесосечно-транспортных процессов периодически возникают задачи, связанные с определением пространственных характеристик объектов - положения, близости, соседства, формы. Типичными вопросами, связанными с пространственными характеристиками объектов являются: «где расположены отведенные в рубку лесосеки?», «какова их площадь, форма, направление заруба?», «по каким дорогам к ним удобнее попасть?», «где размещены леса высокой природоохранной ценности, ключевые биотипы редких и исчезающих видов?», «стоит-ли строить лесовозный ус или увеличить расстояние трелевки?», «где устраивать погрузочный пункт, сезонный склад, магистральный и пасечные волоки?» Инструменты и технологии ГИС в комплексе с системами спутникового позиционирования и навигации позволяют решать подобные задачи на основе оптимизационных экономико-математических моделей.

С учетом вышеизложенного, разработка методики на основе системного подхода, математического моделирования и оптимизации, позволяющей комплексно решать задачу организации лесосечно-транспортных процессов при освоении лесосек лесной декларации ЛЗП на основе геоинформационных и спутниковых навигационных систем и технологий является актуальной.

Цель работы. Целью работы является повышение эффективности лесосечных работ и первичного транспорта древесины путем оптимизации календарного освоения лесосек лесной декларации, структуры лесотранспортной сети и ее размещения на лесосеке на основе геоинформационных систем и систем спутникового позицирования.

Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи исследования:

1) Разработаны математические модели рациональной помесячной пространственно-временной динамики транспортного освоения лесосек лесной декларации ЛЗП, выбора дорожной конструкции на усах и оптимизации структуры технологической лесосечно-транспортной сети лесовозных усов и волоков;

2) Разработаны алгоритмы рациональной помесячной пространственно-временной динамики транспортного освоения лесосек лесной декларации ЛЗП, выбора дорожной конструкции на усах;

3) Разработан программный комплекс, реализующий алгоритмы рациональной помесячной пространственно-временной динамики, транспортного освоения лесосек лесной декларации ЛЗП и выбора дорожной конструкции на усах;

4) Разработана методика составления технологических карт разработки лесосек с использованием ГИС технологий и систем спутникового позиционирования и навигации на базе созданного программного комплекса;

5) Выполнены экспериментальные исследования и получены эмпирические оптимизационные модели влияния основных факторов на оптимальную структуру технологической лесотранспортной сети лесовозных усов и волоков;

6) С помощью разработанного программного комплекса решена задача транспортного освоения лесосек лесной декларации действующего лесозаготовительного предприятия и дана оценка ее эффективности.

Объект исследования. Объектом исследования является логистическая подсистема рациональной пространственно-временной динамики лесозаготовок, размещения путей первичного транспорта технологической карты разработки лесосеки.

Предмет исследования: модель рациональной пространственно-временной динамики лесозаготовок и структуры первичных путей лесотранспорта при освоении лесосек лесной декларации, методика рационального размещения путей первичного транспорта заготовленной древесины на лесосеке на базе геоинформационных систем и систем спутникового позиционирования и навигации.

Методы исследования; Решение поставленных задач получено на основе системного подхода, метода динамического программирования и математико-картографического моделирования средствами геоинформационных систем. При экспериментальных исследованиях и разработке системы использовались объектно-ориентированный язык Borland Delphi, геоинформационная система Maplnfo, Microsoft Excel, Microsoft Access и глобальная система позиционирования GPS.

Научная новизна исследования. Разработаны и апробированы математические модели рациональной пространственно-временной динамики лесозаготовок и структуры первичной лесотранспортной сети при освоении лесосек лесной декларации годового лесосечного фонд и методика размещения транспортной сети технологической карты разработки лесосеки, что позволит повысить эффективность заготовки древесины.

Практическая значимость работы. Практическая значимость работы заключается в разработке математической модели, алгоритма, программного обеспечения и методики рационального размещения первичных путей лесотранспорта при составлении технологических карт разработки лесосеки, которые могут быть использованы лесозаготовительными, научно-исследовательскими, проектными и учебными организациями лесной отрасли ' при решении задач планирования и управления лесозаготовительным производством.

Научные положения, выносимые на защиту:

- разработанная математическая модель, алгоритм и программное обеспечение рациональной пространственно-временной динамики освоения лесосек лесной декларации ЛЗП с учетом климатических и природно-производственных условий; разработанная методика размещения путей первичного лесотранспорта при проектировании технологических карт разработки лесосеки на базе геоинформационных систем и систем спутникового позиционирования и навигации;

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы доложены, обсуждены и получили одобрения на заседаниях кафедры Технологии лесозаготовительных производств СПбГЛТА, научных конференциях профессорско-преподавательского состава СПбГЛТА в 2008-2010 годах; на Международной научно-пракической конференции «Современные проблемы лесозаготовительных производств, производства материалов и изделий из древесины: пиломатериалы, фанера, деревянные дома, заводского изготовления, строительно-столярные изделия» СПб. 2009г.

Реализация результатов. Созданная система была использована при планировании транспортного освоения лесосек лесной декларации в Подпорожском ЛПХ Ленинградской области в 2009 и 2010 году.

Полученные результаты внедрены и используются в учебном процессе, курсовых и дипломных проектах студентов СПбГЛТА.

Публикация. По результатам научных исследований опубликованы 7 печатных работ, в том числе 1 работа в издании, рекомендованным ВАК Министерство образования Российской Федерации.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести разделов, заключения и выводов, списка литературы и приложений. Содержание работы изложено на 177 страницах машинописного текста, включая иллюстративный материал и приложения.

Основные результаты работы заключаются в следующем.

1. В результате анализа особенностей технологического процесса лесозаготовительного предприятия установлено, что для решения задачи рациональной организации лесосечно-транспортных процессов при освоении лесосек лесной декларации ЛЗП необходимо применение математико-картографического моделирования на основе ГИС-технологий и систем спутникового позиционирования и навигации.

2. Сформулированы требования к программному обеспечению ГИС и системам спутникового позиционирования и навигации для организации лесосечно-транспортных процессов лесозаготовительного предприятия. Рекомендовано применение программного обеспечения ГИС Мар1п&> и двухсистемных (ОРЗ+ГЛОНАСС) кодовых спутниковых приемников с числом каналов 24 и более, обеспечивающих автономный режим определения местоположения объектов лесозаготовительного производства.

3. Разработаны математические модели и алгоритмы рациональной помесячной пространственно-временной динамики транспортного освоения лесосек лесной декларации ЛЗП, выбора дорожной конструкции на усах и оптимизации структуры технологической лесосечно-транспортной сети лесовозных усов и волоков.

4. Разработан программный комплекс, реализующий математические модели и алгоритмы рациональной помесячной пространственно-временной динамики транспортного освоения лесосек лесной декларации ЛЗП, выбора дорожной конструкции на усах и оптимизации структуры технологических путей.

5. Полученные результаты апробации разработанной системы в разнообразных граничных и типичных природно-производственных условиях функционирования ЛЗП подтвердили достоверность и адекватность предложенной модели, а также созданных на ее базе алгоритмов и программного обеспечения.

6. Разработана методика составления технологических карт разработки лесосек с использованием ГИС технологий и систем спутникового позиционирования и навигации на базе созданного программного комплекса.

7. Выполнены экспериментальные исследования и получены эмпирические оптимизационные модели влияния основных факторов на оптимальную структуру технологической лесотранспортной сети лесовозных усов и волоков.

8. Результаты исследований успешно внедрены в ООО «Метсялитто Подпорожье» арендующей лесные массивы в Подпорожском лесничестве Ленинградской области, а также используются в учебном процессе в СПбГЛТА при подготовке инженеров по специальности «Лесоинженерное дело». использоваться научно-исследовательскими и проектными организациями лесного комплекса при решении задач рациональной организации лесосечно-транспортных процессов освоения лесосек лесной декларации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ

В результате выполненных в диссертационной работе исследований обоснована и разработана методика организации лесосечно-транспортных процессов на базе геоинформационных систем и систем спутникового позиционирования. Предложенная методика на основе разработанных математических моделей, алгоритмов и программных средств позволяет формировать рациональные пространственно-временные схемы транспортного освоения лесосек лесной декларации ЛЗП, выбирать оптимальную структуру технологических лесотранспортных путей и дорожные конструкции на лесовозных усах с учетом лесохозяйственных, технологических и климатических факторов, что позволяет получить существенный экономический эффект.

Предлагаемая методика обеспечивает не только создание ГИС-проектов технологических карт разработки лесосек, но и их вынос в натуру и реализацию средствами спутниковой навигации.

1. Акулич И.А. Математическое программирование в примерах и задачах. М., 1993. С. 98-120.

2. Алексеев В.Е., Ваумин A.C., Петрова Г.Б. Вычислительная техника и программирование. Практикум по программированию. М., 1991. 400 с.

3. Андреев В.Н., Герасимов Ю.Ю. Принятие оптимальных решений: теория и применение в лесном комплексе. Йоэнсуу.: Издательство университета Йоэнсуу., 1999. 200 с.

4. Анисимов Г.М., Котиков В.М. Лесотранспортные машины. М.: Экология, 1997, 38 Кондрашкин 0 с.

5. Анисимов Г.М., Большаков Б.М. Основы минимизации уплотнения почвы трелевочными системами. СП.: ЛТА, 1998,108 с.

6. Антонов A.B., Фроловичев В.Н. Стратегическое управление лесным комплексом. М.: МГУЛ, 2008. 216 с.

7. Анучин Н.П. Проблемы лесопользования. М., 1986. 264 с.

8. Беллман Р. Динамическое программирование. М.: Иностранная литература. 1960. 390 с.

9. Беккер М.Г. Введение в теорию систем местность — матпина. М.: Машиностроение, 1973. 520 с.

10. Борисов Г.А. Методы автоматизированного проектирования лесотранспорта. Петрозаводск: Издательство Карелия, 1978. 198 с.

11. Беленький A.C. Исследование операций в транспортных системах: Идеи и схемы методов оптимизации планирования. М.: Мир, 1992. 582 с.

12. Большаков Б.М. Особенности размещения трелевочных волоков с учетом их работоспособности на переувлажненных грунтах: Дисс. канд. техн. наук. Л.: ЛТА, 1988.

13. Борозна A.A., Салминен Э.О. Состояние проблемы развитие лесного комплекса (по материалам Международного лесного саммита). СПб.: СПбГЛТА, 2004. 40 с.

14. Васильев Е.М., Кравец О.Я. Теория систем и системный анализ: Учебное пособие. Воронеж: Научная книга, 2007. 180 с.

15. Васильева Е.М., Левит Б:Ю., Лившиц В Н. Нелинейные транспортные задачи на сетях. М.: Финансы и статистика., 1981. 103 с.

16. Венценосцев В Н. Основы теории лесопромышленных производств. М.: Лесная промышленность, 1966. С. 152-161.

17. ВиногоровГ.К. Лесосечные работы. М.: Лесная пр-ность, 1981. 272 с.

18. Герасимов B.C. Исследование сетей лесовозных автомобильных дорог с применением ЭВМ: Автореферат дисс. канд. техн. наук. МЛТИ, 1975. 19 с.

19. Герасимов Ю.Ю., Кильпеляйнен С.А., Давыдков Г.А. Геоинформационные системы. Уч пособие для студ. лесных вузов. Йоэнсу: Издтво ун-та Йоэнсу, 2001. 201 с.

20. Герасимов Ю.Ю., Сюнов B.C. Лесосечные машины для рубок ухода: Компьютерная система принятия решений. Петрозаводск: Из-во Петрозаводского ун-та, 1998. 236 с.

21. Герасимов Ю.Ю., Сюнов B.C. Экологическая оптимизация технологических процессов и машин для лесозаготовок. Йоэнсуу.: Издательство университета Йоэнсуу., 1998; 178 с.

22. Гилл Ф., Мюррей У., РайтМ. Практическая оптимизация: Пер. с англ. -М.: Мир, 1985.-509 с.

23. Грикорьев И.В. Снижение отрицательного воздействия на почту колесных трелёвочных тракторов обоснованием режимов их движения и технологического оборудования. СПб.: С116ГЛТА, 2006. 236 с.

24. Гладков Е.Г. Территориальная динамика лесозаготовок. Моделирование и оптимизация эффективного развития лесозаготовок в современных экономических условиях. СПб. Издательство С.-Петербургского университета., 2006. 188 с.

25. Гороховский К.С. Машины и оборудование для лесосечных и лесоскладских работ: учеб пособие / К.Ф. Гороховский, Н.В. Лившиц. М.: Экология, 1991. - 528 с.

26. Гультяев А.К. Имитационное моделирование в среде Windows, практ. пособие. СПб.: Корона принт, 1999. Т.1. 304 с.

27. Ильин Б.А. Об определении необходимой густоты сети дорог в лесу // Науч. тр. ЛТАвып. 586. 1967. С .54-59.

28. Ильин Б.А. Основы размещения лесовозных дорог в сырьевых базах лесозаготовительных предприятий. Л.: ЛТА. 1987. 63 с.

29. Ильин Б.А., СалминенЭ.О. Теория лесотранспорта. СПб., 1992. 188 с.

30. Информационные системы управления в лесном комплексе: Материалы научно-технической конференции.- СПб.: СПб ЛТА, 1999. -56 с.

31. Использование GPS для повышения качества управления транспортно-технологическими процессами лесозаготовок в ЛПК: Материалы научно-практического семинара. СПб.: СПб ГЛТА, 2004. - 64 с.

32. Каралыцук В., Каралыцук С. Спутниковая навигация. М.: СОЛОН-Пресс, 2006,-176 с.

33. Ковалев Р.Н. Моделирование транспортных систем лесных предприятий с учетом новых условий лесопользования / Сухопутный транспорт леса: Сб. науч. тр. СПб.: ЛТА, 1994. С. 94-100.

34. Ковалев Р.Н. Параметрическое описание транспортных систем лесных предприятий с учетом принципов рационального лесопользования / Известия вузов: Лесной журнал. СПб.: СПбГЛТА, 1993. №4. С. 48-52.

35. Ковалев Р.Н., Хлюстов В.К. Экологический подход к формированию рациональной структуры и стадийному развитию транспортной сети лесных предприятий / Лесосечные лесоскладские работы и транспорт леса. СПб.: СПбГЛТА, 1993. С. 78-83.

36. Коваленко Т.В., Рациональная организация лесных грузопотоков при освоении годового лесосечного фонда лесозаготовительного предприятия. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. СПб. 2005.

37. Коробов B.B. Приоритетные научные проекты федерального уровня в лесозаготовительной отрасли России // Лесной журнал. 2005. № 1-2. С. 2-4.

38. Коробов П.Н. Математическое программирование и моделирование экономических процессов. СПб.: ДНК Санкт-Петербург. 2003. 376 с.

39. Коробов П.Н. Экономико-математические методы и модели в планировании и управлении. СПб.: Изд-во РИО ЛТА, 1993. 56 с.

40. Кочегаров В.Г., Бит Ю.А., Меньшиков В. Н. Технология и машины лесосечных работ. М.: Лесн. пр-сть, 1990. 392 с.

41. Леоненков A.B. Решение задач оптимизации в среде MS Excel. -СПб.: БХВ-Петербург, 2005. С. 704.

42. Лесоэксплуатация: учебник для студ. высш. учеб. заведений/ В. И. Патякин, Э.О. Салминен, Ю.А. Бит и др.. М.: Издательский центр «Академия», 2006. 320 с.

43. Лесной кодекс Российской Федерации. Электронный ресурс.: / 2006. режим доступа к прогр.: http// kadis.ru/kodeks.phtml?kodeks=21

44. Лурье И.К. Основы геоинформатики и создания ГИС / Дистанционное зондирование и географические информационные системы / Под ред. A.M. Берлянта. -М.: ООО «ИНЭКС-92», 2002. -Ч. 1 -140 с.

45. Матъейко А.П. Технология и машины лесосечных работ: учебник / А.П. Матвейко, A.C. Федорчук. Минск: Технопринт, 2002.- 408 с.

46. Мелехов И.С. Лесоводство. М.: Агропромиздат, 1989. 302 с.

47. Меньшиков В.Н. Основы технологии заготовки леса с сохранением и воспроизводством природной среды. Л.: Из-во ЛГУ, 1987. 220 с.

48. Мурашкин Н.В., Мурашкин А.Н., Сеник Н.М. Тюки на О.Н. t Прогнозирование и стратегическое планирование. Псков., 1999. 336 с.

49. Найман И.С. и др. Все о GPS-навигаторах. М.: НТ-Пресс, 2005. 395 с.

50. Общесоюзные нормы технологического проектирования лесозаготовительных предприятий / ОНТП-02-85. Л.: Ин-т «Гипролестранс», 1986. 232 с.

51. Основы геоинформатики: В 2 кн. Кн1: Учеб. пособие для студ. вузов / Е.Г. Капралов, A.B. Кошкакрев, B.C. Тикунов и др.; Под ред. B.C. Тикунова. М.: Из-дат. центр «Академия», 2004. 352 с.

52. Основы геоинформатики: В 2 кн. Кн2: Учеб. пособие для студ. вузов / Е.Г. Капралов, A.B. Кошкакрев, B.C. Тикунов и др.; Под ред. B.C. Тикунова. М.: Из-дат. центр «Академия», 2004. 480 с.

53. Перепелицкий С.Н. Экономико-математические методы и и модели в планировании и управлении на предприятиях лесной промышленности: Учебник для вузов.- М.: Лесная пром-сть, 1989. 360 с.

54. Побединский A.B. Рубки главного пользования / A.B. Побединский.-М.: Лесн. пр-сть, 1980. 192 с.

55. Правила заготовки древесины. Утверждены Приказом МИР России от 16.07.2007 № 184

56. Правилами лесовосстановления. Утвержденны приказом Министерства природных ресурсов Российской Федерации от 16 июля 2007 г. № 183. Бюллетень нормативных актов федеральных органов исполнительной власти, 2007, № 40.

57. Ранцев A.A. Определение наивыгоднейшего расстояния трелевки // Лесная индустрия. 1987. С. 45-48.

58. Редышн А.К. Основы моделирования и оптимизации процессов лесозаготовок: Учебник для вузов.-М.: Лесн.пром-сть, 1988.-256 с.

59. Резанов В.К. Адаптивное управление трансформацией и развитием лесопользования. Владивосток: Науч. изд. Дальнаука, 2001. 351 с.

60. Романюк Б.Д., Захаров Г., Шинкевич С., Хюнюнен Я. Устойчивая и интенсивная модель лесопользования и планирование рубок ухода. Йоэнсуу.2004. С. 3-11.

61. Рощупкин В.П., Леса России. СПб., 2005. 48 с.

62. Салминен Э.О., Борозна A.A., Тюрин H.A. Лесопромышленная логистика: Учеб. пособие для студ. лесн. вузов. СПб.: ПРОФИ-ИНФОРМ,2005.-264 с.

63. Салминен Э.О., Заяц A.M., Тюрин H.A., Гуров C.B., Васильев Н.П., Коваленко Т.В., Кочанов В.В., Павшоченко В.Ю. Информационные технологии и системы в лесопромышленном комплексе. Учеб. пособие./ СПб., СПбЛТА. 2002. 180 с.

64. Сеннов С.Н. Рубки главного пользования и рубки ухода. Л., 1989. С. 12-16.

65. Серапинас Б.Б. Глобальная система позицирования: Учеб. пособие.-М.: ИКФ «Каталог», 2002. -106 с.

66. Симонович C.B., Информатика: Базовый курс. СПб., 2002. 640 с.

67. Советов Б.Я., Яковлев С.А. Моделирование систем. М.: Высшая школа, 2005. 343 с.

68. Стороженко С.С. Повышение эффективности транспортно-технологического процесса лесопромышленных предприятий на базе логистико-математических моделей. Диссертация на соискание степени кандидата технических наук. СПб. СПбГЛТА, 2003. 209 с.

69. Судьев Н.Г. Лесохозяйственный справочник для лесозаготовителя / Н.Г. Судьев, Л.Н. Рожин. -М.: Лесн. пр-сть, 1989. 352 с.

70. Сущук М.А. Экономико-математическое моделирование развития регионального лесопромышленного комплекса. Автореферат дисс. . канд. экон. наук. СПб.: СПбГУ, 2001. С. 17.

71. Сценарий развития лесного комплекса России до 2015 года. Электронный ресурс. : / 2007. режим доступа к прогр.: http://bumprom.ru /index.Php?ids=278&subid=5933/

72. Тюрин H.A., Громская Л.Я., Тюрин А.Н. Классификация лесов по транспортно-промышленной доступности / Тюрин H.A., Громская Л.Я., Тюрин А.Н. // Сухопутный транспорт леса: материалы научно-технической конференции. СПб.: СПбЛТА, 2009. С. 68-72.

73. Утвержден Приказом МНР России от 06.04.2007 N 77 состав проекта освоения лесов и порядок его разработки

74. Винстон У.Л. Microsoft Excel: анализ данных и построение бизнес-моделей / Пер. с англ. М.:Издательско-торговый дом»Русская редакция», 2005. С. 576.

75. Чернявский. B.C. Новые документы лесного планирования. Электронный ресурс. : / ВНИИЛМ Пушкино, 2007. режим доступа к прогр.: http://www.fguvniilm.ru/articles/32-new-documents.html

76. Ширнин Ю.А., Успенский E.H., Белоусов A.C. Технология и эффективность рубок с естественным возобновлением леса. Йошкар-Ола.: Издательство МарПИ, 1991.100 с.

77. Шегельман И.Р. Лесопромышленная интеграция: теория и практика / И.Р. Шегельман, A.B. Воронин. Петрозаводск: Из-во ПетрГУ, 2009 г. 464 с.

78. Шубинский И.Б. Основы алгоритмизации инженерных задач. Учеб. пособие. СПб., СПбЛТА. 1994. 96 с.

79. Bazara M., Sheetty C. Nonlinear programming: Theory and algorithms. New York: John Wiley & Sons, 1979. 560 p.

80. Charges A., Cooper W.W. Deterministic equivalents for optimizing and satisfying under chance constraints // Oper. Res. 1963. N 11. P. 18-39.

81. Rowman J., Hessler R. New look at optimum road density for gentle topography // Transportation research record. № 898. 1983. P. 27-37.

82. Tan J. Planning a forest road network by spatial data handling-network routing system. Helsinki, 1992. 52 p.

83. Peters P.A., Nieuwenuis M.A. Optimum spur road layout near a forest boundary line. Journal of forest engineering. №2,1990.

84. Tompson M.A. Optimizing spur road spacing on the basis of profit potential. Forest product journal 38(5):53-57.

85. Peters P. A. Spacing of roads and landings to minimize timber harvest cost. Forest Science 24(2):209-217.