автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.01, диссертация на тему:Обоснование транспортных потоков лесоматериалов в малолесных регионах

На правах рукописи

Сушков Артем Сергеевич

ОБОСНОВАНИЕ ТРАНСПОРТНЫХ ПОТОКОВ ЛЕСОМАТЕРИАЛОВ В МАЛОЛЕСНЫХ РЕГИОНАХ

05.21.01 - Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства

6 гн

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Йошкар-Ола 2013

005060826

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия»

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Скрыпников Алексей Васильевич

Бурмистрова Ольга Николаевна, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой технологии лесопромышленных производств, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Ухтинский государственный технический университет»

Нехорошков Петр Аркадьевич, кандидат технических наук, доцент, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Поволжский государственный технологический университет»

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный университет леса»

Защита диссертации состоится 28 июня 2013 г. в 14 ч. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.115.02 в Поволжском государственном технологическом университете по адресу: 424000, Республика Марий Эл, г. Йошкар-Ола, пл. Ленина 3, ПГТУ, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ФГБОУ ВПО «Поволжский государственный технологический университет».

Ведущая организация

Автореферат разослан

мая 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент

Рукомойников К. П.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Совершенствование транспортных потоков лесных предприятий, с учётом технологических особенностей последних, является необходимым условием развития лесного комплекса страны на современном этапе. В лесной отрасли на долю транспортных расходов приходится значительная часть общих затрат на производство конечной продукции. По мере роста спроса на высококачественную древесину лесопромышленники вынуждены перемещаться в более удалённые участки лесного фонда. Для их освоения требуется, в первую очередь, создание социальной и промышленной инфраструктуры, которая не может развиваться без ввода в эксплуатацию новых лесовозных дорог круглогодичного действия и распределения транспортных потоков лесоматериалов по дорогам общего пользования.

Диссертация выполнена в соответствии с планом научно-исследовательских работ кафедры промышленного транспорта, строительства и геодезии Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Воронежская государственная лесотехническая академия» - Разработка энергосберегающих и экологически перспективных технологий транспорта леса (номер госрегистрации 01201168746).

Цель работы состоит в совершенствовании системы формирования транспортных потоков лесоматериалов на основе разработки моделей и алгоритмов их размещения и концентрации в зависимости от производственных мощностей лесозаготовительных и лесоперерабатывающих производств в малолесных регионах.

Задачи исследования:

1. Разработать общую математическую модель для решения многопараметрических задач формирования транспортных потоков лесоматериалов из арендуемых участков лесного фонда в пункты их переработки.

2. Разработать математические модели и алгоритмы выбора поставщиков лесоматериалов, модельного ряда автотранспортных средств при транспортном освоении участков лесного фонда предприятий малолесных регионов.

3. Разработать математическую модель распределения транспортных потоков между поставщиками лесоматериалов, потребителями промежуточной продукции и лесоперерабатывающими предприятиями.

4. Разработать математическую модель концентрации транспортных потоков лесоматериалов в пункты потребления с одно- и двухсторонними ограничениями производственных мощностей лесопромышленных предприятий.

5. Разработать теоретические основы моделирования движения лесовозных автопоездов по автомобильным дорогам в малолесных регионах.

Предмет и объект исследования. Предметом исследования являются методы, математические модели и алгоритмы совершенствования транспортных потоков лесоматериалов на предприятиях лесного комплекса. Объектами исследования являются транспортные потоки лесоматериалов и технологии их функционирования в малолесных регионов.

Методологическая, теоретическая и эмпирическая база исследования. Использованы методы: системного анализа, математического и имитационного моделирования, исследования операций, динамического программирования, а так же натурные наблюдения.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Общий критерий формирования транспортных потоков лесоматериалов из арендуемых участков лесного фонда в пункты их потребления.

2. Модели и алгоритмы выбора поставщиков лесоматериалов, применения модельного ряда автотранспортных средств при транспортном освоении участков лесного фонда предприятий малолесных регионов.

3. Математическая модель распределения транспортных потоков между поставщиками лесоматериалов, потребителями промежуточной продукции и лесоперерабатывающими предприятиями.

4. Математическая модель концентрации транспортных потоков лесоматериалов в пункты потребления с одно- и двухсторонними ограничениями производственных мощностей лесопромышленных предприятий.

5. Аналитические зависимости и имитационные модели определения параметров движения лесовозных автопоездов по автомобильным дорогам в малолесных регионах.

Научная новизна результатов исследования

Разработан комплексный подход в решении проблемы совершенствования транспортных потоков лесоматериалов из арендованных участков лесного фонда предприятий, позволяющий повысить эффективность функционирования лесопромышленных производств, включающий:

1) математическую модель решения многопараметрической задачи формирования транспортных потоков лесоматериалов в пункты их переработки, отличающуюся приведением многопараметрической задачи

формирования транспортных потоков лесоматериалов к однопарамет-рической с помощью коэффициентов соизмерения;

2) математические модели, алгоритмы выбора поставщиков лесоматериалов, модельного ряда автотранспортных средств для их доставки, учитывающие технические характеристики лесовозного транспорта, сезонный характер вывозки в малолесных регионах;

3) математическую модель распределения транспортных потоков между поставщиками лесоматериалов и лесоперерабатывающими предприятиями, учитывающую потребителей промежуточной продукции;

4) математическую модель концентрации транспортных потоков лесоматериалов в пункты потребления, отличающуюся одно- и двухсторонними ограничениями производственных мощностей лесопромышленных предприятий малолесных регионов;

5) методику моделирования движения лесотранспортных потоков, отличающуюся учетом интенсивности движения, расположением автопоездов, входящих в поток, количеством полос движения и числом скоростных групп.

Теоретическая и практическая значимость работы

Теоретическая значимость работы состоит в разработке комплекса математических моделей и алгоритмов, позволяющих решать задачи по совершенствованию транспортного освоения участков лесного фонда с учетом эффективного использования парка лесовозных автопоездов, погрузочно-разгрузочных устройств; обосновать закономерности изменения параметров лесотранспортных потоков, учитывающие изменения их интенсивности, распределение интервалов движения, позволяющие решать задачи комплексного использования древесного сырья на предприятиях лесного комплекса.

Практическая значимость работы заключается в том, что разработанные математические модели, алгоритмы позволяют выбрать наиболее рациональные варианты в системе распределения лесотранспортных потоков как внутри участков лесного фонда предприятий, так и между лесозаготовительными и лесоперерабатывающими предприятиями малолесных регионов страны, установить параметры транспортных потоков, модельный ряд автотранспортных средств, позволяющих снизить долю затрат на транспортно-грузовой процесс в общей себестоимости производства конечной продукции деревоперерабатывающих производств.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности. В соответствии с формулой специальности 05.21.01 - «Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства» разработаны вопросы математической, организационной и методической основы формирования

транспортных потоков лесоматериалов, математические и алгоритмические средства с целью совершенствования поставки лесоматериалов. Диссертационное исследование соответствует пункту 15 паспорта специальности: «Обоснование схем транспортного освоения лесосырьевых баз, поставки лесопродукции, выбора техники и способов строительства лесовозных дорог и инженерных сооружений».

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается имитационным моделированием транспортных потоков лесоматериалов с доверительной вероятностью 0,95 у полученных закономерностей путем использования в работе современных, апробированных теоретических подходов с применением методов математического моделирования, теории вероятности, сопоставлением результатов исследований с данными практической деятельности предприятий.

Апробация и реализация результатов диссертации

Практическая апробация проведена на предприятиях Теллерма-новского филиала КУВО «Лесная охрана» (Воронежская область), ООО «ЛЗП Кеналес» (Архангельская область), ООО ИНЦ «Инлестех» (Уральский технопарк, г. Екатеринбург) и ЗАО «Агродорстрой» (г. Ле-бедянь, Липецкая область). Рекомендации по результатам диссертационного исследования для предприятий позволяют увеличить производительность лесотранспортных потоков на 10 %, выработку на лесовозный автопоезд на 8 %, при снижении среднего расстояния вывозки лесоматериалов на 7... 12 км, с годовым экономическим эффектом в размере 2,4 млн. руб. Научные и практические результаты работы внедрены в учебный процесс Белорусского государственного технологического университета (БГТУ), Санкт-Петербургского государственного лесотехнического университета (СПбГЛТУ), Лесотехнического института Северного (арктического) федерального университета имени М. В. Ломоносова (САФУ), Поволжского государственного технологического университета (ПГТУ). Основные результаты диссертационной работы докладывались на международных, всероссийских научно-технических и научно-практических конференциях в ВГЛТА (Воронеж, 2006-2011 гг.); УГТУ (Ухта, 2011 г.); «Севергеоэкотех» (Ухта, 2012 г.); «Актуальные проблемы развития лесного комплекса» (Вологда, 2012 г.); «Наука и образование для лесопромышленного комплекса» (МГУЛ 2012 г.).

Публикации. Результаты исследований отражены в 29 научных работах, общим объемом 13,25 пл. (авторских 5,5 п.л.), в том числе 10 статей в изданиях, определенных ВАК Минобрнауки РФ. Без соавторов опубликовано 5 статей.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, основных выводов и рекомендаций, списка использованных источников из 136 наименований, 4 приложений. Содержание работы изложено на 160 страницах машинописного текста, иллюстрировано 28 рисунками и 12 таблицами.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследования, научные положения, выносимые на защиту, отражены теоретическая и практическая значимость, а также научная новизна работы.

В первом разделе дан анализ состояния лесного комплекса страны на современном этапе. На основе анализа установлено, что технологии лесотранспортного процесса изменяются в сторону сортиментной вывозки лесопродукции с лесосек непосредственно потребителям.

Научные основы совершенствования транспортных потоков лесоматериалов заложили такие учёные, как В. В. Буверт, Д. К. Воевода, А. К. Редькин, А. А. Камусин, В. И. Алябьев, И. Р. Шегельман, Б. А. Ильин, Ю. А. Ширнин, Б. И. Кувалдин, В. И. Патякин, В. А. Горбачевский, Э. О. Салминен, Г. А. Борисов, В. К. Курьянов, А. В. Скрып-ников, Ф. В. Пошарников, Д. Н. Афоничев, О. Н. Бурмистрова, Е. В. Кондрашова, И. В. Григорьев, П. А. Нехорошков, М. Ю. Смирнов и др.

Однако результаты предыдущих исследований лесотранспортных потоков являются недостаточными, а формирование более совершенных взаимосвязей между предприятиями лесного комплекса, ввиду сложности задачи, может быть осуществлено только при условии использования современных методов математического программирования, реализуемых в специальном прикладном программном обеспечении.

Во втором разделе разработана общая постановка математической задачи транспортных потоков лесоматериалов. Задача размещения и концентрации производства лесопродукции решается не одновременно для всех типов предприятий. Она реализуется для предприятий одного или двух звеньев из трех, для предприятий третьего звена должны быть известны либо потребности каждого из них в лесоматериалах (если это потребители), либо производственные мощности предприятий (если это поставщики). Предложим постановку задачи применительно к многоэтапной модели. Имеются поставщики сырья А1 (¡=\,т), поставщики промежуточной продукции ()к(к=1,р) и потребители этой продукции В]

(/=1,я)- Между всеми поставщиками и потребителями существуют следующие коммуникации: ¡-к, к

Введем обозначения: хц — объем лесоматериалов (продукции), производимой предприятием А1 для предприятия ()к и поставляемой последнему; Х]д — то же самое в отношении предприятий ()к и В/, х0- то же самое в отношении предприятий А, и В/, с,* > с^ и Сц — удельные приведенные затраты на производство и транспортировку лесоматериалов от предприятий Л, к Qk, от Qk к Bj и от А1 к В) соответственно; / — номер пункта отправителя (/=1 ,т ); а, - объем лесоматериалов, находящийся у /-го отправителя; ] - номер пункта получателя {¡=\,и); ¿у - объем лесоматериалов, необходимый получателю с номером у; хд - искомая неизвестная - объем лесоматериалов, перевозимого от /-го отправителя к у-му получателю; п — количество видов лесоматериалов; т — число учитываемых в модели факторов; к — число производителей; р — число потребителей лесоматериалов. Предложенный критерий оптимизации транспортных потоков лесоматериалов имеет вид:

т р р п т п

3пР+ХХс<л т'п • (1)

1=1 *=1 ./=1 ¡=1

При ограничениях несбалансированности предложения и спроса на лесоматериалы соотношения объемов производства у

т р _ п

поставщиков Л, и потребителей (¿к и В! ^а, >2^дк + объема по-

/=1 *=1 у=1

ставок лесоматериалов В, соответствующему спросу

£т _

хч = ^и ~ '»и)' объема поставок от производителей лесомате-

1 («1

риалов, не превышающих производственные мощности каждого из них,

н<а((/ = Ьот); суммарный объем поставок лесомате-

*=1 м

риалов предприятиям, производящим промежуточную продукцию, должен быть равен мощности каждого из них, а поставки от этих предприятий не должны превосходить установленного верхнего предела их

т п ___

мощностей: ^х1к = Хк = <дк(к = 1 ,р) при х,к > 0; хк] > 0; хц > 0

(/ = к = Ц/?; у =й). Обозначим через а, - плановый объем заготовки лесоматериалов в /-м лесозаготовительном предприятии; - спрос

на лесоматериалы у'-го предприятия, то условия и ограничения в модели

т п т _

для малолесных регионов примут вид: < > ]>]х,у ^ Ь^ = \,п)»

1=1 у=1 ¡.1

я _

IX = «,(«' = 1, "О-

Структурная схема взаимосвязей между отдельными параметрами модели распределения объемов потребления и хранения лесоматериалов представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 — Структурная схема взаимосвязей между отдельными параметрами модели распределения объемов потребления и хранения лесоматериалов

На рисунке 1 приняты следующие обозначения: ЛРХ - виды лесоматериалов; Пк - поставщики ЛРХ, к - номер поставщика; Цы - стоимость за м3 ЛРХ в зависимости от размера партии поставки лесоматериалов; cf11 - размер партии лесоматериалов; d ,Тк - транспортная доступность поставщика; Trm - количество автотранспортных средств; m - модельный ряд; Dj - производственная потребность в ЛРл по периодам i=l-t (дням), сформированная методом объемно-календарного планирования (MRP); / - количество периодов; t - последний период горизонта планирования MRP; Gm - грузоподъемность транспортного средства от-типа; х, - уровень запасов ЛРх в подсистеме поставки; Ln — расходы на

оформление одной партии ЛРл лесоматериалов; С2 - затраты на поставку лесоматериалов; Си — стоимость хранения ЛРл на складе; (Угт - затраты на 1 км пути при доставке определенным видом транспорта; (Уч1 — стоимость за 1 м3 ЛР;_ на промежуточном пункте с учетом объема поставленной партии и транспортных издержек за эту партию ЛРх, К -переменная, зависящая от непроизводственных расходов (хранение, перевалка и т.д.).

В третьей главе разработаны модели системы совершенствования транспортных потоков лесоматериалов. В данном случае имеем несбалансированность предложения и спроса на различные виды лесоматериалов. Введем понятие вероятностного поставщика или потребителя у=и+1, где п — количество потребителей лесоматериалов.

С учетом всех преобразований сформулируем обобщенный критерий совершенствования лесотранспортных потоков по минимуму затрат:

5 п з+Н п .... 3+И п _р п

к=\ _/=1 7=1 j=\ к=5+И+1 7=1 ^2)

5 з+й 5+Н Р

,л+1 + 2-1 1

,„+1 + ®Хк,п+1 ~~^ т'П-

к=1 *=\+1 к,п+\

Условное разделение поставщиков и потребителей лесоматериалов не искажает содержания ограничений. Все поставки пойдут только действительным потребителям лесоматериалов, а их реализуемая мощность будет равна фактически имеющейся = д* при ограничениях

0< Хкт< -дк . Полная мощность всех поставщиков хк = Х»1 + Х[к] будет находиться в пределах: дк<хк = + X}21 < сЦ ■ Сформулируем условие задачи. Имеются поставщики лесоматериалов А, (¡=\,т), поставщики промежуточной продукции £>к(к=\^~р) и потребители этой продукции В] (/= 17« )- Между всеми поставщиками и потребителями существуют транспортные связи ¡-к, к-]. Необходимо преобразовать модель к закрытому виду и снять двусторонние ограничения. В рассматриваемой модели (рисунок 2) предприятия выступают одновременно в двух качествах. С одной стороны, они потребители лесоматериалов, а с другой - поставщики лесоматериалов. В соответствии с этим каждое такое предприятие условно делится на два - и - с предельно допустимыми мощностями, равными установленным верхним и нижним пределам.

при преобразовании многоэтапной модели поставок лесоматериалов

Обозначим поставки через хцю, затраты на поставку - сц к2- Поскольку номер к присваивается любому предприятию Q|n то возможны варианты сочетания номеров к\ и къ

Для реализации моделей необходимо комбинировать разработанные частные математические модели, представляющие собой отдельные блоки. Используя комбинации таких блоков, можно построить достаточно большое количество моделей. Автором были разработаны следующие модели: закрытая, позволяющая определить только оптимальное прикрепление потребителей к поставщикам, модель с двусторонними и модель с односторонними ограничениями.

В четвертой главе рассмотрена методика определения параметров лесотранспортных потоков. Как правило, лесотранспортный поток состоит из отдельно взятых лесовозных автопоездов, для которых достаточно трудно получить достоверные данные, определяющие характеристики транспортного потока. При сборе и обработке данных интенсивность потока автопоездов определялась с помощью регистраторов транспорта.

Определим количество лесовозных автопоездов, проходящих точку расположения регистраторов на дороге за интервал времени Т. Обозначим через <7 - интенсивность потока, Р„ - вероятность периода Т, за который определено п лесовозных автопоездов. Тогда Пуассоновский поток для определения интенсивности движения лесовозов можно установить по следующей зависимости: р . Для Пуассоновского

п\

потока среднее значение числа прибывающих лесовозных автопоездов и дисперсия о2 одинаковы, т.е. отношение среднего квадратичного

отклонения к среднему значению равно _1_ при ограничении

м

д7>100. Дискретное распределение Пуассона и соответствующая плотность распределения представлены на рисунке 3.

80 90 100 ПО 120 --нормальное распределение; - распределение Пуассона

Рисунок 3 - График наложения дискретного распределение Пуассона и нормального распределения

В дальнейшем используем нормальное распределение. Каждое ni распределено в соответствии с нормальным законом и плотностью

"ТгЬЧ"^}'

распределения Дп)=—Г—=ехр]--^-4, где ц - математическое

ожидание; а2 - дисперсия.

Определим модель свободного движения лесовозного автопоезда по участку дороги определенной длины:

х1(1 + т) = К1^,-хи)}+<г>, (3)

где т - время реакции водителя, Кх - константа, vdi - желаемая скорость /-го автомобиля, <г>- случайная переменная ускорения.

В результате исследований разработаны следующие варианты движения лесовозных автопоездов:

- лесовозный автопоезд, следующий за другим автомобилем:

з^(1+г)=[^{*у(/)-^(0}/{*/(0-^(0}]+<'->; (4)

- лесовозный автопоезд, изменяющий полосу движения.

Вероятность Р(/) смены полосы движения

Р«) =

о,'*/.;

/-/ С5)

- лесовозный автопоезд, выполняющий маневр слияния, при

где г - средний временной интервал в потоке, приемлемый для вхождения в него транспортного средства.

На основе выполненных исследований транспортных потоков лесоматериалов установлено большое разнообразие распределений интервалов прибытия транспортных средств, позволяющих определить изменения в транспортных потоках для эффективного управления ими.

1. Разработана общая модель размещения и концентрации лесо-транспортных потоков по минимуму суммарных затрат с приведением многопараметрической задачи формирования грузопотоков к однопара-метрической с помощью коэффициентов соизмерения.

2. Разработаны математические модели, алгоритмы выбора поставщиков лесоматериалов, типов автотранспортных средств для их доставки, учитывающие их технические и эксплуатационные характеристики, сезонный характер заготовки и вывозки лесоматериалов в малолесных регионах.

3. Разработана математическая модель распределения лесоматериалов между поставщиками, потребителями промежуточной продукции и лесоперерабатывающими предприятиями.

4. Разработана математическая модель концентрации транспортных потоков лесоматериалов от поставщиков к ее потребителям с одно- и двухсторонними ограничениями по производственным мощностям последних.

5. Предложена методика моделирования движения лесотранспорт-ных потоков на основе определения интенсивности потока, средней длины очереди, расположения автопоездов, входящих в поток, и числа скоростных групп.

6. Рекомендации по результатам диссертационного исследования на предприятиях позволяют увеличить производительность лесо-транспортных потоков на 10 %, выработку на лесовозный автопоезд на 8 % при снижении среднего расстояния вывозки лесоматериалов на 7... 12 км и получить годовой экономический эффект в размере 2,4 млн рублей.

Основные выводы и рекомендации

Содержание диссертации опубликовано в работах:

а) в рецензируемых научных журналах и изданиях для опубликования основных научных результатов диссертаций

1. Нахаев, 3. Н. Совершенствование грузопотоков лесопродукции при рубках промежуточного пользования [Текст] / 3. Н. Нахаев,

A. С. Сушков // Вестник Московского государственного университета леса- Лесной вестник. - 2007,- №4. - С. 94-96. (0,19/0,09).

2. Нахаев, 3. Н. Выбор кратчайших сетевых расстояний перевозок лесоматериалов по лесовозным автодорогам [Текст] / 3. Н. Нахаев, А С Сушков // Вестник Московского государственного университета леса - Лесной вестник. - 2008. - №4. - С. 69-70. (0,12/0,06).

3. Нахаев, 3. Н. Критерии оценки и анализ транспортно-технологической системы лесопромышленных предприятий [Текст] / 3. Н. Нахаев, А. С. Сушков // Вестник Московского государственного университета леса - Лесной вестник. - 2008. - №6. - С. 115-120. (0,38/0,19).

4. Бухтояров, В. Н. Оптимизация транспортно-технологических связей предприятий лесопромышленного комплекса [Текст] / В. Н. Бухтояров, А. В. Быков, А. С. Сушков // Строительные и дорожные машины. - 2011. - № 12. - С. 20-23. (0,25/0,08).

5. Иванников, В. А. Моделирование информационных систем грузопотоков на лесозаготовительных предприятиях [Текст] / В. А. Иванников, А. С. Сушков, А. В. Быков // Строительные и дорожные машины. - 2012. - № 2. - С. 24-28. (0,31/0,1).

6. Бухтояров, В. Н. Совершенствование методики расчета транспортной составляющей на лесопромышленных предприятиях [Текст] /

B. Н. Бухтояров, А. С. Сушков, А. В. Быков // Строительные и дорожные машины. — 2012.—№ 4.— С. 11-15.(0,25/0,08).

7. Сушков, А. С. Методические основы параметров процессов модели управления системой «дорожные условия - транспортные потоки» [Текст] / А. С. Сушков // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета (Научный журнал КубГАУ) [Электронный ресурс]. - Краснодар: КубГАУ, 2012. -№ 10(84). -Режимдоступа:http://ej.kubagro.ru/2012/10/pdf/05.pdf(0.81)

8. Сушков, А. С. Разработка модели экологической системы комплексного управления лесопромышленными предприятиями [Текст] / А. С. Сушков // Строительные и дорожные машины. - 2012. - № 11.-

C. 51-53. (0,19).

9. Сушков, А. С. Разработка моделей и алгоритмов управления и принятия решений в лесопромышленных холдингах [Текст] / А. С. Сушков // Строительные и дорожные машины. - 2013. - № 2. - С. 18-23. (0,38).

10. Сушков, A.C. Методы оценки экологического и энергетического качества лесовозных автомобильных дорог [Текст] / А. С. Сушков // Вестник Московского государственного университета леса - Лесной вестник. - 2013.-№1 (93).-С. 162-167.(0,38).

б) в других изданиях и материалах конференций

11. Нахаев, З.Н. Принципы поиска оптимальных вариантов транспортных связей лесных предприятий [Текст] / 3. Н. Нахаев, А. С. Сушков // Организационно-методические вопросы деятельности научно-образовательного центра в области переработки и воспроизводства лесных ресурсов: материалы Всероссийской науч.-практ. конф. с между-нар. участием, 13-15 сент. 2006 г./ под ред. авторов; Воронеж, гос. лесо-техн. акад. - Воронеж, 2006. - С. 132-135. (0,38/0,19).

12. Нахаев, З.Н. Об оптимизации транспортно-грузового процесса лесопромышленного производства [Текст] / 3. Н. Нахаев, А. С. Сушков // Лес. Наука. Молодёжь-2007: материалы по итогам научно-исследовательской работы молодых учёных за 2006-2007 годы под ред. проф. Л.Т. Свиридова; Фед. агентство по образованию, ГОУВПО «ВГЛТА» - Воронеж, 2007. - С. 117-121. (0,31/0,15)

13. Сушков, А. С. Вид системы транспортных связей лесопромышленных предприятий [Текст] / А. С. Сушков // Лес. Наука. Молодежь -2007: материалы по итогам научно-исследовательской работы молодых учёных за 2006-2007 годы / под ред. проф. Л. Т. Свиридова; Фед. агентство по образованию, ГОУВПО «ВГЛТА». - Воронеж, 2007. -С. 146-149. (0,25).

14. Нахаев, 3. Н. Распределение объемов транспортировки лесоматериалов при железнодорожных перевозках в регионах [Текст] / 3. Н. Нахаев, А. С. Сушков // Лес. Наука. Молодежь - 2008 : сборник материалов по итогам научно-исследовательской работы молодых ученых ВГЛТА за 2007-2008 гг. - Воронеж, 2008. - С. 206-209. (0,25/0,12).

15. Быков, А. В. Роль процесса транспортного обслуживания лесных предприятий [Текст] / А. В. Быков, А. С. Сушков // Ресурсосберегающие и экологически перспективные технологии и машины лесного комплекса будущего : материалы международной научно-практической конференции, посвященной 55-летию лесоинженерного факультета Воронежской государственной лесотехнической академии, 17-19 сентября 2009 г. - Воронеж, 2009. - С. 254-260. (0,44/0,22)

16. Быков, А. В. Совершенствование транспортно-грузовых процессов в лесопромышленном производстве [Текст] / А. В. Быков, А. С. Сушков П Ресурсосберегающие и экологически перспективные технологии и машины лесного комплекса будущего : материалы международной научно-практической конференции, посвященной 55-летию

лесоинженерного факультета Воронежской государственной лесотехнической академии, 17-19 сентября 2009 г. - Воронеж, 2009. - С. 377-379. (0,19/0,09)

17. Быков, А. В. Принципы рациональных распределений грузопотоков с учетом технологической и экологической особенностей предприятий [Текст] / А. В. Быков, А. С. Сушков // Перспективные технологии, транспортные средства и оборудование при производстве, эксплуатации, сервисе и ремонте : межвузовский сборник научных трудов / под ред. В. И. Посметьева ; ВГЛТА. - Воронеж, 2009. - Вып. 4. - С. 141— 146.(0,38/0,19).

18. Нахаев, 3. Н. Совершенствование структуры управления лесопромышленными предприятиями отрасли [Текст] / 3. Н. Нахаев, А. С. Сушков // Перспективные технологии, транспортные средства и оборудование при производстве, эксплуатации, сервисе и ремонте : межвузовский сборник научных трудов / под ред. В. И. Посметьева ; ВГЛТА. - Воронеж, 2009. - Вып. 4. - С. 146-150. (0,31/0,15).

19. Быков, А. В. О транспортных связях лесных предприятий малолесных регионов [Текст] / А. В. Быков, А. С. Сушков // Лес. Наука. Молодежь : материалы Международной научной конференции молодых ученых ВГЛТА за 2008-2009 годы. - Воронеж, 2009. - Т. 2. - С. 13-16. (0,25/0,12).

20. Быков, А. В. Теоретическая модель решения задачи производства, распределения (размещения) и транспортировки лесопродукции [Текст] / А. В. Быков, А. С. Сушков // Перспективные технологии, транспортные средства и оборудование при производстве, эксплуатации, сервисе и ремонте : межвузовский сборник научных трудов / под ред. В. И. Посметьева ; ВГЛТА. - Воронеж, 2009. - Вып. 4. - С. 187— 191.(0,31/0,15).

21. Сушков, А. С. Модель анализа структуры потребных ресурсов транспорта [Текст] / А. С. Сушков, М. М. Малило // Перспективные технологии, транспортные средства и оборудование при производстве, эксплуатации, сервисе и ремонте : межвузовский сборник научных трудов / под ред. В. И. Посметьева ; ВГЛТА. - Воронеж, 2010. - Вып. 5. -С. 55-60. (0,38/0,19)

22. Нахаев, 3. Н. Моделирование динамики развития предприятий лесного комплекса [Текст] / 3. Н. Нахаев, А. В. Быков, А. С. Сушков // Перспективные технологии, транспортные средства и оборудование при производстве, эксплуатации, сервисе и ремонте : межвузовский сборник научных трудов / под ред. В. И. Посметьева ; ВГЛТА. - Воронеж, 2010. - Вып. 5. - С. 66-79. (0,81/0,29)

23. Быков, А. В. Тенденции развития транспортной составляющей грузопотоков [Текст] / А. В. Быков, А. С. Сушков // Перспективные технологии, транспортные средства и оборудование при производстве, эксплуатации, сервисе и ремонте : межвузовский сборник научных трудов / под ред. В. И. Посметьева ; ВГЛТА. -Воронеж, 2010. -Вып 5 -С 88-92.(0,31/0,15). ' '

24. Нахаев, 3. Н. Совершенствование транспортировки лесных грузов по видам транспорта [Текст] / 3. Н. Нахаев, А. В. Быков, А. С. Сушков // Перспективные технологии, транспортные средства и оборудование при производстве, эксплуатации, сервисе и ремонте • межвузовский сборник научных трудов / под ред. В. И. Посметьева j ВГЛТА. - Воронеж, 2010. - Вып. 5. - С. 272-277. (0,38/0,13).

25. Жуков, В. Т. К вопросу совершенствования структуры региональной транспортной системы лесопромышленного комплекса [Текст] / В. Т. Жуков, А. С. Сушков, А. В. Быков // Сборник научных трудов : материалы научно-технической конференции, Ухта, 20-23 сентября 2011 г. / под ред. Н. Д. Цхадая. - Ухта : УГТУ, 2011 - Ч 2 - С 238-241.(0,25/0,08). ' '

26. Иванников, В. А. Методика оценки экономической доступности ресурсов древесины в регионах [Текст] / В. А. Иванников, А. И. Быков, А. С. Сушков // Сборник научных трудов : материалы научно-технической конференции, Ухта, 20-23 сентября 2011 г. / под ред Н. Д. Цхадая. - Ухта : УГТУ, 2011. - Ч. 2. - С. 241-244. (0,25/0,08).

27. Нахаев, 3. Н. Совершенствование подходов к формированию грузопотоков при лесозаготовках в малолесных регионах [Текст] / 3. Н. Нахаев, А. В. Быков, А. С. Сушков // Сборник научных трудов : материалы научно-технической конференции, Ухта, 20-23 сентября 2011 г. / под ред. Н. Д. Цхадая. - Ухта : УГТУ, 2011. - Ч 2 - С 247250. (0,25/0,08).

28. Скрыпников, А. В. Управление экологическим качеством лесовозных автомобильных дорог [Текст] / А. В. Скрыпников, А. С. Сушков

//Моделирование систем и процессов.-ВГЛТА, 2012-Вып 2 - С 45-49.(0,31/0,15). ' ' '

29. Скрыпников, А. В. Система оценки техногенного влияния лесовозного транспорта на окружающую среду [Текст] / А. В. Скрыпников, А. С. Сушков // Моделирование систем и процессов - ВГЛТА 2012 -Вып 2. - С. 66-71. (0,38/0,19).

Отзыв на автореферат в двух экземплярах с подписями, заверенными гербовой печатью, просим направлять по адресу: 424000, пл. Ленина, 3, ГТГТУ, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.115.02. Факс (8-8362)41-08-72

Подписано к печати 24.05.2013. Уел п. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ №5088. Редакционно-издательский центр III 1У 424006 Йошкар-Ола, ул. Панфилова, 17

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Воронежская государственная лесотехническая академия»

04201359537

На правах рукописи

Сушков Артем Сергеевич

ОБОСНОВАНИЕ ТРАНСПОРТНЫХ ПОТОКОВ ЛЕСОМАТЕРИАЛОВ В

МАЛОЛЕСНЫХ РЕГИОНАХ

Специальность 05.21.01 - Технология и машины лесозаготовок

и лесного хозяйства

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Скрыпников А.В.

Воронеж 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................................................5

1 СОСТОЯНИЕ, ПРОБЛЕМЫ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ТРАНСПОРТНЫХ ПОТОКОВ ЛЕСОМАТЕРИАЛОВ В ЛЕСНОМ КОМПЛЕКСЕ............................................................................................................11

1.1 Анализ современного состояния и направлений развития предприятий лесного комплекса.......................................................................11

1.2 Исследование грузопотоков лесоматериалов при рубках промежуточного пользования в малолесных регионах...............................24

1.3 Обзор научных исследований в области совершенствования транспортных потоков лесоматериалов.........................................................27

1.4 Выводы..............................................................................................................32

2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ТРАНСПОРТНЫХ ПОТОКОВ ЛЕСОМАТЕРИАЛОВ В МАЛОЛЕСНЫХ РЕГИОНАХ................................................................................................................34

2.1 Постановка общей задачи оптимизации системы транспортных потоков лесоматериалов....................................................................................34

2.2 Разработка математической модели процесса формирования лесотранспортных потоков................................................................................43

2.3 Разработка критерия оценки и анализа транспортно-технологической системы лесопромышленных предприятий.....................................................46

2.4 Разработка модели распределения транспортных потоков, учитывающая технико-эксплуатационные характеристики подвижного состава...................................................................................................................54

2.5 Выводы..............................................................................................................61

3 РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ЭЛЕМЕНТОВ СИСТЕМЫ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ТРАНСПОРТНЫХ ПОТОКОВ ЛЕСОМАТЕРИАЛОВ...............................................................................................62

3.1 Разработка модели лесотранспортных потоков учитывающей

особенности малолесных регионов.................................................................62

3.2. преобразование моделей транспортных потоков лесоматериалов открытого вида к закрытому..............................................................................65

3.3 Разработка однопараметрической модели с двухсторонними (сверху и снизу) ограничениями производственных мощностей в лесных предприятиях.........................................................................................................69

3.4 Разработка многоэтапной математической модели системы поставок лесоматериалов с односторонним ограничением мощности

предприятий...........................................................................................................75

3.5. Разработка транспортных потоков лесоматериалов в иерархических системах.................................................................................................................86

3.6 Создание интегрированной системы мониторинга для проверки реализуемых моделей лесотранспортных процессов...................................89

3.7 Выводы..............................................................................................................95

4 РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ ТРАНСПОРТНЫХ ПОТОКОВ ЛЕСОМАТЕРИАЛОВ ПО АВТОМОБИЛЬНЫМ ДОРОГАМ.............................97

4.1 определе!1ие параметров движе11ия транспортнб1х потоков лесоматериалов по сети лесовозных дорог....................................................97

4.2 определение интенсивности движения потока лесовозных автопоездов по автомобилбным дорогам.....................................................101

4.3 Имитационное моделирование расположения лесовозных

автомобилей в транспортном потоке.............................................................103

4.4 Методика обработки статистических данных для проведения

исследований транспортно-грузовых процессов в лесном комплексе ..110

4.5 порядок обработки и исполбзования результатов исследований......119

4.6 Определение входящих лесотранспортных потоков на лесные склады

потребителей лесоматериалов.........................................................................123

4.6.1 Сбор и обработка статистических данных............................................123

4.6.2 Программная реализация алгоритмов решений задач

совершенствования транспортных потоков лесоматериалов.......................124

4.7 Выводы...........................................................................................................125

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ...................................................126

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ..............................................127

ПРИЛОЖЕНИЕ А....................................................................................................137

ПРИЛОЖЕНИЕ Б....................................................................................................138

ПРИЛОЖЕНИЕ В....................................................................................................139

ПРИЛОЖЕНИЕ Г....................................................................................................141

АКТЫ ВНЕДРЕНИЙ...............................................................................................147

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность исследования. Совершенствование транспортных потоков лесных предприятий, с учётом технологических особенностей последних, является необходимым условием развития лесного комплекса страны на современном этапе. В лесной отрасли на долю транспортных расходов приходится значительная часть всех капитальных затрат на производство. По мере роста спроса на высококачественную древесину лесопромышленники вынуждены перемещаться в более удалённые лесные массивы. Для их освоения требуется, в первую очередь, создание социальной и промышленной инфраструктуры, которая не может развиваться без ввода в эксплуатацию новых дорог круглогодичного действия и распределения грузопотоков лесоматериалов по дорогам общего пользования.

Уровень развития региональных транспортных связей на сегодняшний день уже нельзя считать достаточным, поэтому совершенствование транспортных потоков лесоматериалов между поставщиками и их потребителями в различных регионах страны на основе рациональной территориальной организации производства является одной из главных задач лесной отрасли.

Эффективность работы лесопромышленных предприятий можно увеличить за счёт: совершенствования транспортных потоков лесоматериалов в пункты их потребления; устойчивого обеспечения сырьём перерабатывающих производств; полного использования производственных мощностей; внедрения новых технологий и реструктуризации производства; повышения инвестиционной привлекательности предприятий; снижения издержек производства, что в совокупности обеспечивает повышение конкурентоспособности лесной продукции.

Общеизвестно, что при отсутствии лесовозных дорог лесные предприятия концентрируют свою деятельность на участках, расположенных вдоль существующих основных транспортных магистралей. Такая тенденция способствует заметному истощению лесного фонда, что может привести к сокращению спе-

лых древостоев в местах, доступных для эксплуатации. Совершенствование данных процессов, прогнозирование развития сетевых организационно-экономических структур является необходимым условием в развитии лесного комплекса страны на современном этапе.

Диссертация выполнена в соответствии с планом научно-исследовательских работ кафедры промышленного транспорта, строительства и геодезии Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Воронежская государственная лесотехническая академия» - Разработка энергосберегающих и экологически перспективных технологий транспорта леса (номер госрегистрации 01201168746).

Цель и задачи исследования состоят в совершенствовании системы формирования транспортных потоков лесоматериалов на основе разработки моделей и алгоритмов их размещения и концентрации в зависимости от производственных мощностей лесозаготовительных и лесоперерабатывающих производств в малолесных регионах.

В соответствии с поставленной целыо в диссертации решались следующие задачи:

1 .Разработать общую математическую модель для решения многопараметрических задач формирования транспортных потоков лесоматериалов из арендуемых участков лесного фонда в пункты их переработки.

2.Разработать математические модели и алгоритмы выбора поставщиков лесоматериалов, модельного ряда автотранспортных средств при транспортном освоении участков лесного фонда предприятий малолесных регионов.

3.Разработать математическую модель распределения транспортных потоков между поставщиками лесоматериалов, потребителями промежуточной продукции и лесоперерабатывающими предприятиями.

4.Разработать математическую модель концентрации транспортных потоков лесоматериалов в пункты потребления с одно и двухсторонними ограничениями производственных мощностей лесопромышленных предприятий.

5.Разработать теоретические основы моделирования движения лесовозных автопоездов по автомобильным дорогам в малолесных регионах.

Предмет и объект исследования. Предметом исследования являются методы, математические модели и алгоритмы совершенствования транспортных потоков лесоматериалов на предприятиях лесного комплекса. Объектами исследования являются транспортные потоки лесоматериалов и технологии их функционирования в малолесных регионах.

Методологическая, теоретическая и эмпирическая база исследования. Использованы методы: системного анализа, математического и имитационного моделирования, исследования операций, динамического программирования, а также натурные наблюдения.

Научные результаты, выносимые на защиту:

1. Общий критерий формирования транспортных потоков лесоматериалов из арендуемых участков лесного фонда в пункты их потребления.

2. Модели и алгоритмы выбора поставщиков лесоматериалов, применения модельного ряда автотранспортных средств при транспортном освоении участков лесного фонда предприятий малолесных регионов.

3. Математическая модель распределения транспортных потоков между поставщиками лесоматериалов, потребителями промежуточной продукции и лесоперерабатывающими предприятиями.

4. Математическая модель концентрации транспортных потоков лесоматериалов в пункты потребления с одно и двухсторонними ограничениями производственных мощностей лесопромышленных предприятий.

5. Аналитические зависимости и имитационные модели определения параметров движения лесовозных автопоездов по автомобильным дорогам в малолесных регионах.

Научная новизна результатов исследования.

Разработан комплексный подход в решение проблемы совершенствования транспортных потоков лесоматериалов из арендованных участков лесного фон-

да предприятий, позволяющий повысить эффективность функционирования лесопромышленных производств. Он включает:

1. Математическую модель решения многопараметрической задачи формирования транспортных потоков лесоматериалов в пункты их переработки, отличающуюся приведением многопараметрической задачи формирования транспортных потоков лесоматериалов к однопараметрической с помощью коэффициентов соизмерения.

2. Математические модели, алгоритмы выбора поставщиков лесоматериалов, модельного ряда автотранспортных средств для их доставки, учитывающие технические характеристики лесовозного транспорта, сезонный характер вывозки в малолесных регионах.

3. Математическую модель распределения транспортных потоков между поставщиками лесоматериалов и лесоперерабатывающими предприятиями, учитывающую потребителей промежуточной продукции.

4. Математическую модель концентрации транспортных потоков лесоматериалов в пункты потребления, отличающуюся одно и двухсторонними ограничениями производственных мощностей лесопромышленных предприятий малолесных регионов.

5. Методику моделирования движения лесотранспортных потоков, отличающуюся учетом интенсивности движения, расположением автопоездов, входящих в поток, количеством полос движения и числом скоростных групп.

Теоретическая и практическая значимость работы.

Теоретическая значимость работы состоит в разработке комплекса математических моделей и алгоритмов, позволяющих решать задачи по совершенствованию транспортного освоения участков лесного фонда с учетом эффективного использования парка лесовозных автопоездов, погрузочно-разгрузочных устройств; обосновать закономерности изменения параметров лесотранспортных потоков, учитывающие изменения их интенсивности, распределение интервалов движения для решения задач комплексного использования древесного сырья на предприятиях лесного комплекса.

Практическая значимость работы заключается в том, что разработанные математические модели, алгоритмы позволяют выбрать наиболее рациональные варианты в системе распределения лесотранспортных потоков как внутри участков лесного фонда предприятий, так и между лесозаготовительными и лесоперерабатывающими предприятиями малолесных регионов страны, установить параметры транспортных потоков, модельный ряд автотранспортных средств, позволяющих снизить долю затрат на транспортно-грузовой процесс в общей себестоимости производства конечной продукции деревоперерабатывающих производств.

Приведенные в диссертации результаты исследований достаточно универсальны и могут быть применимы для решения прикладных задач в лесопромышленном комплексе, а также в профильных проектных организациях и ВУЗах.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности. В соответствие с формулой специальности 05.21.01 - «Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства» разработаны вопросы математической, организационной и методической основы формирования транспортных потоков лесоматериалов, математические и алгоритмические средства с целью совершенствования поставки лесоматериалов. Диссертационное исследование соответствует пункту 15 паспорта специальности: «Обоснование схем транспортного освоения лесосырьевых баз, поставки лесоматериалов, выбора техники и способов строительства лесовозных дорог и инженерных сооружений».

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается имитационным моделированием транспортных потоков лесоматериалов с доверительной вероятностью 0,95 у полученных закономерностей путем использования в работе современных, апробированных теоретических подходов с применением методов математического моделирования, теории вероятности, сопоставлением результатов исследований с данными практической деятельности предприятий.

Апробация и реализация результатов диссертации.

Практическая апробация проведена на предприятиях Теллермановского филиала КУВО «Лесная охрана» (Воронежская область), ООО «ЛЗП Кеналес» (Архангельской области), ФГУП «Г1-Щ ЛПК», ООО ИНЦ «Инлестех» (Уральский технопарк, г. Екатеринбург) и ЗАО «Агродорстрой» (г. Лебедянь, Липецкой области). Рекомендации по результатам диссертационного исследования на предприятиях позволяют увеличить производительность лесотранспортных потоков на 10%, выработку на лесовозный автопоезд на 8 % при снижении среднего расстояния вывозки лесоматериалов на 7... 12 км с годовым экономическим эффектом в размере 2,4 млн. руб.

Научные и практические результаты работы внедрены в учебный процесс Белорусского государственного технологического университета (БГТУ), Санкт-Петербургского государственного лесотехнического университета (СПбГЛТУ), Лесотехнического института Северного (арктического) федерального университета имени М. В. Ломоносова (САФУ), Поволжского государственного технологического университета (ПГТУ). Основные результаты диссертационной работы докладывались на международных, всероссийских научно-технических и научно-практических конференциях в ВГЛТА (Воронеж, 2006-2011 гг.); УГТУ (Ухта, 2011 г.); «Севергеоэкотех» (г. Ухта, 2012 г.); «Актуальные проблемы развития лесного комплекса» (г. Вологда, 2012 г.); «Наука и образование для лесопромышленного комплекса» (МГУЛ 2012 г.).

Публикации. Результаты исследований отражены в 29 научных работах общим объемом 13,25 п.л. (авторских 5.5 п.л.), в том числе 10 статей в изданиях, определенных ВАК Минобрнауки РФ. Без соавторов опубликовано 5 статей. Личный вклад соискателя в работах, опубликованных в соавторстве, заключается в определении цели и задач исследования, обосновании оптимальной структуры транспортного освоения участков лесного фонда и системы транспортных связей лесопромышленных предприятий, разработке математических моделей и алгоритмов грузопотоков лесоматериалов и определении оптимальных расстояний их транспортировки с учетом применения различных видов транспорта, выборе моделей движения лесовозных автопоездов.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разде�