автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.01, диссертация на тему:Оптимизация технологии выращивания древостоев, раскроя хлыстов и использования полученных лесоматериалов

Введение.

1. Анализ режимов и технологий рубок ухода за лесом.

1.1. Вопросы совершенствования режимов выращивания древостоев.

1.2. Рубки ухода за лесом как инструмент технологий ускоренного выращивания высокопродуктивных древостоев.

1.3. Практика реализации режимов рубок ухода.

1.4. Технологические особенности лесосечных работ при рубках ухода за лесом.

1.5. Структура рубок ухода за лесом как объект управления технологии лесосечных работ.

1.6. Выводы.

2. Разработка компьютерной системы проектирования и управления ускоренным выращиванием дубовых древостоев.

2.1. Задачи и перспективы математического моделирования хода роста древостоев.

2.2. Математические модели и особенности управления в системах ускоренного выращивания древостоев.

2.3. Компьютерная поддержка системы ускоренного выращивания древостоев.

2.4. Компьютерное управление ускоренным выращиванием древостоев.

2.5. Технологические особенности ускоренного выращивания насаждений дуба.

2.6. Математические модели хода роста насаждений дуба.

2.7. Эффективность и оптимальные режимы ускоренного выращивания дубовых насаждений.

2.8. Выводы.

3. Результаты экспериментов по раскряжевке лесоматериалов, по математическому моделированию хлыстов, бревен и оптимизации их раскроя.

3.1. Основы технологии производства и переработки круглых лесоматериалов в Лаосе.

3.2. Методика проведения экспериментов в производственных условиях по раскряжевке хлыстов, распиловке бревен.

3.3. Методы математического моделирования хлыстов и бревен.

3.4. Методы максимизации цилиндрического объема при раскрое хлыстов.

3.5. Метод и вычислительная процедура оптимизации раскроя пиловочных бревен.

3.6. Результаты опытных раскряжевок хлыстов.

3.7. Математические модели хлыстов породы Май Ньянг.

3.8. Вычислительные процедуры оптимизации раскряжевки хлыстов на бревна, бревен на кряжи.

3.9. Выход фанерного и пиловочного сырья при оптимизации раскроя хлыстов на сортиментные зоны.

3.10. Компьютеризация учета объемов древесины хлыстов и бревен.

3.11. Эффективность системы компьютерной поддержки технологий первичной обработки древесины.

3.12. Экономическая эффективность лесозаготовительных предприятий, использующих компьютерную поддержку технологии раскряжевки хлыстов.

ЗЛЗ. Выводы.

4. Исследование экономики производства круглого леса в лесхозах и оптимизация использования древесины от рубок ухода.

4.1. Использование древесины от рубок ухода в учебно-опытном лесхозе ВГЛТА.

4.2. Особенности сортиментной заготовки лесоматериалов при рубках ухода.

4.3. Оптимизация сортиментного плана выпуска лесопродукции.

4.4. Повышение прибыли при переработке лесоматериалов.

4.5. Экономико-математическая модель формирования прибыли при производстве изделий из древесины, получаемой от рубок ухода.

4.6. Оптимизация номенклатуры выпускаемой продукции лесопереработки.

4.7. Выводы.

Актуальность темы. Основными технологическими приемами, выполняемыми в лесу с целью улучшения состояния древостоев, повышения их продуктивности, обеспечения выполнения лесом определенных заданных функций, получения высококачественной древесины являются: рубки ухода за лесом, санитарные и рубки главного пользования. Практика проведения рубок ухода за лесом основывается на рекомендациях лесоустройства на опыте ведения лесного хозяйства, что не может обеспечить максимальной эффективности процесса лесовыращивания, т. е. получения максимального объема стволовой древесины с 1 га за 1 год лесовыращивания.

Решение задач удовлетворения потребностей различных отраслей экономики в древесине должно производиться комплексно: ускоренное выращивание высокопродуктивных древостоев с получением максимального объема древесины с 1 га лесного фонда за 1 год лесовыращивания и оптимальное использование полученных лесоматериалов, что обеспечит наибольший выход конечной лесопродукции и высокую эффективность всего цикла производства в лесном комплексе: лесовыращивание, лесозаготовки, переработка лесоматериалов.

Анализ экономического состояния отраслей лесного комплекса показывает их не высокую эффективность, особенно сложное экономическое положение на предприятиях лесного хозяйства и лесозаготовок. Это свидетельствует о том, что назрела проблема внедрения систем ускоренного выращивания высокоценных древостоев и оптимизации использования полученных лесоматериалов. Решение этой проблемы основано на использовании математических моделей хода роста древостоев, их реакций на рубки ухода, технологий раскроя лесоматериалов, компьютерном управлении и автоматизированном проектировании. Актуальность рассматриваемой проблемы подчеркиваегся также ее природоохранными и ресурсосберегающими перспективами.

Цель работы. Повышение эффективности технологий лесовыращива-ния, производства и использования круглого леса на основе математического моделирования хода роста древостоев, раскроя лесоматериалов с повышением прибыли лесохозяйственного, лесозаготовительного и деревообрабатывающего производства

Задачи исследований. Для достижения поставленной цели в работе решались в следующие задачи:

1. Выполнен анализ режимов рубок ухода за лесом, как объектов управления технологиями лесосечных работ.

2. Проведено математическое моделирование хода роста лесонасаждений, разработана компьютерная система ускоренного выращивания дубовых древостоев и определена её эффективность.

3. Поставлены эксперименты по раскряжевке лесоматериалов породы Май Ньянг для математического моделирования хлыстов, бревен и оптимизации их раскроя.

4. Изучены экономические показатели производства круглого леса в лесхозах, решены задачи оптимизации использования древесины от рубок ухода

Объекты и методы исследовании. Объектами исследований являлись процессы лесовыращивания, технологии лесосечных работ и рубок ухода за лесом, процессы раскряжевки хлыстов на предприятиях Лаоса, производственно-экономическая деятельность лесхозов Воронежской области. При проведении исследований использовались методы системного анализа, имитационного моделирования, планирование и проведение экспериментов.

Научная новизна результатов исследований. Основные результаты диссертации, имеющие научную новизну, заключаются в следующим: анализ режимов рубок ухода за лесом отличается рассмотрением их, как объектов управления технологиями лесосечных работ; компьютеризация системы проектирования и управления ускоренным выращиванием дубовых древосгоев отличается использованием их математических моделей хода роста и вычислительных процедур оптимизации режимов рубок ухода, обеспечивающих получение максимального объема стволовой древесины с 1 газа 1 год лесовыращивания; математические модели хлыстов и сортиментов круглого леса породы Май Ньянг и оптимизационные процедуры их раскряжевки отличаются адекватностью моделирования лесоматериалов в относительных величинах и учетом условий лесного комплекса Лаоса; решение задач оптимизации использовании древесины от рубок ухода отличается увеличением прибыли лесохозяйственного, лесозаготовительного и деревообрабатывающего производства.

Практическая значимость работы. Предприятие лесного хозяйства, организации системы «ЛЕСОПРОЕКТ» получили компьютерную поддержку системы проектирования и управления ускоренным выращиванием дубовых древосгоев. Для предприятий лесного комплекса Лаоса разработаны рекомендации по оптимизации раскроя хлыстов, круглых лесоматериалов и учета древесины. Лесхозы Центрально-черноземной зоны России получили рекомендации по оптимизации использования древесины от рубок ухода, что позволяет повысить прибыль лесохозяйственного и лесоперерабатывающего производства.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Система компьютерной поддержки ускоренного выращивания древосгоев дуба

2. Математические модели хода роста древостоев дуба

3. Оптимальные режимы рубок ухода для ускоренного выращивания древостоев дуба.

4. Математические модели хлыстов и бревен породы Май Ньянг.

5. Вычислительные процедуры максимизации выхода заготавливаемых сортиментов при раскряжевке хлыстов.

6. Методы и вычислительные процедуры максимизации цилиндрического объема древесины при раскрое хлыстов.

7. Экономико-математические модели оптимизации использования лесоматериалов, получаемых от рубок ухода за лесом.

Достоверность полученных результатов обеспечивается применением метода системного анализа, планированием и проведением экспериментов, использованием апробированных таблиц хода роста дубовых древостоев, применением современных методов математического моделирования и компьютерной оптимизации.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на международной научно-практической конференции «Интеграция фундаментальной науки и высшего лесотехнического образования по проблемам ускоренного воспроизводства и модификации древесины» (Воронеж, ВГЛТА, 2002 г.) и на ежегодных научных конференциях ВГЛТА (2001, 2002 г.).

Публикации. Автором диссертации опубликовано по теме диссертации 6 научных печатных работ.

Объем н структура работы. Диссертация состоит из введения; четырех глав; заключения; списка использованных источников, включающего 64 названия и 3 приложений. Основное содержание диссертации изложено на 202 страницах машинописного текста и иллюстрировано 23 рисунками и 27 таблицами.

4.7. Выводы

1. Анализ использования древесины, получаемой от рубок ухода в Учебно-опытном лесхозе ВГЛТА показал, что возможности заготовки и переработки лесоматериалов используются далеко не эффективно. Поэтому имеет место убыточности производства рубок ухода и переработки лесоматериалов вследствие несовершенства технологий и экономики использования древесины.

2. С целью совершенствования технологий производства рубок ухода и использования полученных лесоматериалов проведен анализ существующих технологических процессов. Учитывая особенности рубок ухода, требования экономики, охраны окружающей среды, ресурсосбережения, наиболее приемлемым вариантом технологий лесосечных работ — заготовка сортиментов на лесосеке ручным моторным инструментом с использованием малогабаритной трелевочной техники.

3. Предложены экономико-математические модели оптимизации сортиментного плана выпуска круглого леса и ассортимента продукции перера ботки лесоматериалов для решения задач компьютерной оптимизации использования лесоматериалов.

4. Изучена динамика финансовой устойчивости лесного предприятия. Установлено, что заготовка и переработка лесоматериалов должна быть обеспечена необходимым фондом оборотных средств, который формируется и поддерживается в результате реализации готовой продукции. Для повышения эффективности рубок ухода и переработки лесоматериалов кроме совершенствования технологий, необходимо оптимизировать ассортимент выпускаемой конкурентоспособной лесопродукции и обосновать цены на лесоматериалы.

5. Предложена экономико-математическая модель оптимизации использования лесоматериалов, получаемых от рубок ухода, которая максими

191 зирует прибыль в зависимости от объемов выпускаемых видов лесопродукции. Для условий Бутурлнновского лесхоза Воронежской области определены оптимальные объемы переработки лесоматериалов и выпуска продукции переработки. В результате даны рекомендации по совершенствованию ассортимента выпускаемой лесопродукции переработки лесоматериалов, получаемых от рубок ухода в Бутурлиновском лесхозе, позволяющие увеличить годовую прибыль на 172,3 тыс. руб. без дополнительных капитальных вложений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Анализ производственной и экономической деятельности лесхозов Воронежской области за 1999,2000,2001 годы показал, что производство рубок ухода за лесом и санитарных рубок не отвечает современным требованиям, что не обеспечивает высокой эффективности лесовыращивания и лесопользования.

2. Создание высокопродуктивных лесонасаждений, получение древесины в течение всего срока лесовыращивания и её комплексная переработка на востребованную лесопродукцию возможно путем создания систем ускоренного выращивания древостоев с заданными качествами и функциями.

3. В настоящее время режимы рубок ухода за лесом устанавливаются на основе материалов лесоустройства, накопленного опыта, что не обеспечивает максимально возможного выхода стволовой древесины с единицы площади за один год лесовыращивания. Лесоводственно-экологические требования должны выступать в качестве ограничений при обосновании интенсивности и периодичности рубок ухода за лесом.

4. При проектировании рубок ухода необходимо установить возраст начала их проведения и периодичности. Обоснованные режимы рубок ухода позволяют улучшить товарную структуру древостоев, получать древесину более высокого качества Возраст главной рубки оценивается по целевому диаметру, достижение которого деревьями обеспечивает заданную товарную структуру древостоя, что повышает эффективность лесопользования.

5. Рубки ухода как объекты оптимального управления нужно рассматривать в виде сложной системы, имеющей внутренние и внешние связи. Необходимо выделять группы входных управляемых и контролируемых параметров и выходных показателей: изменение текущего прироста насаждения, сроки проведения последующих рубок, количество повреждений, остающихся после рубок.

6. Выращивание высокопродуктивных древосгоев дуба представляет собой сложную лесоводсгвенную задачу, решение которой должно базироваться на использовании методов компьютеризации проектирования и управления. Лесоводы накопили богатый опыт по ведению хозяйства в дубравах. Но для дальнейшего совершенствования ведения хозяйства необходима новая система рубок ухода, которая обеспечивает ускоренный рост и развитие дубовых древосгоев.

7. Математические выражения хода роста древосгоев дуба дают зависимости средней высоты, среднего диаметра, суммы площадей сечений стволов и запаса стволовой древесины от текущего возраста насаждения. Эти уравнения представлены в виде полиномов второй, третьей и четвертой степени, постоянные коэффициенты которых определены в результате компьютерной обработки материалов таблиц хода роста дубовых древосгоев.

8. Целевая функция математической модели ускоренного выращивания древосгоев дуба максимизирует выход стволовой древесины с единицы площади за один год лесовыращивания. По бонитетам установлены значения диаметров технической спелости дубовых насаждений, обеспечивающие их максимальную производительность. Получена таблица оптимальных режимов рубок ухода, что позволяет повысить продуктивность древосгоев более чем на 10 %.

9. Разработана математическая модель оптимизации раскроя хлыстов, обеспечивающая заданные объемы выхода плановых сортиментов и максимум цилиндрического объема древесины бревен. Оптимизация раскряжевки хлыстов в условиях Лаоса позволяет на 20 — 30 % увеличить прибыль от производства сортиментов, тем самым обеспечить самоокупаемость рубок ухода за лесом.

10. Предложена экономико-математическая модель образования прибыли при производстве изделий из древесины, получаемой от рубок ухода. Целевая функция модели выражает величину прибыли в зависимости от ко

194 личества отдельных видов лесопродукции, затрат на заготовку, транспортировку и переработку сырья, цен на продукцию. Ограничения учитывают сырьевые ресурсы доступные посредством рубок ухода и нормы расхода сырья на отдельные виды продукции комплексной переработки лесоматериалов.

11. Экономико-математическая модель обоснования ассортимента выпускаемой продукции переработки лесоматериалов, получаемых от рубок ухода, разработана для условий Бутурлиновского лесхоза Воронежской области. По каждому из девяти наименований ассортиментов выпускаемой лесопродукции, с учетом ограничений, получены оптимальные объемы, обеспечивающие увеличение годовой прибыли на 172,3 тыс. руб. без каких-либо дополнительных затрат,

12. Ускоренное выращивание древостоев, оптимальное использование древесины от рубок ухода реализует неиспользуемые резервы роста экономики предприятия лесного хозяйства Системы ускоренного лесовыращивания, оптимального использования древесины являются актуальными для совершенствования, развития экономики лесного хозяйства

1. Аксенов П.П. Теоретические основы раскроя пиловочного сырья. М.: Гослесбумиздат, 1960. 216 с.

2. Алентьев ПН. Проблемы восстановления и выращивания дубрав. Майкоп: Адыг. отд. Краснодарское кн. Изд-во. 1990. 256 с.

3. Анучин Н.П. Лесная таксация. М: Лесн. пром-сгь, 1982. 552 с.

4. Бартенев И.М., Винокуров В.Н. Экологизация технологий и лесной техники. // Лесное хозяйство, 1992, № 4 — 5, с. 6 —7.

5. Бугаев Ю.В. Алгоритмы и специальное математическое обеспечение системы автоматизированного проектирования многостадийного раскроя древесины. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Воронеж: ВЛТИ, 1987.20 с.

6. Буш К.К., Иевинь И К Экономические и экологические основы рубок ухода Рига: Знание, 1984.176 с.

7. Бутсингкхон К., Черепухин С.А. Ускоренное выращивание древостоев дуба // Интеграция науки и высшего образования: материалы международной научной конференции. Воронеж: ВГЛТА, 2002, с. 77 — 82.

8. Гаас А. А. Механизация рубок ухода в СССР и за рубежом. М.: ЦБНЩ 1978. 480 с.

9. Гейзлер П. С. Модель оптимизации производственной программы комплексного лесного предприятия (объединения). // Лесной журнал, 1991, №5, с. 112 — 116.

10. Гейзлер П.С. Оптимизация сортиментного плана лесозаготовительного предприятия в условиях рынка. // Лесной журнал, 1993, № 2 — 3, с. 184 — 187.

11. Гогошидзе И.А. Производительность древостоев основных лесообра-зующих пород Закавказья. Тбилиси, 1980. 32 с.

12. Гордиенко В.А. Моделирование эколого-экономической эффективности лесозаготовок в горных условиях. // Лесной журнал, № 2 — 3,1995.

13. Гордиенко В. А. Оптимизация рубок ухода в горных лесах. Краснодар, 1996. 152 с.

14. Гринченко В.В. Повреждение деревьев при рубках ухода. // Лесное хозяйство, № 12,1984, с. 23 — 25.

15. Гусман Л.А. Технологии рубок ухода как объекты оптимального управления лесосечными работами. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Воронеж: ВГЛТА, 1994.146 с.

16. Исомякин А. Опушечный эффект технологических коридоров (волоков) в хвойных насаждениях. // Международная конференция ИЮФРО по проблемам рубок ухода. Москва— Рига, 1985, с. 14.

17. Компьютерное управление рубками ухода. // И.Е. Авдонин, Е.И. Павленко, B.C. Петровский, С.А. Черепухин. // Интеграция науки, высшей школы и образования: материалы международной научно-практической конференции. Воронеж: ВГЛТА, 2000, с. 159 — 167.

18. Кофман Г.Б. Рост и форма деревьев. Новосибирск: Наука, 1986. 211 с.

19. Лосицкий К.Б., Чуенков B.C. Эталонные леса М.: Лесн. пром-сгь, 1980. 192 с.

20. Математическая идентификация роста валовых затрат, выручки, прибыли от реализации продукции малого и среднего бизнеса // К Бутсин-гкхон, А.Н. Кочетова, Ю.Н. Крегинина и др. II Энергия. Научно-практический вестник. Воронеж, 2001, №12, с. 37 — 41.

21. Математические модели, вычислительные процедуры систем автоматизированного проектирования рубок ухода за лесом. // И.Е. Авдонин, В.А. Гордиенко, И.П Коваль и др.; под ред. B.C. Петровского. Воронеж: ВГЛТА, 1999. 306 с.

22. Математическое моделирование процессов оптимального раскроя пиловочного сырья. // B.C. Петровский, Буй Зинь, Бугаев Ю.В., Т.Н. Со-монова. // Лесной журнал, 1982, № 6, с. 15.

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

24. Молчанов А.М. Всесторонний анализ окружающей природной среды. Л., 1976. 328 с.

25. Морозов И.В., Петровский B.C., Харшир Б.О. Экономико-математические модели задач повышения эффективности управления производством фанеры. Воронеж: ВГУ, 2001.170 с.

26. Наставление по рубкам ухода в равнинных лесах Европейской части России. М., 1994. 190 с.

27. Наумов А.А., Петровский B.C. Математическое моделирование экономических систем. Воронеж: ВГЛТА, 2000. 178 с.

28. Петровский B.C. Автоматическая оптимизация раскроя древесных стволов. М.: Лесн. пром-сть, 1970. 184 с.

29. Петровский B.C. Исследование образующей древесных хлыстов. // Лесное хозяйство, 1964, № 9.

30. Петровский B.C. Моделирование систем управления. Воронеж: ВГЛТА, 1998.219 с.

31. Петровский B.C. Оптимальная раскряжевка лесоматериалов. М.: Лесн. пром-сть, 1989. 288 с.

32. Пижурин А.А., Розенблиг М.С. Основы моделирования и оптимизации процессов деревообработки. М.: Лесн. пром-сть, 1988. 296 с.

33. Попов В.К., Петровский B.C., Черепухин С.А. Математическое моделирование динамики хода роста, реакций на рубки ухода березовых и сосновых насаждений. Воронеж: ВГЛТА, 1999.128 с.

34. Пхомпхипхак П. Компьютерная поддержка технологий первичной обработки лесоматериалов в лесном комплексе Лаоса. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Воронеж: ВЛТИ, 1993. 259 с.

35. Пхомпхипхак П. Оптимизация раскроя хлыстов древесных пород Лаоса Май Ньянг и Май Бак. // Воронеж: ВЛТИ, 1993, 19 с. Деп. в ВНИПИЭ-Илеспром, № 2894-лб 93.

36. Пхомпхипхак П., Петровский B.C. Компьютеризация геометрического моделирования круглых лесоматериалов промышленных пород Лаоса // Воронеж: ВЛТИ, 1992, 13 с. Деп. в ВНИПИЭИлеспром, № 2859-лб 92.

37. Редькин АК. Основы моделирования и оптимизации процессов лесозаготовок. М.: Лесн. пром-сть, 1988,255 с.

38. Рекомендации по системе ведения лесного хозяйства на зонально-типологической основе для Северного Кавказа. М.: Минлесхоз РСФСР, 1986. 53 с.

39. Рубки ухода в лесах РСФСР. Изд. Министерства лесного хозяйства РСФСР. М.: Лесн. пром-сгь, 1986.136 с,

40. Свиридов Л.Т., Полупарнев Ю.И., Пошарников Ф.В. Практикум по технологии и оборудованию лесного хозяйства Воронеж: ВГЛТА,1986. 97 с.

41. Сеннов С.Н. Рубки ухода за лесом в современных условиях. Л.: ЛТА,1987. 52 с.

42. Сеннов С.Н. Рубки ухода за лесом. М.: Лесн. пром-сгь, 1977. 160 с.

43. Сеннов С.Н. Уход за лесом (экологические основы). М.: Лесн. пром-сгь, 1984. 128 с.

44. Скрыпников А.В., Черепухин С.А. Выбор оптимальных режимов рубок ухода как объектов управления лесовыращиванием. // Природопользование: ресурсы, техническое обеспечение: межвузовский сборник научных трудов. Воронеж: ВГЛТА, 2000, с, 27 — 30.

45. Таблицы для учета лесного фонда основных лесообразующих пород Северного Кавказа Воронеж: ВГУ, 1973. 72 с.

46. Терсков И. А, Терскова М.И. Рост одноьозрасгных древостоев. Новосибирск: Наука, 1980. 208 с.

47. Ткаченко М.Е. Общее лесоводство. М.: Гослесбумиздат, 1952. 598 с.

48. Туналом Акхом. Исследования формы древесного ствола, составление объемных и сбеговых таблиц для насаждений красного дерева Лаоса. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Воронеж: ВЛТИ, 1986. 21 с.

49. Тюрин А. В., Науменко И.М., Вирожанов П. В. Лесная вспомогательная книга. Л.: Гослесбумиздат, 1956. 386 с.

50. Ek A. A A model for estimating branch weight and branch leaf weight in biomass studies. Forest Sci., 1979, V. 25, № 2, p. 303 — 306.

51. Madgwick H. Mensuration of forest biomass. In: XVIIURFO World Congress Proceeding. Div. 4,1976, p. 35 — 47.