автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Повышение эффективности производства сельхозпродукции в условиях Ленинградской области путем оптимизации ресурсного обеспечения и состава машинно-тракторного парка

На правах рукописи

Артемьев Юрий Георгиевич

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОИЗВОДСТВА СЕЛЬХОЗПРОДУКЦИИ В УСЛОВИЯХ ЛЕНИНГРАДСКОЙ ОБЛАСТИ ПУТЕМ ОПТИМИЗАЦИИ РЕСУРСНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ И СОСТАВА МАШИННО-ТРАКТОРНОГО ПАРКА

Специальность 05.20.01 -«Технологии и средства механизации сельского хозяйства»

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

б т т

Санкт-Петербург - Павловск - 2013

005061250

Работа выполнена в Государственном научном учреждении Северо-Западный научно-исследовательский институт механизации и электрификации сельского хозяйства Российской академии сельскохозяйственных наук (ГНУ СЗНИИМЭСХ Россельхоз-академии).

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Валге Александр Мартынович

Официальные оппоненты:

- Керимов Мухтар Ахмиевич, доктор технических наук, профессор, Санкт-Петербургский государственный аграрный университет, профессор кафедры «Автомобили и тракторы»;

- Калинин Андрей Борисович, доктор технических наук, профессор, ООО «Гримме-Русь», региональный представитель в Северо-Западном регионе.

Ведущая организация: ФГБУ «Северо-Западная МИС»

Защита состоится «25» июня 2013 года в 13 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д 220.060.06 при ФГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный аграрный университет» по адресу: 196601, Санкт-Петербург, Пушкин, Петербургское шоссе, д. 2, СПбГАУ, ауд. 2.719 .

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный аграрный университет».

Автореферат разослан « ¿1» мая 2013 г.

Автореферат размещен на сайтах: http://vak2.ed.gov.ru http://spbgau.ru

Учёный секретарь диссертационного совета

(к

¿///(^Смирнов Василий / Тимофеевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследований. Удельные затраты ресурсов на производство сельскохозяйственной продукции в Северо-Западном регионе России значительно превышают затраты по сравнению с промышленно-развитыми странами в аналогичных природно-климатических условиях. В основном это связано с нерациональным использованием производственных ресурсов и технических средств в условиях хозяйства, а также высокой энергоемкостью

технологических процессов.

С переходом сельскохозяйственного производства России на рыночные отношения появилось множество производителен сельскохозяйственной продукции. Изменчивость рыночной конъюнктуры приводит к изменению спроса на производимую продукцию, изменению цен, а, следовательно, и рентабельности производства. В этих условиях требуется непрерывный мониторинг производства и выбор оптимальных управляющих решении по корректировке видов и объемов производимой продукции, распределению производственных ресурсов и выбору рационального состава машинно-тракторного парка (МТП) в условиях конкретного хозяйства.

В качестве математической модели для оптимизации состава МТП у большинства исследователей используется задача математического программирования, отличающаяся видом целевой функции и системой ограничений. Разработка математической модели и нахождение оптимального состава МТП для конкурирующих технических средств, предлагаемых в настоящее время на рынке, труднореализуема ввиду огромной размерности задачи. Поэтому разработка новых алгоритмов оптимизации состава МТП, которые позволили бы решать задачу практически без ограничении на количество вводимых в задачу технических средств является

актуальной задачей.

В большинстве исследований не рассматривается вопрос оо обосновании и выборе объемов работ, которые необходимо выполнить МТП От видов выбранных работ зависят виды и объемы производимой продукции, а также доход и эффективность производства. Производство конкурентоспособной продукции в рыночных условиях требует постоянного анализа эффективности производственных затрат, использования ресурсов и оперативного

принятия решений по корректировке их распределения. Таким образом, рациональный состав МТП должен выполнять оптимальный объем работ, который будет способствовать получению востребованной и приносящей максимум прибыли продукции.

Цель исследований. Повышение эффективности производства сельскохозяйственной продукции в условиях Ленинградской области путём оптимизации использования ресурсного обеспечения и выбора рационального состава машинно-тракторного парка.

Объект исследования. Ресурсное обеспечение производства и состав машинно-тракторного парка одного из хозяйств Ленинградской области.

Предмет исследования. Методы оптимизации использования ресурсного обеспечения и состава машинно-тракторного парка при многоотраслевом сельскохозяйственном производстве.

Научная новизпа работы заключается в разработке новых методов, алгоритмов и программных продуктов:

1. Разработаны методы, математические модели, алгоритмы оптимизации использования ресурсного обеспечения и состава машинно-тракторного парка с учетом рыночных условий производства и ограничений по ресурсному обеспечению.

2. На основе разработанных алгоритмов созданы программные продукты для оптимизации ресурсного обеспечения и выбора рационального состава МТП.

3. Произведен сравнительный анализ результатов расчета и сформированы рекомендации по использованию ресурсного обеспечения, структуре и составу МТП для ОАО племзавод «Красногвардейский».

4. Получена оценка экономической эффективности от использования разработанного программного обеспечения.

Практическую значимость работы составляют:

- алгоритм и компьютерная программа оптимизации использования ресурсного обеспечения при производстве сельскохозяйственной продукции;

- алгоритм, база данных и компьютерная программа выбора рационального состава МТП.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на:

- 7-ой международной научно-практической конференции «Экология и сельскохозяйственные технологии: агроинженерные решения» в ГНУ СЗНИИМЭСХ 17-19 мая 2011 года;

- научной конференции СПбГАУ 2011 года;

- научной конференции профессорско-преподавательского состава и аспирантов в СПбГАУ 26-28 января 2012 года.

Публикации: по теме диссертации опубликовано 8 научных работ, в том числе 3 работы в изданиях, входящих в перечень ВАК.

Патентование. В процессе выполнения диссертационной работы были получены 2 свидетельства о регистрации алгоритмов и 1 свидетельство о регистрации программ.

Реализация результатов. Рекомендации по распределению ресурсного обеспечения, структуре и составу МТП приняты к использованию в ОАО племзавод «Красногвардейский».

Основные положения диссертационной работы используются в учебном процессе в СПбГАУ при подготовке специалистов инженерной квалификации.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Анализ методов решения задачи определения оптимального состава МТП.

2. Математическая модель и алгоритм оптимизации использования ресурсного обеспечения при производстве сельскохозяйственной продукции.

3. Математическая модель и алгоритм оптимизации состава машинно-тракторного парка с учетом ограничений по ресурсному обеспечению.

4. Программный комплекс для оптимизации использования ресурсного обеспечения и выбора оптимального состава МТП.

5. Сравнительный анализ результатов расчета и формирование рекомендаций по использованию ресурсного обеспечения, структуре и составу МТП для ОАО ПЗ «Красногвардейский».

6. Оценка экономической эффективности при использовании программ оптимизации ресурсного обеспечения и выбора рационального состава МТП.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы из 66 наименований, в том

числе 4 на иностранном языке, включает 177 страниц, 8 приложений, 72 рисунка и 37 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследования, представлены основные положения работы, выносимые на защиту.

В первой главе «Обзор состояния производства и методов решения задач оптимизации состава МТП» выполнен анализ и рассмотрены перспективы развития сельскохозяйственной продукции и модернизации технической оснащенности по Ленинградской области. Произведен анализ алгоритмов оптимизации состава МТП на основе метода линейного программирования.

Большой вклад в разработку методов оптимизации состава МТП внесли исследователи Иофинов С.А., Еникеев В.Г., Липкович Э.И., Огнев О.Г., Пастернак П.П., Браславец М.Е., Сергованцев В.Т., Бледных В.В., Баширов P.M., Хабатов Р.Ш., Бершицкий Ю.И., Горячев Ю.О., Ольм А.Ю., Терехов О.П.

В качестве математической модели для оптимизации состава МТП у большинства исследователей используется задача математического программирования, размерность и сложность структуры которой резко возрастает с увеличением количества используемых технических средств. При любом изменении исходных данных невозможно использовать ранее разработанную модель, что усложняет процесс адаптации модели под конкретные данные хозяйств.

Целью исследований является повышение эффективности производства сельскохозяйственной продукции в хозяйствах Ленинградской области путём оптимизации использования ресурсного обеспечения и выбора рационального состава машинно-тракторного парка.

Для достижения поставленной цели должны быть решены

следующие задачи:

1. Разработать метод, математическую модель и алгоритм оптимизации использования ресурсного обеспечения сельскохозяйственного производства.

2. Выполнить анализ существующих методов оптимизации состава МТП и разработать метод, математическую модель и алгоритм оптимизации машинно-тракторного парка с учетом

изменений использования ресурсов в зависимости от изменения цен на производимую продукцию.

3. Разработать программу для оптимизации использования ресурсного обеспечения и выбора оптимального состава МТП.

4. Экспериментально проверить программные продукты для сравнительного анализа результатов расчета и формирования рекомендаций по использованию ресурсного обеспечения, структуре и составу МТП для одного из хозяйств Ленинградской области.

5. Получить оценку экономической эффективности от использования разработанного программного обеспечения.

Во второй главе «Алгоритмические основы решения оптимизационных задач» рассмотрены алгоритмы оптимизации использования ресурсного обеспечения и оптимизации состава МТП.

Рассмотрены структура и особенности решения задач оптимизации состава МТП при использовании метода линейного программирования.

Общий принцип решения задачи построен на основе выбора одного из п конкурирующих тракторов. В конкуренции участвуют только те трактора, которые одновременно могут выполнять один и тот же вид работы. Размерность задачи зависит от количества введенных в задачу конкурирующих тракторов и агрегатируемых ими машин. С увеличением количества тракторов размерность задачи резко возрастает. Например, оптимизационная задача для трех тракторов, 16 сельхозмашин и 14 операций состоит из 19 переменных и 41 уравнения. При увеличении марок тракторов до шести и количества операций до 24, задача уже будет состоять из 115 переменных и 135 уравнений.

От объемов и видов выполняемых машинно-тракторным парком работ зависит структура и количество производимой продукции, а, следовательно, доход и эффективность производства. Очевидно, что состав и количество технических средств должны соответствовать объемам производства и рациональному распределению ресурсного обеспечения. Для решения этой проблемы разработан алгоритм оптимизации МТП с учетом ограничений по ресурсному обеспечению, блок-схема которого представлена на рисунке 1.

Производство конкурентоспособной продукции в рыночных условиях требует постоянной корректировки распределения

Рисунок 1 - Блок-схема алгоритма оптимизации состава МТП с учетом ограничений по ресурсному обеспечению

ресурсного обеспечения, которое необходимо анализировать при изменении показателей, влияющих на эффективность производства -рыночных цен на производимую продукцию, стоимости материалов, энергоресурсов, трудовых ресурсов, технических средств и модернизации технологий.

В качестве целевой функции при оптимизации распределения ресурсного обеспечения используется разность между доходом от реализации продукции и затратами на её производство:

с,х. - ->тах, (1)

1=еЛ' 1=еЛГ

где .г, - вид реализуемой на рынке продукции; с, - стоимость /ой реализуемой продукции; с/, - суммарные финансовые затраты на производство г-ой продукции. Которая дополняется системой ограничений:

® на виды и объемы используемых ресурсов;

в балансные ограничения по использованию произведенной

продукции на собственные производственные нужды; » ограничения по согласованию объемов продукции на реализацию и собственное потребление.

Целевая функция (1) с системой уравнений-ограничений представляют собой классическую задачу линейного программирования. При наличии основного решения задачи всегда имеется и двойственное решение, которое показывает возможную прибыль, если произвести количественные изменения ограничений или перераспределить ресурсы. Проблема устойчивости решения задачи состоит в определении допустимых отклонений цен на используемые ресурсы при сохранении структуры решения задачи. Для определения устойчивости оптимального решения по ресурсному обеспечению необходимо решить следующую задачу:

г = с1х1 + сгх2 +... + спхп —> шах апхх + апх2 +...+а1пх„ < (6, ± АЬХ) (2)

<(Ьп±АЬп)

где ЛЬ. - допустимое отклонение ]-го ресурсного обеспечения, при

котором сохраняются все переменные базового решения задачи.

Результаты решения оптимизационной задачи позволяют получить следующие показатели:

в распределение прибыли и затрат по видам производимой продукции;

• распределение ресурсов по отраслям производства; в полнота использования ресурсов;

® диапазон изменений цен реализации продукции при сохранении принятой структуры производства;

• варианты перераспределения ресурсов с целью повышения

эффективности их использования и увеличения дохода;

• варианты привлечения дополнительных производственных

ресурсов при изменении структуры производства для увеличения дохода производства.

Одним из направлений решения задачи оптимизации состава МТП является использование современных системы управления базами данных (СУБД), обладающие широкими возможностями управления практически неограниченными массивами данных. Возможности фильтрации, сортировки, преобразования и ранжирования данных позволяют найти в суперпространстве решения, удовлетворяющие заданным критериям задачи. Использование СУБД и теории множеств позволяют отказаться от использования методов математического программирования, а следовательно снимаются и ограничения, накладываемые методами математического

программирования.

В общем виде задача оптимизации состава МТП сводится к поиску из всего множества агрегатов с разными энергетическими средствами таких, которые обеспечивали бы выполнение всех работ по всем агротехническим срокам с минимальными затратами каких-либо видов ресурсов. Блок-схема алгоритма оптимизации МТП с использованием теории множеств и СУБД представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 - Блок-схема алгоритма оптимизации состава МТП с использованием теории множеств и СУБД

Для решения задачи введем следующие множества:

- агросроки выполнения годового объема работ:

А = {а1,а 2,...,а„); (3)

- виды работ по агросрокам:

В = {Ъу,Ъ2,...,Ьт\ (4)

Любая из работ Ь, может содержаться в любом из агросроков aj, поэтому множество всех работ С определяется произведением Эйлера:

С = АхВ = ^афх,ахЪг,...,а1Ь^а2Ь,,а2Ь2,...,а2Ът)\ (афх, аъЪ2 ,...,аъЬтУ,...\{апЬх, апЬ2,..апЪт)}

Произведение а^ принимается равным "1", если выбранная работа имеется в данном агросроке и "О", если такого сочетания нет. Множество всех агросроков, работ, сельхозмашин и тракторов можно записать в виде матрицы соотношений:

йс

Г ^

' Сик СцГ2 Cl.lt ' С11 Си • •• Сц

с1гЬ ... Сг2гх С12 «■12 ' - ?12

<•21*2 ► С21 ¿21 ' •• сг1

с22гг С2 2 С22 ; " с?.г

^ Сгап^ стпЬ 2 сгап стл

■ 71112 " 71цг>

$121 5122 "121 п122 " • "122

^>211 ; ► -> • "211 «212 " • "212

•^221 $222 "221 я2г2 ' "22 г

¿тп! •>ТЯ.П1 ^тппг-* гЧпп2 ' ' ^тпг^

,(6)

где Су -^-ый вид работ в ¡-ом агросроке, Ъ - трактор 1-ой марки; 5цк-

стоимость (затраты) единицы времени работы к-го агрегата (руб./см) для выполнения у'-ой работы в /-ый агросрок, Пук - необходимое количество тракторов к-то типа

По матрице соотношений (6) по каждой работе определяется марка трактора и количество агрегатов, выполняющих работу с минимальными затратами:

- т1п1(зс1з)р(Б1}к)]- (7>

По полученному множеству можно определить необходимое количество тракторов к-ого типа:

Пошаговый анализ процесса решения задач оптимизации состава МТП показал, что целевая функция не имеет резкого экстремума, поэтому для практики представляет интерес поиск возможных альтернативных вариантов с небольшим (до 5-10%) увеличением целевой функции. Разработан алгоритм для их поиска, основанный на выборе всех возможных сочетаний марок тракторов, которые могут выполнить заданные операции в установленный срок. Максимальное количество альтернативных вариантов решения определяется по формуле сочетаний без повторений:

где п - количество марок тракторов; - количество комбинаций при

выборе i марок тракторов из п возможных вариантов.

Разработаны формулы для расчёта эксплуатационных затрат на выполнение сельскохозяйственных работ.

В третьей главе «Разработка программного комплекса оптимизации использования ресурсного обеспечения и выбора оптимального состава МТП» рассматривается общий подход к разработке программного обеспечения. Разработаны программы оптимизации использования ресурсного обеспечения и оптимизации состава МТП. Выполнена апробация программного комплекса на тестовых расчетах.

Программа оптимизации ресурсного обеспечения реализована в среде MS Excel 2007, так как эта система поддерживает возможность решения задач линейного программирования с определением двойственных оценок и показателей устойчивости модели. Программа содержит пользовательский интерфейс, состоящий из блоков исходных данных, математической модели, решения и анализа решения задачи.

Анализ использования и распределения имеющихся ресурсов производства выполнен в блоке «Анализ решения».

В основу работы программы оптимизации состава МТП заложена пополняемая база данных, состоящая из 11 взаимосвязанных таблиц,

nk(min) = max (nijk) (8)

(9)

основными из которых являются: агропериоды, технологические операции, трактора и сельхозмашины. Все таблицы связаны между собой с помощью ключевых полей, что обеспечивает возможность использования всех данных при поиске оптимального состава МТП.

В разработанной программе имеется возможность выбора одного из 4 критериев оптимизации: минимум расхода топлива, минимум трудозатрат, минимум оплаты труда, минимум суммарных затрат. Расчет осуществляется для каждого из критериев с помощью возможностей базы данных, а именно при помощи использования соответствующего запроса, который на основе исходных данных и формул для расчёта эксплуатационных затрат производит вычисления затрат для каждого машинно-тракторного агрегата по всем выполняемым операциям. Оптимальный состав технических средств по выбранному критерию представляется в виде соответствующего отчета, пример которого приведен на рисунке 3.

Агропериоды

М гоТуи rar«ggg igiqegg« КалАгр 1 Д 3 4 $

ЬшагЗта-ЮЗОО U

ШС DON ШООС U

ШХПОТ ЬП1Я( 0.S

Airaop-SUCKT) U

В-138(КГ) W

КЯ® J.1

К™ДЗ-3205«Г) У

МТЗ-1221-2 5,8 М

ЯГУАР-9Р0 1»

Рисунок 3 - Оптимальный состав технических средств по критерию минимум трудозатрат

Для поиска всех возможных альтернативных вариантов решения задачи по одному из выбранных критериев разработана программа на языке Java. На основе исходных данных, хранящихся в базе данных, в поисковом пространстве, содержащем конкурирующие технические средства, происходит поиск всех возможных сочетаний марок тракторов, которые могут выполнить заданные операции в установленный срок. По результатам поиска строится диаграмма сравнительных вариантов решения (рисунок 4).

и у

1Д

1,1

5,8 1.5

U 2J

1,0 19

U ЗЛ V

млн. 1,52 1,51 -1,5 - зуб. ------------------а*" .......................—.......— Оплата труда .........................'¿Ял, ................... ......... ........— Г.........V................................................................. ....................................ч--------------------------------—................... -...........-......—..................\----------——.........-........................... ................................................----------------------------------------- -------------------«,------------------------------— -..............—■«©................................ .........s»....................................... ' ........................................................

1,49 1,48 1.47 —— rrrrrrrrr " ----------- ~ "gji '^-

(К-74 1, МТЗ-1221.2, tv1T3-Ъ2Л} (John Deere 8430, МТЗ- [K-744, МТЗ-1221.2, МТЗ-1221.2,МТЗ-82.1! 82.1,John Deere 6920] марочный состав тракторов [lohn Beere 8430, МТЗ-1221.2, МТЗ-82.1, John Deere 6S201

Рисунок 4 - График изменения суммарных затрат на оплату труда в зависимости от используемого состава МТП

В четвертой главе «Экспериментальная проверка программных продуктов» выполнена апробация программного обеспечения для данных хозяйства «Красногвардейский» и произведен сравнительный анализ результатов расчетов, сформированы рекомендации по использованию ресурсного обеспечения и необходимому составу МТП.

Для оптимизации ресурсного обеспечения используется производство основных видов продукции рассматриваемого хозяйства. В среднем ежегодно производится 7308 т. молока, 358 т. мяса, 3000 т. картофеля, 3340 т. зерна. Часть произведенной продукции зерна и картофеля расходуется на собственные нужды, например, для производства молока. На основе исходных данных о трудозатратах, энергозатратах, ценах реализации продукции строится математическая модель задачи. Сравнеравне расчетной и фактической структуры производства представлено таблице 1.

Таблица 1 - Сравнение расчётной и фактической структуры производства

Молоко, т. Привес КРС, т. Картофель, т. Зерно, т.

Реализ. Потребл. Реализация Реализ. Потребл. Реализ. Потребл.

Расчёта. 6672,6 520,0 358,0 500,0 2478,3 100,0 3090,9

Фактич. 6483,0 569,0 358,0 869,0 2131,0 43,0 3415,0

Оптимизация ресурсного обеспечения позволила увеличить прибыль от производства продукции на 1091,45 тыс.руб., что составляет 23,7% от текущего значения. Улучшение производственно-финансовой деятельности произошло за счёт перераспределения части производимого картофеля с реализации на собственное потребление. Также незначительно снизилось производство зерна, а освободившиеся земельные ресурсы перераспределились на производство молока, которое приносит максимальную прибыль.

Исходные данные для ПЗ «Красногвардейский» по видам выполняемых работ, срокам и объемам работ, используемым сельскохозяйственным машинам и тракторам, а также производительность и количество агрегатов заносятся в базу данных программы оптимизации МТП.

Для решения задачи выделено 5 агротехнических периода. В основном исследуемое хозяйство использует 4 марки тракторов: МТЗ-82, МТЗ-1221, 10 6920, Л) 8430. Для увеличения количества конкурирующих технических средств, в задачу введены дополнительные марки тракторов: К-701, К-744Р-04, ЛТЗ-60АБ. Также хозяйство использует 24 марки сельхозмашин. Для него характерны следующие производственные затраты для выполнения операций: 166325,9 л. топлива, 12503,7 чел. ч. трудозатрат, 1572,55 тыс. руб. на оплату труда, 5909,4 тыс. руб. в качестве суммарных

эксплуатационных затрат.

Оптимальным решением для критерия "минимум оплаты труда" является использование следующих марок тракторов: К-744Р, МТЗ-1221.2, МТЗ-82.1, ГО 6920. При этом замена К-744Р на ГО 8430 увеличит расходы на 11,5 тыс. руб. С другой стороны отказ от использования ГО 6920 увеличит расходы, связанные с оплатой труда на 13 тыс. руб. при уменьшении на 3 ед. используемых технических средств. Сравнение вариантов выбора состава МТП по различным показателям производственных затрат представлено в таблице 2.

В пятой главе «Оценка экономической эффективности от использования выполненных разработок по решению оптимизационных задач (ресурсного обеспечения и состава МТП)» произведён расчет себестоимости разработки и цены программного обеспечения. Приведена оценка экономической эффективности от использования выполненных разработок.

Таблица 2 - Сравнение вариантов выбора состава МТП по различным показателям производственных затрат

яар. Я 1 о 5 О С 2 о К 2 ^ с Я й г_ ^ Й < Л о о V"! а » И ГТ § ос § а я а- г + -Е. г- д 11 а. Ьй Топливо, л. Трудозатраты, чел. ч. Оплата труда. т«с. руб Суммарные эхсплугтатшоваые затраты, тыс. руо

КГ 2 1 2 1 г ' 1 1 г 3 7 8 1 1 125 ОЗД 1572,55 5909,4

1 2.г 1.5 0.6 1.1 0.5 4,8 8.1 25 1445Ш 12479.95 1603.6 5363.6

и 0.6 1.1 0,5 ал 8.1 2.9 ¡46814.9 13182,44 1680,94 5498,5

2 1 5 0.6 1.1 0.5 2.5 5.8 8.1 и 3,1 171928,9 11544.07 : 1500.3 5971.0

XI 0.9 1.5 0.6 1.1 0.5 2.5 5.8 8.1 2,9 и 167832.0 П«30.?4 15133 5877.5

V 1.5 0.6 1.1 0.5 2.5 6,7 8.1 2,9 и 167725.2 ШЯЗН 1511.8 5873.2

3 3.5 1.5 0.6 1.1 0.5 2.5 5.& 8.1 гэ г.Г 158789,1 11837.4 14849 5615.8

2' ЧД 1.5 0.6 1.1 0,5 2^ 6,7 8.1 ¿9 154585.4 11929.3 1498,4 5518.1

1.5 о.б 1.1 0.5 2.5 5,а' 8.1 2,9' 3.1 1573133 11587,0 1499 5 5590,4

V 1,5 0.6 1.1 0,5 2.5 4,7 8,1 2.9 153109,5 11678.8 1511,4: 5492,6

4 IX 1.5 0,5 1.1 0.5 V 8.1 2.9 145284.3 11976.8 1552,7 5^а,б

1.5 0.6 1.1 0.5 7.4 8.1 •2° 2 148781,3 11934.2 15463 " '5415 1

Экономическая эффективность обеспечивается за счёт следующих факторов:

1. Увеличения прибыли на 1091,45 тыс. руб. или 23,7% от производства продукции при перераспределении ресурсного обеспечения.

2. Снижение расхода топлива на 13%, трудозатрат на 7,7%, суммарных затрат на оплату труда на 5,5% и суммарных эксплуатационных затрат на 9,8% при выборе оптимального состава МТП.

3. Снижение времени выполнения операций по сбору и обработке информации при оптимизации состава МТП со 140 до 24 часов в год.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Производство сельхозпродукции в рыночных условиях связано с конкуренцией производителей, что подразумевает непрерывный ценовой мониторинг и оптимизацию структуры производства, которое предопределяется производственным ресурсным обеспечением хозяйства, оптимальными объемами производства и составом машинно-тракторного парка (МТП).

2. Рассмотрен и обоснован двухступенчатый подход к оптимизации состава МТП, основанный на оптимизации использования ресурсного обеспечения, определении оптимальных объемов производства,

определении объемов работ и выборе оптимального состава машинно-тракторного парка.

3. Разработаны алгоритм и компьютерная программа оптимизации использования ресурсного обеспечения, оценки его эффективности при производстве основных видов продукции хозяйства, определения оптимальных объемов работ в заданные агротехнические сроки.

4. Выполнен анализ алгоритмов и программного обеспечения решения задачи выбора оптимального состава МТП. Показано, что основу всех алгоритмов составляет метод конкурентного выбора по каждой операции наиболее эффективного технического средства. Для всех алгоритмов программное обеспечение составляет линейное программирование, что требует соблюдения аксиоматики алгоритма решения, и приводит к возрастанию размерности задачи при увеличении числа конкурирующих технических средств.

5. Программное обеспечение оптимизации состава МТП на основе линейного программирования не является универсальным и при изменении параметров задачи (количества работ, агросроков, марочного состава тракторов и сельхозмашин) необходимо заново строить математическую модель, вводить задачу в компьютер, производить поиск ошибок и отладку программы. Такой алгоритм требует высокой квалификации разработчика и пользователя программы, что не способствует ее широкому использованию в производственных и хозяйственных условиях.

6. Разработаны алгоритм и компьютерная программа оптимизации состава МТП на основе СУБД и теории множеств, отличающиеся возможностью работы с большим объемом данных и минимальными временными затратами для повторного решения задачи при изменении исходных данных. Разработаны алгоритм и компьютерная программа нахождения альтернативных вариантов решения с незначительным увеличением значения целевой функции. Разработанное программное обеспечение является универсальным и не требует перестройки программы при изменении параметров задачи.

7. Выполненные в диссертации разработки были апробированы на показателях хозяйства ОАО ПЗ «Красногвардейский», которые показали, что при оптимизации использования ресурсного обеспечения достигается увеличение прибыли до 24%. Оптимизация состава МТП показала, что на выполнение некоторых работ рациональней использовать технические средства другого марочного состава по сравнению с существующими (например, К-701

конкурирует с JD8430 и более выгоден на выполнение операции по обработке почвы).

8. Экономическая оценка выполненных разработок показала, что применение разработанного программного комплекса позволит в 3-5 раз сократить затраты на сбор данных и решение задачи, снизить производственные затраты на 5-13% за счет оптимизации состава МТП. При этом срок окупаемости капиталовложений составляет менее 1 года.

Основные положения диссертации отражены в следующих публикациях:

В изданиях, рекомендованных ВАК

1. Артемьев, Ю.Г. Проблемы оптимизации состава машинно-тракторного 'парка хозяйств в рыночных условиях [Текст] / A.M. Валге, Ю.Г. Артемьев // // Тракторы и Сельхозмашины, М. 2011. -№10, с. 6-7.

2. Артемьев, Ю.Г. Оптимизация ресурсного обеспечения сельскохозяйственного производства [Текст] / A.M. Валге, Ю.Г. Артемьев // Вестник РАСХН, М. 2012.- №1, с. 42-44.

3. Артемьев, Ю.Г. Выбор технической оснащенности сельскохозяйственного производства в рыночных условиях [Текст] / A.M. Валге, Ю.Г. Артемьев // Известия международной академии аграрного образования, СПб. 2012. - №13 том 2, с. 12-15.

В других изданиях научных трудов

4 Артемьев, Ю.Г. Компьютерная программа анализа эффективности использования ресурсного обеспечения при производстве сельскохозяйственной продукции в условиях северо-запада России [Текст] / A.M. Валге, Э.А. Папушин, Ю.Г. Артемьев // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства: Сб. науч. тр. - Вып. 81- СПб.: ГНУ СЗНИИМЭСХ. 2009. -с. 39-46.

5. Артемьев, Ю.Г. Оценка эффективности использования ресурсов в сельскохозяйственном производстве [Текст] / A.M. Валге, Э.А. Папушин, Ю.Г. Артемьев // Экология и сельскохозяйственные технологии: агроинженерные решения: сборник материалов 7-й международной научно-практической конференции. Том 2. СПб.: ГНУ СЗНИИМЭСХ. 2011.-с. 174-180.

6. Артемьев, Ю.Г. Обоснование алгоритма оптимизации состава машинно-тракторного парка сельскохозяйственного предприятия [Текст] / Ю.Г. Артемьев // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства: Сб. науч. тр. - Вып. 82,- СПб.: ГНУ СЗНИИМЭСХ. 2010.-с. 81-86.

7. Артемьев, Ю.Г. Алгоритмические основы выбора состава машинно-тракторного парка на основе теории множеств [Текст] / Ю.Г. Артемьев // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства: Сб. науч. тр. - Вып. 83,- СПб.: ГНУ СЗНИИМЭСХ. 2012. - с. 60-69.

8. Артемьев, Ю.Г. Метод оптимизации состава машинно-тракторного парка сельхозпредприятий в рыночных условиях [Текст] / Ю.Г. Артемьев // Технологии и средства механизации сельского хозяйства: Сб. науч. тр. / СПб.: СПбГАУ. 2012. - с. 13-22. - ISSN 0136-5169.

Патентование

9. Свидетельство о регистрации электронного ресурса № 16799. Алгоритм управления ресурсным обеспечением / A.M. Вапге, Ю.Г. Артемьев //Опубл. 14.03.2011.

10. Свидетельство о государственной регистрации базы данных № 2011620445. Информационно-поисковая система «Трактора сельскохозяйственного назначения» / A.M. Валге, Е.Г. Пакскина, Э.А. Папушин, Ю.Г. Артемьев // Опубл. 15.06.2011.

11. Свидетельство о регистрации электронного ресурса № 18028. Алгоритм оптимизации машинно-тракторного парка многоотраслевого сельскохозяйственного предприятия / A.M. Валге, Ю.Г. Артемьев // Опубл. 15.03.2012.

'Л

Подписано в печать 16.05.2013 г. Формат 60x84 1/16 Бумага офсетная Тираж 100 экз. Заказ №83 Отпечатано на ризографе ГНУ СЗНИИМЭСХ Россельхозакадемии 196625, Санкт-Петербург, Павловск, Фильтровское шоссе, 3

ГОСУДАРСТВЕННОЕ НАУЧНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ СЕВЕРО-ЗАПАДНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ МЕХАНИЗАЦИИ И ЭЛЕКТРИФИКАЦИИ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ НАУК (ГНУ СЗНИИМЭСХ

РОССЕЛЬХОЗАКАДЕМИИ)

На правах рукописи

АРТЕМЬЕВ ЮРИЙ ГЕОРГИЕВИЧ

СЦ20І 35*9? ч

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОИЗВОДСТВА СЕЛЬХОЗПРОДУКЦИИ В УСЛОВИЯХ ЛЕНИНГРАДСКОЙ ОБЛАСТИ ПУТЕМ ОПТИМИЗАЦИИ РЕСУРСНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ И СОСТАВА МАШИННО-ТРАКТОРНОГО ПАРКА

Специальность 05.20.01 - Технологии и средства механизации сельского

хозяйства

ДИССЕРТАЦИЯ На соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Валге А.М.

Санкт-Петербург - Павловск -2013

Содержание

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

ГЛАВА 1 ОБЗОР СОСТОЯНИЯ ПРОИЗВОДСТВА И МЕТОДОВ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ОПТИМИЗАЦИИ СОСТАВА МТП......................................................10

1.1 Анализ и перспективы развития производства сельскохозяйственной продукции и технической оснащенности в России и по Ленинградской области.................................................................................................................10

1.2 Анализ методов формирования технической оснащенности сельскохозяйственного предприятия...............................................................14

1.3 Анализ методов решения задач выбора технических средств с учетом состояния и развития вычислительных средств............................................19

1.4 Анализ алгоритмов оптимизации состава МТП на основе метода линейного программирования...........................................................................25

1.5 Выводы, цель и задачи исследований........................................................32

ГЛАВА 2 АЛГОРИТМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РЕШЕНИЯ ОПТИМИЗАЦИОННЫХ ЗАДАЧ.........:..............................................................35

2.1 Структура и особенности решения задач оптимизации МТП при использовании метода линейного программирования...................................35

2.2 Постановка задачи оптимизации состава МТП с учетом рыночных условий производства и ограничениями по ресурсному обеспечению.......38

2.3 Алгоритмические основы оптимизации использования ресурсного обеспечения.........................................................................................................39

2.3.1 Формирование математической модели..............................................41

2.3.2 Анализ устойчивости решения и оценка эффективности использования ресурсного обеспечения.......................................................44

2.4 Алгоритмические основы оптимизации состава МТП на основе использования теории множеств и СУБД......................................................48

2.4.1 Алгоритм оптимизации состава МТП..................................................49

2.4.2 Поиск альтернативных вариантов решения........................................54

2

2.5 Расчет эксплуатационных затрат на выполнение сельскохозяйственных работ.....................................................................................................................59

ВЫВОДЫ............................................................................................................61

ГЛАВА 3 РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА ОПТИМИЗАЦИИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ РЕСУРСНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ И ВЫБОРА ОПТИМАЛЬНОГО СОСТАВА МТП................................................63

3.1 Формирование общего подхода к разработке программного обеспечения ..............................................................................................................................63

3.1.1 Жизненный цикл программного обеспечения....................................63

3.1.2 Общие принципы разработки программ.............................................64

3.1.3 Требования к программному обеспечению.........................................65

3.2 Разработка программы оптимизации использования ресурсного обеспечения.........................................................................................................67

3.3 Разработка структуры программы оптимизации состава МТП..............73

3.4 Разработка программы оптимизации состава МТП.................................75

3.4.1 Разработка логической модели базы данных......................................78

3.4.2 Разработка клиентской программы......................................................81

3.5 Апробация программного комплекса и выполнение тестовых расчетов ..............................................................................................................................87

3.5.1 Апробация программы использования ресурсного обеспечения.....87

3.5.2 Апробация программы оптимизации состава МТП...........................92

ВЫВОДЫ............................................................................................................98

ГЛАВА 4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА ПРОГРАММНЫХ ПРОДУКТОВ.........................................................................................................99

4.1 Сбор информации по производству продукции в одном из хозяйств Ленинградской области.....................................................................................99

4.2 Адаптация программного обеспечения и выполнение оптимизационных расчетов для использования ресурсного обеспечения.................................101

4.3 Сравнительный анализ результатов расчётов и формирование рекомендаций по использованию ресурсного обеспечения........................107

4.4 Адаптация программного обеспечения и выполнение оптимизационных расчетов для определения состава МТП........................................................110

ВЫВОДЫ..........................................................................................................118

ГЛАВА 5 ОЦЕНКА ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВЫПОЛНЕННЫХ РАЗРАБОТОК ПО РЕШЕНИЮ ОПТИМИЗАЦИОННЫХ ЗАДАЧ (РЕСУРСНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ И СОСТАВА МТП).................................................................................................119

5.1 Расчет себестоимости разработки и цены программного обеспечения 119

5.2 Методика оценки экономической эффективности.................................122

5.3 Оценка экономической эффективности от использования выполненных разработок................................................................................124

ВЫВОДЫ..........................................................................................................126

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ...............................................127

ЛИТЕРАТУРА.....................................................................................................129

Приложение 1. Математические модели для решения задачи оптимизации состава МТП методом линейного программирования....................................137

Приложение 2. Свидетельства о регистрации алгоритмов и программ........141

Приложение 3. Текст основных функциональных блоков программы на языке java выбора конкурирующих вариантов состава МТП...................................146

Приложение 4. Системные требования и описание базы данных для оптимизации МТП...............................................................................................152

Приложение 5. Исходные данные для оптимизации МТП по ПЗ «Красногвардейский».........................................................................................161

Приложение 6. Анализ оптимизационных расчетов по ресурсному обеспечению.........................................................................................................167

Приложение 7. Диаграммы сравнительного анализа оптимизационных расчетов и фактических значений по ресурсному обеспечению...................171

Приложение 8. Копии документов об использовании разработок автора.... 175

ВВЕДЕНИЕ

Удельные затраты ресурсов на производство сельскохозяйственной продукции в Северо-Западном регионе России в разы превышают затраты по сравнению с промышленно-развитыми странами в аналогичных природно-климатических условиях. В основном это связано с нерациональным использованием производственных ресурсов и технических средств в условиях хозяйства, а также высокой энергоемкостью технологических процессов.

С переходом сельскохозяйственного производства России на рыночные отношения появилось множество производителей сельскохозяйственной продукции, отличающихся как по производственным размерам, так и по организационному принципу. Изменчивость рыночной конъюнктуры приводит к изменению спроса на производимую продукцию, изменению цен, а, следовательно, и рентабельности производства. В этих условиях требуется непрерывный мониторинг производства и выбор оптимальных управляющих решений по корректировке видов и объемов производимой продукции, распределению производственных ресурсов и выбору рационального состава машинно-тракторного парка (МТП) в условиях конкретного хозяйства.

Большой вклад в разработку методов оптимизации МТП внесли Иофинов С.А., Еникеев В.Г., Липкович Э.И., Огнев О.Г., Пастернак П.П., Браславец М.Е., Сергованцев В.Т., Бледных В.В., Баширов P.M., Хабатов Р.Ш., Бершицкий Ю.И., Горячев Ю.О., Ольм А.Ю., Терехов О.П.

В качестве математической модели для оптимизации состава МТП у большинства исследователей используется задача математического программирования, отличающаяся видом целевой функции и системой линейных, нелинейных или целочисленных функций-ограничений [12, 13, 21, 48]. С увеличением в задаче количества используемых технических средств резко возрастает размерность таких задач и сложность структуры

математической модели. Вследствие этого во многих работах рассматривают возможности снижения размерности задачи.

Разработка математической модели и нахождение оптимального состава МТП для конкурирующих технических средств, предлагаемых в настоящее время на рынке, труднореализуема ввиду огромной размерности задачи. Поэтому разработка новых алгоритмов оптимизации состава МТП без использования методов математического программирования, которые позволили бы решать задачу без жестких ограничений на количество вводимых в задачу технических средств является актуальной задачей.

В большинстве исследований не рассматривается вопрос об обосновании и выборе объемов работ, которые необходимо выполнить МТП. От видов выбранных работ зависят виды и объемы производимой продукции, а также доход и эффективность производства. Производство конкурентоспособной продукции в рыночных условиях требует постоянного анализа эффективности производственных затрат, использования производственных ресурсов и оперативного принятия решений по корректировке их распределения. Таким образом, рациональный состав МТП должен выполнять оптимальный объем работ, который будет способствовать получению востребованной и приносящей максимум прибыли продукции.

Новые возможности для выбора рационального состава МТП предоставляют современные системы программирования, которые включают в себя реляционные базы данных (БД). Они предоставляют широкие возможности для манипуляции огромными массивами данных. Большинство современных БД позволяют получать готовые программные продукты, работающие в режиме диалога с пользователем, что значительно облегчает работу с данными.

Данная работа выполнена в соответствии с планом фундаментальных и

приоритетных прикладных исследований Россельхозакадемии по научному

обеспечению развития агропромышленного комплекса Российской

Федерации на 2011-2015гг по проблеме 09: разработать высокоэффективные

6

машинные технологии и технические средства нового поколения для производства конкурентоспособной сельскохозяйственной продукции, энергетического обеспечения и технического сервиса сельского хозяйства. Цель работы. Повышение эффективности производства сельскохозяйственной продукции в условиях Ленинградской области путём оптимизации использования ресурсного обеспечения и выбора рационального состава машинно-тракторного парка. Задачи исследования:

1. Разработать алгоритм оптимизации использования ресурсного обеспечения сельскохозяйственного производства в условиях Ленинградской области.

2. Выполнить анализ существующих методов оптимизации состава МТП и разработать алгоритм оптимизации машинно-тракторного парка с учетом изменений использования ресурсов в зависимости от изменения цен на производимую продукцию.

3. Разработка программ для оптимизации использования ресурсного обеспечения и выбора оптимального состава МТП.

4. Экспериментальная проверка программных продуктов для построения сравнительных анализов результатов расчета и формирования рекомендаций по использованию ресурсного обеспечения, структуре и составу МТП для одного из хозяйств Ленинградской области.

5. Получить оценку экономической эффективности от использования разработанного программного обеспечения.

Объект исследования. Ресурсное обеспечение производства и состав машинно-тракторного парка одного из хозяйств Ленинградской области. Предмет исследования. Методы оптимизации использования ресурсного обеспечения и состава машинно-тракторного парка при многоотраслевом сельскохозяйственном производстве.

Методы исследования. В работе использовались методы линейного и математического программирования, теория множеств и система управления базами данных, средства компьютерного моделирования. Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

1. Анализ методов решения задачи определения оптимального состава МТП.

2. Алгоритм оптимизации использования ресурсного обеспечения при производстве сельскохозяйственной продукции.

3. Алгоритм оптимизации состава машинно-тракторного парка с учетом рыночных условий производства и ограничениями по ресурсному обеспечению.

4. Программное обеспечение для оптимизации использования ресурсного обеспечения и выбора оптимального состава МТП.

5. Сравнительный анализ результатов расчета и формирование рекомендаций по использованию ресурсного обеспечения, структуре и составу МТП для ОАО племзавод «Красногвардейский».

6. Оценка экономической эффективности при использовании программ оптимизации ресурсного обеспечения и выбора рационального состава МТП.

Научная новизна работы:

1. Разработаны алгоритм оптимизации использования ресурсного обеспечения и алгоритм оптимизации машинно-тракторного парка с учетом рыночных условий производства и ограничениями по ресурсному обеспечению.

2. На основе разработанных алгоритмов созданы программные продукты для оптимизации ресурсного обеспечения и выбора рационального состава МТП.

3. Произведен сравнительный анализ результатов расчета и сформированы рекомендации по использованию ресурсного

обеспечения, структуре и составу МТП для ОАО племзавод «Красногвардейский». 4. Получена оценка экономической эффективности от использования разработанного программного обеспечения. Внедрение результатов исследования. Рекомендации по распределению ресурсного обеспечения, структуре и составу МТП приняты к использованию в ОАО племзавод «Красногвардейский».

Основные положения диссертационной работы используются в учебном процессе в СПбГАУ при подготовке специалистов инженерной квалификации.

Научная апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на 7-ой международной научно-практической конференции «Экология и сельскохозяйственные технологии: агроинженерные решения» в СЗНИИМЭСХ 17-19 мая 2011 года, также на научной конференции профессорско-преподавательского состава и аспирантов в СПбГАУ 26-28 января 2012 года, научной конференции СПбГАУ 2011 года. Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 8 печатных работах, в том числе 3 в изданиях, рекомендованных ВАК. Патентование. В процессе выполнения диссертационной работы были получены 2 свидетельства о регистрации алгоритмов и 1 свидетельство о регистрации программ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы из 66 наименований, включает 177 страниц, 8 приложений, 72 рисунка и 37 таблиц.

ГЛАВА 1 ОБЗОР СОСТОЯНИЯ ПРОИЗВОДСТВА И МЕТОДОВ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ОПТИМИЗАЦИИ СОСТАВА МТП

1.1 Анализ и перспективы развития производства сельскохозяйственной продукции и технической оснащенности в России и по Ленинградской

области

В государственной программе [58], разработанной в соответствии со статьей 8 Федерального закона "О развитии сельского хозяйства" приводятся данные о тенденции развития уровня сельскохозяйственного производства и планах модернизации МТП. В частности, с 2002 года наметилась тенденция снижения темпов развития сельского хозяйства, их отставания от темпов развития экономики в целом. Если в 1999 - 2001 годах среднегодовой темп прироста в сельском хозяйстве составлял 6,8 процента, то в 2002-2006 годах только 2,3 процента. По отношению к импорту продовольствия продукция российских производителей оказывается неконкурентоспособной и вытесняется с внутреннего рынка. Общий объем импорта продовольственных товаров по сравнению с 2000 годом увеличился в 2,9 раза. Особенно высока доля импортной продукции на рынках мяса и молока.

Если в растениеводстве уровень производства 1990 года достигнут в 2004 году, то в животноводстве к настоящему времени он восстановлен лишь наполовину. В тоже время спрос на мясо и молоко в стране значительно вырос.

Прогнозируемый рост производства продукции сельского хозяйства во всех категориях к 2012 году (в сопоставимой оценке) должен вырасти по отношению к 2006 году на 24,1 процента. Рост объемов производства мяса и молока к 2012 году увеличит долю российского производства в формировании ресурсов мяса до 70 %, молока - более 81 %. Рост производства планируется обеспечить за счёт повышения производительности труда на основе стимулирования к использованию

современных технологий, совершенствования организации производства, а также организации труда и управления. Инвестирование средств в модернизацию и техническ�