автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.01, диссертация на тему:Рациональное районирование лесных участков на сезонные зоны лесопромышленного производства с применением методов теории нечетких множеств и ГИС технологий

На правах рукописи

Апдрейчук Александр Владимирович

РАЦИОНАЛЬНОЕ РАЙОНИРОВАНИЕ ЛЕСНЫХ УЧАСТКОВ НА СЕЗОННЫЕ ЗОНЫ ЛЕСОПРОМЫШЛЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА С ПРИМЕНЕНИЕМ МЕТОДОВ ТЕОРИИ НЕЧЕТКИХ МНОЖЕСТВ И ГИС ТЕХНОЛОГИЙ

Специальность 05.21.01 - Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

і, ШІ

Санкт-Петербург - 2 013

005537768

005537768

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет им. С.М. Кирова» (СПбГЛТУ).

Научный руководитель: кандидат технических наук, профессор

Тюрин Николай Александрович.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Григорьев Игорь Владиславович

профессор кафедры технологии лесозаготовительных производств ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет им. С.М. Кирова»;

кандидат технических наук, доцент Марков Владимир Иванович заведующий кафедрой промышленного транспорта и геодезии ФГБОУ ВПО «Петрозаводский государственный университет».

Ведущая организация: Северо-Западный лесохозяйственный

проектно-изыскательский центр ЗАО «Севзаплесхозпроект».

Защита диссертации состоится 6 декабря 2013 г. в_ час на

заседании диссертационного совета Д212.220.03 при Санкт-Петербургском государственном лесотехническом университете им. С.М. Кирова (194021, Санкт-Петербург, Институтский пер., 5, главное здание, зал заседаний).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПбГЛТУ. Автореферат разослан 5 ноября 2013 г. Ученый секретарь

диссертационного совета 'сл^г Бирман Алексей Романович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования определяется необходимостью повышения эффективности размещения лесной дорожной инфраструктуры и транспортно-технологических процессов лесозаготовительного предприятия, путем рационального использования климатических особенностей региона с учетом фактора сезонности лесозаготовительного производства при разработке проекта генерального плана транспортного освоения арендуемых лесных земель. Рациональное районирование лесных участков на сезонные зоны заготовки и вывозки древесины позволяет на предпроектной стадии обосновать схему транспортного освоения лесных земель в зависимости от природно-производственных, транспортных и экологических факторов, установить сезон освоения лесных участков и целесообразность строительства к ним дешевых зимних лесовозных дорог, что весьма актуально для предприятий, работающих в таежной зоне в условиях с ярко выраженными сезонами года: зима, весна, лето и осень.

В известных работах недостаточно внимания уделено вопросам влияния нечеткой исходной информации при учете природно-производственных и сезонных условий на заготовке и вывозке древесины. В настоящее время для решения данной задачи в арсенале проектировщиков не имеется достаточно эффективного методологического обеспечения, основанного на базе аналитических расчетов, учитывающих неполноту и неточность исходных данных.

Степень разработанности темы исследования.

Известно, что проблемами транспортного освоения лесных участков с учетом сезонности лесопромышленного производства в разное время занимались ученые: Б. А. Ильин, Б.И. Кувалдин, В.И. Алябьев, В.Е. Леванов, И.Р. Шегельман, К.И. Вороницын, В.Н. Шитов, Р.Н. Ковалев, И.В. Григорьев, Э.О. Салминен, H.A. Тюрин, Л.В. Щеголева, В.М. Лукашевич, С.М. Гордеев, А.Г. Дорофеев, Т.В. Коваленко, Л.Я. Громская, Т.С. Антонова и др.

Анализ существующих методов сезонного районирования лесопромышленного производства в литературных источниках показал, что в известных работах большое внимание уделяется фактору сезонности лесозаготовок и вопросу разделения лесного фонда на сезонно-климатические зоны заготовки и вывозки древесины. Существующие рекомендации не учитывают фактора неопределенности, вызванного нечеткостью и неточностью исходных данных, что может привести к ошибкам при проектировании транспортно-технологических процессов лесозаготовительного предприятия. ■ ; '

Цели и задачи исследования. Целью диссертационной работы является повышение эффективности размещения лесной дорожной инфраструктуры и организации транспортно-технологических процессов лесозаготовительного предприятия, путем рационального сезонного

районирования лесных земель. В соответствии с поставленной целью решены следующие задачи:

выполнен анализ существующих подходов и методов, используемых в настоящее время для решения задачи сезонного районирования лесопромышленного производства;

на основе системно-структурного анализа природно-производственных и климатических условий, установлены факторы, влияющие на сезонность проведения транспортно-технологическнх операций при заготовке и вывозке древесины;

- разработаны новые подходы к сезонному районированию лесопромышленного производства путем разработки математической модели, основанной на методах теории нечетких множеств;

- разработано программно-инструментальное средство, позволяющие осуществлять многофакторный анализ лесного участка с выбором сезона его транспортного освоения;

- разработана и внедрена на производстве методика сезонного районирования лесопромышленного производства, основанная на использовании методов теории нечетких множеств и ГИС технологий;

Научная новизна исследования. Впервые разработана и апробирована математическая модель рационального сезонного районирования лесопромышленного производства, базирующаяся на методах теории нечетких множеств, позволяющая учитывать неточность и нечеткость исходной информации. Разработана и реализована методика сезонного районирования лесопромышленного производства, с применением средств «нечеткого» моделирования и ГИС технологий.

Теоретическая значимость исследования состоит в разработке новых подходов по созданию математических моделей, программно-инструментальных средств и методик позволяющих осуществлять выбор сезона транспортного освоения лесных участков в условиях неполноты и нечеткости исходных данных, за счет использования алгоритмов, основанных на географическом пространственном анализе и методах теории нечетких множеств.

Практическая значимость исследования состоит в разработке оригинальной методики сезонного районирования лесопромышленного производства, основанной на интеграции методов географического пространственного анализа, математико-картографического

моделирования и теории нечетких множеств, позволяющей обосновать рациональное размещение зимних и летних лесовозных дорог на лесных землях арендуемых лесозаготовительным предприятием.

Методология и методы исследования. Решение поставленных задач получено на основе системного подхода, теории нечетких множеств, методологии «нечеткого» моделирования, теории планирования экспериментов, географического пространственного анализа и

математико-картографического моделирования. Использовались: специализированная программная среда для «нечеткого» моделирования fuzzyTECH 6.2а, ГИС «Zulu 7.0», СУБД «Microsoft SQL Server 2008», пакет программ Microsoft Office, операционная система Windows 7.

Положения, выносимые на защиту. В работе выносятся на защиту основные результаты, полученные лично автором, обладающие научной новизной:

1. Разработана математическая модель рационального сезонного районирования лесопромышленного производства, при помощи которой возможно осуществление выбора сезона транспортного освоения лесного участка, характеризующегося многими количественными и качественными показателями с учетом неполноты и нечеткости исходных данных.

2. Разработано программно-инструментальное средство, позволяющее осуществлять поддержку процедур принятия обоснованных решений в сфере оценки лесных участков для выбора сезона лесопромышленного производства.

3. Разработана методика сезонного районирования лесопромышленного производства, основанная на применении методов теории нечетких множеств и ГИС технологий.

Достоверность научных исследований обосновывается применением современных методов моделирования технологических процессов, достаточной апробацией результатов работы, проведением опытно-экспериментальной работы, подтверждающей адекватность полученных моделей за счет удовлетворительной сходимости экспериментальных и теоритических данных.

Апробация результатов. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на ежегодных научно-практических конференциях кафедры сухопутного транспорта леса лесоинженерного факультета (СПбГЛТУ, 2009-2012); IX международной научно-технической интернет-конференции «Леса России в XXI веке» (СПбГЛТУ, 2012); международной научно-технической конференции молодых ученых «Современные проблемы и перспективы рационального лесопользования в условиях рынка» (СПбГЛТУ, 2012); Всероссийской научно-практической конференции «Молодые ученые в решении актуальных проблем науки» (СибГТУ, 2012); пленарном заседании лесоинженерного факультета по итогам научно-исследовательских работ 2012 года (СПбГЛТУ, 2013).

Результаты диссертационного исследования использованы при создании «Автоматизированной системы учета лесопользования Группы Илим» и внедрены в учебный процесс на кафедре сухопутного транспорта леса лесоинженерного факультета СПбГЛТУ.

Часть материалов диссертационной работы получена при выполнении НИР №01201255482 «Разработка теоретических -основ

сквозных технологических процессов и модульных систем лесозаготовительного производства». Работа выполнялась в составе Перечня Приоритетных направлений развития науки, технологий и техники РФ, утвержденного Президентом РФ 07.07.11г. (пункт «Рациональное природопользование»).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ, в том числе 3 работы в изданиях, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки Российской Федерации.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, Заключения, перечня цитируемых источников и приложений. Диссертация изложена на 127 страницах текста, включает библиографический список из 167 наименований, 41 рисунок и 21 таблицу.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении определена актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цели и задачи исследований, основные положения, выносимые на защиту, приведена краткая характеристика работы в целом.

В первой главе представлена постановка задачи исследования и критический обзор работ по теме диссертации.

Во второй главе выполнен анализ климатических и природно-производственных факторов, влияющих на сезонность лесопромышленного производства. Рассмотрены существующие методы сезонного прогнозирования несущей способности лесных почвогрунтов.

В качестве исходных данных по каждому лесному участку для сезонного районирования лесопромышленного производства выбраны следующие группы факторов:

1) транспортные факторы - удаленность лесного участка от существующей дороги, расстояние вывозки по существующим дорогам;

2) природно-производственные факторы - тип лесорастительных условий, тип леса, запас древесины на 1 га;

3) экологические факторы - количество подроста на 1 га, целевое назначение лесов.

В третьей главе представлена математическая модель рационального сезонного районирования лесопромьцпленного производства, базирующаяся на методах теории нечетких множеств. Использован алгоритм нечеткого логического вывода, модифицированный в иерархическую систему нечеткого вывода рационального сезонного районирования лесопромышленного производства.

На основании системного анализа сезонности лесопромышленного производства установлено, что для моделирования иерархических структур ;. лесного планирования целесообразно использовать многошаговые системы нечеткого вывода, в которых выходные значения

одного уровня являются входными для других. Иерархическую связь между входными переменными, промежуточными переменными и выходной переменной (интегральным показателем - индексом сезонности) представим в виде иерархического дерева (Рисунок 1), которому соответствует система соотношений:

где Л - выходная управляющая переменная (интегральный показатель, индекс сезонности);

X - промежуточная переменная, характеризующая транспортные условия лесопромышленного производства;

У — промежуточная переменная, характеризующая природно-производственные условия лесопромышленного производства; 2 - промежуточная переменная, характеризующая экологические условия на лесном участке;

х/,х2=х^ /-1,1 - входные переменные, отнесенные к промежуточной переменной X (транспортные условия);

УьУг<Уз~Ур у=1, тп - входные переменные, отнесенные к промежуточной переменной У (природно-производственные условия); 2и"2=2ь к=1,п - входные переменные, отнесенные к промежуточной переменной Z (экологические условия).

Рисунок 1 Дерево нечеткого вывода для рационального сезонного районирования лесопромышленного производства

Будем считать, что все переменные, стоящие в вершинах дерева нечеткого вывода иерархической системы рационального сезонного

Х=/х(х,,х2), У=/ЛУ1,У2,Уз),

(1) (2)

(3)

(4)

районирования лесопромышленного производства, являются лингвистическими переменными со следующими термами: • • Лг} - множество термов для оценки переменной Л; .. Да} - множество термов для оценки переменной^-{УьУг,.• ■> _множество термов для оценки переменной У;

~множество термов для оценки переменной 2; {Хц, Ха,- ■., Хщ,} - множество термов для оценки переменной хи г=1,1;

} ~ множество термов для оценки переменной^у'=1, т; {гк\, ~ множество термов для оценки переменной г^ к=1, п.

Внутри каждого из множеств нечеткие термы упорядочиваются по принципу от низшего к высшему, например {малое, среднее, большое}, Рисунок 2.

Рисунок 2. Нечеткие термы входных переменных «Расстояние вывозки» (хі) и «Удаленность от существующей дороги» ^отнесенные к промежуточной переменной «Транспортные условия» (X)

Пользуясь понятиями универсального множества и функции принадлежности, каждый из термов дерева нечеткого иерархического вывода для сезонного районирования лесопромышленного производства представим в виде нечеткого множества:

Дг/и, ИЯі (иОМ і=І7г; мєІГ; (5)

Х=/их \іХі (ух)/ух\ /=17а; ух е их; (6)

ГНиу (Уу)/Уу; /=ГЬ; Уу є иу; (7)

Ц2' Cvг)/vz; ¿=ЇТс; м2 Є и2; (8)

*,/=/ Vх1' (.хО/хі; і=и, Хі Є иХі; (9)

=!Цу/ \УУік (Уу)/У;;У=Гт; к=Щ- у} в иУ{; (10)

п; /=1, сл; ^ е и2к, (11)

где И7-универсальное множество, на котором задана переменная Я, т.е.

^ - универсальные множества, на которых заданы переменные х, у, г, т.е. х, с г/*, у! с иу, г,- с и2,-

и У,, и7к - универсальные множества, на которых заданы переменные х„ уг хк, /=1, ¿,/=1, т, к=1~п.

Информацию о соотношениях (1)-(4) представим в виде баз нечетких правил вида: ЕСЛИ - ТО, связывающих значения входных переменных с одним из возможных типов решения. Например, нечеткая база правил, описывающая связи переменной Я с входными переменными X, У, 2 будет иметь следующий вид:

ЕСЛИ (Х=Х'1) И (Г=уЛ) И... И ТО Д=Д,

ЕСЛИ (Х=Х'2) И (Г=^2) И... И (2=2*) то (12)

ЕСЛИ (Х=Х^1) И (У=У''Ч) и... И (2=2>п1) ТО Л=/?/,7=177.

Данные правила обобщим путем модифицирования в нечеткие логические уравнения, содержащие логические высказывания о взаимосвязи входных и выходных переменных разработанной иерархической системы нечеткого вывода рационального сезонного районирования лесопромышленного производства:

Л,л...*,) = (13)

где - поверхность принадлежности вектора переменных

х,,х,...х, нечеткому терму оценке X] (транспортные условия);

|1*( - функция принадлежности переменной хь /=0, нечеткому терму х(р, р=1, ву,у=1, а.

^(у„у,..ут) = (14)

где >(у 1,у2■■■)>„,) - поверхность принадлежности вектора переменных УиУ1-Ут нечеткому терму оценке У/ (природно-производственные условия);

Ур

(уд- функция принадлежности перемешюй уь 1=1,т, нечеткому термуу1Р,

где ц21(г:,г2...г„) - поверхность принадлежности вектора переменных 2,,22...2„ нечеткому терму опенке (экологические условия);

и2' С2д~ функция принадлежности переменной '¿¡р, ¡=17п, нечеткому терму г/р, р=17^,./=Гс.

где \хя!(ХХг) - поверхность принадлежности ХЛ',2 нечеткому терму-оценке Ду (индекс сезонности);

функции принадлежности переменных Х,У,2 нечетким термам Х'р, У1Р, 2™, соответственно, /)=1,/1у,у=177.

Таким образом, получена система соотношений (13)-(16), которая соответствует иерархической системе нечеткого вывода рационального сезонного районирования лесопромышленного производства (Рисунок 1) и позволяет вычислить степени принадлежности вектора значений входных переменных нечетким термам-оценкам выходной управляющей переменной - индекс сезонности.

При моделировании нелинейных объектов с непрерывным выходом нечеткое число индекса сезонности для лесного участка

I ' Й2 ^-и которое получается на выходе

алгоритма (16) следует дефаззифицировать по формуле (17):

гМах .

Я--Мах п , , ■ (17)

В четвертой главе выполнено программирование алгоритмов сезонного районирования лесопромышленного производства. В качестве инструмента для построения системы нечеткого вывода использована специализированная программная среда для «нечеткого» моделирования -ЛкгуТЕСН 6.02а.

При задании свойств лингвистических переменных для моделирования системы рационального сезонного районирования лесопромышленного производства использован стандартный метод фаззификации (приведения к нечеткости), предполагающий использование функций принадлежности стандартного типа - треугольных, трапециевидных, кусочно-линейчатых кривых.

Для получения исходных данных для «нечеткого» моделирования в 2011 году был произведен опрос специалистов и руководителей отделов служб лесообеспечения в филиалах ОАО «Группа «Илим». Основные

характеристики переменных разработанной системы нечеткого вывода представлены в Таблице 1.

Таблица 1

Основные характеристики переменных многоуровневой системы нечеткого вывода рационального сезонного районирования

Обозначение Наименование переменной Тип переменной Единицы измерения Значение переменной на универсуме Міп I Мах Наименование термов

XI Удаленность лесного участка Входная км 0 20 Малая Средняя

хг Расстояние вывозки Входная км 0 250 Малое Среднее

Уі Тшт лесорасти-тельных условий Входная класс 0 5 Сухие Сырые Мокрые

У'2 Тип леса Входная класс 0 5 Сухие Сырые

Уз Запас древесины на 1 га Входная 50 500 Малый Средний

-1 Количество подроста на 1 га Входная тыс. шт. на 1 га 0 10 Малое Среднее

22 Целевое назначение лесов Входная класс 0 3 Защитные Эксплуатационные

X Транспортные условия Промежуточная ранг 0 10 Плохие Хорошие Отличные

г Природно-производств енные условия Промежуточная ранг 0 10 Плохие Хорошие Отличные

2 Экологические условия Промежуточная ранг 0 10 Плохие

Индекс сезонности Выходная месяц 0 12 Зима Весна Лето Осень

На Рисунке 3 представлен общий вид графического интерфейса программы йггуТЕСН 6.02а с разработанной системой нечеткого вывода для сезонного районирования лесопромышленного производства

включающей входные переменные, промежуточные переменные, блоки нечетких правил и выходную управляющую переменную - индекс сезонности. Соединительные линии символизируют поток данных. Удаленность

Транспортные условия

М_Тшкр^цЫ I

Расстояние вьпк ¡¿ТТ-

1Х Х.

Е2

ТЛУ

Приро дно-производственные

1-І Рпухоеу игі В2 12 Бегот 64

Тір_1еї4 ГШ Рпг_р»йсу_ы! .Іекоі»! Тгагер ці!

і 27 ■ 1 Мп Мгч 18 • ■ |М«

Сезон

.-¡5«

ш

Экологические условия

1.1 МЫ а 81

РодіоЛ JekЫ ілі

ТР

мы 13 - ІМш

Количество подроста ¡■XX

Целевое назначение' IX X, ЫцуЫпУ^

Рисунок 3. Общий вид графического интерфейса программы ЪлтхуТЕСН6.02а с разработанной системой нечеткого вывода для сезонного районирования лесопромышленного производства

Основные характеристики разработанной системы нечеткого вывода представлены в Таблице 2.

Таблица 2

Основные характеристики разработанной системы нечеткого вывода для

Название элемента системы нечеткого вывода Количество

Количество входных переменных 7

Количество промежуточных переменных 3

Количество выходных переменных 1

Количество блоков нечетких правил 4

Общее количество правил 72

Количество функций принадлежности 32

Детальный анализ разработанной «нечеткой» модели выполнен при построении множества поверхностей нечеткого вывода. Результат анализа показал непротиворечивость модели, поскольку графики поверхностей нечеткого вывода соответствующих лингвистических переменных хорошо согласуются между собой. Отсутствие разрывов на поверхностях нечеткого вывода свидетельствует об устойчивом характере модели.

На Рисунке 4 представлен график анализа поверхности нечеткого вывода в трехмерном пространстве с отображением зависимости выходной

управляющей переменной «Индекс сезонности» от входных переменных «Расстояние вывозки» и «Тип леса».

Зегоп

250.00 5.00

Рисунок 4. Представление поверхности нечеткого вывода в трехмерном

пространстве

В пятой главе представлена методика рационального сезонного районирования лесопромышленного производства, основанная на применении методов теории нечетких множеств и ГИС технологий (далее Методика).

В качестве способа построения Методики выбран блочный принцип, при котором отдельные последовательности действий обобщаются в логические блоки, а связь между цепочками блоков производится при помощи стандартных инструментов экспорта-импорта данных. В качестве связующего элемента между логическими блоками выступает внешняя СУБД. Далее приводится основные положения разработанной Методики. А) Подготовка исходных данных для «нечеткого» моделирования включает в себя следующие этапы:

1. Создание в ГИС объектно-ориентированной модели арендуемого лесного участка.

2. Выполнение геопространственного и статистического анализа лесных участков с определением исходных данных для моделирования сезонности лесопромышленного производства.

3. Экспорт результата запросов во внешнюю СУБД.

Б) Нечеткое моделирование включает в себя следующие этапы:

1. Построение системы нечеткого вывода для сезонного районирования лесопромышленного производства;

2. Импорт СУБД с числовыми значениями входных переменных, полученных в ГИС;

3. Расчет индекса сезонности для каждого лесного участка;

4. Экспорт результатов расчета во внешнюю СУБД.

В) Районирование лесных участков на сезонные зоны лесопромышленного производства включает в себя следующие этапы:

1. Импорт внешней СУБД с результатами «нечеткого» моделирования в ГИС;

2. Агрегирование индексов сезонности, полученных на повыдельном уровне до поквартального уровня.

3. Создание тематических карт сезонности для повыдельного и поквартального уровня.

Г) Проектирование лесной дорожной инфраструктуры с использованием карт сезонного районирования лесопромышленного производства.

Экспериментальные исследования и промышленная реализация представленной Методики выполнены на базе лесных участков арендуемых ОАО «Группа «Илим» в г. Коряжма в составе «Автоматизированной системы учета лесопользования Группы Илим».

На Рисунке 5 представлен фрагмент тематической карты повыдельного уровня с районированием лесных земель на 2 сезона летний (желтый цвет) и зимний (синий цвет).

Рисунок 5. Фрагмент тематической карты повыдельного уровня с районированием лесных земель на 2 сезона

На Рисунке 6 представлен фрагмент тематической карты поквартального уровня с районированием лесных земель на 2 сезона.

Рисунок 6. Фрагмент тематической карты поквартального уровня с районированием лесных земель на 2 сезона

На Рисунке 7 представлен фрагмент тематической карты поквартального уровня с районированием лесных земель на 2 сезона с запроектированными в ГИС зимними лесовозными дорогами.

Рисунок 7. Фрагмент тематической карты поквартального уровня с районированием лесных земель на 2 сезона с запроектированными в ГИС зимними лесовозными дорогами

Произведен вычислительный эксперимент по анализу значений рассчитанных индексов сезонности с многолетней производственной статистикой сезонности лесозаготовок в филиале ОАО «Группа «Илим» в г. Коряжма. Установлена средняя относительная ошибка моделируемого сезона лесопромышленного производства с данными фактической лесозаготовки прошлых лет, которая составила 6 %.

Установлено процентное распределение площадей лесных участков планируемых в рубку на 2012-2018 г. по сезонам лесоосвоения, которое для условий аренды филиала ОАО «Группа «Илим» в г. Коряжма составило - для двух сезонов: зима-61%, лето-39%; для четырех сезонов: зима-61%, лето-30%, осень-5%, весна-4%.

Использование разработанной Методики в филиале ОАО «Группа «Илим» в г. Коряжма при проектировании лесной дорожной инфраструктуры позволило достичь в 2012 году условной годовой экономии при дорожном строительстве 16 руб/м3, о чем имеется соответствующий акт.

Основные выводы и рекомендации

1. В лесопромышленном секторе Российской Федерации имеется острая необходимость повышения эффективности транспортного освоения лесных участков и совершенствования методов проектирования лесной дорожной инфраструктуры с учетом производственных факторов и сезонно-климатических особенностей региона.

2. Данную задачу целесообразно решать путем рационального сезонного районирования лесопромышленного производства, основываясь на математических моделях позволяющих учитывать неточность и нечеткость исходных данных. В качестве математического обеспечения целесообразно применять теорию нечетких множеств, которая на сегодняшний день является наиболее перспективным и быстро развивающимся методом моделирования технологических процессов.

3. Разработана математическая модель рационального сезонного районирования лесопромышленного производства (16), позволяющая учитывать транспортные, природно-производственные и экологические условия при освоении лесного участка в различные сезоны года. При приведении к четкости выходной управляющей переменной - индекс сезонности целесообразно использовать метод центра тяжести в соответствии с формулой (17).

4. При помощи специализированной программно-инструментальной среды для «нечеткого» моделирования запрограммирована математическая модель рационального сезонного районирования лесопромышленного производства, содержащая интерактивные процедуры для многокритериального выбора сезона транспортного освоения лесного участка. Экспериментальные исследования, проведенные над

разработанной моделью, позволяют утверждать о ее адекватности и непротиворечивости.

5. На базе методов теории нечетких множеств и ГИС технологий разработана методика сезонного районирования лесопромышленного производства. Положения Методики реализованы в составе «Автоматизированной системы учета лесопользования Группы Илим».

6. Промышленная реализация разработанной Методики осуществлена на базе лесных участков арендованных ОАО «Группа «Илим» в Архангельской области. Использование Методики при проектировании лесной дорожной инфраструктуры в 2012 году позволило повысить ритмичность лесопромышленного производства и достичь условной годовой экономии при дорожном строительстве 16 руб/м3.

7. Положительный факт использования Методики в филиале ОАО «Группа «Илим» в г. Коряжма позволяет рекомендовать ее применение профильным проектным организациям и крупным лесозаготовительным предприятиями, имеющим в своей структуре подразделения по проектированию лесной дорожной инфраструктуры.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах: В изданиях, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки:

1. Андрейчук A.B. Применение систем нечеткого вывода для сезонного районирования лесозаготовительного производства / A.B. Андрейчук // Научное обозрение. 2012. № 2. С. 62-70.

2. Андрейчук A.B. Сезонное районирование транспортного освоения земель лесного фонда с применением теории нечетких множеств / A.B. Андрейчук//Системы. Методы. Технологии. 2012. № 1(13). С. 102-106.

3. Андрейчук A.B. Районирование лесных участков на сезонные зоны лесопромышленного производства на основе теории нечетких множеств. / A.B. Андрейчук// Системы. Методы. Технологии. 2012. № 3(15). С. 56-61.

В других изданиях:

4. Андрейчук A.B. Сезонное районирование транспортного освоения арендуемых лесов лесозаготовительного предприятия / A.B. Андрейчук, H.A. Тюрин, Л.Я. Громская // Сухопутный транспорт леса: материалы науч.-техн.конф. / СПб.: СПбГЛТА, 2009. С. 80-83.

5. Андрейчук A.B. Сезонное зонирование лесопромышленного производства с применением систем нечеткого вывода / A.B. Андрейчук // Молодые ученые в решении актуальных проблем науки : Всероссийская научно-практическая конференция (с международным участием). Сборник статей студентов, аспирантов и молодых ученых. Том 1 / СибГТУ. Красноярск, 2012, С. 145-147.

6. Андрейчук A.B. Влияние сезонности лесозаготовок на сохранение подроста и на лесные экосистемы / Андрейчук A.B. // Актуальные

проблемы и перспективы развития лесопромышленного комплекса: материалы Международной научно-технической конференции, посвященной 50-летию кафедры механической технологии древесины ФГБОУ ВПО КГТУ / Кострома, изд-во. КГТУ, 2012. С. 183-184.

7. Андрейчук A.B. Климатическое районирование лесных участков на сезонные зоны лесопромышленного производства с применением теории нечетких множеств / A.B. Андрейчук // ЛЕСА РОССИИ В XXI ВЕКЕ [Текст]: Материалы девятой Международной научно-технической интернет-конференции. Сентябрь 2012 г. / СПбГЛТУ им. С.М. Кирова -Санкт-Петербург, 2012, С. 148-153.

8. Андрейчук A.B., Тюрин H.A. Сезонное районирование лесозаготовительного производства с применением ГИС технологий и систем нечеткого вывода / Андрейчук A.B., Тюрин H.A. // «Современные проблемы и перспективы рационального лесопользования в условиях рынка»: материалы Международной научн.-техн. конф. молодых ученых и специалистов / Под ред. авторов. СПбГЛТУ, 2012, С. 68-71.

9. Андрейчук A.B. Рациональное сезонное районирование лесных земель с применением ГИС технологий и экспертных систем нечеткого вывода / A.B. Андрейчук // Природные ресурсы и экология Дальневосточного региона: материалы Международного научно-практического форума. Хабаровск: Изд-во Тихоокеан. гос. ун-та, 2013. С. 43-47.

АНДРЕЙЧУК АЛЕКСАНДР ВЛАДИМИРОВИЧ АВТОРЕФЕРАТ

Подписано к печати 23.10.2013. Формат 60x84/16. Бумага офсетная. Печать трафаретная.

Усл. печ. л. 1.2. Тираж 100 экз. Заказ № 3/11/2013 Отпечатано в копировальном центре «ВОССТАНИЯ 1» 191036, Санкт-Петербург, ул. Восстания, 1.

Министерство образования и науки Российской Федерации Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет им. С.М. Кирова

04201452597 На правах рукописи

Андрейчук Александр Владимирович

РАЦИОНАЛЬНОЕ РАЙОНИРОВАНИЕ ЛЕСНЫХ УЧАСТКОВ НА СЕЗОННЫЕ ЗОНЫ ЛЕСОПРОМЫШЛЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА С ПРИМЕНЕНИЕМ МЕТОДОВ ТЕОРИИ НЕЧЕТКИХ МНОЖЕСТВ

И ГИС ТЕХНОЛОГИЙ

05.21.01 - Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель кандидат технических наук, профессор Н.А. Тюрин

Санкт-Петербург - 2013

Содержание

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

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ..................................................11

1.1 Общие положения..........................................................................................................................11

1.2 Обзор научных работ по теме диссертации.................................................................................12

1.3 Критический обзор существующих методов сезонного районирования лесозаготовительного производства.........................................................................................................................................14

1.4 Выводы по главе.............................................................................................................................19

1.5 Постановка задачи диссертационного исследования.................................................................20

2 АНАЛИЗ КЛИМАТИЧЕСКИХ И ПРИРОДНО-ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ФАКТОРОВ, ВЛИЯЮЩИХ НА СЕЗОННОСТЬ ЛЕСОЗАГОТОВИТЕЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА...............21

2.1 Общие положения..........................................................................................................................21

2.2 Климатическая характеристика Северо-Западного федерального округа РФ.........................22

2.3 Прогнозирование периодов производства работ на летних и зимних лесосеках....................25

2.4 Обоснование соотношения объемов лесозаготовки в различные сезоны производства работ ................................................................................................................................................................28

2.5 Определение инженерно-геологической обстановки на лесных участках...............................29

2.5.1 Общие положения..................................................................................................................29

2.5.2 Зонально-лесотипологическая классификация лесов.........................................................30

2.5.3 Лесоинженерная классификация лесов................................................................................32

2.6 Анализ влияния природно-производственных факторов на сезонность лесозаготовок.........38

2.7 Выбор исходных данных для моделирования.............................................................................42

2.8 Выводы по главе.............................................................................................................................44

3 МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ДЛЯ СЕЗОННОГО РАЙОНИРОВАНИЯ ЛЕСОПРОМЫШЛЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА НА ОСНОВЕ МЕТОДОВ ТЕОРИИ НЕЧЕТКИХ МНОЖЕСТВ..................................................................................................................45

3.1 Общие положения..........................................................................................................................45

3.2 Основные определения теории нечетких множеств...................................................................48

3.3 Основные характеристики нечетких множеств...........................................................................49

3.4 Функции принадлежности применяемые в исследовании........................................................50

3.5 Методы построения функций принадлежности..........................................................................52

3.6 Виды экспертных оценок.............................................................................................................54

3.7 Экспертная оценка на основе метода анкетирования................................................................57

3.8 Математическая модель для сезонного районирования лесопромышленного производства, базирующаяся на методах теории нечетких множеств....................................................................59

3.9 Выводы по главе.............................................................................................................................64

4 РАЗРАБОТКА ПРОЦЕДУР ПОДДЕРЖКИ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ ДЛЯ СЕЗОННОГО РАЙОНИРОВАНИЯ ЛЕСОПРОМЫШЛЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА ПРИ ПОМОЩИ СРЕДСТВ СОЗДАНИЯ СИСТЕМ НЕЧЕТКОГО ЛОГИЧЕСКОГО ВЫВОДА.............................65

4.1 Обзор программных средств, для создания систем нечеткого вывода.....................................65

4.2 Содержательная постановка задачи сезонного районирования лесозаготовительного производства с применением систем нечеткого вывода..................................................................67

4.3 Описание проектируемой системы нечеткого вывода для сезонного районирования лесопромышленного производства....................................................................................................68

4.4 Построение системы нечеткого логического вывода в среде fuzzyTECH...............................69

4.4.1 Описание структуры разрабатываемой системы нечеткого логического вывода в среде fuzzyTECH........................................................................................................................................69

4.4.2 Фаззификация переменных проектируемой системы нечеткого логического вывода.... 72

4.4.3 Описание блоков правил системы нечеткого логического вывода...................................76

4.4.4 Анализ разработанной системы нечеткого логического вывода.......................................79

4.5 Выводы по главе.............................................................................................................................81

5 РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ СЕЗОННОГО РАЙОНИРОВАНИЯ ЛЕСОПРОМЫШЛЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА С ПРИМЕНЕНИЕМ ГИС ТЕХНОЛОГИЙ И МЕТОДОВ ТЕОРИИ НЕЧЕТКИХ МНОЖЕСТВ.............................................................................83

5.1 ГИС технологии. Основные сведения..........................................................................................83

5.2 Географические информационные системы, применяемые в лесном комплексе...................84

5.3 Методика сезонного районирования лесопромышленного производства на базе ГИС технологий и методов теории нечетких множеств...........................................................................86

5.3.1 Общие положения..................................................................................................................86

5.3.2 Блок подготовки исходных данных для нечеткого моделирования..................................86

5.3.3 Блок нечеткого моделирования.............................................................................................87

5.3.4 Блок интерпретации и представления результатов нечеткого моделирования...............88

5.3.5 Применение результатов моделирования сезонности лесопромышленного производства ...........................................................................................................................................................88

5.4 Реализация методологии сезонного районирования лесопромышленного производства на базе Автоматизированной системы учета лесопользования Группы Илим - ЛГИС....................89

5.4.1 Общие сведения об Автоматизированной системе учета лесопользования Группы Илим -ЛГИС..............................................................................................................................................89

5.4.2 Программные средства и требования к вычислительной технике....................................91

5.4.3 Подготовка исходных данных для нечеткого моделирования в ЛГИС............................92

5.4.4 Реализация блока нечеткого моделирования в специализированной среде fuzzyTECH

6.02а..................................................................................................................................................93

5.4.5 Интерпретация и представление результатов нечеткого моделирования в ЛГИС..........95

5.4.6 Применение результатов моделирования в ЛГИС..............................................................99

5.5 Статистический анализ результатов моделирования в ЛГИС.................................................101

5.6 Подведение итогов и выдача рекомендаций.........................................................................102

5.7 Оценка экономической эффективности методики сезонного районирования лесозаготовительного производства................................................................................................103

5.7.1 Общие положения................................................................................................................103

5.7.2 Расчет себестоимости дорожной составляющей вывозки леса в различные сезоны

лесопромышленного производства..............................................................................................104

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...........................................................................................................................108

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...........................................................................................................109

ПРИЛОЖЕНИЕ 1........................................................................................................................123

Программный код на языке программирования Object Pascal для определения числовых значений переменных «Удаление от транспортной сети» и «Расстояние вывозки».

ПРИЛОЖЕНИЕ 2........................................................................................................................125

Код на языке структурированных запросов в системах управления реляционными базами данных SQL для определения числовых значений переменных участвующих в моделировании

ПРИЛОЖЕНИЕ 3........................................................................................................................126

Акт реализации кандидатской диссертационной работы в ООО «Геонавигатор»

ПРИЛОЖЕНИЕ 4........................................................................................................................126

Акт реализации кандидатской диссертационной работы в ОАО «Группа «Илим»

Введение

Лесная промышленность является одной из наиболее интересных для изучения ввиду своей сложности, многосторонности, распространенности по всему миру и необходимости ее продуктов для экономики любых стран.

Продукция лесного комплекса, объем ее производства, конъюнктура данного рынка, цены и прочие показатели непосредственно связаны с расположением лесных массивов на конкретный момент времени, экологической обстановкой и политикой государства.

Древесина сохраняет свое место в современном мире как важнейший вид природного сырья, используемого цивилизацией. На протяжении последних двух десятилетий древесиной было представлено примерно 10 % предметов труда в мире. Несмотря на активную конкуренцию новых материалов и технологий, ее доля практически не снижается.

Географическое положение является важнейшим условием развития и фактором, влияющим на размещение лесной промышленности. Прежде всего - это географические координаты места, а также физико-географическое положение района относительно океана, материков, форм макрорельефа, речных бассейнов, болот и природных зон. Расположение лесных массивов определяется также и по отношению к природным объектам, оказывающим влияние на производство, и к созданным человеком элементам искусственной среды - дорогам общего пользования и лесным дорогам.

Решающим фактором развития лесного комплекса является наличие сырья и возможность использовать инфраструктуру и транспортную сеть лесопромышленных районов. Спецификой лесозаготовок является географическая разбросанность, сезонность производства и зависимость от почвенно-грунтовых условий. Возникает важная задача разделения арендуемых лесных массивов на сезонно-климатические зоны заготовки и вывозки, с учётом выше перечисленных факторов.

Потребность проектирования сезонных зон лесозаготовительного производства вытекает, прежде всего из экономических соображений в целях снижения себестоимости продукции, с минимизацией эксплуатационных и капитальных затрат на строительство дорог и производство в целом. Возникает потребность в разработке методики сезонного районирования, которая позволила бы обосновать отнесение лесных площадей к тому или иному сезону лесозаготовок, с учётом особенностей климата региона и эксплуатационных характеристик лесных насаждений.

Существенной рост эффективности оперирования с исходными данными привел к бурному развитию экспертных систем, сравнительных математических методов и распределенных баз данных. В настоящее время все шире используются методы искусственного интеллекта, основанные на нечеткой математике и логике нечетких множеств,

ИI I I I / I I I ' I ) ^

' * ¡? г !| '

позволяющие автоматизировать экспертную обработку информации и разрабатывать новые методы интерпретации геофизических данных. Объясняется это, по крайней мере, двумя причинами. Во-первых, работа с большими объемами данных, их интерпретация и совместный анализ требуют высокой квалификации специалиста. Во-вторых, это оказывается часто практически нереализуемо ввиду огромных объемов данных, подлежащих обработке. Работа на уровне хорошего эксперта редко может быть сведена к некоторому аналитическому процессу, поддающемуся формальному описанию на языке обычной математики. Тем не менее, эта деятельность поддается алгоритмизации. Так возникает необходимость создания алгоритмов, ориентированных на моделирование деятельности специалиста-эксперта в той или иной области.

Нечеткая математика и нечеткая логика обладают достаточными возможностями для моделирования человеческих представлений и рассуждений, позволяя дать строгое математическое описание в действительности расплывчатых экспертных суждений и преодолеть, таким образом, семантический барьер между человеком, суждения и оценки которого, как правило, приближенные, качественные и нечеткие, и компьютером, способным выполнять только четкие инструкции. Нечеткая математика является формальным аппаратом, способным наиболее адекватно учесть не только мнения экспертов, но и нечеткость исходных данных.

Опыт практического применения теории нечетких множеств и систем нечеткого вывода показал их достаточность, поскольку при необходимости возможен не стандартный выбор операторов для логических связок, отражающий характерные особенности конкретного приложения. Преимущество этого подхода состоит в том, что, избегая фиксированных, конкретно независимых определений нечеткая математика, реализованная в системах нечеткого вывода, достигают уровня, который повышает их гибкость и выразительные возможности.

Создание новых методов накопления и анализа геофизических данных, наряду с новыми методами их интерпретации, является важным направлением в современной лесной науке. С 60-х годов 20-ого столетия, начался переход от графического к цифровому представлению данных наблюдений и результатов интерпретации. В аппаратурном отношении это соответствовало переходу от аналогового представления результатов к цифровому. Использование цифрового представления допускает автоматическую обработку данных.

В Российской Федерации принята ведомственная целевая программа по информатизации лесной отрасли, включающая в себя порядок разработки комплекса программных средств, в основу которых входят ГИС технологии. Данная целевая программа направлена на создание единого информационного пространства в системе лесных отношений.

Технология ГИС предоставляет удобный и быстрый подход к анализу проблем и решению задач, стоящих перед лесозаготовительными предприятиями. Автоматизация процедуры анализа геопространственной информации способствует принятию оптимальных решений, основанных на современных методах и технологиях. ГИС обеспечивает ответы на запросы и функции анализа пространственных данных, представление результатов анализа в наглядном и удобном для восприятия виде в форме карт-схем и тематических карт. Наличие доступной для восприятия и обобщения информации позволяет ответственным работникам сосредоточить свои усилия на поиске решения, не тратя значительного времени на сбор и анализ разнородных данных. Применение ГИС технологий значительно повышает экономический эффект при планировании и ведении лесозаготовительного производства.

Одной из особенностей лесозаготовительного производства по сравнению с другими отраслями экономики является то, что предмет труда (лес на корню) рассредоточен на разнородных лесных массивах с ярко выраженной географической природой. Возникает необходимость в эффективном управлении лесными природными ресурсами, что и обуславливает применение ГИС в лесной отрасли.

Технико-экономическое обоснование планирования лесозаготовительного производства включает составление генерального плана промышленного освоения лесных земель и выбор технологии заготовки древесины, что предусматривает последовательное решение вопроса сезонного районирования арендуемых лесов на сезонные зоны заготовки и вывозки древесины. Важнейшее направление развития лесозаготовительной промышленности - полное и экологически безопасное освоение и использование сырьевого потенциала лесных ресурсов, которые для Российской Федерации входят в число приоритетных.

Эффективность лесозаготовок в России не может быть повышена без грамотного планирования организации лесозаготовительного производства. При этом в связи с природной спецификой лесозаготовок важнейшей задачей, является создание методики, позволяющей рационально разделить участки лесного фонда на зоны летнего и зимнего освоения.

Актуальность темы исследования определяется необходимостью повышения эффективности размещения лесной дорожной инфраструктуры и транспортно-технологических процессов лесозаготовительного предприятия путем рационального использования климатических особенностей региона с учетом фактора сезонности лесозаготовительного производства при разработке проекта генерального плана транспортного освоения арендуемых лесных земель. Рациональное районирование лесных участков на сезонные зоны заготовки и вывозки древесины позволяет на предпроектной стадии обосновать схему транспортного освоения лесных земель в зависимости от природно-производственных, транспортных и