автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.01, диссертация на тему:Синтез технологических процессов заготовки и первичной обработки древесины

На правах рукописи

ЯКИМОВИЧ Сергей Борисович

Синтез технологических процессов заготовки и первичной обработки древесины

05.21.01 - Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва-2004

Работа выполнена в Московском государственном университете леса и в Марийском государственном техническом университете

Научный консультант - доктор технических наук, профессор Редькин Анатолий Константинович,

Официальные оппоненты:

- доктор технических наук, профессор Дорошенко Виктор Андреевич;

- доктор технических наук, профессор Патякин Василий Иванович;

- доктор технических наук, старший научный сотрудник Суханов Валерий Сергеевич.

Ведущая организация - Центральный научно-исследовательский институт механизации и энергетики лесной промышленности (ОАО "ЦНИИМЭ").

Защита состоится 21 декабря 2004 года в 4-0 часов на заседании диссертационного совета Д 212.146.03 при Московском государственном университете леса по адресу: 141005, Мытищи-5, Московская обл.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного университета леса.

Автореферат разослан «_11_» ноября 2004 г. Ученый секретарь диссертационного совета

доктор технических наук, профессор

Рыбин Б.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Повышение эффективности функционирования лесопромышленного комплекса Российской Федерации является перманентной задачей отраслевого управления и отраслевой науки. Одним из наиболее значимых направлений реализации названной задачи является синтез оптимальных технологий и оптимального управления (ОУ) процессами лесозаготовок. В границах этого направления имеют место определенные научные и производственные проблемы, часть которых получила отражение на страницах отраслевых изданий. К ним относятся следующие.

1. Проблема существенного многообразия лесозаготовительных машин и комплектов, отличающихся по видам и типоразмерам, в границах от лесных комбайнов до однооперационных машин, обеспечивающих в основном потоке получение одного конечного состояния предмета труда лесозаготовок и первичной обработки. Как правило, это круглые лесоматериалы и пиломатериал. По данным НАТИ и ЦНИИМЭ в отрасли в период с 1970 по 2000 годы имело место наличие 900 типоразмеров лесосечных машин, представляющих типоразмерный ряд от лесных комбайнов до однооперационных машин. Аналогичная ситуация наблюдается и на лесных складах, где в качестве границ ряда представляются установки системы машин 1НС или моторные инструменты с одной, и комбайны циклично-поточной технологии, с другой стороны. Изложенное определяет постановку вопроса о целесообразности производства колоссального множества типов машин лесозаготовок и сложности рационального выбора из этого множества.

2. Проблема размещения производства конечного продукта лесозаготовок (на лесосеке в координатах стоящего дерева, погрузочного пункта или лесопромышленного склада) и обрабатывающе-переместительных функций в пространстве и времени, определяющих требования к лесозаготовительным машинам. В рамках этой проблемы идет поиск ответа на основной вопрос - где производить конечный продукт лесозаготовок: на лесосеке или лесопромышленном складе? Каковы области эффективного применения лесосечных и складских процессов заготовки и первичной обработки леса, с соответствующими им машинами (комплектами машин)? Равнозначны ли эти процессы или, какие из них могут получить большее развитие?

3. Проблема оптимального управления процессом заготовки, обработки древесины (в дальнейшем процесс лесозаготовок) и машинами, реализующими этот процесс в оптимальном режиме как эволюцию состояний предмета труда лесозаготовок в пространстве и времени.

Для решения представленных проблем.пгп^пп чиапимоотъ тмюбре-тает разработка теоретических основ

технологическими процессами, рассматриваемыми, прежде всего, как непрерывные или дискретно-непрерывные эволюции объема (состояния) и положения предмета труда лесозаготовок; эволюции, которые определяются траекторией процесса и управлением, обеспечивающим эту траекторию. Поэтому представленная работа рассматривает проблему синтеза оптимальных процессов и оптимального управления ими на лесозаготовках и вытекающие из нее метод, частные случаи метода и соответствующие им методики, математические модели и технические решения.

Диссертационная работа выполнена в рамках основного научного направления «Технология лесозаготовок» Московского государственного университета леса по соответствующему федеральному направлению научных исследований Министерства образования РФ и хоздоговорной тематики №487/00 «Разработка технологии и комплекта машин(машины) с совмещенными функциями для производства пиломатериалов и сортиментов» между Пермской лесопромышленной компанией и Марийским государственным техническим университетом.

Цель и задачи исследований. Целью настоящей работы является разработка основ теории синтеза оптимальных процессов и оптимального управления технологическими процессами лесозаготовок, создание средств реализации этих основ в виде метода, методик, моделей, постановок задач, программных средств (баз данных) и технических решений, обеспечивающих эффективность проектируемых процессов и машин, а также управления в процессе обработки и перемещения предмета труда лесозаготовок.

Поставленная цель обеспечивается решением следующих задач.

1. Системный анализ, структуризация проблемы, классификация и определение иерархии пространств состояния, управления и оптимизации, содержательное описание и дополнение парадигмы в области теории синтеза и оптимального управления технологическими процессами лесозаготовок.

2. Формулирование гипотезы возможности формализации, измерения и математического описания технологического процесса (ТП) лесозаготовок как эволюции, определяемой движением изменяемого при обработке объема(массы) предмета труда(ПТ) в пространстве состояний и времени. Разработка концептуального и математического представления ТП, а также методики промышленного эксперимента для процесса с целью экспериментального и теоретического доказательства положений гипотезы.

3. Планирование, проведение и оценка результатов промышленного эксперимента на основе моделей динамики для существующего процесса лесозаготовок и присушего ему комплекта машин. Обобщение результа-

тов частного эксперимента на различные комплекты машин и лесные регионы Российской Федерации в целом.

4. Конструирование уравнений состояния и интегральных (терминальных) функционалов, отражающих физическую сущность непрерывно-дискретных технологических процессов заготовки и первичной обработки древесины.

5. Разработка математических моделей, постановка и решение задач синтеза оптимальных технологических процессов заготовки и обработки древесины (синтеза оптимальных траекторий процессов и соответствующих им управлений) в пространстве состояний и времени по энергетическим критериям и по критерию быстродействия.

6. Преобразование постановок задач оптимального управления, отражающих непрерывный или смешанный процесс лесозаготовок, в постановки задач нелинейного программирования в математических программных средах и их решение.

7. Разработка методики определения размещения и степени совмещения обрабатывающе-переместительных и транспортных функций в пространстве и времени на основе траекторий и оптимальных управлений синтезированных процессов и выдвижения на этой основе технологических требований к проектируемым машинам, а также к режимам их функционирования.

8. Проведение анализа решений и сопоставление синтезированных технологических процессов лесозаготовок.

9. Определение частных случаев применения метода синтеза оптимальных траекторий и управления процессами лесозаготовок, разработка математических моделей, методик, постановок задач оптимизации и технических решений.

10. Разработка программного обеспечения и обоснование возможности применения математических программных сред для реализации изложенных задач синтеза оптимальных технологических процессов.

11. Апробация результатов работы в промышленных условиях и оценка эффективности реализованных проектов на базе существующих машин хлыстовой и сортиментной технологий.

Объекты и методы исследования. Объектами исследования являлись технологические процессы, машины и предмет труда лесозаготовок. Методологическая основа исследований определялась системным подхо-' дом, объединяющим в приложении к объектам исследования теорию промышленного эксперимента для процессов, теорию резания древесины, вариационное исчисление и теорию оптимального управления, методы исследования операций, математического моделирования и программирования, методы теории вероятности, математической статистики и теории случайных процессов.

Научной новизной работы являются основы теории синтеза оптимальных технологических процессов заготовки и первичной обработки древесины, содержащие:

1) метод синтеза оптимальных технологических процессов, реализующий измерение технологических процессов в интервальной шкале, и синтез оптимальных траекторий и присущих им управлений, на базе которых определяются оптимальные размещение и степень совмещения об-рабатывающе-переместительных и транспортных функций в координатах пространства-времени, соответственно, виды(типы) машин лесозаготовок и режимы их функционирования;

2) содержательное описание парадигмы теории синтеза и оптимального управления процессами лесозаготовок;

3) уравнения состояния и интегральные (терминальные) функционалы, отражающие физическую сущность технологических процессов лесозаготовок;

4) математические модели, постановки и решения задач синтеза оптимальных траекторий технологических процессов и управлений в пространстве состояний и времени по энергетическим критериям и по критерию быстродействия;

5) методику определения сечений для наблюдений процесса лесозаготовок при промышленном эксперименте на основе моделей динамики;

6) методику определения размещения и степени совмещения обра-батызающе-переместительных, транспортных функций в пространстве -времени на основе траекторий и оптимальных управлений синтезированных процессов и выдвижения технологических требований к проектируемым машинам, а также к режимам их функционирования;

7) частные случаи применения метода синтеза оптимальных траекторий и управлений процессами лесозаготовок, их математические модели, методики, постановки задач оптимизации и технические решения.

Значимость для теории и практики. Разработанный метод синтеза оптимальных технологических процессов лесозаготовок позволяет: выполнять измерение технологических процессов в интервальной шкале; синтезировать оптимальные траектории и присущие им управления, на базе которых определяется оптимальное размещение обрабатывающе-переместительных функций в координатах пространства-времени; определять режимы функционирования и технологические требования к проектируемым машинам по совмещению функций лесозаготовок и, как следствие, виды и типы лесозаготовительных машин. Данный метод и соответствующие ему методики, математические модели, уравнения состояний, постановки задач в математических программных средах позволяют применить теорию систем автоматического управления и синтеза опти-

мальных регуляторов к специфическим технологическим процессам лесозаготовок.

Практическая ценность заключается в: - сужении множества возможных видов и типов машин лесозаготовок на основе оптимальных размещении и степени совмещения функций в пространстве и времени; -снятии неопределенности размещения производства конечного продукта лесозаготовок, обусловленной неполным формализованным представлением физики технологического процесса; - возможности определения оптимальных режимов функционирования машин лесозаготовок. Частные случаи приложения метода синтеза оптимальных траекторий и управлений процессами лесозаготовок, математические модели, методики, постановки задач оптимизации, технические решения и программное обеспечение (мультимедиа база данных) могут быть использованы в качестве основы для решения текущих задач проектирования, эксплуатации и управления производством лесопромышленного комплекса.

Основные положения, выносимые на защиту:

1) метод синтеза оптимальных технологических процессов лесозаготовок, реализующий измерение техно логических процессов в интервальной шкале, синтез оптимальных траекторий и присущих им управлений;

2) уравнения состояния и интегральные функционалы, отражающие физическую сущность технологических процессов лесозаготовок;

3) математические модели, постановки и решения задач синтеза оптимальных траекторий технологических процессов и управлений в фазовом пространстве и времени по критерию быстродействия и удельной энергоемкости процесса;

4) методика определения координат сечений для наблюдений при промышленном эксперименте на основе моделей динамики процессов лесозаготовок и соответствующих им комплектов машин;

5) частные случаи применения метода синтеза оптимальных траекторий и управлений процессами лесозаготовок и их математические модели, методики, постановки задач оптимизации и технические решения;

6) методика определения размещения и степени совмещения обраба-тывающе-переместительных, транспортных функций в пространстве -времени на основе траекторий и оптимальных управлений синтезированных процессов и выдвижения на этой основе технологических требований к проектируемым машинам, а также к режимам их функционирования;

7) рекомендации по синтезированным оптимальным технологическим процессам и координатам размещения обрабатывающих и перемес-тительных функций, режимам и требованиям по степени совмещения функций к машинам лесозаготовок.

Достоверность исследований доказана результатами промышленного эксперимента и анализом решений (оценка корректности) постав-

ленных задач вариационного исчисления, оптимального управления, исследования операций и математического программирования, а также использованием фундаментальных положений теории резания и механики.

Реализация работы. Основные результаты работы внедрены в учебный процесс Московского государственного университета леса, Марийского государственного технического университета и Уральского лесотехнического университета в дипломном проектировании и дисциплинах «Математическое моделирование и оптимизация технологий лесозаготовок», «Управление процессами лесозаготовок», «Информационные технологии в отрасли».

Промышленное внедрение имеет место на двух лесопромышленных предприятиях Пермской области, в Пермской лесопромышленной компании (ПЛПК) и ОАО «Басковский леспромхоз» в виде рекомендаций по применению хлыстового или сортиментного способа лесозаготовок и использования рекомендуемых комплектов машин, технологических карт и схем. Разработанные под руководством и при непосредственном участии автора программные продукты (мультимедиа база данных руководителя, проектировщика и технолога лесозаготовительного производства, оптимизации выбора комплектов машин) использовались в названных предприятиях при комплектовании парка лесозаготовительной техники в рамках программ местного развития и обеспечения занятости для шахтерских городов и поселков, определенных постановлением от 14 февраля 2002 г. № 184-р Правительства РФ и приказом Министерства энергетики РФ от 19 июня 2002г. №185(регистрационный номер 3687), финансируемых за счет средств государственной поддержки угольной отрасли.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы представлялись: - на ежегодных научных конференциях Марийского государственного университета (с 1988 по 2003 годы) и Московского государственного университета леса (с 2000 по 2004 годы); - на всероссийских и региональных конференциях «Механизация и автоматизация пере-местительных работ на предприятиях лесного комплекса» (Московский лесотехнический институт, Мытищи, 1989г.), «Ресурсосбережение в лесной, деревообрабатывающей и мебельной промышленности» (Пермский дом науки и техники НТО, Пермь, 1991 г.); - на международных конференциях «Рациональное использование лесных ресурсов» (Марийский государственный технический университет, Йошкар-Ола, 1999 и 2001 годы), «Новые технологии и устойчивое управление в лесах Северной Европы» (Петрозаводский государственный университет, Петрозаводск, 2001 г.), «Социально-экономические и экологические проблемы лесного комплекса» (Уральский государственный лесотехнический университет, Екатеринбург, 2003 г.), «Системный подход в науках о природе, человеке, технике. Моделирование сложных систем (алгоритмы анализа и модели-

рования систем)» (Таганрог, Таганрогский государственный технический университет, 2003 г.); - на всероссийских выставках «Мультимедиа в образованиии-94 и 95» Министерства образования РФ (Москва, 1994 и 1995 годы).

Публикации. Основное содержание диссертации представлено в 42 печатных работах, в том числе в 4 учебных пособиях, 13 патентах и авторских свидетельствах, 3 свидетельствах на регистрацию программ и баз данных.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, восьми разделов, заключения, списка литературы и приложений, представленных во втором томе. Общий объем работы: первый том -339с, второй-228с. машинописного текста; 80 рисунков, 63 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. Сформулированы проблемы и обоснована их актуальность, изложены цель и задачи исследования, научная новизна, значимость для теории и практики, положения, выносимые на защиту, и личный вклад автора.

1. Системный анализ состояния теории и практики синтеза и оптимального управления технологиями лесозаготовок. Структурированы иерархия и классификационные признаки моделирования и оптимизации технологии лесозаготовок, определена сфера их приложения. Классификационные признаки и иерархия уровней представлены в таблице 1.

Таблица 1

Классификационные признаки и иерархия уровней

Виды оптимизации (факторы управления при поиске оптимальных решений) Пространства состояний технологии лесозаготовок Неопределенность условий выбора

Параметрическая ^ Объектно-структурная ^ Функционально-структурная ^Целевая (оптимизация целей) ^Детерминированное-случайное ^Дискретное-непрерывное^ Состояний предмета труда-метрического пространства-времени Знаний Действий ^ Целей

Языки выбора: критериальный; бинарных отношений; функций выбора.

На основе представленных классификационных признаков выполнен системный анализ состояния, дано содержательное описание парадигмы моделирования и оптимизации в сфере лесозаготовок и показан вклад ученых Архангельского ГТУ, Белорусского ГТУ, Братского ГТУ, Брянской ГИТА, Воронежской ГЛА, Костромского ГТУ, Марийского ГТУ, Московского ГУ леса, Петрозаводского ГУ, Санкт-Петербургской ГЛА, Сибирского ГТУ, Уральского ГЛТУ, Ухтинского ГТУ, Хабаровского ГТУ, ГНЦ лесопромышленного комплекса РФ, ЦНИИМЭ, ВПКИлес-

маш, СНПЛО, КарНИИЛП, СевНИИП, КирНИИЛП и других научно-исследовательских организаций лесного комплекса РФ в формировании данной парадигмы.

Показана эффективность каждого из видов оптимизации и распространенность их в исследованиях технологий лесозаготовок. Дан анализ степени использования в моделировании лесозаготовок выделенных уровней пространств состояний. Отмечено, что неразрешенность поставленных в общей характеристике работы проблем обусловлена тем, что известные методы формализованного синтеза оптимальных технологий лесозаготовок представлены параметрическим и объектно-структурным уровнями. Для структурной оптимизации множество альтернатив генерируется автоматизировано (этого требует колоссальное многообразие видов и типоразмеров лесных машин), на основе теоретико-множественного описания. Качество базы для генерации альтернатив определяется способностями и опытом разработчика.

Установлено, что технологические процессы лесозаготовок в основном моделируются и оптимизируются как дискретные детерминированные или случайные последовательности состояний ПТ или (и) операций машин посредством имитации, ТМО, динамического программирования, теоретико-множественного описания, дискретных марковских цепей, моделирующих случайные состояния рабочих органов, отдельных машин, комплектов машин лесозаготовок. Непрерывное пространство состояний представлено производительностью и траекториями перемещения ПТ и (или) машин в одно-(линейном), двух-(плоскостном), трехмерных (объемном) пространствах состояний с учетом различных видов неопределенностей, а также во времени в виде случайных непрерывных процессов, моделирующих производительность лесозаготовительных машин и динамику воздействия на движитель машины профиля пути.

Установлены ограниченность сферы применения непрерывного пространства состояния, отсутствие моделирования в координатах «пространства-времени-объема предмета труда» и представления технологического процесса как стохастического процесса изменения объема ПТ по маршруту и во времени.

Сформулированы выводы, определившие цель работы и задачи достижения поставленной цели посредством математического моделирования и оптимизации законов (траекторий) процессов лесозаготовок на основе теории оптимального управления, характеризующих изменение пространственных координат и объема предмета труда во времени и допус-каюших возможность управления.

2. Представление и идентификация лесозаготовок как стохастических управляемых процессов перемещения и изменения объема предмета труда. Сформулированы основные положения гипотезы, опре-

деляющей представляемый метод моделирования и возможность отображения реального ТП лесозаготовок в форме физико-математической модели: 1) технологический процесс (ТП) лесозаготовок, как совокупность, по общепринятой дефиниции технологических и переместительных действий, определяющих изменение формы (размеров, объема) и положения предмета труда (ПТ), может быть измерен и формализован математически; 2) способ измерения, математического моделирования, оптимального управления и синтеза технологических процессов представляется соответствующим методом, физико-математический аппарат которого основан на теориях резания, производительности, динамики машин лесозаготовок, вариационного исчисления, оптимального управления и стохастических процессов.

Введено понятие идеального технологического процесса без заданной структуры с неопределенными размещением и степенью совмещения обрабатывающе-переместительных и транспортных действий (функций), в котором учитываются сопротивления и другие факторы, характеризующие изменение объема ПТ и его перемещение от начального до конечного состояний. Понятие сечения идеального технологического процесса представляется поперечным разрезом маршрута технологического процесса и соответствует операции.

Рис. 1. Случайные функции реализаций и функция математического ожидания Е[У,(Т)) стохастических процессов перемещения и изменения объема ПТ

Для синтеза выделены два уровня иерархии: 1) технологического процесса и 2) операции. Даны выражения для определения степени совмещения обрабатывающе-переместительных и транспортных функций в пространстве и времени. Идеальный ТП рассматривается как управляемый объект (система), состояние которого отражается вектором фазовых координат х(() и снабженных «рулями» по

Л.С. Понтрягину. При движении объекта фазовая точка х({) =

описывает в фазовом пространстве кривую, называемую фазовой траекторией. Управление или программа рулей определяется функ-

циями и (/). Для технологического процесса лесозаготовок траекторией

является зависимость (кривая, геометрическая линия), характеризующая изменение объема ПТ У(1) и его перемещение к конечной позиции маршрута. Пример подобного представления дан на рис. 1.

Выдвинутые положения гипотезы и понятия технологического процесса лесозаготовок формализованы математическим моделированием. Получена область допустимых решений (ОДР) в непрерывном пространстве состояний и координатах «пространства-времени-объема предмета труда» (см. рис 2.) в допущении согласованности производительности на смежных сечениях ТП.

Рис. 2. Область допустимых решений задач синтеза технологических процессов

Траектория 2 на рисунке 2 отображает полную обработку ПТ в начале маршрута с последующей транспортировкой полученной продукции и оставлением остальных видов отделяемых лесопродуктов на другие технологические процессы, то есть, размещение обрабатывающе-переместительных функций в координатах стоящего дерева. Например, обработка в координатах дерева на пиломатериал и транспортировка последнего. Траектория 3 на этом же рисунке отображает транспортировку предмета труда в начальном состоянии без обработки от начальной позиции маршрута и обработку его до конечного состояния в конечной позиции. Например, транспортировка дерева от пня на лесопромышленный склад и обработка его на пиломатериал в конечной позиции. Промежуточная ситуация, представленная траекторией 1, характеризует обработку ПТ до конечного состояния с отделением отходов и попутной продукции в процессе его транспортировки и выгрузку готовой продукции в пункте прибытия. То есть, этот процесс отображает совмещенные транспортировку и обработку предмета труда от начального состояния и начальной позиции маршрута до конечного состояния и конечной позиции.

С учетом полученной ОДР поставлена в общем виде вариационная задача синтеза оптимальных траекторий технологических процессов. Найти такую траекторию при которой функционал

{А^,^./)«!/тт(тах) и удовлетворяются ограничения на энерге-

тический, массовый потоки, границы области допустимых значений траектории и экологические требования.

Методика практических приложений синтезированных траекторий основана на определении отделяемого объема компонентов ПТ и соответствующих этим компонентам координат размещения или совмещения об-рабатывающе-переместительных и транспортных функций в пространстве и времени.

Промышленный эксперимент на основе моделей динамики технологического процесса проводился на предприятиях лесного комплекса Пермской области и республики Марий Эл. Цель эксперимента - доказательство положений гипотезы (выделение признаков стохастичности и детерминированности процесса перемещения и изменения объема ПТ, наличия ансамбля реализаций в виде случайных функций), а также проведение идентификации в широком смысле.

ю

вектор входа

Технологический процесс лесозаготовок

A{l(t)}

V(t,l)

вектор состояний

вектрр дополнительных сигналов ^ (шум измерений) о(1,1)

Измерительные устройства у(( /)

р{У(иШ1)} —* '

вектор откликов

Рис. 3. Схема идентификации технологического процесса лесозаготовок

i

4L «ffi ^ff

а

«У

(VJÜWA) ОМ) ОМ) WA) WA) ОМЗ WA)

Рис. 4. Схема позиций измерений отклика по сечениям ТП

Схема идентификации ТП лесозаготовок представлена на рис. 3, а в качестве модели процесса принята безынерционная модель типа тренда в

координатах пространства (длина маршрута ТП) V(t,l) ~ V(t, I, 8) + o(t,l), здесь, V(t,l, ö) - известная с точностью до параметров 9 функция изменения объема ПТ от времени (пути), 0(t,l)- случайная составляющая ошибок наблюдений, р{ "}- операторы.

Эксперимент носил активный характер с управлением количеством и координатами позиций измерения для адекватного отображения непрерывного процесса, а также количеством реализаций для получения адекватной средней линии тренда и оценок распределений по сечениям ПТ. Координаты позиций измерения представлены на рис. 4, обозначения и

1(а,Ь)

представление реализаций-на рис. 5.

Рис. 5. Графическое представление реализаций р технологического процесса, его сечений и точек измерений V, функции математического ожидания У(!)

Координаты сечений V определялись исходя из теоремы

Котельникова - Найквиста и позиций детерминированного изменения объема ПТ. Матрица плана для условий Пермской лесопромышленной компании, на основе принятой структуры модели, имеет следующий вид:

здесь верхняя строка матрицы пред-

0 0 14 26 170 300 320 350

елг Н

1/8 1/8 1/8 1/8 1/8 1/8 1/8 1/8 ставляет координаты сечений ТП, нижняя - относительные числа (доли) повторных наблюдений от общего объема выборки М= 1200. Фрагмент результатов эксперимента представлен на рис. 6.

0 45 О 42 0ЭВ I. 0 35

031 0 28 .

-1---9

■ 1 • > т •

- -; -

Г-"*"-.' ■'Г'] у/г ■ •«•"**' ~ •'-"-;'у*у"'"'' .......................^ ......

17 5 36 52 5 70 87 5 105 122 5 140 1 >7 5 175 192 5 210 227 5 245 202 5 280 287 5 315

332 5 350

Рис. 6 Графики ограниченного множества экспериментальных реализаций процесса в натуральных единицах

По итогам эксперимента установлено, что объем ПТ распределен по закону нормального распределения и определены оценки среднего статистического и дисперсии для всех сечений.

На основе полученных оценок по сечениям обоснованы структуры модели функции математического ожидания К(<,/) процесса (рис.7), и посредством линеаризации идентифицированы коэффициенты 9 уравнений тренда.

ризующий грузовую работу при /=280м, составил: для ТП)- 219м , ТПг-193м, ТПз -81м. Представленные значения функционалов подтверждают измеримость процессов в интервальной шкале.

3. Синтез оптимальных траекторий технологического процесса лесозаготовок по критерию быстродействия. Раздел отражает на уровне иерархии технологического процесса лесозаготовок задачу синтеза оптимальной траектории по критерию технологической производительности (ритма процесса), известную в теории вариационного исчисления и оптимального управления как задача о быстродействии. Под ритмом процесса понимается время Г рабочего хода, в течение которого изменяемый объем ПТ при переходах из начального через промежуточные в конечное состояния доставляется из начальной в конечную позицию маршрута ТП. Задача поставлена и решена в относительных безразмерных единицах,

определяемых отношением Уф/ V, где V - средний объём начального состояния предмета труда. Аналогично I — 1,НС , где I, - текущее расстояние, определяющее положение V, на маршруте ТП в 1-й момент времени,

Ь

среднее расстояние транспортировки изменяемого предмета труда до

Синтез оптимальных траекторий реализован постановкой и решением изопериметрической задачи, которая преобразована к общей задаче Ла-гранжа (задача безусловной оптимизации). Постановка задачи в общем виде формулируется следующим образом.

Найти траекторию ТП У(1), при которой функционал

при заданном значении объема

1 V'

отделяемых компонентов yQ = j 'dl и граничных условиях по объему в

о lt

начальном и конечном состояниях ПТ F(0) = 1,V(\) = VK,no скорости изменения объема в начальном и конечном состояниях ПТ К/(0) = 0, V¡(1) - 0, а также по условию не возрастания объема предмета труда в процессе его транспортировки и обработки V'{1) < 0. (1)

В постановке обозначены: V¡- скорость изменения объема; l'¡ ;-скорость транспортировки изменяемого объема (нижние индексы означают производную по соответствующей переменной, í - время, I - путь);

9. = -J vj1 +1¡2 - результирующая скорость. Преобразование к задаче безусловной оптимизации выполнено на основе функции Лагранжа

1 V

L =-7—г- + A,q—f, h> - множитель Лагранжа. По-

V'2 +l¡2 eos(arctg

ív'\

y¡

v

i¡

иск экстремали (оптимальной траектории ТП) реализован исходя из необходимого условия на базе уравнения Эйлера ¿у = 0 • Синтезиро-

' <И '

ваны оптимальные траектории в фазовых координатах V, I для характерных законов результирующей скорости изменения объема и транспортировки ПТ, представленных на рис. 8.

Аналитически синтезированные решения и траектории ТП для заданных на рисунке 8а законов имеют следующие зависимости и представлены на рисунке 9.

При 9(1) =сопз1, У(1) = к1 + Ь. (2)

При 9(1)=к1, 0</<0,5 и Щ=(-\ +1)к, 0,5</< 1,

у = -—М-(ск1)2 +1+— на участке 0</<0,5, (3)

ск ск

У{ = — л/1 ~(ск!)2 +2 (ск)21-(ск)2 +с2 на участке 0,5</<1. (4) ск

Здесь с, С2 - постоянные интегрирования, определяемые из граничных условий. Графики на рис. 9 соответствуют граничным условиям К(0) = I, У(\) = УК= 0,2.

У(1)

0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1

• * Ч»________

-V 2

N

2.______ . 1

Ь 3 N

; \

> * \ 1 ч ........

! ...... ........ .......1......

0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9

Рис. 9. Траектории У(1) изменения объема и транспортировки ПТ: 1- Щ=йот\%1; 2-при равных значениях и V,, 9(1)=к I и к(1-1у, 3- с раздельными обработкой и транспортировкой ПТ

Синтезированные решения и траектории ТП для заданного на рисунке 86 закона не имеют аналитического решения. Обусловлено это тем, что интегралы конечного выражения представляют собой эллиптические интегралы 2-го рода Е(к,(р). В этой связи задача преобразована к конечномерной методом сеток, применяемым непосредственно к функционалам (в смысле их преобразования в интегральные суммы) и ограничениям на фазовые координаты с уравнениями состояния. Синтез оптимальной траектории для преобразованной задачи выполнен на основе постановки и решения ее, как задачи нелинейного программирования, представленной

-Г-ШЛКО.

Найти такие допустимые переменные V,, при которых функционал

9

■I

1+

20 10

1 + 2

1 м J

ДI,

~> ПИП,

(5)

у, +т-\)г

условия К/(0) = 1;Г1/(1) = 0,2,

удовлетворяются граничные V/ (0,5) = Уц (0,5) и ограничения по запасам ПТ вида

Синтезированная траектория имеет форму, совпадающую с траекторией 2 на рис. 9, и отличается большим значением функционала (5). В разделе выполнен анализ решения, результаты которого представлены в выводах. По итогам этого анализа з'становлено, что наиболее эффективной по быстродействию и минимальной по длине является траектория, представленная позицией 1 на рис. 9. Технологический процесс на основе этой траектории реализуется лесозаготовительной машиной, выполняю-

щей одновременно сбор, обработку и транспортировку предмета труда лесозаготовок до конечной точки маршрута. Траектория 3 представляет наименее эффективный по быстродействию процесс, который предполагает первоначальную обработку ПТ и затем транспортировку готового продукта.

4. Синтез оптимальных процессов лесозаготовок по энергетическим критериям. В разделе дано обоснование критерия удельной энергоемкости ТП и его представление сверткой двух весьма важных отдельных критериев - мощности N (энергии Э) и производительности /7ч(объема V) N Э г ЛИГ

8 э =

Д„

-или

Я =-= Г1

у } у

(6)

Определены факторы управления, состояния и ограничения в задачах минимизации удельной энергоемкости ТП. Ограничения конструируются на основе физической сущности процесса, граничных условий и определяют ОДР по мощности, скорости изменения объема и транспортировки ТП, геометрией и размерами ПТ, вместимостью межзубовых пространств и другими условиями работоспособности режущего инструмента. Постановка задачи синтеза ТП дана в относительных, безразмерных и абсолютных переменных, для которых разработаны интегральные функционалы удельной энергоемкости и уравнения состояния ТП. Выполнен анализ решений.

Постановка задачи оптимизации траектории ТП лесозаготовок в относительных, безразмерных переменных по критерию удельной энергоемкости процесса имеет следующий вид.

Найти такую траекторию технологического процесса У(1) и соответствующее ей размещение состояний предмета труда по маршрут)' (или размещение обрабатывающе-переместительных функций и степень их совмещения с транспортными в пространстве и времени маршрута ТП), при которой функционал

8э= } О

7(1)

Л -> тт

и удовлетворяются ограничения на граничные условия

Г(0)=К, Г(10= П, Г,(0М, о,

на предельные значения объема и скорости изменения объема ПТ

Г(1)<утах, У,(1) <Г'тах

и режимы транспортировки/'(^ /'шах- (7)

Подынтегральное выражение +/к[Гт/*[УЖ^[УШ1+[8рУ(1)/+Сс№(У'1,1)/р] является скалярным представлением функций сопротивлений при транспортировке и делении

предмета труда лесозаготовок. Здесь, р - объемная масса 1 м3 ПТ, f - коэффициент сопротивления перемещаемого груза (коэффициент трения); а'„ - коэффициент, учитывающий нормальные силы сопротивления, возникающие в процессе резания (силы отжима); /р - коэффициент трения от нормальных сил сопротивления, возникающих в процессе резания, - удельная сила резания в функции от скорости изменения объема; - функция площади сечений ПТ в соответствии с

видом резания; - функция от текущего значения

П; ^ГПI) =МУ',(1)ШУ'1(1)]и[У'т и(У',)- функция скорости подачи; и(У'1) - функция скорости резания.

Представленная постановка дана в пространстве фазовых переменных. Для постановки и решения задачи оптимального управления во времени разработаны дифференциальные уравнения состояний технологического процесса, моделируемого как эволюции изменения объема и(или) перемещения предмета труда. Развиты и уточнены понятия: скорости

IIV

изменения объема ПТ в форме первой производной по времени-= У,

Л '

показывающей, на сколько изменяется (уменьшается) объем предмета труда в основном технологическом потоке, или какой объем отделяемой компоненты ПТ для ответвляющихся технологических потоков отделяется в единитге впемени, а в форме первой производной по координате расстояния = VI - на сколько изменяется объем ПТ, или какой объем отделяемой компоненты ПТ отделяется при его перемещении на единицу дпины маршрута ТП; производительность в контексте уточненного понятия скорости изменения объема - это объем ПТ, прошедший через

сечение основного потока технологического процесса в единицу времени. Понятие сечения потока имеет эквивалент практики лесозаготовок - обрабатывающее действие или совокупность обрабатывающих действий в идеальном ТП, операция в реальном ТП (см. рис. 4). К сечению также относится понятие мгновенной производительности.

Вывод уравнений состояния ТП выполнен на основе установленной связи (см. рис. 10) предложенного метода описания траекторий с существующими методами описания и оценки эффективности систем, отображающих ТП лесозаготовок. Формализация этой связи выполнена в следующей последовательности: 1) определение соответствия скорости изменения объема ПТ V/ и производительностей П1 ;-х технологических действий, которые (производительности) детально рассмотрены в существующей теории; 2) определение соответствия между П1 и энергосиловыми выражениями теории резания; 3) конструирование дифференциальных

уравнений состояния на основе уравнений динамики, баланса мощности или энергии для описания и выбора траекторий с оценкой эффективности ТП лесозаготовок. Первый пункт представленной методики реализован выражениями

П, - Я,+1 = -= —^----,/ = 1 ,п, здесь

А/

М

п, .Ни. далее,»

Л/ Д/-И) А/ Л

(8)

ОД/ Д/ Дг, I

Рис. 10. Графическая интерпретация соответствий между производительностью и скоростью изменения объема ПТ

Баланс мощности в идеальном ТП определяет выражение объемной скорости^) и подводимой мощности, распределяемой между рабочими переместительными(подачами) и разрушающей связи древесины дейст-виями(резанием) выражением

Ы1т = Ыр + Ыи = кЬНи+ айкЬНи= кЬЩ\+а0), (9)

где и - скорость подачи, к - удельная работа резания, Ъ,Н - параметры пропила, ао=а'ои/о - коэффициент, учитывающий распределение мощности на нормальную составляющую. С использованием выражений (6)...(9) разработаны функционал удельной энергоемкости g■¡, система дифференциальных уравнений состояния идеального ТП и другие ограничения. Поставленная на этой основе задача синтеза оптимального технологического процесса в обозначениях, принятых в теории оптимального управления, имеет следующий вид.

Найти такой процесс (траекторию технологического процесса Уф и управления и'г её обеспечивающие, а также соответствующее полученной траектории размещение обрабатывающе-переместительных функций и

степень их совмещения с транспортировкой в пространстве и времени маршрута ТП), при котором функционал

( ' \]~р ¿К

рЬ-х2 +р^(/со8а±зта)

|х2 +

мг

V_/

1+ао)

процесс соответствует системе дифференциальных уравнений состояний

х1 =х2

х2 =

иг " Ке„ g(f сое а ± бш а)

х2-р-х3-8

х3

хЧ-Ъ^-^-Н- (1+а0)

1

1-я

и удовлетворяются ограничения: по номинальной мощности

г I \1 -р

рК(5«2 + соза±5та)

*2 +

3 2 «г и,

к/^М1+«0)

"г

по условиям размещения опила

(1 -и\)-Иа

а-Н

/Ср-Ь^^-Г-Н-(1 + а0) на управления 0<и\ <1, 0 <и* <УН-Ук, 0 <и] <108; по граничным условиям х з: У,(0)=Уи, У1(Т)=Ук>' х/: /((0)=0,/,(7) =4; х2:1,'(0)=0,1,'(Т)=0 (или Г,к). (10)

В постановке задачи: х'= Щ\ х2 или х' - скорость транспортировки (перемещения) ПТ; х3=У$)\ (¡^-коэффициент распределения и использования мощности в обрабатывающе-переместительных и транспортных процессах; и?-ЬУт(1) - объем отделяемых компонентов ПТ; и?=и(1)\ ^„-номинальная мощность;^ =СрНшр-коэффициент, учитывающий вклад в удельную работу резания шага !ш, вида пиления и типа

режущего инструмента р, а также постоянных Ср при определении кц по эмпирической зависимости А.Л. Бершадского; 8 - коэффициент, учитывающий инерцию вращающихся масс привода; /- коэффициент сопротивления качению и (или) волочению, а также протаскиванию (перемещению) ПТ при его обработке; а - угол, учитывающий направление движения ПТ; Ях - путь, на котором выполняется деление древесины; - показатель, уточняющий вид пиления и тип режущего инструмента; - коэффициент площади впадины, - напряженность работы межзубовой впадины.

В связи с невозможностью получения аналитического решения для постановки задачи оптимизации (10) выполнено преобразование в конечномерную форму на основе сеточных методов. Конечномерная постановка задачи для N=20 интервалов содержит 92 переменных и 165 ограничений. При решении поставленной задачи использован метод Марквардта. Одно из решений в виде оптимальных траекторий и управлений синтезированного ТП дано на рис 11.

В последующем дана постановка и получено решение задачи для реального ТП в режиме рабочего хода без заданной структуры, но с учетом кпд и массовых характеристик (на примере форвестера «Сеньор»). В уравнения состояния и постановку задачи в целом введены ограничения по прочности режущих органов, дополнительные сопротивления и кпд:

- кпд трансмиссии, - кпд движителя, - кпд передачи рабочих переместительных органов, - кпд передачи от двигателя к режущим органам, - коэффициент, учитывающий затраты на трение, определяемое типом режущего органа.

Поставленная задача преобразована в конечномерную задачу нелинейного программирования. Анализ решения показал аналогичность формы оптимальной траектории реального ТП траектории идеального ТП. При этом, для заданных сопоставимых граничных и иных условий значение удельной энергоемкости реального ТП выше на 25%. По итогам анализа сделан вывод о равнозначности и оптимальности по критерию удельной энергоемкости технологических процессов (траектории 2, 3 на рис. 2) с обработкой вертикально расположенного дерева в координатах пня или любой позиции лесопромышленного склада (погрузочного пункта). Наименее эффективным по этому же критерию является процесс, оптимальный по быстродействию (траектория 1 на рис. 2). Режим для регулирования оптимальных по ^ процессов определяется условием постоянства скорости перемещения и изменения объема ПТ. Аналитически решена упрощенная постановка задачи (7) для оценки степени эффективности полученных процессов в интервальной шкале. Итоги решения подтвердили изложенное выше и определили сравнительные оценки различных ТП, которые представлены в выводах.

В разделе на основе представляемого метода разработаны модели ТП с заданной структурой и конечными состояниями ПТ для известных способов - хлыстовой, сортиментный, включая процессорный и харве-стерный. В основу описания положены разработанные уравнения состояний, которые формируют переходы в виде ветвей между узлами сети ТП. Математическая модель совокупности ТП для конечных и промежуточных состояний ПТ включает две составные части: 1) расчетную структурную схему ТП (по типу рис. 12,13) с направлениями (ветвями), отражающими закономерности потоков изменения объема (хлысты, сортименты, сучья, щепа и пр.) и позициями (узлами) разделения потоков изменяемого объема ПТ и машин лесозаготовок; 2) совокупность математических выражений, описывающих взаимозависимость количественных характеристик элементов расчетной схемы, законы транспортировки (перемещения)

и изменения объема ПТ во времени, а также функционалы по каждому из процессов в отдельности. Тогда, из рис. 12 полным маршрутом ТП отражается совокупность процессов, осуществляющих изменение и транспортировку объема различных видов ПТ, представляемых ветвями графа и имеющих, по крайней мере, один общий узел для разветвляющихся процессов или процесса разделения ПТ на компоненты. Для формирования системы уравнений на основе материального баланса в узлах и в ветвях графа использованы законы Кирхгофа и графическое представление совокупности ТП для п состояний ПТ (см. рис. 13).

О А// М2 Ы, Ып I

Рис.12. Графическая интерпретация траекторий изменения объема (ветвей) и узлов совокупности ТП лесозаготовок

Рисунок 13 представляет дискретно-непрерывный процесс харве-стерной технологии с конечными основными состояниями предмета труда - сортимент и пиломатериал. Обозначения в соответствии с номерами узлов и ветвей (в окружностях) даны в подрисуночной надписи.

Ветви в прямых переходах между состояниями представляют математически формализованные обрабатывающе-переместительные и транспортные процессы, отражаемые дифференциальными уравнениями состояний, а в обратных переходах - холостые переместительно-транспортные процессы. Например, переход № 3 из состояния 1 в состояние 3 определяет обрабатывающий процесс отделения сучьев и перемес-тительный в виде протаскивания ствола или рабочего органа с соответст-

вующими дифференциальными уравнениями состояния.

Рис 13 Граф ТП лесозаготовок с процессами холостых движений машин и рабочего оборудования для сортиментной харвестерной технологии 0 - стоящее дерево, 1- поваленное дерево, 2- пнекорневая часть, 3- сучья, 4 - сортименты, 5- опил, 6 - сортименты, за исключением пиловочника, Н-1 - пиловочник, 1+2 - необрезной пиломатериал, /+3 - горбыль, п-обрезной пиломатериал, т-4 - процесс холостого хода харвесгера (и)или его перемести-тельных устройств, т-3 - процесс холостого хода транспортно-сортировочных устройств (форвадера) для пиловочника, т-2 - процесс холостого хода транспортно-сортировочных устройств дм других видов сортиментов, т-1 - процесс холостых перемещений устройств продольной распиловки

Постановка задачи оптимального управления и синтеза совокупности технологических процессов, определяемых п-состояниями предмета труда лесозаготовок по критерию удельной энергоемкости, имеет следующий вид. Найти процессы для совокупности ТП лесозаготовок (траектории X ^, X' и управления йг) и соответствующие им размещение и степень совмещения обрабатывающе-переместительных и транспортных

функций в пространстве и времени такие, при которых функционал Т

Л

Р 8

J

+ Р ё\1 сова ±зта

2

ДГ+-» ]

ЬГ

У р

('-"Л

Ъ V"«}Щ 1 I 1

1 + а„

Ж

тт

Л.

где „. Iх) или х) в зависимости от степени использования в по-

" I =-;--~~

следующем компонентов ПТ, получаемых в ходе процессов, описываемых двумя и более ветвями, выходящими из узла; технологические процессы совокупности соответствуют уравнениям состояний в матричной форме

X = в(Х) • иг; уравнениям материального баланса в узлах и соединениям узлов в матричной форме А • Х^ = ; уравнениям баланса скорости изменения объема разделяемых компонентов ПТ и материального

баланса в ветвяхXX^ = = а также удовлетворяют-

' 3 1 3

ся ограничения: по номинальной мощности в у~й ветви (для ветвей ] и с полностью используемыми в дальнейшем компонентами ограничение по мощности вводится только дляу'-й ветви):

J

р дс35 -х2 +р х3р/ соБа ±эта

¿N

по условиям размещения опила в межзубовом пространстве для у'-й ветви

1

РГ1

© •/

огН}

на управления о й и\ й 1 0<и^ <УИ - ; по граничным условиям х?(0) = Г„г х1(Т) = УУкп, х'(0) = 0, х\{Т) = 1кп, дг,2С0) = 0, хл2(7>0;

на координаты размещения узлов 0 5 х, (0) < .

(П)

В постановке обозначены: - доля соответствующего компонента ПТ у'-ветви относительно потока, принятого за основной из выходящих потоков для узла /; А - матрица инцидентности, описывает соединения я узлов и т ветвей; X, иг, в(Х) - матрицы переменных состояния, управления и правых частей уравнений состояний, содержащие субматрицы вида

Решение поставленной задачи определяет законы управления для регуляторов машин лесозаготовок с различной степенью совмещения об-рабатывающе-переместительных и транспортных функций, а также координаты: размещения узлов (входа-выхода операции).

5. Частные случаи и технические приложения метода синтеза технологических процессов и машин. В разделе излагаются частные случаи метода оптимального синтеза технологических процессов и требований к машинам лесозаготовок. Представлены патентно защищенные технические решения, в основе которых использованы результаты изложенного ранее метода синтеза оптимальных технологических процессов и требований к машинам лесозаготовок, а также зарегистрированная в фонде алгоритмов и программ для ЭВМ мультимедиа база данных руководителя и технолога предприятия.

Поставлена и решена (для условий Пермской лесопромышленной компании по критериям стоимости и энергоемкости) задача линейного программирования по формированию комплектов машин на основе распределения состояний ПТ по маршруту технологического процесса лесозаготовок. При этом представляемый в работе метод моделирования реализуется частным случаем дискретной последовательности состояний и положений машин, отражающих соответствующие состояния и положения предмета труда. Постановка задачи дана ниже.

Найти такие значения содержания Ри в долях единицы ьх состояний ПТ в >х позициях маршрута ТП, для которых целевая функция

э = £ЕЧС!Л тт(тах) ' )

и соблюдаются следующие ограничения: Х^Х^/ = 1;

' У

по условиям исключения невозможного /-го состояния в /-*(;'= 1,1) позициях маршрута ТП Р1т -Рпо = 0, /т;«ое7? ({//и;ио}

- множество пар невозможных состояний в у = 1,1 позициях маршрута);

на присутствие в выбранном варианте ТП ву'-й позиции начального и конечного состояний ПТ (ограничение на завершенность производственного цикла> 0. Х^;>0>у' = и); ; }

на согласование по пропускной способности процесса смежных /-х состояний ПТ в у'-х позициях маршрута ТП \\уРу -кргРрг\ =

(рг е Б) (5 - множество р-х состояний в г-х позициях, смежных ш состояниям ПТ в у'-х позициях маршрута ТП, - допустимое расхождение по пропускной способности 1-Х и р-х состояний ПТ в у'-х позициях маршрута ТП);

на допустимые последовательности 1-х состояний ПТ в у'-х позициях маршрута Тц = |(/ = 1, А:)} б Пк;

на не отрицательность Ру> 0, / = 1,1; у = 1,1.

В функции цели: Ху- средняя интенсивность появления г-х состояний ПТ в у'-х позициях маршрута, Су -показатели эффективности г-х состояний ПТ в у-позициях. Сформирован комплект машин для ПЛПК с удельной энергоемкостью равной 6,63 кВт.ч/м3.

Рассмотрен частный случай постановки и решения задачи по обеспечению безостановочного перемещения транспортной (базы машины) и максимальной загрузки технологической (поворотная платформа, манипулятор, ЗСУ) частей лесозаготовительной машины посредством обоснования скоростных режимов машин лесозаготовок с совмещенными технологическими и переместительными действиями. По итогам эксперимента определены законы распределения потоков входящих (интервалов времени между поступлениями деревьев в зону рабочего органа непрерывно движущейся машины) и выходящих заявок. Для решения задачи использованы полученные статистические оценки математического ожидания

времени цикла ц = 1Лобр и дисперсии уаг(1)=>а2. Решение выполнено на основе формулы Поллачека-Хинчина Ь8 = Ял + А,2[1обр2 + уаг(10бр)]/2(1 -Д>бР), где Ь5 -среднее число деревьев в системе, шт.; X - интенсивность входного потока деревьев, шт./с.; ^-среднее время обработки дерева (время цикла), е.; уаг^р) - дисперсия времени обработки дерева, с2. Итог

решения - рекомендации по режимам скорости перемещения машины для различных таксационных условий и повышение производительности на 17...30%.

6. Практические приложения результатов исследований и их эффективность. В разделе излагается сравнительная оценка экономической эффективности результатов формирования комплектов машин на основе приложений метода синтеза оптимальных процессов, внедренных в Пермской лесопромышленной компании. Сопоставительная оценка выполнена для сортиментного и хлыстового способов при конечном состоянии предмета труда «сортимент», различных комплектах машин и годовых объемов лесозаготовок. Построены аппроксимирующие зависимости показателей эффективности в функции от годового объема лесозаготовок.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

Выполненные в работе системный анализ, структуризация проблемы, содержательное описание и развитие парадигмы в области теории синтеза и оптимального управления процессами лесозаготовок определили следующие выводы.

1. Экспериментально и теоретически определено, что технологический процесс лесозаготовок, как совокупность, по общепринятой дефиниции обрабатывающе-переместительных и транспортных процессов, определяющих изменение формы (объема) и положения предмета труда, может быть измерен в интервальной шкале и формализован математически, посредством включения в модель процесса фактора изменяемого объема предмета труда по маршруту в непрерывно-дискретном пространстве состояний и времени. Экспериментально доказано, что технологические процессы лесозаготовок представляют собой ансамбль реализаций, содержащих стохастическую и детерминированную составляющие. Детерминированная составляющая ТП описывается функцией математического ожидания, характеризующего изменение среднего объёма предмета труда по маршруту технологического процесса, и рассматривается как результат воздействия некоторых детерминированных факторов. Такими факторами являются пространственные и временные координаты размещения функций по преобразованию предмета труда. Стохастическая составляющая определяется в большей степени стохастическими характеристиками

предмета труда и долями содержащихся в нем компонентов. Для существующих процессов определенную стохастичность вносит неравномерность времен циклов лесозаготовительных машин. Ансамбль реализаций технологических процессов лесозаготовок по всем сечениям в условиях проведения эксперимента характеризуется нормальным распределением и полностью определяется нелинейными (нестационарными) оценками среднего и дисперсии. Пространство состояний технологического процесса имеет математически определенную область допустимых решений, конфигурация которой зависит от наличия или отсутствия запасов, а также включения (не включения) в модели группового или параллельного способов обработки и транспортировки предмета труда.

2. При проведении промышленных экспериментов над процессами лесозаготовок матрицы плана эксперимента необходимо разрабатывать в соответствии с позициями сечений ТП, координаты и количество которых определяются исходя из степени полноты отображения детерминированной и(или) стохастической составляющих процесса. Форма траектории и структура аппроксимирующей ее зависимости определяется координатами размещения обрабатывающе-переместительных функций в пространстве маршрута ТП. Полученные аппроксимации функций математического ожидания описывают траектории существующих технологических процессов с приемлемой для практических приложений погрешностью не более 8%. Значения коэффициентов в аппроксимирующих выражениях определяются долями компонентов, содержащихся в предмете труда, и значениями координат расстояния, на котором происходит их отделение.

3. Возможные и существующие технологические процессы лесозаготовок отличаются по структуре зависимостей, описывающих траектории, и значениями интегральных и (или) терминальных функционалов, определяющих расстояние (расхождение) между технологическими процессами. Изложенные характерные признаки и возможность измерения ТП на этой основе в интервальной шкале позволяют сравнивать различные процессы с сопоставимыми условиями по начальным и конечным состояниям и координатам положения предмета труда.

4. Из анализа оптимальных решений в безразмерных переменных по критерию быстродействия (ритма) для траекторий при равных граничных условиях, следуют выводы.

4.1. Сопоставительный анализ результатов (за базу для сравнения принимаются минимальные время и длина траектории технологического процесса, рис.2 и рис. 9, траектория 1) позволяет заключить, что оптимальный технологический процесс при законе изменения результирую-

щей скорости с равными в безразмерном представлении ско-

ростью изменения объема и скоростью транспортировки предмета труда (лесозаготовительная машина с совмещенными обработкой и транспортировкой ПТ), имеет преимущества по быстродействию:

сравнительно с технологическим процессом с распределением скорости изменения объема и транспортировки предмета труда по закону (лесозаготовительная машина с совмещенными обработкой и транспортировкой ПТ) и соответствующей ему фазовой траекторией (рис.9, траектория 2) - на 8,7 %;

сравнительно с технологическими процессами (технологией лесного комбайна, выполняющего обработку ПТ в координатах стоящих деревьев и затем лишь его транспортировку, или транспортировку ПТ и затем его обработку) и соответствующими фазовыми траекториями (рис. 9, траектория 3 и рис.2, траектории 2 и 3) - на 100%;

сравнительно с технологическим процессом, определяемым законами скорости транспортировки (1'=к 1, к(1-1)) и скорости изменения обье-ма предмета труда по маршруту ТП, представленных на ри-

сунке 86 (лесозаготовительная машина, совмещающая обработку и транспортировку ПТ с равными постоянным ускорением до середины расстояния транспортировки и далее с постоянным замедлением до конечной позиции транспортировки) - на 27,1 %.

Аналогично эффект по длинам траекторий составляет в порядке следования перечисленных ранее технологических процессов: 8,1%; 40,6%; 26,6%; и дополнительно определен эффект, равный 25%, сравнительно с длиной траектории по хлыстовой технологии (рис 7, ТП1.

4.2. Для обеспечения наиболее эффективного совмещения и размещения транспортных и технологических действий на маршруте ТП по критерию быстродействия достаточно соблюдения следующих условий: -постоянное выполнение совмещенных обработки и транспортировки ПТ по маршруту ТП; - постоянство скорости транспортировки; - одновременное завершение процессов транспортировки и обработки ПТ в конечной позиции маршрута ТП. Соблюдение изложенных условий определяет максимальное расхождение ритма ТП не более чем на 9 %.

4.3. Совмещение обрабатывающе-переместительных функций в пространстве (например, в координатах позиции дерева, хлыста и пр.) и отделенная от обработки транспортная функция неэффективны по критерию быстродействия (технологической производительности ТП) сравнительно

с последовательным их выполнением и совмещением с транспортировкой по маршруту.

Практически режим совмещения технологических и транспортных операций наиболее эффективен и может найти применение при переездах лесозаготовительных машин на смежные объекты лесозаготовок (переезды с позиций на позиции на лесосеке и лесопромышленных складах). В этой связи одним из основных технологических требований к проектируемым машинам лесозаготовок является обеспечение возможности обработки ПТ и в координатах растущего дерева и, при незначительной трансформации, в процессе перемещения при переездах на смежные объекты.

5. На основе постановок задач и результатов синтеза оптимальных процессов лесозаготовок по критерию удельной энергоемкости процесса следует заключение.

5.1. Скорость изменения объема предмета труда в форме первой производной по времени или по координатам пространства, а также уточненное в контексте представляемого метода синтеза оптимальных процессов понятие производительности рекомендуется использовать как основу вывода дифференциальных уравнений состояний процесса лесозаготовок. Методика определения соответствия между скоростью изменения объема ПТ и производительностью, а также конструирования дифференциальных уравнений состояния ТП может быть использована для различных способов деления древесины. Разработанная система дифференциальных уравнений, отражающая состояние процесса лесозаготовок в любой момент времени посредством определения и формализации характера связи между общими переменными, описанными отдельными зависимостями в теориях резания, производительности, энергобаланса и динамики лесных машин, рекомендуется к использованию при моделировании технологических процессов и получении соответствующих решений в виде траекторий, программ управления перемещением и изменением объема предмета труда и машинами лесозаготовок.

5.2. Постановка задачи оптимизации траектории и разработанный интегральный функционал удельной энергоемкости ТП лесозаготовок в безразмерных координатах «объем предмета труда - расстояние маршрута» позволяют реализовать обоснованный выбор оптимальной траектории ТП аналитическим решением. Форма траектории и ее математическое выражение определяют отвечающие этой форме степень совмещения (раз-м е щ ¡обрабатывайте пгртамтшгшщгмм »и транс ы х функций лесозаготовиганвяда процесса.

С*

5.3. Сравнение процессов (наилучшего по удельной энергоемкости с обработкой ПТ в координатах стоящего дерева на лесосеке или складе ТПЭ и существующих хлыстового ТП], харвестерного ТПз и наилучшего по быстродействию ТПб, представленного на рисунках 2 и 9, траекторией 1), синтезированных аналитически в пространстве состояний «объем предмета труда - расстояние маршрута» на основе аналитической модели (при сравнении исключена постоянная часть транспортной составляющей), определило, что сравнительно с перечисленные процессы имеют большую удельную энергоемкость:

1,55 раза.

5.4. Использование уравнений состояний ТП и постановка задачи оптимизации в координатах «объем предмета труда - расстояние маршрута ТП-время», как задачи оптимального управления по критерию удельной энергоемкости, позволяет дополнительно, кроме оптимальной траектории и, соответственно, размещения или степени совмещения обрабаты-вающе-переместительных и транспортных функций, получить численные значения функционалов удельной энергоемкости, выделить управления и определить законы управлений, реализующих эту траекторию. В качестве управлений рекомендуется принимать: размещаемые по маршруту ТП объем отделяемых от основного потока компонентов ПТ или соответствующая им изменяемая масса; коэффициент распределения и использования номинальной мощности; скорость резания или подачи при делении ПТ; скорость транспортировки и перемещения изменяемого объема или массы предмета труда.

При невозможности получения аналитического решения дифференциальных уравнений и поставленных задач оптимизации рекомендуется выполнить преобразование постановок в конечномерную форму посредством разностных аппроксимаций и решать преобразованные задачи, как задачи нелинейного программирования.

5.5. Анализ оптимальных решений и синтезированных в координатах «объем предмета труда - расстояние маршрута ТП-время» технологических процессов (траекторий и управлений) по критерию удельной энергоемкости определил:

оптимальными процессами при равной степени компактности размещения обрабатывающе-переместительных функций являются процессы, реализующие полную обработку ПТ в координатах стоящих деревьев или в координатах вертикально расположенного предмета труда на погрузочном пункте (лесопромышленном складе) при условии полного использования доставленной в эти пункты древесины, а также процесс, совме-

щающий транспортные и сортировочные действия, при котором объем ПТ (например, щепы и др.) остается постоянным;

сравнительная, в интервальной шкале, оценка удельной энергоемкости процессов, синтезированных в размерном пространстве «объем предмета труда - расстояние маршрута ТП-время» при одинаковых граничных условиях определила, что процесс (ГПд), наилучший по удельной энергоемкости (первоначальная обработка предмета труда в вертикальном положении и последующая его транспортировка), эффективнее наилучшего по ритму процесса с совмещенными транспортировкой и обработкой ПТ (ТПб) в 3,6 раза;

технологические процессы лесозаготовок с траекториями на границах области допустимых решений являются равными по критерию удельной энергоемкости, при зеркальной симметрии траекторий сравниваемых процессов, относительно траектории наилучшего по быстродействию процесса (ТП6);

методика размещения функций лесозаготовок в пространстве и времени на основе объемов отделяемых компонентов предмета труда рекомендуется к использованию при трансформации полученных оптимальных траекторий технологических процессов в практические приложения.

5.6. Проведенный анализ синтезированных оптимальных процессов лесозаготовок снимает пространственную неопределенность позиций размещения обрабатывающе-переместительных функций. Исходя из целевого функционала удельной энергоемкости определено, что процессы лесозаготовок равнозначны при получении конечного состояния ПТ: и в координатах растущего дерева, и в координатах любой позиции лесопромышленного склада при вертикальном положении дерева. Затем следуют менее эффективные процессы, обрабатывающе-переместительные функции которых реализуются на лесосеке у пня в площади, покрываемой поваленным деревом, а на складе - в любой позиции лесопромышленного склада в площади такого же размера и так далее, по аналогии, в направлении менее эффективных уровней иерархии. Равнозначность процессов в интервальной шкале обеспечивается одинаковой степенью компактности размещения обрабатывающе-переместительных функций и обязательностью исключения потерь древесины при транспортировке, а также реализации всех компонентов ПТ, доставленных для обработки. Соответственно представленному размещению обрабатывающе-переместительных функций выстраивается функциональный ряд машин лесозаготовок по приведенному критерию эффективности процесса от более эффективных к менее эффективным. Данный ряд представляется следующим образом:

- лесные комбайны или моторные инструменты, ведущие обработку в координатах вертикально расположенного дерева на лесосеке или лесопромышленном складе, и транспортные машины для сырья или полученной продукции;

- лесозаготовительные машины или моторный инструмент, выполняющие обработку в пределах площади, покрываемой лежащим деревом, на лесосеке или лесопромышленном складе и так далее, в направлении большей распределенности по маршруту обрабатывающе-перемести-тельных функций.

Наименее эффективным, по критерию удельной энергоемкости, является процесс с распределенными по маршруту обрабатывающе-переместительными функциями, представляемыми комплектом одноопе-рационных машин или комбайнов, совмещающих обработку ПТ с его перемещением, в ходе которого отделенные отходы теряются или сбрасываются с машины.

5.7. Наименее энергоемкими являются процессы с постоянными скоростью изменения объема и перемещения предмета труда и машин лесозаготовок, при прочих равных условиях.

6. Метод синтеза оптимальных технологических процессов лесозаготовок и оптимального управления имеет свое развитие и отображается частными случаями задач распределения дискретных состояний ПТ и соответствующих им функций по маршруту технологического процесса.

Качественное решение задач такого типа обеспечивается разработанной мультимедиа базой данных (свидетельство об официальной регистрации базы данных №2001620183) удельных показателей известных лесозаготовительных машин для множества состояний ПТ в соответствующей позиции.

7. Для любых машин, реализующих режим перемещения с одной рабочей позиции на другую, может быть выполнено совмещение перемещений машины и обрабатывающе-переместительных действий рабочих органов во времени. Эффективность машин, совмещающих транспортные и обрабатывающе-переместительные действия при переездах между рабочими позициями, составляет для различных таксационных характеристик 17...30% по критерию производительности сравнительно с машинами, функционирующими по традиционной технологии.

8. Технологические требования по оптимальным степени совмещения и размещению транспортных и обрабагывающе-переместительных функций, определенные на основе метода синтеза и оптимального управления технологическими процессами лесозаготовок, реализованы в па-

тентно защищенных технических решениях (а.с. СССР № 1447658, 1542484, 1685760, 1551238, 1715583, 1763182, патенты РФ № 2100107, 2117537, 2123421,2155672, 2180774,2135351 ).

9. Экономическая эффективность от внедренных в Пермской лесопромышленной компании в 2001 году результатов работы составила: по удельным эксплуатационным затратам - 4,42...4,65 руб/м3; по фондоемкости - 6,11...7,84 руб/м3; по комплексной выработке - 0,2 м3/ч-день; по рентабельности 30...39%.

Публикации по диссертационной работе Учебные пособия с грифом Министерства образования РФ

1. Якимович СБ. Процедуры эффективного выбора для объектов лесозаготовок: Учебное пособие. -Йошкар-Ола: МарГТУ, 1995.-176 с.

Учебные пособия с грифом УМО

2. Технология и оборудование лесопромышленных производств. Справочные материалы: Учебное пособие/ ЮА. Ширнин, СБ. Якимович, Л.Н. Чемоданов, Е.М. Царев.-Йошкар-Ола: МарГТУ, 1999-252с.

3. Технология и оборудование лесопромышленных производств: Учебное пособие/ Ю. А.Ширнин и др.- Йошкар-Ола: МарГТУ, 2001.-84 с.

4. Якимович СБ., Редькин А.К., Степанов В.Е. Информационное обеспечение в лесном комплексе: Учебное пособие-Йошкар-Ола: МГУле-са-МарГТУ, 2003 .-208с.

Статьи

5. Ласточкин П.В., Якимович С. Б. Оценка динамического совершенства технологических схем сортировки круглых лесоматериалов посредством манипуляторов. Технология лесозаготовок и транспорт леса: Межвуз. сб. научн. тр./ЛТА. -Л., 1985.-С83-86.

6. Якимович СБ. Функциональная гибкость ГАП лесозаготовок/Механизация и автоматизация переместительных работ на предприятиях лесного комплекса: Тезисы докладов V всесоюзной научно-технической конференции.- М.: МЛТИ, 1989.-С.238-240.

7. Якимович СБ. Оптимизация объемов производства продукции переработки древесины. Лесосечные, лесоскладские работы и транспорт леса: Межвуз. сб. научн. тр./ЛТА. - Л., 1989.-С.53-56.

8. Якимович СБ., Шулепов С.Л. Определение характеристик потока деревьев при непрерывном режиме работы валочно-пакетирующих ма-шин//Изв. высш. уч. заведений. Лесной журнал. - Архангельск, 1990.— №6.-С 49-52.

9. Якимович СБ., Шулепова О.А. Обоснование скоростных режимов валочно-пакетирующих машин с совмещенными функциями//Изв. высш. уч. заведений. Лесной журнал. - Архангельск, 1992. - № 3 - С. 33-37.

10. Якимович СБ. Исчисление объема потока лесопродуктов как системного критерия технологических процессов лесозаготовок//Труды МарГТУ, вып.2: Материалы научной конференции профессорско-преподавательского состава/ч.2. Йошкар-Ола, 1996.- С. 96-98.

11. Якимович СБ. Измерение и проектирование технологических процессов лесопромышленного комплекса/МарГГУ. - Йошкар-Ола, 1997. - 29с. - Деп. в ВИНИТИ, № 1931-В97.

12. Якимович СБ. Технологические процессы лесопромышленного комплекса (ЛПК): функционалы и проектирование// Труды МарГТУ, вып.5: Материалы научной конференции профессорско-преподавательского состава/ ч.2. Йошкар-Ола, 1997.- С.65-68.

13. Якимович СБ. Состояния предмета труда и обрабатывающие действия - основа для измерения и синтеза технологических процессов// Материалы международной научно-технической конференции «Рациональное использование лесных ресурсов» - Йошкар-Ола: МарГТУ, 1999-С 103-105.

14. Якимович СБ., Камелин Л.Е. Повышение производительности лесообрабатывающих машин при совмещении действий//Материалы международной научно-технической конференции «Рациональное использование лесных ресурсов» - Йошкар-Ола: МарГТУ, 1999.- С. 126-127.

15. Редькин А.К., Якимович СБ., Способ моделирования и проектирования технологических процессов лесопромышленного комплекса. М.: МГУЛ // Лесной вестник. - 2000. - №4. - С.55-69.

16. Якимович СБ. К оценке границ применимости сортиментного и хлыстового способов лесозаготовок// Технология лесопромышленного производства и транспорта: Сб. тр. / Под ред. Ю.Д. Силукова/ УГЛТА, Екатеринбург, 2000.-С. 145-152.

17. Якимович СБ. Оптимизация технологического процесса лесозаготовок в форме задачи о быстродействии// Материалы международной научной конференции «Новые технологии и устойчивое управление в лесах северной Европы»- Петрозаводск: ПетрГУ, 2001- С.156-158.

18. Якимович СБ., Володина И.Ю. Формирование комплектов машин лесозаготовок на основе распределения состояний предмета труда по маршруту технологического процесса. М.: МГУЛ // Лесной вестник. -2001.-№2.-С128-136.

19. Якимович СБ., Зорин А.Н., Бекренев А.С. Обоснование выбора ленточнопильных станков// Материалы международной научно-практической конференции «Рациональное использование лесных ресурсов».- Йошкар-Ола: МарГТУ, 2001. - С. 110-112.

20. Якимович СБ., Степанов В.Е. Моделирование информационных процессов лесопромышленного комплекса// Материалы международной

научно-практической конференции «Рациональное использование лесных ресурсов»- Йошкар-Ола: МарГТУ, 2001. - С. 188-189.

21. Якимович СБ., Бекренев А.С. Лесной комбайн для получения пиломатериалов и сортиментов на стоящем дереве: принципы работы и результаты расчета // Труды МарГТУ. Вып.8, ч.2.-Йошкар-Ола, 2001.-С.6-8: РЖ «Технология и оборудование лесозаготовительных, деревообрабатывающих и целлюлозно-бумажных производств»/ ВИНИТИ-№11.-2002.

22. Якимович СБ. Оптимальное размещение технологических функций по маршруту лесозаготовительного процесса// Социально-экономические и экологические проблемы лесного комплекса: Сборник материалов международной научно-технической конференции/Уральский государственный лесотехнический университет. - Екатеринбург, 2003.-С.200-201.

23. Якимович С. Б. Где производить конечный продукт лесозаготовок - на лесосеке или лесопромышленном складе? //Лесная промышлен-ность.-2003.-№4.-С 16-19.

24. Якимович С. Б. Оптимальное управление процессами лесозаготовок: уравнения состояний. М.: МГУЛ // Лесной вестник. - 2003. -№3(28).-С.96-103

25. Якимович СБ. Постановка и решение задачи синтеза и оптимального управления технологическими процессами лесозаготовок.-М.: МГУЛ // Лесной вестник. - 2003. -№5(30).- С. 149-160

26 .Якимович СБ. Качество областей поиска оптимальных решений/ Материалы международной научной конференции «Системный подход в науках о природе, человеке и технике». - Часть 5. - Таганрог: ТРТУ, 2003.-С. 104-105.

Авторские свидетельства и патенты

27. Авторское свидетельство СССР №1447658. Роторный стволооб-рабатывающий станок // Якимович СБ. - Заявлено 13.07.88: Опубликовано 30.12.88/Бюл. Открытия. Изобретения-№48.

28. Авторское свидетельство СССР №1551238. Стволообрабаты-вающий роторный станок// Якимович СБ. - Заявлено 10.03.88: Опубликовано 30.12. 88/Бюл. Открытия. Изобретения-№48.

29. Авторское свидетельство СССР №1542484. Лесозаготовительная машина// Якимович СБ., Мубаракшин Р.Х., Шулепов С.Л., Зулкарова Г.З. - Заявлено 11.05.88: Опубликовано 15.02.90/Бюл. Открытия. Изобретения.- №6.

30. Авторское свидетельство СССР №1685760. Устройство для предотвращения опрокидывания транспортного средства// Якимович СБ., Мубаракшин Р.Х., Шулепов С.Л. - Заявлено 25.04.88: Опубликовано 23.10.91 /Бюл. Открытия. Изобретения.-№39.

31. Авторское свидетельство СССР №1715583. Роторная раскряжевочная установка для лесоматериалов// Якимович СБ., Камелии Л.Е., Дарькина СП. - Заявлено 06.06.89: Опубликовано 29.02.92/Бюл. Открытия. Изобретения.- №29.

32. Авторское свидетельство СССР №1763182. Способ групповой очистки деревьев от сучьев и подвижная бункерная установка для его осуществления// Якимович СБ., Кузнецов А. Г. - Заявлено 26.11.90: Опубликовано 23.09.92/Бюл. Открытия. Изобретения.-№35.

33. Патент №2100107 РФ. Устройство для сортировки и транспортировки технологической щепы// Якимович СБ., Путилов А.Л., Лукина Т.А. - Заявлено 10.11.94: Опубликовано 27.12.97/ Бюл. Открытия. Изобрете-ния-№36. ,

34. Патент №2117537 РФ. Сортировочно-транспортная установка// Якимович СБ., Сюсюкин А.П., Таланцева Л.В. - Заявлено 24.06.96: Опубликовано 20.08.98/Бюл. Открытия. Изобретения.-№23.

35. Патент № 2123421 РФ. Установка для переработки древесины на щепу// Якимович СБ. - Заявлено 13.08.96: Опубликовано 20.12.98/ Бюл. Открытия. Изобретения-№35.

36. Патент № 2135351 РФ. Сучкорезно-окорочное устройство для обработки стоящих деревьев// Якимович СБ., Дьячков О.Е., Ткаченко В.Ю. - Заявлено 24.06.98: Опубликовано 27.08.99/ Бюл. Открытия. Изобретения.- №24.

37. Патент № 2155672 РФ. Способ переработки древесины и установка для его осуществления// Якимович СБ., Камелин Л.Е., Безденежных Д.Е., Третьяков Д.Ю., Трофимов А.Б. - Заявлено 21.06.99: Опубликовано 10.09.2000/ Бюл. Открытия. Изобретения- №25.

38. Патент № 2180774 РФ. Лесной комбайн// Якимович СБ., Редь-кин А.К., Зорин А.Н., Русов Д.Е., Тулынин Ф.П., Бекренев А.С - Заявлено 27.06.00: Опубликовано27.03.02/Бюл. Открытия. Изобретения-№9.

39. Патент № 2233073 РФ. Лесной комбайн// Якимович СБ., Редь-кин А.К., Зорин А.Н. - Заявлено 02.07.02: Опубликовано 27.07.04/ Бюл. Открытия. Изобретения-№21.

Свидетельства об официальной регистрации программ для ЭВМ и баз данных

40. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №980662. Программа "Планшет", версия 2.0.// Якимович СБ., Сте-риопуло Д.А. Заявлено 31.07.98: Опубликовано 17.11.98 /Бюл. №1. Программы для ЭВМ Базы данных.-50с.

41. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №980663. Программа "Планшет Про", версия 2.0.// Стериопуло Д.А., Якимович СБ. Заявлено 31.07.98: Опубликовано 17.11.98 /Бюл. №1. Программы для ЭВМ. Базы данных.-50с.

42. Свидетельство об официальной регистрации базы данных №2001620183. Мультимедиа база данных руководителя, проектировщика и технолога лесопромышленного производства (МБДР-ЛП).// Якимович СБ., Якимович С.С., Бутенин С.А., Царев Е.М. Заявлено 04.05.01: Опубликовано 17.08.01/ Бюл. №3. Программы для ЭВМ. Базы данных. -50с.

Просим Ваши отзывы на автореферат в двух экземплярах с подписями, заверенными гербовой печатью, направлять по адресу: 141005, Мытищи-5, Московская обл., 1-Инстигугская 1, МГУЛ, ученому секретарю. Тел. 8-095-588-55-16, факс 8-095-583-73-42.

Якимович Сергей Борисович

Синтез технологических процессов заготовки и первичной обработки древесины

Автореферат

Подписано в печать 15.09.04. Формат 60x84 Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 2,0. Уч. - изд. л. 2,3. Тираж 100 экз. Заказ № 2895.

Редакционно-издательский центр Марийского государственного технического университета 424006, Йошкар-Ола, ул. Панфилова, 17

121870

РНБ Русский фонд

2005-4 20678

Введение 1. Системный анализ состояния теории и практики синтеза и оптимального управления технологиями лесозаготовок 12

1.1. Иерархия и классификационные признаки моделирования и оптимизации технологии лесозаготовок, сфера их приложения 12

I 1.1.1. Иерархия уровней пространств управлений при оптимизации 12

1.1.2. Иерархия уровней пространств состояний технологии лесозаготовок 15

1.1.3. Классификационные признаки неопределенности условий выбора 21

1.1.4. Иерархия языков выбора 22

1.2. Анализ состояния и парадигма моделирования и оптимизации технологии лесозаготовок 24

1.2.1 .Обзор исследований в сфере отраслевых приложений 24

Выводы по анализу 1.2.2. Существующая парадигма моделирования и оптимизации технологии лесозаготовок 41

Выводы по разделу I 2. Представление и идентификация лесозаготовок как стохастических управляемых процессов перемещения и изменения объема предмета труда 46

2.1. Основные понятия и гипотеза отображения процессов лесозаготовок 46

2.1.1. Основные понятия 47

2.1.2. Формализация выдвинутых положений гипотезы и моделирование технологического процесса лесозаготовок 50

2.1.3. Методика размещения обрабатывающе-переместительных функций и синтеза технологического процесса 63

2.2. Экспериментальное подтверждение гипотезы о возможности измерения и математического моделирования процесса лесозаготовок 2.2.1. Общие положения эксперимента 65

Ф 2.2.2. Объект эксперимента и методика измерений 69

2.2.3. Планирование эксперимента 71

2.2.3.1. Методика планирования 71

2.2.3.2. Практическое приложение методики на примере Пермской лесопромышленной компании) 77

2.2.3.3. Обоснование вида модели и оценивание параметров уравнения технологического процесса 80

2.2.3.4. Обоснование возможности проведения наблюдений без привязки изменения объема ПТ к конкретным деревьям или хлыстам 87

2.2.3.5. Результаты обработки экспериментальных данных для других объектов наблюдения 89 2.3. Расширение сферы положений гипотезы и эксперимента 90

Выводы по разделу 98

3. Синтез оптимальных траекторий технологического процесса по критерию быстродействия 102

3.1. Общая постановка задачи оптимизации и синтеза траекторий технологического процесса лесозаготовок в форме задачи на быстродействие 102

3.2. Синтез оптимальных траекторий для характерных законов результирующей скорости изменения и перемещения объема ПТ 3.2.1. Закон результирующей скорости транспортировки и изменения объема ПТ и(/) = const 107

3.2.2 Закон результирующей скорости изменения объема и транспортировки ПТ в функции / 109

3.3. Синтез оптимальной траектории с промежуточными законами скорости транспортировки и изменения объема предмета труда 115

3.3.1. Постановка и аналитическое решение задачи синтеза оптимальной траектории технологического процесса 115

3.3.2. Численное решение задачи синтеза оптимальной траектории технологического процесса по критерию быстродействия 120

3.4. Оценка оптимальных решений и анализ чувствительности 124

Выводы по разделу 132

4. Синтез оптимальных процессов лесозаготовок по энергетическим критериям 135

4.1. Общая постановка задачи 135

4.1.1. Обоснование критерия 135

4.1.2. Содержательная постановка задачи 137

4.1.3. Постановка вариационной задачи оптимизации траектории технологического процесса лесозаготовок в координатах пространства состояний 138

4.1.4. Постановка задачи синтеза траектории технологического процесса в координатах пространства состояний и времени 142

4.1.4.1. Вывод уравнений состояния для транспортных (переместительных) процессов лесозаготовок 144

4.1.4.2. Вывод уравнений состояния для обрабатывающе-переместительных процессов 147

4.1.4.3. Уравнения состояния технологического процесса лесозаготовок 163

4.1.4.4. Постановка задачи оптимального управления ТП лесозаготовок 172

4.1.4.5. Преобразование к дискретной форме и постановка задачи оптимального управления ТП лесозаготовок как задачи нелинейного программирования 176

4.2. Синтез предельных вариантов оптимальной траектории.

Анализ решения 181

4.2.1. Синтез оптимального технологического процесса лесозаготовок на основе конечномерной постановки задачи 181

4.2.2. Синтез оптимальной траектории технологического процесса лесозаготовок на основе аналитических постановки задачи и решения 184

4.2.3.Анализ решения и сопоставительная оценка синтезированных траекторий ТП 192

4.2.3.1.Анализ решения и сопоставительная оценка аналитически синтезированных траекторий ТП в функции расстояния маршрута 193

4.2.3.2. Анализ решения и сопоставительная оценка синтезированных траекторий ТП в функции времени 196

4.2.3. Оценка корректности дискретной модели задачи оптимального управления ТП лесозаготовок 200

4.3. Моделирование и оптимизация технологических процессов, определяемых множеством состояний предмета труда лесозаготовок 202

4.3.1. Вводные положения и понятия 202

4.3.2. Уравнения состояний и функционал совокупности технологических процессов лесозаготовок 214

4.3.3. Постановка задачи оптимального управления для совокупности технологических процессов лесозаготовок 218

4.4. Моделирование и оптимизация технологических процессов с учетом достигнутого уровня развития техники лесозаготовок 224

4.4.1. Уравнения состояний и функционал основного потока 224

4.4.2. Постановка задачи оптимального управления и синтеза технологического процесса с учетом масс и к.п.д. машин лесозаготовок 226

4.4.3. Преобразование к дискретной форме и постановка задачи оптимального управления ТП лесозаготовок как задачи нелинейного программирования с учетом масс и к.п.д. машин лесозаготовок 228

4.4.4. Синтез оптимального технологического процесса лесозаготовок на основе конечномерной постановки задачи с учетом масс и к.п.д. машин лесозаготовок 230

Выводы по разделу 236

5. Частные случаи и технические приложения метода синтеза технологических процессов и машин 241

5.1. Формирование комплектов машин на основе распределения состояний ПТ по маршруту технологического процесса лесозаготовок 241

5.1.1. Введение в постановку задачи формирования комплектов машин 241

5.1.2. Постановка задачи формирования оптимальных комплектов машин 242

5.1.3. Решение и анализ задачи формирования оптимальных комплектов машин для условий Пермской лесопромышленной компании 250

5.2. Обоснование скоростных режимов машин лесозаготовок с совмещенными транспортными и обрабатывающе-переместительными действиями 254

5.2.1. Содержательная формулировка задачи обоснования скоростных режимов лесозаготовительных машин 255

5.2.2. Исходная информация для моделирования 257

5.2.2.1. Характеристика объекта для моделирования 257

5.2.2.2. Экспериментальная оценка количественных данных по объекту моделирования 258

5.2.2.3 .Статистическая обработка результатов наблюдений 259

5.2.3. Моделирование и постановка задачи обоснования режима перемещения валочно-пакетирующих машин 262

5.2.4. Решение и анализ задачи обоснования режима перемещения валочно-пакетирующих машин 265

5.3. Технические приложения метода синтеза технологических процессов и машин лесозаготовок 267

5.3.1.Лесозаготовительные машины с размещением обрабатывающе-переместительных функций в координатах стоящего дерева и отделяемых компонентов 267

5.3.1.1 .Лесной комбайн 267

5.3.1.2.Сучкорезно-окорочное устройство для обработки стоящих деревьев 274

5.3.1.3.Установка для переработки древесины на щепу 278

5.3.1.4.Лесозаготовительная машина 280

5.3.2.Лесозаготовительные машины, совмещающие транспортные, переместительные и сортировочные функции 283

5.3.2.1. Бункерная установка для совмещенных транспортировки и сортировки щепы 283

5.3.2.2. Барабанная установка для совмещенных транспортировки и сортировки щепы 287

5.3.3. Способы и лесозаготовительные машины, совмещающие обрабатывающе-переместительные функции в конечной позиции маршрута технологического процесса 290

5.3.3.1. Способ и установка для переработки древесины на щепу, отделочный материал и дрова 290

5.3.3.2. Способ групповой очистки деревьев от сучьев и подвижная бункерная установка для ее осуществления 295

Выводы по разделу 298

6. Практические приложения результатов исследований и их эффективность 300

6.1. Исходная информация для сравнительной оценки 6.1.1 Характеристика лесосечного фонда

Пермской лесопромышленной компании 300

6Л .2. Возможные варианты комплектов машин для условий Пермской лесопромышленной компании 302

6.1.3. Показатели для проектирования в условиях

Пермской лесопромышленной компании 302

6.1.4. Технологии функционирования выбранных комплектов машин 6.1.4.1 .Технология базового варианта 303

6.1.5.Технологии альтернативных вариантов 305

6.2. Экономические показатели альтернативных комплектов машин лесозаготовок для условий Пермской лесопромышленной компании 305

6.3. Оценка эффективности сортиментного и хлыстового способов лесозаготовок для условий Пермской лесопромышленной компании 6.3.1. Методика оценки эффективности комплектов машин и соответствующих им способов лесозаготовок 6.3.2. Определение технико-экономических показателей для дополнительных значений объемов лесозаготовок 309

Выводы по разделу 313

Актуальность проблемы. Повышение эффективности функционирования лесопромышленного комплекса Российской федерации является перманентной задачей отраслевого управления и отраслевой науки. Одной из наиболее значимых сфер реализации названной задачи являются методы синтеза оптимальных технологий и оптимального управления процессами лесозаготовок. В границах этой сферы имеют место определенные научные и производственные проблемы, часть которых получила отражение на страницах отраслевых изданий. К ним относятся следующие.

1. Проблема существенного многообразия лесных машин и комплектов, отличающихся по видам и типоразмерам в границах от лесных комбайнов до однооперационных (валочные, трелевочные, раскряжевочные и др.)машин, обеспечивающих в основном потоке получение одного конечного состояния предмета труда заготовки и первичной обработки древесины. Как правило, это круглые лесоматериалы или пиломатериал. По данным НАТИ и ЦНИИМЭ в отрасли в период с 1970 по 2000 годы имело место наличие 900 типоразмеров лесосечных машин, представляющих типоразмерный ряд от лесных комбайнов до однооперационных машин. Аналогичная ситуация наблюдается и на лесных складах, где в качестве границ ряда представляются установки системы машин 1НС или моторные инструменты с одной, и комбайны циклично поточной технологии - с другой стороны. Изложенное определяет постановку вопроса о целесообразности производства колоссального множества типов лесных машин и сложности рационального выбора из этого множества.

2. Проблема размещения производства конечного продукта лесозаготовок (в координатах стоящего дерева, погрузочного пункта или лесопромышленного склада) и, соответственно, координат размещения обрабатывающе-переместительных функций в пространстве, определяющих требования к лесозаготовительным машинам. В рамках этой проблемы идет поиск ответа наосновной вопрос - где производить конечный продукт лесозаготовок: На лесосеке или лесопромышленном складе? Каковы области эффективного применения лесосечных и складских процессов заготовки и первичной обработки леса, с соответствующими им машинами (комплектами машин)? Равнозначны ли эти процессы или, какие из них могут получить большее развитие?П3. Проблема оптимального управления процессом заготовки и первичной обработки древесины (в дальнейшем процесс лесозаготовок) и машинами, реализующими этот процесс как эволюцию изменения состояния предмета труда лесозаготовок в пространстве и времени.

Неразрешенность изложенных проблем обусловлена тем, что известные методы формализованного синтеза технологий лесозаготовок представлены параметрическим и частично объектно-структурным уровнями. Опти-X мизация выполняется большей частью в статике, то есть не все процессы оптимизируются как изменяемые и непрерывные, с присущими им программами управления. Конечные состояния предмета труда или процесса задаются исследователем. Для структурной оптимизации, за исключением задач типа «плотной упаковки или размещения геометрических объектов», множество альтернатив генерируется автоматизировано (этого требует колоссальное многообразие видов и типоразмеров лесных машин), исходя из теоретико-множественного описания на основе опыта и интуиции разработчика. Каче-У ство первичной базы для генерации альтернатив определяется способностями разработчика. В основе моделирования и поиска оптимальных решений технологий лесозаготовок лежит описание лесозаготовительных машин (комплектов машин) и присущих им процессов. То есть дискретно-непрерывный процесс изменяемых состояний и положения предмета труда лесозаготовок (ПТ) определяется неявно через дискретную последовательность операций машин лесозаготовок. Обратная задача моделирования и оптимизации технологических процессов - моделирование технологического процесса (ТП) как'Тэволюции с последующим покрытием его существующими машинами илиразработкой новых, оптимальных по технологическим требованиям и режимам, на текущий момент имеет место в границах моделирования дискретных последовательностей состояний ПТ и соответствующих им машин, а также при моделировании дискретно-непрерывного процесса лесопиления.

Для решения представленных проблем особую значимость приобретает разработка теоретических основ синтеза и оптимального управления технологическими процессами, рассматриваемыми, прежде всего, как дискретно-непрерывные эволюции изменения объема (состояния) и положения предмета труда лесозаготовок; эволюции, которые определяются траекторией процесса и управлением, обеспечивающим эту траекторию. Поэтому представленная работа рассматривает проблему синтеза оптимальных процессов и оптимального управления ими на лесозаготовках и вытекающие из нее метод, частные случаи метода и соответствующие им методики, математические модели и технические решения.

Диссертационная работа выполнена в рамках основного научного направления «Технология лесозаготовок» Московского государственного университета леса по соответствующему федеральному направлению научных исследований Министерства образования РФ и в рамках первого этапа хоздоговорной тематики №487/00 «Разработка технологии и комплекта ма-шин(машины) с совмещенными функциями для производства пиломатериалов и сортиментов» между Пермской лесопромышленной компанией и Марийским государственным техническим университетом.

Цель и задачи исследований. Целью настоящей работы является разработка основ теории синтеза оптимальных процессов и оптимального управления технологическими процессами лесозаготовок, создание средств реализации этих основ в виде метода, методик, моделей, постановок задач, программных средств (баз данных) и технических решений, обеспечивающих эффективность проектируемых процессов и машин, а также управления в процессе обработки и перемещения предмета труда лесозаготовок.

Поставленная цель обеспечивается решением следующих задач.

1. Системный анализ, структуризация проблемы, классификация и определение иерархии пространств состояния, управления и оптимизации, содержательное описание и дополнение парадигмы в области теории синтеза и оптимального управления технологиями лесозаготовок.

2. Формулирование гипотезы возможности формализации, измерения и математического описания технологического процесса (ТП) лесозаготовок как эволюции, определяемой движением изменяемого при обработке объе-ма(массы) предмета труда(ПТ) в пространстве состояний и времени. Разработка концептуального и математического представления ТП, а также методики промышленного эксперимента для процесса с целью экспериментального и теоретического доказательства положений гипотезы.

3. Планирование, проведение и оценка результатов промышленного эксперимента на основе моделей динамики для существующего процесса лесозаготовок и присущего ему комплекта машин. Обобщение результатов частного эксперимента на различные комплекты машин и лесные регионы Российской Федерации в целом.

4. Конструирование уравнений состояния и интегральных (терминальных) функционалов, отражающих физическую сущность непрерывно-дискретных технологических процессов заготовки и первичной обработки древесины.

5. Разработка математических моделей, постановка и решение задач синтеза оптимальных технологических процессов заготовки и первичной обработки древесины (синтеза оптимальных траекторий процессов и соответствующих им управлений) в пространстве состояний и времени по энергетическим критериям и по критерию быстродействия.

6. Преобразование постановок задач оптимального управления, отражающих непрерывный или смешанный процесс лесозаготовок, в постановкизадач нелинейного программирования в математических программных средах и их решение.

7. Разработка методики определения технологических требований по степени совмещения обрабатывающе-переместительных и транспортных функций в пространстве и времени к проектируемым машинам, а также режимов их функционирования на основе синтезированных процессов.

8. Проведение анализа решений и сопоставление синтезированных технологических процессов лесозаготовок.

9. Определение частных случаев применения метода синтеза оптимальных траекторий и управления процессами лесозаготовок, разработка математических моделей, методик, постановок задач оптимизации и технических решений.

10. Разработка программного обеспечения и обоснование возможности применения математических программных сред для реализации изложенных задач синтеза оптимальных технологических процессов.

11.Апробация результатов работы в промышленных условиях и оценка эффективности реализованных проектов на базе существующих машин хлыстовой и сортиментной технологий.

Объекты и методы исследования. Объектами исследования являлись технологические процессы, машины и предмет труда лесозаготовок.

Методологическая основа исследований определялась системным подходом, объединяющим в приложении к объектам исследования теорию промышленного эксперимента для процессов, теорию резания древесины, вариационное исчисление и теорию оптимального управления, методы исследования операций, математического моделирования и программирования, методы теории вероятности, математической статистики и теории случайных процессов.

Научной новизной работы являются основы теории синтеза оптимальных технологических процессов заготовки и первичной обработки древесины, содержащие:1) метод синтеза оптимальных технологических процессов, реализующий измерение технологических процессов в интервальной шкале, и синтез оптимальных траекторий и присущих им управлений, на базе которых определяются оптимальные размещение и степень совмещения обрабатывающе-переместительных и транспортных функций в координатах пространства-времени, соответственно, виды(типы) и режимы функционирования лесных машин;2) содержательное описание парадигмы теории синтеза и оптимального управления технологиями лесозаготовок;3) уравнения состояния и интегральные (терминальные) функционалы, отражающие физическую сущность технологических процессов лесозаготовок;4) математические модели, постановки и решения задач синтеза оптимальных траекторий технологических процессов и управлений в пространстве состояний и времени по энергетическим критериям и по критерию быстродействия;5) методику определения сечений наблюдений для процесса лесозаготовок при промышленном эксперименте на основе моделей динамики;6) методику определения размещения и степени совмещения обрабаты-вающе-переместительных и транспортных функций в пространстве и времени на основе траекторий и оптимальных управлений синтезированных процессов и выдвижения технологических требований к проектируемым машинам, а также к режимам их функционирования;7) частные случаи применения метода синтеза оптимальных траекторий и управлений процессами лесозаготовок, их математические модели, методики, постановки задач оптимизации и технические решения.

Значимость для теории и практики. Разработанный метод синтеза оптимальных технологических процессов лесозаготовок позволяет: выполнять измерение технологических процессов в интервальной шкале; синтезировать оптимальные траектории и присущие им управления, на базе которых определяется оптимальное размещение обрабатывающе-переместительных функций в координатах пространства—времени; определять режимы функционирования и требования к машинам лесозаготовок по степени совмещения функций и, как следствие, виды и типы машин. Данный метод и соответствующие ему методики, математические модели, уравнения состояний, постановки задач в математических программных средах позволяют применить теорию систем автоматического управления и синтеза оптимальных регуляторов к специфическим технологическим процессам лесозаготовок.

Практическая ценность заключается в: — сужении множества возможных видов и типов машин лесозаготовок на основе оптимальных размещения и степени совмещения функций в пространстве- времени; - снятии неопределенности размещения производства конечного продукта лесозаготовок, обусловленной неполным формализованным представлением физики технологического процесса; - возможности определения оптимальных режимов функционирования машин лесозаготовок. Частные случаи приложения метода синтеза оптимальных траекторий и управлений процессами лесозаготовок, математические модели, методики, постановки задач оптимизации, технические решения и программное обеспечение (мультимедиа база данных) могут быть использованы в качестве основы для решения текущих задач проектирования, эксплуатации и управления производством лесопромышленного комплекса.

Основные положения, выносимые на защиту:1) метод синтеза оптимальных технологических процессов лесозаготовок, реализующий измерение технологических процессов в интервальной шкале, синтез оптимальных траекторий и присущих им управлений;2) уравнения состояния и интегральные функционалы, отражающие физическую сущность технологических процессов лесозаготовок;3) математические модели, постановки и решения задач синтеза оптимальных траекторий технологических процессов и управлений в фазовом пространстве и времени по критерию быстродействия и удельной энергоемкости процесса;4) методика определения координат сечений для наблюдений при промышленном эксперименте на основе моделей динамики процессов лесозаготовок и соответствующих им комплектов машин;5) частные случаи применения метода синтеза оптимальных траекторий и управлений процессами лесозаготовок и их математические модели, методики, постановки задач оптимизации и технические решения;6) методика определения размещения и степени совмещения обрабаты-вающе-переместительных и транспортных функций в пространстве и времени на основе траекторий и оптимальных управлений синтезированных процессов и выдвижения на этой основе технологических требований к проектируемым машинам, а также к режимам их функционирования;7) рекомендации по синтезированным оптимальным технологическим процессам и координатам размещения обрабатывающе-переместительных функций, режимам и требованиям по степени совмещения функций к машинам лесозаготовок.

Достоверность исследований доказана результатами промышленного эксперимента и анализом решений (оценка корректности) поставленных задач вариационного исчисления, оптимального управления, исследования операций и математического программирования, а также использованием фундаментальных положений теории резания и механики.

Реализация работы. Основные результаты работы внедрены в учебный процесс Московского государственного университета леса, Марийского государственного технического университета и Уральского лесотехническогоуниверситета в дипломном проектировании и дисциплинах «Математическое моделирование и оптимизация технологий лесозаготовок», «Управление процессами лесозаготовок», «Информационные технологии в отрасли» и др.

Промышленное внедрение имеет место на двух лесопромышленных предприятиях Пермской области (в Пермской лесопромышленной компании и ОАО «Басковский леспромхоз») в виде рекомендаций по применению хлыстового или сортиментного способа лесозаготовок и использованию рекомендуемых комплектов машин, технологических карт и схем. Разработанные под руководством и при непосредственном участии автора программные продукты (мультимедиа база данных руководителя, проектировщика и технолога лесозаготовительного производства и постановка задачи оптимизации выбора комплектов машин в программной среде Excel ) используются в названных предприятиях при комплектовании парка лесозаготовительной техники в рамках программ местного развития и обеспечения занятости для шахтерских городов и поселков, определенных постановлением от 14 февраля 2002 г. № 184-р правительства РФ и приказом министерства энергетики РФ от 19 июня 2002 г. № 185 (регистрационный номер 3687), финансируемых за счет средств государственной поддержки угольной отрасли.

В ходе выполнения работы автор лично реализовал положения, выносимые на защиту. Кроме того, совместно с научным консультантом профессором Редькиным А.К. разработаны постановка задачи оптимизации траектории ТП в пространстве по критерию энергоемкости и лесной ком-байн(патент); совместно с программистом МГУлеса Володиной И.Ю. реализовано решение задачи формирования комплектов машин на основе распределения состояний ГТГ по маршруту ТП. Вклад автора в технические решения и способы, защищенные патентами и полученные в соавторстве со студентами, заключается в разработке основной идеи конструкции или способа, реализующих принцип совмещения обрабатывающе-переместительныхфункций или действий, и разработке одного или нескольких отличительных признаков формулы изобретения.

Основная часть работы, отраженная в положениях, выносимых на защиту, выполнена в Московском государственном университете леса. В то же время к работам, выполненным в Марийском государственном техническом университете, относятся: представление ТП как стохастического процесса (в разделе 2.1.2.); проведенные под руководством и при непосредственном участии автора совместно со студентами наблюдения за технологическими процессами в лесном фонде республики Марий Эл (раздел 2.2.3.5); программные продукты, официально зарегистрированные в Роспатенте; обоснование эффективности сортиментного и хлыстового способов лесозаготовок в ОАО «Басковский леспромхоз», выполненное в рамках хоздоговорной тематики при непосредственном участии и под руководством дипломным проектированием совместно с доцентом кафедры экономики МарГТУ Кардаковой Р.В.; обоснование скоростных режимов машин лесозаготовок с совмещенными транспортными и обрабатывающе-переместительными функциям (раздел 5.2) и некоторые технические приложения, защищенные патентами(раздел 5.3), одно из которых реализовано в виде технического задания.

Для решения поставленных задач в работе использовались триал-версии программных сред Mathcad, Maple и др. предоставленные компанией "Softline". База данных реализована с использованием собственной СУБД, разработанной на С++ совместно с соавторами свидетельства о регистрации.

1. СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ТЕОРИИ И ПРАКТИКИ СИНТЕЗА И ОПТИМАЛЬНОГО УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЯМИЛЕСОЗАГОТОВОК1.1. Иерархия и классификационные признаки моделирования и оптимизации технологии лесозаготовок, сфера их приложенияСодержание раздела основано на классификации тех признаков моделирования и оптимизации, которые отражают физико-математические особенности формализации моделируемых объектов в практике лесозаготовок и иерархию уровней. Методы математического программирования (поиска оптимальных решений) здесь не рассматриваются в связи с их инвариантностью и общностью для всех предметных сфер.

Классификационные признаки и иерархия уровней могут иметь следующий вид, представленный в таблице 1.1.

Таблица 1.1Классификационные признаки и иерархия уровней.

Последний столбец таблицы 1.1 представляет лишь классификационные признаки, иерархия для условий выбора не определена. Пояснения по таблице излагаются ниже.

1.1.1. Иерархия уровней пространств управлений при оптимизации (факторов управления при поиске оптимальных решений)1. Параметрический — оптимизация параметров статических (лесозаготовительных машин, технологических схем и др.) и динамических (режимовмашин и присущих им процессов) объектов; формализован полностью посредством различных математических моделей. По результатам отраслевых и многоотраслевых исследований [1.15] на этом уровне определяется эффективность (в зависимости от исходного или начального состояния моделируемого объекта) до 30.40%.

2. Обьектно-структурный - оптимизация компоновки (мест размещения) и конфигурации технологических потоков в виде совокупности отдельных технологических объектов (машин, оборудования и пр.) и связей между ними. Обычно решается методом вариантного проектирования. Генерация вариантов осуществляется на основе опыта и интуиции проектировщика с помощью систем автоматизированного проектирования и методов теоретико-множественного описания (теория графов, матричное исчисление и пр.).^ Математические модели структурной оптимизации технологических схем лесосек, лесопромышленных складов, линий стали предметом активного конструирования (разработки) в связи со становлением и развитием математического программирования и ЭВМ, как средств решения поставленных задач [4], [6],[7],[10],[12.27].

Решения на основе альтернатив, полученных автоматизированным и формализованным способом, могут определять эффект, кратный порядку единиц. Отметим, что высокое качество альтернатив, сгенерированных эвристически, и последующий выбор могут быть обеспечены и неформализованно, квалифицированным проектировщиком. Поэтому эффект формализации и автоматизации проектирования достигается за счет снижения затрат на пред-проектные исследования и повышения обоснованности принимаемых решений вследствие увеличения вариантов для сравнения [18].

3. Функционально-структурный - предполагает оптимизацию и состава, и связей между техническими функциями. В представляемой работе рассматривается оптимизация размещения и совмещения функций и действий лесозаготовок по маршруту технологического процесса. Постановка этой задачи и результаты ее решения даны в [28]. Формализация задачи оптимизации размещения и степени совмещения обрабатывающе-переместительных и транспортных функций лесозаготовок решена на основе фундаментального физико-математического моделирования ТП лесозаготовок и дифференциальных уравнений состояний ТП.

Функционально-структурный подход создан и получил достаточно широкое распространение для дискретного описания процессов в машиностроении и приборостроении [2 9], [30]. Процессы названных сфер деятельности представляются посредством графов с начальными (заготовки) и конечными (детали, узлы) состояниями предмета труда машиностроения и дискретными переходами от состояния к состоянию в виде имен функций или операций.

Вопросы классификации и составления списка функций лесозаготовок с последующим их описанием на основе теоретико-множественного подхода рассмотрены в [31], [32], [33]. В работе [31] представлено функциональное поисковое проектирование, где поисковый этап начинается с рассмотрения идеальной обобщенной машины, предполагающей обобщенную структуру в виде некоторого функционального каркаса отраслевой техники. Поисковое проектирование конкретной функциональной структуры выполняется на основе перебора вариантов посредством морфологических таблиц, неформализованно сгенерированных разработчиком.

По данным [34] эффект оптимизации достигает 1.,.3-х раз в зависимости от начального или исходного состояния моделируемого объекта. Подтверждением этому служит эффективность порядка трех раз, неформализованно разработанных в ЦНИИМЭ и СНПЛО комплектов машин циклично-поточной технологии [35], по сути своей реализующих отличное от традиционной поточной технологии, более компактное размещение функций и совмещение некоторых из них (сортировка и раскряжевка - ЛО-111, СМ-24).

4. Уровень целей (потребностей). Не формализован. Формализация методов оптимизации находится в начальной стадии [36]. Цель определяет лицо, принимающее решение (ЛПР) на основе собственных предсказательных способностей на определенный прогнозный период, либо цель формулируется исходя из текущей проблемной ситуации. Выбранная цель определяет свойства разрабатываемой для нее модели. Эффект от оптимально выбранной цели исчисляется порядковыми значениями.

1.1.2. Иерархия уровней пространств состояний технологии лесозаготовокСостояния объектов лесозаготовок при моделировании рассматриваются во времени и пространстве и в этой связи появляются уровни, определяемые сложностью объектов моделирования и степенью адекватности их отображения моделями. Выбор может осуществляться в дискретном или непрерывном (континуальном), детерминированном или случайном пространствах состояний. В основном, в отраслевых приложениях, реализуется выбор комплектов машин и соответствующих им технологических схем в дискретном, детерминированном или случайном пространствах. Однако качество генерации альтернатив существенно выше в непрерывном пространстве состояний в связи с тем, что при этом в математических моделях отражается и просматривается вся допустимая область и исключается возможность пропуска при поиске каких либо альтернатив.

Таблица 1.2.

Классификация процессовФункцияу{5)"—- Дискретный НепрерывныйДискретный Дискретная последовательность Дискретный процесс (квантование по уровню)Непрерывный Непрерывная последовательность, дискретная по уровню Непрерывный (аналоговый) процессВ пространствах состояний существуют отображения математическими функциями различных процессов, включая и технологические, которые учитываются и используются при решении задач оптимального управления. Для процессов у(лс) в качестве аргументов (переменных управления) используется либо время Ъ либо переменные факторов управления.

Рис. 1.1. Графическое представление классификационных признаков процессов и функций: а) дискретная последовательность; б) дискретный процесс; в) непрерывная последовательность; г) непрерывный процесс; д) смешанный процессПроцессы и, соответственно, функции, их отражающие (см. рис. 1.1), обладают классификационными признаками, представленными в таблице 1.2. Дополнительно различают смешанный процесс (рис. 1.1д), в котором функция является непрерывно-дискретной. Отраслевыми примерами рассмотренных процессов являются: дискретной последовательности - отображение состояний предмета труда (дерево, хлыст, сортимент и т.д.), иногда в виде графов, по маршруту технологического процесса (у пня, на волоке, на погрузочном пункте и т.д.); дискретного процесса - отображение изменения объема предмета труда (обрабатываемого лесопродукта) в каждом из состояний по координате расстояния маршрута технологического процесса; непрерывной последовательности - изменение объема предмета труда, фиксируемое в каждой из позиций маршрута технологического процесса; непрерывного процесса - изменение объема ПТ в процессе его переработки от начального состояния до конечного и перемещения по координатам маршрута ТП.

Иерархия уровней непрерывного пространства представляется следующим образом.

1. Уровень траекторий перемещений ПТ и машин.а) Траектории перемещения ПТ и машин и схемы размещения объектов лесозаготовок (технологические схемы лесосек, лесопромышленных складов) на плоскости. Реализовано в работах [3],[7],[14],[16],[17],[19],[37]. Графическое представление дано на рис. 1.2.аРис. 1.2. Траектория перемещения предмета труда и машин на плоскостиб) Траектории перемещения ПТ, машин и схемы размещения объектов лесозаготовок в трехмерном пространстве (см. рисунок 1.3). На этом уровне выполнены отдельные работы, учитывающие потенциальную энергию дерева и работу сил гравитации, и реализованные в отдельных машинах, выполняющих обрезку сучьев и раскряжевку при вертикальном положении ствола дерева (МЛ-20), а также в сортировочных транспортерах с гравитационно-сбрасывающими устройствами [38], [39], [40].пространствеЭффективность этого уровня определяется минимизацией транспортной работы и снижением энергозатрат посредством использования сил гравитации и уменьшения сил трения.

2. Траектории перемещения и изменения объема ПТ (технологического процесса) в четырехмерном пространстве. Определяют размещение обраба-тывающе-переместительных функций лесозаготовительных машин и степень их совмещения с транспортными по маршруту ТП и задают соответствующие требования к машинам. Графическое представление дано на рисунке 1.4.

Постановки и решение задач на этом уровне представлены в работах [41], [42]. Эффективность этого уровня определяется возможностью дополнительной относительно предыдущих уровней минимизацией энергозатрат. Изложенный эффект достигается посредством определения координат размещения, степени совмещения обрабатывающе-переместительных и транспортных функций и соответствующей им траектории изменения объема и перемещения ПТ.

1(а,Ъ,к)Рис. 1.4. Траектория изменения объема и перемещения предмета труда в четырехмерном пространстве3. Траектории процесса, характеризующего изменение пространственных координат и объема ПТ во времени и допускающего возможность управления. Его графическая интерпретация представлена на рисунке 1.5. Предыдущий уровень в данном случае представляется фазовой траекториейх(/), Х](0=1(0, х¡(0=У(0). Управляемый процесс предполагает наличие фазовой траектории х(?) и управлений «(/). Оптимизация процессов лесозаготовок на основе моделей в данном пространстве рассмотрена в работах [43] [44] [45].

Эффективность этого уровня определяется оптимизацией фазовых траекторий, законов траекторий перемещения и изменения объема ПТ, то есть режимов обработки и движения, а также выбора оптимальных управлений (ускорения, скорости или силовых воздействий). Результат решения задач этого уровня - размещение и степень совмещения обрабатывающепереместительных и транспортных действий, режимы обработки и перемещения ПТ и лесозаготовительных машин. Уровни 2 и 3 являются основой для оптимального управления процессами лесозаготовок. Процессы рассматриваются как эволюция изменения формы, размеров (объема) и перемещения предмета труда лесозаготовок.стве и времениКроме того, уровень 3 и в какой-то степени уровень 2 при отображении технологического процесса в рамках задачи оптимального управления позволяют синтезировать оптимальные регуляторы машин лесозаготовок, реализующих оптимальные режимы в ходе процесса. Отображение технологического процесса как стохастического позволяет учесть его стохастичность на основе теории случайных процессов и определить критерии качества для синтеза регуляторов, обеспечивающих устойчивое управление в условиях случайных возмущений.

В сфере деревообработки, на уровне параметрического синтеза, изложенный подход представлен в виде задачи оптимального регулирования процессов продольного пиления [11].

1.1.3. Классификационные признаки неопределенности условий выбора1. Выбор в условиях: неопределенности наших знаний об окружающей обстановке и действующих в данном явлении факторах (неопределенность природы); неопределенности действий активного (пассивного) партнера илиФпротивника. Первый из перечисленных видов неопределенностей определяет особенности функции цели и ограничений, а последний - метод решения задачи оптимизации (например, на основе теории игр). Неопределенность может быть различного происхождения [46]:1) неизвестность;2) расплывчатость^гг^, описываемая теорией нечетких множеств. Обычно дает математическое описание ситуаций типа приблизительно+ равно, много больше, чуть больше, чуть- чуть больше, аналогично кменьше и так далее.

3) стохастическая (случайная) неопределенность, подчиняющаяся строгой закономерности, выраженной в распределении вероятностей.

2. Выбор в ситуациях различной степени согласованности поставленных целей и неопределенности целей, как следствие их конкуренции. Различают следующие виды степени согласованности:1) нейтральные по отношению друг к другу цели, позволяющие оптимизировать объекты по каждому из критериев отдельно, без свертки,^ вследствие их независимости;2) кооперативные цели, позволяющие оптимизировать объекты по любому одному из критериев, также без свертки, вследствие одновременного достижения остальных целей;3) конкурирующие цели, когда достижение любой из них может быть реализовано за счет другой и, вследствие этого, позволяющие оптимизировать объекты лишь посредством свертки, как способа достижения определенного компромисса (при антагонизме конкурирующих целей# компромисс невозможен).

4) различные промежуточные варианты компромисса (коалиционный выбор, выбор в условиях нарастающего конфликта и т.д.)Основные представленные направления оптимального выбора реализованы в детерминированных и стохастических постановках в рабо-тах[1],[3],[5], [8], [9], [11], [16], [46] и многих других авторов. 1.1.4. Иерархия языков выбора.

Выбор предполагает использование языков выбора, формализующих поставленные цели. Уровни иерархии языков выбора по возрастанию эффекта определяются следующим образом.

1. Критериальный язык выбора. Здесь каждая отдельно взятая альтернатива оценивается конкретным числом (значением критерия) или числами (областью значений критериев), и сравнение альтернатив сводится к сравнению соответствующих им чисел. Общеизвестный подход, включая различные виды сверток, получивший широкое распространение повсеместно в отраслевых приложениях.

2. Выбор на языке бинарных отношений. Основан на рассмотрении (сравнении) пар альтернатив в отличие от альтернативы, описываемой каким-либо критерием. Основные положения этого языка [46]:1) отдельная альтернатива не оценивается (критериальная функция не вводится);2) для каждой пары альтернатив можно установить, что одна из них предпочтительнее другой, либо они равноценны или несравнимы;3) отношение предпочтения внутри любой пары альтернатив не зависит от остальных альтернатив, предъявленных к выбору.

Бинарные отношения могут быть заданы четырьмя способами: перечислением пар; матричным представлением отношений пар; заданием отношений пар посредством графа; заданием отношений верхним или нижним сечениями для бесконечных множеств. Отношения между парами задаются посредством отношений эквивалентности, порядка и доминирования. Критериальный язык выбора является частным случаем языка бинарных отношений, который описывает более общие и сложные ситуации. В отраслевых приложениях подобные процедуры выбора представлены в работах Красноярского ГТУ [20], Московского государственного университета леса [25], Государственного научного центра лесопромышленного комплекса РФ [48]. Эффективность наблюдается лишь тогда, когда посредством этого языка решаются те задачи выбора, которые не могут быть решены посредством критериального языка. Например, паретовское множество является частным случаем бинарных отношений. И, естественно, если задача может быть решена в форме множества Парето, то эффект от использования бинарных отношений будет аналогичен критериальному языку выбора.

Язык бинарных отношений формализует процедуру выбора вариантов комплектов машин и соответствующих им технологических схем на основе сопоставления отношений по каждой паре вариантов. В определенной мере это отражает типичную процедуру сравнения альтернатив по системам машин лесозаготовок, структурам поточных линий и так далее.

3. Язык функций выбора является дальнейшим развитием языка бинарных отношений. Определяет выбор некоторого подмножества альтернатив в множестве рассматриваемых. То есть отображает совокупность множеств, описывающих совокупность альтернатив без поэлементного отображения одного множества на другое (как в языке бинарных отношений) и без отображения множеств на числовую ось как в критериальном языке выбора. Этот раздел теории выбора [46] находится в состоянии разработки и в основном используется для апробации на задачах, которые решаются с использованием критериального подхода и бинарных отношений [49]. В отраслевых приложениях язык функций выбора не использовался.

Наметившаяся тенденция использования более мощных средств выбора может получить развитие, если обеспечит эффективность сравнительно с критериальным подходом, а это возможно лишь при следующих условиях:1) более мощные средства выбора будут использоваться для решения соответствующих им задач, а не для задач, которые успешно решаются критериальным языком;2) генерирование и формирование качественного множества альтернатив, содержащих более эффективные решения и новизну сравнительно с существующими вариантами.

Для получения более качественных решений на текущий момент эти условия в теории и практике лесозаготовок соблюдаются недостаточно. Например, язык бинарных отношений реализован для альтернатив, которые используются с момента появления результатов работ ЦНИИМЭ [39], [50], [51] Иначе качество сравниваемых альтернатив (комплектов машин и технологических составных схем лесозаготовок), точнее, основа для их формирования (машины, поточные линии), остаются прежними. Меняются лишь способы формализованной автоматизированной генерации (перемешивание, комбинирование и пр. состава и структуры), способы отбора (выбора) и степень учета влияния окружающей среды (среды функционирования комплектов машин). Отсюда следует, что для использования всех возможностей языка бинарных отношений требуется расширение базы для генерации альтернатив, то есть улучшение области поиска оптимальных решений теоретическими подходами.

1.2. Анализ состояния и парадигма моделирования и оптимизации технологии лесозаготовокАнализ состояния, выводы и содержательное описание парадигмы в сфере моделирования и оптимизации технологии лесозаготовок осуществлены на основе иерархии и классификации по разделу 1.1. 1.2.1. Обзор исследований в сфере отраслевых приложенийОтраслевые приложения методов моделирования и оптимизации получили свое развитие в 60-х годах прошлого века с появлением фундаментальных публикаций советских и зарубежных авторов в области исследованийопераций. Проблемы объектов лесозаготовок, как стохастических систем на основе статистического моделирования и теории массового обслуживания, представлены в работах [1],[2],[3],[4],[5],[15],[51],[52],[53],[54]. В них получили формализованное описание стохастические закономерности предмета труда и условий функционирования существующих машин и оборудования лесозаготовок, а также потоков ПТ и машин. Предметом оптимизации являлись запасы древесины и структура технологических линий. Оптимизация носила параметрический характер. В качестве выходного результата получены оптимальные параметры вместимости складов сезонных, межоперационных буферных запасов и их размещение. Модели являлись описательными для существующих вариантов технологических линий и комплектов машин лесозаготовок и оптимизирующими для различных видов запасов.

В работах [6],[7] рассмотрены вопросы параметрической оптимизации (мощности, производительности и др.) технологического оборудования и линий лесопромышленных складов на основе классических и других методов поиска экстремума. Разработанные модели отражают статическое состояние объектов моделирования (лесоскладских машин и установок). Кроме того, в работах [3],[14],[16],[26] и ряда других авторов с позиции теории массового обслуживания (ТМО) рассмотрены вопросы оценки функционирования технологических линий на основе описательных моделей существующих или эвристически сгенерированных вариантов. Даны основы объектно-структурной оптимизации, определяемой разными вариантами компоновок технологических линий при соответствующих размещениях объектов лесопромышленного склада на плоскости. Посредством моделей описания текущего функционирования установок (машин) во времени и дискретном пространстве состояний решены вопросы оптимизации количества лесоскладских машин в линиях. В рассмотренных публикациях реализован предметный принцип рассмотрения конкретной фазы лесозаготовок - лесоскладские работы.

Фаза лесосечных работ в этот же период была представлена публикациями, определившими основные критерии энергетического характера. Они использовались как мера для сравнения при неформализованном генерировании и выборе рациональных вариантов комплектов машин, технологических схем и способов лесозаготовок. К таким публикациям относятся работы [37], [56],[57],[58],[59],[60]. В перечисленных работах определяются энергоемкость и стоимостные показатели функционирования машин лесозаготовок. Здесь же на основе конечного множества вариантов реализован выбор технологических схем лесосек, отражающих размещение технологических операций и схем транспортных и технологических траекторий движения машин в плоскости.

В работах [59,61] представлены в статике выражения сопротивлений при транспортировке, пилении (делении) ПТ, необходимые при расчете энергоемкости и энергопроизводительности процесса за определенный период времени для существующих операций того периода (валка, обрезка сучьев, трелевка, грузоподъемные работы, вывозка). Энергоемкость рассматривается как технологическая, цикловая и действительная. Изложенная терминология фиксирует факт того, что при исследованиях рассматривались энергоемкость машин и выполняемые ими процессы, а не процессы и возможные машины по функциональному исполнению (размещению, степени совмещения функций). Для моделирования принято дискретное пространство состояний. Здесь же отмечается, что «создание принципиально новых методов обрезки сучьев и валки деревьев, даже если они характеризуются значительно меньшей или большей удельной энергоемкостью осуществления процесса, не изменят существенно общего баланса лесозаготовок». Безусловно, изложенное являлось актуальным для периода, когда предприятие выполняло и транспортные перевозки древесины на склад. В текущем состоянии, когда первичная обработка может иметь место на лесосеке (подтверждение этой тенденции - появление множества харвестеров, процессоров, мобильных лесопильных установок), и лесозаготовки не обязательно могут начинаться с валки, изложенный тезис необходимо корректировать. Ибо в зависимости от условий и места реализации конечной продукции энергобаланс начинают определять и обрабатывающие операции.

В работах [37],[56],[58] на основе баланса энергозатрат определяется энергоемкость технологической работы машин и рабочих органов по различным технологическим схемам. Фактически процесс моделируется не как эволюция, определяющая изменение формы (размеры, объем) и положение ПТ (иначе, его текущее состояние), а как совокупность машин (машина) известной функциональной и конструктивной структуры, выполняющих присущие им операции, процессы и ограничивающие область поиска параметрами машин и технологическими схемами их функционирования на плоскости. При этом процесс оценивается не по какой-либо траектории на всем его протяжении, а по определенному объему работы в определенный интервал времени существования процесса с использованием средних значений параметров пространства состояний. Для выбора генерируются варианты схем на основе известных типов машин, которые оцениваются либо по критерию энергоемкости, либо грузовой работы.

Авторы [56], [58], [61] определяют, как наиболее эффективное направление, использование машин непрерывного или циклично-непрерывного действия при раздельном выполнении транспортных и технологических операций. Однако из изложенного не ясен критерий полученных выводов и нет формализованного математического доказательства этого тезиса.

Представленные в перечисленных работах выводы не затрагивают проблемы размещения производства (лесосека или лесопромышленный склад) конечного продукта лесозаготовок (сортименты и пиломатериалы), размещения обрабатывающе-переместительных функций и степени их совмещения с транспортными, а также режимов технологических процессов. Основой длямоделирования и выбора является ранее созданная лесозаготовительная машина с присущим ей процессом.

По классификации признаков раздела 1.1 выделяются работы [11], [61], [62] в сфере деревообработки (продольного пиления), относимые к параметрическому синтезу режимов продольного лесопиления в непрерывно-дискретном пространстве состояний на иерархическом уровне траектории перемещения предмета труда в функции времени с ограничениями стохастического характера. В них отражаются задачи для соответствующих уровней: 1) оптимального планирования процессов пиления; 2) оптимального регулирования процессов пиления; 3) оптимального оперативного планирования настроек узлов оборудования. Здесь первая и третья задачи носят статический характер и оптимизируют не режимы протекающего процесса в соответствующем интервале времени, а параметры, устанавливаемые до начала процесса. Оптимизация режимов процесса представлена задачей второго типа [11], где в качестве функционала цели использованы производительность комплекта лесопильного оборудования и присущего ему процесса продольного пиления, или затраты на процесс производства пиломатериалов, включая и упущенную выгоду от снижения качества лесопродукции. Ограничениями являются: характеристики качества пиления и точности обработки пиломатериалов (границы дисперсии размеров и припуски), шероховатость поверхности распила, мощность механизма резания, условия работоспособности пил по заполнению межзубовых впадин и по устойчивости, конструктивно максимальная скорость подачи. Выходным результатом является скорость подачи в функции времени и управление по обратной связи в функции диаметра бревна. Решения, полученные по излагаемым постановкам задач, лежат на границах области допустимых решений и основаны также на заданных объектно-структурных связях, отображающих конкретный тип лесопильных установок.

Элементы структурного синтеза присутствовали изначально в работахпо проектированию лесозаготовок, однако они носили характер рационального выбора на основе интуиции и опыта разработчиков. Выбор осуществлялся с учетом стохастичности предмета труда и окружающей среды лесозаготовок из сгенерированных вариантов комплектов машин или технологических линий, предназначенных для получения определенного конечного состояния ПТ. Критериями выбора являлись стоимостные показатели.

Начала оптимизационных подходов к структурному синтезу в сфере лесозаготовок были заложены в работах [1],[2],[3],[4],[6],[50],[64],[65],[66].

В существующей практике проектирования объектов лесозаготовок структурная оптимизация выполняется посредством генерации альтернатив различными способами и последующей их оценки на основе соответствующих критериев. Естественно, здесь возникает проблема качества и количества альтернатив, определяемая способом генерации и способностями разработчика.

Современный математический аппарат для автоматизированной структурной оптимизации технологических процессов первичной обработки леса использован в работах [17], [18]. Здесь на основе теории графов разработана методика автоматизированного синтеза маршрутных технологических процессов с использованием всех видов лесоматериалов, удовлетворяющих конечным требованиям. Проблема качества формирования альтернатив решена заданием алгоритма их формирования на основе теории графов и отражающих их матриц. Однако формирование множеств исходных элементов и правил, на которых формируются альтернативы, предварительно осуществляется разработчиком на основе теоретико-множественного описания. В качестве критериев использованы стоимостные показатели. Генерация вариантов основана на маршрутных ТП, множество которых разработчик отображает в виде графов. Структура формируется исходя из начальных, конечных, целевых и прочих состояний ПТ и соответствующих им множествам маршрутов ТП посредством решения поставленной задачи оптимизации. Результатомрешения является потребное количество оборудования и его типаж, покрывающий соответствующий маршрут ТП. Поиск эффективного варианта реализован движением по графу соответствующим способом и производится в дискретном пространстве состояний. Размещение полученной структуры в виде маршрута в плане выполняется традиционным способом на основе базы знаний проектировщика. Далее это направление получило развитие в [33], где также рассмотрены вопросы покрытия множества состояний ПТ и соответствующих им функций, множеством серийных машин или машин, существующих в виде опытных образцов, рабочей документации, изобретений и заявок на изобретения. Поиск производится в дискретном пространстве состояний на основе И-ИЛИ графа в трехмерном морфологическом массиве, содержащем технические функции, марки машин и их технико-экономические показатели. Эволюция состояний ПТ в непрерывном пространстве состояний не рассмотрена.

Размещение объектов лесопромышленного склада на плоскости представлено в [19]. Задача оптимизации решена методом покрытия в плане по критериям грузовой работы и транспортных затрат. При этом маршруты, объемы перевозок между объектами заданы, и определены виды транспортных средств. То есть рассматриваются дискретное пространство состояний по составу оборудования и непрерывное - для координат его размещения.

Впоследствии задачи объектно-структурного синтеза были расширены за счет перехода на более высокий уровень языков выбора (язык бинарных отношений) [20] [21] и детализации описания перемещений ПТ на основе матричных преобразований координат [22].

В [20] решена задача синтеза технологических структур на множестве параметров поверхностей и их значений, множестве параметров технологического оборудования и их значений, множестве операций первичной обработки древесины при различных годовых грузооборотах по критериям избыточности, сложности, удельных приведенных затрат и др. При синтезе разработчиком формируется множество не упорядоченных поверхностей, параметров поверхностей и значений параметров, а также операций первичной обработки ПТ. Эта работа развивает предыдущие по структурному синтезу в той части, что расширяет основу для формализации автоматизированной генерации альтернатив, а именно: расширяет множество состояний ПТ по параметрам и значениям от показателей таксационного описания (объем, вид сырья, порода) до геометрической формы обрабатываемой поверхности, множества поверхностей, параметров, размеров и качества поверхностей. Дополнительно введены критерии избыточности и сложности структуры, которые в совокупности с традиционными показателями по способу [20] использованы в формировании бинарных отношений. Язык бинарных отношений в отрасли использован также в [21] при проектировании поточных линий, как конечных автоматов с конечным множеством входов и выходов, состояний, математическими функциями перехода на основе матриц соответствия возможных состояний объектов (машин) и алгебры логики. В [20] эти положения развиты далее и использованы для задания отношений и определения соответствий между поверхностями ПТ и машинами, между вариантами технологической структуры и множествами показателей эффективности.

Резюмируя изложенное, отметим, что задача решается в дискретном пространстве состояний, синтез структур осуществляется на основе метода избыточных проектных схем [67]. Используется язык выбора более высокого уровня - язык бинарных отношений, формализующий отношения между вариантами. Структуры формируются без поиска оптимального размещения функций. Размещение предполагается заданными априори в множестве проектных вариантов.

Избыточность множества элементов формирования структур (лесо-складское оборудование, технологические операции) оценивается критериями избыточности и сложности.

В работе [22] поставлена аналогичная [20] цель - создание теоретических основ моделирования, структурного анализа и синтеза технологических структур для первичной обработки древесины. Однако метод моделирования основан на описании перемещений ПТ (точнее определения положений ПТ в любой момент времени) посредством матричных преобразований координат (поворота, переноса и перехода в иные системы координат). Траектория движения и положение ПТ фиксируется большей частью в плоскости. При этом эволюция изменения состояния ПТ не формализована. Синтез технологических структур для первичной обработки хлыстов предполагает, что известны состав линий, размеры рабочих технологических перемещений, скорости рабочих органов и структурная схема раскряжевочной установки. То есть фактически структура уже задана и на этой структуре формализуется структурно-кинематический анализ поточных линий посредством моделирования перемещений ПТ. Эффект достигается совмещением перемещений ПТ. Перемещения производятся не по ортогональным координатным, а по кратчайшим направлениям. Однако весьма детализированная разбивка объектов моделирования до самых мельчайших элементов (подобный подход также представлен в работах [68], [69] и обоснован на уровне операций) наряду с повышением точности снижает эффективность и значимость результатов на высших уровнях иерархии в связи с потерей системности описания и детерминированным описанием объектов стохастической природы. Поэтому адекватные согласования ритмов загрузочного (приемного) и конечного агрегатов и кинематическое согласование агрегатов в поточной линии посредством используемого теоретического подхода весьма затруднительны. Оптимизация в работе носит неформализованный характер в дискретном пространстве некоторого множества альтернатив, сгенерированных разработчиком.

Структурной и параметрической оптимизации береговых складов, а также цехов лесопромышленных предприятий посвящены работы [9], [7], [16], [23], [24], [25].

Моделирование и оптимизация технологических схем, параметров и структуры лесосечных машин, комплектов и систем машин (выбор системы лесосечных машин, ее состава по маркам и численности) представлена в работах [5], [39], [70], [71], [72], [73], [74],[ 75] [76] [77] и др. Методы решения этих задач основаны большей частью на имитационном моделировании, однако, имеют место и другие (динамическое и линейное программирование, ТМО), включая и классические подходы аналитического поиска экстремума. Анализ наиболее характерных работ в этой сфере позволил заключить следующее. В работе [70] рассмотрены вопросы синтеза оптимальных технологических параметров с экологическими ограничениями: в дискретном пространстве состояний - для процесса и комплектующих его машин; в непрерывном пространстве состояний - для параметров технологических схем в плане. Представление состояний ПТ и, предваряющих их перемещений, в виде граф-схем дано в [66].

В дискретном пространстве состояний посредством имитационного моделирования на основе стоимостных критериев в [71] решены задачи классификации систем машин лесозаготовок по структуре, оптимизации состава комплектов машин по маркам и численности, технологические схемы их применения в конкретных природно-производственных условиях. Варианты для поиска, как отмечалось, генерировались разработчиком на основе дискретного пространства состояний в виде комплектов машин.

Аналогично в [78] создание множества альтернатив и маршрутов генерируется разработчиком в дискретном пространстве состояний при поиске методом динамического программирования. В дальнейшем вопросы обоснования систем машин решались для рубок ухода [79] посредством имитационного моделирования и свертки критериев, учитывающих поврежденность среды функционирования машин, доступность, технико-эксплуатационные показатели машин. В качестве ограничений использован уровень воздействия лесных машин на почву. Также, весьма подробно вопрос оценки воздействиялесных машин на почвы рассмотрен в работе [80]. Новые результаты получены посредством использования компьютерных технологий (базы данных природно-производственных условий на основе ГИС-технологий) и оценки решений способами равномерной оптимальности, сверткой (Гермейера) и справедливого компромисса. Это, безусловно, является продвижением в сфере практических приложений для объектов лесозаготовок. Однако основой моделирования является дискретное пространство состояний, уровни оптимизации ограничены параметрическим и объектно-структурным.

Проектирование технологии лесозаготовок на основе системного подхода, учета стохастической неопределенности, современных способов свертки критериев и дискретных марковских цепей представлено в работах [47] [5]. При этом используется дискретное пространство состояний, критериальный язык выбора, стохастическое программирование и учет стохастической неопределенности. Оптимизация носит структурный и параметрический характер. Системы рассматриваются как многоуровневые, и включают: уровень существующих комплектов машин и выполняемых ими действий; уровень функционирования отдельно взятой машины; уровень рабочих органов. То есть наблюдается первичность машины, и основой моделирования процесса является машина.

В работах [81], [82] представлена концепция модульного принципа проектирования и функционирования лесных машин, которая неявно определяет иное, сравнительно с традиционной технологией, размещение обраба-тывающе-переместительных функций. Например, функция волочения (трелевки) признана неэффективной сравнительно с функциями, реализуемыми машинами модульного типа, выполняющими обработку ПТ до состояния сортимента с последующей его транспортировкой. Аналогично иное неявное размещение функций, сравнительно с поточной технологией, реализовано посредством создания машин циклично-поточной технологии с присущим им процессом первичной обработки ПТ [35]. Причем причину эффективностисвоего проекта авторы относили на принцип действия созданных машин «перемещение машин к предмету труда» и исключение в этой связи вспомогательного оборудования. Однако изложенное есть следствие, а причиной является оптимальное размещение и совмещение во времени и пространстве обрабатывающе-переместительных и транспортных функций.

В работе [82] введены показатели эффективности функционирования лесотранспортных систем машин модульного исполнения. Эти показатели отражают производительность транспортных (трелевочных) машин и их энергоемкость при выполнении определенной работы. Причем производительность и энергоемкость транспортировки рассматриваются как стохастические процессы со всеми вытекающими на этой основе возможностями исследования и результатами.

К особенностям этих показателей относится то, что они отнесены не к процессу транспортировки в целом или к единице вывезенного ПТ, а к единице времени. То есть фактически - это энергоемкость процесса или части его, протекающего в определенный промежуток времени, что не позволяет оценить нестационарные и нелинейные процессы за пределами этого промежутка. При этом интегрированное значение критерия определяется как произведение (частное) средних значений на выбранный промежуток времени или пути. Технологические процессы как таковые представляются сечениями пространства состояний в виде статических технологических схем, отражающих траектории перемещения ПТ и машин. Фактически - это формализованное описание эволюции операции или совокупности операций, выполняемых одной машиной.

Очевидно, такой подход приемлем для стационарных эргодических процессов. Решаемая задача оптимизации предполагает параметрический синтез жесткости, частот собственных колебаний и других динамических характеристик, минимизирующих дисперсию выбранного показателя случайного процесса и приближения его, по возможности, к детерминированному.

Вследствие чего улучшаются значения выбранных критериев производительности и энергоемкости.

Как и в предыдущих анализируемых работах, основой моделирования являются машины и присущие им процессы. Оптимизация носит параметрический характер на основе критериального языка выбора. Используется непрерывное линейное пространство состояний, учитывается стохастичность процесса, имеет место неявное изменение размещения функций сравнительно с традиционной технологией (обрабатывающие и погрузочные функции размещены в координатах рабочей позиции в пределах вылета манипулятора).

Вопросы совершенствования соответствия конструкций их функциональному назначению, минимизации стоимости функций впервые в России нашли отражение в работе [83]; аналогичные работы в США [84] отличались тем, что первичным являлась функция, для которой может быть создано множество конструкций. В дальнейшем это направление получило широкое признание [34] в форме функционально-стоимостного анализа различными способами, основное содержание которых заключается в генерации состава требуемых функций или их определение существующей конструкцией и оценки по критерию экономии затрат на функцию.

В отраслевых приложениях также рассмотрен ряд вопросов анализа и поиска структур технических функций. Описание технических функций лесозаготовок на основе теоретико-множественного подхода дано в работах [31], [33], [85].

В [86] выделены пять важнейших особенностей, которые определяют конструктивно-функциональные облики лесосечных машин. Пятая особенность заключается «.в пространственной неопределенности функциональной привязки рабочих органов машин по фазам лесозаготовок (например, обрезка сучьев на лесосеке или лесопромышленном складе) и их проникании в лесную среду». Если переформулировать это положение с позиции теорииоптимального управления, то пространственная неопределенность является проблемой оптимального размещения и совмещения функции по маршруту ТП лесозаготовок [28],[41],[42],[43] и неопределенность при такой формулировке может быть снята. В работах [86], [33] даны описательные модели функциональных структур носителей технических функций (машин) и процессов лесозаготовок, как множества в виде определенных списков. Конкретные объекты, существующие реально или патентно защищенные, описываются посредством блок-схем технических функций (последовательности обрабатывающих и переместительных действий вне времени и пространства). Вполне естественно, в подобном представлении нет основы для постановки проблемы размещения и степени совмещения функции лесозаготовок, а также оптимизации режимов движения предмета труда, рабочих органов и машин лесозаготовок. Однако при отражении множества функций на их конкретные носители [87], [88], [89] представлены классификационные признаки на основе степени совмещения скоростей рабочих органов и движителей лесных машин. Посредством связи "скорость действия - функция" можно рассматривать эти классификационные признаки как постановку вопроса [88] совмещения во времени.

Синтез функциональных структур, как в машиностроении [29],[30], так и на лесозаготовках, представленный в работе [33], основан на формировании разработчиком списка функций и выбора рационального варианта функциональной структуры. Критерием рациональности является относительный показатель многофункциональности (количество функций, отнесенных к количеству функциональных узлов (сборочных единиц) и числу уровней параметрического ряда лесозаготовительной машины (комплекса машин). Изложенное означает привязку к конкретным машинам и вытекающее отсюда отображенное в виде графа дискретное пространство состояний предмета труда узлами и наименований технических функций дугами, и в подобном пространстве изначально существует проблема генерации качественных альтернатив. Проблема многообразия функциональных структур машин лесозаготовок предполагается к решению таким образом, что «. все виды операций по заготовке древесного сырья станут выполняться при минимуме технических функций в системах лесосечных машин». То есть предполагается сужение разнообразия машин лесозаготовок на лесосечных работах и расширение, за счет переноса технических функций с лесосеки на лесопромышленный склад, на лесоскладских. В этой связи в подобном отображении вопрос оптимального размещения и степени совмещения функций процесса лесозаготовок не может быть решен.

Выводы по анализу1. Технологические процессы лесозаготовок в основном моделируются как дискретные последовательности состояний ПТ или (и) машин. Непрерывное пространство состояний представлено траекториями перемещения ПТ и машин на плоскости и во времени. Имеются отдельные работы, моделирующие перемещения рабочих органов в трехмерном декартовом пространстве состояний.

Моделирование в метрических пространствах большей размерности, например, динамики изменения объема и перемещения ПТ во времени и пространстве, отсутствует. Развитие этого направления в части использования отображения ТП во всем многообразии пространств состояний (дискретный процесс, непрерывная последовательность, непрерывный процесс) от дискретного до непрерывного и смешанного формализует и повышает качество генерирования альтернатив, способствует появлению новых научных направлений и сопутствующих им результатов исследований с соответствующей эффективностью.

2. В основе моделирования и поиска оптимальных решений технологий лесозаготовок лежит описание лесозаготовительных машин (комплектов машин) и присущих им процессов. То есть процесс, как совокупность состояний и положений ПТ, определяется неявно через последовательность операции ЛЗМ. Обратная задача моделирования и оптимизации технологических процессов, моделирование ТП как эволюции с последующим покрытием его существующими машинами или разработкой новых, оптимальных по технологическим требованиям и режимам, на текущий момент имеет место в границах моделирования дискретных последовательностей состояний ПТ и соответствующих им машин, а также в рамках дискретно-непрерывных процессов при лесопилении.

3. Технологические процессы моделируются статически и кинематически. Динамика процесса имеет отражение лишь при описании перемещений ПТ и машин для параметрической оптимизации, включая оптимизацию режимов продольного пиления. Моделирование динамики процесса изменения объема и перемещения ПТ, то есть описание эволюции такого процесса во времени и пространстве на текущий момент находится в стадии разработки.

Имеет место формализованное математическое описание непрерывных технологических процессов (например, математическая модель производительности машины (установки) по сырью или по выходу готовой продукции) посредством сечений процесса эволюции ПТ по пространственной координате маршрута ТП.

Лесозаготовительные машины и оборудование, реализующие соответствующие операции, моделируются уравнениями движения (динамики) на основе зависимостей теории механики с учетом характеристики присоединяемого к машине предмета труда и взаимодействия машин со средой, в которой они функционируют. Связь машин с технологическими процессами осуществляется опосредовано, как объектов, реализующих ту или иную дискретную последовательность состояний ПТ или непрерывный процесс пиления для одного состояния ПТ. Математически формализованное описание такой связи частично реализуется посредством теории резания, определяющей объединяющее множество в виде векторов и скоростных показателейперемещений (подач) и и скоростей резания, которые отображаются на множество значений производительности процесса и мощности машин.

4. Проблема неопределенности, связанная с размещением производства конечного продукта лесозаготовок (в координатах стоящего дерева, погрузочного пункта или лесопромышленного склада) и, соответственно, размещения обрабатывающих и переместительных функций, разрешения не получила. Задачи оптимизации размещения решены лишь для объектов лесопромышленного склада в рамках заданных технологических структур и размеров объектов.

5. Моделирование ТП в дискретном пространстве состояний позволило применить теоретико-множественное описание (теория графов, матричного исчисления и т.д.) для автоматизированной генерации альтернатив. Автоматизация в какой-то мере снимает проблему генерации при разрастании множеств исходных объектов лесозаготовок (состояний ПТ, типов и количества машин, вариантов перестановок и пр.) и полученного на их основе множества альтернатив. Однако нельзя гарантировать, что в полученном множестве альтернатив найдется (имеется), по крайней мере, одна, наилучшая из всех возможных. Более того, теоретико-множественное описание не позволяет определить оптимальные режимы процесса и реализующих его машин.

6. Увеличение количества возможных альтернатив обусловило переход на более высший уровень языка выбора - уровень бинарных отношений, в который дополнительно к традиционным показателям включаются показатели избыточности, сложности, многофункциональности и пр.

7. Постановки задач и оптимальные решения представлены параметрическим и материально-структурным уровнями. Оптимизация размещения, степени совмещения и порядка следования функций лесозаготовок (функционально-структурная оптимизация) в анализируемых работах отсутствует. Задачи оптимизации ТП лесозаготовок в основном носят статический характер и в качестве управлений используются переменные, а не программыроссийская государственная 41библиотекауправлений и соответствующие им траектории в виде математических функций или синтезирующие математические функции фазовых координат.

8. Неопределенность условий выбора (неопределенность целей, стохастическая, игровая неопределенность и др.) учитывается при моделировании объектов лесозаготовок. Однако выбор в условиях неопределенности на основе теории нечетких множеств (й^ьмножеств) в отраслевых приложениях широкого применения не получил. Нет отображения стохастических процессов эволюции предмета труда (изменения объема и положения) по маршруту технологического процесса.

9. Математическое моделирование стохастических процессов лесозаготовок реализовано в виде:- систем массового обслуживания для дискретных последовательностей операций машин или состояний предмета труда лесозаготовок и для непрерывных процессов объема потоков лесозаготовок по сечениям в связи с оптимизацией различных видов запасов;- дискретных марковских цепей (дискретных последовательностей), моделирующих случайные состояния рабочих органов, отдельных машин, комплектов машин лесозаготовок;- случайных непрерывных процессов, моделирующих производительность лесозаготовительных трелевочных машин и динамику воздействия профиля пути на движитель машины.

Моделирование технологического процесса лесозаготовок как случайного непрерывного процесса изменения объема и перемещения ПТ в анализируемых работах отсутствует.

1.2.2. Существующая парадигма моделирования и оптимизации технологии лесозаготовок

Основные выводы и рекомендации

Выполненные в работе системный анализ, структуризация проблемы, содержательное описание и развитие парадигмы в области теории синтеза и оптимального управления процессами лесозаготовок определили следующие выводы.

1. Качество генерации множеств (областей допустимых решений) альтернатив для поиска в сфере моделирования лесозаготовок ниже качества формализованных процедур поиска и выбора оптимального решения. Снятие представленной проблемы обеспечивается расширением пространства состояний от дискретной последовательности до непрерывных процессов и переходом от координат «пространства-времени» к координатам «пространства-времени-объема предмета труда». Для полной формализации расширенной области поиска необходимо абстрагирование от конкретных объектов лесозаготовок и математическое описание технологического процесса, в котором учитываются сопротивления и другие факторы, относящиеся только к предмету труда, с неопределенными размещением обрабатывающе-переместительных функций и режимами в пространстве и времени, с последующей оптимизацией и выдвижением технологических требований к проектируемым процессам и машинам или покрытием, по возможности, полученных оптимальных функциональных структур существующими машинами.

2. В практике оптимизации технологических процессов лесозаготовок целесообразна оптимизация размещения и степени совмещения функций в пространстве и времени. Сфера параметрической оптимизации может включать оптимальное управление, то есть оптимизацию режимов функционирования лесозаготовительных машин, определяющих перемещение и изменение объема ПТ по маршруту технологического процесса.

3. Экспериментально и теоретически определено, что технологический процесс лесозаготовок, как совокупность, по общепринятой дефиниции об-рабатывающе-переместительных и транспортных процессов, определяющих изменение формы (размеров, объема) и положения предмета труда, может быть измерен в интервальной шкале и формализован математически, посредством включения в модель процесса фактора изменяемого объема ПТ по маршруту в непрерывно-дискретном пространстве состояний и времени. В этом заключается основное отличие моделей, разрабатываемых на основе представленного в работе и существующих методов моделирования процессов лесозаготовок. Модели ТП могут рассматриваться как безынерционные (модели тренда и регрессии) и инерционные (модели конечно-разностные и системы дифференциальных уравнений). Математическое моделирование ТП лесозаготовок, как стохастических непрерывных процессов, целесообразно выполнять посредством детерминированных постановок задач с использованием функции математического ожидания. При этом метод измерения, математического моделирования, оптимального управления и синтеза технологических процессов основывается на теории резания и математическом аппарате теорий вариационного исчисления, оптимального управления и стохастических процессов.

4. Экспериментально доказано, что технологические процессы лесозаготовок представляют собой ансамбль реализаций, содержащих стохастическую и детерминированную составляющие. Детерминированная составляющая ТП описывается функцией математического ожидания, характеризующего изменение среднего объёма ПТ по маршруту технологического процесса, и рассматривается как результат воздействия некоторых детерминированных факторов. Такими факторами являются пространственные и временные координаты размещения технических функций и действий по преобразованию ПТ. Стохастическая составляющая определяется в большей степени стохастическими характеристиками ПТ и долями содержащихся в нем компонентов. Для существующих процессов определенную стохастичность вносит неравномерность времен циклов лесозаготовительных машин. Ансамбль реализаций ТП лесозаготовок по всем сечениям в условиях проведения эксперимента характеризуется нормальным распределением и полностью определяется нелинейными (нестационарными) оценками среднего и дисперсии. Пространство состояний технологического процесса имеет математически определенную область допустимых решений, конфигурация которой зависит от наличия или отсутствия запасов, а также включения (не включения) в модели группового или параллельного способов обработки и транспортировки ПТ.

5. При проведении промышленных экспериментов над процессами лесозаготовок матрицы плана эксперимента необходимо разрабатывать в соответствии с позициями сечений ТП, координаты и количество которых определяются исходя из степени полноты отображения детерминированной и(или) стохастической составляющих ТП. Форма траектории и структура аппроксимирующей ее зависимости определяется координатами размещения обрабатывающе-переместительных функций в пространстве маршрута ТП. Полученные аппроксимации функций математического ожидания описывают траектории существующих технологических процессов с приемлемой для практических приложений погрешностью не более 8%. Значения коэффициентов в аппроксимирующих выражениях определяются долями компонентов, содержащихся в предмете труда и значениями координат расстояния, на котором происходит их отделение. Рекомендуется при оценке коэффициентов нелинейных зависимостей использовать линеаризацию в окрестностях соответствующих точек, позволяющую упростить процесс получения оценок с использованием математических программных сред (МаШсас! и т.д.).

6. Возможные и существующие технологические процессы лесозаготовок отличаются по структуре зависимостей, описывающих траектории, и значениями интегральных и (или) терминальных функционалов, определяющих расстояние (расхождение) между технологическими процессами. Изложенные характерные признаки и возможность измерения ТП на этой основе в интервальной шкале позволяют разработать соответствующую классификацию и давать сравнительные оценки для различных процессов с сопоставимыми условиями по начальным и конечным состояниям и координатам положения предмета труда.

7. Из анализа оптимальных решений в безразмерных переменных по критерию быстродействия (ритма) для траекторий при равных граничных условиях, следуют выводы.

1) Сопоставительный анализ результатов (за базу для сравнения принимаются минимальные время и длина траектории технологического процесса, рис.3.7, линия 1) позволяет заключить, что оптимальный технологический процесс при законе изменения результирующей скорости и(/)=сопБ1:, с равными в безразмерном представлении скоростью изменения объема и скоростью транспортировки предмета труда (лесозаготовительная машина с совмещенными обработкой и транспортировкой ПТ), имеет преимущества по ритму процесса: сравнительно с технологическим процессом с распределением скорости изменения объема и транспортировки предмета труда по закону и(1)-к I (лесозаготовительная машина с совмещенными обработкой и транспортировкой ПТ), и соответствующей ему фазовой траекторией (рис.3.7, траектория 2) - на 8,7 %; сравнительно с технологическим процессом (технологией лесного комбайна, выполняющим переработку ПТ в координатах стоящих деревьев и затем лишь его транспортировку, или транспортировку ПТ и затем его переработку) и соответствующими фазовыми траекториями (рис. 2.6., траектории 1, 3 и рис.3.7, траектория 3) - на 100% ; сравнительно с технологическим процессом, определяемым законами скорости транспортировки (Г=к I, к(1-1)) и скорости изменения объема предмета труда (Г^сопб^ по маршруту ТП и соответствующей этим законам оптимальной фазовой траекторией, представленной на рис.3.10 траекторией 1 (лесозаготовительная машина, совмещающая переработку и транспортировку

ПТ с равными постоянным ускорением до середины расстояния транспортировки и далее с постоянным замедлением до конечной позиции транспортировки) - на 27 ,1 %.

Аналогично эффект по длинам траекторий составляет в порядке следования перечисленных ранее технологических процессов: - на 8,1 %; - на 40,6%; - на 26,6 %; и дополнительно определен эффект равный 25% сравнительно с длиной траектории, определенной по выражению 2.36 (раздел 2), для хлыстовой технологии.

2) Для обеспечения наиболее эффективного совмещения и размещения транспортных и технологических действий на маршруте ТП по критерию быстродействия (ритма процесса) достаточно соблюдения двух условий: 1) постоянное выполнение совмещенных обработки и транспортировки ПТ по маршруту ТП; 2) одновременное завершение процессов транспортировки и обработки ПТ в конечной позиции маршрута ТП. Соблюдение изложенных условий определяет максимальное расхождение ритма ТП не более чем на 9%.

3) Совмещение обрабатывающе-переместительных функций в пространстве (например, в координатах позиции дерева, хлыста и пр.) и отделенная от обработки транспортная функция неэффективны по критерию ритма ТП (технологической производительности 111) сравнительно с последовательным их выполнением и совмещением с транспортировкой по маршруту.

Практически режим совмещения технологических и транспортных операций наиболее эффективен и может найти применение при переездах лесозаготовительных машин на смежные объекты лесозаготовок (переезды с позиций на позиции на лесосеке и лесопромышленных складах). В этой связи одним из основных технологических требований к проектируемым лесным машинам является обеспечение возможности обработки ПТ и в координатах растущего дерева, и, при незначительной трансформации, в процессе перемещения при переездах на смежные объекты.

8. На основе постановок задач и результатов синтеза оптимальных процессов лесозаготовок по критерию удельной энергоемкости процесса следует заключение.

1) Скорость изменения объема предмета труда в форме первой производной по времени или по координатам пространства, а также уточненное в контексте представляемого метода синтеза оптимальных процессов понятие производительности рекомендуется использовать как основу вывода дифференциальных уравнений состояний процесса лесозаготовок. Методика определения соответствия между скоростью изменения объема ПТ и производительностью, а также конструирования дифференциальных уравнений состояния ТП может быть использована для различных видов деления древесины. Разработанная система дифференциальных уравнений отражает состояние процесса лесозаготовок в любой момент времени посредством определения и формализации характера связи между общими переменными, описанными отдельными зависимостями в теориях резания, производительности, энергобаланса и динамики лесных машин рекомендуется к использованию при моделировании технологических процессов и получении соответствующих решений в виде траекторий, программ управления перемещением и изменением объема предмета труда и машин лесозаготовок.

2) Постановка задачи оптимизации траектории и разработанный интегральный функционал удельной энергоемкости ТП лесозаготовок в безразмерных координатах «объем предмета труда - расстояние маршрута» позволяют реализовать обоснованный выбор оптимальной траектории ТП аналитическим решением. Форма траектории и ее математическое выражение определяют отвечающие этой форме степень совмещения (размещение) обраба-тывающе-переместительных и транспортных функций лесозаготовительных машин и удельную энергоемкость процесса.

3) Сравнение процессов (наилучшего по удельной энергоемкости с обработкой ПТ в координатах стоящего дерева ТПЭ и существующих хлыстового ТПь харвестерного ТПз и оптимального по быстродействию с постоянной скоростью транспортировки и изменения объема ТП^), синтезированных аналитически в пространстве состояний «объем предмета труда - расстояние маршрута» на основе аналитической модели (при сравнении исключена постоянная часть транспортной составляющей), определило, что сравнительно с ТПЭ перечисленные процессы имеют большую удельную энергоемкость:

ТПб - в 1,66, ТП1 - в 1,5, ТП3 - в 1 >55 раза.

4) Использование уравнений состояний ТП и постановка задачи оптимизации в координатах «объем предмета труда - расстояние маршрута ТП-время», как задачи оптимального управления по критерию удельной энергоемкости, позволяет дополнительно, кроме оптимальной траектории и, соответственно, размещения или степени совмещения обрабатывающе-переместительных и транспортных функций, получить численные значения функционалов удельной энергоемкости, выделить управления и определить законы управлений, реализующих эту траекторию. В качестве управлений рекомендуется принимать: объем отделяемых от основного потока компонентов ПТ или изменяемую массу ПТ; коэффициент распределения и использования номинальной мощности; скорость резания или подачи при делении ПТ; скорость транспортировки и перемещения изменяемого объема или массы предмета труда.

При невозможности получения аналитического решения дифференциальных уравнений и поставленных задач оптимизации рекомендуется выполнить преобразование постановок в конечномерную форму посредством конечных разностей и решать преобразованные задачи, как задачи нелинейного программирования.

5) Анализ оптимальных решений и синтезированных в координатах «объем предмета труда - расстояние маршрута ТП-время» технологических процессов (траекторий и управлений) по критерию удельной энергоемкости определил:

- оптимальными процессами при равной степени компактности размещения обрабатывающе-переместительных функций являются процессы, реализующие полную обработку ПТ в координатах стоящих деревьев или в координатах вертикально расположенного предмета труда на погрузочном пункте (лесопромышленном складе) при условии полного использования доставленной в эти пункты древесины, а также процесс, совмещающий транспортные и сортировочные действия, при котором объем ПТ (например, щепы и др.) остается постоянным;

- сравнительная, в интервальной шкале, оценка удельной энергоемкости процессов, синтезированных в размерном пространстве «объем предмета труда - расстояние маршрута ТП-время» при одинаковых граничных условиях и расстоянии транспортировки 260м определила, что процесс (ТПЭ), оптимальный по удельной энергоемкости (первоначальная обработка предмета труда в его вертикальном положении и последующая его транспортировка) эффективнее оптимального по ритму процесса с совмещенными транспортировкой и обработкой ПТ (ТПб) в 3,6 раза;

- технологические процессы лесозаготовок с траекториями на границах области допустимых решений являются равными по критерию удельной энергоемкости, при зеркальной симметрии траекторий сравниваемых процессов, относительно траектории оптимального по ритму процесса (ТПб) и при условии полного использования доставленной и переработанной в конечной позиции древесины;

- технологические процессы лесозаготовок, траектории которых размещены симметрично между границами области допустимых решений и траекторией оптимального по ритму процесса (ТПб)> являются равными по критерию удельной энергоемкости, при равенстве координат позиций отделения неиспользуемых в дальнейшем отходов и условии полного использования доставленной и переработанной в конечной позиции древесины;

- методика размещения функций лесозаготовок в пространстве и времени на основе объемов отделяемых компонентов предмета труда рекомендуется к использованию при трансформации полученных оптимальных траекторий технологических процессов в практические приложения.

6) Проведенный анализ синтезированных оптимальных процессов лесозаготовок снимает пространственную неопределенность позиций размещения обрабатывающе-переместительных функций. Исходя из целевого функционала удельной энергоемкости определено, что процессы лесозаготовок равнозначны при получении конечного состояния ПТ: и в координатах растущего дерева, и в координатах любой точки лесопромышленного склада при вертикальном положении дерева. Затем следуют менее эффективные процессы, обрабатывающе-переместительные функции которых реализуются на лесосеке у пня в площади, покрываемой поваленным деревом, а на складе - в любой позиции лесопромышленного склада в площади такого же размера и так далее, по аналогии, в направлении менее эффективных уровней иерархии. Равнозначность процессов в интервальной шкале обеспечивается одинаковой степенью компактности размещения обрабатывающе-переместительных функций и обязательностью исключения потерь древесины при транспортировке, а также реализации всех компонентов ПТ, доставленных для обработки. Соответственно представленному размещению обрабатывающе-переместительных функций выстраивается функциональный ряд машин лесозаготовок по приведенному критерию эффективности процесса от более эффективных к менее эффективным. Данный ряд представляется следующим образом:

- лесные комбайны или моторные инструменты, ведущие обработку в координатах вертикально расположенного дерева на лесосеке или лесопромышленном складе, и транспортные машины для сырья или полученной продукции;

- лесозаготовительные машины или моторный инструмент, выполняющие обработку в пределах площади, покрываемой лежащим деревом, на лесосеке или лесопромышленном складе и так далее, в направлении большей распредёленности по маршруту обрабатывающих функций.

- наименее эффективным, по критерию удельной энергоемкости, является процесс с распределенными по маршруту обрабатывающе-переместительными функциями, представляемыми комплектом одноопера-ционных машин или комбайнов, совмещающих обработку ПТ с его перемещением, в ходе которого отделенные отходы теряются или сбрасываются с машины.

7) Наименее энергоемкими являются процессы с постоянными скоростью изменения объема и перемещения предмета труда и машин лесозаготовок.

9. Метод синтеза оптимальных технологических процессов лесозаготовок и оптимального управления имеет свое развитие и отображается частными случаями задач распределения дискретных состояний ПТ и соответствующих им функций по маршруту технологического процесса.

Например, к задачам такого типа относится задача оптимального формирования комплектов машин по количеству и составу, отражающему дискретно технологические и переместительные функции и их размещение в соответствии с размещением определенных состояний ПТ.

Качественное решение задач такого типа обеспечивается разработанной мультимедиа базой данных (свидетельство об официальной регистрации базы данных №2001620183) удельных показателей известных лесозаготовительных машин для множества состояний ТП в соответствующей позиции.

Полученный по итогам решения комплект машин для конкретных условий Пермской лесопромышленной компании подтверждает теоретическое заключение предыдущих разделов. Разработанная методика постановки и решения подобных задач может быть использована в различных отраслевых

1. Алябьев В.И. Оптимизация производственных процессов на лесозаготовках. М.: Лесн.пром-сть, 1977. - 232 с.

2. Редькин А.К. Применение теории массового обслуживания на лесозаготовках. М.: Лесн. пром-сть, 1973. 152 с.

3. Редькин А.К. Основы теории потоков древесины на нижних складах лесозаготовительных предприятий. Дис. . др-ратехн. наук: 05.21.01. М.: МЛТИ, 1976- 459с.

4. Редькин А.К. Основы моделирования и оптимизации процессов лесозаготовок: Учебник для вузов. М.: Лесн. пром-сть, 1988. - 255 с.

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

6. Залегаллер Б.Г. Оптимизация технологических процессов нижних складов. ч.1., Л.: Из-во ЛГУ, 1975. 83с.,

7. Захаренков Ф.Е. Оптимизация производственного процесса береговых складов. М.: Лесн. пром-сть, 1978. 184 с.

8. Пижурин A.A., Розенблит A.C. Основы моделирования и оптимизации процессов деревообработки. Учебник для вузов. М.: Лесн. пром-сть, 1988. 296с.

9. Пижурин A.A., Пижурин A.A. Моделирование и оптимизация процессов деревообработки: Учебник.- М.: МГУЛ, 2004.-375 с.

10. Пименов А.Н., Рогулин В.Г., Камусин A.A. Оптимизация процессов водного ле-сотранспорта. Учебное пособие. М.: МЛТИ, 1983. 119 с.

11. Фергин В.Р. Интенсификация процессов пиления древесины. М.: Лесн. пром-сть, 1988 144с.

12. Половинкин А.И. Теория проектирования новой техники (закономерности техники и их применение). Волгоград: Эвристика, 1990.-164с.

13. Камусин A.A., Дмитриев Ю.А., Минаев А.Н., Овчинников М.М., Патякин В.И., Пименов А.Н., Полищук В.П. Водный транспорт леса: Учебник для вузов/ Под ред. В.И.Патякина- М.: МГУ леса, 2000.-^32с.

14. Федоренчик A.C. Неравномерность работы технологических потоков лесозаготовок и разработка средств повышения их пропускной способности. Автореферат дис. . к.т.н., Минск. 1984. -20с.

15. Вильке Г.А. Автоматизация производственных процессов лесопромышленных предприятий. М.: Лесн. пром-сть, 1972. 416 е.,

16. Камусин A.A. Управление лесоскладскими процессами предприятий с рейдами приплава. Дис. . др-ра техн. наук: 05.21.01. М.: МГУЛ, 1997. - 360 с.

17. Коган К.Г. Метод разработки и анализа структурных технологических процессов первичной обработки леса. Автореферат дис. . к.т.н., Химки. 1985. -18с.

18. Воевода Д.К., Коган К.Г. Автоматизация проектирования лесоскладских процессов. М.: 1986.-32с-Обзор. информ./ВНИПИЭИлеспром.

19. Ситяев В.П. Оптимизация размещения технологических объектов на площадке нижних складов. Дис. . канд. техн. наук, М.: МЛТИ, 1977. 181 с.

20. Дорошенко В.А. Синтез технологической структуры автоматизированных технологических процессов первичной обработки древесины. Дис. . др-ра техн. наук: 05.21.01., 05.13.07.-Красноярск, 1997.-445 с.

21. Гуслицер Н.И., Шмаков В.П., Меньшиков А.П. Основы оптимизации поточных линий по первичной обработке древесного сырья. Красноярск. Изд-во Красноярского университета, 1993. - 184с.

22. Лозовой В.А. Структурный синтез поточных линий для обработки древесного сырья. Дис. . д-ра техн. наук: 05.21.01.-Красноярск, 2000.-345 с.

23. Шадрин A.A. Совершенствование технологических процессов комбинированных лесообрабатывающих цехов лесозаготовительных предприятий: Дис. . канд. техн. наук. М.: МЛТИ, 1986. 259 с.

24. В.А. Дорошенко, Л.В. Леонов, Л.В. Друк. Метод выбора вариантов технологического оборудования на основе безусловного критерия предпочтения/Юборудование и автоматизация деревообрабатывающих производств: Научные труды МГУлеса. М.: 1998. Выпуск 291.-352с.

25. Батин К. В., Дудюк Д. Л. Основы теории и расчета автоматических линий лесопромышленных предприятий. М.: Лесн. пром-сть, 1975. 130с.

26. Якимович С.Б. Исследование и разработка параметров и технологических схем применения манипуляторов на сортировке круглых лесоматериалов: Дис. . канд. техн. наук. Ленинград, ЛТА,1985. 282 с.

27. Якимович С.Б. Измерение и проектирование технологических процессов лесопромышленного комплекса/МарГТУ. Йошкар-Ола, 1997. - 29с. - Деп. в ВИНИТИ, № 1931-В97

28. Цветков В.Д. Система автоматизации проектирования технологических процессов. М.: Машиностроение, 1972.- 240 с.

29. Цветков В.Д. Системно-структурное моделирование и автоматизация проектирования технологических процессов. Минск. Наука и техника, 1979 264 с.

30. Мазуркин П.М. Поиск функциональных структур комплексов лесозаготовительных машин //Интенсификация лесозаготовительных и лесохозяйственных производств: Межвуз. сб. научных тр./ЛТА. Л., 1989 - с. 70-75.

31. Мазуркин П.М., Поляков И.Н. Способы лесозаготовки. Йошкар-Ола, 1994.156 с.

32. Мазуркин П.М. Поисковое проектирование лесотехнических объектов. Красноярск. Изд-во Краснояр. ун-та, 1990.-192 с.

33. Справочник по функционально-стоимостному анализу / под ред. М.Г. Карпуни-на. М.: Финансы и статистика, 1988.-431 с.

34. Рахманин Г.А., Парамонов С.Д., Архипов A.A. Циклично-поточная технология нижних лесопромышленных складов: Обозрн. информ- М.: ВНИПИЭИлеспром , 1987. -48 с.

35. Саати Т., Керне К. Аналитическое планирование. Организация систем: Пер. с англ. М.: Радио и связь, 1991 -224 с.

36. Кочегаров В.Г. Теоретические исследования лесосечных работ. Дис. . др-ра техн. наук: 05.21.01. Л. : ЛТА, 1973. - 416 с.

37. Залегаллер Б.Г.,Ласточкин П.В., Бойков С.П. Технология и оборудование лесных складов М.: Лесн. пром-сть, 1984.-352с.

38. Барановский В.А., Некрасов P.M. Системы машин для лесозаготовок. М.: Лесная промышленность, 1977.-248 с.

39. Занегин Л.А. Система машин для безотходной технологии лесозаготовок// Лесная промышленность 1992. №5-с.З-4

40. Редькин А.К. Якимович С.Б., Способ моделирования и проектирования технологических процессов лесопромышленного комплекса. М.: МГУ Л, Лесной вестник, 2000, №4, с.55-69.

41. Якимович С.Б. Где производить конечный продукт лесозаготовок на лесосеке или лесопромышленном складе? М.: Лесная промышленность, 2003, №4, с.16-19.

42. Якимович С.Б. Оптимальное управление процессами лесозаготовок: уравнения состояний. М.: МГУЛ, Лесной вестник, 2003, №3(28), с.96-103

43. Якимович С.Б. Постановка и решение задачи синтеза и оптимального управления технологическими процессами лесозаготовок. М.: МГУЛ, Лесной вестник, 2003, №5(30), с.149-160

44. Перегудов Ф.И., Тарасенко Ф.П. Введение в системный анализ: Учебное пособие для вузов. — М.: Высш.шк., 1989. 367 с.

45. Андреев В.Н. Системный подход к проектированию лесных машин на основе марковских цепей //Известия Санкт-Петербургской лесотехнической академии: сб. тр./ ЛТА. Спб, 1993. С.172-182.

46. Сарайкин В.Г. Создание единого информационного пространства для комплексной автоматизации процессов хозяйственной деятельности в лесопромышленном комплексе: Автореферат дис. . д.т.н.: 05.13.12. Воронеж, 2003- 32 с.

47. Макаров И.М. и др. Теория выбора и принятия решений. М.: Наука, 1987.257с.

48. Перспективная технология и системы машин для лесозаготовительной про-мышленности//Труды ЦНИИМЭ, вып. 137. Химки. 1974.-137с.

49. Система машин для комплексной механизации лесозаготовительного производства на 1986-1990г.г.: Нормативно-производственное издание. М.:ЦНИИМЭ, 1986. 148с.

50. Багаев И.Г., Мизев М.А. Межоперационные запасы сырья в леспромхозах. М.: Лесн. пром-сть, 1973. 165 е.,

51. Алябьев В.И. Основы теории оптимизации параметров погрузочно-разгрузочных машин. Дис. . др-ра техн. наук: 05.21.01 М.: МЛТИ, 1973. - 374 с.

52. Вороницын К.И., Некрасов P.M., Брейтер B.C. Рабочая гипотеза совершенствования систем машин и технологических процессовЛ Труды ЦНИИМЭ, Химки. 1974,№137, с. 112-115.

53. Вороницын К.И., Габриэль В.З., Гедз Н.И. Математические методы исследования и выбора оптимальных параметров системы лесосечных машинЛ Труды ЦНИИМЭ, Химки. 1975, №144, с.15-30.

54. Орлов С.Ф. Теория и применение агрегатных машин на лесозаготовках. М.: Гослесбумиздат, 1963. 270 с.

55. Венценосцев Ю.Н. Основы теории лесопромышленных производств. М.: Лесн. пром-сть, 1966.-157с.

56. Орлов С.Ф., Кочегаров В.Г. Лесосечные работы без ручного труда. М.: Лесн. пром-сть, 1973. 160 с.

57. Прохоров В.Б. Основы производственной эксплуатации лесозаготовительных машин. Л.: Из-во ВЗЛТИ, 1960 166с.

58. Плаксин М.В. Основы рационального построения производственного процесса лесоразработок. Львов. Из-во Львовского университета, 1958 112 с.

59. Прохоров В.Б. Эксплуатация машин в лесозаготовительной промышленности. М.: Лесн. пром-сть, 1978 304 с.

60. Пижурин A.A. Оптимизация технологических процессов деревообработки. М.: Лесн. пром-сть, 1975. 312с.

61. Фергин В.Р. Методы оптимизации в лесопильно-деревообрабатывающем производстве. М.: Лесн. пром-сть, 1975. 216 с.

62. Воевода Д.К. Основные методы автоматизации в лесной промышленности. М.: Гослесбумиздат, 1962. 428 с.

63. Залегаллер Б.Г. Технология работ на лесных складах. М: Лесн. пром-сть, 1980 —232с.

64. Венценосцев Ю.Н. Проектирование лесосечных работ: Учебное пособие. -Йошкар-Ола: МарГУ, 1983. 32 с.

65. Меренков А.П., Хасилев В.Я. Теория гидравлических цепей. М.: Наука, 1985278 с.

66. Торопов A.C. Интенсификация производственных процессов поперечной распиловки лесоматериалов. Автореферат дис. . д.т.н.: 05.21.01. С-Пб., 1993.-29 с.

67. Меньшиков В.Н. Основы технологии заготовки леса с сохранением и воспроизводством природной среды. Л.: Из-во Ленинградского ун-та, 1987. - 220 с.

68. Захариков В.М. Выбор технологических систем машин для разработки лесосек. Дис.к.т.н. М.: МЛТИ, 1985.-277 с.

69. Фаст В.И. Выбор и обоснование технологии лесосечных работ при машинной заготовке леса. Автореферат дис. . к.т.н. Л.: ЛТА, 1986 20 с.

70. Макуев В.А. Формирование парка лесосечных машин комплексного лесного предприятия. Дис. . канд. техн. наук, М.: МГУЛ, 1990. 178 с.

71. Верхов И.Ф., Макуев В.А., Рыжков А.Е., Старостин В.В. Системы машин и технология лесосечных работ. М.: МЛТИ, 1988. 100 с.

72. Ширнин Ю.А. Моделирование и разработка оптимальных технологических процессов лесосечных работ. Автореферат дис. . д.т.н.: 15.21.01. М.: МЛТИ, 1993. 43 с.

73. Пошарников Ф.В., Юдина Н.Ю., Слюсарев A.A. Имитационное моделирование при исследовании технологий лесного комплекса.// Лесоэксплуатация: Межвузовский сборник научных трудов. Красноярск, СибГТУ. 1998 с.26-32.

74. Гладков Е.Г., Фаст В.И. Моделирование и оптимизация процессов лесозаготовок: Учебное пособие. СПб.: ЛТА, 1994.-47с.

75. Сюнев B.C. Обоснование выбора систем машин для рубок ухода. Автореферат дис. . д.т.н.: 05.21.01. Воронеж, 2000 г. - 34 с.

76. Котиков В.М. Воздействие лесозаготовительных машин на лесные почвы. Дис. . др-ратехн. наук: 05.21.01. М.: 1995.-214 с.

77. Анисимов Г.М. Новая концепция формирования системы машин на модульном принципе для гибкого лесозаготовительного производства//Известия Санкт-Петербургской лесотехнической академии: Сб.тр./ ЛТА. СПб, 1993 г. с. 183-193.

78. Семенов М.Ф. Обоснование параметров и технических решений модульных трелевочных систем с целью повышения производительности и снижения энергоемкости процесса. Дис. . др-ратехн. наук: 05.21.01. СПб, 1996.-390 с.

79. Соболев Ю.М. Безотходное штампование и метод конструирования деталей безотходной и малоотходной конфигураций. Пермь: Пермское кн. из-во, 1951. - 102 с.

80. Miles L.D. Technignes of Value analysis and engineering.- N.Y. 1972. P.S.

81. Автоматизация поискового конструирования (искусственный интеллект в машинном проектировании)/ под. Ред. А.И.Половинкина. М.: Радио и связь. 1981. - 344 с.

82. Мазуркин П.М. Функциональное расширение технологического поведения лесозаготовительных машин // Лесосечные, лесоскладские работы и транспорт леса: Меж-вуз. сб. науч. тр./ЛТА, Л., 1990, с. 10-17.

83. Мазуркин П.М. Автоматизация технологического проектирования лесозаготовительного производства// Технология лесозаготовок и транспорт леса: Межвуз, сб. науч. трудов./ ЛТА. Л., 1984, с.92-93.

84. Якимович С.Б., Шулепова O.A. Обоснование скоростных режимов валочно-пакетирующих машин с совмещенными функциями. Лесной журнал. 1992. №3.- с 33-37.

85. Мазуркин П.М. Функциональная классификация лесных машин. Лесной журнал. 1994. №1. — с.47-58.

86. Якимович С.Б. Процедуры эффективного выбора для объектов лесозаготовок: Учебное пособие. Йошкар-Ола: МарГТУ, 1995. -176 с.

87. Якимович С.Б. Качество областей поиска оптимальных решений./ Материалы международной научной конференции «Системный подход в науках о природе, человеке и технике» часть5 - Таганрог: ТРТУ, 2003 - с. 104-105.

88. Понтрягин A.C., Болтянский В.Г., Гамкрелидзе Р.В., Мищенко Е.Ф. Математическая теория оптимальных процессов. М.: Наука, 1983. 392с.

89. Ванько В.И., Ермошина О.В., Кувыркин Г.Н. Вариационное исчисление и оптимальное управление./ Под ред. B.C. Зарубина.-М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001.-448 с. (Сер. Математика в техническом университете; Вып.ХП)

90. Якимович С.Б. Исчисление объема потока лесопродуктов как системного критерия технологических процессов лесозаготовок. Труды МарГТУ вып.2 .Материалы научной конференции профессорско-преподавательского состава\ч.2. Йошкар-Ола, 1996.-с.96-98.

91. Петров Ю.П. Вариационные методы теории оптимального управления. Л.: Энергия, 1977.-280с.

92. Федоренко Р. П. Приближенное решение задач оптимального управления. М.: Наука, 1978.-488С.

93. Моисеев H.H. Математические задачи системного анализа. М.: Наука, 1981.448 с.

94. Бендат Дж., Пирсол А. Прикладной анализ случайных данных: Пер. с англ. -М.: Мир, 1989.- 540 с.

95. Мышкис А.Д. Математика для втузов: Специальные курсы. М.: Наука, 1971.631с.

96. Якимович С.Б. Технологические процессы лесопромышленного комплекса (ЛПК): функционалы и проектирование. Труды МарГТУ, вып.5: Материалы научной конференции профессорско-преподавательского состава \ ч.2. Йошкар-Ола, 1997.- с.65-68.

97. Якимович С.Б., Стериопуло Д.А. Программа "Планшет", версия 2.0. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №980662. Заявлено 31.07.98: Опубликовано 17.11.98 //Бюл.№1. Программы для ЭВМ. Базы данных.-50с.

98. Стериопуло Д.А., Якимович С.Б. Программа "Планшет Про", версия 2.0. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №980663. Заявлено 31.07.98: Опубликовано 17.11.98 //Бюл.№1. Программы для ЭВМ. Базы данных.-50с.

99. Бокс Дж., Дженкинс Г. Анализ временных рядов. Прогноз и управление. Пер. с англ. М.: Мир, 1974, вып. 1.—406 с.

100. Боровиков В.П., Ивченко Г.И. Прогнозирование в системе Statistica. Основы теории и интенсивная практика на компьютере: Учеб. пособие.- М.: Финансы и стаистика, 1999.-384с.

101. Эйкофф П. Основы идентификации систем управления. Пер. с англ. М.: Мир, 1975, вып. 1.-683 с.

102. Анучин Н.П. Определение объемов хлыстов и сортиментов.-3-е изд., доп.-М.: Лесн. пром-сть, 1985. -184с.

103. Горский В.Г., Адлер Ю.П., Талалай A.M. Планирование промышленного эксперимента^© дели динамики). М.: «Металлургия», 1978.-112с.

104. Мешга R.K. IEEE Trans. Automat. Control. 1976., v. 21, №1, p.55-64.

105. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. М.: Наука, 1984.- 832 с.

106. Вторичные материальные ресурсы лесной и деревообрабатывающей промышленности: (Образование и использование). Справочник. М.: Экономика, 1983.-224 с.

107. Никишов В.Д. Комплексное использование древесины: Учебник для вузов М.: Лесн. пром-сть, 1985.-264с.

108. Боровиков A.M., Уголев Б.Н. Справочник по древесине. М.: Лесн. пром-сть., 1989.-296с.

109. Технология и оборудование лесопромышленных производств. Справочные материалы: Учебное пособие/ Ю.А.Ширнин, С.Б. Якимович, А.Н.Чемоданов, Е.М. Царев.-Йошкар-Ола: МарГТУ,1999.-252с.

110. Авторское свидетельство СССР №1763182. Способ групповой очистки деревьев от сучьев и подвижная бункерная установка для его осуществления// Якимович С.Б., Кузнецов А. Г. Заявлено 26.11.90: Опубликовано 23.09.92/Бюл. Открытия. Изобретения- №35

111. Патент №2100107 РФ. Устройство для сортировки и транспортировки технологической щепы // Якимович С.Б., Путилов А.Л., Лукина Т.А Заявлено 10.11.94: Опубликовано 27.12.97// Бюл. Открытия. Изобретения.-№36

112. Патент №2117537 РФ. Сортировочно-транспортная установка// Якимович С.Б., Сюсюкин А.П., Таланцева Л.В.- Заявлено 24.06.96: Опубликовано 20.08.98// Бюл. Открытия. Изобретения №23

113. Якимович С.Б. Оптимизация технологического процесса лесозаготовок в форме задачи о быстродействии/ Материалы международной научной конференции «Новые технологии и устойчивое управление в лесах северной Европы»- Петрозаводск: ПетрГУ, 2001.-с. 156-158.

114. Бронштейн И.Я., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров. -М.: Наука, 1980.-976с.

115. Табак Д., Куо Б. Оптимальное управление и математическое программирование/ Пер. с англ. -М.: Наука,1975.-280с.

116. Реклейтис Г., Рейвиндран А., Регсдел К. Оптимизация в технике: Кн.1: Пер с англ. М.: Мир, 1986. - 350 с.

117. Химмельблау Д. Прикладное нелинейное программирование. М.: Мир, 1975. - 534 с.

118. Вентцель Е.С. Исследование операций М.: Сов. радио, 1972.- 551с.

119. Taxa X. Введение в исследование операций: Кн.1 : Пер. с англ. М.: Мир, 1985. - 479 с.

120. Taxa X. Введение в исследование операций: Кн.2: Пер. с англ. М.: Мир, 1985.-496 с.

121. Реклейтис Г.,Рейвиндран А.,Рэгсдел К. Оптимизация в технике: В 2-х кн. Кн.2. Пер. с англ. -М.: Мир, 1986. -320 с

122. Аттетков A.B., Галкин C.B., Зарубин B.C. Методы оптимизации: Учеб. для вузов/Под. ред. B.C. Зарубина, А.П. Крищенко. М.: Из-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2001. -440 с.(Сер. Математика в техническом университете; Bbin.XTV»)

123. Хог Э., Apopa Я. Прикладное оптимальное проектирование: Механические системы и конструкции /Пер с англ. М.: Мир, 1983. - 479 с.

124. Патент № 2180774 РФ. Лесной комбайн // Якимович С.Б., Редькин А.К., Зорин А.Н., Русов Д.Е., Тулынин Ф.П., Бекренев A.C. Заявлено 27.06.00: Опубликовано 27.03.02 / Бюл. Открытия. Изобретения.- №9

125. Патент № 2135351 РФ. Сучкорезно-окорочное устройство для обработки стоящих деревьев // Якимович С.Б., Дьячков O.E., Ткаченко В.Ю. Заявлено 24.06.98: Опубликовано 27.08.99 / Бюл. Открытия. Изобретения - №24

126. Якимович С.Б., Зорин А.Н., Бекренев A.C. Обоснование выбора ленточно-пильных станков/ Материалы международной научно—практической конференции «Рациональное использование лесных ресурсов»- Йошкар-Ола: МарГТУ 2001 с. 110-112.

127. Патякин В.И., Тишин Ю.Г., Базаров С.М. Техническая гидродинамика древесины. М.: Лесн. пром-сть, 1990.-304 с.

128. Лесные машины: Учебник для вузов, Анисимов Г.М., Жендаев С.Г., Жуков A.B., Котиков В.М. и др.- М.: Лесн. пром-сть, 1989.-512с.

129. Баринов К.Н., Варава В.И. Аппроксимативные методы оптимального управления механизмами циклического нагружения// Машины и орудия для механизации лесозаготовок. Межвуз. сб. научн. тр.- Л.: ЛТА, 1979. с. 17-21

130. Проектирование и расчет специальных лесных машин .Зайчик М.И., Орлов С.Ф., Гольдберг A.M., Анисимов Г.М., Жилин С.А., Котиков В.М. М.: Лесная промышленность, 1976.-208 с.

131. Бершадский А.Л. Резание древесины. М.: Гослесбумиздат,1956.-328с.

132. Амалицкий В.В., Санев В.И. Оборудование и инструменты деревообрабатывающих предприятий-М.: Экология, 1992.—480с.

133. Любченко В.И. Резание древесины и древесных материалов. М.: Лесная промышленность, 1973.-292с.

134. Салминен Э.О. Основы моделирования и оптимизации процессов лесотранс-порта: Лекции для студентов спец. 0901 /Ленинград, лесотехн. акад. им. С. М. Кирова Л.: ЛТА, 1986.-46 с.

135. Александров В.А. Динамические нагрузки в лесосечных машинах. Л.: Изд-во Ленинградского университета, 1984.-152 с.

136. Сортиментная заготовка леса: Учеб. пособие/ Азаренок В.А., Герц Э.Ф., Мех-ренцев A.B.; Урал. гос. лесотехн.акад. Екатеринбург, 1999—129с.

137. Рей У. Методы управления технологическими процессами: Пер. с англ.-М.: Мир, 1983 .-368с.

138. Самарский A.A., Михайлов А.П. Математическое моделирование: Идеи. Методы. Примеры М.: Наука. Физматлит, 1997. - 320 с.

139. Проблемы исследования базовых лесопромышленных тракторов//Труды ЦНИИМЭ, Химки. 1977.-125С.

140. Редькин А.К., Чувелев А.Я. Выбор лесоскладских машин и технологии в зависимости от размерно-качественных характеристик обрабатываемого сырья. М.: МЛТИ, 1981.-76 с.

141. Залегаллер Б.Г. Расчет пильных механизмов раскряжевочных установок. Л.: Изд-во Ленингр. ун-та, 1974.- 180 с.

142. Ивановский Е.Г., Василевская П.В., Лаутнер Э.М. Фрезерование и пиление древесины и древесных материалов. М.: Лесная промышленность, 1971.- 96 с.

143. Кох П. Процессы механической переработки древесины. М.: 1969.-328с.

144. Анисимов Г.М., Кочнев A.M., Маслов Д.Ю. Оптимизация режимов работы двигателя внутреннего сгорания и гидрообъемной передачи трелевочного трактора. Архангельск: ИВУЗ, Лесной журнал,2000,№2, с.52-57.

145. Якимович С.Б., Володина И.Ю. Формирование комплектов машин лесозаготовок на основе распределения состояний предмета труда по маршруту технологического процесса. М.: МГУЛ, Лесной вестник, 2001, №2, с.128-136

146. Tabak D.,Kuo B.C. Optimal control by mathematical programming New Jersey: Prentice Hall Inc. Encrewood Cliffs. 1971.-p.265

147. Прокофьев Г.Ф. Интенсификация пиления древесины рамными и ленточными пилами М.: Лесная промыщленость, 1990-240с.

148. Селиванов Н.Ф., Занегин Л.А., Сарайкин В.Г., Воскобойников И.В. Станки и оборудование потоков шпалопиления: Справочник. Т.1 М.:МГУЛ, 2001- 516с.

149. Селиванов Н.Ф., Занегин Л.А., Сарайкин В.Г., Воскобойников И.В. Станки и оборудование потоков шпалопиления: Справочник. Т.2- М.:МГУЛ, 2001.- 313с.

150. Беллман Р., Калаба Р. Динамическое программирование и современная теория управления/Пер. с англ. -М.: Наука, 1969.-120с.

151. R. Bellman. Dynamic programming. Princeton University Press. Princeton, 1957.

152. Методы классической и современной теории автоматического управления: Учебник в 3 томах. Т.1: Анализ и статистическая динамика систем автоматического управления/ Под ред. Н. Д. Егупова- М.: Изд-во МГТУ им. Баумана, 2000 748с.

153. Методы классической и современной теории автоматического управления: Учебник в 3 томах. Т.2: Синтез регуляторов и теория оптимизации систем автоматического управления:/ Под ред. Н. Д. Егупова М.: Изд-во МГТУ им. Баумана, 2000 - 736с.

154. Методы классической и современной теории автоматического управления: Учебник в 3 томах. Т.З: Методы современной теории автоматического управления: Учебник в 3 томах. / Под ред. Н. Д. Егупова М.: Изд-во МГТУ им. Баумана, 2000 - 748с.

155. Кротов В.Ф., Лагоша Б.А., Лобанов С.М. и др. Основы теории оптимального управления. M.: Высш. шк., 1990.-430с.

156. Кротов В.Ф., Букреев В.З., Гурман В.И. Новые методы вариационного исчисления в динамике полета. М.: Наука, 1969.-360с.

157. Чижек Я. Биотехнические предпосылки механизации лесного хозяйства: Пер. с чешского-М.: Лесная промышленность, 1983.-83 с.

158. Пошарников Ф.В., Яковлев В.Т. О необходимости использования вторичного сырья// Лесная промышленность 1998. №3-с.5-6.

159. Кречетов А.Н. Потери биомассы при вывозке деревьев// Лесная промышленность.- 1988.№7-с.20-21.

160. Матвейко А.П. Технология и машины лесосечных и лесовосстановительных работ. Минск, Вышейш. школа, 1975.-520с.

161. Виногоров Г.К. Очистка лесосек в современном аспекте: Труды ЦНИИМЭ/ Проблемы технологии и механизации лесосечных работ в современном аспекте -1969, с.3-58.

162. Азаренок В.А., Герц И.Ф., Залесов C.B., Мехренцев A.B. Лесоводственные аспекты технологии лесосечных работ на Урале// Лесная промышленность- 2002. №2, с.21-24.

163. Обыденников В.И., Рожин Л.Н. Возобновление леса в связи с применением новых машин на сплошных рубках: Труды ЦНИИМЭ/ Машинная валка и трелевка леса-1977, с.59-63.

164. Большаков Б.М. Снижение отрицательных последствий от воздействия трелевочных систем на лесную почву. Дис. в виде научного доклада на соискание ученой степени д-ра техн. наук: 05.21.01-Санкт-Петербург, 1998.-62с.

165. Суханов B.C., Супрон Ю.П., Федоров В.В., Марковец Ю.В. Совершенствование технологии лесозаготовок путь к оздоровлению лесопромышленного комплекса// Лесная промышленность — 1998. №4—с. 12—15.

166. Аликин Г.П., Рахманин Г.А. Технология и техника лесозаготовок в XXI веке// Лесная промышленность.- 2001. №3-с.2-4.

167. Якимович С.Б. К оценке границ применимости сортиментного и хлыстового способов лесозаготовок// Технология лесопромышленного производства и транспорта: Сб. тр./ Под ред. Ю.Д. Силукова; УГЛТА, Екатеринбург, 2000.-е. 145-152.

168. Якимович С.Б., Редькин А.К., Степанов В.Е. Информационное обеспечение в лесном комплексе: Учебное пособие Йошкар-Ола: МГУлеса-МарГТУ, 2003-208с.

169. Якимович С.Б., Степанов В.Е. Моделирование информационных процессов лесопромышленного комплекса/ Материалы международной научно-практической конференции «Рациональное использование лесных ресурсов»— Йошкар-Ола: МарГТУ 2001 -с. 188-189.

170. Басакер Р., Саати Т. Конечные графы и сети: Пер. с англ.-М.: Наука, 1974.305с.

171. Системы автоматизированного проектирования: В 9-ти кн. Кн.4. Математические модели технических объектов./ В.А. Трудоношин, Н.В. Пивоварова. Под. ред. И.П. Норенкова. М.: Высш. шк., 1986.-160с.

172. Системы автоматизированного проектирования: В 9-ти кн. Кн.6. Автоматизация конструкторского и технологического проектирования./ Н.М. Капустин, Г.М. Васильев. Под. ред. И.П. Норенкова. М.: Высш. шк., 1986.-191с.

173. Ласточкин П.В., Якимович С.Б. Оценка динамического совершенства технологических схем сортировки круглых лесоматериалов посредством манипуляторов. Технология лесозаготовок и транспорт леса: Межвуз. сб. научн. тр./ ЛТА.-Л., 1985.-C.83-86.

174. Захариков В.М. Определение эффективных систем машин лесосечных работ на расчетных и оптимизационных моделях //Сб. научн. тр. /МЛТИ 1981. - вып. 118, с.5-8

175. Вентцель Е.С. Теория вероятностей: Учебник для вузов- М.: Высш. шк., 1998.-576С.

176. Вагнер Г. Основы исследования операций: В 3-х томах. Т.З. Пер. с англ. М.: Мир, 1972.-335.

177. Якимович С.Б., Шулепов С.Л. Определение характеристик потока деревьев при непрерывном режиме работы валочно-пакетирующих машин Лесной журнал. 1990, №6,- с 49-52.

178. Авторское свидетельство СССР №1542484. Лесозаготовительная машина // Якимович С.Б., Мубаракшин Р.Х., Шулепов С.Л., Зулкарова Г.З. Заявлено 11.05.88: Опубликовано 15.02.90/Бюл. Открытия. Изобретения-№6

179. Авторское свидетельство СССР №1685760 Устройство для предотвращения опрокидывания транспортного средства// Якимович С.Б., Мубаракшин Р.Х., Шулепов С.Л.-Заявлено 25.04.88: Опубликовано 23.10.91 /Бюл. Открытия. Изобретения.-№39

180. Романов B.C., Турлай И.В. Основы научных исследований: Учебное пособие. -Минск: БТИ, 1980.-60 с.

181. Алябьев В.И. Математическое моделирование и оптимизация производственных процессов на лесозаготовках: Учебное пособие. М.: МЛТИ, 1982. - 67 с.

182. Лебедев Ю. В. Математическое моделирование перегрузочных операций на лесных складах//Механизация и автоматизация производства. 1975, №11. -С. 32-33.

183. Кудрявцев Е.М. Mathcad 2000 Pro. M.: ДМК Пресс, 2001. - 576 с.

184. Авторское свидетельство СССР №1447658 Роторный стволообрабатывающий станок // Якимович С.Б. Заявлено 13.07.88: Опубликовано 30.12.88/Бюл. Открытия. Изобретения- №48

185. Авторское свидетельство СССР №1551238 Стволообрабатывающий роторный станок// Якимович С.Б.-Заявлено:10.03.88: Опубликовано 10.03.88./Бюл. Открытия. Изобретения- №48.

186. Авторское свидетельство СССР №1715583 Роторная раскряжевочная установка для лесоматериалов// Якимович С.Б., Камелин Л.Е., Дарькина С.П. Заявлено 06.06.89: Опубликовано 29.02.92./Бюл. Открытия. Изобретения.- №29.

187. Патент № 2123421 РФ. Установка для переработки древесины на щепу// Якимович С.Б. — Заявлено 13.08.96: Опубликовано 20.12.98/ Бюл. Открытия. Изобретения.-№35

188. Патент № 2155672 РФ. Способ переработки древесины и установка для его осуществления // Якимович С.Б., Камелин Л.Е., Безденежных Д.Е., Третьяков Д.Ю., Трофимов А.Б. Заявлено 21.06.99: Опубликовано 10.09.2000/Бюл. Открытия. Изобретения-№25.

189. Якимович С.Б. Оптимизация объемов производства продукции переработки древесины. Лесосечные, лесоскладские работы и транспорт леса: Межвуз. сб. научн. тр./ ЛТА.-Л., 1989.-С.53-56.

190. Методические рекомендации по оценке эффективности инвестиционных проектов/Утверждены министерством экономики и министерством финансов РФ от 21.06.1999 NBK 477.

191. Методические рекомендации (инструкция) по планированию, учету и калькулированию себестоимости продукции лесопромышленного комплекса/Министерством экономики РФ М.: Издательство МГУЛ, 2003 - 214 с.

192. Береславская В.А., Кардакова Р.В., Кошелева Л.В. Организация, планирование и управление предприятием: Справочное пособие 2-издание, испр - Йошкар-Ола: Мар-ГТУ, 2001.-132.

193. Межотраслевые нормы выработки и времени на лесозаготовительные работы/Утверждены постановлением министерства труда РФ от 19.1294 №82. М.: 1995.-84с.

194. Положение о техническом обслуживании и ремонте машин и оборудования лесозаготовительной промышленности .-Химки: ЦНИИМЭ, 1990.-288 с.