автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.12, диссертация на тему:Система автоматизации проектно-производственной среды лесопромышленного комплекса на основе структурного моделирования

На правах рукописи

Гурьев Александр Тимофеевич

СИСТЕМА АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОЕКТНО-ПРОИЗВОДСТВЕННОЙ СРЕДЫ ЛЕСОПРОМЫШЛЕННОГО КОМПЛЕКСА НА ОСНОВЕ СТРУКТУРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

Специальность: 05.13.12 - «Системы автоматизации проектирования (промышленность)»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени доктора технических наук

1 7 МАЙ 2012

Москва-2012

005043158

005043158

Работа выполнена в ФГАОУ ВПО «Северный (Арктический) федеральный университет имени М. В. Ломоносова».

Научный консультант: доктор технических наук, профессор

Павлов Виктор Владимирович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Норенков Игорь Петрович

доктор технических наук, профессор Митрофанов Владимир Георгиевич

доктор технических наук, профессор Яковлев Сергей Алексеевич

Ведущая организация: учреждение Российской академии наук

Санкт-Петербургский институт информатики и автоматизации РАН

Защита состоится «-3£>у> Л'С*-? 2012 г. в ч. на заседании диссертационного совета Д 212.142.03 ФГБОУ ВПО «Московский государственный технологический университет «СТАНКИН» по адресу: 127055, Москва, Вадковский переулок, д. За.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Московский государственный технологический университет «СТАНКИН».

Автореферат разослан «29» •яуЬе^'Л 2012 г.

Учёный секретарь совета Д 212.142.03, к. т. н., доц.

Семячкова Е.Г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Экономика страны находится под влиянием рыночных отношений, внутренних и внешних интеграционных процессов. Это, зачастую, приводит к изменению производственных и экономических связей хозяйствующих субъектов, вызванных укрупнением предприятий. Такие объединения, как холдинги, региональные кластеры, промышленные комплексы стимулируют развитие территорий, восстанавливают и укрепляют производственные связи на основе современных информационных и телекоммуникационных технологий.

Примером подобных объединений могут быть региональные нефтегазовые, горнодобывающие, лесопромышленные и другие комплексы. Они представляют собой сложные, территориально распределённые структуры, в которых для организации эффективного управления приоритетной задачей становится учёт материальных связей между отдельными производствами. Инновационное развитие производства требует непрерывного совершенствования применяемых технологических процессов и создания новой конкурентоспособной продукции при использовании ИПИ-технологии. Информацию о множестве объектов и процессов промышленного комплекса, используемых на всех этапах жизненного цикла выпускаемой продукции, необходимо представлять в едином информационном пространстве.

Большую проблему представляет исследование лесопромышленного комплекса, в который входят разнородные по физической природе объекты: биологические, технические, организационные, информационные. Производства, сосредоточенные в этом комплексе: машиностроительное, лесохозяйственное, лесозаготовительное, лесообрабатывающее, лесоперерабатывающее ориентированы на лесные ресурсы. Продукцией отдельных производств могут быть: лес, пиловочник, пиломатериалы, щепа, целлюлоза, бумага, машины и оборудование и др. Лес, как вид возобновляемых природных ресурсов, является продуктом природы естественного или искусственного воспроизводства лесного хозяйства. Для управления лесными ресурсами при решении задач лесопромышленного комплекса необходима

информационная система управления лесами, которая должна базироваться на ГИС-технологиях, методах обработки данных дистанционного зондирования земли и полевых исследований.

Конкурентоспособность лесопромышленного комплекса достигается за счёт синергетического эффекта от взаимодействия объектов, связанных в единую технологическую цепочку по потребляемым ресурсам, производимой продукции, информационным и транспортным связям. Лесопромышленный комплекс следует рассматривать как метасистему с учётом связей взаимодействующих производств.

Указанные обстоятельства требуют разработки новых моделей и методов представления процессов функционирования и развития лесопромышленного комплекса и обуславливают необходимость проведения научных исследований в этом направлении.

Объектом исследования являются процессы интегрированной информационной поддержки функционирования и развития лесопромышленного комплекса в составе систем лесное хозяйство, лесозаготовка, лесообработка, лесопереработка, лесное машиностроение.

Цель работы. Повышение эффективности функционирования и модернизации лесопромышленного комплекса за счет обеспечения непрерывной информационной поддержки принятия решений на основе создания системы автоматизации его проектно-производственной среды.

Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи исследования:

1. Исследование структуры метасистемы лесопромышленного комплекса.

2. Разработка теоретических положений для создания системы автоматизации проектно-производственной среды лесопромышленного комплекса.

3. Разработка методологии интегрированной информационной поддержки принятия решений для этапов и процессов жизненного цикла продукции лесопромышленного комплекса.

4. Разработка программных комплексов автоматизации проектно-производственной среды лесопромышленного комплекса.

Методы исследования. Теоретические исследования выполнены с применением основных положений системного анализа, методов моделирования и проектирования сложных систем, теории множеств, теории графов формальной и математической логики, теории полихроматических множеств и графов, имитационного моделирования, объектно-ориентированного программирования. Функциональные и информационные модели процессов разработаны на основе универсальных САБЕ-средств и ИПИ-технологий.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

• разработана модель метасистемы лесопромышленного комплекса, представляющая собой иерархическую структуру производительных систем, входящих в лесопромышленный комплекс;

• разработан метод структурного моделирования, позволяющий формировать комплекс структурных моделей и связей между ними с учетом задач функционирования и развития лесопромышленного комплекса;

• разработан комплекс методов информационной интеграции производительных систем лесопромышленного комплекса;

• разработаны методы и алгоритмы интеллектуальной поддержки принятия решений в условиях автоматизированной проектно-производственной среды лесопромышленного комплекса;

• разработана методология создания системы автоматизации проектно-производственной среды лесопромышленного комплекса, обеспечивающая непрерывную информационную поддержку его функционирования и модернизации.

Практическая значимость. Полученные в диссертации результаты теоретических и экспериментальных исследований использованы для создания интегрированной среды информационной поддержки принятия решений в процессах функционирования и модернизации предприятий лесопромышленного комплекса, включающую:

• методика формирования структурных моделей лесопромышленного комплекса;

• функционально-информационное обеспечение интегрированной

информационной поддержки продукции лесопромышленного комплекса на всех этапах жизненного цикла;

• научно обоснованные рекомендации по созданию распределённой интеллектуальной информационной системы на основе использования ГИС-технологий и мультиагентной среды;

• методика непрерывной актуализации распределённых баз данных о лесных ресурсах на основе интеграции наземных исследований, данных дистанционного зондирования земли и интеллектуальных методов;

• методики структуризации информации процессов лесного комплекса с использованием понятийного аппарата формальной логики для создания конструкторско-технологических баз данных;

• инструментальный программный комплекс поддержки принятия решений при проектировании и эксплуатации продукции лесопромышленного комплекса, позволяющий учесть специфику предметной области, минимизировать затраты на разработку и повысить эффективность использования информационных ресурсов;

• комплекс программ имитационного моделирования процессов жизненного цикла продукции, интегрированный с распределённой базой данных лесных ресурсов

• информационную базу по эффективным конструкторско-технологическим и организационным решениям, реализованным в виде инженерных приложений.

Полученные результаты носят межотраслевой характер и могут быть использованы в сходных по структуре промышленных комплексах.

Достоверность научных результатов и выводов подтверждается корректным использованием научных методов исследования, современного математического аппарата, экспериментальной проверкой и верификацией результатов моделирования, а также практикой применения разработанных средств информационной поддержки на предприятиях лесопромышленного комплекса.

Реализация результатов. Результаты диссертационной работы использованы для создания автоматизированной проектно-

производственной среды промышленных предприятий лесного комплекса северо-запада России.

Результаты исследований по созданию системы интегрированной информационной поддержки жизненного цикла машиностроительных изделий используются ОАО «Архангельский механический завод», ОАО «Соломбальский машиностроительный завод», ОАО «Онежский тракторный завод».

Результаты исследований по интеллектуальной обработке данных дистанционного зондирования Земли, структурированию и актуализации баз данных о лесных ресурсах приняты к внедрению ИТЦ «СканЭкс».

Разработанная ГИС-система лесных ресурсов проходит апробацию на предприятиях лесного хозяйства и лесопользования, в Агентстве лесного хозяйства по Архангельской области и НАО.

Результаты исследований по интеграции процессов деревообработки и деревопереработки используются на деревообрабатывающих предприятиях региона, в том числе УК «Соломбалалес», ОАО «Лесозавод №3».

Разработанные методы информационной поддержки и моделирования процессов реализованы в виде информационно-программных комплексов и средств, а также компонентов экспертной системы, на которые получены свидетельства о регистрации программ.

Учебный вариант разработанного программного обеспечения используется в Северном (Арктическом) федеральном университете при подготовке научных и инженерных кадров для лесопромышленного комплекса.

Апробация и публикация работы. Основные научные и практические результаты работы доложены и обсуждены на тридцати пяти конференциях и семинарах, в т.ч. Международной конференции «Земля из космоса - наиболее эффективные решения» (Москва, 2005, 2009, 2011), Четвертой Всероссийской научно-практической конференции «Применение ИПИ-технологий в производстве» (Москва, 2006); Санкт-

Петербургской международной конференции «Региональная информатика (РИ)» (Санкт-Петербург, 2004, 2006, 2010); Всероссийской научно-технической конференции «Новые материалы и технологии (НИТ-2006)»; Всероссийской научно-практической конференции «Интеграция науки и образования как фактор устойчивого развития современной России: региональный, федеральный и международный аспекты» (Архангельск, 2006); Международной научно-технической конференции «Информационные технологии в науке, образовании и промышленности» (Соловецкие острова - Архангельск, 2005, 2006); Международной научно-технической конференции «Прогрессивные технологии и оборудование в машиностроении и металлургии» (Липецк, 2006); Санкт-Петербургской международной научно-практической конференции «Проблемы подготовки кадров в сфере инфокоммуникационных технологий» (Санкт-Петербург, 2005); Всероссийской научно-практической конференции «Компьютерная интеграция производства и ИЛИ (САЬЗ)-технологии» (Оренбург, 2005); Международной научно-технической конференции «Наука и образование» (Мурманск, 2005); Всероссийского совещания-семинара с международным участием «Дистанционные методы в лесоустройстве и учете лесов, приборы и технологии» (Красноярск, 2005); Международной конференции «САПР и систем информационной поддержки изделий» (Соловецкие острова, 2004); Международной конференции «Качество и ИЛИ (САЬЗ)-технологии» (Судак, 2004); Научно-технического форума с международным участием «Высокие технологии 2004» (Ижевск, 2004); Международной научно-технической конференции «Современная наука и образование в решении проблем экономики европейского севера» (Архангельск, 2004); Международной конференции «Информационные технологии в управлении жизненным циклом изделий» (Санкт-Петербург, 2003); Третьей Санкт-Петербургской межрегиональной конференции «Информационная безопасность регионов России (ИБРР-2003)» (Санкт-Петербург, 2003); Всероссийской научно-практической конференции «Теория, проектирование и методы расчета лесных и деревообрабатывающих машин» (Москва, 1996), расширенном заседании кафедры «Технологического проектирования» МГТУ «Станкин».

Публикации. Основные положения диссертации отражены в 87 публикациях, в том числе в 18 статьях в периодических научных и научно-технических журналах, в которых ВАК рекомендует публикацию основных результатов докторской диссертации, 2 монографиях, 5 учебных пособиях, 8 свидетельствах Роспатента на программы для ЭВМ и 45 статьях в сборниках материалов международных, всероссийских научных конференций.

Вклад автора диссертации в работы, выполненные в соавторстве, и содержащиеся в них результаты, состоит в постановке задач, разработке теоретических положений и методических рекомендаций, в непосредственном участии во всех этапах прикладных исследований.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, восьми глав, заключения, списка литературы из 193 наименований и трех приложений. Диссертация содержит 255 страниц машинописного текста, 65 рисунков и 24 таблицы.

_ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. Во введении показана актуальность темы, сформулированы цель и направления исследований, дана аннотация работы, изложены основные положения, представляемые к защите.

Глава 1. Анализ состояния лесопромышленного комплекса и проблемы повышения эффективности его функционирования и развития

На основе отечественных и зарубежных публикаций проанализировано состояние, особенности функционирования и тенденции развития лесопромышленного комплекса, концепции и методологии интегрированной информационной поддержки жизненного цикла изделий, методы менеджмента качества и обеспечения конкурентоспособности выпускаемой продукции. Основополагающим условием для успешной реализации указанных перспективных подходов является создание в рамках лесопромышленного комплекса интегрированной информационной среды. В лесопромышленном

комплексе, как и во многих других отраслях промышленности, активно проходят структурные перестройки, интеграционные процессы, связанные с укрупнением промышленного производства и с созданием групп взаимосвязанных и взаимозависимых предприятий. Анализ современного состояния лесопромышленного комплекса позволил выявить его специфику и состав производительных систем, принципиальные особенности функционирования этих систем, выделить классы решаемых задач и наиболее значимые межсистемные связи.

Большой вклад в разработку основ конструкторско-технологической информатики и создание интегрированных машиностроительных производств внесли отечественные и зарубежные ученые H.H. Моисеев, В.И. Аверченков, Л.Б. Аксенов, Б.М. Базров, Бочаров Ю.А., В.Ф Горнев, A.A. Гусев, Г.Б. Евгенев, М.Г. Косов, В.В. Кузьмин, E.H. Ланской, В.Г. Митрофанов, И.П. Норенков, В.В. Павлов, A.B. Рыбаков, Ю.М. Соломенцев, В.К. Старков, Л.Г. Степанский, В.Д. Цветков, Г.П. Тетерин, Spur G., Krause F.-L. и др.

Анализ этих исследований позволил установить большое разнообразие информационных описаний технологической среды машиностроения, методов автоматизации конструирования изделий и проектирования технологических процессов в машиностроении.

Концептуальные подходы к созданию интегрированной информационной поддержки жизненного цикла машиностроительной продукции, структурному и функциональному моделированию процессов отражены в работах В.И. Дмитрова, А.Ф. Колчина, М.В. Овсянникова, A.B. Рыбакова, Е.В. Судова, С.А. Шептунова, Л.М. Червякова и др.

Интеллектуальная поддержка принятия решений при автоматизации процессов и производительных систем рассмотрена в работах Г.Д. Волковой, Б.Я. Советова, С.А. Яковлева и др.

При увеличении размерности и сложности независимо автоматизируемых проектно-производственных задач эффективность автоматизации падала из-за сложности и разнообразия представлений этих задач, из-за трудностей их формализации и огромных затрат на согласованное взаимодействие.

Следует указать, что в большинстве работ лишь косвенно

рассматриваются вопросы структурного моделирования сложных многопродуктовых производительных систем, недостаточно исследовано влияние процессов сопряженных жизненных циклов оборудования, комплектующих изделий, технологий, транспортных систем и др. на характеристики качества изготавливаемой продукции. Реализация такого системного подхода к созданию интегрированной информационной поддержки является основным условием для обеспечения конкурентоспособного качества выпускаемой продукции. В диссертационной работе рассмотрены около 200 научных публикаций.

На основе аналитического обзора можно сделать следующие выводы.

1. Изучение отечественных и зарубежных публикаций показывает, что, несмотря на большое количество разработок в области исследования методов и средств создания систем автоматизации проектных и производственных процессов, проблема повышения качества и эффективности функционирования и модернизации процессов лесопромышленного комплекса остается актуальной.

2. Использование существующих методов и средств создания систем автоматизации для непрерывной информационной поддержки принятия решений в процессах функционирования лесопромышленного комплекса является не достаточно эффективным из-за: - масштаба решаемых задач, -ориентации их на автоматизацию локальных процессов, -наличия многочисленных и многоаспектных связей как между производительными системами, так и внутри этих систем, -зависимость этих связей от территориальных, географических и климатических условий, необходимость учета разнообразных свойств объектов и связей, -многоотраслевого характера производительных систем и др.

3. Разнообразие и сложность предметного содержания проектно-производственных задач лесопромышленного комплекса практически остается за рамками их автоматизированной реализации, что существенно затрудняет процессы эффективного функционирования и развития этого комплекса.

На основании результатов исследований сформулирована цель работы и задачи исследования.

Глава 2. Исследования и обоснования теоретических положений для создания систем автоматизации проектно-производственной среды лесопромышленного комплекса

Одним из путей обеспечения конкурентоспособности в условиях глобализации производства является повышение эффективности межсистемных связей народнохозяйственных комплексов страны. Такие комплексы, взаимосвязанные по видам производимой товарной продукции, образуют единую метасистему, в которой эффективность хозяйственной деятельности любой входящей системы зависит от взаимодействия с другими системами. Примером подобной метасистемы является лесопромышленный комплекс, охватывающий

геоинформационные, системы космического зондирования и картографирования земной поверхности, природоохранные, лесохозяйственные и лесоперерабатывающие системы, системы машиностроения, транспорта и т.д. Для прогнозирования и оптимизации хозяйственной деятельности в рамках метасистемы лесопромышленного комплекса необходимы методы математического моделирования, обеспечивающие построение взаимосвязанных моделей разнородных объектов и процессов на разных этапах жизненного цикла. Основой для создания такой системы моделирования может служить аппарат дискретной математики и теории полихроматических множеств и графов.

В предлагаемом методе моделирования метасистема представляется на различных уровнях абстрагирования. При максимальном абстрагировании состав и взаимосвязь компонентов структуры метасистемы, без указания собственных свойств этих компонентов, описывается средствами обычной теории множеств, графов и гиперграфов.

Рис.1 - Модель жизненного цикла изделия

Структура отдельной производительной системы, входящей в метасистему, определяется моделью производственной системы и моделью объекта производства этой системы. Основные этапы жизненного цикла объекта производства в конкретной производительной системе при максимальном абстрагировании описываются графом вида (рис.1). Вершины графа соответствуют следующим этапам жизненного цикла: А - этап целеопределения (целеполагания), на котором определяются возможные или требуемые тактико-технические характеристики объекта; Б - этап конструирования объекта; Т - этап технологической подготовки производства; Р — этап собственно производства; Ь - этап транспортировки (доставки) товара потребителю; С - этап потребления (эксплуатации) объекта производства; Я - этап утилизации отходов производства и других этапов жизненного цикла объекта. Материальные потоки в модели показаны дугами графа - сплошными стрелками, а информационные связи — пунктирными ребрами графа, поскольку информационные потоки при решении различных задач циркулируют в разных направлениях.

Структура метасистемы, охватывающей взаимосвязанные производительные системы различного назначения, при максимальном абстрагировании описывается гиперграфом, ребра которого связывают вершины, описывающие входящие в метасистему производительные системы. Межсистемные информационные и материальные связи между входящими системами описываются как ребра и дуги обычных графов, соединяющие вершины - этапы жизненного цикла объектов производства в различных производительных системах.

Структура информационных и материальных связей между другими системами метасистемы лесопромышленного комплекса описывается графом вида (рис.2)

в = (8, {с}), 8 = (О, Т, Р, и С, Я), (1) вершины которого соответствуют системам, реализующим этапы жизненного цикла, а множество {с} дуг графа характеризуют информационные и материальные потоки между системами, реализующими жизненный цикл изделия. Использование графа б совместно с полихроматическими множествами (Я5-множествами),

определяющими свойства систем, обеспечивает возможность анализа влияния различных этапов жизненного цикла на технико-экономические показатели производства изделия.

Рис.2 — Метасистема лесопромышленного комплекса. Модель метасистемы: I - система лесного машиностроения; II - система лесного хозяйства; III - система лесозаготовки; IV - система лесообработки; V - система лесопереработки.

Структуры других производительных систем в метасистеме описываются аналогичными способами. Информационные и материальные связи между системами, реализующими жизненный цикл объекта производства, описываются графами, аналогичными (1):

система лесного машиностроения лесохозяйственная система лесозаготовительная система лесообрабатывающая система лесоперерабатывающая система Взаимосвязь между системами Бм, ^ л х, Зло? ^ л 11 представляется на уровне компонентов й , Т, Р, Ь, С , Я этих систем, связанных метасистемными информационными и материальными отношениями. Например, из Элх системы Блх по дуге с, =(Олх, Ом) передается техниче-

Ом = (§м, {см});

С;іх = (8лх, {Слх}); (¡Л'З = (§лз, {Слз});

Оло = (Зло, {ело}); 0лп = (§лп, {Слп})-

ское задание на проектирование и производство изделия в системе Sm, откуда готовое изделие по дуге с¡=(РМ , Сдх) поступает в систему Sjix и т.д. Разработка структурных моделей взаимосвязей предприятий машиностроения и лесопромышленного комплекса подтверждает высокую эффективность предлагаемого метода моделирования метасистем.

В соответствии с целью и задачами диссертационной работы произведена классификация свойств лесопромышленного комплекса.

Набор контуров состоит:

F(A) = (F(A)\ F(A)", F(A)'", F(A)'V, F{A)V, F(A)VI, F{A)V", F(Af"),

где все контуры машины представлены группами, учитывающими различные факторы в процессе ее эксплуатации: F(A)' - геоклиматические и биологические факторы; F[A)" - факторы функционального назначения; F(A)"' - влияние на работоспособность изделия; F(A )"' -восстанавливаемость полезных свойств; F(A)V - способ восстановления; F(A)щ - условия восстановления (способ организации восстановления); F(A)y" - ремонтопригодность, F(A)"" - конструкторско-технологические свойства.

Каждая группа может быть задана своим подмножеством свойств:

F(A)' = (F1,, F1 г, F1,, FF1, ...), где F11 - сезон, F12 - температура окружающей среды; Fí3 - тип почвы; F14 -преобладающая порода, F1; — удаленность работ и т.п.

F(A)"=(FJ'I,F"2,FJ'3,FJ'4),

где F"i - эксплуатационные свойства, далее именуемые F"2 -контуры контроля, далее именуемые F"', F"¡ - контуры ремонта, далее именуемые F"; F"4 - контуры технического обслуживания, далее именуемые Fс. Каждый из контуров данной группы подлежит более детальной декомпозиции при моделировании и определяет подгруппу свойств.

F(A)m = (F"'i, F1"2),

где Fi,li - критичные поломки, приводящие к невозможности выполнения машиной СВОИХ полезных функций, F"'2 - поломки и дефекты, ухудшающие функциональные характеристики изделия, но при их возникновении машина остается работоспособной (некритичные).

F(Af-(FJ\Fiy2),

где ] - восстанавливаемые, р"\ - невосстанавливаемые

где - восстанавливаемые посредством замены, Р1 2 -

восстанавливаемые посредством регулировки, РУ3 - восстанавливаемость посредством ремонта.

где РГ] - работы в полевых условиях, - работы в заводских (промышленных) условиях.

Г(ЛГ = (О, ^"г. Р™,, ^ ¡^'з, Р^"б),

где р"'/ - доступность, р"'2 - легкосъемность, Р?"з -взаимозаменяемость составных частей, г 4 - технологическая простота, Р^'з - контролепригодность, Fw/б - монтажепригодность.

(Р™,. ^"з, -Р™ , Р^'з ...),

где Р*1"/ - наружная поверхность вращения, Р*"!2 - поверхность фасонная, р""3 - поверхность торцевая, - внутренняя поверхность вращения; Р1'"'5 - плоская поверхность и т.п.

Классификация свойств лесопромышленного комплекса позволяет структурировать контуры на группы. Контур группы может образовывать новую группу в зависимости от задачи и глубины структурирования рассматриваемого объекта (процесса). Разработанная структура метасистемы лесопромышленного комплекса и классификатор свойств позволяет строить и изучать межсистемные связи метасистемы, например, определять влияние геоклиматических и биологических факторов на контуры остальных групп.

Глава 3. Разработка методов структурного моделирования метасистемы лесного хозяйства

Продукцией предприятий лесного хозяйства являются лес и лесные ресурсы. При естественном лесовозобновлении основной задачей лесного хозяйства являются контроль и охрана лесов. Метасистема лесного хозяйства (рис. 3) описывает взаимосвязь системы лесного хозяйства (I) с системами лесовосстановления (II), системой лесозащиты (III), системой пожарной охраны (IV), а также с системой мониторинга и управления лесами (V).

Обеспечение многоцелевого использования лесных ресурсов предприятиями лесопромышленного комплекса не возможно без достоверной и оперативной информации. Задача сбора, хранения и использования данных о состоянии лесных ресурсов, их рационального использования заключается в интеграции и синтезе разнородной картографической и атрибутивной информации. Источником картографической информации могут быть карты, аэрокосмические снимки, сканерные изображения. Источником атрибутивной информации являются банки данных, отчеты о полевых и научных работах, публикации и др. Обеспечить эту работу должна система мониторинга и управления лесными ресурсами.

где I - система лесного хозяйства; II - система лесовосстановления; III -система лесозащиты; IV - система пожарной охраны; V - система мониторинга и управления лесами.

Структурная модель метасистемы лесного хозяйства позволяет изучать межсистемные связи биологического объекта — лесные ресурсы с другими взаимодействующими системами. Так, для анализа эффективности тематической обработки космических снимков лесных территорий установлены связи совмещенных спектральных характеристик спутниковых снимков с выделенными пространственными объектами на местности.

Рис.3 — Модель метасистемы лесного хозяйства,

Глава 4. Разработка методов структурного моделирования метасистемы лесного машиностроения

Модель метасистемы лесного машиностроения (рис. 4) описывает взаимосвязь производительной системы лесного машиностроения (I) с системами эксплуатации этих машин (II), а также системами производства средств технологического оснащения (III) и системой производства конструкционных материалов (IV). Кроме того, в метасистему входит система утилизации производственных и других отходов (V).

Поскольку структурные модели вида (рис.1) являются математическими абстракциями, они не отражают в явном виде собственные свойства объектов моделирования. Этот недостаток во многом устраняется при использовании математического аппарата теории полихроматических множеств и графов. В полихроматическом множестве ПБл объекта А элемент акеА обладает персональными свойствами (цветами), образующими множество Р(ак) .

где: I - система производства изделия; II - система эксплуатации изделия; III - система производства средств технологического оснащения; IV -система производства материалов; V — система утилизации отходов производства

Множество ГОя , как единое целое, обладает унитарными свойствами (унитарной раскраской) Р(А); унитарные цвета Р/А) є Г(Л)

Рис.4 - Модель метасистемы лесного машиностроения.

порождаются персональными цветами элементов акеА . Состав элементов, чьи персональные цвета порождают унитарный цвет F/A), называется телом Ap(Fj), Ap(Fj)çA данного унитарного цвета. Возможными компонентами П5, Л/ОПТ быть все или некоторые компоненты набора {A, F(A),[A х F(a)],[A х F(A)],[A х A(F)], [F(A) х F(a)],...}. (2) В этом наборе: F(a) - объединение персональных раскрасок элементов акеА; [А х F (а)] - булева матрица персональных раскрасок каждого элемента; [А х F(A)] - булева матрица персональных цветов элементов, участвующих в порождении унитарных цветов F(A), или цветов элементов, входящих в тела унитарных цветов; [А х A(F)J — булева матрица тел унитарных цветов в раскраске F (A); [F(A) х F(a)] • булева матрица имен персональных цветов, участвующих в порождении унитарных цветов F(A), и т.д.

Если унитарный цвет F/A) и порождающие его персональные цвета элементов тела Ap(Fj) одноименны — имеют одинаковую природу, то сам унитарный цвет и порождающие его персональные цвета качественно однородны и аддитивны. Если унитарный цвет и порождающие его персональные цвета элементов качественно разнородны, не одноименны, то унитарный цвет F/A) будет синергетическим. В отличие от аддитивного унитарного цвета, состав элементов тела Ap(Fj) синергетического цвета F/A) не может быть произвольным: синергетический цвет существует только при определенном составе персональных цветов элементов, образующих тело данного синергетического цвета.

Полихроматическое множество, все унитарные цвета в раскраске F (А) которого аддитивные, называется аддитивным и обозначается П SA. Так как в аддитивном" П SA - множестве имена персональных цветов элементов и унитарных цветов а раскраске FfA) совпадают, то состав компонентов n"SA содержит только часть компонентов набора (2):

n-SA= (АДА),[А х F(A)],[A х A(F)]), (3)

где F(A)= F (а) и [Ах F(A)]= [А х F(a)];

при этом булева матрица [AxF(A)J описывает составы персональных цветов элементов П Sa, если элементы П SA не объединяются в группы , соответствующие телам AP(F¿), то состав компонентов nvSA будет таким: nvSA= (A,F(A), [А х F(A)]). (4)

Полихроматическое множество, в унитарную раскраску F(A) которого входят синергетические цвета, называется синергетическим и обозначается П SA. В полное описание П SA могут входить все компоненты набора (2) и другие компоненты, детально представляющие варианты составов персональных цветов конкретных элементов, порождающих синергетические унитарные цвета. При этом каждый j-й столбец булевой матрицы [А х F(A)] описывает вхождение элементов ак<=А во все тела унитарного цвета F/A), а конкретные составы тел каждого унитарного цвета F/A) описываются булевой матрицей [А х A(F)\. При решении некоторых задач используется описание П SA С составом компонентов вида

n-SA = (A, F(A), F(a), [А х F(A)], [А х A(F)]) (5)

или, без учета персональных цветов элементов, составом компонентов, аналогичным (3) , но с другим смысловым содержанием булевой матрицы [Ах F(А)]:

n"SA = (A, F(A), [А х F(A), А х A(F)]); (6)

матрица [А х F(A)] здесь описывает составы всех элементов акеЛ, персональные цвета которых порождают все варианты каждого унитарного цвета F/A).

Аддитивные и синергетические /75-множества используют как содержательные дополнения моделей вида (рис.1), что обеспечивает возможность описание смыслового содержания свойств этих моделей, представляемых как цвета в персональных и унитарных раскрасках ITS-множеств.

В работе рассмотрены лесозаготовительные процессы и системы, реализующие их, элементами которых являются конкретные модели лесозаготовительных машин. Построены структуры систем машин для лесозаготовки хлыстами и сортиментами. Процесс лесозаготовки сортиментами может быть представлен полихроматическим множеством nSB, состоящим из элементов Ь,еВ лесозаготовительных машин при заготовке сортиментов. Свойства данной производительной системы заданы как свойства F(B) множества ПБв- Свойства машин отображаются как свойства F(b¡). Набор свойств множества nSB и свойств элементов

системы одинаков. Матрица свойств элементов множества [В х Р(В)] является в данном случае дизъюнктивной, т.к. важен факт выполнения операции, не зависимо от того, каким элементом (машиной) или несколькими элементами она будет выполняться. Полихроматическое множество П8В задается формулой:

1Юв-(В,Р(В),[ВхР(В)]) , (7)

где В - множество элементов, рассматриваемых без учета раскраски; Р(В) - множество унитарных цветов - унитарные раскраски ГОв; [В х Р(В)] - булева матрица цветов элементов, одноименных унитарным цветам Р(В).

Каждый элемент множества Ь|еВ характеризуется набором свойств: Р(В) = Ъ, Рз, Р4, Р5, Ре, Р7, Р8 Р9 РюРп}, (8)

где Б^валка; Р2-обрезка сучьев; Р3-раскряжовка; Р4-трелевка деревьями; Р5-трелевка хлыстами; Р6-трелевка сортиментами; Р7-погрузка; Р8-преоблажающая порода деревьев; Р9-рассояние трелевки; Р10-средний объем хлыста; Рп-числро смен в день.

Отношения между элементами заданы в виде ПС2-графа, где множество вершин является ГО-множеством В, а множество связей обычным множеством С2.

по2=(о2до2),гав,с2), (9)

где С2-описание инцидентности между вершинами и дугами; Р(С2)-унитарная раскраска П02-графа; С2-множество дуг П02-графа.

Структурная модель лесозаготовки сортиментами представляет собой ориентированный П02-граф (рис.5).

Полихроматическое множество вершин графа состоит из: - Ьоо-Ьо„ - бензопилы для валки, обрезки сучьев и раскряжевки; Ью-Ь1п - харвестеры; Ь20-Ь2п - валочно-пакетирующие машины; Ь3о-Ь3п -бензопилы для валки; Ь4о-Ь4п - валочно-трелевочные машины; Ь5о-Ь5п -форвардеры; Ь60-Ь6п - трелевочные тракторы; Ь70-Ь7„ - сучкорезные раскряжевочные машины; Ь80-Ь8п - харвардеры; Ь90-Ь9п -погрузчики.

Подобные структурные модели построены для других технологических процессов лесозаготовок, лесообработки и лесопереработки.

Рис.5 - Структурная модель процесса лесозаготовки сортиментами

Построенные структурные модели отдельных лесных машин и их систем позволяют исследовать эффективность их функционирования в зависимости от условий производственной и технической эксплуатации. Разработаны алгоритмы определения состава систем лесных машин для лесозаготовок и деревообработки.

Глава 5. Разработка методологии информационного обеспечения систем лесопромышленного комплекса

Информационное обеспечение при решении задач лесопромышленного комплекса обобщенно можно представить на рис. 6, которое делится условно-постоянное и переменное, общее и специализированное. Определяющим источником информации для эффективного управления процессами лесопромышленного комплекса являются данные о лесных ресурсах. Современное состояние информационных систем управления данными лесных ресурсов характеризуется низкой достоверностью, нерегулярностью обновления, ограниченным доступом.

Нормативно-

правом« информация

щ

Дорожная сеть

~ Оптимизация дорожной сети

« Оптимизация конструирования дороги ~ Проектирование дорожных покрытий

Геолого-гидрологичес кие данные

БД лесных ресурсов

Запас Тип леса Категория защищенности Породный состав «Средний диаметр

Данные диета и цион ного зондирования

Технологичес кие данные

» Вид технологического

процесса -Системы машин

Ландшафтные характеристики

,J

Технологические характеристики машин

(производствен« ые мощности)

•р Производительность «• Эксплуатационная масса

* Грузолодъвмносгв

• Расход ГСУ

- Рельеф местности >Тип почв.-грунта

- Климат

влажность І—-- Температура

Рис.6 - Информационное обеспечение задач лесопромышленного комплекса

Рис.7 -Модель метасистемы мониторинга и управления лесами, где: I - система мониторинга и управления лесами; II - ГИС-система; III — система картографии; IV - система дистанционного зондирования Земли; V - система полевых исследований.

Современные информационные технологии позволяют создать эффективно функционирующую систему мониторинга и управления

лесными ресурсами. На рис.7 представлена структура информационной системы управления лесами, которая состоит из распределенной базы данных, системы картографии, электронной системы обработки пространственных данных (ГИС-системы) и системы дистанционного зондирования лесных территорий на основе космических спутников и других летательных аппаратов.

Разработанная концептуальная структура системы мониторинга и управления лесами на основе полихроматических множеств и графов позволяет интегрировать таксационные и пространственные данные о лесах с другими информационными модулями.

Глава 6. Формирование интегрированной информационной среды и применение её к задачам лесопромышленного комплекса

В результате проведенных исследований разработана информационная система поддержки государственного и хозяйственного управления лесными ресурсами с использованием модульного подхода и открытой архитектуры. Система реализует основной документооборот предприятий лесного хозяйства и лесопользования.

На рис.8 представлена концептуальная схема системы мониторинга и управления лесными ресурсами. В настоящее время программный комплекс проходит опытную эксплуатацию на предприятиях лесопромышленного комплекса.

Разработанная система обладает следующими функциями:

1. распределенность (информация должна находится как на сервере, так и на удаленных узлах);

2. совмещение атрибутивной и пространственной информации (хранение картографической и атрибутивной информации в виде единого набора данных, управляемого одной специализированной СУБД, в первом варианте MS SQL Server 2008);

3. репликация БД (приведение узловых и центральной БД в идентичное состояние);

4. клиентское приложение:

a) понятный пользовательский интерфейс;

b) возможность просмотра картографической и атрибутивной

информации (возможность отбора данных по критериям);

с) создание форм лесного реестра, соответствующих действующей нормативной документации;

Рис.8 - Концептуальная схема системы мониторинга и управления лесными ресурсами

Интерфейс системы представлен на рис.9

Разработана модель системы обновления данных на основе использования материалов дистанционного зондирования, методов интеллектуальной обработки данных и системы полевых наблюдений.

Для этого разработана модель системы мониторинга и оценки лесных ресурсов на основе использования материалов дистанционного зондирования Земли, методов интеллектуальной обработки пространственных данных и системы полевых наблюдений. Методика, ориентирована на определение лесоустроительных параметров: границы лесов; породный состав древостоя; оценка возрастной структуры и продуктивности лесов; инвентаризация лесов: выявление негативных изменений лесных территорий, оценка эффективности мероприятий по охране, защите и воспроизводству лесов; лесопатологический мониторинг; пожарный мониторинг; послепожарная инвентаризация лесов.

Рис.9 -

Интерфейс системы мониторинга и управления лесными ресурсами

Построена структура необходимых материалов дистанционного зондирования Земли и возможных вариантов их интеграции в зависимости от задач исследования.

Разработаны алгоритмы и программные модули автоматической обработки космических снимков лесных территорий на основе нейронных сетей (Рис. 10).

СЗОучечмї нейронной сет*

Необученная Мучвхная Результат

нейро*изя сеть нейао((«ая сеть

Рис. 10 - Нейросетевой алгоритм обработки снимков

Программные модули обработки снимков апробированы для решения отдельных задач исследования лесных ресурсов.

Система мониторинга и управления лесными ресурсами является

основным информационным модулем для отдельных систем лесопромышленного комплекса. Эффективность его работы во многом определяет качество принятия решений при управлении процессами лесного хозяйства, лесозаготовки, лесообработки, лесопереработки, проектировании и эксплуатации лесных машин.

Интегрированная информационная среда лесопромышленного комплекса формируется на основе системы мониторинга и управления лесными ресурсами.

Модуль лесозаготовок

Модуль моделирования

функционирования систем лесных машин

Модуль лесоуправления

Модуль агентства лесного хозяйства

Модуль проектироеания дорожной сети

Модуль мониторинга пожаров и послепожарной инвентаризации

Модуль лесопатологического мониторинга

Рис. 11 - Интегрированная информационная среда решения задач лесопромышленного комплекса

С учетом текущих приоритетов лесопромышленного комплекса первоочередными модулями разработки для интегрированной информационной среды являются задачи лесоуправления, лесозаготовок, прогнозирования работы машин, мониторинга пожаров, проектирования дорожной сети и др. (рис. 11)

Модели решения задач лесообработки и лесопереработки интегрируются с системой лесозаготовок.

Разработаны алгоритмы задач отдельных модулей информационной

среды. На рис. 12 изображена структура программного комплекса для решения задач оценки работы лесных машин.

Елок взаимодействия с пользователем \админ-ром

Шмвяшодам модель работы лесных машин на участке

Блок анализа запросов и формирования решений

Блок сбора данных ю распределенной среды

База данных, лесных насаждений

(включая ландшафтные характеристики лесных участков)

Рис.12 - Структура программного комплекса для решения задач оценки работы лесных машин

Решение отдельных задач систем и метасистем лесопромышленного комплекса в единой проектно-производственной среде позволяет учесть межсистемные связи между отдельными объектами, процессами и этапами жизненного цикла продукции и производственными системами.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

• разработана методология создания системы автоматизации проектно-производственной среды лесопромышленного комплекса, обеспечивающая непрерывную информационную поддержку его функционирования и модернизации;

• выявлена и исследована структура лесопромышленного комплекса, на основе которой была предложена модель, представляющая совокупность производительных систем, образующих целостную метасистему;

• исследованы структуры производительных систем лесопромышленного комплекса в составе метасистемы с учетом межсистемных и внутрисистемных связей:

о система лесного хозяйства, связанная с другими производительными системами общим объектом - лесными ресурсами;

о система лесного машиностроения, обеспечивающая другие системы специализированными машинами и технологическим оборудованием;

• разработан метод структурного моделирования, позволяющий формировать комплекс структурных моделей и связей между ними с учетом задач функционирования и развития лесопромышленного комплекса;

• разработана методология автоматизации процессов в условиях проектно-производственной среды лесопромышленного комплекса

о разработаны методы и средства информационной интеграции технических систем в метасистеме лесопромышленного комплекса и научно обоснованные рекомендации по созданию распределённой интеллектуальной информационной системы на основе использования ГИС-технологий и мультиагентной среды;

о разработана методика интегрированной информационной поддержки принятия решений для этапов и процессов жизненного цикла продукции лесопромышленного комплекса;

о разработана методика непрерывной актуализации баз данных

о лесных ресурсах на основе интеграции наземных исследований, данных дистанционного зондирования Земли и интеллектуальных методов;

• разработаны алгоритмы и программные средства интеллектуальной поддержки принятия решений в условиях автоматизированной проектно-производственной среды лесопромышленного комплекса:

о разработана систем мониторинга и управления лесными ресурсами (ГИС-система), которая интегрирована с системой актуализации атрибутивных и пространственных данных; о разработан специализированный программный модуль тематической обработки космических снимков лесных территорий, интегрированный с базой данных лесных ресурсов;

о создан инструментальный программный комплекс поддержки принятия решений при проектировании и эксплуатации изделий лесного машиностроения, позволяющий учесть специфику предметной области, минимизировать затраты на разработку и повысить эффективность использования информационных ресурсов о создан комплекс алгоритмов и программ имитационного моделирования процессов жизненного цикла продукции, интегрированный с базой данных лесных ресурсов, обеспечивающий решение задач выбора систем машин в зависимости от условий эксплуатации; о разработана информационная база по эффективным конструкторско-технологическим и организационным решениям, реализованным в виде инженерных приложений, которая позволяет обеспечить информационную поддержку принятия решений основных задач лесопромышленного комплекса;

• в работе даны практические рекомендации по использованию структурных моделей в проектно-производственных задачах систем лесопромышленного комплекса; математические модели и методы обладают достаточной общностью и могут использоваться в других отраслях промышленности.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ: В ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК

1. Гурьев А.Т., Деменков М.Е., Интеграция информационных процессов жизненного цикла изделий лесного машиностроения с использованием PLM-систем// Лесной журнал №6, 2003. - С. 125134.

2. Гурьев А.Т.; Абрамова Л.В., Торохов C.B., Трубин Д.В. Функциональное моделирование лесного хозяйства// Лесной журнал №1, 2004. - С.135-144.

3. Гурьев А.Т., Блок A.A. Основы моделирования работы комплексов лесосечных машин// Лесной журнал №3, 2004. - С.116-125.

4. Гурьев А.Т., Торохов C.B., Трубин Д.В. Вопросы информационного обеспечения процессов лесного сектора// Лесной журнал №3, 2004. — С.125-134.

5. Гурьев А.Т., Деменков М.Е. Модели и методы интеграции процессов жизненного цикла изделий лесного машиностроения// Лесной журнал №1-2, 2005. - С.136-147.

6. Павлов В.В., Гурьев А.Т., Блок A.A. Методика разработки распределенных моделей параллельных технологических процессов// Лесной журнал №1-2, 2005. -С.147-155.

7. Гурьев А.Т. Формализация процессов ремонта и эксплуатации изделий машиностроения// Лесной журнал №5, 2005. - С.139-147.

8. Гурьев А.Т. Опытное использование программных средств поддержки жизненного цикла изделий// Лесная промышленность №2, 2005. - С.16-19.

9. Павлов В.В., Гурьев А.Т., Деменкова Е.А. Моделирование процессов технического обслуживания технологических машин лесопромышленного комплекса // Научно-технические ведомости СПбГПУ. Информатика. Телекоммуникации. Управление. №4. -СПб.: Издательство Политехнического университета, 2008. - С.141-146.

Ю.Гурьев А.Т. Моделирование межсистемных связей систем, взаимосвязанных по видам производимой продукции // Информатизация и управление - 1: Сборник статей. Отдельный

выпуск Горного информационно-аналитического бюллетеня. - М.: Издательство «Мир горной книги», 2008. - С.236-245.

П.Гурьев А.Т. Имитационное моделирование систем лесных машин с использованием генетических алгоритмов // Информатизация и управление - 1: Сборник статей. Отдельный выпуск Горного информационно-аналитического бюллетеня. — М.: Издательство «Мир горной книги», 2008. - С.246-255.

12.Гурьев А.Т., Казнин A.A. Информационная система сервисного обслуживания технологических машин // Информатизация и управление: Сборник статей. Отдельный выпуск Горного информационно-аналитического бюллетеня. — М.: Издательство «Мир горной книги», 2009. - С. 157-164.

1 З.Павлов В.В., Гурьев А.Т., Деменкова Е.А. Моделирование эксплуатации технологических машин // Информатизация и управление: Сборник статей. Отдельный выпуск Горного информационно-аналитического бюллетеня. — М.: Издательство «Мир горной книги», 2009. - С.226-235.

14.А.Т. Гурьев Концепция создания распределённой базы данных возобновляемых природных ресурсов // Информатизация и управление: Сборник статей. Отдельный выпуск Горного информационно-аналитического бюллетеня. — М.: Издательство «Мир горной книги», 2010. - С. 84-94

15.А.Т. Гурьев Исследование возобновляемых природных ресурсов на основе данных дистанционного зондирования территорий // Информатизация и управление: Сборник статей. Отдельный выпуск Горного информационно-аналитического бюллетеня. - М.: Издательство «Мир горной книги», 2010. - С. 75-83

16.Варфоломеев Ю.А., Гурьев А.Т., Алешко P.A. Методические и технические аспекты космического мониторинга биоповреждения и усыхания еловых лесов // Лесн. журн. -2010. -№ 5. -С. 149-156. -(Изв. высш. учеб. заведений).

17.Варфоломеев Ю.А., Гурьев А.Т., Плехов О.Г., Алешко P.A. Высокотехнологичное проектирование строительства и реконструкции дорог с непрерывным жизненным циклом в лесах с

биоповреждениями // Лесн. журн. -2010. -№ 6. -С. 145-152. -(Изв. высш. учеб. заведений).

18.Лысенко В.А., Корзина М.И., Гурьев А.Т. Модели дизайна: история и тренды // «Дизайн. Материалы. Технология», №1, 2012. Монографии

19.Павлов В.В., Гурьев А.Т., Деменков М.Е., Деменкова Е.А. Повышение эффективности эксплуатации технологических машин лесного комплекса. - Архангельск: Северный (Арктический) федеральный университет (САФУ), 2012.- 150 с.

20.Гурьев А.Т. Структурное моделирование лесопромышленного комплекса. - Архангельск: Северный (Арктический) федеральный университет (САФУ), 2012.-120 с.

Свидетельства об официальной регистрации программ для ЭВМ

21.Система моделирования динамики роста лесных насаждений на основании статистических методов: Св. о гос. per. прогр. для ЭВМ № 2009611311. / Кулаков А.Д., Гурьев А.Т., Торхов C.B. Зарег. 4.03.2009 г.

22.Информационная система технического сервиса лесозаготовительных машин: Св. о гос. per. прогр. для ЭВМ № 2009612801. / А.Т.Гурьев, A.A. Казнин Зарег. 29.05.2009 г.

23.Программа автоматизированного определения основных таксационных показателей лесов Европейского Севера по данным спутниковых снимков: Св. о гос. per. прогр. для ЭВМ № 2009614299. / Алешко P.A., Гурьев А.Т., Торхов C.B. Зарег. 19.06.2009 г.

24.Программа интеграции систем управления данными для организации ведения производства продукции лесного машиностроения: Св. о гос. per. прогр. для ЭВМ № 2010612309. / Гурьев А.Т., Деменков М.Е., Деменкова Е.А. Зарег. 29.03.2010.

25.Система поддержки принятия решений по выбору комплекса лесозаготовительных машин с учетом природно-производственных условий эксплуатации: Св. о гос. per. прогр. для ЭВМ № 2010612294. / Гурьев А.Т., Блок A.A. Зарег. 26.03.2010.

26.Распределенная информационная система управления лесными ресурсами: Св. о гос. per. проф. для ЭВМ № 2010612295. / Гурьев

A.Т., Бачурин И.В., Торхов C.B., Абрамова Л.В. Зарег. 26.03.2010.

27.Информационный ресурс системного проектирования и научного дизайна: Св. о гос. per. прогр. для ЭВМ № 2011615105. / Лысенко

B.А., Касаткин В.В., Гурьев А.Т., Корзина М.И., Линецкий А.Б., Сальникова П.Ю., Петропавловский P.P., Кузнецов А.Ю., Сычугов Д.Н., Лысенко О.В., Позняк Д.П., Суворов В.В. Зарег. 29.06.2010.

28.Программа автоматизированного подбора системы лесозаготовительных машин: Св. о гос. per. прогр. для ЭВМ № 2010617432 / Васендина И.С., Гурьев А.Т., Павлов В.В. Зарег. 10.11.2010

Наиболее значимые публикации в межвузовских научных сборниках, сборниках трудов международных, всероссийских конференций

29.Кушляев В.Ф., Гурьев А.Т. Формирование системы лесосечных машин// Обзорная информация. - М.: ВНИПИЭИлеспром, 1983. -Вып. 3. - 52с.

30.Гурьев А.Т., Кушляев В.Ф. Исследование эффективности функционирования комплексов лесозаготовительных машин// Рукопись деп. в ВИНИТИ 1984, №4-108, - Архангельск, изд. АЛТИ, 1983.-89 с.

31. Гурьев А.Т., Кушляев В.Ф. Имитационная модель функционирования комплексов лесозаготовительных машин// Рукопись деп. в ВИНИТИ 1984, №4-108. - Архангельск, изд. АЛТИ, 1983.-44 с.

32.Гурьев А.Т., Деменков М.Е., Павлов В.В. Внедрение PLM-системы на предприятии лесного машиностроения// Информационные технологии в управлении жизненным циклом изделий: Материалы международной конференции (Санкт-Петербург, 25-26 ноября 2003 г.). - СПб.: Центр печати «СеверРосс», 2003. - С.53-55.

33.Гурьев А.Т. Инфрмационная интеграция процессов лесного сектора// Интеграция САПР и систем информационной поддержки изделий: Материалы международной конференции (Соловецкие острова, 6-9 сентября 2004 г.). - Архангельск: Солти, 2004. - С.42-47.

34. Гурьев А.Т., Кузнецова Е.А. Подходы к моделированию единой

информационной среды поддержки эксплуатации изделия// Международная научно-техническая конференция «Прогрессивные технологии и оборудование в машиностроении и металлургии»: сб. науч. тр. В 2ч. 4.1. - Липецк : ЛГТУ, 2006. - С.68-72.

35.Гурьев А.Т., Деменков М.Е. Информационные технологии жизненного цикла изделий лесного машиностроения// Высокие технологии 2004: сб. тр. науч.-техн. форума с международным участием. В 4 ч. 4.1.-Ижевск: изд. ИжГТУ, 2004. - С.39-44.

36.Гурьев А.Т., Деменков М.Е. Разработка программного комплекса для интеграции процессов жизненного цикла изделий лесного машиностроения// Наука и образование 2005: Материалы международной науч.-техн. конф. в 7 ч. 4.4 (Мурманск, 6-14 апреля 2005 г.). - Мурманск: МГТУ, 2005. - С.35-39.

37. Гурьев А.Т. Основные принципы и методы создания достоверных, непрерывно актуализируемых баз данных о лесном фонде// Дистанционные методы в лесоустройстве и учете лесов, приборы и технологии: Материалы Всероссийского совещания-семинара с международным участием (Красноярск, 28 сентября - 1 октября 2005г.). - Красноярск: Институт леса им. В.Н. Сукачева СО РАН, 2005. - С.39-42.

38.Павлов В.В., Гурьев А.Т., Деменкова Е.А. Структурное моделирование этапа эксплуатации технологических машин // Труды XXV Межведомственной научно-технической конференции космодрома «Плесецк». - Мирный: Космодром «Плесецк», 2007 г. -С.131-136.

39.Гурьев А.Т., Гурьев Т.А. Казнин A.A., Пугин М.С., Торхов С.В. Распределенная информационная система лесных ресурсов // Современное состояние и перспективы применения ГИС-технологий и аэрокосмических методов в лесном хозяйстве и садово-парковом строительстве. Особенности преподавания данных дисциплин в высших и средних учебных заведениях: Сб. статей. - Йошкар-Ола: Марийский государственный технический университет, 2008 г. -С.111-117.

40.Гурьев А.Т., Павлов В.В. О структурном моделировании метасистем

народохозяйственных комплексов // Труды XVI Международной научно-технической конференции «Информационный средства и технологии» (Москва, 21-23 октября 2008 г.). Т. 3. - М: Издательский дом МЭИ, 2008. - С.184-192.

41. А.Т.Гурьев, Р.А.Алешко К вопросу автоматического дешифрирования аэрокосмических снимков лесных территорий // Современная наука и образование в решении проблем экономики европейского севера. Материалы Международной научно-технической конференции, посвященной 80-летию АЛТИ-АГТУ. Архангельск, 2009. - С. 231-233

42.Гурьев А.Т. Моделирование информационных и материальных связей между системами метасистемы промышленного комплекса // Наука, техника и технология XXI века (НТТ-2009) [Текст]: материалы IV Международной научно-технической конференции. -Нальчик: Каб.-Балк. ун-т, 2009. - С. 111-114

43.А.Т. Guriev, R.A. Aleshko Adapting the combined database of cartographic and attribute information of forest plantations by automating remote sensing data interpretation // "Earth From Space - The most effective solutions" / Research and development center "ScanEx", "Transparent world", BKL Publishers, 2009, p. 233-234.

44.Guriev A.T., Trubin D.V., Aleshko R.A. Forest data updating technology // "Earth From Space - The most effective solutions" / Research and development center "ScanEx", "Transparent world", BKL Publishers, 2011, p. 294-295.

Подписано в печать:28.04.2012 Тираж:100экз. Заказ № 7101 Отпечатано в типографии «Реглет» 119526, г. Москва, Рождественка, 5/7,стр.1 (495) 623-93-06; www.reglet.ru

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ЛЕСОПРОМЫШЛЕННОГО КОМПЛЕКСА И ПРОБЛЕМЫ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЕГО ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ И РАЗВИТИЯ

1.1. Анализ состояния лесопромышленного комплекса

1.2. Анализ исследований в области моделирования интегрированных наукоёмких производств и поддержки жизненного цикла продукции

1.3. Анализ исследований в области автоматизации производительных систем и интеллектуальной поддержки принятия решений

1.3.1.Общая характеристика методов и средств моделирования деятельности предприятий 31 /

1.3.2.Характеристика средств моделирования деятельности предприятий и производственных систем

1.3.3. Анализ существующих подходов, используемых при создании, эксплуатации и развития систем автоматизации проектно-производственной деятельности в машиностроении 46 I i. »

1.4. Основные проблемы и пути повышения эффективности лесопромышленного комплекса :

1.5. Выводы, цель и задачи исследования ■

ГЛАВА 2. СТРУКТУРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЕКТНО-ПРОИЗВОДСТВЕННОЙ СРЕДЫ ЛЕСОПРОМЫШЛЕННОГО КОМПЛЕКСА Т57 к

2.1. Представление метасистемы лесопромышленного комплекса, составляющих систем и межсистемных связей ' 57 1 ( >

2.2. Методы и средства концептуального моделирования метасистемы лесопромышленного комплекса 5 59 г

2.2.1. Описание подходов к структурированию систем

2.2.1.1. Описание предметной области

2.2.1.2. Статические модели систем

2.2.1.3. Динамические модели систем

2.2.1.4. Пути повышения эффективности систем

2.2.2. Разработка концептуальной модели структурирования объектов и процессов

2.2.2.1. Технология структурного моделирования

2.2.2.2. Обзор типовых структурных моделей

2.2.2.3. Концептуальная модель структурирования систем

2.3. Концептуальная модель метасистемы лесопромышленного комплекса

2.4. Моделирование процесса проектирования метасистемы лесопромышленного комплекса

2.5. Выводы

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ СТРУКТУРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ МЕТАСИСТЕМЫ ЛЕСНОГО ХОЗЯЙСТВА

3.1. Структура системы лесного хозяйства

3.2. Структура лесных насаждений

3.3. Разработка классификации свойств лесных насаждений

3.4. Разработка классификация свойств технологических машин лесопромышленного комплекса

3.5. Структурное моделирование лесозаготовительных и лесообрабатывающих процессов

3.5.1. Технология лесозаготовки

3.5.1.1.Современные тенденции технологических процессов лесозаготовок

3.5.1.2.Системы машин для заготовки сортиментов

3.5.1.3. Системы машин для заготовки хлыстов

3.5.2. Разработка структурной модели лесозаготовительного процесса

3.5.2.1. Функциональная модель лесозаготовительного процесса

3.5.2.2. Структурная модель лесозаготовительного процесса

3.5.3. Постановка задачи для реализации

3.5.4. Лесозаготовка хлыстами

3.5.5. Лесозаготовка сортиментами

3.5.6. Структурирование лесообрабатывающего процесса

3.6. Разработка алгоритма подбора систем лесозаготовительных машин

3.7. Выводы

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ СТРУКТУРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ МЕТАСИСТЕМЫ ЛЕСНОГО

МАШИНОСТРОЕНИЯ

4.1. Структура метасистемы лесного машиностроения

4.2. Структурное моделирование машин лесопромышленного комплекса

4.2.1. Структурная модель технологической машины лесопромышленного комплекса

4.2.2. Схемы членения конструкции технологической машины

4.2.3. Моделирование технологической машины лесопромышленного комплекса с учетом процессов технического обслуживания и ремонта

4.2.4. Взаимосвязи этапов жизненного цикла технологической машины лесопромышленного комплекса

4.3. Структурное моделирование процесса проектирования и производства машин лесопромышленного комплекса

4.3.1. Обобщённая математическая модель процессов создания и эксплуатации технологической машины

4.3.2. Структурное моделирование процесса конструирования технологической машины

4.3.3. Структурное моделирование процесса технологической подготовки производства технологической машины

4.3.4. Структурная модель процесса эксплуатации технологической машины

4.3.5. Моделирование технической подготовки производства технологической машины с учётом эксплуатации. Формализация воздействий на технологическую машину

4.4. Структурное моделирование технической эксплуатации машин лесопромышленного комплекса

4.4.1. Эксплуатация технологических машин лесопромышленного комплекса

4.4.2. Формализация процесса функционирования системы контроля работоспособности технологических машин лесопромышленного комплекса

4.4.3. Математическая модель системы контроля работоспособности технологической машины лесопромышленного комплекса

4.4.4. Структура системы восстановления работоспособности технологических машин лесопромышленного комплекса

4.4.5. Анализ процессов восстановления работоспособности технологических машин лесопромышленного комплекса

4.4.6. Методы восстановления работоспособного состояния техники лесопромышленного комплекса

4.4.7. Формализация процесса функционирования системы восстановления работоспособности технологических машин лесопромышленного комплекса

4.4.8. Подсистема технического обслуживания

4.4.9. Подсистема ремонта

4.4.10 Математическая модель системы восстановления работоспособности технологических машин лесопромышленного комплекса

4.5. Выводы

ГЛАВА 5. РАЗРАБОТКА МЕТОДОЛОГИИ ИНФОРМАЦИОННОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЛЕСОПРОМЫШЛЕННОГО КОМПЛЕКСА

5.1. Система информационного обеспечения задач лесопромышленного комплекса

5.2. Разработка методики создания распределенной базы'данных лесных насаждений

5.3. Разработка методики системы актуализации базы данных таксационной и картографической информации

5.4. Разработка методики автоматизированной обработки данных дистанционного зондирования лесных насаждений 206 }

5.5 Выводы

ГЛАВА 6. ФОРМИРОВАНИЕ ИНТЕГРИРОВАННОЙ ИНФОРМАЦИОННОЙ СРЕДЫ И ПРИМЕНЕНИЕ ЕЁ К ЗАДАЧАМ ЛЕСОПРОМЫШЛЕННОГО КОМПЛЕКСА

6.1. Формирование информационной среды для управления лесопромышленным комплексом

6.1.1. Разработка системы управления лесными насаждениями

6.1.2. Организация системы охраны лесов от пожаров на основе пространственных данных

6.1.2.1. Проектирование и планирование противопожарных мероприятий на основе ИС «АрхлесГИС»

6.1.2.2. Патрулирование и обнаружение загораний с использованием средств ИС «АрхлесГИС»

6.1.2.3.Информационная поддержка управления тушением лесных пожаров

6.1.2.4. Оценка последствий лесных пожаров и проектирование реабилитационных мероприятий

6.1.3. Проектирование и эксплуатация сети лесовозных дорог с учетом природных факторов

6.2. Разработка системы информационной поддержки задач лесопользования

6.3. Моделирование работы комплекса лесных машин

6.4. Выводы

Экономика страны находится под влиянием рыночных отношений, внутренних и внешних интеграционных процессов. Это, зачастую, приводит к изменению производственных и экономических связей хозяйствующих субъектов, вызванных укрупнением предприятий. Такие объединения, как холдинги, региональные кластеры, промышленные комплексы стимулируют развитие территорий, восстанавливают и укрепляют производственные связи на основе современных информационных и телекоммуникационных технологий.

Примером подобных объединений могут быть региональные нефтегазовые, горнодобывающие, лесопромышленные и другие комплексы. Они представляют собой сложные, территориально распределённые структуры, в которых для организации эффективного управления приоритетной задачей становится учёт материальных связей между отдельными производствами. Инновационное развитие производства требует непрерывного совершенствования применяемых технологических процессов и создания новой конкурентоспособной продукции при использовании ИПИ-технологии.

Информацию о множестве объектов и процессов промышленного комплекса, используемых на всех этапах жизненного цикла выпускаемой продукции, необходимо представлять в едином информационном пространстве. .

Большую проблему представляет исследование лесопромышленного комплекса, в который входят разнородные по физической природе объекты: биологические, технические, организационные, информационные. Производства, сосредоточенные в этом комплексе: машиностроительное, лесохозяйственное, лесозаготовительное, лесообрабатывающее, лесоперерабатывающее ориентированы на лесные ресурсы. Продукцией отдельных производств могут быть: лес, пиловочник, пиломатериалы, щепа, целлюлоза, бумага, машины и оборудование и др. Лес, как вид возобновляемых природных ресурсов, является продуктом природы естественного или искусственного воспроизводства лесного хозяйства. Для управления лесными ресурсами при решении задач лесопромышленного комплекса необходима информационная система управления лесами, которая должна базироваться на ГИС-технологиях, методах обработки данных дистанционного зондирования земли и полевых исследований.

Конкурентоспособность лесопромышленного комплекса достигается за счёт синергетического эффекта от взаимодействия объектов, связанных в единую технологическую цепочку по потребляемым ресурсам, производимой продукции, информационным и транспортным связям. Лесопромышленный комплекс следует рассматривать как метасистему с учётом связей взаимодействующих производств.

Указанные обстоятельства требуют разработки новых моделей и методов представления процессов функционирования и развития лесопромышленного комплекса и обуславливают необходимость проведения научных исследований в этом направлении.

Объектом исследования являются процессы интегрированной информационной поддержки функционирования и развития лесопромышленного комплекса в составе систем лесное хозяйство, г V лесозаготовка, лесообработка, лесопереработка, лесное машиностроение.

Для повышения эффективности функционирования и модернизации лесопромышленного комплекса за счет обеспечения непрерывной информационной поддержки принятия решений на основе создания системы автоматизации его проектно-производственной среды необходимо выполнить следующие задачи исследования: - исследование структуры метасистемы лесопромышленного комплекса; - разработка теоретических положений для создания системы автоматизации проектно-производственной среды лесопромышленного комплекса; - разработка методологии интегрированной информационной поддержки принятия решений для этапов и процессов жизненного цикла продукции лесопромышленного комплекса; - разработка программных комплексов автоматизации проектно-производственной среды лесопромышленного комплекса.

Теоретические исследования выполнены с применением основных положений системного анализа, методов моделирования и проектирования сложных систем, теории множеств, теории графов формальной и математической логики, теории полихроматических множеств и графов, имитационного моделирования, объектно-ориентированного программирования. Функциональные и информационные модели процессов разработаны на основе универсальных САБЕ-средств и ИПИ-технологий.

Научная новизна диссертационной работы заключается в: - разработке модели метасистемы лесопромышленного комплекса, представляющую собой иерархическую структуру производительных систем, входящих в лесопромышленный комплекс; - разработке метода структурного моделирования, позволяющего формировать комплекс структурных моделей и связей между ними с учетом задач функционирования и развития лесопромышленного комплекса; -разработке комплекса методов информационной интеграции производительных систем лесопромышленного комплекса; - разработке методов и алгоритмов интеллектуальной поддержки принятия решений в условиях автоматизированной проектно-производственной среды лесопромышленного комплекса; ^разработке методологии создания системы автоматизации проектно-производственной среды лесопромышленного комплекса, обеспечивающей непрерывную информационную поддержку его функционирования и модернизации.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований использованы для создания интегрированной среды информационной поддержки принятия решений в процессах функционирования и модернизации предприятий лесопромышленного комплекса, включающей: - методику формирования структурных моделей лесопромышленного комплекса; - функционально-информационное обеспечение интегрированной информационной поддержки продукции лесопромышленного комплекса на всех этапах жизненного цикла; -научно обоснованные рекомендации по созданию распределённой интеллектуальной информационной системы на основе использования ГИС-технологий и мультиагентной среды; - методику непрерывной актуализации распределённых баз данных о лесных ресурсах на основе интеграции наземных исследований, данных дистанционного зондирования земли и интеллектуальных методов; - совокупность методик структуризации информации процессов лесного комплекса с использованием понятийного аппарата формальной логики для создания конструкторско-технологических баз данных; - инструментальный программный комплекс поддержки принятия решений при проектировании и эксплуатации продукции лесопромышленного комплекса; - комплекс программ имитационного моделирования процессов жизненного цикла продукции, интегрированный с распределённой базой данных лесных ресурсов; - информационную базу по эффективным конструкторско-технологическим и организационным решениям, реализованным в виде инженерных приложений.

Полученные результаты носят межотраслевой характер и могут быть использованы в сходных по структуре промышленных комплексах.

Результаты работы использованы для создания автоматизированной проектно-производственной среды промышленных предприятий лесного | комплекса северо-запада России.

Результаты исследований по созданию системы интегрированной информационной поддержки жизненного цикла машиностроительных * изделий используются ОАО «Архангельский механический завод», ОАО «Соломбальский машиностроительный завод», ОАО «Онежский тракторный ь завод».

Результаты исследований по интеллектуальной обработке данных дистанционного зондирования Земли, структурированию и актуализации баз данных о лесных ресурсах приняты к внедрению ИТЦ «СканЭкс».

Разработанная ГИС-система лесных ресурсов проходит апробацию на предприятиях лесного хозяйства и лесопользования, в Агентстве лесного хозяйства по Архангельской области и НАО.

Результаты исследований по интеграции процессов деревообработки и деревопереработки используются на деревообрабатывающих предприятиях региона, в том числе УК «Соломбалалес», ОАО «Лесозавод №3».

Разработанные методы информационной поддержки и моделирования процессов реализованы в виде информационно-программных комплексов и средств, а также компонентов экспертной системы, на которые получены свидетельства о регистрации программ.

Учебный вариант разработанного программного обеспечения используется в Северном (Арктическом) федеральном университете при подготовке научных и инженерных кадров для лесопромышленного комплекса.

Основные научные и практические результаты работы доложены и обсуждены на тридцати пяти конференциях и семинарах, в т.ч.: Международной конференции «Земля из космоса - наиболее эффективные решения» (Москва, 2005, 2009, 2011), Четвертой Всероссийской научно-практической конференции «Применение ИПИ-технологий в производстве» (Москва, 2006); Санкт-Петербургской международной конференции «Региональная информатика (РИ)» (Санкт-Петербург, 2004, 2006, 2010);Всероссийской научно-технической конференции «Новые материалы и технологии (НИТ-2006)»; Всероссийской научно-практической конференции «Интеграция науки и образования как фактор устойчивого развития современной России: региональный, федеральный и международный аспекты» (Архангельск, 2006); Международной научно-технической конференции «Информационные технологии в науке, образовании и промышленности» (Соловецкие острова - Архангельск, 2005, 2006); Международной научно-технической конференции «Прогрессивные технологии и оборудование в машиностроении и металлургии» (Липецк, 2006); Санкт-Петербургской международной научно-практической конференции «Проблемы подготовки кадров в сфере инфокоммуникационных технологий» (Санкт-Петербург, 2005); Всероссийской научно-практической конференции «Компьютерная интеграция производства и ИЛИ (САЬ8)-технологии» (Оренбург, 2005); Международной научно-технической конференции «Наука и образование» (Мурманск, 2005); Всероссийского совещания-семинара с международным участием «Дистанционные методы в лесоустройстве и учете лесов, приборы и технологии» (Красноярск, 2005); Международной конференции «Интеграция САПР и систем информационной поддержки изделий» (Соловецкие острова, 2004); Международной конференции «Качество и ИЛИ (САЬЗ)-технологии»

Судак, 2004); Научно-технического форума с международным участием «Высокие технологии 2004» (Ижевск, 2004); Международной научно-технической конференции «Современная наука и образование в решении проблем экономики европейского севера» (Архангельск, 2004); Международной конференции «Информационные технологии в управлении жизненным циклом изделий» (Санкт-Петербург, 2003); Третьей Санкт-Петербургской межрегиональной конференции «Информационная безопасность регионов России (ИБРР-2003)» (Санкт-Петербург, 2003); Всероссийской научно-практической конференции «Теория, проектирование и методы расчета лесных и деревообрабатывающих машин» (Москва, 1996), расширенном заседании кафедры «Технологического проектирования» МГТУ «Станкин».

Основные положения диссертации отражены в 87 публикациях, в том числе в 18 статьях в периодических научных и научно-технических журналах, в которых ВАК рекомендует публикацию основных результатов докторской диссертации; 2 монографиях, 5 учебных пособиях, 8 свидетельствах Роспатента на программы для ЭВМ и 45 статьях в сборниках материалов международных, всероссийских научных конференций.

6.4 Выводы

1. Разработана система управления лесными насаждениями (ГИС система) на основе открытых инструментальных средств с интуитивно понятным интерфейсом, легко адаптируемая под конкретного пользователя;

2. На основе системы управления лесными насаждениями разработаны структуры специализированных модулей, которые реализуются на предприятиях лесного комплекса региона: система управления лесными ресурсами, система охраны лесов от пожаров на основе пространственных данных, проектирование и эксплуатация сети лесовозных дорог;

3. Разработана информационная система прогнозирования работ систем машин на основе имитационных моделей в зависимости от условий эксплуатации.