автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.01, диссертация на тему:Технологии рубок ухода - как объекты оптимального управления лесосечными работами

Р V ь УН

ВОРОНЕХСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ- ЛЕСОТЕХНИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ

На правах рукописи

ГУСМАН ЕРИМАН■ЛОРЕНСО АНТОНИО

ТЕХНОЛОГИИ РУБОК УХОДА - КАК ОБЪЕКТЫ ОПТИМАЛЬНОГО УПРАВЛЕНИЯ ЛЕСОСЕЧНЫМИ РАБОТА!/Л

)

Специальность 05.21.01' - Технология и машины лесного хо-

. зяйства и лесозаготовок

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Воронеж 1994

- z -

Работа выполнена на кафедре "Автоматизации производственных процессов" Воронежской государственной лесотехнической академии и б Воронежском ыехлесхозе

Научный руководитель - Доктор технических наук.профессор, Заслуженный деятель науки и техники России, академик АЕН РФ B.C. Петровский

Официальные оппоненты - Доктор технических наук, профессор,Член -

корреспондент АЕН РФ И.М. Бартенев

- Доктор технических наук, профессор А.А.Рындин

Ведущая организация. - Воронежское областное управление лесами

Защита диссертации состоится " 29 " декабря 1994 года в.10 часов в ауд.' 118, на заседании Совета по защите диссертаций Л 064.06.01 в . здании Воронежской государственной лесотехнической академии по адресу: 394613 г. Воронеж, ул. Тимирязева, 8.

Просим Ваши отзывы на автореферат присылать обязательно в двух экземплярах с заверенными подписями и направлять ученому секретарю

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВГЛТА

Автореферат разослан " ноября 1994 года

Ученый секретарь

Совета по защите диссертаций Д 064.06.01, доктор технических наук профессор,Член - корреспондент АЕН ТО.

В. К. .Курьяноп

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теш. В России и в других странах возрастают площади рубок ухода за лесами. Наука и практика выдвинули целый ряд обоснованных положений по планированию и проведению рубок ухода: осветлений, прочистки, прореживания, проходных и санитарных рубок. При этом неоО-ходимо вырубать отставшие в росте, угнетенные и фаутные деревья. Рубки ухода стимулируют рост и. развитие древостоев, одновременно являясь крупным источником получения древесины.

Научные результаты в этой области дают возможность решать практические задачи планирования, проведения рубок ухода в древостоях разных ' пород, возраста, бонитетаа и полноты для различных почвенно - грунтовых условий.

Эти достижения мирового лесоводства позволяют улучшить породно -качественный состав лесонасаждений и в какой-то мере снизить возраст технической спелости лесофонда.

Рубки ухода за лесами также улучшают экологга лесной среды.

В наставлениях.по рубкам ухода есть рекомендации по снижен:«) повреждаемости оставшихся деревьев после рубки. Такие поврежденные деревья являются объектагш размножения знтомофитовредителей и , они ухудшают экологическую обстановку. Поиск лесоводственно-технологических решений, снижающих частоту и тяжесть повреждений остающихся деревьев, является весьма актуальным для улучшения ведения лесного хозяйства и лесозаготовок. :

Одновременно осветление, прочистка и прореживание бывают часто экономически нерентабельными, не дают какую-либо прибыль, и чаще всего бывают убыточными,

Следовательно, лесохозяйственному производству иногда по экономическим причинам приходится отказываться от проведения этих рубок, тем самым оставляя на низком лесоводственно-экологическом и лесопромышленном уровне древостой.

В этой связи возникает крупная научно - практическая задача улучшения качества древостоев путем реализации высокорентабельных технологий рубок ухода с соблюдением лесоводственных ограничений.

Получаемые при рубках ухода и реализуемые сортименты круглого леса являются источником покрытия затрат на эти рубки. При этом необходимо с учетом лесоводственных ограничений определять количество вырубаемых деревьев с одного гектара и их средний диаметр и обеспечивать

повышение выхода высокоценных сортиментов круглого леса при переработке стволов деревьев. Это является актуальной научно - практической задачей лесного комплекса.

Поэтому диссертация , с одной стороны, посвящена научным исследованиям и разработкам по снижению повреждаемости остающихся деревьев, с другой стороны, по повышению выхода сортиментов круглого леса при рубках ухода. Все это, в конечном счете, направлено на повышение лесо-водственно - экологических показателей лесонасаждений и улучшение рентабельности рубок ухода.

Цель и задачи работы. .

Целью работы является системный анализ, натурные наблюдения, производственные эксперименты по рубкам ухода, математическое моделирование частота, тяжести повреждений, выхода высокоценных сортиментов круглого леса и решение многокритериальных оптимизационных задач выбора технологии рубок, числа вырубаемых деревьев и их диаметров.

Реализация цели настоящей работы приводит , в конечном счете, к разработке, апробация метода компьютерного планирования и технологи-ческогоуправления рубками ухода за лесом.

. . Цель исследований включает следующие задачи: .

- выполнить системный анализ рубок ухода, . как объектов-; оптимального управления лесосечными работами, с определением действующих.входных и выходных параметров, факторов процесса рубок ухода; , ;

- провести натурные наблюдения, пассивные, эксперименты на лесосеках Воронежсчкого мехлесхоза с определением частоты , : числа повреждений оставшихся деревьев и тяжести этих поврежден»«, определить выход основных сортиментов круглого леса с каждой лесцсёк# и с.одного гектара;

- установить методом экспертных оценок ранжировку приоритетов и вес каждого вида повреждения оставшихся деревьев,' а также вес используемого типажа механизма трелевки; ,

- предложить структуру и получить на Звм,' на основе производственных экспериментов, математические модели частоты повреждений оставшихся деревьев по каждой тяжести, степени интенсивности повреждения;

- определить по математическим моделям характер и степени влия нкя таксационных и технологических Факторов на частоты интенсивностей повреждений оставшихся деревьев;

- разработать метод оптимизации выбора технологии, оборудования

трелевки и числа деревьев с минимизацией степени тяжести повреждений деревьев на основе решений многокритериальной задачи оптимизации;

- обосновать структуру и получить на ЭВМ математические модели выхода сортиментов круглого леса при рубках ухода на основе производственных экспериментов;

- разработать метод многокритериальной оптимизации выбора числа вырубаемых деревьев и их диаметра с наибольшим воамошым выходом сортиментов круглого леса;

- выполнить компьютерные решения оптимизационных задач рубок ухода, определить характер позитивного влияния этих решений на сохранность остающихся деревьев и выход сортиментов круглого леса;

- сделать анализ экономической , экологической эффективности разработанных методов оптимизации планирования и управления рубками ухода и представить рекомендации производству по решению вопросов оптимизации рубок ухода за лесом в сосновых насаждениях, в частности, Воронежскому мехлесхозу, Воронежскому учебному опытному лесхозу, Министерству лесного хозяйства и охраны природы Никарагуа.

Методика исследования включала в себя , прежде всего, системный анализ процесса рубок ухода за лесом - как объекта оптимального управления. В связи с чем, все входные параметры процесса рубок ухода были разделены на две группы: первая группа - исходные таксационные характеристики древостоя; вторая группа - искомые параметры процесса, оптимизирующие лесовадственные и экономические выходные показатели рубок ухода. Для решения поставленных задач, в практическом плане, были прб1 ведены натурные наблюдения, измерения в двадцати шести лесосеках разного возраста, полноты сосновых древостоец! Воронежского мехлесхоза. Методикой предусматривалось использование извествных методов математического моделирования компьютерной оптимизации многокритериальных процессов биологии и технологии..

Объектами исследования являются процессы рубок ухода за лесом в сосковых дрсБОстаях в возрасте 10...100 лет, первого и второго бонитета.

Научная новизна работы

Научная новизна результатов, полученных з диссертационной работе, состоит в следующем: ,

- рубки ухода за лесом рассмотрены как сбъесты оптшальиого управления, отличавшиеся тем, что в результате системного анализа определены две группы управляемых и неуправляемых параметров, и лесоводс-

твенные-технологические и выходные параметры, целевые функции процесса;

- получены математические модели частоты и тяжести повреждений оставшихся деревьев, математические модели выхода сортиментов круглого леса, отличающиеся учетом входных таксационных и технологических параметров рубок ухода;

- разработана система компьютерной оптимивации рубок ухода, отличающаяся тем, что желательный тип трелевочного трактора, количество вырубаемых деревьев и их диаметр определяются на основе решения многокритериальных оптимизационных задач с учетом лесоводственных ограничений;

- разработанные алгоритмы, программы компьютерной оптимизации рубок ухода отличаются тем, что при решении многокритериальной задачи методом экспертных оценок определяется вес каждого показателя, а поиск экстремумов сводных аддитивных Функций производится методом итерации;

-•расчет экономической эффективности рубок ухода отличается тем, что учитывается прибыль от повышения объемно - качественного выхода сортиментов круглого леса и от снижения числа поврежденных деревьев, то-есть от уменьшения потерь стволовой дре весины.

Практическая ценность

Реализация разработанного метода многокритериальной оптимизации, программных средств компьютеризации промежуточных рубок на предприятиях лесоустройства, лесного хозяйства позволяет повысить прибыль от рубок ухода и снизить количество поврежденных деревьев.

Апробация работы

■ Материалы отдельных глав диссертации докладывались и обсуждались на научных конференциях Воронежской государственной лесотехнической академии в'1991 -1994 годах.

Публикация работы .

По теме диссертационной работы опубликовано 4 научные статьи.

Структура и . объем работы

Диссертация состоит из введения, 6 глаз, выводов, заключения, списка литературы из 117 наименований, приложений й включает рисунков, таблиц. Объем основного текста составляет 150 машинописных страниц/

Результаты, выносимые автором на защиту

- системный анализ, целевые функции рубок ухода - как объектов многокритериального оптимального управления лесосечными работами;

- математические модели повреждаемости деревьев, выхода сортиментов круглого леса в сосновых древостоях Воронежского мехлесхоэа;

- методы компьютерной оптимизации выбора типажа трелевочного трактора, диаметра и количества вырубаемых деревьев при рубках ухода;

- алгоритмические процедуры и программы ЗЕМ оптимизации управляемых входных, параметров рубок ухода;

- методика определения зкологической, экономической эффективности рубок ухода - как объектов оптимального управления.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой рдаве расмотрено состояние и перспективы развития технологии рубок ухода - как сложных мноогоперационных систем. Дается анализ научных публикаций по разработкам технологии и оборудования рубок ухода. Выполнен анализ влияния показателей технологии и оборудования на интенсивность и степень тяжести повреждений остающихся деревьев.

Этим явлением неуделялось должного внимания, хотя при проектировании и испытании новой техники рубок ухода эти вопросы в какой-то мере рассматривались.

Однако, значительных результатов исследований в этой области практически нет.

Интенсивность, тяжесть повреждений оставшихся деревьев после рубок ухода - это явление случайного порядка для каждого Дерева. Однако, при массовом наблюдении эти повреждения, конечно, зависят от применяемого оборудования, технологий, числа вырубаемых деревьев с 1 га, возраста, полноты и других.

Уместно отметить, что интенсивность повреждении может быть разной. - от легкого повреждения ветвей, коры до полного слома ствола дерева.

Автором показано, что компьютеризация решения ¡задач определения целесообразной технологии и числа вырубаемых деревьев должна основываться на учете требований снижения и устранения самых тяжелых поврен-дении.

По рубкам ухода имеется много публикаций, однако, вопросам повышения выхода высокоценных сортиментов, при соблюдении лесоводственных ограничений, не уделялось достаточного Екимания.

■ Во второй главе приводятся результаты системного анализа, предложены критерии оптимальности выбора оборудования, парямзтры рубок ухо* да. Эти рубки рассмотрены как объекты оптимального упраг-лс-нил и с ого-

Сими биологическими свойствами, и сложными лесоводственными ограничениями.

На рубки ухода, как объекты лесохозяйственного управления, действуют две группы входных переменных факторов:

- входные переменные, которые можно только контролировать, но не менять. Этими переменными являются возраст, бонитет, полнота, количество деревьев на 1 га, текущий и средний прирост стволовой древесины;

- входные, контролируемые и изменяемые лесоводом, технологом параметры рубок ухода. Это - число вырубаемых деревьев с 1га, величина и снижение полноты, средний диаметр вырубаемых деревьев, вариант технологии рубок ухода.

Изменяя параметры входных переменных второй группы, представляется возможным улучшить выходные параметры рубок ухода - параметры третьей группы. .

В качестве выходных параметров управляемого процесса рубок ухода представляется необходимым иметь следующие: степень повреждаемости оставшихся деревьев от действия оборудования лесосечных работ, выход сортиментов круглого леса, себестоимость 1га рубок ухода,. производительность лесосечных работ, текущий и средний прирост стволовой древесины после рубок ухода, текущий и средний приросты по диаметру, степень повреждения почвенного покрова и другие.

Исходя из актуальных на сегодняшний день задач совершенствования управления рубок ухода, целесообразно рассматривать только два выходных показателя, две целевые функции рубок ухода.

С учетом этого, рубки ухода, как объекты оптимального упраления имеют структуру , которая показана на рио.1.

В этой главе описываюся методики исследования, контроля, оценки параметров процесса рубок ухода за лесом, дается обоснования наиболее приемлемых целеых функций, критериев оптимальности управления технологиями рубок ухода.

В третьей главе показаны математические модели повреждаемости деревьев при рубках ухода, математические модели выхода сортиментов круглого леса при рубках ухода в сосновых древостоях Воронежского мех-лесхоэа.

В таблицах 1,2 представлена фактические результаты экспериментов, наблюдений повреждаемости деревьев, выхода сортиментов круглого леса по L'6 лесосекам.

- У -

Входные параметры "X"

Возраст, лет

Полнота, ед.

1 Запас на 1 Га, гр. мэ/Га_

Средний

диаметр выруб. • деревьев, см

Вид трелевоч. механизма, шт.

Колич.деревьев до РУ . ит.

гр. Колич вырубаемых дерев.,шт.

Иронзсс рубок уходп-кяк обьекты оптимального ' упрявления

Выходные параметры "Y" 3 гр.

Тяжести и степени повреждений

Степень повреждение Yi Степень повреждения,. Y-> Степень повреждения^ Уз

Степень повреждения.. Y4

Степень повреждения^ Ys

Выход Сортиментов Пиловочник ,м3/га

Стройлес,

м'Уга

Тонкомер, м3/га

ДР9,ва1

м3/га

Yi У2 Y3 Y4

Рис. 1 Структура математической модели процесса рубок ухода

По первому критерию повреждаемости число деревьев на 1га каждой лесосеки показано по степени тяжести их повреждаемости

Yi, Y2i Y3, Y4. Ys

где Yi - слом ствола дерева ниже 0,5 H высоты; Y2 - слом ствола дерева выше 0,5 H еысоты; Y3 - слом вераинок стволов;

Y4 - повреждения корневой.системы у растуоих деревьев; Ys - повреждения кроны, коры.

Таблица 1 показывает, что тяжесть повреждений оставшихся поел* рубок.деревьев определяется следующей ранжировкой:

VI > У» > Уэ У4 > У5 , < 1 >

Структура математических моделей покагываат. чте частзта хпядэЯ из пяти степеней повреждения оставшихся деревьев эазисит одновременно от всех пяти входных параметров X), X*; Хэ. Хз. -

Таблица 1

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ПОВРЕЖДЕНИЯ ДЕРЕВЬЕВ НА 1 ГА ПОСЛЕ РУБОК В ЛЕСОСЕКАХ БОРСКОГО ЛЕСНИЧЕСТВА

1 входные параметры " X " выходные параметры " У "

i д^*- 1 группа 2 группа 3 группа

j «-0-i сек таксационные показатели количество повреждаемых деревьев

! j i Еограст X полнота до рубки V. л» вид трелев оборуд Хз кол-во деревьев до руб/1Га Х5 КОЛ-ЕО СрУбЛ. дерев. 1 Га V. ль степ, поврежд Yi степ, поврежд V , IV степ, поврежд степ, поврежд Y4 степ, поврежд Y5 всего поврежд Кп

i i i ' о i 4 i 5 i 6 \ 7 ' 8 ' У 1 10 ■ i i 26 26 18 23 32 1. 33 i 24 ! 16 1 Î6 l 19 5 и, 95 0,97 1,0 0,90 0,85 0,85 0,97 0,80 i 0,70 1 0,82 | 0,95 1,0 2,0 3,0 3,0 1,5 ' 3,0 2,0 3,0 2,0 1,5 1,5 ч ОПП 1С. UO 1800' 1870 • 2857 1309 1857 1794 1846 5488 700 2630 480 271 861 300 180 80 420 ЯЯ6 1107 12 300 0 С. 0 1 2 1 1 *> 3 2 2 А с 0 0 2 1 0 2 1 0 ' 1 12 14 6 12 23 г 14 13 18 0 5 12 13 6 2 5 6 7 5 4 2 3 С 4 1 0 2 0 2 ■ 0 4 0 1 - ГТ » С! 33 14 16 33 11 25 23 ' 29 2 . 12

Примечание : вид трелевочного оборудования соответствует - 1 - трактор ТТ-55,

1,6 - ЛХ трпптор MT5-6E, Е.О - троптор ЛКТ-61, ЭВ0 - ЛХ трактор -»"'муравей"

-п-

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ

Таблица 2

ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ НАБЛЮДЕНИЙ ПО ВЫХОДУ СОРТИМЕНТА КРУГЛОГО ЛЕСА .М^/Га

входные параметры " X

выходные параметры " У "

таксационные характеристики

ВЫХОД СОрТпмадиТСЗ , м^ /Га

1 группа

2 группа

3 группа

возраст

Хг

полнота до рубки едн. Х-2

запас на 1 Га пе-м^/Га X?

сЗср.вы-рубаемых см Х4

кол-во дерев от/Га Х5

кол-во дерев. 1Га,шт

Хб

пиловочник

строит, леса

тонкомер

дрова

Ч

всего

57.7

67.5

78.2 54,1

63.3

88.8 51,3

89.6 42,5 54,3

72.1

21.2 64,3 35,8

«10 ч

С.О, I.

0,73 0,76 1,73 0,90 0.86 0,75 0,79 0,89 0,80 0,85 0,76 0,82 0,72 0-.80 0,71

161,56

245,89

284,87

210,99

300,67

296,0

200,07

298,67

170,0

271,5

<~М (Л о

ОХ У, О

132,5 305,43 187,95 94,80

20,3 24,8

22.3

О л о , С.

26,2

32.5 20,2

36.0

18,0 о

пл о , ¿.о, о

10.1

26.4 12,8

11.6

622

64»"* Ч/

1017 555 506 370 780 221 944 1005

СИЛ

оии пппо с».ио

498

ОГ\00

сиоо

1185

69 57 54 99 37 5 184 47 121 178

оп ОО

64 5

5,22 6,91

С ОО О , ОО

21.83 8,67

30.84 9,28 4,71

13,41

1,55

С Л « О,

л п '

1п л

5,66

42,77 0,53 27,39

0,05

4,77 4.02 2,33 8,58 0,87

10,65 0,54

11,17 0,78

0,17

0,83 0,78 0,44 1,29

6.36 3,74 1,35 3,84 4,55

.0.88 21,85

4 ОС

1 , ¿.и

1.37

ООО Р ОО

1,78

16,04

16,82 14,35 32,94 21,56 3,74

42.84 56,43 20,96 42,46

21.85 3,52 3,59 0,38 1,78

V

1

Общее количество поврежденных деревьев Кп определяется выражением: Кл s Yi + У2 + Y3 + Y4 + YS, с 2 )

Конечно, при построении технологий рубок ухода нужно минимизировать частоту и степень повреждений оставшихся деревьев после рубки деревьев

Ymin —' min, j = 1,2...5 . ( 3 )

Полагаем, что уравнения, связываицие частоту каждой степени повреждения оставшихся деревьев с входными показателями, являются непрерывными функциями, которые дифференцируются в области существования входных переменных.

Следовательно, эти неизвестные функции можно разложить в ряд Тейлора, например, в ряд первой степени с парными взаимодействиями вида 4...8.

Парные "ВДадмодействия входных•параметров необходимо учитывать, так как рассматриваемый процесс рубок ухода - это взаимодействие техники, технологии, таксационных характеристик насаждений и их влияние на повреждение оставшихся деревьев.

Таким образом, количество поврежденных деревьев на 1га по степеням тяжести повреждений можно выразить в виде уравнений регрессии:

Yi a aô+aiXi+aiXû+a3X3+a4>(4+a5X5+ai£>XiXi;+ai5XiX5+

+аа4ХгХ4+аз4ХзХ4.+аз5ХзХб . ■ < 4 ) •

Y 2 я

+824X2X4+634X3X4+635X3X6 , ( 5 )

Y3 » Cû+CiXi+CeX2+C3X3+C4X4bJsXs+CiC'XiX.:'tC1£X1X54-

+C24X2X4+C34X3X4+C35X3X6 , •( б )

У4 В do+diXi+dLX^+diXj+J^X.'ilOiXb+iii^XiXituisXiXb*

+ а;:4Х;;Х4+с!з4ХзХ4+^з5ХзХс , (VI

У5 г 60+61X1+62X2+63X3+64X4+65X5+612X1X2+615X1X5+

+624X2X4+634X3X4+635X3X6 . С в )

где ао-. .аз5;Ьо.. .Ьз5;ё0.. ^35; е0.. ,ез5 - коэффициенты, имеющие свои численные значения для условий наших опытов.Эти коэффициенты определены методом наименьших квадратов на ЭВМ и соответствуют хорошей адекватности математических моделей ( 4-8 ) реальным условиям и результатам рубок.

Компьютерный анализ опытов покавал, что математические модели вы-• хода отдельных сортиментов круглого леса в м3/га при рубках ухода иые-. ит общий вид ряда Тейлора первой степени с парными взаимосвязями:

^ = ао) + а1]Хг + 32]Хг ( 9 ) .

где У,. - выход о'-го сортимента круглого леса, (Уг - выход пиловочника; У2 - выход строительного леса; Уз - выход тонкомерных сортиментов; У4 - выход дров), м3/га;

Х1 - возраст деревьев; Хо - полнота насаждений; Х4 -средний диаметр вырубаемых деревьев; Х5 - количество деревьев до рубки; Хе -количество срубленных деревьев, шт/га; Х7 - запас стволовой древесины перед рубкой ухода, мэ/га.

Уравнения выхода сортиментов круглого леса .адекватно отражают показатели. рубок ухода в сосняках Воронежского иехлесхааа в возраста 20...90 лет, полноты 0,73...0,9 с запасом 94...305 м3 на 1 га, диаметром деревьев 10...36 см, насаждения первого и второго бонитета.

Б Четвертой главе показано решение задач оптимизаций- выбора трелевочного оборудования (Хз), количества вырубаемых деревьев с 1га (Хв) и их среднего диаметра (Х4).

Оптимальные величины Хз и Хе минимизируют количество и степень тякеоти повреждений остающихся деревьев.

• По каждой лесосеке все пять функций (-1-8) являются функциями одних и тех же переменных Хз и Хв. Представляется необходимым провести свертку пяти критериев в один и получить обшуп аддитивную функция. ДЛл •этого было необходимо найти весовые коэффициенты каждой степени тяжести повреждений остающихся деревьев методом -экспертных оценок. й«ч рпяработпнл специальная анкета для 10 экспертов лесоводов и 10 спеия-»-листоь л,,осччл?«манного комплекса. В результат.- сора-ботки мн^кий

пертов весовой коэффициент самой тяжелой тяжести повреждений У1 составил 0,30, для У2" - 0,22; для У3 - 0,18; для У4 - 0,16; для У5 - 0,14. Коэффициенты вариации экспертных оценок составляет 4 -13Х,.что говорит о высоком уровне согласованности мнений специалистов.

С учетом весовых коэффициентов тяжести повреждений остающихся деревьев определены аддитивные функции количества повреждений с учетом таксационных характеристик, которые показаны в таблице 3.

Таблица 3

г

N | Значение »ущетитпк фукщг"-п/п|

1 1*2 - 16,68 - 9,42 ХЭ - 0,04467 Хб +0,05193 Хз

2 |У2 - 21,74 - 14,99 Хз - 0,04441 Хе + 0,05193 Хз Хб

.3 |У2 - 23,22 - 16,86 Хз - 0,04440 Хб +0,05193 Хз Хб

4 |У2 - 28,03 - 24,81 Хз - 0,04510 Хб + 0,05193 Хз Хб

5 | У2 - 17,18 - 10,43 Хз - 0,04507 Хб + 0,05193 Хз Хб

.6 |У2 - 15,33 - 15,51 Хз - 0,04480 Хб + 0,05193 Хз Хб

.7 |У2 - 13,09 - 14,93 Хз - 0,04471 Хб + 0,05193 Хз Хб

8 |У2 16,72 - 15,42 Хз - 0,04141 Хб + 0,05193 Хз Хб

в - 59,24 - 49,24 Хз - 0,04503 хе +0,05193 Хз Хб

10 |У2 - 0,81- 4,77 Хз - 0,04428 Хб + 0,05193 Хз Хб

И 1*2 - 38,5 - ПП г* у С-С-, » Лу 0,04490 Х8 +0,05193 Хз Хб

Таким образом, пятикритериальная задача минимизации повреждений деревьев, с учетом их весовых коэффициентов, сведена к однокритериаль-ной.

Аддитивные функции по каждой лесосеке минимизированы на ЭВМ методом итерации. По каждой лесосеке определен целесообразный тип тракто-ра-Хэ ( в основном МТЗ-81 ) и оптимальное количество вырубаемых деревьев - Хе с учетом ограничений на предельное снижение полноты древостоя. Оптимальные значения параметров Хз и Хе дали возможность вычислить частоту каждой степени повреждаемости деревьев при оптимизации рубок ухода. Эти результаты приведены в таблице 4.

-S5-

Toöjimiä 4

Результаты фактических наблюдений и компьютерных расчетов минимизации и

повреждаемости остающихся деревьев .¡пт/Га

: Ii ! 1Ле- 1ьозраст ■ со- ! Г"'' j --------1-------- полнота степень повреждаемости степень повреждаемости У2 степень повреждаемости Y3 степень повреждаемости ' и степень . повреждаемости Y5 всего поврежд. КП

Факт. опт. факт. опт. ч<акт. ОПТ. факт. опт. факт. опт. факт. опт.

• 1 i .--;l ! 2 ! ■ 26,5 ' 3 | 26 ■ 4 ! 1С ' § ! 23 ; 5 1 ?Г У 1 33 , Ol 1 : I 16 ' 10 1 26 и 1 IQ 0,95 0.37 1,00 0,90 0,65 0,85 0,97 0,80 0,90 0,ß2 0,95 2 0 1 0 1 1 2 3 о - 2 0 0 0 0 0 0 0 0 3 0 0 1 0 d 0 0 2 1 0 2 1 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 4 0 0 12 14 6 12 23 3 14 13 18 0 5 7 6 8 10 4 9 9 8 17 2 5 12 13 6 2 5 6 7 5 4 2 3 11 5 7 . 0 5 6 6 3 0 4 ' 0 0 4 1 0 2 0 2 0 4 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 5 27 33 ■14 16 33 11 25 ■ 23 29 2 12 18 11 15 11 9 15 15 11 24 6 10

ьсего j 16 3 10 5 120 85 65 ' 47 14 5 225 145

- îe -

Таким образом, оптимизация выбора типа трелевочного трактора-Хз и числа вырубаемых деревьев-Хб дает возможность резко уменьшить частоту и степень повреждаемости остающихся деревьев. Снижение повреждаемости деревьев при оптимизации рубок ухода, очевидно, связано и с т*м, что при фактических рубках число вырубаемых деревьев, а следовательно снижение полноты получается, на 10.. ЛВХ выше допустимой,

В этой работе автор искал резервы повышения выхода высококачественных сортиментов круглого леса путем компьютерной оптимизации среднего диаметра вырубаемых деревьев-Х4 и количества вырубаемых деревь-ев-Хе на 1 га. При решении задач оптимизации технологий рубок ухода били получены по каждой из 15 лесосек четыре математические модели общего вида ( 9 ). Постановка в общее уравнение таксационных характеристик по каждой лесосеке позволила определить функцию двух переменных Х4,Х6:

Y: s Yj ( Х4 ,.Х6 ), j = 1 ... 4

где Yi, Y'j, Y3, У4 - выходы пиловочника, строительных бревен, тонкомерных лесоматериалов и дров соответственно, м3/га.

Исходя из оптовых цен в Воронежском мехлесхозе на декабрь 1S93 года этих круглых материалов, имеет место следующий приоритет целевых функций:

Yi > Y£ > Y3 > Y4

Тогда коэффициенты примут следующие значения:«! - 0,34;«^ - 0,33; о(з - 0,31;«4 - 0,02 и представляется возможным многокритериальную задачу оптимизации рубок ухода по-4 целевым функциям свести к максимизации одной аддитивной. Для каждой иа пятнадцати лесоек с различными таксационными характеристиками,получены аддитивные функции двух переменных У, a Yj ( Х4. Хв ).

Компьютерная максимизация аддитивных функций по каждой из 15 ле-сосгк была проведена методом итераций с учетом лесоводственных ограничений на снижение полноты древостоев. Полученные, результаты показаны в таблице 5.

Представляет интерес сопоставление фактических и оптимальных результатов рубок ухода. В среднем на 1га по 15 лесосекам фактически вы-Руо:и-..-'Сь во flfpi'M.^n, а при оптимизации - 68. Фактический средний диа-

Таблица 5

.Выход сортиментов круглого леса с одного гектара при рубках ухода в 15 лесосеках Воронежского мехлесхоза

м п/п Сортиментная структура рубок ухода м3 на 1' Га

пиловочник,м3 строит.бревна м3 тонкомер М3 дрова М3 всего, м3

фактич;. оптим. фактич. оптим. фактич. оптим. . фактич. ОПТИМ. фактич. оптим.

1. с: по о, 21,46 С пп - 1,24 4,77 0,01". Г! П1 о,оо - 16,04 ор [Г*"> - си,и^.

2 6,91 16,73 . 5,11 8,34 4,02 1,37 0,78 4,25 16,82 30,69

3 6,88 • 16,25 4,7 4,49 2,33 1,24 0,44 0,68 14,35 22,66

4 • 21,83 1 о / А » ¿Г* 6,48 8,58 6,21 4 ОП X , 1,74 32,94 ОП С", ОО , и!

5 8,67 18,64 ■ 5,66 11,54 0,87 0,86 6,36 О Г1П 21,56 33,76

6 . - • - - - - - 3,74 3,36 3,74 3,36

7 30,84 23,71 - • 5,85 10,65 5,09 1,35 2,74 42,84 37,12

. 8 9,28 ■ 28,33 42,77 32,88 0,54 1,01 3,84 - 56,43 62,22

9 ■ 4,71 7,38 '0,53 3,83 11,17 7,9 4,55 3,02 20,96 22,13

10 13,41 20,8 27,39 .22,6, 0,78 0,46 о,ее - 42,46 43,86

11 - - - - - - 21,85 22,01 21,85 ' 22,01

12 1,55 - - - 2,26 . 4.71 1,26 2,16 3,52 6,87

13 - ' 0,5 . 0,8 0,17 1,44 1,37 0,82 3,59 3,06

14 - - - - • - - 0,38 2,32 0,38 2,32

15 - - - - • - - - • 1,78 . 3,26 .1,78 3,26

С 109,3 177,44 93,12 98,05 46,14 34,11 50,7 • 48,81 299,26 358,41

метр вырубаемых деревьев составил 22,5 см , а оптимальный средний диаметр - 23,8 см. Частично, этим в какой-то мере, объясняется значительное увеличение выпуска пиловочника при оптимизации рубок ухода.

При оптимизации рубок ухода с одновременна минимизацией повреждаемости оставшихся деревьев и максимизацией выхода ценных сортиментов круглого леса, необходим аналиа работоспособности этих двух оптимива-ционных математических моделей и сопоставление результатов расчетов на одних и тех же лесосеках. С этой целью, используя программы минимизации повреждения деревьев, максимизации выхода ценных сортиментов круглого леса, по одним и тем же лесосекам, проведены компьютерные расчеты с определением типа трелевочного трактора - Хз, среднего диаметра вырубаемых деревьев - Х4 и количества вырубаемых стволов - Хе- Полученные результаты показаны в таблице 6.

Эти результаты показывают, что оба критерия оптимизации не противоречат друг другу, так как в решении этих двух оптимальных задач используются единые жесткие лесоводственные ограничения. Так, среднее количество вырубаемых деревьев по 11 лесосекам для целевой функции повреждаемости на 1% меньше, чем для целевой функции выхода сортиментов. Но даже рааница в 12 очевидно позволяет отдать предпочтение критерию минимизации повреждаемости. , '

В пятой главе рассматриваются результаты компьютерных расчетов, алгоритмы, программы поиска оптимальных параметров рубок ухода , их лесоводственно-технологические ограничения. В частности, для программы минимизации повреждаемости деревьев ка входные- переменные накладывается ограничения, которые отражают лесоводственные требования и условия опытов:

- по возрасту ( Х1 ), лет: 10 < Хг < 40 , ( 10 ) г по типу трелевочного трактора ( Хз ): 1 < Хз < 3 , ( 11 )

- по количеству деревьев сосны на 1га

При решении задач выбора трелевочного механизма и количества деревьев, назначаемых в рубку с 1га методом многокритериальной оптимизации рубок ухода, необходимо строго соблюдать ограничения решаемой задачи для каждой лесосеки:

до рубки ( Х5 ):

по количеству вырубаемых деревьев сосны на Ira ( Х5 ):

700 < Хб < 5488, ( 12 )

12 < Хе < 1107, ( 13 )

Таблица 6

Результаты компьютерной оптимизации технологии рубок ухода с минимальным повреждением оставшихся деревьев и наибольшим возможным выходом сортиментов круглого леса

N оптимизация выбора числа вырубаемых дервьев, оптимизация' выбора среднего диаметра

проб. трелевки для минимизации повреждаемости и числа вырубаемых деревьев с учетом

пл. остающихся деревьев минимизации повреждаемости остающих-

ся деревь« зв и наиоольшего выхода

сортиментов круглого леса

возраст полнота количество деревьев вариант трелевки среднки диаметр количество деревь-

до руб- назначаемых в рубку (механизмы) см нааначаемых в руб-

XI ки Х2 шт/Га Хб Хэ Х4 ку шт/Га Хе

фактич. оптим. фактич. оптим. фактич.. оптим. фактич. оптим.

1 31 0,95 480 165 1,0 3 12,0 12,5 480 230

о ей 26,5 0,97 Г>Г» 1 ¿г/ 1 210 2,0 3 11,6 10,0 271 165

о О 26 1,0 861 255 3,0 3 10,8 9,0 ЛС1 ои1 245

4 18 0,9 300 425 3,0 3 8,0 8,8 300 375

5 23 0,85 180 130 1,5 3 10,1 10,0 180 145

8 32 0,85 80 285 3,0 3 12,8 12,5 80 295

г"! Г 33 0,97 420 300 ' 2,0 3 13,0 ■ 12,8 420 325

8 24 0,8 336 268 3,0 3 11,0 11,2 336 275

9 16 0,9 1107 805 2,0 3 8,0 7,5 1107 825

10 23 0,82 * О А П 1,5 3 11,2 11,0 12 51

11 19 0,92 300 270 1,5 3 8,5 9,0 300 263

Итого : 4347 3155 3194

Примечание : Вид трелевочного механизма Хз соответствует :

1 ГТ СГЦ

г. - Трсихгир

1,5 - ЛХ трактоо МТЗ-82

2,0 - трактор ЛКТ-81

3,0 - трактор МТЗ-81 + "Муравей"

А: 1 < Хз < 3, при Хз - 1; 1,5; 2; 3 Б: Хв < Х5'-0,2 где Хб - количество деревьев до рубки, шт/га; 0,2- предел снижения полноты.

С 14 ) ( 15 )

На рио.2 показана гистограмма повреждаемости сосновых деревьев

при рубках ухода в Воронежском мехлесхозе %

60 50 40 30 20

□ - фактически 53,3 щ -оптимально

37,8

249

?л

и

щ 2Д 1 >'■'^1

I,

% ' ъ Уз У< й

Рис.2 Гистограмма повреждаемости сосновых деревьев при рубках ухода в Воронежском мехлесхозе

В шестой главе приведены экономические показатели многокритериальной оптимизации рубок ухода и рекомендации лесохозяйственному производству. Оптимизация рубок ухода за счет улучшения качества выхода сортиментов круглого леса составляет 101576,0 руб/га. в ценах декабря 1993 года. Эффективность минимизации повреждений деревьев б виде снижения потерь стволовой древесины при оптимизации рубок промежуточного пользования составляет 1378,8 руб/га.

В заключении сформулированы основные научно - практические результаты диссертации.

В приложении приведены таблицы, графики, результаты компьютерных расчетов, экспериментов, их внедрение в производство.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ .

■ 1. Рубки ухода за лесом представляют собой сложный объект состем-ного анализа. Определен перечень основных исходных таксационных вход-

ных параметров рубок, определены основные изменяемые входные параметры процесса, оптимизация которых снижает частоту и тяжесть повреждений остающихся деревьев и улучшает объемно-качественный выход сортиментов круглого леса.

г. Раэработанны методы получения математических моделей частоты повреждаемости деревьев разной тяжести, выхода сортиментов круглого леса при рубках ухода с использованием исходных таксационных и технологических параметров по каждой лесосеке. Причем число пробных.площадей лесосек должно быть больше количества неизвестных коэффициентов математических моделей.

3. Создан метод многокритериальной оптимизации входных изменяемых параметров рубок ухода с учетом коэффициентов веса каждого критерия и лесоводственных ограничений по предельному снижению полноты и наибольшему допустимому диаметру вырубаемых деревьев.

4. Разработаны вычислительные процедуры, алгоритмы и программы оптимизации входных управляемых параметров рубок ухода на основе использования математического метода итерации.

5. Предложен и обоснован метод определения экономической, лесо-водственно-экологической эффективности компьютерной оптимизации рубок ухода.

6. Полученные в диссертации новые научные результаты расширяют и углубляют математическую теорию рубок ухода за лесом:

- полученные математические модели для сосновых древостоев позволяют, исходя из конкретных таксационных характеристик и принятых входных технологических параметров, определить количество и тяжесть повреждений остающихся деревьев, а также объемно- качественный выход сортиментов круглого леса;

- решать задачи многокритериальной оптимизации выбора типа трактора, количества вырубаемых деревьев и их диаметра;

- метод компьютерной оптимизации рубок ухода позволяетсоэдать математические модели, алгоритмы и программы повышения эффективности рубок промежуточного пользования для других пород и бонитетов лесонасаждений;

- теория экономической оценки эффективности рубок ухода получила новый теоретический подход прямой оценки результатов рубок.

7. Практика рубок ухода за лесом, в частности, практика лесоустройства и предприятий лесного комплекса теперь имеет методы и программные средства компьютеризации рубок ухода за лесом, которые дают воз-

мощность:

- компьютеризировать математическое моделирование рубок ухода, и их оптимизацию, что ставит планирование рубок ухода на современный уровень высоких технологий;

- ревко снизить повреждаемость остающихся деревьев, в том числе по Воронежскому мехлесхозу на «и X .снизить тяжесть повреждений;

'- увеличить выход высокоценных сортиментов круглого леса, в том ■ числе по Воронежскому мехлесхозу, а именно, пиловочных бревен -на 622 , строительных бревен - на 5,32, снизить выход тонкомер-нык бревен на 262,дров - на 3,7 % ;

- получить положительный высокий экономический эффект

за счет улучшения объемно-качественного выхода сортиментов и провысить прибыль в Воронежском мехлесхозе на 101576 руб/га. За счет снижения числа поврежденных деревьев получитьположительный экономический эффект 1378,7 руб/га,. Суммарный эффект ' составил 102954,7 руб/га, а общий экономический эффект за год определен в размере 21826396 рублей..

8.Полученные результаты исследований открывают новые направления

- дальнейшего совершенствования и повышения экономической, лесо-водственно-эколОгической эффективности рубок ухода.В частности, требуют своего решения проблемы компьютерной оптимизации высоких технологий рубок ухода, обеспечивающих снижение воераста технической спелости древостоев и увеличение общего объемного выхода

_ стволовой древесины от рубок промежуточного пользования и рубок главного пользования. Тем самым, в конечном итоге, снижаются по. требности в площадях вырубаемых ледов с одновременным обеспечением потребностей.народного хозяйства в древесине,

Основныес результаты диссертации опубликованы в работах: -1.Гусман Л.А. Задачи математического моделирования минимизации повреждаемости деревьев при рубках ухода// Сборник. Материалы юбилейной научно-практической конференции "Проблемы ресурсосберегающих и Экологически чистых технологий на предприятиях лесного комплекса и подготовка лесоинженерных кадров" посвященной 40-летив лесоинженерного факультета БГЛТА. Воронеж, 1994;

2.Гусман Л.А. Вопросы оптимизации выбора технологии г а состава оборудования лесосечных работ при рубках ухода / Деп. в ВИНИТИ N 553,