Комплексное освоение лесосырьевых баз: обоснование технологий и параметров процессов на основе логистического подхода Соколов Антон Павлович

Содержание к диссертации

Введение

1. Состояние вопроса и задачи исследования 16

1.1. Общие положения 16

1.2. Обоснование параметров процессов лесопользования 19

1.3. Обоснование параметров транспортного процесса ЛЗП 28

1.4. Выводы. Цель и задачи исследования 54

2. Логистическая концепция обоснования технологий и параметров производственных процессов лесозаготовительного предприятия 57

2.1. Лесозаготовительное предприятие как логистическая система.. 57

2.2. Логистические подсистемы ЛЗП 64

2.3. Логистические парадигмы и основные положения логистической концепции обоснования технологий и параметров процессов ЛЗП

2.4. Модели и методы решения задач логистики лесозаготовительного производства 68

2.5. Уровни планирования лесозаготовительного производства 2.6. Особенности основного материального потока в функциональной логистике ЛЗП 75

2.7. Аутсорсинг в ЛЗП 84

2.8. Выводы 85

3. Логистический подход к обоснованию технологий и параметров процессов комплексного освоения лесосырьевых баз 87

3.1. Основные направления реализации логистического подхода 87

3.2. Задачи, решаемые в рамках реализации логистического подхода к обоснованию технологий и параметров процессов комплексного освоения лесосырьевых баз 89

3.3. Методы и средства реализации логистического подхода к обоснованию технологий и параметров процессов комплексного освоения лесосырьевых баз 93

3.4. Выводы 97

4. Обоснование параметров процессов транспортировки деловой древесины 99

4.1. Постановка задачи .9 9

4.2. Методика обоснования параметров процессов транспортировки деловой древесины 1 03

4.3. Применяемые методы и модели 110

4.4. Апробация инструмента для поддержки транспортировки деловой древесины 126

4.5. Выводы 140

5. Обоснование параметров процессов заготовки деловой древесины 142

5.1. Постановка задачи .1 42

5.2. Методика обоснования параметров процессов заготовки деловой древесины

5.3. Программный блок планирования заготовки деловой древесины 150

5.4. Выводы 153

6. Определение доступных для энергетического использования объемов древесной биомассы 154

6.1. Постановка задачи 154

6.2. Методика определения доступных для энергетического использования объемов биомассы на делянках 1 55

6.3. Инструмент для определения доступных для энергетического использования объемов биомассы на делянках 168

6.4. Выводы 174

7. Обоснование параметров процессов заготовки и транспортировки топливной древесины 175

7.1. Постановка задачи 175

7.2. Методика планирования заготовки и транспортировки топливной древесины 178

7.3. Применяемые модели и алгоритмы 187

7.4. Апробация инструмента для поддержки заготовки и транспортировки топливной древесины 211

7.5. Выводы 235

8. Обоснование параметров процессов развития лесной дорожной сети 237

8.1. Постановка задачи .2. 37

8.2. Схема методики обоснования параметров процессов развития сетей ЛАД 240

8.3. Методика размещения сети лесовозных автомобильных дорог.. 242

8.4. Инструмент для поддержки развития лесной дорожной сети 254

8.5. Апробация инструмента для поддержки развития лесной дорожной сети 262

8.6. Выводы 267

Заключение 269

Список литературы

• Обоснование параметров процессов лесопользования
• Логистические парадигмы и основные положения логистической концепции обоснования технологий и параметров процессов ЛЗП
• Методы и средства реализации логистического подхода к обоснованию технологий и параметров процессов комплексного освоения лесосырьевых баз
• Методика определения доступных для энергетического использования объемов биомассы на делянках

Введение к работе

Актуальность темы исследования. Актуальность проблемы обоснования технологий и параметров процессов комплексного освоения лесосырьевых баз значительно выросла в России в последние десятилетия. В первую очередь это связано с ускоренным ростом объемов лесозаготовок, осуществляемых с использованием сортиментной (скандинавской) технологии. Северо-Западный регион занимает ведущее место в использовании этой технологии. С другой стороны, все сильнее растет внимание к возможностям более полного использования ресурсов леса, которые предоставляет лесная биоэнергетика. При прочих равных условиях применение сортиментной технологии и возможности использования низкосортной древесины как топлива заметно усложняет задачу эффективной организации лесозаготовительного производства, ввиду существенного увеличения разнообразия применяемых техники и технологий, а также номенклатуры производимой продукции. Все это приводит к тому, что стандартные схемы организации работ, а в особенности транспортировки продукции, оказываются малоэффективными, а построение действительно эффективных планов функционирования, ввиду сложности задачи, может быть осуществлено только при условии использования современных логистических методов.

В России лесозаготовительные операции обычно разделены на три стадии: лесосечные работы, транспортировка и операции на нижнем складе. Лесозаготовка может осуществляться в трех вариантах: заготовка деревьями, хлыстами или сортиментами. Эти методы отличаются по применяемым технологиям: обрезка сучьев и раскряжевка стволов выполняются либо непосредственно на месте валки, либо на погрузочной площадке у дороги (верхнем складе), либо на нижнем складе. Способы транспортировки древесины зависят от применяемых методов лесосечных работ: древесина с погрузочной площадки транспортируется непосредственно потребителю, или через промежуточные склады или нижние склады. Управление логистикой при использовании традиционного хлыстового метода – достаточно простая задача, так как все заготовленные хлысты транспортируются с делянок на один и тот же нижний склад. Применение сортиментного метода и внедрение процессов производства древесного топлива требует уделять больше внимания логистике, потому что продукция с делянок должна быть поставлена напрямую нескольким потребителям: целлюлозно-бумажным, лесопильным предприятиям, заводам, производящим древесные плиты, котельным, электростанциям, на терминалы или железнодорожные станции. Логистика сортиментов и древесного топлива является сложной задачей, которая не может быть решена в рамках существующих подходов. В России логистические подходы к обоснованию параметров транспортировки сортиментов еще недостаточно хорошо развиты. Программное обеспечение и инструменты, разработанные в странах, располагающих значительным опытом применения сортиментного метода и транспортировки сортиментов (Финляндия и Швеция), не всегда применимы в российских условиях. Причиной этого являются такие факторы, как одновременное использование разных, зачастую сильно отличающихся друг от друга по основным параметрам, технологий и систем машин, преобладающие малоухоженные смешанные леса, сезонная доступность лесных участков, неравномерное распределение лесозаготовительных операций в течение года, специфические требования к нагрузке на ось автопоез-

дов, собственные стандарты на круглую древесину, разные категории дорог, плохое состояние и обслуживание дорог, специфическая организационная структура российских лесозаготовительных компаний, которые имеют транспортные подразделения с собственным автопарком, гаражами и ремонтными мастерскими и т. д. Кроме того, наряду с сортиментной технологией, в России продолжают активно использоваться и хлыстовая технология, и заготовка в деревьях, поэтому необходимо создавать универсальные методики и программные инструменты для обоснования технологий и параметров процессов комплексного освоения лесосы-рьевых баз на основе логистического подхода, позволяющие решать перечисленные задачи на стратегическом, тактическом и оперативном уровнях принятия решений.

Цель работы. Разработать теоретические положения по обоснованию выбора применяемых технологий, а также параметров производственных процессов комплексного освоения лесосырьевых баз, позволяющие повысить эффективность функционирования лесозаготовительных предприятий за счет взаимной интеграции процессов в рамках логистического подхода.

Задачи исследования:

1. Сформулировать основные положения логистической концепции обоснования технологий и параметров производственных процессов комплексного освоения лесосырьевых баз.

2. Разработать логистический подход, представляющий собой совокупность методов, алгоритмов и технологий, позволяющих реализовать сформулированные положения логистической концепции обоснования технологий и параметров производственных процессов комплексного освоения лесосырьевых баз.

3. Выявить ключевые особенности материального потока логистической системы лесозаготовительного предприятия, а также основные варианты его организации.

4. Разработать методику, математические модели, алгоритмы и компьютерные инструменты для осуществления поддержки принятия решений по обоснованию параметров процессов обеспечения транспортной доступности лесных участков путем планирования развития сетей лесных автомобильных дорог.

5. Разработать методику, математические модели, алгоритмы и компьютерные инструменты для осуществления поддержки принятия решений по обоснованию технологий и параметров производственных процессов заготовки деловой древесины.

6. Разработать методику, математические модели, алгоритмы и компьютерные инструменты для осуществления поддержки принятия решений по обоснованию технологий и параметров производственных процессов транспортировки деловой древесины.

7. Разработать методику, алгоритмы и компьютерный инструмент для определения доступных для энергетического использования объемов биомассы на делянках.

8. Разработать методику, математические модели, алгоритмы и компьютерные инструменты для осуществления поддержки принятия решений по обоснованию технологий и параметров производственных процессов заготовки и транспортировки топливной древесины.

Объект исследования: технологические процессы лесосечных работ, транспорта продукции лесозаготовок, первичной переработки древесины, а также комплексы машин и оборудования для их осуществления, сети лесных автомобильных дорог в лесосырьевых базах.

Предмет исследования: научные основы выбора применяемых технологий и определения значений параметров производственных процессов комплексного освоения лесосырьевых баз на всех уровнях принятия решений, математические модели, методики и алгоритмы, необходимые для решения этих задач.

Методы исследования: системный анализ, методы целочисленного и динамического программирования, математического и имитационного моделирования, элементы теории графов, методы пассивного производственного эксперимента, математической статистики и геоинформационных технологий.

Научная новизна работы.

9. Сформулированы основные положения концепции и разработан подход к обоснованию технологий и параметров производственных процессов комплексного освоения лесосырьевых баз, отличающийся применением логистического подхода для повышения технологической эффективности за счет взаимной интеграции элементов производственной системы на принципе единства цели.

10. Разработаны защищенные Роспатентом методика, алгоритмы, математические модели и компьютерная программа для осуществления поддержки принятия решений по обоснованию параметров процессов развития лесной дорожной сети, отличающиеся выполнением оптимизации конструкций отдельных участков лесных дорог с возможностью применения современных геоматериалов и учетом большого числа влияющих факторов, таких как пространственное распределение лесных ресурсов, основные характеристики древостоев, местоположение перспективных для назначения в рубку лесных участков, пространственное распределение различных типов грунтов, расположение рек, озер и болот, рельеф, особо охраняемые территории, расположение, доступность, характеристики источников строительных материалов (карьеров), имеющаяся сеть дорог и ее состояние.

11. Предложены методика, алгоритм и математические модели для осуществления поддержки принятия решений по обоснованию параметров процессов заготовки деловой древесины, отличающиеся применением методов математического программирования для формирования эффективных планов освоения лесо-сырьевых баз с детальным учетом характеристик имеющихся производственных мощностей на заготовке, а также природно-производственных факторов, включая ярко выраженную сезонность работ.

12. Разработаны методика, алгоритмы и математические модели для осуществления поддержки принятия решений по обоснованию параметров процессов транспортировки деловой древесины, отличающиеся детальным моделированием природно-производственной среды, учетом индивидуальных особенностей и характеристик применяемых машин и оборудования, возможностей использования мультимодальных перевозок, применения схемы перевозочного процесса «один ко многим» с возможностью решения практических задач на стратегическом, тактическом и оперативном уровнях.

13. Разработаны защищенные Роспатентом методика, алгоритм и компьютерная программа для определения доступных для энергетического использования объемов биомассы на делянках, базирующиеся на ГИС-технологиях и отличаю-

щиеся учетом нормативных, экологических и технологических ограничений на изъятие из леса лесосечных отходов в конкретных условиях лесных выделов или делянок.

6. Предложены методика, алгоритмы и математические модели для осуществления поддержки принятия решений по обоснованию параметров процессов заготовки и транспортировки топливной древесины, отличающиеся применением методов имитационного моделирования и математического программирования для формирования эффективных планов комплексного освоения лесосырьевых баз при условии обеспечения тесной координации заготовки и транспортировки топливной древесины с заготовкой и транспортировкой деловой древесины с детальным учетом индивидуальных особенностей и характеристик применяемых машин и оборудования в рамках ряда альтернативных вариантов технологий.

7. Разработана защищенная Роспатентом компьютерная программа для поддержки принятия решений в отношении организации процессов заготовки и транспортировки деловой и топливной древесины, отличающаяся интегрированным использованием предложенных методов, алгоритмов и моделей.

Положения, выносимые на защиту.

1. Логистический подход, представляющий собой совокупность методов, алгоритмов и технологий, позволяющих реализовать сформулированные положения логистической концепции обоснования технологий и параметров производственных процессов комплексного освоения лесосырьевых баз.

2. Ключевые особенности материального потока логистической системы лесозаготовительного предприятия, а также основные варианты его организации.

3. Методика, математические модели, алгоритмы и компьютерные инструменты для осуществления поддержки принятия решений по обоснованию параметров процессов обеспечения транспортной доступности лесных участков путем планирования развития сетей лесных автомобильных дорог.

4. Методика, математические модели, алгоритмы и компьютерные инструменты для осуществления поддержки принятия решений по обоснованию технологий и параметров производственных процессов заготовки деловой древесины.

5. Методика, математические модели, алгоритмы и компьютерные инструменты для осуществления поддержки принятия решений по обоснованию технологий и параметров производственных процессов транспортировки деловой древесины.

6. Методика, алгоритмы и компьютерный инструмент для определения доступных для энергетического использования объемов биомассы на делянках.

7. Методика, математические модели, алгоритмы и компьютерные инструменты для осуществления поддержки принятия решений по обоснованию технологий и параметров производственных процессов заготовки и транспортировки топливной древесины.

Теоретическая значимость работы заключается в разработке логистического подхода, базирующегося на применении комплекса математических моделей, методик и алгоритмов, которые позволяют совместно решать задачи обоснования выбора технологий и рациональных значений параметров процессов обеспечения транспортной доступности лесных участков, производственных процессов заготовки и транспортировки, как деловой, так и топливной древесины на всех уровнях принятия решений.

Практическая значимость работы состоит в том, что созданный комплекс компьютерных инструментов логистической поддержки лесозаготовительного производства, в котором реализованы разработанные методики, модели и алгоритмы, позволяет в практической деятельности лесозаготовительных предприятий осуществлять содействие принятию решений по выбору применяемых технологий, машин и оборудования, обоснованию их числа, характеристик, формированию планов работы на стратегическом, тактическом и оперативном уровне с тем, чтобы обеспечить эффективное функционирование производства за счет взаимной интеграции производственных процессов в рамках логистического подхода.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности.

Диссертационная работа соответствует пункту 6 «Выбор технологий, оптимизация параметров процессов с учетом воздействия на смежные производственные процессы и окружающую среду» и пункту 15 «Обоснование схем транспортного освоения лесосырьевых баз, поставки лесопродукции, выбора техники и способов строительства лесовозных дорог и инженерных сооружений» паспорта специальности 05.21.01 – «Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства».

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается адекватностью разработанных математических моделей, применением в диссертационной работе актуальных на сегодняшний день и прошедших практическую проверку теоретических подходов, использующих научные методы исследования операций, математического и имитационного моделирования, теории графов, логистического анализа.

Реализация результатов работы.

Результаты, полученные в ходе работы, были внедрены в производство лесо
заготовительных компаний ООО «Мется Форест Подпорожье», ОАО «Ладэнсо» и
ОАО «Олонецлес». Кроме того, результаты внедрены в учебный процесс ФГБОУ
ВПО «Петрозаводский государственный университет» и применяются студентами
направлений подготовки 250400.62, 270800.62, 151000.62, 190600.62 при изучении
дисциплин «Моделирование и управление производственными процессами» и
«Географические информационные системы». Результаты научно-

исследовательской работы были использованы при выполнении:

8. Международного научного проекта под эгидой Академии наук Финляндии «Интенсификация лесопользования и совершенствование лесозаготовок на Северо-Западе России», 2004-2007 г.

9. Международного научного проекта TACIS «Сравнение методов лесозаготовок – влияние технологий на качество древесины, производительность труда и себестоимость продукции в лесозаготовительных компаниях», 2006-2008 г.

10. Международного научного проекта TEKES «Лесозаготовки и логистика в России – в фокусе возможности бизнеса и исследования», 2008-2011 г.

11. Научно-исследовательской работы «Создание инфраструктуры лесных дорог и управление системами транспортировки древесины для лесопромышленного комплекса и биоэнергетики», выполненной по гранту Федерального агентства по науке и инновациям в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России», 2009-2010 г.

12. Научно-исследовательской работы «Система поддержки принятия решений по стимулированию рационального использования древесной биомассы и

отходов лесозаготовок в биоэнергетике», выполненной по гранту Министерства образования и науки РФ в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России», 2011-2012 г.

6. Научно-исследовательской темы «Технико-экономическая и эколого-социальная оценка перспективности заготовки древесной биомассы для нужд местной энергетики с использованием логистического подхода и ГИС-технологий», выполненной по государственному заданию Министерства образования и науки РФ, 2012-2013 г.

7. Международного проекта «Новые трансграничные решения в области интенсификации ведения лесного хозяйства и повышения степени использования топливной древесины в энергетике», выполненного в соответствии с Программой приграничного сотрудничества в рамках Европейского инструмента соседства и партнёрства «Карелия», 2012-2014 г.

Апробация. Результаты, изложенные в диссертационной работе, докладывались на: Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы лесного комплекса» (Брянск, 2008 г.); The Nordic-Baltic Conference on Forest Operations (Copenhagen September 23-25, 2008); 43th International Symposium on Forestry Mechanisation (FORMEC) (July 11-14, Padova, Italy, 2010); OSCAR conference (October 20-22, Honne, Norway, 2010); Международной научно-технической конференции «Опыт лесопользования в условиях Северо-Запада РФ и Фенноскандии» (Петрозаводск, 2011 г.); 44th International Symposium on Forestry Mechanisation (FORMEC) (October 9-13, Graz, Austria, 2011); Международной научно-практической конференции «Инновации и технологии в лесном хозяйстве» (22-23 марта 2011 г., Санкт-Петербург, ФГУ «СПбНИИЛХ»); X Международной научно-технической конференции «Новые технологии в целлюлозно-бумажной промышленности и энергетике» (Петрозаводск, 2012 г.); Научно-технической конференции «Наука и образование для лесопромышленного комплекса России» (30 января - 02 февраля 2012 г., Мытищи, МГУЛ); 4th International Conference on Applied Mechanics and Mechanical Engineering (ICAMME 2013) (October 11-12, 2013, Singapore); International Symposium on Forestry Mechanisation (FORMEC) (September 29 - October 2, Stralsund, Germany, 2013); 3rd International Conference on Energy and Environmental Protection (ICEEP 2014) (April 26-27, Xi'An, China, 2014); IV Международной научно-практической конференции «Инновации и технологии в лесном хозяйстве» ITF-2014 (27-28 мая 2014 г. в ФБУ «СПбНИИЛХ»); 14th international multidisciplinary scientific geoconference (SGEM 2014) (June 17-26, Albena, Bulgary, 2014).

Публикации. Результаты исследования изложены в 55 научных работах, в том числе 5 статей в научных журналах, индексируемых в базе данных Scopus, 23 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ, 5 свидетельств о регистрации программ для ЭВМ, 3 монографии.

Обоснование параметров процессов лесопользования

Процессы лесопользования включают в себя выполнение всех работ, связанных с ведением лесного хозяйства и лесозаготовками на данной территории. Применительно к российским условиям, как правило, эта территория - арендованный участок лесного фонда [7]. К таким работам относятся уход за лесом (включая рубки ухода), выборочные и сплошные рубки, мероприятия по лесовосста-новлению (подготовка почвы, посев, посадки) и т. д. [44]. Отдельная группа процессов - это процессы планирования, строительства и содержания лесных дорог, которая в целом носит вспомогательный характер, но при этом очень важна и обязательна для выполнения [120, 177].

Основной задачей в данном случае следует считать определение сроков выполнения различных видов работ (здесь чаще всего речь идет о рубках) на каждой отдельной лесосеке (делянке) с тем, чтобы удовлетворить все запросы потребителей с наименьшими затратами и при выполнении всех ограничений, связанных с обеспечением условия неистощительного лесопользования [90]. При этом критическим ограничением на выполнение работ на делянках является их транспортная доступность. Проведение большой части видов работ возможно только при наличии условий для проезда к лесосеке, что значительно усложняет задачу. При отсутствии дороги к лесосеке возможны две альтернативы: либо необходимо запланировать строительство нового участка дороги, либо изменить сроки выполнения работ [177]. Оптимальные сроки рубок могут быть определены по таблицам хода роста или с использованием математических моделей и компьютерных программ-симуляторов развития древостоев [247, 215, 194, 263]. Однако отсутствие дорог приводит к тому, что оптимальное с учетом затрат на строительство дорог решение оказывается связанным со смещением времени проведения работ на отдельных делянках на более ранние или поздние сроки относительно оптимальных моментов по показателям продуктивности древостоев. На сегодняшний день все подходы к решению описанной задачи обоснования параметров процессов лесопользования могут быть разделены на две группы: «однофазные» и «двухфазные».

Первую группу составляют подходы, в которых планирование заготовки и дорожного строительства осуществляется одновременно путем решения одной оптимизационной задачи («однофазные»). В этом случае задача получается более сложной и трудной для решения, но вместе с тем дает результаты более близкие к оптимальным. Пример методики планирования заготовки и строительства дорог как единой оптимизационной задачи можно найти в работах [189, 242].

Во вторую группу включаются подходы, в которых подзадача определения оптимального размещения дорожной сети в лесосырьевой базе и подзадача календарного планирования заготовки ставятся и решаются отдельно друг от друга и последовательно. Назовем эту группу подходов «двухфазными». Здесь, при решении первой подзадачи учитывается пространственное размещение древостоев, а при решении второй - полученный план транспортного освоения. Т. е., другими словами, из рассмотрения исключаются делянки, недоступные в заданном периоде по транспортному критерию.

При использовании «двухфазного» подхода более сложной является первая подзадача - оптимальное размещение дорог в лесосырьевой базе. В различное время был предложен ряд разнообразных методов ее решения. Сначала использовались простейшие аналитические модели на основе усредненных характеристик лесосырьевых баз [32, 58, 59]. Следующую группу составляют разнообразные методы размещения сети дорог на заданном множестве точек, базирующиеся на линейном, нелинейном или целочисленном программировании [20, 19, 56, 159]. Эти методы хорошо зарекомендовали себя, т. к. они позволяют учитывать особенности лесосырьевой базы в каждой из рассматриваемых точек, особенности условий строительства дорог для каждого конкретного участка (от точки до точки) [122, 175], а также дают возможность работать с лесосырьевыми базами неправильной формы. Благодаря этому данные методы широко применяются и в настоящее время. Однако методы с фиксированными точками не позволяют в ходе оптимизации изменять положение развилок (перекрестков). Для устранения этого недостатка в работе [14] предлагается итеративный метод оптимизации координат развилок. Методика, основанная на динамическом программировании, дополняет этот подход возможностью учета фактора времени [18]. И, наконец, еще одна группа методов размещения сетей лесных дорог использует схемы решения задачи Штей-нера на графах со свободно размещаемыми развилками [16, 17, 75-78, 243].

Вторая подзадача, решаемая в рамках «двухфазного» подхода - это задача определения очередности выполнения работ на делянках при заданной дорожной сети. Существует несколько вариантов формулировки этой задачи. В большинстве случаев они решаются с помощью методов целочисленного программирования, а при оперативном планировании иногда и с помощью комбинации целочисленного программирования и эвристических методов [200, 240, 241].

«Однофазный» подход, как правило, используется для решения задач на стратегическом уровне планирования (с горизонтом планирования более года), тогда как «двухфазный» применяется как на стратегическом, так и на тактическом (с горизонтом планирования менее года) уровнях.

Отдельную группу задач составляют задачи ремонта и реконструкции дорог, подход к решению которых предложен, например, в работах [219, 233].

Постановку задачи обоснования параметров лесопользования на стратегическом уровне рассмотрим на примере подхода, разработанного авторами работы [189]. В данном подходе определение параметров процессов заготовки, строительства и реконструкции дорог выполняется одновременно путем решения единой оптимизационной задачи, т. е. подход является «однофазным».

Постановка задачи следующая. Пусть имеется лесосырьевая база, разделенная на отдельные участки - делянки. Каждой делянке соответствует древостой с определенными параметрами: запасом, породным составом, возрастом, почвен ными условиями и т. д. Известен список делянок, которые могут быть назначены в рубку посезонно в пределах горизонта планирования. Для определения состояния древостоев на делянках в любой момент времени используются модели роста, заложенные в компьютерную программу-симулятор развития древостоев такую, как, например, MOTTI [194, 215, 247, 263]. Вся производимая на делянках продукция делится на три группы: экспортные круглые лесоматериалы, пиловочник и баланс для отечественного рынка. В действительности видов продукции, отличающихся по размерам по породе и по качеству, бывает больше, однако, по мнению авторов методики, на данном уровне планирования достаточно именно такого разделения. Это позволяет значительно упростить решение задачи.

Для осуществления заготовки на определенной делянке необходимо наличие дороги, по которой можно подъехать к соответствующей погрузочной площадке. Часть делянок примыкает к уже существующим дорогам, но есть и такие, для доступа к которым необходимо строить новые участки дорог. Кроме наличия или отсутствия дорог, принимаются во внимание их конструктивные особенности. Все дороги делятся на два класса: дороги круглогодичного действия и зимние дороги. Строительство дорог круглогодичного действия требует намного больших затрат, чем строительство зимних дорог.

Заготовленная в зимнее время древесина (частично) может быть доставлена по зимним дорогам до промежуточных терминалов для временного хранения и дальнейшей транспортировки потребителю в летнее время, когда производственные ресурсы обычно бывают более свободными. Хранение древесины на терминалах с предыдущей зимы до следующей не допускается во избежание потери качества. Кроме того, дорожное строительство должно выполняться по возможности равномерно в пределах планового периода и быть запланированным так, чтобы дорога была уже готова к началу заготовки на конкретной делянке. Дорожное строительство может выполняться только в летний период.

Логистические парадигмы и основные положения логистической концепции обоснования технологий и параметров процессов ЛЗП

Функциональная логистика ЛЗП включает в себя заготовительную, производственную и распределительную логистики, и ее основная задача заключается в синхронизации и взаимной увязке выполнения логистических функций, соответствующих этим трем частям одного целого. Вследствие сложности общей проблемы, вызванной большим ассортиментом производимой продукции, огромным числом вариантов организации основного материального потока, значительным количеством реальных и потенциальных потребителей и т. д., в большинстве случаев становится необходимой декомпозиция задач логистики ЛЗП. Кроме этого, ключевое значение имеет интеграция процессов принятия решений на стратегическом, тактическом и оперативном уровнях [209, 218].

Стратегические решения накладывают ограничения на процессы тактического планирования, а принятые тактические решения в свою очередь ограничивают оперативное планирование. Планирование в лесной промышленности является особо сложной задачей, т. к. горизонт стратегического планирования в лесном хозяйстве может превышать 100 лет, а оперативные решения, например, в процессе срезания дерева пильной цепью или раскряжевки могут приниматься за доли секунды.

Стратегическое или долгосрочное планирование в лесозаготовительной промышленности охватывает очень большие промежутки времени. Например, оборот рубки может составлять 80 лет и более, поэтому планировать лесохозяйственные воздействия, рубки, а также связанные с ними работы по строительству и содержанию сети дорог, покупку и использование машин и оборудования, прогнозирование спроса и изменения состава и предпочтений потребителей и т. п. необходимо на такие же длительные периоды.

Выбранный подход к долгосрочному планированию будет иметь большое влияние на все решения по инвестированию средств. Выбор применяемой технологии определит типы используемых машин, размеры делянок, технологию их разработки, требования к дорожной сети и погрузочным площадкам, системам измерения и учета, максимальным расстояниям перевозки и т. д. Стратегическое планирование должно учитывать не только требования микро-логистики, но от него зависит и эффективность логистики на макроуровне. Это означает, что необходимо согласование важнейших стратегических решений всеми участниками логистической цепи внутри лесного комплекса, а в некоторых случаях и за его пределами.

Следующим после стратегического уровнем в иерархии логистического управления является тактический или среднесрочный уровень. При решении ле-сохозяйственных задач, переход от стратегического к тактическому уровню можно охарактеризовать тем, что на тактическом уровне все решения принимаются уже с полным учетом текущей пространственной структуры производства (т. е. взаимного пространственного расположения лесных участков, делянок, складов, потребителей и т. д., а также транспортной сети их связывающей). Тактические планы в лесном хозяйстве обычно составляются на период до пяти лет и пересматриваются ежегодно.

При решении производственных задач, а также задач распределения на тактическом уровне определяются производственные подразделения, ресурсы, потребители, другие объекты и субъекты, которые будут участвовать в обеспечении движения основного материального потока. Кроме того, оценивается время производственного цикла (цикла поставки), определяется размер партии и методы учета и контроля. На этом уровне выполняется решение задач по общему анализу материальных потоков. Тактическое планирование представляет собой мост между обобщенным стратегическим и детальным оперативным уровнями, и должно обеспечивать соответствие оперативного планирования директивам, принятым на стратегическом уровне, несмотря на то, что горизонт планирования здесь намного меньше. Эффективность распределения во многом зависит от принятого способа доставки, выбор которого также задача тактического уровня. Например, планирование водного или железнодорожного транспорта достаточно сильно отличается от планирования автомобильных перевозок.

Еще одной особенностью лесозаготовительного производства, которая обязательно учитывается именно на тактическом уровне, является ярко выраженная сезонность выполняемых работ. Основной причиной сезонности является транспортная недоступность большой доли лесных территорий в период межсезонья вследствие плохого состояния дорог и значительного снижения несущей способности грунтов непосредственно на лесных участках. Кроме того, имеются такие территории, на которых производить лесозаготовительные работы возможно только в зимний период. Поэтому, как правило, пик объемов лесозаготовок приходится на зимний период, а наибольший спад (вплоть до полной остановки лесозаготовок) - на весенний.

Кроме того, важной задачей, решаемой на тактическом уровне, является задача определения параметров бюджета ЛЗП. Как правило, компании составляют годовой бюджет на основании определяемых на тактическом уровне видах продукции и их объемов, которые планируются к поставке потребителям в текущем году.

Третий уровень логистического управления - это уровень оперативного или краткосрочного планирования. Оперативное планирование непосредственно предшествует выполнению логистических операций и должно однозначно и полностью определять их содержание. Поэтому на этом уровне должна быть в наличии точная и полная информация о текущем состоянии всех объектов и субъектов, участвующих в производственном процессе. Точное распределение операций во времени имеет критическое значение. В большинстве случаев для эффективного выполнения функций недостаточно знать неделю или месяц, в которых выполняются работы, временной период должен быть уточнен до уровней отдельных дней и часов. Функция оперативного планирования, как правило, распределяется между различными подразделениями или организационными единицами на предприятиях, в связи с огромным количеством данных и другой информации, которые должны обрабатываться на этом уровне.

В связи с особенностями лесозаготовительного производства, о которых речь пойдет чуть ниже, управление объемами производства отдельных видов продукции весьма ограничено. Поэтому при планировании заготовки на определенном участке очень важно найти потребителей для всех видов продукции (включая дровяную древесину, а, желательно, и отходы и пни), распределение которых по объему будет индивидуальным на каждой конкретной делянке.

Другой очень важный тип задач оперативного уровня связан с организацией перевозок, а именно с определением сменных заданий для отдельных транспортных единиц с оптимизацией используемых маршрутов движения между делянками, потребителями, терминалами, гаражами, станциями и т. д.

Методы и средства реализации логистического подхода к обоснованию технологий и параметров процессов комплексного освоения лесосырьевых баз

Если по результатам приращения заготовленных объемов, оказывается, что VT,J vP,j =0 для всех / иу, это означает, что заготовка на делянке завершена. В этом

случае делянка переходит в неактивное состояние, а соответствующий комплекс переводится на следующую делянку, сообразно заданной последовательности переходов. При этом следующая делянка переводится в активное состояние начиная с даты, следующей за датой окончания предыдущей делянки плюс число дней, потребное для перебазирования комплекса машин. Даты окончания заготовки на делянке и начала следующей фиксируются и выводятся в качестве плана работы лесозаготовительных комплексов.

Имитационное моделирование процесса транспортировки осуществляется в ходе решения задачи генерации транспортного плана для транспортировки лесоматериалов.

Для составления транспортного плана в числе прочего необходимо знать время движения от одного объекта хозяйствования до другого (например, от гаража до делянки, от делянки до потребителя и т. д.) [15, 21, 153]. Время движения будет зависеть от расстояния и средней скорости движения, которая в свою очередь зависит от типа и состояния дороги. Часто существует несколько вариантов движения по графу от исходной точки до конечной. Оптимизационная модель поиска маршрутов перевозки позволяет найти такой вариант маршрута, который бы соответствовал минимальным затратам на перевозку.

Для функционирования алгоритма должны быть заданы средние затраты на перевозку 1 куб. м. по дорогам каждого типа. Пользователь должен задать затраты для автомобильных дорог с покрытием и для железных дорог. Затраты при движении по автомобильным дорогам других типов определяются программой автоматически в зависимости от средних скоростей движения по каждой из них: где S – средняя скорость движения по дорогам i-того типа; Sc – средняя скорость движения по дорогам с покрытием; CTc – средние затраты на перевозку 1 куб. м. по дорогам с покрытием.

Кроме того, должны быть учтены перевалочные издержки на железнодорожных станциях, которые суммируются с другими транспортными издержками.

Задача отыскания оптимального маршрута движения ставится как оптимизационная. В результате ее решения должен определяться список дуг графа дорожной сети, соответствующий наименьшим затратам на транспортировку лесомате 119 риалов из любого заданного начального узла графа к любому заданному конечному.

Существует несколько подходов к определению оптимальных маршрутов на графе. Одним из самых простых и точных является алгоритм Дейкстры (Dijkstra) [37, 212].

Алгоритм использует три массива из N чисел в каждом. N равняется числу узлов графа. Первый массив S содержит метки, принимающие два значения: 0, если узел еще не рассмотрен, и 1, если узел рассмотрен. Второй массив B содержит текущие кратчайшие расстояния от исходной точки до соответствующего узла. Третий массив C содержит номера вершин – k-ый элемент массива С(k) есть номер предпоследней вершины на текущем кратчайшем пути из начальной точки до узла с номером k.

Большим преимуществом данного алгоритма является то, что в результате его работы всегда будет найден абсолютный оптимум.

Однако предпринятая попытка реализации этого алгоритма показала, что он хорошо работает только при небольшом количестве узлов в графе. При росте числа узлов катастрофически увеличивается время поиска решения, т. к. для каждой новой точки маршрута всегда проверяются все варианты движения из нее (все узлы графа), в том числе и заведомо бесперспективные. Поэтому время работы алгоритма оказывается пропорциональным величине N2, где N – число узлов графа.

С другой стороны, учитывая то, что для составления плана требуется определение всех маршрутов от каждого объекта хозяйствования до каждого (за некоторыми небольшими исключениями), использование алгоритма Дейкстры для определения оптимальных маршрутов в целом оказывается эффективным, т. к. при рассмотрении всех узлов графа за один раз определяется не один маршрут, а все от начальной точки до всех остальных.

С целью сокращения времени поиска в случае, когда необходимо найти только один конкретный маршрут, был разработан эвристический алгоритм, позволяющий не проводить проверку всех узлов на каждом шаге [37]. Теоретические основы организации подобных алгоритмов рассматриваются в работах [231, 238, 266]. Алгоритм использует четыре массива из N чисел в каждом. Как и в алгоритме Дейкстры, N равняется числу узлов графа. Массивы B и C имеют тот же смысл, что и таким же образом обозначенные массивы в алгоритме Дейкстры.

В отличие от алгоритма Дейкстры, элементы массива S могут принимать три значения: 0, если узел еще не рассмотрен, 1, если узел включен в список рассмотрения и 2, если узел уже рассмотрен. Кроме того, алгоритм использует еще один дополнительный массив H, который содержит эвристические оценки затрат на транспортировку одного куб. м. лесоматериалов от проверяемого узла до конечной точки маршрута, определяемые по методу Манхеттена как затраты на перемещение лесоматериалов из данной точки до конечной по гипотетической дороге, составленной из двух взаимно перпендикулярных прямых, одна из которых расположена вдоль параллели, вторая – вдоль меридиана. При этом в случае автомобильных дорог предполагается движение по дорогам с покрытием, т. к. в подавляющем большинстве случаев доля таких дорог в маршруте больше 70%. Метод Манхеттена предотвращает недооценку оставшегося расстояния, что является здесь важным.

Благодаря тому, что в каждом цикле этого алгоритма проверяются только несколько узлов, ближайших к рассматриваемому, время его работы уже не зависит от общего числа узлов. Оно зависит от расстояния между исходной и конечной точками маршрута, измеряемого в дугах, а также от степени разветвленности графа.

Недостатком является отсутствие стопроцентной гарантии нахождения абсолютного оптимума. Однако значительные ошибки появляются только в случаях с графами сложной хаотической структуры (когда форма и направление каждой дуги не зависят от формы и направления соседних дуг). При описании дорожной сети дуги не располагаются хаотически, а представляют собой дороги, которые всегда имеют определенное направление. Поэтому применение данного алгоритма для решения задачи отыскания оптимальных маршрутов в рассматриваемом случае было признано оправданным.

Методика определения доступных для энергетического использования объемов биомассы на делянках

Характеристики комплексов машин на производстве топлива – элемент, функциями которого являются ввод и хранение информации о составе машин и оборудования, входящих в комплексы по заготовке и транспортировке топливной древесины, и их производительности (фактор «Производственные мощности» с рисунка 7.1).

Потребная влажность топлива – элемент, позволяющий при необходимости задавать максимальный уровень влажности древесного топлива, при котором осуществляется его приемка потребителями, тем самым управляя процессами сушки биомассы на делянках, погрузочных площадках и терминалах. Этот элемент относится к фактору «Потребители» с рисунка 7.1.

Потребители топливной древесины – элемент блока «Исходные данные», предназначенный для ввода и хранения информации о потребителях топливной древесины, в которую входят местоположение потребителя, виды потребляемого топлива, а также помесячные планы потребления. Для реализации этой функции потребовалось расширение подсистемы инструментов для поддержки заготовки и транспортировки деловой древесины, позволяющей осуществлять ввод и хранение информации о потребителях (фактор «Потребители» с рисунка 7.1).

Расчет объемов биомассы – элемент блока «Имитационное моделирование», предназначенный для определения точных объемов биомассы на каждой делянке в любой момент расчетного периода. Объемы корректируются по всем делянкам один раз в модельные сутки. Увеличение объемов связано с работой заготовительных комплексов и зависит от заданного выхода биомассы. Уменьшение объемов связано либо с работой имитационной модели транспортировки, либо с имитационным моделированием процессов первичной переработки биомассы в соответствии с заданными производительно-стями используемых машин и оборудования.

Расчет влажности – элемент блока «Имитационное моделирование», предназначенный для оценки влажности биомассы на каждой делянке в любой момент расчетного периода. Влажность корректируется по всем делянкам один раз в модельные сутки в соответствии с моделью сушки, учитывающей сезон года и время сушки.

Расчет энергетического потенциала – элемент необходимый в связи с тем, что, как правило, потребители обращают внимание не только на количество поставляемого топлива, но и на его качество, которое определяет количество энергии, получаемое из единицы массы или объема, и из этих соображений производят расчет с поставщиками. Модель расчета энергетического потенциала древесного топлива должна учитывать параметры источников биомассы: тип, породу, влажность.

Имитационное моделирование первичной переработки и транспортировки топлива – здесь подразумевается выполнение имитационной модели работы машин и оборудования по первичной переработке и транспортировке топлива, которое осуществляется в соответствии с планами, генерируемыми оптимизационными подсистемами, речь о которых пойдет чуть ниже. При этом под первичной переработкой подразумевается производство топливной щепы из лесосечных отходов, тонкомера или дровяной древесины, а также пакетирование отходов с помощью специальных машин – пакетировщиков. Под транспортировкой понимается вывозка щепы или насыпных лесосечных отходов специальным транспортом. Транспортировка дровяной древесины и пакетов лесосечных отходов моделируется в соответствующих блоках инструмента для поддержки транспортировки деловой древесины, т. к. она осуществляется обычными автомобилями-сортиментовозами, имитационное моделирование работы которых уже реализовано в этой системе. Работа машин имитируется с учетом их состава, производительности, расстояний и времени транспортировки и т. д., а также с учетом наличия в рассматриваемой технологии горячих цепочек. Перемещение машин с делянки на делянку осуществляется в этой модели в соответствии с планом заготовки.

Оптимизация планов работы комплексов машин на производстве топлива – оптимизационная модель, составляющая основу этого элемента методики, должна обеспечивать определение оптимального порядка освоения делянок для каждого из имеющихся комплексов машин на заготовке топливной древесины, а также оптимального состава этих комплексов на каждой делянке. Тут существует целый ряд ограничений. Во-первых, делянка не может быть подвергнута заготовке топливной древесины до того, как будут полностью завершены заготовка и транспортировка деловой древесины. Исключение составляет случай с использованием в качестве источника биомассы только дровяной древесины. Кроме того, если задано ограничение по влажности сырья или топлива, заготовка может начаться только после того, как биомасса достаточно высохнет. Момент времени окончания транспортировки деловой древесины и момент времени окончания сушки определяются для каждой делянки в ходе имитационного моделирования и заранее неизвестны. Таким образом, задача сводится к выбору для каждого комплекса машин следующей делянки из числа тех, где к достигнутому моменту модельного времени уже выполняются условия по завершению заготовки деловой древесины и завершению сушки. Выбор следующей делянки осуществляется в момент завершения комплексом работ на предыдущей делянке. При этом, кроме названных ограничений, учитываются результаты работы элемента методики «Оптимизация поставок», которые заключаются в привязке к каждой делянке оптимального потребителя с целью минимизации транспортных расходов. Оптимальный состав комплексов машин на заготовке топливной древесины зависит от времени движения автомобиля с рассматриваемой делянки до оптимального потребителя. Состав может изменяться путем включения или исключения из работы автомобилей на транспортировке топливной древесины в случае, если имеется несколько таких автомобилей. Оптимальным будет такое количество автомобилей, которое обеспечивает максимальную загрузку рубительной машины при минимальном времени ожидания автомобилей в очереди на погрузку.