Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Анализ проблемы и задачи исследования 18
1.1. Анализ предметной области 18
1.2. Актуальность проблематики исследования 23
1.3. Структура и состав информационно-управляющих систем 27
1.4. Анализ методов дистанционного сбора данных и пространственного моделирования параметров лесосек 28
1.5. Цель и задачи исследования 34
ГЛАВА 2 Разработка единой информационно-управляющей системы лесозаготовительного предприятия 37
2.1. Систематизация подходов к проектированию структуры единой информационно-управляющей системы предприятия 37
2.2. Обоснование критериев эффективности операций лесосечных работ и ЛЗМ их реализующих 45
2.3. Модели оценки эффективности лесосечных операций и ЛЗМ 55
2.3.1. Формализация лесосечных операций и параметров ЛЗМ 57
2.3.2. Формализация ограничений на структуру и параметры лесосечных операций ЛЗМ
2.4. Синтез технологических процессов лесосечных работ 69
2.5. Структура единой информационно-управляющей системы 72
Выводы по 2-ой главе 76
ГЛАВА 3 Исследование параметров лесосеки методом моделирования 77
3.1. Структура и состояние лесного фонда 78
3.2. Геоинформационная модель лесосеки и рельефа местности 87
3.3. Математическая модель параметров лесосеки и ее элементов 100
3.4. Математическая модель параметров деревьев и их геокодирование в локальной системе координат лесосеки 116
3.5. Синтез микронеровностей рельефа лесосек 119
3.6. Интеграция в ЕИУС математических и геоинформационных моделей лесосек и ее элементов 126
Выводы по 3-й главе 130
ГЛАВА 4 Исследование операций и систем управления движением лесозаготовительных машин 132
4.1. Формирование виртуальной среды планирования
технологических операций лесосечных работ 132
4.2. Алгоритм трассировки маршрута ЛЗМ 139
4.3. Имитационные модели ЛЗМ и исполнительного оборудования 152
4.4. Алгоритм автоматизации управления исполнительным оборудованием ЛЗМ 157
4.5. Реконструкция существующих систем автоматизации управления движением машин и оборудованием 164
4.6. Способ учета и клеймения заготовленной продукции устройствами ЛЗМ 184
Выводы по 4-ой главе 188
ГЛАВА 5 Технические приложения результатов исследований 191
5.1. Способы лесопользования, ЛЗМ и оборудование 191
5.1.1. ЛЗМ с движителем гусеничного типа 192
5.1.2. Установка с движителем воздухоплавающего типа 198
5.1.3. ЛЗМ с движителем шагающего типа 205
5.2. Средства учета и клеймения заготовленной продукции устройством ЛЗМ 210
Выводы по 5-ой главе 216
ГЛАВА 6 Комплексная экономическая оценка эффективности технологий лесосечных работ 218
6.1. Оценка энергоэффективности лесосечных операций и ЛЗМ 218
6.2. Оценка затрат времени на исполнение элементов процессов 221
6.3. Оценка вреда наносимого лесной среде при выполнении технологических операций 224
6.4. Алгоритм математической модели комплексной оценки эффективности ЛЗМ и их программная реализация 229
6.5. Экономическая комплексная оценка эффективности лесосечных технологий и ЛЗМ 239 Выводы по 6-ой главе 243
Заключение 245
Список использованных источников
- Анализ методов дистанционного сбора данных и пространственного моделирования параметров лесосек
- Обоснование критериев эффективности операций лесосечных работ и ЛЗМ их реализующих
- Математическая модель параметров деревьев и их геокодирование в локальной системе координат лесосеки
- Реконструкция существующих систем автоматизации управления движением машин и оборудованием
Введение к работе
Актуальность исследований. Государственная политика направленная на интенсификацию лесопользования и возрастающие экологические приоритеты, определяемые стратегиями развития отрасли, требуют рационального использования лесных ресурсов, экономии затрат энергии и сохранения окружающей среды при выполнении заготовки и первичной переработки древесины. Этому способствует развитие машин и технологий лесопользования, которое невозможно реализовать без адекватной и объективной оценки лесных ресурсов, информатизации производственных процессов и комплексной автоматизации операций ресурсосберегающими методами, щадящими лесную среду и биологическое разнообразие лесных угодий. Одной из основных причин сдерживающих развитие лесозаготовок является человеческий фактор, выражающийся в плохой организации труда и несоблюдении правил ведения рубок операторами лесозаготовительных машин (ЛЗМ). При этом, недостаточная компетентность и низкая производственная культура операторов машин, их информационная перегрузка неопределенностями реальных лесосек, являются основным источником производственных рисков, травм и гибели работников, поломок и аварий ЛЗМ, непланируемых простоев и неэффективного использования технических и технологических возможностей техники. Поэтому в сравнении с человеком-оператором бесспорны преимущества автоматических систем: они физически не устают и не болеют, могут функционировать практически в любых условиях, их легче и дешевле «обучать», можно отключить, за ненадобностью и т.д.
В настоящее время считается практически невозможным функционирование ЛЗМ в реальных условиях леса без использования прямых или удаленных управляющих воздействий операторов, которые непосредственно контролируют работу и управляют операциями машин в процессе заготовки древесины. Наиболее существенным фактором, сдерживающим развитие комплексной автоматизации лесозаготовок, являются особенности эксплуатации ЛЗМ в условиях неопределенностей реальных лесосек под пологом леса (НРЛпПЛ) при практической несостоятельности средств их инструментального адекватного анализа и идентификации, а также систем позиционирования машин с требуемой этому процессу степенью точностью.
Несмотря на социальную и научно-практическую значимость, проблема насыщения лесопромышленных технологий средствами информатизации и автоматизации разработана недостаточно и требует качественно новых решений. Современное состояние исследований в данной области науки можно охарактеризовать как неполное, т.к. в настоящее время нет лесных машин, в которых были бы полностью автоматизированы все технологические операции. Управ-3
ление ЛЗМ и оборудованием проводятся только под контролем человека (оператора), что также, является сдерживающим фактором роста производительности и других показателей эффективности производства.
Анализ потенциальных возможностей информатизации и автоматизации лесосечных операций показал, что они, в принципе, позволяют решить актуальную проблему повышения комплексной эффективности лесопромышленных технологий путем использования указанных средств, сочетающих простоту реализации и многофункциональность машин, унификацию, доступность и открытость информации. Для решения обозначенной проблемы необходим системный подход, объединяющий методы дистанционного сбора данных, геоинформационного моделирования лесосеки и технологических процессов с пооперационным планированием работ и построение систем автоматического управления (САУ) ЛЗМ в условиях фактических НРЛпПЛ на теоретическом, экспериментальном и конструкторском уровнях, что является в совокупности резервом повышения комплексной эффективности лесосечных технологий.
Работа выполнена в соответствии с научным направлением Тихоокеанского государственного университета «Технология заготовки древесины».
Цель исследования – повышение эффективности технологий лесосечных работ на основе информатизации процессов и автоматизации управления движением машин и исполнительного оборудования в условиях реальных лесосек.
Для достижения поставленной цели на основе анализа проблематики были сформулированы следующие задачи:
-
Провести анализ современных концептуальных подходов, методов и средств информационного обеспечения лесозаготовок и автоматизации управления машинами в условиях реальных лесосек.
-
Разработать структуру единой информационно-управляющей системы (ЕИУС) лесозаготовительного предприятия, в среде которой взаимно связываются построение цифровых пространственных моделей реальных лесосек и технологических операций, планирование работ и их выполнение в автоматическом режиме в условиях неопределенностей.
-
Предложить качественно новый подход к формированию базы данных фактического расположения деревьев различного функционального назначения на основе дистанционного локационного измерения древостоя лесосек.
4. Разработать метод математического описания траекторий движения
ЛЗМ и их технологического оборудования на основе алгоритмов позициониро
вания и средств автоматического управления операциями в локальных коорди
натах реальной лесосеки с учетом ее неопределенностей.
5. Обосновать и разработать требования к аппаратным средствам позиционирования и управления движением машин и перемещением элементов исполнительного оборудования как основы реконструкции практически используемых систем и приборов автоматического управления современных ЛЗМ.
-
Разработать метод и алгоритм управления движением ЛЗМ по заданной траектории в локальных координатах реальной лесосеки с учетом ее неопределенностей.
-
Разработать способ, технологическое и конструктивное решение для автоматического клеймения произведенной древесной продукции, учета её происхождения и мониторинга перемещений в единой государственной автоматизированной информационной системе учета древесины и сделок с ней (ЕГАИС) с использованием технических средств идентификации.
Методы исследования основываются на системном анализе и синтезе, теории распознавания образов, классических математических, пространственных и численных методах моделирования сложных природно-технических систем, процессов и операций, их экспериментальных исследованиях, математической статистике и информационных технологиях.
Научная новизна результатов диссертационной работы:
Разработаны методы, способы и технические решения, обеспечивающие возможность использования совокупности известных принципов и предложенных средств информатизации процессов и автоматизации управления машинами для повышения эффективности технологий лесосечных работ в реальных условиях леса, и включающих:
1. Структуру единой информационно-управляющей системы лесозаготови
тельного предприятия, основанную на системных принципах и общенаучных
подходах, структуризации и унификации информационных потоков и управля
ющих воздействий, содержащую взаимосвязанные следующие этапы:
построение геоинформационно-математических моделей реальных лесосек по данным дистанционного зондирования земли;
формирование базы данных фактического расположения деревьев различного функционального назначения (с управляемым изменением статуса) на основе дистанционного локационного измерения древостоя в локальных координатах лесосеки;
построение имитационных моделей машин, оборудования и формализацию технологических операций;
планирование лесосечных работ и их выполнение с использованием алгоритмов автоматического управления машинами и исполнительным оборудованием в локальных координатах реальных лесосек.
2. Дополненный и адаптированный инструментарий систем автоматиче
ского управления машинами и оборудованием в локальных координатах лесо
секи и реальных условиях леса, а именно:
- метод описания математически непрерывными функциями траекторий
движения ЛЗМ и технологического оборудования в локальных координатах ре
альной лесосеки с учетом ее рельефа, основанный на декомпозиции их взаимо
связей с применением абстрактной связующей «опорной точки»;
метод и алгоритмы управления движением ЛЗМ и технологическим оборудованием заданным траекториям движения в локальных координатах лесосеки с учетом ее неопределенностей;
требования к программно-аппаратным средствам локального позиционирования машин и элементов технологического оборудования как основы реконструкции существующих систем автоматического управления современными ЛЗМ;
способ, технологическое и конструктивное решение для автоматического клеймения древесной продукции, учета её происхождения и мониторинга перемещений в среде ЕГАИС с использованием технических средств идентификации в условиях окружающей среды.
3. Способы и конструктивные решения для автоматизации технологии лесозаготовок и локального позиционирования ЛЗМ в условиях неопределенностей реальной лесосеки.
Теоретическая значимость и практическая ценность исследований
Теоретическая значимость работы заключается в разработке методов взаимосвязанного геоинформационно-математического моделирования лесосеки и технологических операций ЛЗМ, как единой иерархической системы, в среде которой предложенными программно-аппаратными средствами выполняется:
- дистанционное измерение параметров деревьев, их виртуальная марки
ровка и привязка к локальным координатам лесосек;
- электронный отвод лесосек в рубку;
визуально-математическое планирование лесосечных работ оператором-планировщиком;
автоматизированное построение программ САУ ЛЗМ и технологическим оборудованием;
непосредственное автоматическое управление технологическими операциями и позиционированием ЛЗМ в реальных условиях леса;
клеймение произведенной продукции для её бесконтактной идентификации, учета происхождения и передвижений в корпоративной базе данных и в ЕГАИС.
Дополненный и адаптированный инструментарий систем управления и позиционирования ЛЗМ, позволяющий поштучно идентифицировать деревья в условиях НРЛпПЛ (как предмет труда, «дорожные знаки», препятствия и т.д.), способствует развитию новых направлений научных исследований и решению прикладных задач и может быть использован в учебно-образовательном процессе.
Разработанный автором метод формализации операций лесосечных работ основан на декомпозиции взаимосвязей базы ЛЗМ и технологического оборудования с применением фундаментального понятия теории базирования «опорная точка», как абстрактной связующей с их траекториями движения в локальных координатах лесосеки. Данный метод позволяет континуально (ма-тем. непрерывно) описывать указанные траектории в координатах лесосеки во
время планирования работ, что ускоряет вычислительные процессы непосредственно управления ЛЗМ и технологическим оборудованием при расчетах локального местоположения машины и актуализации позиционирования элементов оборудования путем оперативных корректировок ошибок в реальном времени. Предложенный метод может быть применен для оптимизации конструкций ЛЗМ и их исполнительного оборудования, направлен на расширение альтернатив технических и технологических решений.
Созданные в рамках проведенного исследования методы и алгоритмы локального позиционирования без особых усилий могут быть интегрированы с системами автоматического управления современных ЛЗМ, что в условиях НРЛпПЛ позволит снизить нагрузки операторов и повысить эффективность их работы.
Практическую ценность также представляет то, что разработанные методы, алгоритмы и схемы программно-аппаратных средств позволяют:
– проектно-конструкторским организациям машиностроения и приборостроения сократить время разработки новых и реконструкции существующих систем управления машинами и оборудованием в условиях неопределенностей, которые трудно установить, идентифицировать или прогнозировать;
– лицам, принимающим решения осуществлять выбор конкретных схем технологических процессов лесосечных работ и соответствующих конструкций ЛЗМ для заданных условий эксплуатации по физическим, экологическим и экономическим критериям эффективности с использованием разработанного программного комплекса «Predic applic 1.0»;
– лесопользователям повысить производственную и экологическую эффективность лесосечных работ, обеспечить снижение рисков производственного травматизма и увеличить точность выполнения операций и заданных действий элементов исполнительного оборудования в автоматическом режиме без привлечения высококвалифицированных операторов ЛЗМ.
Практическая полезность и научная новизна исследования подтверждены 9 патентами на изобретения и 3 на полезные модели способов промышленного лесопользования, ЛЗМ и устройств их управления.
Достоверность и обоснованность полученных в диссертационной работе научных результатов, выводов и рекомендаций обеспечивается корректным использованием известных теоретических положений; применением современных методов и средств проведения исследований, математического аппарата, теории автоматического управления и методов математического моделирования исследуемых объектов и систем управления. Справедливость выводов относительно адекватности используемых математических моделей, достоверности, работоспособности и эффективности предложенных методов и алгоритмов управления подтверждена результатами математического моделирования на компьютерах, а также результатами натурных испытаний.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Структура единой информационно-управляющей системы лесозаготовительного предприятия.
-
Метод описания математически непрерывными функциями траекторий движения ЛЗМ и элементов технологического оборудования в локальных координатах реальной лесосеки.
-
Метод управления движением ЛЗМ и перемещением элементов исполнительного оборудования в локальных координатах лесосеки с учетом ее неопределенностей.
-
Способы, конструктивные решения и средства автоматизации управления и локального позиционирования ЛЗМ в условиях неопределенностей реальной лесосеки.
-
Способ автоматического клеймения заготовленной древесины как основы учета ее происхождения и контроля передвижений в ЕГАИС.
Реализация результатов исследований. В научную и производственную практику внедрены следующие результаты диссертационной работы:
-
Методические рекомендации по реконструкции существующих систем автоматического управления движением машин и перемещением элементов исполнительного оборудования, включающие принципиальные схемы бортового позиционера на основе модели древостоя в локальных координатах лесосеки, построенной по данным лазерного локационного измерения деревьев в соответствии с предложенными требованиями к программно-аппаратным средствам сканирования.
-
Способы и технические решения, положенные в основу дополнений инструментария систем автоматического управления машинами и оборудованием в реальных условиях леса (патенты РФ: №№ 143774, 147563, 153577, 2492629, 2503171, 2503172, 2504145, 2539956, 2546226, 2546898).
3. Полученные в работе теоретические положения применены для решения
практических задач, связанных с информатизацией и автоматизацией учета
древесных ресурсов и контроля перемещений заготовленной древесины в среде
ЕГАИС:
– в ФБУ "ДальНИИЛХ" для использования методов сбора и типизации информации о лесных участках, учета, клеймения и идентификации техническими средствами произведенной продукции, предусмотренных лесным законодательством;
– в региональном филиале «РФП групп» ОАО «Дальлеспром» для практического использования методов структуризации и унификации информационных потоков лесозаготовительного предприятия и планирования на их основе эффективного управления процессами и операциями лесосечных работ и учета древесины и сделок с ней, предусмотренных действующей нормой статьи 50.6 "Лесного кодекса Российской Федерации" от 04.12.2006 N 200-ФЗ;
– в ООО “Сосновые линии” при проектировании и исследовании систем автоматического учета и контроля движения древесных ресурсов;
– в «Центре космических технологий научно-исследовательского института компьютерных технологий и телекоммуникаций» ФГБОУ ВО ТОГУ для использования методов сбора, сохранения в базе данных о лесных участках в локальных координатах лесосек, их типизации и использования в целях уточнения лесозаготовительной классификации лесов;
– в ЗАО “Кан Бо” при разработке и исследовании системы дистанционного учета древесины на перевалочных пунктах;
– в учебном процессе ФГБОУ ВО ТОГУ при подготовке магистров и аспирантов по направлениям подготовки «Технология лесозаготовительных и дере-воперерабатывающих производств» и «Лесное дело» в рамках изучения дисциплин «Математическое моделирование и оптимизация технологических процессов заготовки и переработки древесины», «Операционные технологии лесозаготовительных и деревоперерабатывающих производств» и «Информационные технологии в отрасли».
Апробация работы. Основные научные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:
– научно-практической конференции «Проблемы совершенствования системы хозяйствования на предприятиях края» (Хабаровск, 1988 г.),
– The First Soviet Union-China Symposium on the actual problems of the scientific and tehnological progress of the Far Eastern region on the base of Soviet Union-China direct cooperation (Khabarovsk, 1991 г.) – (симпозиум),
– III Forum for regional cooperation between China and Russia (China, Jiamu-si, 2007 г.) – (форум),
– всероссийской научно-практической конференции «Лесной и химический комплексы – проблемы и решения» (Красноярск, 2011 г.),
– международном научно-практическом форуме «Природные ресурсы и экология Дальневосточного региона» (Хабаровск, 2012 г.),
– I международной заочной научно-практической конференции «Современные проблемы теории машин» (Новокузнецк, 2013 г.),
– на всероссийской конференции с международным участием «Состояние лесов и актуальные проблемы лесоуправления» (Хабаровск, 2013 г.),
– научно-практических конференциях: молодых ученых, аспирантов, докторантов и соискателей ТОГУ (Хабаровск, 2010 – 2016 гг.),
– ежегодной региональной научно-практической конференции «Интеллектуальная собственность в инновационном развитии Дальневосточного региона» (Хабаровск, 2013 – 2016 гг.),
– Петербургской технической ярмарке «Лучший инновационный проект и лучшая научно-техническая разработка года» (Санкт-Петербург, дипломы и медали 2013 – 2014 гг. – II степени; 2015 г. – I степени),
– Московском международном салоне изобретений и инновационных технологий «Архимед» (Москва, 2014 г. диплом II степени и медаль),
– международных экологических семинарах / Россия-Япония / (Хабаровск, 2011 – 2016 гг.),
– научно-практическом семинаре «Измерительные, навигационные и автоматизированные системы харвестеров» (Хабаровск, 2016 г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликованы 43 работы, включая 14 статьей в изданиях, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ, 3 монографии, 9 патентов РФ на изобретения и 3 на полезные модели, 1 свидетельство на программный комплекс. Результаты исследований отражены также в 5 отчетах НИР, выполненных под руководством или участии автора. В работах, опубликованных в соавторстве, личное участие автора заключается в определении проблемы, цели и задач; выполнении теоретических и экспериментальных исследования; анализе результатов; разработке практических рекомендаций по применению полученных результатов для повышения эффективности промышленного лесопользования в реальных условиях леса.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка использованной литературы, включающего 345 наименования, содержит 284 страницы основного текста, включая 73 рисунка, 7 таблиц и приложения.
Анализ методов дистанционного сбора данных и пространственного моделирования параметров лесосек
Необходимость осуществления сложных интегрированных процедур комплексной информатизации и автоматизации предприятий лесозаготовительной отрасли сделала насущным привлечение технологий, базирующихся на сборе дистанционных данных зондирования земли (ДДЗЗ) и основе их визуального моделирования с использованием геоинформационных систем (ГИС). Последние позволяют организовывать, обрабатывать и анализировать пространственную информацию, что принципиально обеспечивает комплексность информатизации производственных процессов путем интеграции и структурирования информации и использования ее для автоматизации технологических операций. С использованием геоинформационных технологий в настоящее время лесопромышленные предприятия решают насущные задачи сбора и обработки информации о лесном фонде, его транспортной доступности и многие другие [171, 260, 314, 336 и др.]. Полнота и точность информации о лесных участках и произрастающих на них древесных ресурсах является залогом эффективности производства, практического обоснования выбора технологии и техники лесозаготовок и др. задач [40, 118, 220, 257].
Практика сбора ДДЗЗ о лесном фонде имеет свое начало в методах и способах аэрофотосъемки лесов, позволившие существенно ускорить процессы таксации древесных ресурсов. Следующим шагом получения ДДЗЗ явилось развитие космических технологий и получения спутниковых спектральных снимков, автоматическое дешифрирование и идентификация которых позволило повысить объективность информации, ускорить в разы ее обработку и снизить стоимость. Но при этом виде мониторинга лесов снизился уровень детализации информации, что дало развитие лазерной локации земной поверхности и лесных ресурсов. Преимуществом лазерной локации перед классической аэрофотосъемкой и спектральной спутниковой съемкой является способность лазерного луча оптической системы (LIDAR) проникать сквозь полог леса до самой земли, сканировать все ярусы лесного покрова с высокой плотностью, измерять поштучно произрастающие деревья, что позволяет идентифицировать их параметры [75, 76, 171, 301, 322, 323, 343 и др.]. Синхронизация, дешифрирование и идентификация ДДЗЗ, полученных различными методами и средствами мониторинга лесов, обеспечивает исследователей достаточно детализированной информацией, позволяющей адек 30 ватно планировать эффективность лесопользования, обосновывать технологию рубок и применяемую технику [6, 243, 336 и др.]. Однако получаемого уровня детализации информации о древостое недостаточно для проведения планирования лесосечных работ, подготовительных и пострубочных мероприятий и их выполнения [40, 118, 220, 257]. Решение любой задачи исследования природной среды подразумевает интегрированный анализ всех имеющихся источников данных об объекте и их моделирование.
В научно-исследовательской практике имеет место большое количество общедисциплинарных и прикладных работ по вопросам создания моделей сложных природно-технических систем в большинстве своем увенчанных удачными реализациями их моделирования, отраженных в работах [15, 33, 56, 183, 191, 226, 282, 299 и др.], в которых также имеется обширная библиография.
Анализ изложения методов моделирования природно-техногенных объектов при очевидных успехах использования обобщенного (абстрагированного) классического моделирования и применения стандартного математического аппарата и его программных реализаций для прикладных целей исследования лесосечных процессов не всегда обеспечивают требуемую эффективность.
Попытки точного описания многообразия протекающих в природно-технических системах взаимосвязанных процессов и их жизненных циклов, приводят к чрезвычайно сложным для анализа математическим моделям и неустойчивости решаемых систем алгебраических уравнений, а недостаток данных не позволяет осуществлять адекватные реальным процессам вычислительные эксперименты [163]. При этом принципиальная неполнота знаний об объектах и процессах промышленного лесопользования, их иерархических взаимосвязей также существенно ограничивает прямое применение классических аналитических моделей и дополнительно нуждается в формализованных эвристиках и знаниях экспертов для непосредственного использования их в программно-реализуемой среде моделирования [23, 24, 164, 178, 248]. Одним из эффективных подходов создания информационной модели сложных природно-технических систем является алгоритмическое моделирование, построенное на интеграции классических имитационных моделей и экспертной подсистемы с пространственными цифровыми визуальными моделями рельефа и лесных ресурсов [107, 111, 179]. Такой подход геоинформационно-математического моделирования лесосеки (ГММЛ) и лесосечных процессов позволяет обеспечить в запросах необходимую точность расчетов и количественных оценок элементов процессов при одновременном сохранении значений глобальных функционалов, охватывающих межуровневые связи всей модели направленных на получение совокупных оценок по показателям качества [98]. Кроме того открываются новые возможности преемственности выполненных исследований и формализованных зависимостей плеядой отраслевых специалистов [1, 6, 7, 41, 43, 54, 142, 147, 165, 184, 226, 299 и др.]. Тогда под алгоритмической совокупностью моделей понимаются такие, в которых основные управляющие блоки (критерии и (или) ограничения) описываются математическими конструкциями, включающими логические условия, приводящие к разветвлению вычислительного процесса и управляемому обращению к исходным данным и расчетным блокам, имитирующим поведение элементов изучаемых объектов и взаимодействий между ними в процессе функционирования [36, 179]. Разработка метода и реализация вычислительной среды многоуровневого сбора и обработки данных является актуальной задачей и предопределяет моделирование компонентов лесосеки и взаимосвязей ее элементов как иерархической системы.
Визуальное моделирование возникло как синтез визуализации других направлений. В области визуализации данных в дистанционном зондировании заслуживают внимание работы В.П. Савиных, В.Г. Бондур и К.А. Кондратьева, И.Г. Журкина.
Обоснование критериев эффективности операций лесосечных работ и ЛЗМ их реализующих
Выбор и обоснование показателей эффективности промышленного производства является особо важной задачей и, по сути, потенциально определяющей значимость приоритетов при решении стратегических вопросов управления процессами и информационно-материальными потоками предприятия.
Условия функционирования лесных машин и требования к ним в дальневосточном регионе значительно изменились в последнее десятилетие. Общеизвестно, что лесные ресурсы претерпели существенные дестабилизирующие трансформации в структуре лесного фонда, а также по показателям запаса и транспортно-экономической доступности лесов. При этом лесопромышленники вынуждены либо осваивать запасы транспортно-доступных лесов на крутых склонах, либо проводить рубки по старым порубям, истощенным предыдущими рубками, пожарами и другими стихийными бедствиями [155, 235, 281]. В таких условиях существующие технологии и лесосечные машины, управляемые операторами не в состоянии обеспечить требуемую производительность и, соответственно, рентабельность производства, не говоря о соблюдении экологических и лесоводственных требований. Данные обстоятельства, усугубляемые экономическими кризисами, приводят к тому, что мелкие и средние лесопромышленные предприятия вынуждены вернуться к применению ручного труда, причем на всех стадиях лесозаготовительного производства [235, 281]. Естественное снижение в таких условиях объемов заготовок и повышение травмоопасности приводит к подрыву экономики лесопромышленных предприятий и к их разорению.
В настоящее время существующая в лесозаготовительной отрасли лесосечная техника представляет собой модификации прототипов, созданных в 50-70-е годы прошлого столетия [109, 130, 291]. При этом даже неглубокий анализ показывает, что машины массой в десятки тонн обеспечивают функционирование рабочего оборудования весом в несколько сотен килограмм, применяются не только в лесной промышленности, но и других отраслях [109]. Такой подход к проектированию и производству лесных машин практически исчерпал свой потенциал не только по критерию материалоёмкости машин, но и по совокупному вреду, наносимому лесной среде в процессе функционирования.
Отмеченные аспекты выдвигают принципиально новые требования к современному промышленному лесопользованию, структуре, типоразмерному ряду и параметрам ЛЗМ, их универсальности и адаптации к суровым условиям леса и многим другим обстоятельствам. При этом на наряду с экологическими и лесоводственными требованиями по сохранению окружающей и лесной среды, а также обеспечения мер естественного лесовозобновления возникает целый ряд технико-экономических притязаний к производимой и закупаемой технике. Так, например, высокая стоимость современных лесосечных комбайнов и их обслуживания, а также подготовки высококвалифицированных операторов и оплаты их труда, в условиях экономической нестабильности, истощения лесосырьевых баз и недостаточного развития транспортной инфраструктуры вызывают сомнения в их экономической эффективности и целесообразности применения без автоматизации основных операций [230, 343].
Поэлементный анализ операций современных технологических процессов лесосечных работ с использованием агрегатной техники в реальных условиях лесоэксплуатации Дальневосточного региона показал необходимость технического и технологического перевооружения лесопромышленных предприятий региона [111, 126, 230, 233 и др.]. Однако разработка перспективных технологий лесосечных работ и технических систем, способных их эффективно реализовать, сопряжена не только с трудностями прохождения стадий прототипирования и промышленного производства новых лесных машин, но и с множеством препятствий, вызываемых устоявшимися стереотипами экстенсивного лесопользования, давно исчерпавшего свой потенциал.
Выше приведенные аргументы и факты выдвигают соответствующие требования к методам оценки эффективности не только существующих технологий и машин для лесосечных работ, но и новых разработок.
Эффективность любого производственного процесса определяется совокупностью критериев, отражающих, в первую очередь, уровень развития технологии и применяемой техники по затратам живого труда, энергии и времени на единицу произведенной продукции, степень использования ресурсов и отходов производства, качественное состояние выпускаемой продукции, расход материалов и показатели в сфере охраны окружающей среды.
Известно, что энергоемкость российского ВВП более чем в три раза превышает средние мировые показатели [252], при этом удельная энергоемкость продукции лесозаготовок считается одной из самых высоких [139, 142, 147, 285 и др.].
Многие специалисты отмечают высокую значимость человеческого фактора и уровня профессиональной подготовки (переподготовки) рабочих кадров. Профессионализм и компетентность операторов современных лесосечных машин определяет в первую очередь высокую производительность, а также обеспечение выхода стабильность выхода высокого качества заготавливаемых круглых лесоматериалов при снижении затрат на лесовозобновление и негативное влияние на окружающую и лесную среду [126, 140, 146-148, 185, 236, 287, 298, 343 и др.]. Квалификация рабочего персонала лесозаготовительной отрасли становится все более острым и даже узким вопросом, как для руководства предприятий, так и для самих работников. Исследования финского научно-исследовательского института леса (METLA, 2008) показали, что общая образовательная подготовка российских операторов многооперационных машин является довольно высокой, но в тоже время специальная профессиональная подготовка остается неудовлетворительной. При существующей системе подготовки операторы харвестеров достигают 90-процентного уровня выработки к девятому месяцу непрерывной работы, а 100-процентного - только к тринадцатому. Поскольку стаж работы примерно 45% операторов не превышает одного года, добиться высокой производительности работы многооперационных машин и обеспечить требуемый уровень качества лесосечных работ и конечного продукта практически очень сложно [230].
Математическая модель параметров деревьев и их геокодирование в локальной системе координат лесосеки
Реализовать такие требования к моделированию, планированию работ и автоматическому управлению операциями ЛЗМ возможно только путем создания единого взаимосвязанного информационного комплекса математических моделей и экспертных систем с геоинформационными технологиями обработки данных о лесных участках. Одним из способов реализации вышеперечисленных заявлений является разработка новых методов исследования сложных природно-технических систем и протекающих в них процессов на базе комплексного пространственно-математического и визуального интерактивного моделирования с использованием элементов виртуальной реальности [10-13, 105, 183, 324, 342 и др.]. Физическое содержание этого подхода состоит в разработке единой информационно-управляющей системы (ЕИУС), синхронизирующего реальную среду физической лесосеки посредством данных сканирования сенсорного блока ЛЗМ с ее виртуальной копией и имитационными моделями производственных процессов лесосечных работ и технических систем их реализующих (рис. 2.3).
Такая структура ЕИУС позволяет объединить процессы моделирования и планирования элементов технологического процесса лесосечных работ и на основе полученных данных сгенерировать программу автоматического управления ЛЗМ. Таким образом, непосредственное управление всеми действиями ЛЗМ в условиях реальной лесосеки осуществляется также с использованием ВС как обратной связи для САУ движением ЛЗМ [105]. ЛПР - лицо, принимающее решение, САУ – система автоматического управления, ЛЗМ – лесозаготовительные машины, ЕИУС - структура единой информационно-управляющей системы Рисунок 2.3. Структура информационно-управляющей системы предприятия В структуру ЕИУС включается следующее: блок виртуальных и математических моделей, систему визуализации и интерфейсы: лицу, принимающему решение (ЛПР) для общего руководства, оператора-планировщика для визуального интерактивного планирования операций ТП, оператора-наладчика-программиста САУ и диспетчера для удаленного решения экстренных нестандартных задач в реальном времени [105].
Блок интерфейсов предоставляет собой визуальный интерактивный доступ к ЕИУС специалистам (см. рис. 2.3): S лицу, принимающему решение - для общих целей контроля; S оператору-планировщику - для разработки и моделирования ТП; S оператору-наладчику-программисту САУ - для планирования работ и формирования программ управления движением ЛЗМ и их отладки; S диспетчеру - для удаленного решения экстремальных ситуаций во время автоматического выполнения технологического задания.
В блоке моделирования ЕИУС осуществляются вычислительные эксперименты в виртуальной среде лесосеки с математическими моделями лесосечных операций и имитационными моделями технических подсистем ЛЗМ. В соответствии с разработанными алгоритмами планирования работ и управления ЛЗМ в условиях НРЛпПЛ создается программно-аппаратный модуль расчётов корректировок стартовой и интегральных ошибок позиционирования (выходные координаты). В процессе моделирования и планирования лесосечных работ вырабатывается оптимальный, по задаваемым критериям, вариант автоматического выполнения технологического задания (проекта) разработки лесосеки и генерируется соответствующая документация [105].
Таким образом, единая информационно-управляющая система лесозаготовительного производства, снабженная актуальной структурированной и унифицированной информацией о состоянии элементов процесса и средствами мониторинга данных о управляемых объектах позволяет генерировать программный код для бортовой системы управления движением машины и элементами исполнительного оборудования. При этом также необхо 76 дима интеграция со службами технической подготовки и обслуживания машин и оборудования и другими сопутствующими службами.
Реконструкция существующих систем автоматизации управления движением машин и оборудованием
Автоматическое дешифрирование основано на установлении и использовании устойчивых корреляционных связей между свойствами объектов и их совокупностью, статистическими зависимостями и их спектрами пространственных частот на снимке.
При этом средства и методологическое обеспечение алгоритмов автоматической интерпретации ДДЗ в лесной отрасли разработаны недостаточно [336]. Наиболее слабым звеном автоматического дешифрирования ДДЗ лесных земель является создание базы знаний, включающей различные модели, сценарии возникновения и развития ситуаций используемых при формировании тематических слоев электронной карты и баз данных атрибутов объектов. Здесь в качестве обучающих компонентов программы используются стандартные и специальные (отраслевые) дешифровочные формуляры на распознаваемые объекты, создаются различные сценарии дешифрования и последовательность их использования, которые заносятся в базу знаний. При этом на каждом этапе преобразования информации необходимо указывать совокупность применяемых математических моделей, методов и алгоритмов, лежащих в основе сбора и первичной обработки ДДЗЗ. Применение новой комбинации существующих или разработка оригинальных подходов дешифрования ДДЗЗ требует обязательного проведения сравнений натурных и моделируемых изображений с целью выявления формальных (численных) и неформальных (визуальных) несоответствий между ними [138]. На основании результатов сравнения определяются перспективные постановки и направления исследовательских работ в области сбора ДДЗЗ, их дешифрования и визуального моделирования [137].
Одним из перспективных путей решения задач дешифрования ДДЗ лесных объектов является применение иерархических кластерных алгоритмов [336], подразумевающих выполнение процесса распознавания типов леса и их лесотаксационных характеристик на различных иерархических уровнях соответствующими этим уровням дешифровочными формулярами.
Традиционные отраслевые информационные приложения развиваются в форме создания ГИС, интегрирующих базы данных различного назначения. ГИС является доступным и эффективным инструментом, обеспечивающим оперативность и результативность информационной поддержки управления производством лесопромышленных предприятий.
На рис. 3.10 и 3.11 приведены снимки участка леса планируемого в рубку и участка лесных земель пройденного рубками, на рис. 3.12 схема декларации мест проведенных рубок в указанных лесах фонда.
Однако при создании отраслевых ГИС или использовании для этих целей стандартных информационных разработок возникает ряд трудно разрешимых проблем связанных со спецификой отрасли. В частности применение ГИТ лесопромышленниками обычно сводится к визуальному анализу лесных участков обработанных общими методами дешифрирования спектральных снимков лесных земель. При этом получаемая визуальная информация практически не имеет количественных оценок о наблюдаемых лесных ресурсах, планируемых в рубку, что вынуждает использовать полевые работы для экономической оценки данного ресурса, планирования и отвода лесосеки в рубку и т.п.
Схема расположения мест проведенных рубок Тем не менее, построение систем обработки информации для адекватного использования спутниковых данных представляет весьма непростую задачу, а существующие способы представления этих данных и информационные компьютерные приложения часто страдают от узкого подхода к решению задач в рамках одной дисциплины.
Практически любая отраслевая ГИС строится на уже обработанных (подготовленных) данных спектральных спутниковых снимков и получаемые цифровые модели рельефа (ЦМР) и природной классификации дополняются отраслевыми слоями, в нашем случае тематическим слоем лесозаготовительной классификации и цифровой моделью лесной растительности выполненной путем драпировки ЦМР отраслевыми слоями. Типовая структура ГИС для лесопромышленников представлена на рис. 3.13.
Геоинформационные методы и средства дистанционной локации позволяют создать единое оптимально организованное информационное пространство предприятия для научного обоснования практических действий [243]. Очевидно, что специалистам предприятий заготавливающих древесные ресурсы требуется значительно больше количественных данных и более детализированные цифровые модели лесных ресурсов, позволяющие практически отказаться от работ выполняемых человеком непосредственно в лесу. Однако, разработка визуальной пространственной модели лесосеки требуемой точности исключительно по спутниковым спектральным ДДЗЗ является невыполнимой задачей (в силу выхода за рамки уровня детализации, установленной для решения задач данного научного исследования, технических возможностей существующих съемочных систем, свойств лесного покрова и пропускающей среды, погодных условий и др.).
Тем не менее, анализ аэрофотоснимков лесного покрова полученных с различных высот показывает, что физически возможно сформировать более детальную картину лесосеки. Стереографические аэрофотоснимки лесного фонда, выполненные с небольших высот, широко использовались в прошлом веке при лесоустроительных работах.
Применение авиационных средств после освоения мелкомасштабной аэрофотосъёмки (1:60 000—1:100 000) и использование аэрофотоснимков для целей контурного дешифрирования (см. рис. 3.14 а) позволило при таксации лесов сократить потребность в рабочих кадрах и сроки полевых работ, уменьшить удельные денежные затраты изучаемой площади и увеличить производительность труда.
В частности на аэрофотоснимках с высоты 1500-2000 м. становятся различимы отдельные деревья (см. рис. 3.14 а), а при снижении до высот 200-250 м. просматривается не только отдельные деревья, но и их структура (см. рис. 3.14 б).
Однако при автоматическом дешифрировании и идентификации аэрофотоснимков лесного покрова и их синхронизации со спутниковыми снимками возникают трудно преодолимые технические сложности, связанные с масштабированием, оптическими искажениями данных (спектральных слоев и др.) и их геокодированием в процессе интеграции в ГИС.