Введение к работе
Актуальность темы. Одним из главных направлений лесной политики является развитие рубок ухода. Они позволяют формировать качественные леса к возрасту главной рубки, повышая конечный выход деловой древесины, дают возможность получать древесину для промышленных нужд от промежуточного пользования, способствуют решению глобальной экологической проблемы снижения потребности проведения рубок на новых лесных площадях.
Масштабное развитие рубок ухода в стране сдерживается техническими возможностями. Решение данной проблемы предусматривает как экстенсивный, так и интенсивный пути.
Экстенсивный путь - наращивание числа машин и оборудования зачастую без дифференцированного учета условий их использования - является недостаточным шагом, приводит к замедлению темпов научно-технического прогресса, нерациональному расходованию материальных средств, отрицательному влиянию на окружающую среду.
Интенсивный путь - предполагает организацию более эффективного использования существующих машин, в том числе дорогостоящих приобретенных или планируемых к закупке по импорту, посредством обоснованного их применения с привязкой к природно-производственным условиям эксплуатации, обеспечивающих максимальную совместимость с окружающей средой, создание новых природо- и энергосберегающих конкурентоспособных отечественных машин и технологий. При данном подходе встает вопрос обоснованного выбора техники для предполагаемых условий эксплуатации с целью обеспечения ее максимальной эффективности и экологической совместимости с природной средой. До настоящего времени обоснование и выбор машин и их параметров базируются в основном на практическом опыте. При этом основная сложность при выборе подходящих машин из числа существующих на рынке, в том числе зарубежном, или обосновании параметров вновь проектируемых машин и оборудования заключается в необходимости удовлетворения целого комплекса порой противоречивых требований по производительности, металлоемкости, выполнению намеченной программы рубок, экологичности. Одновременный учет такого большого числа факторов при существующем подходе весьма затруднителен и несомненно требует применения новых информационных технологий, облегчающих принятие решений и обеспечивающих их научную объективность.
Таким образом, на современном научном уровне решение проблемы обоснования и выбора машин и оборудования для машинизации рубок ухода предполагает разработку нового концептуального подхода, неразрывно связанного с вопросами информатизации и компьютеризации лесной отрасли. Суть данного подхода заключается в создании компьютерной системы поддержки принятия решений по выбору и обоснованию машин для проведения рубок в конкретных условиях. Такая система позволяет при учете многообразия
4 природно-производственных факторов и альтернативном наборе машин осуществлять оптимальный подбор машин из числа существующих, при удовлетворении комплекса требований и в первую очередь по обеспечению их экологической совместимости с природной средой.
При отсутствии необходимого варианта выбора система позволяет проводить обоснование основных параметров вновь проектируемых машин и оборудования.
Создание подобной компьютерной системы поддержки принятия решений в области обоснования лесных технологий и машин соответствует требованиям программ информатизации лесного хозяйства на 1998-2001 годы, внедрения ГИС-технологий в лесном хозяйстве на 1999-2005 годы, принятых Рослесхозом, и целевой федеральной программе «Леса России» 1997-2000.
Цель работы. Повышение эффективности применения машинизированных технологий и соответствующих систем машин для рубок ухода за лесом при обеспечении экологической совместимости с природной средой на основе компьютерной поддержки принятия решений.
Задачи исследований. Исходя из актуальности проблемы и цели работы, задачи исследований формулируются следующим образом:
на основе анализа современного состояния мирового уровня развития лесного хозяйства, лесозаготовок и лесного машиностроения установить перспективные технические средства решения проблемы машинизации рубок ухода за лесом с учетом их экологического значения и исследовать причины, характер и экологические последствия повреждаемости деревьев и лесных почв от воздействия лесной техники при рубках ухода;
разработать новую концепцию выбора систем машин для рубок ухода, отражающую разнообразие природно- производственных условий, экологический фактор и альтернативность выбора машин, на основе современных компьютерных технологий и системного подхода, включающего модель природной среды, электронные базы данных по машинам и оборудованию, имитационную модель рубок ухода;
разработать компьютерные базы данных по машинам и оборудованию для рассматриваемых видов рубок и установить зависимости между их основными параметрами;
создать базы данных по природно-производственным условиям на основе использования ГИС-техпологий и провести компьютерное генерирование типовых модельных лесосек;
разработать компьютерные модели для исследования воздействия ходовых сие і см на лесные почвы, отражающие специфику лесных мочи (наличие корней и камней);
провести комплекс экспериментальных исследований по воздействию машин на лесную среду (почвы, оставляемый древостой), оценить адекватность разработанных компьютерных моделей;
экспериментально обосновать возможность использования серийного колесного сельскохозяйственного трактора в качестве энергетического модуля лесных машин для рубок ухода и дать рекомендации по
5 совершенствованию конструкции семейства модульных машин на базе этих тракторов с целью повышения их эксплуатационных показателей и экологической совместимости с природной средой;
разработать практические рекомендации по выбору систем машин для рубок
ухода для типовых условий Республики Карелия.
Объекты и методы исследований. Объектами исследований являлись древостой северных лесов Восточной Фенноскандии, технологии рубок ухода (прореживание и проходные рубки), системы машин для сортиментной заготовки леса: харвестеры (валочно-сучкорезно-раскряжевочные машины) и форвардеры (сортиментовозы).
Решение поставленных задач осуществлялось с использованием методов математической статистики, метода конечных элементов, имитационного моделирования, исследования операций, ГИС-технологий, инвентаризации пробных площадей лесных участков, натурных экспериментальных исследований, тензометрирования.
Научная новизна работы.
Разработана новая концепция обоснования выбора машин для проведения рубок ухода, отличающаяся системным подходом, учетом многообразия природно-производственных условий эксплуатации и альтернатив выбора машин при приоритете экологического фактора, базирующаяся на новых информационных технологиях.
Созданы компьютерные базы данных по машинам и оборудованию для сортиментной заготовки леса (харвестеры, форвардеры, манипуляторы, рабочие органы). Установлены зависимости между основными параметрами машин, позволяющие на уровне эскизного проектирования проводить обоснование основных концептуальных характеристик вновь создаваемой техники.
Созданы базы данных природно-производственных условий и разработаны модели типовых модельных лесов Фенноскандии на основе использования ГИС-технологий.
Разработана математическая модель взаимодействия ходовых элементов машин с лесной почвой на основе использования метода конечных элементов, отличающаяся учетом упруго-пластических свойств почвы с наличием корней и камней в почвенном массиве и позволяющая исследовать влияние числа проходов машин, наличие камней, порубочных остатков на волоке на изменение условий функционирования корневых систем деревьев.
Разработана имитационная компьютерная модель технологического процесса рубки ухода за лесом с применением харвестера и форвардера, учитывающая в качестве одного из основных показателей оценки качества функционирования экологическую совместимость машин с природной средой (повреждаемость оставляемого древостоя и почвы).
Проведены экспериментальные исследования экологической совместимости различных типов лесных машин с природной средой, включающие сравнительную оценку воздействия машин на оставляемый на доращивание
древостой и почву по комплексу её важнейших характеристик (плотность, твердость, пористость, глубина колеи).
Экспериментально обоснована возможность использования
сельскохозяйственного трактора МТЗ в качестве энергетического модуля
семейства лесных колесных машин для рубок ухода.
Значимость для теории и практики. Разработана концепция обоснования и выбора машин для проведения рубок ухода. Совокупность предложенных компьютерных моделей и поддерживающих их функционирование информационных баз данных составляют основу системы принятия решений по обоснованию машин и оборудования для машинизации рубок ухода за лесом с учетом экологического фактора. Предложенные модели значительно обогащают теорию экологической совместимости машин с лесной средой за счет использования новейших компьютерных технологий, в том числе ГИС, метода конечных элементов и других.
Разработанная система принятия решений внедрена на предприятиях АХК «Кареллеспром» и в Государственном комитете по лесу Республики Карелия.
Созданные компьютерные базы данных по лесозаготовительной технике имеют большое самостоятельное справочно-информационное значение и использованы в ряде организаций и предприятий отрасли (Государственный научный центр ЛПК при Минэкономики Российской Федерации, ОАО «Онежский тракторный завод»).
Результаты работы использованы при создании КарНИИЛПом системы колесных машин (харвестер и форвардер) для рубок промежуточного пользования. Экспериментальные образцы машин изготовлены и испытаны в производственных условиях. Опытные образцы машин были выпущены на Радомышльском машиностроительном и Петрозаводском ремонтно-механическом заводах. С 1995 года начато серийное производство форвардеров ЛТ-189М на заводе АО «Дормаш» (г. Орел).
Основные положения, выносимые на защиту:
концепция решения проблемы обоснования и выбора параметров систем машин для проведения рубок ухода на основе системного подхода, приоритетного учета экологического фактора проведения рубок ухода, использования современных информационных технологий;
возможность исследования процессов взаимодействия ходовых систем машин с лссиоґі помпой с іісііолі.іоііаіінсм копсчпо-иісмсшних моделей;
возможность исследования технологических процессов машинизированной заготовки леса на рубках ухода с использованием имитационных моделей при приоритете экологического фактора (минимизация повреждаемости древостоя, корневых систем и почвы);
компьютерные базы данных машин и технологического оборудования для машинизации рубок ухода и полученные зависимости между их основными параметрами;
возможность моделирования природно-производственных условий на основе использования ГИС-технологий;
методики и результаты экспериментальных исследований по оценке воздействия лесных машин на природную среду (древостой и лесную почву);
результаты экспериментального обоснования возможности использования трактора МТЗ-80 в качестве энергетического модуля лесных машин для рубок ухода и рекомендации по совершенствованию конструкций семейства таких машин;
рекомендации по применению систем машин на рубках ухода в Республике Карелия.
Обоснованность и достоверность результатов исследований. Достоверность результатов исследований подтверждается данными натурных экспериментов и положительным опытом внедрения разработок в практическую деятельность.
Реализация работы. Основные результаты работы внедрены в Карельском НИИ лесной промышленности при создании системы машин для рубок ухода, АХК «Кареллеспром», Государственном комитете по лесу Республики Карелия, в Государственном научном центре ЛПК при Минэкономики РФ, на ОАО «Онежский тракторный завод», в учебном процессе кафедры тяговых машин Петрозаводского государственного университета.
Результаты исследований использованы при выполнении международных проектов Taiga-Model Forest (Россия-Финляндия, 1997-2000 г.г.), Tempus Tacis TJEP 10347-97 Development of the Environmental and Economics Studies (Россия-Финляндия-Швеция, 1997-2000 г.г.) и отечественного гранта «Разработка научных основ обоснования оптимального технологического процесса освоения лесных массивов при несплошных рубках» (№ госрегистрации 01.9.80000297, 1997) и включены в соответствующие отчеты.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы были представлены:
на международных конференциях и семинарах: «Лес, окружающая среда и новые технологии в Северной Европе» (г. Йоэнсуу, Финляндия, -г. Петрозаводск, Россия, 1994), «Проблемы развития лесного комплекса Северо-западного региона» (г. Петрозаводск, 14-17 октября 1996), «Тайга. Возможности и ресурсы» (г. Хямеенлинна, Финляндия, 10-12 февраля 1998 г.), «Проблемы развития лесного сектора» (г. Петрозаводск, 18-19 ноября 1998), «Семинар Скандинавской Ассоциации лесной экономики» (г. Умеа, Швеция, июнь 1998), «Модельные леса в России: опыт и перспективы будущего» (г. Петрозаводск, 22-24 июня 1999), «Биологические основы изучения, освоения и охраны животного и растительного мира, почвенного покрова Восточной Фенноскандии» (международная конференция и выездная сессия отделения Общей биологии РАН: г. Петрозаводск: Институт биологии Карельского НЦ РАН, 6-Ю сентября 1999), «Устойчивое лесопользование» (г. Каргополь, Архангельская обл., 20-24 сентября 1999), «Научно-технический прогресс в лесном комплексе» (г. Сыктывкар, 18-20 апреля 2000);
на различных региональных и республиканских конференциях 1983-2000 г.г., в том числе «Региональные проблемы развития лесного комплекса»
(г. Петрозаводск, 1998), «Ресурсосберегающие технологии лесного
комплекса» (г. Петрозаводск, 1998), «Научное обеспечение лесного
комплекса Карелии» (г. Петрозаводск, 1999); демонстрировались на Всероссийской выставке «Российский лес-99» в
г. Вологда.
Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 49 печатных работах, в том числе двух монографиях. Пять работ опубликовано в зарубежных изданиях (Канада, Швеция, Финляндия). Получено два авторских свидетельства на изобретения.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, девяти разделов, заключения, списка использованных источников и приложений. Общий объем работы 397 с, в том числе 250 с. машинописного текста, 156 рисунков, 32 таблицы, приложения. Список использованных источников включает 304 наименования.