Введение к работе
Актуальность темы
Россия, имея самые большие в мире лесные ресурсы, обладает огромным потенциалом в области лесной биоэнергетики. Перспективными направлениями являются как развитие внутреннего потребления древесного биотоплива для выработки тепла и электроэнергии, так и экспорт древесного биотоплива за границу. Развитие биоэнергетики может создать новые рабочие места, улучшить экологическую обстановку, сделать удаленные лесные регионы менее зависимыми от привозных ископаемых источников энергии.
По мере развития биоэнергетики будет вставать вопрос о дополнительных источниках сырья для производства древесного топлива. Одним из таких источников сырья необходимо рассматривать древесину, получаемую при проведении рубок ухода.
В настоящее время опыт применения современных систем машин для производства древесного биотоплива из древесной биомассы от рубок ухода в России достаточно скуден.
Большой интерес представляет зарубежный опыт, прежде всего стран Скандинавии, где производство энергии из древесины уже сегодня играет существенную роль в жизни общества. Но следует принять во внимание, что отличия природно-производственных и экономических условий не позволяют использовать накопленный опыт зарубежных стран в области лесной биоэнергетики напрямую в России, без соответствующей адаптации.
Задача рационального выбора технологической цепочки и системы машин для проведения рубок ухода с производством энергетической щепы из заготовленной биомассы является сложной и многофакторной. Помочь в решении этой задачи может компьютерная система поддержки принятия решений, которая, за счет возможности моделирования различных сценариев и обработки большого массива данных, позволяет подобрать рациональное решение. Такая система помогает отбросить заведомо проигрышные варианты и выделить наиболее удачные. Варьируя исходными данными, пользователь системы может определить границы применения той или иной технологии.
Степень разработанности темы
Проблемы рационального выбора систем лесосечных машин для рубок ухода достаточно полно освещены в работах С. А. Черепухина, В. М. Захарикова, Н. К. Климушева, В. И. Солдатенкова, Ю. Ю. Герасимова, В. С. Сюнева, С. А. Кильпеляйнена, Г. А. Давыдкова, С. Н. Перско-го, Ю. А. Ширнина, О. Р. Чайки и др. В основе разработанных этими авторами систем принятия решения находятся имитационные модели
работы лесосечных машин на модельных делянках и использована теория игр.
В работах И. Р. Шегельмана, Э. Ф. Герца, О. Н. Галактионова проведена научная оценка ресурсного потенциала древесной биомассы, получаемой в процессе лесозаготовок.
Эту древесную биомассу предлагается использовать в качестве сырья для котельных, работающих на древесном топливе.
В работах С. Б. Васильева, В. И. Патякина, И. Р. Шегельмана, К. В. Полежаева обоснованы параметры и методики выбора рубительных машин для производства топливной щепы из древесной биомассы.
Проведение рубок ухода нацелено на выполнение основной задачи — получение качественной деловой древесины ко времени сплошнолесо-сечной рубки спелого древостоя, но не менее важной задачей в настоящее время является заготовка энергетической древесины.
Однако, существующие модели и алгоритмы принятия решений по обоснованию выбора системы машин для рубок ухода, к сожалению, не позволяют учитывать сложившееся к настоящему моменту изменение технологических процессов лесозаготовок, обусловленное развитием биоэнергетики.
Целью работы является повышение эффективности проведения рубок ухода с заготовкой древесной биомассы для производства топливной щепы за счет рационального выбора системы машин и технологий с использованием компьютерной системы принятия решения.
Для достижения указанной цели были поставлены следующие основные задачи:
-
Разработать алгоритм выбора систем машин для рубок ухода с учетом возможностей биоэнергетики, которые могли бы позволить, учитывая состав древостоя, природно-климатические и производственные условия, а также рельеф местности, получить максимально возможный лесохозяйственный и экономический эффект.
-
Создание программного комплекса, состоящего из модели древостоя и окружающей среды, имитационной модели проведения рубки ухода с производством топливной щепы, учитывающей повреждения деревьев и почвы, моделей расчета экономической эффективности и лесохозяйственных критериев проведения рубок с помощью альтернативных технологий и лесозаготовительных машин.
-
Разработка рекомендаций для выбора рациональной системы машин и технологии для заготовки топливной щепы от рубок ухода для типовых условий Республики Карелия.
Научная новизна
Предложена методика, позволяющая осуществлять выбор технологических решений по организации заготовки деловой древесины
и энергетической древесины для производства топливной щепы путем проведения имитационных экспериментов с помощью разработанного комплекса компьютерных программ.
Разработаны алгоритмы, позволяющие учитывать особенности работы лесосечных машин с учетом технологий заготовки энергетической древесины при рубках ухода.
Разработаны имитационные модели лесосечных машин, позволяющие проводить компьютерные эксперименты и выявлять рациональную технологию и систему машин для конкретных природно-производственных условий.
Даны практические рекомендации по выбору технологий и систем машин для типовых природно-производственных условий Республики Карелия.
Теоретическая и практическая значимость работы
Теоретическую значимость имеют разработанные методы и модели расчета производительности лесосечных машин и объемов лесопро-дукции, позволяющие подобрать систему машин для проведения рубок ухода с учетом заготовки топлива для биоэнергетики.
Результаты работы позволяют проводить имитационные эксперименты над лесосечными машинами в различных природно-производственных условиях и подбирать рациональную технологию заготовки деловой и топливной древесины.
Методология и методы исследования
Для решения поставленной задачи были использованы методы имитационного моделирования и математической статистики. В процессе решения поставленных задач и обработки результатов экспериментов применялись программный пакет Maplnfo, электронные таблицы и программное обеспечение, созданное на языках C++ и MapBasic.
Положения, выносимые на защиту
-
Методика, позволяющая рационально выбрать технологию и систему лесосечных машин для заготовки деловой и топливной древесины от рубок ухода для различных природно-производственных условий.
-
Результаты имитационного моделирования по выбору технологии и лесозаготовительных машин для рубок ухода с учетом потребностей биоэнергетики, учитывающие следующие оценочные показатели: производительность системы (и машин в ней), затраты на осуществление рубок, прибыль от реализации древесины рубок ухода, качество выполнения работы и минимальный урон оставляемому на доращивание древостою.
3. Рекомендации по рациональному подбору технологий и систем лесосечных машин для типовых природно-климатических условий Республики Карелия.
Степень достоверности и апробация результатов
Достоверность результатов работы обеспечена применением методов имитационного моделирования и математической статистики, данными экспериментальных исследований и хронометража времени выполнения операций машинами в полевых условиях, а также подтвержденной адекватностью полученных моделей за счет сходимости экспериментальных данных и данных имитационного моделирования.
Материалы работы докладывались и обсуждались на пяти конференциях и семинарах:
Третья республиканская научно-практическая конференция молодых ученых, аспирантов, докторантов «Повышение эффективности лесного комплекса Республики Карелия». ПетрГУ. Петрозаводск, 23 апреля 2012; Международная научно-техническая конференция «Наука и образование для лесопромышленного комплекса России». Московский государственный университет леса. Мытищи, 30 января — 02 февраля 2012; Международная научно-техническая конференция «Опыт лесопользования в условиях Северо-Запада РФ и Фенноскандии». ПетрГУ. Петрозаводск, 20—22 сентября 2011; Семинар по международному проекту «Лесозаготовки и логистика в России» (TEKES). НИИ леса Финляндии «METLA». Йоэнсуу (Финляндия). 07—09 декабря 2011; Семинар на базе предприятия ООО «Метсалиитто Подпорожье». В рамках международного проекта «Intensification of forest management and improvement of wood harvesting in Northwest Russia», г. Подпорожье (Ленинградская область). 30 сентября 2010; а также на научных семинарах кафедр тяговых машин и технологии и оборудования лесного комплекса Петрозаводского государственного университета.
Публикации
Основное содержание работы представлено в 39 публикациях, в том числе 10 статьях в изданиях, рекомендованных перечнем ВАК, получено 2 свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка использованных источников и приложений. Общий объем работы 221 страница, 60 рисунков, 65 таблиц. Список использованных источников включает 122 наименования.
