Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса и задачи исследования 14
1.1. Анализ научных исследований в области оптимизации планирования и управления транспортно-технологическими процессами в лесной промышленности 14
1.1.1. Оптимизация ежегодного планирования снабжения потребителей сортиментами 18
1.1.2. Оптимизация ежемесячного планирования лесных грузопотоков 25
1.2. Мониторинг перемещения круглых лесоматериалов в технологической цепочке поставок 33
1.2.1. Определение прослеживаемости 33
1.2.2. Преимущества прослеживаемости круглых лесоматериалов в цепочке поставок 34
1.2.3. Системы мониторинга перемещения круглых лесоматериалов в цепочке поставок 35
1.2.4. Применимость систем мониторинга перемещения круглых лесоматериалов в цепочке поставок в лесопромышленном комплексе Российской Федерации 37
1.2.5. Анализ существующих и перспективных технологий маркировки круглых лесоматериалов 42
1.3. Выводы. Цель и задачи исследования 48
Глава 2. Оптимизация ежегодного планирования снабжения круглыми лесоматериалами 51
2.1. Постановка задачи 51
2.2. Методика обоснования оптимальных параметров производственных транспортно-технологических процессов ежегодного снабжения круглыми лесоматериалами 54
2.2.1. Расчет исходных данных 54
2.2.2. Математическая модель 57
2.3. Программное обеспечение 69
2.3.1. Подготовка и ввод исходных данных 69
2.3.2. Выполнение расчета, вывод результатов 74
2.4. Выводы 77
Глава 3. Оптимизация оперативного планирования лесных грузопотоков 78
3.1. Постановка задачи 78
3.2. Методика обоснования параметров процессов заготовки, транспортировки и хранения древесины, рассматриваемых при ежемесячном планировании лесных грузопотоков
3.2.1. Расчет исходных данных 83
3.2.2. Математическая модель 85
3.2.3. Метод поиска решения 106
3.2.4. Компьютерная программа оперативного планирования лесных грузопотоков 107
3.2.4.1. Подготовка и ввод исходных данных 107
3.2.4.2. Выполнение расчета, вывод результатов 111
3.3. Выводы 112
Глава 4. Вычислительный эксперимент 113
4.1. Проверка адекватности получаемых решений 114
4.2. Сравнение подходов к решению задачи оперативного планирования лесных грузопотоков 118
4.3. Выводы по главе 122
Глава 5. Мониторинг перемещения круглых лесоматериалов в технологической цепочке поставок 123
5.1. Анализ потенциально применимых технологий маркировки круглых лесоматериалов 123
5.1.1. Биометрия 123
5.1.2. Радиочастотная идентификация с метками на интегральных схемах 125
5.1.3. Радиочастотная идентификация на поверхностных акустических волнах 132
5.2. Технологический и информационный поток движения круглых
лесоматериалов в цепочке поставок 139
5.3. Разработка способа мониторинга перемещения и автоматического контроля
легальности заготовки круглых лесоматериалов в цепочке поставок 141
5.4. Выводы по главе 145
Заключение 146
Список литературы 148
- Мониторинг перемещения круглых лесоматериалов в технологической цепочке поставок
- Методика обоснования оптимальных параметров производственных транспортно-технологических процессов ежегодного снабжения круглыми лесоматериалами
- Методика обоснования параметров процессов заготовки, транспортировки и хранения древесины, рассматриваемых при ежемесячном планировании лесных грузопотоков
- Сравнение подходов к решению задачи оперативного планирования лесных грузопотоков
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Лес, как возобновляемый природный сырьевой и энергетический ресурс имеет важное значение для развития экономики, как в настоящее время, так и в будущем. Объём заготовки древесины предприятиями отечественной лесной промышленности по итогам 2014 г. составил 203 млн. м3. При таком объёме лесосечных работ даже незначительное сокращение издержек приведёт к значительной экономии. Сократить издержки можно повысив эффективность транспортно-технологических процессов, за счёт применения логистико-математических методов, основанных на оптимизационных моделях. Поэтому актуальной является разработка оптимизационных моделей лесных грузопотоков и соответствующих систем поддержки принятия решений применимых в лесной промышленности Российской Федерации.
В соответствии с тяжелыми рабочими условиями, характерными для
лесной промышленности, не позволяющими применить существующие
системы мониторинга, и требованиями Закона № 415-ФЗ от 28 декабря 2013 г
об обязательности учёта всей срубленной древесины, для управления запасами
в реальном времени, сокращения логистических издержек, подтверждения
легальности заготовки продукции, существует необходимость создания
способа мониторинга перемещения и поштучной автоматической
идентификации круглых лесоматериалов в цепочке поставок на территории Российской Федерации.
Цель работы. Повысить эффективность производственных процессов и снизить соответствующие затраты за счет разработки методики и программных средств оптимизации транспортно-технологических процессов лесозаготовительных предприятий и способа мониторинга перемещения круглых лесоматериалов в цепи поставок.
Задачи исследования:
-
Разработать методику, логистико-математическую модель и компьютерную программу по обоснованию параметров транспортно-технологических процессов ежегодного снабжения лесоперерабатывающих предприятий круглыми лесоматериалами.
-
Разработать методику, логистико-математическую модель и компьютерную программу по обоснованию параметров транспортно-технологических процессов заготовки, транспортировки и хранения древесины, рассматриваемых при ежемесячном планировании лесных грузопотоков.
-
Обосновать технологию маркировки для создания системы мониторинга перемещения и автоматического контроля легальности заготовки круглых лесоматериалов, применимой в лесопромышленном комплексе Российской Федерации.
-
Разработать способ мониторинга перемещения и автоматического контроля легальности заготовки круглых лесоматериалов в цепи поставок.
Методы исследования: методы системного анализа, исследования операций, смешанного целочисленного линейного программирования, имитационного моделирования, пассивного эксперимента, математической статистики, информационных технологий; матрица структурирования функции качества. При разработке систем поддержки принятия решений и экспериментальных исследованиях использовалась система математического моделирования AIMMS, решения находились с помощью коммерческого решателя CPLEX v12.6.3.
Научная новизна работы.
-
Предложены методика, логистико-математическая модель и компьютерная программа по обоснованию оптимальных параметров транспортно-технологических процессов ежегодного снабжения лесоперерабатывающих предприятий круглыми лесоматериалами, отличающиеся тем, что учитывают схемы раскряжевки хлыстов, товарную структуру древостоя; зависимость затрат на транспортно-технологический процесс от заготавливаемых сортиментов; различные лесозаготовительные предприятия и их подрядные организации; различие типов складов; возможность купли, продажи заготавливаемой продукции между предприятиями.
-
Разработаны методика, логистико-математическая модель и компьютерная программа по обоснованию параметров процессов заготовки, транспортировки и хранения древесины, рассматриваемых при ежемесячном планировании лесных грузопотоков, отличающиеся тем, что учитывают: равномерность распределения объёмов заготовки различных групп сортиментов между комплексами по их типам; пропускную способность и максимальный грузооборот всех элементов лесной дорожной сети; транспортные ограничения, накладываемые существующим лесовозным парком; различные типы складов; вывозку различными видами транспорта.
-
Разработан защищённый Роспатентом способ мониторинга перемещения и автоматического контроля легальности заготовки круглых лесоматериалов в цепи поставок, отличающийся тем, что для маркировки сортиментов предлагается использовать радиочастотные идентификационные метки на поверхностных акустических волнах, хранящие уникальные идентификационные коды, считывание, ассоциация идентификационных кодов с дополнительной информацией, при этом передача полученной информации в базу данных происходит на всех участках цепи поставок круглых лесоматериалов.
Положения, выносимые на защиту.
-
Методика, логистико-математическая модель и компьютерная программа по обоснованию параметров производственных транспортно-технологических процессов ежегодного снабжения лесоперерабатывающих предприятий круглыми лесоматериалами.
-
Методика, логистико-математическая модель и компьютерная программа по обоснованию параметров процессов заготовки,
транспортировки и хранения древесины, рассматриваемых при ежемесячном планировании лесных грузопотоков.
3. Способ мониторинга перемещения и автоматического контроля легальности заготовки круглых лесоматериалов в цепи поставок.
Теоретическая значимость работы заключается: в расширении перечня способов моделирования и решения задач оптимизации транспортно-технологических процессов; в обосновании необходимости одновременного рассмотрения лесосечных и лесотранспортных работ при оптимизации; в расширении перечня способов мониторинга перемещения круглых лесоматериалов в цепочке поставок.
Практическая значимость работы заключается в создании программных средств оптимизации транспортно-технологических процессов лесозаготовительных предприятий, применимых в практической деятельности отечественных предприятий, а также в том, что разработанный способ мониторинга перемещения и автоматического контроля легальности заготовки круглых лесоматериалов в цепи поставок может быть использован в качестве основы для создания соответствующей системы мониторинга.
Соответствие диссертации паспорту научной специальности.
Диссертационная работа соответствует пункту пункту 6 “Выбор технологий, оптимизация параметров процессов с учётом воздействия на смежные производственные процессы и окружающую среду”, пункту 9 “Автоматизация управления машинами, выбор систем учёта лесопродукции, эргономики и безопасность условий труда” 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”.
Апробация. Результаты, изложенные в диссертационной работе, докладывались на: Международной конференции молодых учёных лесного хозяйства и лесной промышленности “Internationalen Studienkonferenz Sprungbrett” (Берн, Швейцария, 21 ноября 2013 г.); Международной научно-технической конференции “Автоматический контроль и автоматизация производственных процессов” (Минск, 22-24 октября 2015 г.); Четырнадцатой международной научно-технической конференции “Актуальные проблемы развития лесного комплекса” (Вологда, 2016 г.) и др. На основе разработанного способа мониторинга перемещения и автоматического контроля легальности заготовки круглых лесоматериалов в цепи поставок был разработан и представлен проект стартапа WoodFlow в рамках конкурса Startup Village Moskow 2015, на котором он вышел в полуфинал по направлению датчики и системы промышленного контроля.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций
подтверждается адекватностью разработанных математических моделей, применением в диссертационной работе точных методов поиска решения математических моделей, таких как метод ветвей и границ, результатами вычислительного эксперимента, получением патента на способ мониторинга
перемещения и автоматической идентификации круглых лесоматериалов в цепи поставок.
Публикации. Результаты исследования изложены в 9 научных работах в том числе: 4 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ, один патент на изобретение.
Структура и объем работы: Диссертация состоит из введения, 5 разделов, основных выводов и рекомендаций, списка литературы, 3 приложений. Общий объем работы: 165 страниц, 35 рисунков, 48 таблиц. Список литературы содержит 178 наименований.
Мониторинг перемещения круглых лесоматериалов в технологической цепочке поставок
Для лесозаготовительных предприятий и аналогичных подразделений лесопромышленных холдингов Российской Федерации одной из основных производственных задач является ежегодное планирование снабжения лесоматериалами, заключающееся в определении такого ассортимента заготовляемых лесоматериалов на делянках, расположенных в арендных лесах, который не только удовлетворит спрос, но и позволит минимизировать затраты на транспортировку и хранение лесоматериалов. Данная задача включает в себя две взаимозависимые подзадачи: определения оптимального выхода сортиментов на лесосеках, отведенных в рубку (оптимизация раскряжёвки); снабжения множества потребителей необходимыми лесоматериалами. Последовательно рассмотрим научно исследовательские работы, посвящённые решению данных проблем. Исходя из большего опыта зарубежных стран в применении сортиментной технологии акцент сделаем на соответствующих научных исследованиях.
Оптимизация раскряжёвки заключается в выборе оптимальной схемы разделки хлыста на сортименты. Laroze в своей работе [61] классифицировал проблемы оптимизации раскряжёвки на три категории: проблемы уровня единичного хлыста, таксационного выдела и всех лесосек, отведенных в рубку в рассматриваемом периоде. Подробный обзор моделей и подходов к поиску решения проблем оптимизации раскряжёвки различных уровней представлен в диссертации [58].
На уровне единичного хлыста целью оптимизации является максимизация выхода ценных сортиментов (максимизация ценности хлыста), т.е. использование стратегии bucko-value (заготовка наиболее ценных сортиментов). Для поиска решения наиболее распространён метод динамического программирования [36, 94, 95, 133]. Оптимальная раскряжёвка каждого индивидуального хлыста не обязательно приведёт к аналогичному результату на уровне таксационного выдела [2, 61, 89, 65], так как полученные по такому методу сортименты могут не удовлетворять ограничениям по спросу потребителей. Цель оптимизации на уровне таксационного выдела заключается в назначении схем раскряжёвки деревьям каждой ступени толщины, которые обеспечат выполнение ограничений и максимизируют выход наиболее ценных сортиментов (максимизация ценности выдела), т.е. использование стратегии bucko-order (заготовка сортиментов, удовлетворяющих спросу). Для решения данной проблемы были предложены двухэтапные подходы [69, 81, 89], в которых проблема снабжения множества потребителей необходимыми лесоматериалами рассматривается как основная, а проблема назначения схем раскряжёвки хлыстам как дополнительная. Для поиска решения обычно использовалась связь линейного и динамического программирования. В работе [65] представлена модель планирования стратегии bucko-order на уровне таксационного выдела в формулировке смешанного целочисленного программирования, предложены три способа создания схем раскряжёвки отдельных хлыстов. Представлены преимущества стратегии bucko-order в максимизации ценности выдела по сравнению со стратегией bucko-value.
В работе [63] представлено решение рассматриваемой проблемы с помощью метода поиска с ограничениями (tabu search). Предлагается назначать одно правило раскряжёвки каждому выделу, вместо назначения схем раскряжёвки деревьям каждой ступени толщины каждого выдела. Пошаговый алгоритм для каждой ступени толщины, произрастающих на выделе деревьев определяет схему раскряжёвки, соответствующую назначенному правилу.
Проблема уровня таксационного выдела является теоретически корректной и эффективной с точки зрения потребных вычислительных мощностей, однако получаемое решение характеризуется большим количеством схем раскряжевки, назначенных для деревьев разной ступени толщины одного выдела, что делает его труднореализуемым [66, 14].
Цель оптимизации на уровне всех лесосек, отведенных в рубку в рассматриваемом периоде, заключается в максимизации их ценности, достигаемой за счёт назначения каждой лесосеке правил раскряжёвки, с учётом различных ограничений. В контексте предложенной классификации проблема оптимизации раскряжёвки на таком уровне является наименее изученной.
Предложены следующие эвристические методы решения: табу поиск плюс линейное программирование [61]; эволюционный алгоритм [57, 58]. Следует отметить что, в этих работах рассматриваются только однородные таксационные выдела (одна порода), не учитываются процессы транспортировки лесоматериалов потребителям, спрос представлен по каждому сортименту как суммарный от всех потребителей разных цепочек поставок (экспорт, пиловочник, балансы).
Методика обоснования оптимальных параметров производственных транспортно-технологических процессов ежегодного снабжения круглыми лесоматериалами
Составление приоритетных списков. Базовые приоритетные списки для каждой породы составляются следующим образом: 1. порядок распределения сортиментов доступных для данной породы в приоритетном списке определяется значением показателя приоритета оа; 2. сортименты с одинаковым значением показателя оа сортируются по длине от большей к меньшей; 3. сортименты с одинаковой длиной сортируются по значению минимального диаметра в верхнем отрезе от большего к меньшему; 4. сортимент с наименьшей длиной и минимальным диаметром в верхнем отрезе, обычно баланс - pulp log, занимает последнее место в приоритетном списке. Приоритет сортимента а в списке, определяется по следующей формуле: ра demanda а W + demandmax (1) где ра — средняя стоимость продажи сортимента а потребителям j, руб; ртах максимальная стоимость продажи сортимента а из числа всех продоваемых сортиментов потребителям; , руб; demanda - суммарный спрос на сортимент а у потребителей j, м3; demandmax - максимальный общий спрос на сортимент а из числа всех продаваемых сортиментов потребителям у, м3. Последующие списки создаются путём перемещения сортимента с занимаемой позиции (соответствующей порядковому номеру списка) в базовом списке на первую. С удалением тех сортиментов из числа находящихся перед ним в первом списке, для которых верно неравенство msedan msedai. Число сортиментов в списке не может превышать трёх. Приоритетные списки создаются вручную или с помощью алгоритма.
Схемы раскряжёвки. Схемы раскряжёвки получаются путём применения приоритетного листа к деревьям различных ступеней толщины, с помощью алгоритма.
Перед началом работы алгоритма рассчитываются необходимые диаметры в коре и без коры на различных высотах от комля хлыста каждой ступени толщины и разряда высоты каждой произрастающей на лесосеках арендной базы породы деревьев. Данный расчёт выполняется для длин кратных минимальной градации длины поставляемых сортиментов по ГОСТ 9463-88, ГОСТ 9462-88.
Расчёт может быть выполнен несколькими способами: исходя из таблиц сбега древесных стволов в коре и без коры по породам и разрядам высоты (при среднем коэффициенте формы) [143] способом интерполяции по имеющемуся дискретному набору диаметров на высотах; исходя из чисел (индексов) сбега древесных стволов в коре по породам для Северо-запада России по А. Г. Мошкалеву [154] или В. К. Захарову [144] способом интерполяции по рассчитываемому дискретному набору диаметров на относительных высотах; по уравнениям кривых сбега, построенных по известным средним коэффициентам формы ствола [136].
Алгоритм раскряжёвки пытается получить как можно больше сортиментов каждого типа (A, B, C на рисунке 4). Исходя из параметров сортиментов и диаметров в коре и без коры ствола дерева. Рисунок 4. Схемы раскряжёвки, получаемые при применении приоритетного листа к деревьям разной ступени толщины.
Для всех сортиментов кроме низкокачественной древесины диаметр без коры в планируемом месте верхнего отреза для 1тах сравнивается с msed, для низкокачественной древесины msed сравнивается с диаметров в коре. Если диаметр ствола меньше требуемого, то msed сравнивается с диаметром для 1тах — nlA, если он снова меньше то сравнение повторяется п —ое число раз до достижения lmin, если диаметр в планируемом месте верхнего отреза для lmin меньше msed, то алгоритм переходит к следующему сортименту в приоритетном списке. Если диаметр ствола, не меньше требуемого msed, то данный сортимент, назначается в рубку, а высотная отметка (равная комлю ствола для первого сортимента), от которой отсчитывается длина сортиментов переходит на длину ранее назначенного в рубку сортимента. Аналогично рассматриваются все сортименты из приоритетного списка.
Расчёт коэффициентов выхода сортиментов. Для деловых сортиментов: kapdhs= r , (2) vdhs где Vapdhs объём в коре сортимента а получаемого при применении схемы раскряжевки /? на ствол дерева ступени толщины d разряда высоты h породы s; Vans объём в коре ствола дерева ступени толщины d разряда высоты h породы s. Для дров и отходов из деловых стволов: определяется как разница между объёмом ствола и суммой всех деловых сортиментов получаемых при раскряжёвке данного ствола по схеме /?. Apdhs kvastespdhs = Vahs Y W" (3) a=l Для дровяных сортиментов определяется по сортиментным таблицам. Затраты на транспортно-технологический процесс. Для расчёта затрат используется метод учёта затрат по видам деятельности (Activity-Based Costing, сокращенно ABC) предложенный в работе [85]. Стоимостные факторы были изменены в соответствии с условиями отечественной лесной промышленности. Видами деятельности принимаются лесозаготовительные работы, выполняемые харвестером, трелёвка и штабелёвка круглых лесоматериалов форвардером и лесотранспортные работы, выполняемые лесовозными автопоездами. Затраты на делянках зависят от производительности машин, которые зависят от числа и размерных характеристик заготовляемых сортиментов, т.е. от принятых схем раскряжёвки. В соответствии с [64] в зависимости от трелюемой концентрации сортиментов определяется тип трелёвки форвардером (в одном грузе форвардера одинаковые сортименты или различные) и расчёт ведётся по соответствующей формуле [85]. Вывозка рассчитывается как выполняемая с погрузкой на одном верхнем складе за ездку.
Методика обоснования параметров процессов заготовки, транспортировки и хранения древесины, рассматриваемых при ежемесячном планировании лесных грузопотоков
В главе рассматривается проблема оперативного планирования грузопотоков актуальная для предприятий лесной промышленности Российской Федерации, осуществляющих заготовку круглых лесоматериалов своими силами либо с привлечением подрядных организаций. В контексте данной проблемы под термином оперативное планирование понимается ежемесячное планирование на срок до одного года. На таком уровне планирования лесных грузопотоков принимаются следующие решения: распределение делянок, запланированных в рубку в рассматриваемом году, по месяцам; графики работы многооперационных лесных машин; объёмы хранения сортиментов на верхних, промежуточных, сезонных, зимних, нижних складах, терминалах и в портах; направления вывозки и количественные характеристики потоков лесоматериалов. В процессе планирования необходимо учитывать ряд технологических и экологических ограничений: почвогрунтовые условия лесосек, позволяющие проводить лесосечные работы в определённые периоды; производительность лесозаготовительной техники; максимальный объём хранения лесоматериалов на складах; и др. Задачей планирования является обеспечение заданного уровня потребления при минимальных затратах.
В соответствии с результатами анализа научно исследовательских работ по данной теме представленному в главе 1 известно, что на данный момент не предложено моделей, одновременно дополняющих обозначенную проблему ограничениями накладываемыми дорожной сетью и лесовозным парком. Эти дополнения необходимы для обеспечения реалистичности получаемых планов. Отечественная лесная промышленность характеризуется ярко выраженной сезонностью работ вызванной отсутствием необходимой густоты лесных дорог круглогодичного действия и климатическими условиями. Отсутствие ограничений по проходимости элементов дорожной сети и их максимального грузооборота могут привести к нереалистичным решениям, например, когда лесоматериалы с зимних делянок запланированы к вывозке в период распутицы. Обычно решения по использованию лесовозного парка принимаются на недельном уровне, однако отсутствие обобщённых решений при ежемесячном планировании может привести, например, к завышенным объёмам перевозки в месяц, что приведёт к необходимости привлечения дополнительных лесовозных автопоездов, а как следствие к увеличению транспортных издержек.
Несмотря на значительные трудозатраты планирование на отечественных предприятиях лесной промышленности в большинстве случаев выполняется вручную квалифицированными специалистами. Более того, неожиданные события могут потребовать пересмотра планов. Следовательно, нашей целью было создание системы поддержки принятия решений по обоснованию параметров реалистичных ежемесячных планов лесных грузопотоков, выполняющую расчёт за адекватный промежуток времени, допускающую простое изменение входных данных, сравнение различных сценариев. Выходные данные системы должны быть представлены в виде детализированных отчётов в формате электронных таблиц, включая графики работы лесозаготовительных комплексов; объёмы хранения на складах и транспортировки лесоматериалов по элементам дорожной сети.
Рассматриваются следующие мероприятия цепочки создания стоимости: лесозаготовка харвестерами и трелёвка форвардерами; хранение лесоматериалов на верхних, промежуточных, сезонных, зимних, нижних складах, терминалах и в портах; перевозка лесоматериалов лесовозными автопоездами; вывозка железнодорожным и водным транспортом.
Цель. Удовлетворение заданного уровня спроса потребителей с минимальными затратами на транспортно-технологические процессы. Функция оптимизации. Минимизация суммарных затрат. Горизонт планирования равен одному году, период планирования – одному месяцу. Исходные данные (Рисунок 17). Результаты ежегодного планирования. Материалы материально денежной оценки делянок, отведённых в рубку. Характеристики лесной дорожной сети. Заключенные контракты на поставку, покупку круглых лесоматериалов. Информация по остаткам на складах на начало года. Ассортимент круглых лесоматериалов. Технические характеристики лесных машин. Экономические показатели.
Выходные данные (Рисунок 17). Распределение лесосек между комплекса с указанием порядка их освоения; маршруты комплексов; не заготовленные лесосеки; объемы хранения по месяцам на складах всех типов; направления и объемы транспортировки; затраты на заготовку, трелевку, вывозку, хранение, ухудшение качества древесины, и др.
Лесосечные работы. Существует известный набор делянок, отведённых в рубку в течении года. Каждая из них имеет уникальные характеристики. Варьируется: площадь, заготовляемые сортименты и их объёмы, время на заготовку, средний объём хлыста, тип лесохозяйственного мероприятия (сплошные либо выборочные рубки), сезон рубки. Делянка всегда заготовляется полностью как максимум в двух смежных периодах планирования. Все делянки соединены с соответствующими элементами дорожной сети. Существует известный набор лесозаготовительных комплексов (систем машин харвестер плюс форвардер), разного класса и марки, а как следствие имеющих разную производительность в зависимости от среднего объёма хлыста, расстояния трелёвки и типа лесохозяйственного мероприятия. Все комплексы работают в две смены в течении всего года. Если комплексы принадлежат подрядчикам, учитываются периоды их доступности для найма. Работа в выходные возможна, но требует увеличенной оплаты. Необходимо поддерживать примерно равные уровни заготовки между комплексами одного класса. Среднее время на перемещение между делянками – один день. Гараж для всех комплексов принят одинаковым, с него же идёт развозка операторов. Учитывается сколько комплексов необходимо для заготовки делянки. Учитывается время на перемещение между делянками.
Хранение на складах. Лесосечные работы имеют ярко выраженную сезонность, в то время как потребление лесоматериалов на производствах равномерное, что требует создания запасов лесоматериалов. Сортименты могут хранится на верхних складах делянок объём хранения неограничен, однако в не зимние периоды накладываются затраты, связанные с ухудшением качества сортиментов. Учитываются промежуточные, сезонные, зимние, нижние склады, терминалы и порты. На зимних складах затраты связанные с потерей качества незначительны и не учитываются, в отличие от затрат на формирование склада. На промежуточных и сезонных учитываются затраты связанные с потерей качества. Погрузка и выгрузка на верхних, промежуточных, сезонных и зимних складах осуществляется гидроманипуляторами лесовозных автопоездов, на нижних складах, терминалах и портах передвижными либо стационарными кранами. Учитываются мощности складов, ограничения по погрузке, выгрузке и максимальный объём хранения. Некоторые сортименты нельзя хранить на некоторых складах. Затраты на хранение на нижних складах, терминалах и в портах учитываются. Терминалы и порты потребляют определённый объём лесоматериалов для удовлетворения контрактов по отгрузке продукции.
Сравнение подходов к решению задачи оперативного планирования лесных грузопотоков
Для проверки адекватности получаемых решений были сгруппированы данные по вывозке отдельно по подрядчикам и собственным лесовозам исходя из расстояния перемещения и перевозимого сортимента в соответствии с тарифами (отличными от реальных, но одинаковыми для “факта” и расчёта) были определены прямые затраты на вывозку включая погрузку и разгрузку (551000 евро). Сравнение проводилось только по прямым транспортным затратам. Для оценки реалистичности проверялось удовлетворяет ли получаемое решение заданным ограничениям, сравнивались объемы хранения на конец горизонта планирования с фактическими данными.
Был рассмотрен следующий сценарий (кейс): все отведенные в рубку лесосеки должны быть заготовлены; восемь комплексов на заготовке, средняя годовая выработка на комплекс – 24000 м3; производительность комплексов в соответствии с кривыми производительности, в среднем 120 м3/см; работа ведется в две смены, 2 комплекса на лесосеку (для одной из лесосек - 3); объемы заготовки превышают объемы потребления; завод потребляет 4700 м3/месяц пиловочника елового с данного направления заготовки; объемы отгрузки по железной дороге и водным транспортом представлены в таблице 38; есть зимний склад, максимальный объем хранения 15000 м3 пиловочника елового; на конец горизонта планирования на зимнем складе должно находится 4500 м3 пиловочника елового; штраф за лесосеку в резерве – 40000 ; штраф за дни в работе комплекса сверх нормы – 2000 /день; штраф за заготовку лесосеки в смежный период – 500 /день; штраф за недоставленный объем круглых лесоматериалов - 100 /м3; штраф за недогрузку сухогруза / состава - 10 /м3; вместимость сухогруза – 4000 м3; вместимость состава равна 2500 м3; как максимум 2 сухогруза в месяц; как максимум 8 составов на нижнем складе / 4 на терминале.
В таблице 39. приведены размерности задач, рассматриваемых на этапах решения и значения целевой функции, первый этап не рассматривается, из-за его перерасчета на втором этапе после выбора центральных лесосек. Для всех этапов время расчёта основной проблемы было менее одного часа. Расхождение от оптимальности было задано - 4%. В таблице 40 приведено сравнение кейсов по фактору прямых транспортных затрат. В таблицах 41-42 представлены значения элементов целевой функции по каждому кейсу. В таблице 43 представлены суммарные объемы хранения на конец горизонта планирования.
Сокращение прямых транспортных затрат связано с более оптимальным распределением сортиментов по потребителям (с каких лесосек на какие пункты спроса вести какие сортименты), сокращением объемов хранения сортиментов.
Проанализируем ключевые выходные данные: какие лесосеки были отправлены в резерв, если таковые имеются; суммарный по периодам и источникам объем доставки сортиментов на пункт потребления; суммарные по периодам объемы отгрузки сортиментов по железной дороге и водным транспортом.
Сначала проверим были ли назначены лесосеки в резерв, для этого просуммируем значения переменной ро0 по лесосекам (Zo=i Ро — XI), рисунок 20.
Исходя из принятого потребления 4700 м3/месяц пиловочника елового, годовое потребление составит 56400 м3, полученные значения являются реалистичными.
Для определения суммарных по периодам объемов отгрузки сортиментов по железной дороге и водным транспортом воспользуемся следующей формулой 115. Результат расчета представлен на рисунке 23.
Для поиска решения по варианту 1 (рисунок 19) на первом этапе решается задачи распределения лесосек, запланированных в рубку между имеющимися комплексами. Из целевой функции исключается элементы, отображающие: затраты на перемещение комплексов с лесосеки на лесосеку (формула 48), затраты на хранение на верхних складах лесосек , на складах и во дворах потребителей (формула 49), прямые затраты на перевозку (формула 50), штраф за недоставленный объем круглых лесоматериалов на склады и потребителям (формула 51), штраф за недогрузку сухогрузов и составов (формула 52). Также не учитываются ограничения по маршрутизации лесозаготовительных комплексов (формулы 64-74) и ограничения задачи снабжения множества потребителей сортиментами (формулы 75-112).
На втором этапе по результатам первого выбираются центральные лесосеки для каждого из комплексов, в целевую функцию добавляется элемент, отображающий приближенные затраты на перемещение комплексов между делянками (формула 113), ограничения по маршрутизации комплексов не учитываются.
На третьем этапе решается задача маршрутизации лесозаготовительных комплексов с известными временными окнами. В целевой функции учитывается только элемент, отображающий затраты на перемещение комплексов с лесосеки на лесосеку (формула 48). Учитываются только ограничения (формулы 64-74), в которых переменная ycot заменяется параметром yoparametrcot отображающей полученные на втором этапе значения переменной ycot.
На четвертом этапе решается задача снабжения множества потребителей сортиментами. В целевой функции учитываются элементы, затраты на хранение на верхних складах лесосек о, на складах q и во дворах потребителей j (формула 49), прямые затраты на перевозку (формула 50), штраф за недоставленный объем круглых лесоматериалов на склады и потребителям (формула 51), штраф за недогрузку сухогрузов и составов (формула 52). Учитываются только ограничения, описываемые формулами 75-112, в которых переменные lolcot, lo2cot заменяются параметрами lolparametrcot,lo2parametrcot отображающими полученные на втором этапе значения переменных lolcot, lo2cot.
При поиске решению по данному варианту целевое расхождение от оптимальности принимается равным 0,10%. Предложенный подход к решению задачи, описанной в разделе 3.1. описан в разделе 3.2.3. В таблице 44 приведены размерности задачи и значения целевой функции по вариантам. В таблицах 45-46 представлены значения элементов целевой функции по каждому варианту. В таблице 47 представлены суммарные объемы хранения на конец горизонта планирования.