АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ ТРАНСПОРТНОЙ СХЕМЫ ОСВОЕНИЯ ЛЕСОСЫРЬЕВОЙ БАЗЫ
Мохирев А.П., Болотов О.В. (ЛфСибГТУ, г. Лесосибирск, РФ)
In the article the example of determination of economic possibilities of wood reserves utilization has been considered. Addressing the issues, we have developed appropriate mathematical and graphic analytical models.
В настоящее время в связи с ухудшением экологической обстановки и уменьшением лесных массивов все большее значение приобретает оптимизация использования лесных ресурсов на основе принципа непрерывного неистощительного лесопользования. При этом необходимо решить целый комплекс задач, среди которых одной из важнейших является задача формирования требуемой дорожной сети в экономически доступной сырьевой базе лесозаготовительного предприятия, которая обеспечит рациональное лесопользование.
Целью решения этой задачи является разработка метода и программного обеспечения оптимизации схемы транспортной сети освоения лесосырьевой базы, обеспечивающей минимальные транспортно-технологические и эксплуатационные затраты. Очевидно, что эта задача нетривиальна. При ее решении необходимо руководствоваться системным подходом с учетом взаимосвязей всех основных факторов.
К особенностям сухопутного транспорта леса относятся:
-собирательный характер работы лесовозных путей в лесу (собирание заготавливаемого леса с большой площади и доставка его в одну точку на нижний склад );
-односторонность лесного грузопотока; лесные грузы вывозят только в одном направлении из лесосеки на нижний склад; в обратном (негрузовом) лесовозные поезда идут без груза, порожняком;
-перевозка длинномерных грузов (деревьев, хлыстов, бревен);
-возрастающие с каждым годом расстояния вывозки леса, в связи с перемещением лесозаготовок из ближайших к нижнему складу участков в более отдаленные;
-сезонность работы многих участков сети лесовозных дорог, часть которых работают только зимой, часть только летом.
Все перечисленные особенности в той или иной мере влияют как на конструктивные решения, принимаемые при проектировании лесовозных дорог, так и на условия работы последних в процессе эксплуатации. Собирательный характер работы путей лесовозного транспорта предопределяет необходимость постройки в пределах лесосырьевой базы густой сети путей, имеющих различные сроки действия. Сеть путей лесовозной дороги, как правило, состоит из магистрали - основного пути, действующего в течении всего срока освоения данного лесного массива, веток и усов - путей кратковременного действия (1-2 года) , служащих для вывозки леса из лесосек.
При проектировании транспортного освоения лесных массивов возникает задача по определению очередности освоения и строительства, лесовозных дорог. От правильности её решения зависит ритмичность работы предприятий, динамика освоения капиталовложений и в конечном итоге эффективность лесозаготовительного производства. Основное требование при расчёте очерёдности транспортного освоения сырьевой базы обеспечить заданный по отдельным периодам план транспортировки древесины с использованием построенных дорог при минимуме суммарных приведённых затрат на строительство дорог, их содержание и вывозку по ним древесины.
Метод автоматизированного проектирования и оптимизации транспортной схемы освоения лесосырьевой базы решения задачи оптимизации сети лесовозных дорог разработан на кафедре ВиПМ и ЛИД Сиб.ГТУ. Для нахождения оптимального плана прокладки дорог используется инструментарий теории графов, поскольку одной из основных задач этой теории как раз и является нахождение оптимальных путей. В таком случае территория лесозаготовительного предприятия представляется в виде связного взвешенного графа, в котором вершины - лесосеки, а ребра возможные транспортные пути между ними, характеризуемые соответствующими стоимостями прокладки дорог.
Поэтому, в основу методики решения задачи, оптимизации схемы транспортной сети освоения лесосырьевой базы, положен инструментарий теории графов. Представим территорию лесозаготовительного предприятия в виде связанного взвешенного графа, в котором вершины-лесосеки, а ребра возможные транспортные пути между ними, характеризуемые соответствующими стоимостями прокладки дорог. В основу построения этой модели положен алгоритм, построения минимального покрывающего дерева.
Входные данные – матрица затрат на прокладку дороги до каждого лесоучастка, т.е. матрица весов ребер графа; матрица затрат на восстановительные работы; массив, задающий годы, в которые понадобится путь к каждой вершине графа; массив, определяющий величину товарной продукции, которая может быть получена при разработке каждого лесоучастка.
Разработанный алгоритм можно представить следующим образом:
1. Ввод матрицы стоимостей прокладки;
2. Ввод матрицы стоимостей восстановления;
3. Построение минимального покрывающего дерева;
4. Формирование матрицы весов ребер графа;
5. Вычисление суммарной стоимости прокладки и восстановления дорог;
6. Выявление кратчайших маршрутов с помощью алгоритма Флойда- Уоршела;
7. Сравнение суммарных затрат на прокладку, восстановление дорог и на вывозку леса с каждого лесоучастка с величиной товарной продукции, которая там может быть получена (выявление экономически неэффективных лесоучастков);
8. Исключение вершин графа (лесоучастков), разработка которых экономически нецелесообразна;
9. Определение суммарной площади (запасов древесины) экономически доступных лесоучастков.
Цикл через шаг 9 необходим в силу следующего соображения: в результате корректировки транспортной схемы и прохождения лесовозных дорог через сравнительно бедные участки леса их разработка может оказаться экономически оправданной.
Транспортные затраты, связанные с вывозкой заготовленной древесины, учитываются на трех этапах: при построении минимального покрывающего дерева; при подсчете величины суммарных затрат; при анализе полученного решения.
В виде экспериментальных исследований мы провели расчет перспективной транспортной схемы освоения лесосырьевой базы Мотыгинского леспромхоза.
В процессе обработки исходных данных нами были использованы таксационные описания и схемы лесосырьевой базы Мотыгинсий ЛПХ. Обработка данных производилась по каждой породе отдельно. Для определения экономической эффективности использовались такие показатели, как:
-площадь выдела;
-запас выдела;
-цена реализации 1 м3 древесины.
То есть, для определения дохода от реализации товарной продукции мы перемножаем площадь выдела, запас и цену реализации.
Для определения очерёдности освоения лесоучастков в процессе рубок главного пользования расчётной лесосеки использовался такой показатель как возраст насаждений, который взят из таксационных описаний по каждому выделу. При определении затрат на строительство и восстановление лесовозно-лесохозяйственных дорог использовались данные, взятые непосредственно в леспромхозах.
Предварительно, по условию однородности породы, структуры и состава древостоев определялись укрупнённые выдела. Для нашей лесосырьевой базы их количество составило 73 выдела. Для каждого выдела определялся центр тяжести геометрическим способом. По выбранной координатной сетке определяли координаты центра тяжести каждого выдела, тем самым мы нашли вершины графа, которые являются промежуточными пунктами вывозки древесины и точками возможной прокладки сети лесовозно-лесохозяйственных дорог.
Далее используя программу, разработанную в Лесосибирском филиале СибГТУ, с учётом особенностей проектирования лесовозно-лесохозяйственных дорог, на долгосрочный период использования лесного массива, мы построили схему лесовозных дорог.
Для постройки схем дорог были использованы следующие исходные данные:
- координаты центров тяжести каждого выдела;
- год будущей разработки выдела;
- товарная продукция выдела;
- усреднённые затраты на прокладку одного километра дороги;
- затраты на восстановление 1км. дороги;
- затраты на вывозку 1 м3 древесины в расчёте на 1 км.
Кроме того, дорожная сеть проектировалась с учётом, уже существующих лесовозных дорог, а так же с учётом топографических особенностей местности: реки, болота.
В результате анализа проведённых исследований можно сделать вывод, что выбранный метод проектирования лесовозно-лесохозяйственных дорог, основанный на инструментарии теории графов позволяет проектировать сеть дорог с учётом экономической доступности и динамики лесного фонда, исходя из размеров расчётной лесосеки лесосырьевой базы. Установлена работоспособность алгоритма и программы для проектирования сети дорог.
Программа позволяет проектировать сеть лесовозно - лесохозяйственных дорог, реально отражающую условия конкретной лесосырьевой базы с соответствующими исходными данными.
Варианты компьютерного моделирования сети дорог по критерию экономической доступности показали следующее: при увеличении затрат на строительство дорог и эксплуатацию в первую очередь исключается из освоения наиболее удалённые участки и, более того, имеющие более низкие характеристики по товарной продукции древостоев. Исключение лесоучастков происходит в те моменты, когда затраты на вывозку древесины и строительство дороги становится больше цены реализации древесины с данного лесоучастка.
Модель программное обеспечение так же позволяет учесть и наличие существующих транспортных путей лесосырьевых баз. Так по сырьевой базе Мотыгинский ЛПХ проведённые расчёты показали, что при учёте и соответственном вводе в программу дорог, проектная схема логично учитывает их и достраивает новые участки дороги в неохваченные дорожной сетью лесоучастки.
Сравнивая результаты построения транспортной сети лесовозных дорог без учета существующих дорог и с их учетом были получены следующие результаты: протяженность транспортной сети моделируемой программой составила 327,1 км., а при учете существующей сети дорог- 437,7 км.
При сравнении транспортных сетей без учета существующих дорог, только для зимней вывозки древесины (“зимники”) и сетей круглогодичного пользования, километраж “зимников” составил 327,1 км., а дороги с “запретами”, учитывающей пересечение с реками, ручьями, болотами- 355,8 км.
Сравнивая затраты на строительство дорог по всем трем вариантам, и учитывая усредненную стоимость прокладки 1км. магистралей и веток, затраты на восстановление 1км. дороги и затраты на вывозку 1м3древесины в расчете на 1км. были получены следующие результаты: для первого варианта- 280,6 млн. руб.; для второго варианта-302,1 млн. руб., для третьего варианта-437,3 млн. руб.