Моделирование работы систем машин для рубок ухода
Суханов Ю.В. (ПетрГУ, г. Петрозаводск, РФ)
Эксплуатация лесов по принципам непрерывного и неистощимого лесопользования должна обеспечивать не только устойчивый выход широкого ассортимента лесоматериалов и побочных продуктов пользования лесом, но и сохранить экологические функции леса и биологическое разнообразие. Прекратить вовлечение в эксплуатацию все новых площадей коренных лесов невозможно без снижения объема сплошных рубок леса с одновременным получением недостающей части требуемого промышленностью древесного сырья от рубок промежуточного пользования уже освоенных лесов. Своевременный уход позволяет увеличить размер пользования лесом на 30-50%, а главное увеличить выход крупной деловой древесины с одного гектара ухоженного леса примерно в полтора раза. В лесах первой группы рубки ухода позволяют значительно усилить рекреационные и средаобразующие функции древостоев. Основной интерес представляют рубки промежуточного пользования: они проще машинизируются, чем рубки ухода за молодняком, и на них заготавливается древесина, имеющая коммерческую ценность.
Наиболее перспективной технологией при проведении поздних прореживаний и проходных рубок ухода с заготовкой древесины на сегодняшний день является полностью машинизированная сортиментная технология, проводимая системой машин состоящей из харвестера и форвардера. Применение харвестеров, под управлением опытных операторов, позволяет в несколько раз повысить комплексную выработку на 1 чел.-день на основных работах по сравнению с бензомоторным инструментом. Но в нашей стране, учитывая непростую экономическую ситуацию, использование для валки, обрезки сучьев и раскряжевке моторных пил вместо харвестера имеет перспективу, так как харвестеры имеют высокую стоимость и дороги в эксплуатации. Также представляет интерес использование на трелевке колесных машин с канатно-чокерной оснасткой, например, ТТР-401 созданных на базе трактора МТЗ-80, хотя эксплуатация этих машин требует большого объема тяжелого ручного труда, но машина и оборудование значительно дешевле форвардеров и обеспечивает минимальный процент повреждений при трелевке в сортиментах.
Для выявления предпочтительных машин для конкретного насаждения необходимо оценить возможность качественного проведения рубок ухода: наиболее полное выполнение программы рубок, минимальное количество поврежденных деревьев оставленных на доращивание. На качество проведения рубок ухода будут влиять множество факторов: характеристики древостоя, почвенный покров, рельеф местности, климатические условия и характеристики машин. Кроме этого применение выбранной системы машин должно быть экономически целесообразным. Учесть все факторы довольно сложно. Неправильный выбор машин может резко повысить число поврежденных деревьев и отрицательно повлиять на почвенный покров, что скажется на повышении числа усохших, ветровальных, пораженных губкой и насекомыми деревьев, что, в конечном итоге, приведет к значительному уменьшению выхода деловой древесины при главной рубке. Также возможно что затраты на проведение рубок ухода не будут покрыты за счет большего выхода деловой древесины во время главной рубки из-за высокой цены машин и затрат на их эксплуатацию. Номенклатура лесосечных машин, которые могут найти применение на рубках ухода, достаточно широка и постоянно увеличивается. Различные системы машин для выполнения рубок ухода и соответствующая им технологическая организация работ имеют разную производительность, заготовленная древесина может иметь разную себестоимость и техника не одинаково влияет на окружающую среду. На сегодняшний день выбор машин производится в основном на основании имеющегося опыта, при этом часто не берутся во внимание многие из отмеченных факторов или вообще не учитываются условия эксплуатации. Учитывая то, что оборот рубки составляет значительный промежуток времени и цена ошибки очень высока, то при выборе машин полагаться только на опыт опрометчиво - требуется научно-обоснованный подход. Помочь лесопользователю оптимально подобрать технику для проведения рубок ухода может система поддержки принятия решений, которая просчитает имеющиеся варианты и выдаст результаты в понятном и удобном для анализа виде.
Основой системы поддержки принятия решения по оптимальному выбору систем машин для рубок ухода являются имитационные модели работы техники и вальщиков. Исходными данными для имитационных моделей являются данные, полученные при моделировании лесосеки и природных условий или данные, полученные при моделировании хода роста (для второго и третьего подхода рубок ухода), а также базы данных по лесным машинам и механизмам. Созданы модели имитирующие работу харвестера, форвардера, вальщиков и трактора с канатно-чокерным оборудованием.
Имитационная модель работы харвестера на рубке ухода работает следующим образом: На основании модели харвестера, выбранной пользователем для моделирования, из таблицы с характеристиками считываются основные технические данные по машине, в том числе колесная формула, вес, габариты, клиренс, ширина колес, вылет манипулятора и его момент и т.д. Если технологические коридоры есть, то харвестер движется по линии середины технологического коридора. Если коридоров нет, то харвестер движется по линии, которая создается на основании данных введенных пользователем (ширина, длина и расстояние между соседними коридорами) или эта линия может быть отмечена пользователем прямо на карте с выделами в окне ГИС. Положение харвестера определяется двумя координатами его центра и углом направления движения. Харвестер передвигается от одной технологической стоянки до другой. На каждой стоянке харвестер валит и обрабатывает все намеченные в рубку деревья на полу пасеках слева и справа от себя. Если технологических коридоров нет, то харвестер валит все деревья, расположенные в технологическом коридоре. Обработка заключается в обрезке сучьев, раскряжевки на сортименты и укладки сортиментов в пачки вдоль технологического коридора. В цикле, пока харвестер не доехал до конца технологического коридора или не срубил все намеченные деревья, выполняются последовательно три подпрограммы: подпрограмма определения координат технологической стоянки, подпрограмма движения до места намеченной стоянки и подпрограмма валки и обработки деревьев. Координаты технологической стоянки определяются исходя из положения деревьев намеченных в рубку и вылета манипулятора. В подпрограмме движения учитывается влияние дорожных условий на скорость движения, а также учитываются повреждения деревьев при движении машины, как от бокового крена машины при наезде на препятствие, так и повреждение корневых систем движителем. С места технологической стоянки имитируется валка и обработка деревьев назначенных в рубку, начиная с самого ближнего. При этом проверяется возможность взятия дерева из-за перекрытия оставленными на доращивание деревьями, по моменту манипулятора и по возможности опрокидывания машины. При имитировании валки и обработки рассчитываются повреждения, которые могут получить оставшиеся на доращивание деревья при наведении манипулятора, валке дерева и при перемещении дерева в процессе обработки. После того, как харвестер перейдет на последнюю технологическую стоянку и обработает на ней все подлежащие рубке деревья, рассчитывается часовая производительность харвестера на основании времени потраченного харвестером на передвижение между технологическими стоянками, наведения манипулятора на дерева, зажим, спиливание и валку, на подтаскивание дерева, обрезку сучьев и раскряжевку.
При моделировании работы вальщиков в цикле, пока не выполнен план работ, выполняются последовательно две подпрограммы: подпрограмма определения координат дерева для валки и подпрограмма валки и обработки. Линия центра технологического волока делится на равные участки, пасека разделяется на площадки в количестве равном числу участков линии волока. Каждая площадка делится на пять частей – волок, две сортиментные полосы и две промежуточные. Первыми в валку попадают деревья на волоке, потом на сортиментных полосах и последними на промежуточных полосах. В подпрограмме валки и обработки рассчитываются повреждения оставшихся на доращивание деревьев. Время, затраченное на валку и обработку одного дерева, складывается из времени на переход к дереву, на подготовку рабочего места и уборку подроста, на подпил, спиливание и валку, на обрезку сучьев, раскряжевку и окучивание, на передвижение моториста вдоль дерева и на перенос сортиментов. После того, как будут повалены и обработаны все подлежащие рубке деревья, рассчитывается часовая производительность бригады вальщиков.
Исходными данными для моделирования работы форвардера являются результаты работы модели харвестера или бригады вальщиков. Форвардер движется по линии технологического коридора от одной технологической стоянки до другой. Машина останавливается у сформированных пачек, собирает их с помощью манипулятора и укладывает на грузовую платформу. При погрузке проверяется вес набранного воза и если он равен паспортной грузоподъемности машины, то погрузка останавливается и форвардер трелюет собранные сортименты на погрузочную площадку, и там разгружается, производя сортировку сортиментов. После разгрузки форвардер возвращается к месту последней подобранной пачки и продолжает сбор и погрузку пачек сортиментов, пока не будет собран последний сортимент. При моделировании выполняются три подпрограммы: определения координат следующей технологической стоянки, подпрограмма движения форвардера и подпрограмма сбора и погрузки пачек сортиментов. Координаты технологической стоянки форвардера определяются исходя из положения пачек сортиментов и вылета манипулятора. При моделировании движения машины рассчитывается влияние дорожных условий на скорость передвижения, и учитываются повреждения стволов деревьев при крене машины и корней от движителя. В подпрограмме сбора учитывается возможность взятия пачки из-за перекрытия деревьями, и рассчитываются повреждения деревьев при манипуляциях с пачкой. Если набран воз массой равной паспортной грузоподъемности, то моделируется движение машины до погрузочной площадки и разгрузка. Рассчитывается часовая производительность форвардера на основании времени потраченного машиной на передвижение между технологическими стоянками, времени затраченного на движение к погрузочной площадке и разгрузку и времени потраченного на взятие каждой пачки сортиментов.
Исходными данными для моделирования работы трактора с канатно-чокерной оснасткой являются результаты работы модели бригады вальщиков. Трактор движется по линии технологического коридора, делает остановки и собирает с помощью лебедки сортименты (хлысты) в пачку. При равенстве объема набранной пачки паспортному объему, трактор трелюет пачку к месту разгрузки, разгружается и продолжает собирать новую пачку с того места, где он прервал работу. Координаты технологической стоянки трактора определяются исходя из положения пачек сортиментов. При моделировании движения рассчитывается скорость и повреждения стволов от крена машины, пачки и корней от движителя. После того, как собраны все сортименты (хлысты), рассчитывается часовая производительность трактора.
На основе результатов работы имитационных моделей сверяется качество проведения рубки ухода системой машин: точность следования программе рубок (количество оставшихся деревьев назначенных в рубку), количество поврежденных деревьев. Применение модели хода роста насаждений позволяет сравнивать экономическую эффективность проведения рубок ухода с помощью той или иной системы машин с учетом количества подходов и результата в возрасте главной рубки, при этом учитывается затраты на содержание и эксплуатацию машин, амортизацию, оплату труда и т.д.
Система поддержки принятия решения и описанные выше модели реализованы в виде готовых программ на языке Map Basic.