МЕТОД АВТОМАТИЗИРОВАННОГО УПРАВЛЕНИЯ ВЫРАЩИВАНИЕМ ОДНОВОЗРАСТНЫХ ХВОЙНЫХ НАСАЖДЕНИЙ
Мурзинов Ю.В. (ВГЛТА, г. Воронеж, РФ)
In clause the method of automation control of cultivation of coniferous plantings is received. Computer-aided engineering system by definition of modes and parameters of cleaning cutting is considered by forestry. The block diagram of algorithm of calculations is submitted. Are received the regression equations for definition of parameters of growth of trees. The criterion of optimization of cleaning cutting in coniferous plantings is allocated.
Лесное хозяйство Российской Федерации постоянно решает задачи непрерывного и рационального лесопользования, улучшения качественного состава лесов и повышения выхода деловой древесины. Технологический процесс получения деловой древесины состоит из различных этапов, среди которых наиболее значимым являются рубки ухода.
Рубки ухода за лесом были и остаются самым трудоёмким, сложным и потому проблематичным лесохозяйственным мероприятием. Уход за лесом является распределённым во времени процессом на протяжении всего периода лесовыращивания и на каждом возрастном этапе имеет свои особенности, которые заключаются, прежде всего, в возрастной оптимизации площади питания каждого дерева.
Рассмотрим структурную схему управления процессом выращивания одновозрастных хвойных насаждений представленную на рис.1.
Рисунок 1- Структурная схема управления процессом выращивания одновозрастных хвойных насаждений
Информация об объекте (объём лесонасаждения V, количество деревьев в нём N, средний диаметр D и средняя высота H деревьев в лесонасаждении) считывается с помощью различных устройств и блоком «измерение параметров» представляется в форме удобной для передачи на управляющую ЭВМ, которая оценивает текущее состояние лесонасаждения, как объекта управления, и выдает режимы проведения рубок, включающие в себя
- возраст лесонасаждения, при котором будет проведена рубка ухода, Т;
- объём вырубаемой части лесонасаждения ΔV;
- количество вырубаемых деревьев ΔN;
- систему лесозаготовительных машин (ЛЗМ), представляющую собой исполнительное устройство, воздействующее на объект управления в виде рубок ухода.
После проведения рубки ухода вновь собираются данные о лесонасаждении, к которым добавляются сведения о проведённой рубке – объём полученной древесины ΔV, количество срубленных деревьев ΔN и размерно-качественные характеристики (РКХ) полученных стволов деревьев. Далее оператор выбирает критерий, по которому будет проводиться оптимизация выращивания одновозрастных хвойных насаждений (максимальный выход стволовой древесины Kv или максимальная стоимость получаемых сортиментов Kc).
В настоящее время существуют методики оптимизации выращивания лесонасаждений путём повышения эффективности проведения рубок ухода. Анализ восстановления полноты насаждений, проведённый С.Н. Сенновым [2] показывает, что прирост насаждения, пройденного правильными рубками ухода можно считать неизменным. При этом отпад оставленных в покое деревьев заметно снижается, и в идеальном случае практически равен нулю, что даёт насаждению восстановиться до исходной полноты. При обоснованном проведении промежуточных рубок величина отпада составляет примерно 0.1 % в год от величины общего запаса насаждения. Поэтому каждую последующую рубку назначают при восстановлении полноты насаждения до единицы.
Для построения метода автоматизированного управления разработаны математические модели, адекватно описывающие процесс роста одновозрастных хвойных насаждений и их реакции на рубки ухода.
Двухпараметрическая модель связывает среднюю высоту дерева с возрастом и средним диаметром деревьев хвойного насаждения
, (1)
где H – средняя высота дерева, м; T – возраст лесонасаждения, лет; D – средний диаметр деревьев, м.
Соотношение для определения количества деревьев в хвойных насаждениях
, (2)
где N – количество деревьев в лесонасаждении в возрасте T, шт.
Двухпараметрическая модель общего текущего прироста объёма древесины в хвойных насаждениях
, (3)
где Zобщ – общий текущий прирост лесонасаждения, м3.
Двухпараметрическая модель прироста растущей части хвойных насаждений
, (4)
где Zраст – прирост растущей части лесонасаждения, м3.
Уравнение, определяющее запас разреживаемого хвойного насаждения в возрасте Т
, (5)
где 
– запас разреживаемого
лесонасаждения в возрасте Т, м3; 
– запас лесонасаждения
до проведения рубок ухода в некотором начальном периоде T0, м3;
K0=0,1…0,2 % – среднегодовой процент отпада после проведения рубок
ухода; 
–
часть запаса лесонасаждения, удаляемая при р-й рубке ухода и равная
объёму промежуточного пользования, м3; T1 – время
проведения первой рубки, лет; п – число рубок ухода, проведённых за период
от T0 до Т.
Модели (1) – (5) образуют систему уравнений, решение которой позволяет получить оптимальные показатели режимов рубок ухода. Реализация процесса оптимизации выращивания одновозрастных хвойных насаждений показана на структурной схеме (рис.2).
Рисунок 2- Схема расчёта режимов рубок ухода за лесом
В структурной схеме показаны условно два процесса ростра одновозрастных хвойных насаждений. Ветвь А характеризует процесс роста при условии проведения рубок ухода. Ветвь Б характеризует естественный процесс роста лесонасаждения и, хотя его объём постоянно возрастает, полнота лесонасаждения в каждый момент времени остается постоянной и равна единице. Временные интервалы, определяющие этапы воздействия на объект управления (лесонасаждение) вычисляются с учётом восстановления полноты лесонасаждения до единицы.
Система автоматизации инженерных расчётов режимов и параметров рубок ухода за лесом варьирует проценты изреживания запаса древостоев Pj и возраст проведения первой рубки T1, и, следовательно, возрасты проведения рубок ухода Ti. Оптимизация режимов и параметров рубок ухода проводится по общему объёму заготавливаемой древесины:
. (6)
На основе структурной схемы (рис.2) и двухпараметрических регрессионных моделей хода роста (1) – (4) была разработана компьютерная программа для ЭВМ [1]. Интерфейс работы программы показан на рис.3.
Рисунок 3- Интерфейс системы автоматизации поиска оптимальных режимов и параметров рубок ухода
Разработанная система автоматизации инженерных расчётов режимов и параметров рубок ухода за лесом осуществляет имитационное моделирование хода роста сосновых насаждений (Iа, I, II и III бонитетов) позволяет отобразить динамику их основных таксационных параметров. Преимуществами применения компьютерной оптимизации планирования рубок ухода является увеличение пользования древесиной, снижение возраста получения технически спелой древесины и улучшение качества древесных стволов.
Литература
1. Патент 2010610420 РФ. Программа для расчета режимов оптимального ускоренного выращивания сосновых древостоев: программа для ЭВМ. -М.: Роспатент, 2010.
2. Сеннов С.Н. Уход за лесом (экологические основы). -М.: Лесн. пром-ть, 1984. -128 с.