автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.01, диссертация на тему: Технологии рубок ухода - как объекты оптимального управления лесосечными работами

Автореферат диссертации по теме "Технологии рубок ухода - как объекты оптимального управления лесосечными работами"

ВОРОНЕХСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ- ЛЕСОТЕХНИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ

На правах рукописи

ГУСМАН ЕРИМАН■ЛОРЕНСО АНТОНИО

ТЕХНОЛОГИИ РУБОК УХОДА - КАК ОБЪЕКТЫ ОПТИМАЛЬНОГО УПРАВЛЕНИЯ ЛЕСОСЕЧНЫМИ РАБОТА!/Л

Специальность 05.21.01' - Технология и машины лесного хо-

. зяйства и лесозаготовок

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Работа выполнена на кафедре "Автоматизации производственных процессов" Воронежской государственной лесотехнической академии и б Воронежском ыехлесхозе

Научный руководитель - Доктор технических наук.профессор, Заслуженный деятель науки и техники России, академик АЕН РФ B.C. Петровский

Официальные оппоненты - Доктор технических наук, профессор,Член -

корреспондент АЕН РФ И.М. Бартенев

- Доктор технических наук, профессор А.А.Рындин

Ведущая организация. - Воронежское областное управление лесами

Защита диссертации состоится " 29 " декабря 1994 года в.10 часов в ауд.' 118, на заседании Совета по защите диссертаций Л 064.06.01 в . здании Воронежской государственной лесотехнической академии по адресу: 394613 г. Воронеж, ул. Тимирязева, 8.

Просим Ваши отзывы на автореферат присылать обязательно в двух экземплярах с заверенными подписями и направлять ученому секретарю

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВГЛТА

Автореферат разослан " ноября 1994 года

Совета по защите диссертаций Д 064.06.01, доктор технических наук профессор,Член - корреспондент АЕН ТО.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теш. В России и в других странах возрастают площади рубок ухода за лесами. Наука и практика выдвинули целый ряд обоснованных положений по планированию и проведению рубок ухода: осветлений, прочистки, прореживания, проходных и санитарных рубок. При этом неоО-ходимо вырубать отставшие в росте, угнетенные и фаутные деревья. Рубки ухода стимулируют рост и. развитие древостоев, одновременно являясь крупным источником получения древесины.

Научные результаты в этой области дают возможность решать практические задачи планирования, проведения рубок ухода в древостоях разных ' пород, возраста, бонитетаа и полноты для различных почвенно - грунтовых условий.

Эти достижения мирового лесоводства позволяют улучшить породно -качественный состав лесонасаждений и в какой-то мере снизить возраст технической спелости лесофонда.

Рубки ухода за лесами также улучшают экологга лесной среды.

В наставлениях.по рубкам ухода есть рекомендации по снижен:«) повреждаемости оставшихся деревьев после рубки. Такие поврежденные деревья являются объектагш размножения знтомофитовредителей и , они ухудшают экологическую обстановку. Поиск лесоводственно-технологических решений, снижающих частоту и тяжесть повреждений остающихся деревьев, является весьма актуальным для улучшения ведения лесного хозяйства и лесозаготовок. :

Одновременно осветление, прочистка и прореживание бывают часто экономически нерентабельными, не дают какую-либо прибыль, и чаще всего бывают убыточными,

Следовательно, лесохозяйственному производству иногда по экономическим причинам приходится отказываться от проведения этих рубок, тем самым оставляя на низком лесоводственно-экологическом и лесопромышленном уровне древостой.

В этой связи возникает крупная научно - практическая задача улучшения качества древостоев путем реализации высокорентабельных технологий рубок ухода с соблюдением лесоводственных ограничений.

Получаемые при рубках ухода и реализуемые сортименты круглого леса являются источником покрытия затрат на эти рубки. При этом необходимо с учетом лесоводственных ограничений определять количество вырубаемых деревьев с одного гектара и их средний диаметр и обеспечивать

повышение выхода высокоценных сортиментов круглого леса при переработке стволов деревьев. Это является актуальной научно - практической задачей лесного комплекса.

Поэтому диссертация , с одной стороны, посвящена научным исследованиям и разработкам по снижению повреждаемости остающихся деревьев, с другой стороны, по повышению выхода сортиментов круглого леса при рубках ухода. Все это, в конечном счете, направлено на повышение лесо-водственно - экологических показателей лесонасаждений и улучшение рентабельности рубок ухода.

Цель и задачи работы. .

Целью работы является системный анализ, натурные наблюдения, производственные эксперименты по рубкам ухода, математическое моделирование частота, тяжести повреждений, выхода высокоценных сортиментов круглого леса и решение многокритериальных оптимизационных задач выбора технологии рубок, числа вырубаемых деревьев и их диаметров.

Реализация цели настоящей работы приводит , в конечном счете, к разработке, апробация метода компьютерного планирования и технологи-ческогоуправления рубками ухода за лесом.

. . Цель исследований включает следующие задачи: .

- выполнить системный анализ рубок ухода, . как объектов-; оптимального управления лесосечными работами, с определением действующих.входных и выходных параметров, факторов процесса рубок ухода; , ;

- провести натурные наблюдения, пассивные, эксперименты на лесосеках Воронежсчкого мехлесхоза с определением частоты , : числа повреждений оставшихся деревьев и тяжести этих поврежден»«, определить выход основных сортиментов круглого леса с каждой лесцсёк# и с.одного гектара;

- установить методом экспертных оценок ранжировку приоритетов и вес каждого вида повреждения оставшихся деревьев,' а также вес используемого типажа механизма трелевки; ,

- предложить структуру и получить на Звм,' на основе производственных экспериментов, математические модели частоты повреждений оставшихся деревьев по каждой тяжести, степени интенсивности повреждения;

- определить по математическим моделям характер и степени влия нкя таксационных и технологических Факторов на частоты интенсивностей повреждений оставшихся деревьев;

- разработать метод оптимизации выбора технологии, оборудования

трелевки и числа деревьев с минимизацией степени тяжести повреждений деревьев на основе решений многокритериальной задачи оптимизации;

- обосновать структуру и получить на ЭВМ математические модели выхода сортиментов круглого леса при рубках ухода на основе производственных экспериментов;

- разработать метод многокритериальной оптимизации выбора числа вырубаемых деревьев и их диаметра с наибольшим воамошым выходом сортиментов круглого леса;

- выполнить компьютерные решения оптимизационных задач рубок ухода, определить характер позитивного влияния этих решений на сохранность остающихся деревьев и выход сортиментов круглого леса;

- сделать анализ экономической , экологической эффективности разработанных методов оптимизации планирования и управления рубками ухода и представить рекомендации производству по решению вопросов оптимизации рубок ухода за лесом в сосновых насаждениях, в частности, Воронежскому мехлесхозу, Воронежскому учебному опытному лесхозу, Министерству лесного хозяйства и охраны природы Никарагуа.

Методика исследования включала в себя , прежде всего, системный анализ процесса рубок ухода за лесом - как объекта оптимального управления. В связи с чем, все входные параметры процесса рубок ухода были разделены на две группы: первая группа - исходные таксационные характеристики древостоя; вторая группа - искомые параметры процесса, оптимизирующие лесовадственные и экономические выходные показатели рубок ухода. Для решения поставленных задач, в практическом плане, были прб1 ведены натурные наблюдения, измерения в двадцати шести лесосеках разного возраста, полноты сосновых древостоец! Воронежского мехлесхоза. Методикой предусматривалось использование извествных методов математического моделирования компьютерной оптимизации многокритериальных процессов биологии и технологии..

Объектами исследования являются процессы рубок ухода за лесом в сосковых дрсБОстаях в возрасте 10. 100 лет, первого и второго бонитета.

Научная новизна работы

Научная новизна результатов, полученных з диссертационной работе, состоит в следующем: ,

- рубки ухода за лесом рассмотрены как сбъесты оптшальиого управления, отличавшиеся тем, что в результате системного анализа определены две группы управляемых и неуправляемых параметров, и лесоводс-

твенные-технологические и выходные параметры, целевые функции процесса;

- получены математические модели частоты и тяжести повреждений оставшихся деревьев, математические модели выхода сортиментов круглого леса, отличающиеся учетом входных таксационных и технологических параметров рубок ухода;

- разработана система компьютерной оптимивации рубок ухода, отличающаяся тем, что желательный тип трелевочного трактора, количество вырубаемых деревьев и их диаметр определяются на основе решения многокритериальных оптимизационных задач с учетом лесоводственных ограничений;

- разработанные алгоритмы, программы компьютерной оптимизации рубок ухода отличаются тем, что при решении многокритериальной задачи методом экспертных оценок определяется вес каждого показателя, а поиск экстремумов сводных аддитивных Функций производится методом итерации;

-•расчет экономической эффективности рубок ухода отличается тем, что учитывается прибыль от повышения объемно - качественного выхода сортиментов круглого леса и от снижения числа поврежденных деревьев, то-есть от уменьшения потерь стволовой дре весины.

Реализация разработанного метода многокритериальной оптимизации, программных средств компьютеризации промежуточных рубок на предприятиях лесоустройства, лесного хозяйства позволяет повысить прибыль от рубок ухода и снизить количество поврежденных деревьев.

■ Материалы отдельных глав диссертации докладывались и обсуждались на научных конференциях Воронежской государственной лесотехнической академии в'1991 -1994 годах.

По теме диссертационной работы опубликовано 4 научные статьи.

Структура и . объем работы

Диссертация состоит из введения, 6 глаз, выводов, заключения, списка литературы из 117 наименований, приложений й включает рисунков, таблиц. Объем основного текста составляет 150 машинописных страниц/

Результаты, выносимые автором на защиту

- системный анализ, целевые функции рубок ухода - как объектов многокритериального оптимального управления лесосечными работами;

- математические модели повреждаемости деревьев, выхода сортиментов круглого леса в сосновых древостоях Воронежского мехлесхоэа;

- методы компьютерной оптимизации выбора типажа трелевочного трактора, диаметра и количества вырубаемых деревьев при рубках ухода;

- алгоритмические процедуры и программы ЗЕМ оптимизации управляемых входных, параметров рубок ухода;

- методика определения зкологической, экономической эффективности рубок ухода - как объектов оптимального управления.

В первой рдаве расмотрено состояние и перспективы развития технологии рубок ухода - как сложных мноогоперационных систем. Дается анализ научных публикаций по разработкам технологии и оборудования рубок ухода. Выполнен анализ влияния показателей технологии и оборудования на интенсивность и степень тяжести повреждений остающихся деревьев.

Этим явлением неуделялось должного внимания, хотя при проектировании и испытании новой техники рубок ухода эти вопросы в какой-то мере рассматривались.

Однако, значительных результатов исследований в этой области практически нет.

Интенсивность, тяжесть повреждений оставшихся деревьев после рубок ухода - это явление случайного порядка для каждого Дерева. Однако, при массовом наблюдении эти повреждения, конечно, зависят от применяемого оборудования, технологий, числа вырубаемых деревьев с 1 га, возраста, полноты и других.

Уместно отметить, что интенсивность повреждении может быть разной. - от легкого повреждения ветвей, коры до полного слома ствола дерева.

Автором показано, что компьютеризация решения ¡задач определения целесообразной технологии и числа вырубаемых деревьев должна основываться на учете требований снижения и устранения самых тяжелых поврен-дении.

По рубкам ухода имеется много публикаций, однако, вопросам повышения выхода высокоценных сортиментов, при соблюдении лесоводственных ограничений, не уделялось достаточного Екимания.

■ Во второй главе приводятся результаты системного анализа, предложены критерии оптимальности выбора оборудования, парямзтры рубок ухо* да. Эти рубки рассмотрены как объекты оптимального упраг-лс-нил и с ого-

Сими биологическими свойствами, и сложными лесоводственными ограничениями.

На рубки ухода, как объекты лесохозяйственного управления, действуют две группы входных переменных факторов:

- входные переменные, которые можно только контролировать, но не менять. Этими переменными являются возраст, бонитет, полнота, количество деревьев на 1 га, текущий и средний прирост стволовой древесины;

- входные, контролируемые и изменяемые лесоводом, технологом параметры рубок ухода. Это - число вырубаемых деревьев с 1га, величина и снижение полноты, средний диаметр вырубаемых деревьев, вариант технологии рубок ухода.

Изменяя параметры входных переменных второй группы, представляется возможным улучшить выходные параметры рубок ухода - параметры третьей группы. .

В качестве выходных параметров управляемого процесса рубок ухода представляется необходимым иметь следующие: степень повреждаемости оставшихся деревьев от действия оборудования лесосечных работ, выход сортиментов круглого леса, себестоимость 1га рубок ухода,. производительность лесосечных работ, текущий и средний прирост стволовой древесины после рубок ухода, текущий и средний приросты по диаметру, степень повреждения почвенного покрова и другие.

Исходя из актуальных на сегодняшний день задач совершенствования управления рубок ухода, целесообразно рассматривать только два выходных показателя, две целевые функции рубок ухода.

С учетом этого, рубки ухода, как объекты оптимального упраления имеют структуру , которая показана на рио.1.

В этой главе описываюся методики исследования, контроля, оценки параметров процесса рубок ухода за лесом, дается обоснования наиболее приемлемых целеых функций, критериев оптимальности управления технологиями рубок ухода.

В третьей главе показаны математические модели повреждаемости деревьев при рубках ухода, математические модели выхода сортиментов круглого леса при рубках ухода в сосновых древостоях Воронежского мех-лесхоэа.

В таблицах 1,2 представлена фактические результаты экспериментов, наблюдений повреждаемости деревьев, выхода сортиментов круглого леса по L'6 лесосекам.

Входные параметры "X"

1 Запас на 1 Га, гр. мэ/Га_

диаметр выруб. • деревьев, см

Вид трелевоч. механизма, шт.

Колич.деревьев до РУ . ит.

гр. Колич вырубаемых дерев.,шт.

Иронзсс рубок уходп-кяк обьекты оптимального ' упрявления

Выходные параметры "Y" 3 гр.

Тяжести и степени повреждений

Степень повреждение Yi Степень повреждения,. Y-> Степень повреждения^ Уз

Степень повреждения.. Y4

Степень повреждения^ Ys

Выход Сортиментов Пиловочник ,м3/га

Рис. 1 Структура математической модели процесса рубок ухода

По первому критерию повреждаемости число деревьев на 1га каждой лесосеки показано по степени тяжести их повреждаемости

Yi, Y2i Y3, Y4. Ys

где Yi - слом ствола дерева ниже 0,5 H высоты; Y2 - слом ствола дерева выше 0,5 H еысоты; Y3 - слом вераинок стволов;

Y4 - повреждения корневой.системы у растуоих деревьев; Ys - повреждения кроны, коры.

Таблица 1 показывает, что тяжесть повреждений оставшихся поел* рубок.деревьев определяется следующей ранжировкой:

VI > У» > Уэ У4 > У5 , < 1 >

Структура математических моделей покагываат. чте частзта хпядэЯ из пяти степеней повреждения оставшихся деревьев эазисит одновременно от всех пяти входных параметров X), X*; Хэ. Хз. -

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ПОВРЕЖДЕНИЯ ДЕРЕВЬЕВ НА 1 ГА ПОСЛЕ РУБОК В ЛЕСОСЕКАХ БОРСКОГО ЛЕСНИЧЕСТВА

1 входные параметры " X " выходные параметры " У "

i д^*- 1 группа 2 группа 3 группа

j «-0-i сек таксационные показатели количество повреждаемых деревьев

! j i Еограст X полнота до рубки V. л» вид трелев оборуд Хз кол-во деревьев до руб/1Га Х5 КОЛ-ЕО СрУбЛ. дерев. 1 Га V. ль степ, поврежд Yi степ, поврежд V , IV степ, поврежд степ, поврежд Y4 степ, поврежд Y5 всего поврежд Кп

i i i ' о i 4 i 5 i 6 \ 7 ' 8 ' У 1 10 ■ i i 26 26 18 23 32 1. 33 i 24 ! 16 1 Î6 l 19 5 и, 95 0,97 1,0 0,90 0,85 0,85 0,97 0,80 i 0,70 1 0,82 | 0,95 1,0 2,0 3,0 3,0 1,5 ' 3,0 2,0 3,0 2,0 1,5 1,5 ч ОПП 1С. UO 1800' 1870 • 2857 1309 1857 1794 1846 5488 700 2630 480 271 861 300 180 80 420 ЯЯ6 1107 12 300 0 С. 0 1 2 1 1 *> 3 2 2 А с 0 0 2 1 0 2 1 0 ' 1 12 14 6 12 23 г 14 13 18 0 5 12 13 6 2 5 6 7 5 4 2 3 С 4 1 0 2 0 2 ■ 0 4 0 1 - ГТ » С! 33 14 16 33 11 25 23 ' 29 2 . 12

Примечание : вид трелевочного оборудования соответствует - 1 - трактор ТТ-55,

1,6 - ЛХ трпптор MT5-6E, Е.О - троптор ЛКТ-61, ЭВ0 - ЛХ трактор -»"'муравей"

📎📎📎📎📎📎📎📎📎📎