САПР режимов и технологий рубок ухода за лесом как объектов оптимального управления лесовыращиванием

Актуальность темы

.

В России и в других странах непрерывно возрастают площади и объема рубок ухода за лесом. Наука и практика выдвинули целый ряд обоснованных положений по планированию и управлению при проведении рубок ухода: осветления, прочистки, прореживания, проходных и санитарных рубок. При этом вырубаются отставшие в росте, уг нетенные, фаутные деревья. Рубки ухода стимулируют рост и развитие древостоев, одновременно являясь крупным источником получения древесины.

Известно много научных работ в области совершенствования лесохо-зяйственных, технологических мероприятий, направленных на повышение эффективности рубок ухода промежуточного пользования [1,2,3,4,5,6,7,11,13,20,21,25,32,34,36,41,44,46,66,86]. В этих публикациях из разных стран представлено много фактического материала по лесово-дственным, экологическим, экономическим проблемам рубок ухода. Эти научные положения, рекомендации дают возможность на нынешнем этапе решать практические задачи планирования и управления при проведении рубок ухода в древостоях разных пород, возраста, бонитета, полноты и для различных почвенно-грунтовых условий.

Эти достижения мирового лесоводства дают возможность улучшить породно-качественный состав лесонасаждений, в какой-то мере снизить возраст технической спелости лесного фонда.

Рубки ухода за лесом также улучшают экологию лесной среды.

Справедливости ради, нужно отметить, что обширная научная литература практически содержит много указаний, рекомендаций, по сокращению частоты и тяжести повреждений остающихся деревьев после рубки ухода.

Такие поврежденные деревья являются привлекательными для энто-мофито вредителей и они ухудшают экологическую лесную среду. Поиск лесоводственно — технологических решений, снижающих частоту и тяжесть повреждений остающихся деревьев остается весьма актуальным для решения научно практических задач улучшения ведения лесного хозяйства и лесозаготовок. Действительно снижение частоты и степени тяжести повреждений оставшихся деревьев является важнейшим мероприятием лесного комплекса при проведении рубок ухода.

Рубки ухода за лесом — осветление, прочистки, прореживание, из-за получения мелкотоварной древесины, часто являются экономически нерентабельными, не дают какую либо прибыль, и наоборот, бывают даже убыточными.

Следовательно, лесохозяйственному производству иногда по экономическим причинам приходится отказываться от проведения этих рубок, тем самым, лесоводственно — экологический, лесопромышленный уровень древосгоев остается низким.

В этой связи возникает крупная научно — практическая задача улучшения качества древосгоев путем разработки САПР оптимального выбора режимов и технологий рубок ухода. По группе задач этого вопроса имеется ряд публикаций [2,4,5,6,10,11,15,16,21,22,23,33,52,53,57], которые носят характер общих рекомендаций. Однако каким образом, выполняя лесоводственные ограничения, повысить прибыль от рубок ухода эти рекомендации содержат малоконкретные, малоубедительные предложения. Имеются также публикации по увеличению суммарного объема деловой древесины, но нет четких рекомендаций для выбора оптимальных сроков рубки и диаметра технической спелости для увеличения получаемого объема деловой древесины в год с одного гектара. В связи с чем выбранное направление и тема диссертации представляется актуальной для науки и практики рубок ухода за лесом, так как, с одной стороны, научные разработки направлены на повышение производственно экологического уровня в сосновых древостоях, с другой стороны, для повышения экономической эффективности, прибыли от рубок промежуточного пользования.

Цель работы.

Состоит в создании САПР управления выращиванием лесфонда с проведением рубок ухода и выбором систем машин, при использовании оптимизационных математических моделей, которые обеспечивают наибольшую эффективность промежуточных и сплошных рубок, выбор трелевочного оборудования, что позволяет сократить время лесовыращивания, увеличить объем: стволовой древесины от промежуточных и сплошной рубки, снизить повреждение остающихся деревьев после рубок ухода.

Реализация цели исследования приводит, в конечном счете к разработке, апробации САПР планирования и управления рубками ухода за лесом.

Цель исследований включает следующие задачи:

1. Выполнить системный анализ рубок ухода как объектов оптимального управления лесосечными работами с определением действующих входных и выходных, параметров, факторов процесса рубок ухода и главной рубки.

2. Определить математические и экономико-математические модели хода роста древостоев и их реакции на рубки ухода.

3. Получить математические модели технологии лесосечных работ и выбора трелевочного оборудования.

4 Разработать алгоритмы, программы расчета оптимальных сроков и процентов вырубаемых деревьев с получением максимального объема и стоимости стволовой древесины от промежуточных и сплошных рубок.

5. Разработать алгоритмы, программы определения оптимального оборудования с уменьшением степени повреждаемости остающихся деревьев.

6. Сделать анализ экономической, экологической эффективности научных разработок, методов оптимизации планирования и управления рубками ухода и представить практические рекомендации по решению вопросов оптимизации рубок ухода за лесом в сосновых насаждениях, в частности Воронежскому государственному лесоустроительному предприятию «Воронеж-лесопроект» .

Объекты и методы исследований.

Объектами исследований являлись процессы хода роста нормальных одновозрасгных сосновых насаждений и технологические процессы лесосечных работ.

Для решения поставленных задач использованы методы системного анализа, существующие научные разработки, в которых освещаются вопросы выбора систем машин и режимов рубок ухода, методы математического и имитационного моделирования, математической статистики, параметрической и структурной оптимизации, машинного программирования.

Научная новизна полученных результатов.

• Проведенный анализ системы промежуточных и сплошных рубок леса и соответствующих технологий дал возможность получить более полное представление о процессе лесовыращивания, отличающееся учетом внутреннего взаимодействия компонентов системы, рассмотрением в совокупности лесоводственных, лесозаготовительных и экономических составляющих данного процесса. ® Полученные автором математические, экономико-математические модели хода роста нормальных сосновых насаждений и их реакций на рубки ухода отличаются тем, что учитывают большое количество входных параметров, изменяющихся в заданных диапазонах. Как следствие этого данные модели являются, более точными в описании реальных процессов роста сосновых древостоев.

Вычислительные процедуры, алгоритмы моделирования хода роста и оптимизации режимов лесовыращивания, выбора технологий рубок ухода отличаются последовательностью проведения необходимых вычислений и предусматривающие возможность долгосрочного прогнозирования хода роста насаждений и планирования рубок ухода. Предложенный метод определения технической спелости древостоев в САПР управления лесовыращиванием и выбором трелевочного оборудования отличается обоснованностью назначения целевого диаметра технической спелости, определяемого из расчета получения максималь ной прибыли от лесовыращивания с 1 га лесфонда в год и снижения безвозвратных потерь, вследствие повреждения деревьев.

Предложенный метод и алгоритм выбора типа трелевочного трактора отличается решением многокритериальной задачи, что дает возможность уменьшить число поврежденных деревьев, оставшихся после рубок ухода.

Степень достоверности результатов проведенных исследований,.

Использование корректного математического аппарата, в частности метода наименьших квадратов, «золотого сечения», «штрафных функций» и регрессионного анализа, позволило автору целенаправленно провести математическое, экономико-математическое моделирование процесса лесовыращивания с использованием системы промежуточных и сплошных рубок леса с оптимизацией выбора трелевочного оборудования. При этом автором диссертации получены достаточно адекватные матемагические модели текущих: приростов нормальных сосновых насаждений и изменения основных лесотаксационных параметров насаждения в зависимости от возраста. Отклонения расчетных значений, полученных по регрессионным уравнениям от фактических, опытных лесоводе! венных данных составили не более 5%, что говорит о достаточном соответствии разработанных математических моделей реальным процессам роста нормальных сосновых насаждений. Использование апробированных в практике таблиц хода роста нормальных сосновых древостоев дало возможность получить комплекс алгоритмов, компьютерных программ для проведения оптимизационных расчетов режимов промежуточных и сплошных рубок и выбора трелевочного трактора, которые позволяют увеличить выход стволовой древесины с I га лесфонда за 1 год лесовыращивания. Реализация научных, разработок в учебном процессе и в практике компьютеризации проектирования процессов лесовыращивания и проведения рубок ухода показало практическую приемлемость полученных моделей, алгоритмов САПР лесовыращивания и технологий лесосечных работ.

Практическая значимость. Математические модели, вычислительные процедуры, алгоритмы САПР лесовыращивания с проведением промежуточных и сплошных рубок и выбором трелевочного оборудования позволяют практике лесного хозяйства решать задачи долгосрочного прогноза хода роста нормальных сосновых насаждений, обоснованно проектировать промежуточные и сплошные рубки леса при снижении возраста технической спелости, увеличении объемов пользования древесиной и снижения числа повреждений оставшихся деревьев. Вычислительные процедуры, алгоритм, компьютерная программа оптимального выбора типа трелевочного трактора, по критерию минимального повреждения остающихся деревьев дают возможность снизить потери древесины, улучшить экологический уровень лесфонда вследствие снижения количества засохших и подверженным болезням поврежденных деревьев.

Апробация работы.

Материалы отдельных глав диссертации докладывались и обсуждались на научных конференциях Воронежской Государственной лесотехнической академии в 1995 — 1998 г. г., на международном симпозиуме ИЮФ-РО «ЬАШХ — 98» в городе Красноярске.

Публикации работы.

По теме диссертационной работы опубликовано восемь научных статей.

Структура, и объем работы.

Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов, заключения, спи- 7 ска литературы из 90 наименований, приложения, 26 рисунков, 19 таблиц. Объем основного текста составляет 144 страницы.

ВЫВОДЫ.

1. Научные разработки САПР рубок ухода, представленные в диссертации, направлены на повышение экологического и экономического уровня лесовыращивания и лесоэксплуатации. Интересы этих двух показателей взаимно переплетаются. Так выбор оптимальных режимов рубок ухода и трелевочного оборудования ведет к снижению повреждаемости остающихся деревьев, повышает суммарный объем попеной платы, оптовой цены за стволовую древесину лесфонда.

2. Оптимизация режимов рубок ухода, по сравнению существующей практикой решения этого вопроса, дает возможность увеличить объем стволовой древесины, полученной от промежуточных и сплошной рубки, что составляет: 0,9- 1,17- 0,33- 1,53 усл.ед./год с одного гектара в 1а, 1,2 и 3 бонитетах соответственно.

3. Снижение числа повреждаемых деревьев, при обоснованном выборе трелевочных тракторов, дает экономический эффект 0,763 усл.ед./год с одного гектара за счет уменьшения безвозвратных потерь стволовой древесины и попенной платы за нее.

4. Общая экономическая эффективность оптимизации рубок ухода состоит из прибыли, полученной от увеличения объема промежуточного и главного пользования древесины и снижения потерь попенной платы за поврежденные и пришедшие в неликвидное состояние древесные стволы. Этот общий эффект составляет 1,75 усл.ед./год с 1гектара. 5. Научно-практические результаты исследований и разработок дали возможность сделать конкретные рекомендации производству по построению САПР рубок ухода и выбора трелевочного оборудования с целью значительного повышения экономического и экологического уровня систем лесовыращивания и лесоэксплуатации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе решены актуальные научно — практические задачи создания одной из отраслевых САПР с компьютерной оптимизацией рубок ухода — как объектов оптимального управления одним из направлений лесохозяйственного производства. Эти результаты дают возможность существенно повысить экономическую эффективность, а также повысить лесоводственно — экологический уровень ведения лесного хозяйства.

Основные научные и практические результаты исследований заключается в следующем.

1. Рубки ухода за лесом представляют собой сложный объект системного анализа. Определен перечень основных исходных таксационных входных параметров рубок, определены основные изменяемые параметры процесса, оптимизация которых позволяет увеличить объемы промежуточного и главного пользования древесиной, снизить частоту и тяжесть повреждений остающихся деревьев после рубок ухода.

2. Разработаны методы, которые позволяют получить математические модели хода роста сосновых древостоев, их реакции на рубки ухода, частоты повреждаемости деревьев разной степени тяжести.

3. Разработаны вычислительные процедуры, алгоритмы и программы САПР с оптимизацией выходных режимных параметров рубок ухода с использованием математических методов: «золотого сечения», «итераций», «штрафных функций» и «улучшенного перебора».

4. Предложен и обоснован метод определения экономической и экологической эффективности САПР рубок ухода.

5. Полученные в диссертации новые научные результаты расширяют и углубляют математическую теорию рубок ухода за лесом:

— найденные математические модели хода роста сосновых древостоев позволяют, исходя из конкретных таксационных характеристик древостоев, прогнозировать изменение запаса стволовой древесины, определять реакцию сосновых древостоев на проводимые рубки ухода;

— решать задачи многокритериальной оптимизации выбора типа трелевочного трактора;

— метод компьютерной оптимизации рубок ухода дает возможность позволяет создовать математические модели, алгоритмы и программы повышения эффективности рубок ухода для других пород и бонитетов насаждений;

— научные положения в области экономической оценки эффективности рубок ухода получили свое развитие в виде математического аппарата экономических расчетов.

6. Практика рубок ухода за лесом, в частности, практика лесоустроительных предприятий лесного комплекса, получили методы и программное обеспечение САПР рубок ухода за лесом, которые дают возможность:

— компьютеризировать математическое моделирование рубок ухода и их оптимизацию, что ставит планирование рубок ухода на современный уровень высоких технологий;

— увеличить объем стволовой древесины, получаемой от промежуточных и сплошных рубок с 1 га, что составляет в среднем 10,5%;

— существенно снизить повреждаемость оставшихся после рубок ухода деревьев, в том числе по Воронежскому мехлесхозу на 16%;

— получить значительный экономический эффект за счет увеличения объема промежуточного и главного пользования лесом, который составляет в среднем с одного гектара 0,98 усл.ед./год, а также за счет снижения числа поврежденных деревьев 0,763 усл.ед./га. Общий экономический эффект составил 1,75 усл. ед/год с одного гектара.

7. Полученные результаты исследований открывают новые направления дальнейшего совершенствования и повышения экономической, лесоводственно — экологической эффективности рубок ухода за лесом.

В частности, требуют своего решения проблемы САПР режимов и технологий рубок ухода в смешенных насождениях, обеспечивающих снижение возраста технической спелости древостоев и увеличение общего объемного выхода стволовой древесины от рубок промежуточного пользования и рубок главного пользования.

Тем самым, в конечном итоге, снижаются потребности в площадях вырубаемых лесов с одновременным обеспечением потребностей народного хозяйства в древесине.