Обоснование методики проектирования лесосечно-транспортных процессов на базе геоинформационных систем и глобальных систем позиционирования

Актуальность темы

: Лесопромышленный комплекс является одной из важнейших отраслей экономики страны. Леса России по площади и запасу составляют 22% общей площади и запаса лесов планеты. Большая ответственность перед страной и мировой общественностью — проводить качественный учет состояния лесов, обеспечивать их охрану, воспроизводство и рациональное использование.

Согласно лесному кодексу Российской Федерации, заготовка древесины осуществляется преимущественно при рубках главного пользования, проводимых в спелых и перестойных древостоях. По данным Федерального агентства лесного хозяйства [62], в России общий запас древесины превышает 82 млрд. куб.м. Ежегодная расчетная лесосека составляет около 520 млн. куб.м., в том числе по хвойному хозяйству — 295 млн. куб. м, а осваивается, в среднем по стране, около 22% объема расчетной лесосеки. Наиболее интенсивно используются леса северо-западных, северных, центральных и западных районов европейской части страны. Расчетная лесосека по хвойному хозяйству на территории Европейско-Уральской части Российской Федерации осваивается на 40−60%.

Из потенциальной нормы неистощительного лесопользования свыше 500 млн. куб. м неиспользованным остается около 400 млн. куб. м, в том числе по хвойному хозяйству свыше 200 млн. куб. м [13].

Факторами, ограничивающими развитие лесозаготовок, являются резкое снижение уровня инвестиций в лесной сектор, обусловленные мировым экономическим кризисом и процессом реформирования отрасли, значительное падение спроса на древесину как внутри страны, так и за рубежом, низкая способность стратегического планирования лесозаготовительных предприятий на значительную перспективу.

Создание эффективной системы лесоэксплуатации на принципах неистощительного лесопользования требует четкой планово-проектной взаимосвязи лесопромышленной и лесохозяйственной деятельности, учета лесоводственных, экологических и природных ограничений, потребностей рынка. Комплексного решения этих вопросов можно достичь путем создания интегрированных систем автоматизированного проектирования и управления лесопользованием на базе современных геоинформационных систем и технологий.

Решение должно быть таковым, чтобы обеспечить выгодность, экономическую целесообразность проведения всех видов хозяйственной деятельности, включая лесозаготовки, лесотранспорт, используя методы, направленные на повышение продуктивности лесов и уменьшение затрат, сохранение экологической устойчивости лесов и лесохозяйственных требований.

Для рациональной организации заготовки древесины и ее вывозки необходимо применение комплексного логистического подхода, составной неотъемлемой частью которого является транспортное освоение арендуемых участков лесного фонда каждого лесозаготовительного предприятия (ЛЗП).

Существующая система организации лесосечно-транспортного процесса в ЛЗП предлагает годовое, квартальное и помесячное его планирование.

Особо актуальной в связи со сложившейся системой организации заготовки древесины, ее сезонностью является оперативное помесячное планирование лесозаготовок и транспорта леса на годовой срок действия лесной декларации, которое носит массовый характер. Оно осуществляется на уровне планово-производственных отделов предприятия и предполагает определение не только объемов и сроков, но и местоположение лесозаготовок и строительство необходимых лесных дорог, что, в конечном счете, определяет эффективность всего лесозаготовительного процесса.

Существующая практика организации лесосечно-транспортных работ при освоении лесосек лесной декларации содержит множество неформализованных субъективных этапов, в основном основанных на интуиции специалиста и опыте предыдущих лет.

Географические информационные системы (ТИС) в комплексе с глобальными спутниковыми системами позиционирования и навигации становятся одним из основных средств управления природными ресурсами и организации многих видов производства[19,30−32,52,53]. На данный момент ГИС являются оптимальным средством хранения, обработки и представления данных о лесных ресурсах. Все лесоустроительные предприятия России [80] используют ГИС-технологии и системы спутникового позиционирования для создания баз данных лесного • фонда, выполнения расчетов лесопользования, создания проектных материалов. Геоинформационные базы данных лесоустройства содержат как минимум две структурные частиэлектронные карты лесов и совмещенные с ними атрибутивные базы данных с географическими координатами и таксационными характеристиками. Для пользователя геоинформационными базами данных лесного фонда (сотрудника лесозаготовительной организации) имеются возможности оперативного обращения к картографическим и атрибутивным данным, получения разносторонней информации о ресурсах, наглядного представления результатов поиска на карте и местности и выноса проектных I объектов в натуру. Преимуществом ГИС перед иными программами и технологиями является возможность пространственного анализа данных. Так, при организации лесосечно-транспортных процессов периодически возникают задачи, связанные с определением пространственных характеристик объектов — положения, близости, соседства, формы. Типичными вопросами, связанными с пространственными характеристиками объектов являются: «где расположены отведенные в рубку лесосеки?», «какова их площадь, форма, направление заруба?», «по каким дорогам к ним удобнее попасть?», «где размещены леса высокой природоохранной ценности, ключевые биотипы редких и исчезающих видов?», «стоит-ли строить лесовозный ус или увеличить расстояние трелевки?», «где устраивать погрузочный пункт, сезонный склад, магистральный и пасечные волоки?» Инструменты и технологии ГИС в комплексе с системами спутникового позиционирования и навигации позволяют решать подобные задачи на основе оптимизационных экономико-математических моделей.

С учетом вышеизложенного, разработка методики на основе системного подхода, математического моделирования и оптимизации, позволяющей комплексно решать задачу организации лесосечно-транспортных процессов при освоении лесосек лесной декларации ЛЗП на основе геоинформационных и спутниковых навигационных систем и технологий является актуальной.

Цель работы. Целью работы является повышение эффективности лесосечных работ и первичного транспорта древесины путем оптимизации календарного освоения лесосек лесной декларации, структуры лесотранспортной сети и ее размещения на лесосеке на основе геоинформационных систем и систем спутникового позицирования.

Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи исследования:

1) Разработаны математические модели рациональной помесячной пространственно-временной динамики транспортного освоения лесосек лесной декларации ЛЗП, выбора дорожной конструкции на усах и оптимизации структуры технологической лесосечно-транспортной сети лесовозных усов и волоков;

2) Разработаны алгоритмы рациональной помесячной пространственно-временной динамики транспортного освоения лесосек лесной декларации ЛЗП, выбора дорожной конструкции на усах;

3) Разработан программный комплекс, реализующий алгоритмы рациональной помесячной пространственно-временной динамики, транспортного освоения лесосек лесной декларации ЛЗП и выбора дорожной конструкции на усах;

4) Разработана методика составления технологических карт разработки лесосек с использованием ГИС технологий и систем спутникового позиционирования и навигации на базе созданного программного комплекса;

5) Выполнены экспериментальные исследования и получены эмпирические оптимизационные модели влияния основных факторов на оптимальную структуру технологической лесотранспортной сети лесовозных усов и волоков;

6) С помощью разработанного программного комплекса решена задача транспортного освоения лесосек лесной декларации действующего лесозаготовительного предприятия и дана оценка ее эффективности.

Объект исследования. Объектом исследования является логистическая подсистема рациональной пространственно-временной динамики лесозаготовок, размещения путей первичного транспорта технологической карты разработки лесосеки.

Предмет исследования: модель рациональной пространственно-временной динамики лесозаготовок и структуры первичных путей лесотранспорта при освоении лесосек лесной декларации, методика рационального размещения путей первичного транспорта заготовленной древесины на лесосеке на базе геоинформационных систем и систем спутникового позиционирования и навигации.

Методы исследованияРешение поставленных задач получено на основе системного подхода, метода динамического программирования и математико-картографического моделирования средствами геоинформационных систем. При экспериментальных исследованиях и разработке системы использовались объектно-ориентированный язык Borland Delphi, геоинформационная система Maplnfo, Microsoft Excel, Microsoft Access и глобальная система позиционирования GPS.

Научная новизна исследования. Разработаны и апробированы математические модели рациональной пространственно-временной динамики лесозаготовок и структуры первичной лесотранспортной сети при освоении лесосек лесной декларации годового лесосечного фонд и методика размещения транспортной сети технологической карты разработки лесосеки, что позволит повысить эффективность заготовки древесины.

Практическая значимость работы. Практическая значимость работы заключается в разработке математической модели, алгоритма, программного обеспечения и методики рационального размещения первичных путей лесотранспорта при составлении технологических карт разработки лесосеки, которые могут быть использованы лесозаготовительными, научно-исследовательскими, проектными и учебными организациями лесной отрасли ' при решении задач планирования и управления лесозаготовительным производством.

Научные положения, выносимые на защиту:

— разработанная математическая модель, алгоритм и программное обеспечение рациональной пространственно-временной динамики освоения лесосек лесной декларации ЛЗП с учетом климатических и природно-производственных условийразработанная методика размещения путей первичного лесотранспорта при проектировании технологических карт разработки лесосеки на базе геоинформационных систем и систем спутникового позиционирования и навигации;

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы доложены, обсуждены и получили одобрения на заседаниях кафедры Технологии лесозаготовительных производств СПбГЛТА, научных конференциях профессорско-преподавательского состава СПбГЛТА в 2008;2010 годахна Международной научно-пракической конференции «Современные проблемы лесозаготовительных производств, производства материалов и изделий из древесины: пиломатериалы, фанера, деревянные дома, заводского изготовления, строительно-столярные изделия» СПб. 2009 г.

Реализация результатов. Созданная система была использована при планировании транспортного освоения лесосек лесной декларации в Подпорожском ЛПХ Ленинградской области в 2009 и 2010 году.

Полученные результаты внедрены и используются в учебном процессе, курсовых и дипломных проектах студентов СПбГЛТА.

Публикация. По результатам научных исследований опубликованы 7 печатных работ, в том числе 1 работа в издании, рекомендованным ВАК Министерство образования Российской Федерации.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести разделов, заключения и выводов, списка литературы и приложений. Содержание работы изложено на 177 страницах машинописного текста, включая иллюстративный материал и приложения.

Основные результаты работы заключаются в следующем.

1. В результате анализа особенностей технологического процесса лесозаготовительного предприятия установлено, что для решения задачи рациональной организации лесосечно-транспортных процессов при освоении лесосек лесной декларации ЛЗП необходимо применение математико-картографического моделирования на основе ГИС-технологий и систем спутникового позиционирования и навигации.

2. Сформулированы требования к программному обеспечению ГИС и системам спутникового позиционирования и навигации для организации лесосечно-транспортных процессов лесозаготовительного предприятия. Рекомендовано применение программного обеспечения ГИС Мар1п&> и двухсистемных (ОРЗ+ГЛОНАСС) кодовых спутниковых приемников с числом каналов 24 и более, обеспечивающих автономный режим определения местоположения объектов лесозаготовительного производства.

3. Разработаны математические модели и алгоритмы рациональной помесячной пространственно-временной динамики транспортного освоения лесосек лесной декларации ЛЗП, выбора дорожной конструкции на усах и оптимизации структуры технологической лесосечно-транспортной сети лесовозных усов и волоков.

4. Разработан программный комплекс, реализующий математические модели и алгоритмы рациональной помесячной пространственно-временной динамики транспортного освоения лесосек лесной декларации ЛЗП, выбора дорожной конструкции на усах и оптимизации структуры технологических путей.

5. Полученные результаты апробации разработанной системы в разнообразных граничных и типичных природно-производственных условиях функционирования ЛЗП подтвердили достоверность и адекватность предложенной модели, а также созданных на ее базе алгоритмов и программного обеспечения.

6. Разработана методика составления технологических карт разработки лесосек с использованием ГИС технологий и систем спутникового позиционирования и навигации на базе созданного программного комплекса.

7. Выполнены экспериментальные исследования и получены эмпирические оптимизационные модели влияния основных факторов на оптимальную структуру технологической лесотранспортной сети лесовозных усов и волоков.

8. Результаты исследований успешно внедрены в ООО «Метсялитто Подпорожье» арендующей лесные массивы в Подпорожском лесничестве Ленинградской области, а также используются в учебном процессе в СПбГЛТА при подготовке инженеров по специальности «Лесоинженерное дело». использоваться научно-исследовательскими и проектными организациями лесного комплекса при решении задач рациональной организации лесосечно-транспортных процессов освоения лесосек лесной декларации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

И ВЫВОДЫ.

В результате выполненных в диссертационной работе исследований обоснована и разработана методика организации лесосечно-транспортных процессов на базе геоинформационных систем и систем спутникового позиционирования. Предложенная методика на основе разработанных математических моделей, алгоритмов и программных средств позволяет формировать рациональные пространственно-временные схемы транспортного освоения лесосек лесной декларации ЛЗП, выбирать оптимальную структуру технологических лесотранспортных путей и дорожные конструкции на лесовозных усах с учетом лесохозяйственных, технологических и климатических факторов, что позволяет получить существенный экономический эффект.

Предлагаемая методика обеспечивает не только создание ГИС-проектов технологических карт разработки лесосек, но и их вынос в натуру и реализацию средствами спутниковой навигации.