CC BY
42
Лесоинженерное дело
DOI: 10.12737/3348 УДК 621.398.001.2
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ОБЪЕКТОВ ПРОИЗВОДСТВЕННО-ТРАНСПОРТНОЙ ИНФРАСТРУКТУРЫ ЛЕСОПРОМЫШЛЕННОГО КОМПЛЕКСА
заведующий кафедрой электротехники и автоматики, доктор технических наук, профессор
Д. Н. Афоничев1
доктор технических наук, профессор, профессор кафедры электропривода, автоматики и
2
управления в технических системах А. Д. Данилов доктор технических наук, профессор, профессор кафедры автоматизации производственных
3
процессов В. С. Петровский
1 - ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный аграрный университет имени императора
Петра I»
2 - ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет»
3 - ФГБОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия»
dmafonichev@yandex.ru, danilov-ad@vandex.ru, appvglta@bk.ru
Нормальное функционирование лесозаготовительного производства обеспечивается комплексом производственнотранспортных объектов, часть из которых являются временными сооружениями. Временные сооружения: подъездные дороги, погрузочные пункты, разворотные петли, объекты мастерских участков размещаются и эксплуатируются в пределах лесосек, которые можно рассматривать как временные производственные площадки лесозаготовительных предприятий. Параметры размещения указанных объектов и их конструктивные и технологические решения определяют затраты на производство лесозаготовок, его эффективность и безопасность. В настоящее время решение данных инженерных задач осуществляется средствами системы автоматизированного проектирования (САПР) объектов лесопромышленного комплекса (ЛИК) [1, 2].
САПР объектов ЛПК разделены по видам проектируемых объектов, из которых
следует отметить две наиболее развитые разновидности: САПР лесовозных автомобильных дорог [3, 4, 5], САПР временных объектов производственно-транспортной инфраструктуры [1, 2, 6]. Обе разновидности САПР эксплуатируются независимо, так как призваны решать разные задачи. Остановимся подробнее на САПР временных объектов производственно-транспортной инфраструктуры ЛПК.
Правила рубок леса в Российской Федерации ограничивают как площадь, так и ширину лесосеки, что обуславливает установление оптимальных параметров лесосек и размещения лесовозных веток и усов реализацией единой оптимизационной процедуры. Установленные параметры лесосек являются исходными данными для проектирования временных объектов производственно-транспортной инфраструктуры [2, 6]. В работах [6, 7] показано, что задачи установления оптимальных параметров размещения лесовозного уса на ле-
Лесотехнический журнал 1/2014
75
Лесоинженерное дело
сосеке и погрузочных пунктов вдоль него следует решать совместно, для чего разработан алгоритм оптимизации [6], позволяющий установить принципиальное положение уса в пределах лесосеки и расстояния между погрузочными пунктами, обеспечивающие минимальные суммарные удельные затраты на вывозку древесины по ветке, трелевку и устройство погрузочных пунктов. На следующей стадии осуществляется проектирование конструкций сборно-разборных покрытий лесовозных усов и разворотных петель, если такие покрытия предусмотрены, для чего могут быть использованы САПР сборных покрытий автомобильных дорог [3, 4]. В зависимости от характеристик принятых конструкций головного и глубинного участков уса обосновывается его протяженность в лесосеке [8], что позволяет установить затраты на строительство, содержание и ликвидацию уса, количество погрузочных пунктов и задать адреса последних.
Заключительный этап проектирования в САПР объектов производственно-транспортной инфраструктуры ЛПК - установление положения разворотных петель [9], чему предшествует разработка конструкций самих разворотных петель также средствами САПР на основе методического обеспечения, приведенного в работе [10].
Параметры размещения разворотных петель и погрузочных пунктов на лесовозном усе позволяют уточнить затраты на строительство, содержание и ликвидацию уса, отнесенные к 1 м3 вывезенной древесины.
Математическая модель оптимизации параметров лесосек и размещения лесовозных веток и усов разработана на основе
схем размещения лесовозных дорог в лесосырьевых базах и связывает размеры лесосек в плане и ширину зон тяготения лесовозных веток и усов. Оптимизационные модели, предложенные профессором Ильиным Б.А. [11], позволяют рассчитать ширину зоны тяготения каждой временной дороги (ветки или уса) независимо, но не связывают данные показатели с размерами лесосеки, ограниченными правилами рубок леса, а также не позволяют выбрать оптимальные для конкретных условий дорожные конструкции. Предлагаемая математическая модель минимизирует суммарные удельные денежные затраты на строительство, ремонт и содержание ветки, строительство и содержание усов, вывозку по усам, устройство погрузочных пунктов, трелевочных волоков и трелевку древеси-
3
ны Z (р/м3)
(СВ + ^БВБ ) 3кОкРВ
Z =
100ydB
+ ^ Z ^ min, (1)
где CB - единовременные затраты на постройку 1 км ветки, руб/км;
ЛВ - коэффициент, учитывающий отдаленность затрат на вывозку по ветке;
ВБ - ежегодные затраты на содержание и ремонт 1 км ветки, р/км;
3 - коэффициент, учитывающий
прокладку веток по не эксплуатационным площадям;
кО - коэффициент, учитывающий затраты на строительство, ремонт и содержание ответвлений и разветвлений пути; кРВ - коэффициент удлинения ветки; у - ликвидный запас древесины,
м3/га;
76
Лесотехнический журнал 1/2014
Лесоинженерное дело
dB - ширина зоны тяготения к ветке,
км;
Z1 - затраты на строительство, содержание и ликвидацию усов, отнесенные к 1 м3 вывезенной древесины, руб/м3;
Z2 - затраты на вывозку 1 м3 древесины по усу, р/м3;
Z3 - затраты на устройство погрузочных пунктов и магистральных трелевочных волоков, отнесенные к 1 м3 вывезенной древесины, р/м3;
Z4 - затраты на трелевку 1 м3 древесины по магистральным волокам, р/м3;
Z5 - затраты на трелевку древесины
по пасечным волокам и устройство пасечных волоков, р/м3.
При реализации предложенной математической модели (1) в САПР решаются еще задачи, приведенные далее.
Оптимизация размещения лесовозного уса на лесосеке и погрузочных пунктов
2УТВе
kPBbB (dnMe 0, 5Sy )
+
srna
2СПП ^ ZMBMe ^ ZnBMe ^ 2МВГе ^ 2ПВГе ^ mjn
(2)
qMe + Яге
где zyTBe - суммарные удельные затраты на вывозку древесины по ветке, трелевку и устройство погрузочных пунктов для е -го значения варьируемого параметра dnM^e;
dnMe - глубина пасеки со стороны расположения лесовозной магистрали, р/м3;
kPB - коэффициент удлинения ветки;
bB - стоимость вывозки по ветке, р/(м3 • км);
sy - ширина лесовозного уса, км;
a - угол примыкания уса к ветке,
град.;
сПП - затраты на устройство, содержание и ликвидацию погрузочного пункта, р;
zMBMe - затраты на устройство магистральных трелевочных волоков и на трелевку древесины по ним со стороны магистрали, р;
znBMe - затраты на устройство пасечных трелевочных волоков и на трелевку древесины по ним со стороны магистрали, р;
zMBre - затраты на устройство магистральных трелевочных волоков и на трелевку древесины по ним со стороны границы зоны тяготения магистрали, р;
znBre - затраты на устройство пасечных трелевочных волоков и на трелевку древесины по ним со стороны границы зоны тяготения магистрали, р;
qMe - объем заготавливаемой древесины в пасеке со стороны магистрали, м3;
qre - объем заготавливаемой древесины в пасеке со стороны границы зоны тяготения магистрали, м3.
Расстояния между погрузочными пунктами на лесосеке определяются в зависимости от глубины пасеки dne [2, 6].
Оптимизация параметров сборного дорожного покрытия - поиск таких размеров дорожной плиты, которые обеспечили бы минимум суммарных приведённых денежных затрат на строительство и эксплуатацию 1 км покрытия, для действующих в них усилий от внешней подвижной нагрузки [3, 4]. Суммарные приведённые
Лесотехнический журнал 1/2014
77
Лесоинженерное дело
затраты на строительство и эксплуатацию сборного дорожного покрытия Z0 составляют
Z0 = Z + Z' + Z” ^ min, (3)
где Z, Z' , Z ” - соответственно приведённые строительные, эксплуатационные затраты и эксплуатационные потери, р/м.
Для определения суммарных приведённых денежных затрат на строительство и эксплуатацию 1 км покрытия предварительно необходимо установить действующие в нем экстремальные усилия по математическим моделям, приведенным в работе [3].
Протяженность лесовозного уса обосновывается по минимуму затрат на вывозку древесины из лесосеки Z (в рублях)
Z = Z Z* ^ mi^ (4)
i=1
где Z1 - затраты на устройство, содержание и ликвидацию лесовозного уса и погрузочных пунктов, р;
Z2 - затраты на устройство магистральных трелевочных волоков, р;
Z3 - затраты на вывозку древесины по усу, р;
Z4 - затраты на трелевку лесоматериалов по магистральным волокам, р;
Z5 - затраты на устройство пасечных трелевочных волоков, р;
Z6 - затраты на трелевку древесины по пасечным волокам, р.
Протяженность уса 1У (в километрах) зависит от параметров лесосеки и длины магистрального волока lK, устраиваемого в глубинной части лесосеки
L =
100d
- + l0 1к ,
(5)
где A - площадь лесосеки, га; dy - ширина лесосеки, км;
l0 - протяженность уса за пределами
лесосеки, км.
Оптимальное значение 1К, установленное минимизацией функции (4), рассчитывается по формуле, представленной в работе [8]. Математическую модель (4) следует реализовывать в одном алгоритме с установлением количества погрузочных пунктов и их адресов в соответствии с методическим обеспечением, представленным в работе [9].
Параметры разворотной петли устанавливаются по минимуму площади ее покрытия АПРП (в квадратных метрах) [10],
которая зависит от длин ее элементов и ширины проезжей части на этих элементах. Если обозначить ширину проезжей части уса b0, то площадь покрытия состав-
ляет
АПРП 2LnKK (b0 + 0, 5АК ) + КК (b0 + АК ) +
+lcb0 + 2Lnm (b0 + 0, 5Ап ) + Кп (b0 + Ап ) + (6)
+ lpb0 + 10к Ак + 10п Ап ,
где LnKK - длина переходной кривой съезда, м;
Ак - уширение проезжей части на кривой съезда, м;
КК - длина кривой съезда, м;
1С - длина прямой вставки съезда, м; LnKn - длина переходной кривой петли, м;
КП - длина кривой петли, м;
78
Лесотехнический журнал 1/2014
Лесоинженерное дело
1Р - длина прямой вставки в пределах уса, м;
АП - уширение проезжей части на петле, м;
1ОК - длина отгона уширения проезжей части для кривой съезда, м;
1ОП - длина отгона уширения проезжей части для петли, м.
Положения разворотных петель на лесовозном усе устанавливаются минимизацией дополнительных удельных затрат на вывозку лесоматериалов из лесосеки z^, которые зависят от объема лесоматериалов, вывозимых из зоны тяготения петли qnp, а соответственно от количества погрузочных пунктов, попадающих в зону действия петли [9]. Целевая функция математической модели имеет вид
z = ‘ДПС + Спр ^ min> (7)
qnp
где zmc - дополнительные затраты на
эксплуатацию и восстановление подвижного состава, связанные с порожним пробегом по усу до разворотной петли, р;
сПР - стоимость устройства, содержания и ликвидации разворотной петли, зависящая от параметров последней, р.
Представленные математические модели автоматизированного проектирования временных объектов производственнотранспортной инфраструктуры ЛПК обеспечивают высокопроизводительную работу инженерного персонала лесозаготовительного предприятия, качество проектных решений и снижение затрат на вывозку лесоматериалов из лесосек. Данные модели
могут служить основой программного комплекса - САПР временных объектов производственно-транспортной инфраструктуры ЛПК.
Библиографический список
1. Ци Синь Экономико-математические модели компьютеризации проектирования лесовозных дорог [Текст] / Синь Ци // Математическое моделирование, компьютерная оптимизация технологий, параметров оборудования и систем управления лесного комплекса: сб. научн. тр. в 2-х ч. - Воронеж, 2002. - Ч. 1. - С. 48-52.
2. Афоничев, Д. Н. Формирование проектных решений в автоматизированной системе проектирования объектов лесопромышленного комплекса [Текст] / Д. Н. Афоничев, П. С. Рыбников // Моделирование систем и процессов. - Воронеж : НИИЭТ, 2012. - Вып. 4. - С. 16-19.
3. Курьянов, В. К. Совершенствование проектных решений сборных покрытий автомобильных дорог в системе автоматизированного проектирования [Текст] : учебник / В. К. Курьянов, Д. Н. Афоничев. - Воронеж, 2000. - 180 с.
4. Афоничев, Д. Н. Математическое обеспечение автоматизированного проектирования сборных дорожных покрытий [Текст] / Д. Н. Афоничев // Моделирование систем и процессов. - Воронеж : НИИЭТ, 2012. - Вып. 4. - С. 14-16.
5. Афоничев, Д. Н. Совершенствование расчета объемов земляных работ в системе автоматизированного проектирования автомобильных дорог [Текст] / Д. Н. Афоничев. - Воронеж, 2008. - 117 с.
Лесотехнический журнал 1/2014
79
Лесоинженерное дело
- Деп. в ВИНИТИ 26.02.2008, № 164-В2008.
6. Афоничев, Д. Н. Оптимизация в системе автоматизированного проектирования параметров размещения лесовозных усов и погрузочных пунктов на лесосеках [Текст] / Д. Н. Афоничев, П. С. Рыбников // Вестник МГУЛа - Лесной вестник. - 2013.
- № 3. - С. 150-153.
7. Рыбников, П. С. Размещение временных автомобильных дорог в лесосеках [Текст] / П. С. Рыбников // Лесотехнический журнал. - Воронеж, 2011. - № 3. - С. 88-98.
8. Афоничев, Д. Н. Обоснование протяженности лесовозного уса [Текст] / Д. Н. Афоничев // Вестник МГУЛа - Лес-
ной вестник. - 2011. - № 3. - С. 85-88.
9. Афоничев, Д. Н. Размещение разворотных петель на лесовозном усе [Текст] / Д. Н. Афоничев, П. С. Рыбников // ИВУЗ «Лесной журнал». - 2012. - № 6. - С. 72-79.
10. Рыбников, П. С. Обоснование па-
раметров разворотной петли [Текст] / П. С. Рыбников, В. В. Васильев, Д. Н. Афоничев // Воронежский научно-технический вестник [Электронный ресурс]. - 2013. - № 1 (3). - С. 79-90. - Режим доступа:
http://vestnikvglta.ucoz.ru.
11. Ильин, Б. А. Основы размещения лесовозных дорог в сырьевых базах лесозаготовительных предприятий [Текст] : учебное пособие / Б. А. Ильин. - Л. : ЛТА, 1987. -63 с.
DOI: 10.12737/3349 УДК 630*378.33
ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ОСАДКИ ПЛОСКОЙ СПЛОТОЧНОЙ ЕДИНИЦЫ
аспирант кафедры промышленного транспорта, строительства и геодезии В. В. Васильев ФГБОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия»
vasiliev.vova2012@yandex.ru
Водный кодекс Российской Федерации, статья 48 часть 2, запретил сплав лесоматериалов без судовой тяги на реках, используемых для судоходства и молевой сплав древесины на всех водных объектах страны, так как существующие технологии водного транспорта леса не отвечали экологическим требованиям водных объектов. Это послужило тому, что основной объем поставки древесины потребителям был возложен на дорогостоящий автомобильный и железнодорожный транспорт, где поставляемая древесина заготавливалась
вблизи данных лесотранспортных путей, в приспевающих лесных насаждениях, а следовательно, качество таких заготавливаемых круглых лесоматериалов было низкое. В свою очередь, поставка лесоматериалов наиболее дешёвым водным транспортом резко снизилась, данный фактор стал причиной сокращения разработки спелых лесных насаждений, содержащих высококачественную древесину, которые были расположены в значительном удалении от ключевых транспортных потоков.
Для обеспечения экологической
80
Лесотехнический журнал 1/2014
