О принципах планирования системы лесной дорожной сети Текст научной статьи по специальности «Математика»

Аграрный вестник Урала № 2 (94), 2012 г

Лесное хозяйство *

о ПРИНЦИПАХ ПЛАНИРОВАНИЯ СИСТЕМЫ ЛЕСНОЙ ДОРОЖНОЙ СЕТИ

Р. н. КОВАЛЕВ, профессор, Г. А. ПРЕШКИН,

620100, Екатеринбург, Сибирский тракт, д. 35; доцент, УГлтУ тел. 8(343)262-96-26; e-mail: rkv@usfeu.ru

Положительная рецензия представлена Е. Я. Власовой, доктором экономических наук, профессором (Уральский государственный экономический университет).

Ключевые слова: лесная дорожная сеть, экосистема, эколого-социально-экономический эффект. Keywords: forest road network, ecosystem, ecological, social and economic effects.

На федеральном уровне принято решение о финансировании строительства лесных дорог из бюджетов различных уровней, поскольку государство в лице своих субъектов, согласно действующему «Лесному кодексу», является собственником земель лесного фонда. Для эффективного решения данной крайне ресурсоемкой проблемы необходимо выработать стратегические принципы планирования лесной дорожной сети (ЛДС) с учетом современных реалий рыночной экономики.

Исторически сложилось так, что лесные дороги у нас строились только в расчете на освоение лесных массивов с приспевающими и спелыми древостоями, не считаясь с оптимальностью в разрезе территории лесного фонда региона в целом. При переходе на рельсы рыночной экономики строительство лесных дорог практически прекратилось.

Формирование новой дорожной сети требует значительных финансово-материальных ресурсов, поэтому она должна быть спланирована и научно обоснована. Важно с учетом экологической направленности современного лесопользования обосновать эффективность затрат на создание и развитие лесной дорожной сети (ЛДС) с учетом общего эколого-экономического эффекта от реализации государственного проекта.

Отрасль не может за короткое время повысить качество существующей ЛДС и развить ее до оптимальных параметров. В этих условиях лесопользования возникает острая необходимость формирования единой научно-технической политики развития ЛДС, при которой необходимо рассматривать не какой-то узкий вопрос, а развитие лесной транспортной инфраструктуры в целом на основе эколого-социально-экономических подходов с приоритетом экологической составляющей. Очевидно, что гармоничное единение ЛДС с природой возможно на уровне экосистем, представляющих собой совокупность атмосферы, почвы, воды, флоры и фауны, между которыми осуществляется непрерывный процесс обмена веществ, энергии и информации. Гармоничное единение ЛДС с экосистемой обеспечивает ее выживание. Анализ функционирования экосистем показывает, что в процессе эволюции сохраняются только такие составляющие живой природы, в которых стремление к самосохранению выражено достаточно ярко [1]. Именно сохранение, максимизация продолжительности жизни, а не деньги являются той фундаментальной целью, к которой стремится все живое. Формирование синергетических отношений между ЛДС и лесной экосистемой представляет принятие экологического критерия в качестве базового при планировании ЛДС. Показателем наилучшего проектного решения в этом случае является продолжительность времени совместного существования ЛДС и лесной экосистемы.

Конечно, рациональное включение отдельных дорог в общую систему представляет собой сложную, но очень важную для общества задачу. Например, немецкий ученый P Dietz считал, что оптимальное соотношение капитала, инвестируемого в технику, дороги и лесное хозяйство, составляет 1 : 15 : 100 [2].

При проектировании ЛДС необходимо учитывать, что существующая сеть планировалась:

1) поэлементно разными проектными организациями;

2) без адаптации к изменениям производственных условий;

3) без учета перспективы развития.

ЛДС как система существует в производственной среде, подверженной изменениям (параметры лесного фонда изменяются в соответствии с биологическими закономерностями роста древостоев, происходит перевод части территории лесов из одной группы в другую, меняются требования к используемым технологиям), — вот почему система ЛДС экономически эффективна, если в каждый момент времени она соответствует требованиям внешней среды. Процесс такого приспособления является адаптацией. Поэтому сейчас актуально рассматривать ЛДС не только как сформированную систему в виде материализованного единства взаимосвязанных технических объектов, но и как сложную открытую систему, характеризующуюся функционированием, развитием и адаптацией во взаимосвязи с внешней средой экологической природы. Такое рассмотрение отражает не только потребности производства, но и современный уровень исследования транспортных систем, который последовательно развивается с переходом от изучения отдельных элементов со статическими характеристиками к пространственным, динамическим, адаптивным системам. Задача планирования системы ЛДС носит не только конструктивный и функциональный, но и компромиссный характер в связи с тем, что ее стоимость, экологичность и эффективность противоречивы. Причем указанные компромиссы между собой взаимосвязаны и определяют новые противоречия.

На основе вышесказанного можно сделать вывод, что параметры системы ЛДС могут быть установлены после выбора рационального варианта лесопользования для природно-производственных условий конкретного региона, как на данный момент, так и на перспективу. Это может быть сделано на основе региональной системы лесохозяйственных мероприятий, дифференцированных в зависимости от целевого назначения лесов, особенностей природно-экономических условий региона и уровня интенсификации ведения лесного хозяйства, лесоводственных свойств лесообразующих древесных пород, а в их пределах — хозяйственных групп типов леса. Этот выбор и определяет, в конечном счете, величину рабочей нагрузки на систему ЛДС в динамике ее развития.

333^ Аграрный вестник Урала № 2 (94), 2012 .

Лесное хозяйство

ЛДС состоит из конечного множества взаимодействующих, территориально распределенных отдельных технических объектов. У нее как системы нет ни монообъекта, ни структуры и целостности в их классическом понимании. Предметом исследования здесь является не столько сама материальная система, сколько закономерности взаимодействия, существующие между различными элементами, связанными технологически и организационно.

С учетом вышесказанного ЛДС можно рассматривать как сложную передаточную динамически развивающуюся систему путей, транспортных средств, погрузочных, перегрузочных, разгрузочных машин, связывающих совокупность грузообразующих лесных кварталов с транзитным путем транспорта лесопродукции потребителям. Между элементами ЛДС существуют технологические, технико-экономические, организационные и управленческие связи, которые в совокупности и определяют ее структуру в 2-х аспектах — статическом (устойчивые отношения) и динамическом (способ функционирования и взаимодействия элементов) [3].

Системно-исторический аспект характеризует динамику, становление и развитие системы ЛДС во времени. Здесь необходимо подчеркнуть, что функционирование системы — это процесс, разворачивающийся во времени, т. е. множество возможных входов и выходов и, Y со значениями, соответственно:

и = {и : Т - и}, У = {у : Т-У} (1),

где Т — множество моментов времени, в котором рассматривается система.

Развитие системы — это ее способность прогрессивно изменять параметры за счет внешних ресурсов в процессе взаимодействия с внешней средой в перспективном плане. С точки зрения модельного представления процесс развития системы ЛДС может быть представлен как последовательность ее состояний во времени, связанных между собой переходами внутри периода планирования Т.

Для описания математической модели системы ЛДС существующую в регионе дорожную сеть будем называть исходным графом Г0. Очевидно, что, исходя из специфики лесных дорог, граф Г0 является ориентированным. Участки ЛДС на предприятиях с интенсивным ведением лесного хозяйства необходимо проранжиро-вать по степени значимости, зависящей от класса возраста и состава древостоя, например, выделяются зоны с древостоями ММ класса возраста, в составе которых 0,4 и более лиственных пород. Выделенные участки ЛДС являются дугами графа. Вершины графа могут быть как в точках пересечения или примыкания технологических путей и магистралей, так и в других промежуточных точках.

Т. к. каждый участок ЛДС может иметь свою дорожную конструкцию (ДК), то он характеризуется вектором (типом покрытия, числом слоев, толщиной каждого слоя, шириной дороги, числом полос). Эту ДК будем называть исходной и обозначать П0.

По каждой дуге вывозка лесных грузов производится некоторым определенным количеством транспортных средств различных марок. Тем самым перевозка грузов по всему лесному фонду региона множеством транспортных средств — А0.

В формализованном виде Г (^ = {уу (ВД — функция, значениями которой является ориентированный граф (орграф). Самым простым способом задания орграфа

является списковый, т. е. заданный перечислением дуг с указанием начальной и конечной вершины: 0, у) — дуга графа с начальной вершиной i и конечной вершиной у. Для каждой дуги 0, у) графа будем считать известными следующие характеристики:

• длину дуги;

• факт существования дуги ху (^ = { 1, если дуга 0, у) существует, 0, если дуга 0, у) не существует.

• соответствие дуги технологическому пути или магистрали;

• перечень кварталов, тяготеющих к п- технологическому пути.

Все эти данные для дуги 0, у) образуют вектор Уу (Ц. Очевидно, что все характеристики графа Г (^ известны заранее, за исключением самого факта существования дуги, т. е. значений ху.

П № = {ду (ВД — функция, значениями которой является набор вектор-функций ду (^ с целочисленными (тип покрытия, количество и материалы слоев, число полос, сроки капитальных ремонтов) и непрерывными (толщина и ширина покрытия) аргументами.

А (^ = {а1 (ВД — вектор-функция, для которой а1 (Ц представляет собой относительное число машин каждой марки на вывозке.

Таким образом, процесс планирования ЛДС с учетом очередности строительства, реконструкции дорожных одежд и изменения количества и качества транспортных средств по этапам планирования может быть представлен как процесс изменения во времени тройки {Г «, П №, А (ВД, 0 < t < Т.

Разработка математического алгоритма для решения поставленной оптимизационной задачи требует однозначного описания всех зависимостей, входящих в математическую модель ЛДС, в целевую функцию и систему ограничений. Для решения задачи оптимизации системы ЛДС наиболее приемлемым выглядит метод динамического программирования, т. к. он позволяет вместо одной задачи с большим числом неизвестных рассмотреть несколько однотипных задач меньшей размерности.

Алгоритм решения оптимизационной задачи в виде абстрактной математической модели может быть представлен следующим образом.

Обозначим через Хк = (х(к)у, д(к)у, а(к)1) вектор управляющих переменных, где х(к)у — факт наличия дуги 0, у) в к-м интервале времени;

д(к)у — вектор, характеризующий дорожную конструкцию дуги (I, у) в к-м интервале времени;

а(к)1) — доля машин 1-й марки в к-м интервале времени на вывозке лесных грузов.

Для каждого к неизвестные Хк зависимы и связаны между собой логическими условиями. Совокупность неизвестных, удовлетворяющих указанным условиям, будем называть логически допустимым решением. Все ограничения задачи можно записать в виде системы неравенств (векторного неравенства):

С (Хк) < ^зад(к), к = 1, 2, ..., т (2)

Целевая функция в задаче может быть представлена в двух вариантах в зависимости от выбранного критерия:

1) в виде функции, аддитивной по к:

т

Z = Е f(хк) >

к=1 (3)

ммм.т-эчи. пэгоб. ги

33

Аграрный вестник Урала № 2 (94), 2012 г

Лесное хозяйство *

2) в виде отношения двух функций, аддитивных по k:

in

Е fi( xk)

ЭЭЭ =

Z

k=1

///

Е fi( Xk)

Е e(k)

-------—----------------> max.

m

Е ((k) + П(k)) (5),

k=1

k=1

(4).

В конкретном виде для задачи планирования ЛДС одна из целевых функций может быть выражена функционалом эколого-экономического эффекта (ЭЭЭ):

где Q (k) — объем грузов (лесных и нелесных), освоенный в результате реализации системы ЛДС за k-й этап планирования, т;

ПЗ(к) — приведенные затраты на создание и эксплуатацию ЛДС на k-м этапе, руб.;

П(к) — потери в лесном хозяйстве от бездорожья на k-м этапе, руб.;

m — число этапов планирования.

литература

1. Уиллиамс М. Р. В. Рациональное использование лесных ресурсов (организация и управление). М., 1991. 191 с.

2. Dietz P. V. Gibt e seine optimale Walders-Chliepung // Allgemeine Forstzeitschrift. 1979. V. 34. № 7. P. 141-167.

3. Ковалев Р Н., Гуров С. В. Планирование транспортных систем лесных предприятий в условиях многоцелевого лесопользования : монография. Екатеринбург : Изд-во Урал. гос. лесотехн. академии, 1996. 250 с.

основные направления управления надежностью грузовыми лесотранспортными перевозками в регионе

С. А. лАВРищЕВ, аспирант,

р. н. Ковалев,

профессор, УГлтУ

620100, Екатеринбург, Сибирский тракт, д. 37;

тел. 8(909)007-01-22; e-mail: magistr2-1987@mail.ru

Положительная рецензия представлена В. А. Копновым, доктором технических наук, профессором, Уральский федеральный университет.

Ключевые слова: лесотранспортные перевозки, надежность, подвижной состав, затраты, управление. Keywords: leso-transport transportations, reliability, dvizh th structure, expenses, management.

Проблема управления на предприятиях, занимающихся перевозками грузов по лесовозным дорогам, эксплуатируя лесовозный подвижной состав (ЛПС), может быть решена различными способами:

• централизацией оперативного управления производством на основе текущей информации о ходе технологических и организационных процессов на предприятии и о наличии запаса элементов (предложено НИИАТом — Б. С. Клейнером, В. В. Тарасовым);

• использованием автоматизированных систем управления производством на основе статистической информации о ходе процессов (предложено МАДИ — Л. В. Мирошниковым);

• применением диагностирования при централизации технологических процессов по обслуживанию автомобилей.

Основой построения любой системы управления, позволяющей осуществлять целенаправленные

воздействия, является целевой подход, предусматривающий определение глобальной (основной) цели системы и декомпозицию ее на совокупность подцелей. Сказанное в полной мере относится и к системе управления технической эксплуатацией автомобилей (ТЭА).

Целевая эффективность ТЭА на предприятиях, занимающихся перевозками грузов по лесовозным дорогам автомобильным транспортом, оценивается (рис. 1):

• уровнем работоспособности парка автомобилей;

• затратами на ТЭ автомобилей при перевозках по лесовозным дорогам;

• уровнем безопасности и экологичности парка автомобилей.

Введение в верхние уровни дерева целей требования к безопасности и экологичности транспортных средств, занимающихся перевозками грузов по лесовозным дорогам, связано не только с ростом количества автомобилей и, соответственно, повышением аварийности, но и

Уровень работоспособности парка автомобилей

Целевая эффективность ТЭА

Затраты на техническую Уровень безопасности и

эксплуатацию автомобилей экологичности парка

автомобилей

рисунок 1

верхние уровни дерева целевых показателей технической эксплуатации автомобилей, занимающихся перевозками грузов

по лесовозным дорогам