Щеголева Людмила Владимировна диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальностям : – Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства ; – Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ МОДЕЛИ И МЕТОДЫ ОПТИМИЗАЦИИ СИСТЕМ МАШИН ДЛЯ СКВОЗНЫХ ПРОЦЕССОВ ЗАГОТОВКИ КРУГЛЫХ ЛЕСОМАТЕРИАЛОВ

Обоснование оптимальных комплектов систем машин и режимов их работы, повышающих эффективность сквозных процессов заготовки, транспортировки и переработки круглых лесоматериалов в рамках территориально распределенных лесозаготовительных и лесоперерабатывающих предприятий лесопромышленного региона, увязывающих сезонность проведения лесосечных работ, вариантность направлений использования круглых лесоматериалов и транспортную инфраструктуру Цель исследований 2

Структура разработанных методик 3 Методики Математические модели Формирование технологических цепочек Выбор комплектов систем машин и режимов их работы Для лесосечных работ Для производства топливной щепы Комплектование маршрутов Программный комплекс Базы данных Электронные карты

4 лесные участки ЛЗП ЦБК ДОК Внешний потребитель Внешний ЛЗП ЛЗП – подрядчик лесные участки Интегрированная структура технологические цепочки лесозаготовка ЛЗП – лесозаготовительное предприятие; ЦБК – целлюлозно-бумажный комбинат; ДОК – деревообрабатывающий комбинат Технологические цепочки для интегрированной структуры предприятий

U–количество различных систем машин и оборудования N–количество участков заготовки ЛЗП M–количество перерабатывающих производств K–количество видов лесоматериалов K j –множество видов лесоматериалов, которые необходимо поставить на перерабатывающее предприятие j S1–количество внешних покупателей S2–количество внешних поставщиков C1 ijk –затраты на перевозку k-го вида лесоматериалов от участка i до перерабатывающего производства j (руб./ м 3 ) C2 isk –затраты на перевозку k-го вида лесоматериалов от участка i до покупателя s (руб./ м 3 ) C3 sjk –затраты на перевозку k-го вида лесоматериалов от поставщика s до перерабатывающего производства j (руб./ м 3 ) C5 u –затраты на обслуживание системы машин u зимой (руб./м 3 ) C6 u –затраты на обслуживание системы машин u летом (руб./м 3 ) G1 u –производительность системы машин u зимой (м 3 /день) G2 u –производительность системы машин u летом (м 3 /день) P1 jk –цена закупки k-го вида лесоматериалов перерабатывающим производством j (руб./ м 3 ) P2 sk –цена закупки k-го вида лесоматериалов покупателем s (руб./ м 3 ) P3 sk –цена закупки k-го вида лесоматериалов у внешнего поставщика s (руб./ м 3 ) P4 k –цена продажи k-го вида лесоматериалов подрядчику (руб./ м 3 ) P5 k –цена покупки k-го вида лесоматериалов у подрядчика (руб./ м 3 ) 5 Обозначения в модели

P6 u –стоимость приобретения системы машин и оборудования u (руб.) P7 t u –сумма выплат по кредиту системы машин и оборудования u в год t (руб.) P8 t u –сумма лизингового платежа системы машин и оборудования u в год t (руб.) R u –количество имеющихся на предприятии систем машин и оборудования u B t ik –запас k-го вида лесоматериалов на участке i в год t (м 3 ) F t jk –объем поставки k-го вида лесоматериалов на перерабатывающее производство j в год t (м 3 ) E t sk –максимальный объем покупки k-го вида лесоматериалов у внешнего поставщика s в год t (м 3 ) A t ik –процент покупки k-го вида лесоматериалов у подрядчика на участке i в год t (%) T–период дисконтирования (год) T1–продолжительность зимнего сезона (дни) T2–продолжительность летнего сезона (дни) D1–минимальный объем лесосечных работ для зимнего сезона (%) D2–максимальный объем лесосечных работ для зимнего сезона (%) α1 t –коэффициент дисконтирования в год t для стоимости лесоматериалов α2 t –коэффициент дисконтирования в год t для затрат на лесозаготовку α3 t –коэффициент дисконтирования в год t для выплат по кредиту α4 t –коэффициент дисконтирования в год t для выплат по лизингу α5 t –коэффициент дисконтирования в год t для выплат по аренде 6 Обозначения в модели

Y1 u –количество приобретенных систем машин u за cчет собственных средств Y2 u –количество приобретенных систем машин u в кредит Y3 u –количество приобретенных систем машин u при лизинге X11 t ijk –объем k-го вида лесоматериалов, заготовляемый самостоятельно и реализуемый производству j с участка i в зимний период в год t (м 3 ) X12 t ijk –объем k-го вида лесоматериалов, заготовляемый самостоятельно и реализуемый производству j с участка i в летний период в год t (м 3 ) X21 t isk –объем k-го вида лесоматериалов, заготовляемый самостоятельно и реализуемый покупателю s с участка i в зимний период в год t (м 3 ) X22 t isk –объем k-го вида лесоматериалов, заготовляемый самостоятельно и реализуемый покупателю s с участка i в летний период в год t (м 3 ) X3 t sjk –объем k-го вида лесоматериалов, покупаемый у внешнего поставщика s для перерабатывающего производства j в год t (м 3 ) X4 t ik –объем k-го вида лесоматериалов, реализуемый подрядчику с участка i в год t (м 3 ) X5 t ijk –объем k-го вида лесоматериалов с участка i, покупаемый у подрядчика для перерабатывающего производства j в год t (м 3 ) Z t –процент от лесного фонда для самостоятельного освоения в год t (%) W t –процент от лесного фонда для освоения в зимний период года t (%) β1 t u – количество дней работы систем машин u в зимний период в год t β2 t u –количество дней работы систем машин u в летний период в год t 7 Переменные

8 выполнение обязательств по поставкам сырья запасы лесоматериалов привлечение внешних поставщиков лесоматериалов привлечение организаций-подрядчиков учет сезонности заготовок Ограничения Y1 u, Y2 u, Y3 u принимают целые значения

9 чистый дисконтированный доход Целевая функция

10 Методика оценки продолжительности зимнего сезона Дата начала строительства зимней дороги Данные о среднесуточных температурах Данные о высоте снежного покрова Дата окончания эксплуатации зимней дороги Эмпирическая функция распределения даты начала строительства зимней дороги Эмпирическая функция распределения даты окончания эксплуатации зимней дороги Продолжительность эксплуатации зимней дороги Оценка распределения вероятностей продолжительности эксплуатации зимней дороги

Эмпирические функции распределения даты начала и даты окончания эксплуатации зимних дорог 11 Сегежский район

Тип покрытия зимней дороги Количество дней Снежное0,180,250,390,180,00 Снежно- ледяное 0,070,210,360,290,07 Ледяное0,030,070,340,320,24 12 Сегежский район Оценки распределения вероятностей количества дней вывозки

Построение оценок продолжительности эксплуатации зимних дорог Выбор степени риска, выбор типа зимней дороги и расчет значений параметров модели Т1 и Т2 Выбор рассматриваемых систем машин и оборудования, выбор форм их приобретения, расчет сумм выплат Формирование списка возможных внешних поставщиков лесоматериалов Формирование списка возможных внешних покупателей лесоматериалов Расчет значений остальных параметров модели Решение оптимизационной задачи выбора систем машин и режимов количество систем машин и оборудования и режимы их работы технологические цепочки и объемы грузопотоков Решение оптимизационный задачи выбора маршрутов 13 Методика оптимального выбора систем машин и режимов их работы для сквозных технологических процессов

14 Задача определения оптимального количества и режимов работы мобильных машин

15 расширения задачи маршрутизации с временными окнами и одной базой модель без повторных посещений модель с одним дважды посещаемым пунктом Обобщение задачи определения режимов работы мобильных машин – задача маршрутизации

Модель без повторных посещений 16 Пункт 2 T 2 W 2 Пункт 1 T 1 W 1 Пункт 4 T 4 W 4 Пункт 3 T 3 W 3 База V 1 R 1 D 1 C 1 V 2 R 2 D 2 C 2 A 01 A 12 A 23 A 30 A 04 A 40 Т

17 время, затрачиваемое на выполнение работы, зависит от производительности машины время, затрачиваемое на перемещение машины, зависит от скорости движения машины затраты на перемещение и выполнение работы зависят от технических характеристик машины целевая функция минимизирует затраты на перемещение машины и на выполнение работы в каждом пункте Особенности задачи маршрутизации – модель без повторных посещений

Модель с одним дважды посещаемым пунктом 18 Пункт 2 T 2 W 2 Пункт 1 T 1 W 1 Пункт 4 T 4 W 4 Пункт 3 T 3 W 3 База V 1 R 1 D 1 C 1 V 2 R 2 D 2 C 2 A 01 A 12 A 23 A 30 A 04 A41A41 A 10 Т функции, описывающие объем работы при первом посещении

19 время, затрачиваемое на выполнение работы, зависит от производительности машины время, затрачиваемое на перемещение машины, зависит от скорости движения машины затраты на перемещение и выполнение работы зависят от технических характеристик машины целевая функция минимизирует затраты на перемещение машины и на выполнение работы в каждом пункте время второго прибытия в пункт должно быть согласовано с объемом работы, выполненным при первом посещении Особенности задачи маршрутизации – модель с одним дважды посещаемым пунктом

20 Пример – решение задачи без повторных посещений Пункт 2 T 2 = 5 W 2 = 5 Пункт 1 T 1 = 1 W 1 = 2 Пункт 3 T 3 = 7 W 3 = 4 База 1 км T = 14 часов V 1 = V 2 = 1 км/час R 1 = R 2 = 1 1/час D 1 = D 2 = 1 руб./км C 1 = 1 руб. C 2 = 0,9 руб. машина 1 машина 2 Затраты – 20,3 руб.

21 Пример – решение задачи с одним дважды посещаемым пунктом Пункт 2 T 2 = 5 W 2 = 5 Пункт 1 T 1 = 1 W 1 = 2 Пункт 3 T 3 = 7 W 3 = 4 База 1 км T = 14 часов V 1 = V 2 = 1 км/час R 1 = R 2 = 1 1/час D 1 = D 2 = 1 руб./км C 1 = 1 руб. C 2 = 0,9 руб. машина 1 машина 2 работа 3 часа работа 2 часа Затраты – 20,2 руб.

Переменные в модели задачи без повторных посещений P–разбиение множества пунктов M на подмножества P k : – перестановка элементов множества P k t j –момент прибытия машины в пункт j (целые и неотрицательные) 22

Ограничения и целевая функция модели задачи без повторных посещений 23 минимизация затрат на перемещение между пунктами и выполнение работы в каждом пункте, ограничения на время прибытия в каждый пункт (1) (2) (3) (4)

Алгоритм решения задачи без повторных посещений 24 начало проверить выполнение ограничений (1) и (4) выполняются? рассчитать время прибытия в каждый пункт с учетом времени на перемещение в пункт и выполнение работы в пункте на основе ограничений (2) и (3) рассчитать затраты на передвижение между пунктами маршрута и выполнение работы в каждом пункте сохранить маршрут и значение затрат среди сохраненных маршрутов выбрать маршрут с минимальными затратами конец да нет построить разбиение на подмножества для каждого разбиения : сформировать перестановку ( маршрут ) для каждой перестановки :

25 сложность: Метод решения задачи без повторных посещений

26 если в разбиении P s ни одна перестановка не удовлетворяет ограничениям (1) и (4), то разбиения не рассматриваются. если в разбиении P s для перестановки для пункта не выполняется условие (4), то перестановки не рассматриваются. Сокращение числа вариантов перебора

27 Упорядочение по времени самого позднего прибытия в пункт Перестановка соседних пунктов Эвристические методы решения

Переменные в модели задачи с одним дважды посещаемым пунктом P–разбиение множества пунктов на подмножества P k : – перестановка элементов множества P k t j –момент прибытия машины в пункт j 28 (5)

Алгоритм решения задачи с одним дважды посещаемым пунктом 29 начало проверить выполнение ограничений (1) и (4) выполняются? рассчитать время прибытия в каждый пункт с учетом времени на перемещение в пункт и выполнение работы в пункте на основе ограничений (2) и (3) рассчитать затраты на передвижение между пунктами и выполнение работы в каждом пункте сохранить маршрут, значение затрат и номер доп. пункта среди сохраненных маршрутов выбрать маршрут с минимальными затратами конец данет построить разбиение на подмножества для каждого разбиения : сформировать перестановку ( маршрут ) для каждой перестановки : перебрать все пункты в качестве доп. пункта для каждого пункта : заполнить матрицу расстояний для доп. пункта рассчитать время наиболее позднего прибытия для вто - рого посещения, время работы при первом посещении (5)

30 Количество пунктов Количество машин 23 с повторным посещением без повторного посещения эвристический без повторного посещения с повторным посещением без повторного посещения эвристический без повторного посещения 80:00:130:00:00 0:01:090:00:010:00:00 90:01:540:00:010:00:000:16:010:00:070:00:00 100:35:240:00:130:00:004:02:540:01:320:00:02 11–0:03:060:00:00–0:25:210:00:06 12–0:39:570:00:00–5:21:030:00:24 13––0:00:00––0:01:07 14––0:00:00––0:04:57 15––0:00:00––0:16:22 16––0:00:01––1:08:23 17––0:00:02––4:36:39 18––0:00:04––13:57:55 Результаты экспериментов время работы программы (часы : минуты : секунды)

Структура программного комплекса 31 Программный комплекс для принятия решений по выбору комплектов оборудования и определению режимов их работы, по формированию технологических цепочек Модули для работы с базами данных Базы данных Паспорт системы машин и оборудования Паспорт лесопромыш - ленного предприятия Модуль для работы с картами Электронные карты Модули для решения оптимизационных задач Формирова - ние технологи - ческих цепочек Выбор комплектов и режимов работы машин Формирова - ние графика работы мобильных машин

32 административно-территориальные границы населенные пункты гидрография (реки, озера, каналы, моря) транспортная инфраструктура границы лесничеств квартальная лесоустроительная сеть предприятия ЛПК месторождения полезных ископаемых лицензии недропользователей ЛЭП климатические и почвенно-грунтовые условия Электронные карты

Технологические цепочки ЗАО « Шуялес » по поставке пиловочника на ЗАО « Соломенский лесозавод » ( СЛЗ ) СЛЗ 9600 / / / / / м 3

Схема маршрута рубительной машины УРП

Акты о внедрении 35

1.Методика выбора комплектов систем машин и оборудования и определения оптимальных режимов их работы при формировании рациональных технологических цепочек, включающих заготовку, транспортировку и переработку круглых лесоматериалов с учетом природно-климатических условий лесозаготовки. 2.Математическая модель задачи выбора систем машин и определения режимов их работы в условиях сезонности лесозаготовок, учитывающая продолжительность эксплуатации зимних дорог, формы приобретения оборудования, привлечение организаций-подрядчиков для выполнения лесозаготовительных работ, а также функционирование лесозаготовительного предприятия в рамках интегрированной структуры. 3.Методика определения режимов работы оборудования для углубленной переработки круглых лесоматериалов в качестве вторичных ресурсов для предприятий теплоэнергетики региона. 4.Математические модели и методы решения задачи построения графика работы мобильных машин, обслуживающих территориально распределенные пункты, с учетом фактора времени и характеристик работы машин. 5.Геоинформационная система инфраструктуры лесопромышленного комплекса Республики Карелия, увязывающая данные о территориальном размещении лесных и минерально-сырьевых ресурсов, транспортной сети, природно-климатических условиях региона. Результаты, выносимые на защиту по специальности – технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства 36

1.Математические модели, описывающие работу комплекта машин, обслуживающих территориально удаленные пункты, учитывающие время прибытия в каждый пункт, время выполнения работы в каждом пункте, зависящее от характеристик машин, с ограничениями на количество посещений пунктов и с минимальными затратами на перемещение и выполнение работы, обобщенные в виде расширений задачи маршрутизации с временными окнами. 2.Методы решения расширений задачи маршрутизации с временными окнами и с ограничениями на количество посещений пунктов, реализованные в виде комплекса программ. 3.Программный комплекс, объединяющий базы данных, электронные карты и алгоритмы решения оптимизационных задач, предназначенный для принятия решений по выбору комплектов оборудования и определению режимов их работы, по формированию технологических цепочек, позволяющий осуществлять мониторинг работы предприятий лесопромышленной отрасли региона. Результаты, выносимые на защиту по специальности – математическое моделирование, численные методы и комплексы программ 37

Всего – 107 По теме диссертации – 77 статьи – 43 в журналах списка ВАК – 15 тезисы – 25 монографии – 4 учебно-методические – 5 Публикации 38

Статьи в журналах ВАК 1.Математическая модель задачи оптимизации производства и потребления древесного сырья в лесопромышленном регионе // ИВУЗ. «Лесной журнал». – – 5. – С. 117– Математическая модель выбора сквозных потоков заготовки, транспортировки и переработки древесного сырья. // Известия Санкт-Петербургской лесотехнической академии. – СПб: СПбГЛТА. – – Вып – С. 32–36. (соавторы: И. Р. Шегельман, А. Ю. Пономарев) 3.О механизме обеспечения однозначной аутентификации данных // Открытое образование. – – 6. – С. 30–33. (соавторы: Р. В. Воронов, В. В. Поляков) 4.Опыт формирования ГИС-карты с данными о горно-минеральных и лесных ресурсах региона. // Вестник Поморского университета. – – 3. – С. 131 – Задача оптимизации функционирования передвижной рубительной машины для производства щепы в топливно-энергетическом комплексе Республики Карелия. // Известия Санкт-Петербургской лесотехнической академии. – СПб: СПбГЛТА. – – Вып – С. 120–125. (соавторы К. В. Полежаев) 6.Процесс лесопромышленного производства с использованием вторичных ресурсов биомассы дерева. // ИВУЗ. «Лесной журнал». – – 1. – С. 152– Обоснование периода эксплуатации зимних лесовозных дорог.// ИВУЗ. «Лесной журнал». – – 2. – С. 54–58. (соавторы: И. Р. Шегельман, В. М.Лукашевич) 8.Постановка задачи оптимизации перевозок лесных грузов с учетом влияния крупных горно-промышленных предприятий на загруженность транспортной сети.// Известия Санкт-Петербургской лесотехнической академии. – СПб: СПбГЛТА. – – Вып – С. 132–139. (соавторы: И. Р. Шегельман, П. О. Щукин) 39

Статьи в журналах ВАК 9.Применение ГИС-технологий в изучении климатических и почвенно-грунтовых условий Республики Карелия // Вестник Поморского университета. Серия «Естественные и точные науки». – – 1. – С. 22–27. (соавторы: И. Р. Шегельман, В. М. Лукашевич) 10.К вопросу о размещении трелевочных волоков на лесосеке // Вестник Московского государственного университета леса. – М: изд-во МГУЛ, – 6. – С. 121–124. (соавторы: М. А. Пискунов, А. Н. Воропаев) 11.Задачи управления лесными ресурсами с учетом освоения горно- минеральных ресурсов Республики Карелия // Труды Института системного анализа РАН. Т.39. – М.: Книжный дом «ЛИБРОКОМ», – С. 469–476. (соавторы: П. О. Щукин) 12.Многоэтапная транспортно-производственная задача с учетом перевалки продукции ЛПК // Вестник Московского государственного университета леса. – М: изд-во МГУЛ, – 4. – С. 116–118. (соавторы: А. В. Воронин, В. А. Кузнецов, П. О. Щукин) 13.Задача формирования парка машин и оборудования для проведения лесозаготовительных работ при разделении лесосечного фонда на зоны летней и зимней вывозки // Вестник Московского государственного университета леса. – М: изд-во МГУЛ, – 4. – С. 119–121. (соавторы: В. М. Лукашевич) 14.Экспертная оценка факторов, характеризующих сквозные технологии лесозаготовок // Известия Санкт-Петербургской лесотехнической академии. – СПб.: СПбГЛТА, – Вып – С. 89–95. (соавторы: И. Р. Шегельман, П. О. Щукин, А. Ю. Пономарев) 15.Задача построения графика работы нескольких передвижных установок // Ученые записки ПетрГУ. – Петрозаводск: Изд-во ПетрГУ, – Вып. 8. – С. 93–98. 40

1.Теория и практика формирования баз данных для регионального лесопромышленного комплекса. – Петрозаводск: Изд-во ПетрГУ, – 88 с. 2.Биотопливо: состояние и перспективы использования в теплоэнергетике Республики Карелия. – Петрозаводск: Изд-во ПетрГУ, – 88 с. (соавторы: И. Р. Шегельман, К. В. Полежаев, П. О. Щукин) 3.Теория и практика принятия оптимальных решений для предприятий лесопромышленного комплекса. – Петрозаводск: Изд-во ПетрГУ, – 226 с. (соавторы: А.В.Воронин, В.А.Кузнецов, И. Р. Шегельман) 4.Стратегия и опыт создания комплексной электронной базы данных лесных и минеральных ресурсов региона; Петр. гос. ун-т. – Петрозаводск, – 215 с.: ил. – Библиогр.: 75 назв. – Рус. – Деп. в ВИНИТИ –В2005. (соавторы: И.Р.Шегельман) 41 Монографии

Научно-практический семинар «Инновационная экономика Карелии: возможные пути поддержки и развития» (Петрозаводск, 2004) Международная научно-техническая конференция «Новые информационные технологии в ЦБП и энергетике» (Петрозаводск, 2004, 2006, 2008, 2010) III Международная научно-практическая конференция «Темпы и пропорции социально-экономических процессов в регионах Севера» (Апатиты, 2005) Ежегодная международная научно-практическая конференция «Проблемы совершенствования бюджетной политики регионов и муниципалитетов России и стран Северной Европы» (Петрозаводск, 2005, 2006) Международная научно-техническая конференция «Актуальные проблемы развития лесного комплекса» (Вологда, 2005, 2007, 2010) Международный научный семинар «Передовые методы информационно- коммуникационных технологий» (Annual International Workshop «Advances in Methods of Information and Communication Technology» (AMICT2006, 2007)) (Петрозаводск, 2006, 2007) Russian-Scandinavian Symposium «Probability Theory and Applied Probability» (PTAP2006) (Петрозаводск, 2006) VII Всероссийская школа-семинар «Прикладные проблемы управления макросистемами» (Апатиты, 2008) Республиканская научно-практическая конференция «Структурная перестройка лесного комплекса Республики Карелия» (Петрозаводск, 2008) Конференция «Рациональное природопользование и перспективы устойчивого развития лесного сектора экономики» (Великий Новгород, 2008) Лесные ресурсы таежной зоны России: проблемы лесопользования и лесовосстановления (Петрозаводск, 2009) 42 Апробация работы