изводства устойчивое развитие предприятий во ... насколько логистика, теория сложных систем, ... ЛЕСОЗАГОТОВИТЕЛЬНАЯ ЛОГИСТИКА

УДК 630.658.012.011.56.621
А.Н. Соловьев
ЛЕСОЗАГОТОВИТЕЛЬНАЯ ЛОГИСТИКА
Введение. В рыночных условиях развития лесозаготовительного производства устойчивое развитие предприятий во многом зависит от того,
насколько логистика, теория сложных систем, анализ многофакторных
операций, оптимальное управление, экология и др., учитывающих специфику работы лесной техники, применяются при оптимальном формировании технологий и управлении процессами.
Технологии заготовки и перемещения древесины от мест естественного
произрастания до потребителей основываются на операциях валки леса,
очистки деревьев от сучьев, раскряжевки хлыстов на сортименты, трелевки,
погрузки, лесотранспортировки и др. Здесь технические и переместительные операции, выполняемые комплексами машин, механизмов и оборудования, по производству лесоматериалов и их транспортировки лесовозами,
осуществляются в достаточно сложных многофакторных древесных средах,
обусловленных природными почвенно-климатическими условиями.
Системы лесных машин представляют собой единые взаимосвязанные
и взаимозависимые динамические структуры, эффективность которых зависит от их способности к эффективной самоорганизации и оптимизации
выполнения своих целевых функций как необходимых условий устойчивого развития лесопромышленных предприятий.
С рассматриваемых позиций необходимо построение лесозаготовительной логистики, которая должна стать одной из основных составляющих лесопромышленной логистики [Салминен и др., 2001]. В лесозаготовительной логистике необходимо объединение логистики производства и
перемещения (транспорта) с учетом специфики динамических критериев
эффективности лесных технологий: кратчайшие время и путь выполнения
операций при энергосберегающих режимах работы техники на лесосеке.
Методика и результаты исследования. На рынке лесного машиностроения имеет место широкий спектр механизмов, машин и оборудования
лесозаготовки и лесотранспорта: бензиномоторные пилы, валочные и валочно-пакетирующие машины, трелевочные трактора, валочно-трелевочные машины, многооперационные машины (харвестеры), сортиментовозы (форвардеры), процессоры, лесовозные автомобили, автомобильные
131
Известия Санкт-Петербургской лесотехнической академии. 2015. Вып. 210
прицепы и др. Все они имеют свои спецефические формулы расчета производительности. С позиции системного анализа все они должны быть
представлены одной обобщенной формулой объемной производительности
лесопродукции
П  V / t,
(1)
здесь V, t – соответственно объем древесины и время производства (или
перемещения) выполняемой технологической операции.
Для технологических операций валки, обрезки сучьев и раскряжевки
V  Vx ,
где Vx – средний объем хлыста, определяемый по таксационным характеристикам лесосекиОбъем лесопродукции при переместительных операциях (трелевка,
погрузка, транспорт) можно записать в виде
V  Vx nx ,
где nx – число хлыстов в единичном объеме перемещения. Тогда обобщенная формула объемной производительности лесных машин производства
лесоматериалов и их перемещения принимает вид:
П  Пx  Vx / t x ,
(2)
где tx = t / nx – нормированное время переместительной операции на один
хлыст.
Производительность комплексов механизмов, машин и оборудования как
единой структуры производства определяется формулой [Базаров и др., 2014]
П c  Vx N /  t x , i  1, 2, 3, ..., N ,
(2a)
где N – число выполняемых технологических операций.
Формула (2) указывает на возможность обобщенного представления
всех лесозаготовительных операций как переместительных, которые, в
свою очередь, должны характеризоваться своими технологическими скоростями в процессе производства.
Согласно формуле (2) средний объем хлыста становится постоянным
параметром состояния всего непрерывного технологического цикла производства лесоматериалов и их перемещения как на лесосеке, так и при
транспортировке в лесопромышленные предприятия.
Средний объем хлыста можно записать в виде
V x  S x Lx ,
(3)
где Sx – площадь поперечного сечения хлыста, осредненная по его длине Lx.
132
А.Н. Соловьев
Согласно (3) длина хлыста и осредненная площадь поперечного сечения, наряду со средним объемом хлыста, являются также постоянными параметрами всего технологического процесса лесозаготовки.
На основании (2) и (3) можно ввести представление технологической
скорости производства и перемещения на один хлыст:
(4)
U x  Lx /t x  П x /S x .
Обратная величина технологической скорости производства (перемещения)
(5)
tx  I / U x
является динамическим параметром состояния технологической операции,
который определяет время производства (перемещения) единицы длины
лесопродукции.
Динамическим параметром, объединяющим всю технологию, становится суммарное время технологического цикла производства (перемещения) единицы длины:
(6)
Tx  t xi , i  1, 2, 3, ..., N ,
где N – число операций производства и перемещений в технологическом
процессе.
При непрерывном процессе время производства единицы длины определяется как среднее время в цикле
T * =Tx /N .
(7)
Технологическая скорость дискретных циклов
U ц  1 / Tx .
(8)
При непрерывном производстве технологическая скорость процесса
Uн  1 / T *  Uц N.
(9)
На основании формул (6) и (7) можно определить время цикла производства лесопродукции
(10)
Т ц  Т х Lц ,
и при непрерывном процессе –
Т цн  Т * Lц ,
где Lц – общая длина пути технологического процесса производства перемещения (транспорта) лесоматериалов от валки деревьев и до потребителя.
Объем лесоматериалов, производимых и перемещаемых на технологическом пути,
(11)
V  Vx  Li / Lx , i  1, 2, 3, ..., N .
133
Известия Санкт-Петербургской лесотехнической академии. 2015. Вып. 210
Длина технологического пути и время производства (перемещения)
являются основными параметрами и определение их кратчайших значений
при валке деревьев, погрузке и транспортировке до потребителя становится необходимым условием оптимизации всего процесса лесозаготовки.
Важным условием эффективности производства является соблюдение
энергосберегающих режимов перемещения на лесосеке. Решение этой задачи можно получить с позиции прямого метода вариационного исчисления, применяемого в механике [Лич, 1961].
Работа по перемещению в общем случае определяется интегральным
функционалом, характеризующим энергию перемещения механизма, машины и оборудования при выполнении технологической операции
A   Wdt ,
(12)
здесь W(t, x, v) – мощность двигателя; v = dx/dt – скорость перемещения; х
– линейное перемещение.
Минимальному значению интегрального функционала энергии должно
соответствовать условие минимума подынтегральной функции (мощности)
при перемещении от начальной пространственно-временной точки пути
(t0, x0) до конечной (tk, xk). В рассматриваемых условиях согласно вариационному принципу экстремальное (минимальное) представление подынтегральной функции можно получить из решения уравнения Эйлера–
Лагранжа как необходимого условия экстремума:
(13)
d (W /v )/dt  W /x  0.
Мощность представлена формулой
W  Fv,
где F – сила.
При постоянной величине мощности на пути перемещения W = const
получаем условие энергосберегающего перемещения лесоматериалов при
выполнении технологических операций на лесосеке^
dF /dt  0,
(13a)
или
F = cov st.
(14)
Это означает, что энергосберегающими режимами на технологических путях производства лесопродукции являются только два режима: движение с
постоянной скоростью и движение с постоянным ускорением.
Полученное представление условия энергосберегающего перемещения
лесоматериалов в процессе производства позволяет решить задачу построения
кратчайшего пути. Решение задачи рассматриваем в плоской системе координат (х, у). Время движения по траектории у = f(х) определяется значением интегрального функционала
T   [1  (dy /dx) 2 ]1/2v 1dx.
134
(15)
А.Н. Соловьев
При движении с постоянным ускорением вдоль координаты у скорость
v  at  (2ay)1/2
и интегральный функционал (15) принимает вид
T   [1  (dy / dx ) 2 ]1/2 (2ay ) 1/2 dx.
(16)
Если в (16) ускорение а заменить ускорением силы тяжести g, то приходим к известной задаче нахождения траектории быстрейшего спуска в
гравитационном поле. Такой траекторией является брахистохрона.
Существующая иерархия производственных и лесотранспортных путей включает пасечный волок, магистральный волок, лесовозный ус, лесовозную ветку и лесовозную магистраль, на которых происходит, как правило, последовательное увеличение скорости перемещения.
На рисунке показана кратчайшая траектория движения лесной машины
на пасеке в системе пасечный волок – магистральный волок – ус при движении с постоянной скоростью на соответствующих путях. Скорость движения по пасечному волоку меньше скорости движения по магистральному
волоку (vв < Vм в). Время движения в системе пасечный волок – магистральный волок складывается из суммы времен движения с разными скоростями
T  (l2  x 2 )1/2vв1  (L  x)Vмв1.
(17)
Здесь ОС = х.
А
О
1
α
С
В
х
С
Схема кратчайшего пути перемещения
в системе пасечные волока – магистральный волок – ус
1 – пасечные волока, ОВ – магистральный волок, ВС – ус,
С – место погрузки, расстояния (АО = l, ОВ = L)
135
Известия Санкт-Петербургской лесотехнической академии. 2015. Вып. 210
Кратчайший путь определяется условием
dT / dx  0, d 2T / dx 2  0.
Выполнив дифференцирование, получаем уравнение
x[v(l2  x 2 )1/2 ]1  V 1  0,
(18)
из которого следует формула
x /l  β β  ,
(19)
где относительная скорость β = vв / Vм в < 1.
Согласно рисунку, угол входа пасечного волока в магистральный волок
α  arcctg(l / x),
(20)
l / x  β  β  .
(21)
Формулы (20) и (21) показывают, что оптимальный путь определяется
отношением скоростей, и позволяют рассчитать угол входа пасечных волоков в магистральный волок (например, при β = ½, α = 60), который
обеспечивает кратчайшее время перемещения лесоматериалов и, как следствие, более высокую производительность технологического пути.
Полученные формулы (20) и (21) можно применять для определения
кратчайшего пути в системе магистральный волок – ус на основании информации об отношении скоростей.
где
Выводы. Лесозаготовка представляет собой динамическую систему связанных и взаимозависимых технологических операций производства и перемещения лесоматериалов от валки деревьев в лесу до потребителя, выполняемых машинами, механизмами и оборудованием, широко представленных на рынке лесного машиностроения.
Лесозаготовительная логистика, выстраиваясь на общих принципах
логистики, учитывает специфику процессов производства и транспорта
продукции в лесу.
Комплексы лесной техники заготовки древесины в лесу следует рассматривать как логистические динамически связанные системы, оптимальная
работа которых в рыночных условиях развития лесной отрасли должна выстраиваться с позиции принципа быстродействия: кратчайшее время, высокая
технологическая скорость и кратчайший технологический путь производства
и перемещения при энергосберегающих режимах выполнения операций.
Библиографический список
Базаров С.М., Беленький Ю.И., Соловьев А.Н. Системно-синергетический анализ технологий лесозаготовительного производства. СПб.: СПбГЛТУ, 2014. 96 с.
Лич Дж.У. Классическая механика. М.: ИЛ, 1961. 173 с.
Салминен Э.О., Борозна А.А., Тюрин Н.А. Лесопромышленная логистика.
СПб.: СПбГЛТА, 2001. 188 с.
136
А.Н. Соловьев
Bibliography
Bazarov S.M., Belen'kii Iu.I., Solov'ev A.N. Sistemno-sinergeticheskii analiz
tekhnologii lesozagotovitel'nogo proizvodstva. SPb.: SPbGLTU, 2014. 96 s. (Rus)
Lich Dzh.U. Klassicheskaia mekhanika. M.: IL, 1961. 173 s. (Rus)
Salminen E.O., Borozna A.A., Tiurin N.A. Lesopromyshlennaia logistika. SPb.:
SPbGLTA, 2001. 188 s. (Rus)
Соловьев А.Н. Лесозаготовительная логистика // Известия Санкт-Петербургской лесотехнической академии. 2015. Вып. 210. С. 131–137.
Показано, что устойчивое развитие лесозаготовительных предприятий связано с построением лесозаготовительной логистики, объединяющей логистики
производства и перемещения с учетом специфики динамических критериев эффективности лесных технологий: кратчайших времени и технологического пути
выполнения последовательных операций при энергосберегающих режимах перемещения.
К л ю ч е в ы е с л о в а : время, скорость, производство, система, транспорт.
Soloviev A.N. Logging logistics. Izvestia Sankt-Peterburgskoj Lesotehniceskoj
Akademii, 2015, is. 210, pp. 131–137 (in Russian with English summary).
Sustainable development of forestry enterprises associated with the construction
of forest technology logistics, uniting logistics of production and transportation
(transport), taking into account the specifics of the dynamic performance criteria of
forest technology: the shortest time and path operations during power-saving modes of
movement in the plot.
K e y w o r d s : time, rate, production, system, transport.
СОЛОВЬЕВ Александр Николаевич – заведующий кафедрой «Геодезия
и строительное дело» Санкт-Петербургского государственного лесотехнического
университета, кандидат технических наук, доцент.
194021, Институтский пер., д. 5, Санкт-Петербург, Россия. Е-mail:
[email protected]
SOLOVIEV Aleksandr N. – PhD (Engineering), Associate Professor, St. Petersburg State Forest University.
194021. Institute per. 5. St. Petersburg. Russia. Е-mail: [email protected]
137