Промышленное лесопользование. Цифровизация и автоматизация

Н. В. Казаков






            ПРОМЫШЛЕННОЕ ЛЕСОПОЛЬЗОВАНИЕ


ЦИФРОВИЗАЦИЯ И АВТОМАТИЗАЦИЯ

Монография




















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 630*3
ББК 43.4
    К14


Рецензенты:
д-р с.-х. наук, проф., главный научный сотрудник ФГУ «ДальНИИЛХ» Ковалев Александр Петрович;
д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой автоматизации производственных процессов ФГБОУ ВО «ВГЛТУ им. Г. Ф. Морозова»
Стариков Александр Вениаминович




     Казаков, Н. В.
К14 Промышленное лесопользование. Цифровизация и автоматизация : монография / Н. В. Казаков. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. - 188 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-1132-5

           Представлены актуальные вопросы цифровизации и автоматизации промышленного лесопользования. Выполнен анализ состояния лесов Дальневосточного федерального округа, представлены прогнозные оценки динамики данных лесных ресурсов. Разработаны методы цифровизации на базе математического и пространственного моделирования окружающей среды, включая лесные ресурсы, и объектов промышленного лесопользования, включающих лесозаготовительные машины и оборудование, исполняющих операции технологических процессов.
           Для научных сотрудников, руководителей предприятий лесопромышленного комплекса, специалистов лесного хозяйства, профессорско-преподавательского состава, магистров и аспирантов высших учебных заведений лесной отрасли.



                                                                 УДК 630*3
ББК 43.4










ISBN 978-5-9729-1132-5

     © Казаков Н. В., 2023
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

ВВЕДЕНИЕ


    Происходящее совершенствование лесопромышленной техники в настоящее время и увеличение количества ее функций, повышение точности и надежности технологического оборудования способствуют ускоренному развитию лесной отрасли средствами информатизации и автоматизации технологий и машин, в частности лесосечных, построенных на базе мобильных автоматических систем. В передовых странах и отраслях промышленности вопросы автоматизации производства, исполнительных устройств и механизмов являются одними из приоритетных задач; важнейшее значение они имеют и для ресурсодобывающих технологий, являющихся источником повышенной опасности для работников. Без цифровизации и автоматизации трудно представить высокотехнологичные конкурентоспособные образцы изделий в машиностроении, транспорте, в авиации и космической технике.
    Процессы заготовки древесных ресурсов характеризуются условиями эксплуатации, интенсивностью рубки, применяемой технологией и техническими системами, ее реализующими. Наряду с известными фактами обеспечения высокой степени сохранения лесной среды при выполнении лесосечных работ в строгом соответствии с научными рекомендациями проводимые в настоящее время рубки многооперационными машинами практически приводят к деградации лесов страны и в том числе Дальнего Востока [1-6].
    Возрастающие экологические приоритеты, определяемые стратегиями развития отрасли, требуют рационального использования древесных ресурсов (на основе их высокопродуктивного воспроизводства и сохранения биологического разнообразия), экономии затрат энергии и материалов, сохранения окружающей среды при выполнении рубок и первичной переработки древесины. Этому способствуют технологии прецизионного лесопользования, которые невозможно реализовать без адекватных методов сбора данных о лесных ресурсах и их цифровизации, комплексной автоматизации и информатизации процессов заготовки древесины ресурсосберегающими методами, щадящими лесную и окружающую среду.
    Несмотря на социальную и научную значимость, проблема повышения эффективности лесопромышленных технологий средствами цифровизации и автоматизации разработана недостаточно и требует качественно новых решений. Современное состояние исследований в данной области науки можно охарактеризовать как неполное. В настоящее время нет лесных машин, в которых были бы полностью автоматизированы все операции: управление движением, манипулирование технологическим оборудованием при наведении на дерево и его отделении проводятся только под контролем человека-оператора [7, 191-193].

3

При этом маркировка и клеймение древесины, а также ряд других операций практически выполняются с применением только ручного труда и ручным инструментом. Существенно сдерживающим фактором развития техники и технологии лесосечных работ является разнообразие их характеризующих показателей, что обуславливает стохастическую неопределенность условий процесса заготовки древесины. Учет неопределенностей реального леса и их моделирование вызывает наибольшие трудности.
    Анализ потенциальных возможностей средств информатизации и автоматизации лесосечных операций показал, что они, в принципе, позволяют решить проблему повышения комплексной эффективности лесопромышленных технологий [7, 191, 193]. Для этого необходим системный подход, объединяющий методы сквозного анализа и взаимосвязанной формализации лесной среды и планирования технологических операций, и построения программ управления лесопромышленными агрегатами (ЛПА) в условиях больших неопределенностей реальных лесосек под пологом леса (БНЛ) на теоретическом, экспериментальном и конструкторском уровнях.
    Значимость информатизации и автоматизации лесосечных операций заключается в разработке методологии исследования лесосеки и ее элементов, технологических процессов и ЛПА как единой иерархической системы для сквозного и взаимосвязанного моделирования, планирования лесосечных операций и построения программ управления машинами. Разработанные методы со всей совокупностью входящих в них алгоритмов и средств комплексной автоматизации лесосечных работ имеют широкие перспективы применения лесопромышленными предприятиями.
    Предложенные теория и схема бортовой оптической поштучной идентификации стволов деревьев (как предмета труда, дорожных знаков и т. д.) способствуют развитию новых направлений в научных исследованиях и практическом использовании средств локального позиционирования ЛПА в условиях БНЛ в режиме реального времени. Указанное оборудование функционирует без постоянного интернет-канала и не нуждается в средствах глобального позиционирования, неспособного, как известно, работать в реальных условиях под пологом леса.
    Разработанные авторские принципы формализации технологических процессов, ЛПА и исполнительного оборудования, основанные на декомпозиции их взаимосвязей с применением абстрактной связующей «опорной точки», направлены на расширение количества новых альтернативных технических и технологических решений.
    Созданные на основе предложенных теоретических положений методы, алгоритмы и схемы программно-аппаратных средств позиционирования могут

4

применяться в различных сферах экспериментально-исследовательского и практического лесопромышленного производства, в научных и экологических исследованиях, в учебно-образовательном процессе.
    Полученные данные исследовательской работы в результате позволяют:
    -      применять предлагаемую методологию сквозного и взаимосвязанного моделирования, планирования лесосечных операций и построения программ управления машинами в проектно-конструкторских организациях машиностроения и приборостроения при проектировании систем автоматического управления объектов в условиях БНЛ;
    -      осуществлять выбор технологических процессов лесосечных работ и конструкций ЛПА для конкретных условий эксплуатации по физическим, экологическим и экономическим критериям эффективности с использованием разработанных программных комплексов [8, 9 и др.];
    -      повысить производительность, снизить энергоемкость и степень повреждения лесной среды и элементов древостоя за счет применения разработанных методов и средств, позволяющих обеспечить прецизионность исполнения технологического задания лесосечных работ в автоматическом режиме, не требующем квалифицированных операторов;
    -      прогнозировать адресный банк сортиментного выхода продукции по реальным данным о лесном фонде с использованием разработанного математического аппарата, реализованного в авторских программных комплексах;
    -      дистанционно измерять и прогнозировать параметры деревьев, выполнять их электронную маркировку и отвод в рубку, физическое клеймение продукции для её бесконтактной идентификации, учета происхождения и передвижений в корпоративной базе данных и в единой государственной автоматизированной информационной системе учета древесины и сделок с ней (ЕГАИС).
    Практическая значимость и научная новизна подтверждены рядом научных публикаций в авторитетных изданиях, 14-ю патентами на изобретения и 5-ю на полезные модели способов промышленного лесопользования, ЛПА и устройств их управления. Разработанные методы, алгоритмы и способы обработки информации зарегистрированы Роспатентом в виде четырех программных комплексов.
    Рассмотренные в работе вопросы и предложения их разрешения в первую очередь направлены на импортозамещение и развитие отечественного лесного машиностроения и приборостроения нового технологического уровня, обеспечивающего повышение совокупной эффективности лесопромышленного производства.

5

1. ПРОБЛЕМАТИКА ПРОМЫШЛЕННОГО ЛЕСОПОЛЬЗОВАНИЯ


    Происходящие в настоящее время глобальные экономические перемены существенно изменили состояние и развитие целых отраслей промышленного производства. Сегодня приоритетным направлением социально-экономического развития отраслей промышленности, и, в частности, лесной, является эффективность, построенная на сбережении ресурсов и снижении затрат в первую очередь энергетических. При этом обеспечение постоянства пользования возобновляемыми древесными ресурсами возлагается на лесопромышленников.

1.1. Анализ предметной области и процессов лесопромышленного производства

    Для анализа теоретических и практических решений вопросов обоснования повышения эффективности лесопромышленных технологий за период широкой механизации и машинизации лесозаготовок, потребуется отследить пройденные пути с позиций исследователей.
    В условиях послевоенного освоения дальневосточных территорий потребности в строительных материалах могли быть удовлетворены только имеющимися древесными ресурсами, практически не требующими перерабатывающих производственных мощностей. Увеличению добычи древесных ресурсов способствовали новые технологии, механизация и машинизация предприятий лесозаготовительной отрасли [10-14 и др.].
    Дальнейшее экстенсивное развитие дальневосточной лесозаготовительной промышленности, разработка технологий сплошных рубок с использованием многооперационных лесозаготовительных машин и практическое отсутствие контроля деятельности добывающих предприятий привели к снижению потенциала лесного фонда и резкому ухудшению окружающей среды в целом [15, 16 и др.].
    Использование комплекса валочно-пакетирующих (ВПМ) и бесчокерных трелёвочных машин (БТМ) для рубок лесосек приводит к масштабному уничтожению тонкомера и подроста. На лесных участках после проведения сплошных рубок сохранность тонкомерных деревьев в среднем составляла 25,8 %, а сохранность подроста - 10-27 % (В. А. Помазнюк и др.). Более 60 % сохраняемых деревьев имели механические повреждения различного вида (А. М. Веге-рин, Г. А. Гаркунов, 1979; В. И. Обыденников, 1982; А. П. Ковалев, 1986-1987 и др.). Тем не менее, при соблюдении научных рекомендаций и правил органи

6

зации лесосечных работ агрегатной техники, отмечается в работах В. Т. Чуми-на, возможно обеспечить сохранение подроста от 50 до 80 %. Учеными и производственниками Урала также была получена высокая сохранность подроста до 67-75 % (В. А. Помазнюк и др.), при соблюдении технологии лесосечных работ (для ВПМ с холостыми заездами и движением трелёвочных средств только по волоку).
    Применение комплексной машинизации, не корректные организация и исполнение технологического процесса лесозаготовок оказывает пагубное воздействие на почву, приводит к резкому увеличению на склонах поверхностного стока, развитию водной эрозии и другим нежелательным последствиям (В. Н. Горбачев, 1980, Л. Т. Крупская, 1980, В. С. Серый, 1989 и др.).
    Наиболее полные и детальные исследования эффективности применения агрегатной техники и качества последующего лесовосстановления на вырубках осуществлены В. И. Обыденниковым в 1980-1990 годы, совместно с сотрудниками ВНИИЛМ и ЦНИИМЭ.
    Развитию технологий, решению научных и практических задач регионального лесопользования различными технологиями и типами агрегатной техники способствовали исследования дальневосточных ученых Н. П. Грищенко, Г. В. Гукова, Д. Ф. Ефремова, А. П. Ковалёва, В. Н. Корякина, Ю. И. Манько, Б. С. Петропавловского, К. П. Соловьева, В. А. Розенберга, А. С. Шейнгауза и др. [1, 15-21, 194 и др.]. Результаты проведённых исследований послужили основой создания регламентов рубок главного пользования в лесах Дальнего Востока.
    Следующим этапом развития технологий явилось использование лесных комбайнов. В различных лесорастительных условиях эксплуатации были проведены опытно-промышленные исследования с участием авторов, дана лесо-водственно-технологическая оценка и определены оптимальные технологии лесосечных работ на рубках главного и промежуточного пользования в лесах Дальнего Востока (А. П. Ковалев, А. П. Лебединская, ДальНИИЛХ 1991; Ю. П. Солондаев, ДальНИИЛП 1991 и др.). В совместных исследованиях авторов были получены количественные оценки снижения производительности лесных комбайнов процессорного типа и увеличения повреждений подроста и оставляемых деревьев в зависимости от продолжительности смены [5, 6 и др.].
    Экстенсивное освоение лесов Дальнего Востока, многолетняя практика проведения сплошных рубок при систематическом нарушении лесоводствен-ных и технологических требований выполнения лесосечных работ привели к прогрессирующему истощению и ухудшению структуры лесного фонда, снижению природоохранного потенциала лесов, ухудшению гидрологического режима территорий, большим потерям древесины (В. Т. Чумин, А. С. Шейнгауз

7

и др., 1989-1991). При этом лесной фонд Дальнего Востока располагает значительными запасами перестойной древесины на склонах крутизной свыше 20° (А. П. Ковалев и др.) [3 и др.]. Известно, что данные леса выполняют исключительно важные водоохранно-защитные функции, превосходящие сырьевое значение древостоев. Кроме того, организация лесозаготовок в горных условиях ограничивает возможность применения современных лесосечных машин.
    Для освоения лесов на крутых склонах с выполнением лесоводственных требований используется технология, предусматривающая выборочные и постепенные рубки слабой интенсивности с выполнением трелёвки леса канатными установками и вертолетами [22-24 и др.]. Однако исследования, проводимые с участием автора совместно с С. И. Исаченко (ДальНИИЛП, 1986-2000) и сотрудниками ФГУ ДальНИИЛХ А. П. Ковалевым и др., показали, что наибольший эффект применения канатных установок отмечается при сплошных рубках и секторном способе трелевки. При этом были выявлены существенные повреждения почвы и полное уничтожение подроста [25, 26 и др.]. Вертолетная трелёвка древесины с лесосек на крутых склонах соответствует всем лесоводственно-экологическим требованиям и может быть экономически целесообразной в условиях, недоступных для наземных транспортных систем [12, 22 и др.]. Однако для условий Дальнего Востока комплексная эффективность применения летательных аппаратов для трелёвки древесных ресурсов изучена недостаточно из-за незначительных объемов применения (А. П. Ковалев, А. Ю. Алексеенко, 1996, А. В. Абузов, 2007-2014).
    Процессы лесопромышленного производства при исследовании условно относят к основным и вспомогательным. Под основными понимаются процессы, непосредственно связанные с добычей, первичной переработкой и транспортировкой древесных ресурсов в ходе лесосечной фазы лесозаготовительного производства, определяемые видом и способом рубок, технологией, составом и структурой агрегатов. А под вспомогательными - комплекс подготовительных действий, связанных с выбором участка лесного фонда для лесозаготовок, его анализа, учета и отвода в рубку, согласовательной стадии разрешительного пакета документов, непосредственно технологической и технической подготовок к лесосечным работам, а также пост рубочных работ от уборки лесного участка до лесовосстановительных и лесоохранных мероприятий. При этом отмечается, что техническая и технологическая подготовка, выполненная в соответствии с разработанным заданием, повышает эффективность производственных процессов в целом.
    Для получения количественных оценок эффективности по показателям качества технологических процессов в лесных отраслях используются разнооб

8

разные подходы и методы, построенные на моделировании исследуемых процессов, отраженные в работах И. В. Алябьева, Ю. С. Астахова, Д. И. Батищева, Ю. М. Баяковского, Н. П. Бусленко, Э. Ф. Герца, В. М. Глушкова, Ю. А. Дубова, П. М. Мазуркина, А. К. Редькина, А. Н. Томилина, Р. Шеннона, С. Б. Якимовича, B. Krassi, C. Ko, D. Ortiz Morales, A. Pasko, V. Saraikina, A. Shiriaeva, O. Ringdahl, J. Tuominen, S. Westerberg [26-40, 195-200 и др.].
    Систематизация методов моделирования технологических процессов и машин лесосечных работ представлена в работах А. К. Редькина, В. Г. Сарайкина, С. Б. Якимовича, A. Shiriaeva, S. Westerberg [26, 40, 41, 200 и др.], в которых также представлена обширная библиография. Приведенный внушительный список исследований указывает на актуальность разработки новых и совершенствования существующих методов цифровизации процессов лесопользования.
    Исследованиям лесосечных машин в условиях конкретного участка лесного фонда посвящены работы И. В. Алябьева, Е. Н. Виноградова, В. Н. Курицына, В. Ф. Кушляева, В. Н. Меньшикова, А. К. Редькина, С. Б. Якимовича и др. [26, 27, 40-42].
    Оценке энергоэффективности машин для лесозаготовок посвящены исследования в работах В. Г. Кочегарова [14], Ю. А Ширнина, С. Б. Якимовича и др. [14, 40, 46].
    Экологические аспекты взаимодействия лесосечных машин и лесной среды отражены в работах Г. М. Анисимова, Г. Багдонаса, М. Г. Беккера, Г. К. Виногорова, Э. Ф. Герца, Ю. Ю. Герасимова, Ю. А. Добрынина, А. П. Ковалева, К. М. Мустафаева, В. А. Помазнюка, В. С. Сюнева и др. [25, 47-55].
    Вопросам оценки процессов различными экономическими показателями посвящены работы Ю. А. Бита, Е. Ю. Богатовой, Е. Н. Виноградова, А. К. Горюнова, В. М. Захарикова, В. Е. Леванова, Г. М. Муратшина, В. А. Помазнюка, Ю. В. Суханова и др. [42, 56-61].
    Анализ приведённых выше исследований показывает, что теоретические исследования и практические разработки отечественной науки соответствуют мировым тенденциям, а имеющийся научный задел позволяет решать комплекс задач, стоящих перед лесным комплексом:
    -      совершенствование структуры и рост объемов лесопромышленного производства,
    -     снижение энергоемкости производства,
    -      снижение экологической нагрузки на окружающую среду, выдвинутой стратегиями развития лесного комплекса Российской Федерации.

9

1.2. Анализ методов цифровизации и автоматизации процессов промышленного лесопользования

    О постоянно высоком интересе научной общественности к исследованиям технологий лесопромышленного производства свидетельствуют принятые национальные программы развития лесной отрасли Российской Федерации и развитых лесных держав мира [201 и др.].
    Лесопромышленное производство в большинстве промышленно развитых стран прошло большой путь механизации и машинизации основных операций, что существенно изменило технологию лесозаготовок, повысило производительность труда, улучшились условия работы операторов машин и т. д. [10, 24, 62-65, 201 и др.]. Однако управление технологическим оборудованием и движением лесных агрегатов в реальных условиях больших неопределенностей под пологом леса (БНЛ) в настоящее время выполняется непосредственно человеком. Это обстоятельство сдерживает технологическую и техническую модернизацию действующих производств, активное применение ресурсосберегающих и энергосберегающих технологий, рост производительности лесных агрегатов, поскольку оператор становится узким местом в непосредственном процессе добычи и первичной переработки древесных ресурсов [31, 66, 193]. Анализ развития промышленного производства в различных отраслях определил стратегию повышения эффективности лесосечных технологий по указанным выше показателям за счет роста уровня автоматизации и информатизации [41, 62, 64, 67-70]. Если вопросы информативного обеспечения современного производства уже решены в той или иной степени, то комплексная информатизация производственных процессов, технологической и технической подготовки лесосечных работ существенно отстает [2, 41, 71-73, 199 и др.].
    Вопросам разработки и практического применения автоматизированных информационных технологий в лесной отрасли уделяется большое внимание многих исследователей [7, 41, 73-76, 202-205 и др.].
    Теоретические и практические аспекты автоматизации лесозаготовительного производства и автоматического управления технологическим оборудованием нашли отражение в следующих трудах M. Dunn, O. Ringdahl, A. Visala, B. Krassi, C. Ko, D. Ortiz Morales, A. Pasko, V. Saraikina, A. Shiriaeva, J. Tuomi-nen, S. Westerberg [191, 196-200 и др.].
    Научно-методические вопросы теории управления автоматизированными производствами лесопромышленного комплекса исследуют В. К. Вороницын, А. Г. Гороховский, А. Т. Гурьев, Н. П. Дергунов, В. А. Дорошенко, В. Г. Лисиенко, В. С. Петровский, А. В. Стариков и другие ученые.

10