徐立華　王文學(xué)

摘要：隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，森林面積不斷縮小，尤其是天然森林面積銳減，人工造林得到很大的發(fā)展。傳統(tǒng)的森林采伐運(yùn)輸作業(yè)中，人力操作為主的傳統(tǒng)發(fā)展方式已經(jīng)不能適應(yīng)大規(guī)模生產(chǎn)的需要，近些年來(lái)逐漸采用機(jī)械化操作，并對(duì)計(jì)算機(jī)模擬作業(yè)進(jìn)行了構(gòu)建和設(shè)計(jì)。文章對(duì)森林作業(yè)的計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)進(jìn)行了研究。

關(guān)鍵詞：森林作業(yè)；計(jì)算機(jī)模擬；林木采伐；林木運(yùn)輸；規(guī)劃設(shè)計(jì) 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TP391 文章編號(hào)：1009-2374（2015）17-0013-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.17.006

森林作業(yè)主要包括林木的采伐和運(yùn)輸工作，其中涉及到工作人員、機(jī)械設(shè)備、林木資源、地形地質(zhì)條件等多種因素，情況多變，因此必須重視做好科學(xué)的規(guī)劃。應(yīng)用計(jì)算機(jī)模擬作業(yè)，能將不同形式的作業(yè)方式和機(jī)械操作、林地地形等進(jìn)行系統(tǒng)化的比較和分析，并對(duì)相對(duì)應(yīng)的決策進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)，形成從油鋸采伐、集材裝卸、運(yùn)輸處理到生態(tài)環(huán)境變化這一系列的作業(yè)模擬系統(tǒng)操作，它是森林作業(yè)技術(shù)不斷發(fā)展的產(chǎn)物，對(duì)提高工作效率等有積極影響。

1 森林作業(yè)機(jī)械化模擬

20世紀(jì)80年代，最先在美國(guó)出現(xiàn)了作業(yè)機(jī)械化操作的計(jì)算機(jī)模擬系統(tǒng)，主要是在系統(tǒng)中輸入伐木機(jī)的結(jié)構(gòu)及參數(shù)，便可在計(jì)算機(jī)中顯示其三維圖和實(shí)際運(yùn)作圖。在地形條件允許的情況下可以觀察到伐木機(jī)的運(yùn)行和作業(yè)情況，從而對(duì)其懸臂的長(zhǎng)度、運(yùn)轉(zhuǎn)速度、對(duì)應(yīng)的尺寸、機(jī)器穩(wěn)定性、工作效率等之間的相互關(guān)系進(jìn)行分析，該系統(tǒng)成為了機(jī)械作業(yè)參數(shù)設(shè)計(jì)和工作評(píng)估的主要方式。

在設(shè)計(jì)中，其中最主要的設(shè)計(jì)指標(biāo)是車輛的舒適度問(wèn)題。將傳統(tǒng)的集材機(jī)簡(jiǎn)化成由發(fā)動(dòng)機(jī)、駕駛室、伐木頭、承載梁等在內(nèi)的構(gòu)造，并合理調(diào)整各部位之間的位置關(guān)系，通過(guò)模擬試驗(yàn)測(cè)定在一定的地形條件中車輛的震動(dòng)和沖擊力，從而對(duì)每個(gè)設(shè)計(jì)方案特性進(jìn)行評(píng)定，最終選擇最適合的方案。

此外，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，對(duì)車輛回避障礙物的能力有嚴(yán)格的要求。要計(jì)算轉(zhuǎn)向尺寸與行駛距離之間的相互關(guān)系，需要建立計(jì)算機(jī)模擬模型。通過(guò)屏幕觀察來(lái)確定障礙物與車輛的位置關(guān)系，并對(duì)不同尺寸、類型的林木進(jìn)行分組，車輛儲(chǔ)存也主要由林木直徑?jīng)Q定，操作者通過(guò)操縱桿在屏幕上對(duì)車輛進(jìn)行操控，包括方向的選擇和速度的調(diào)整等，最終將車輛安全送入到目的地。最后，模擬試驗(yàn)得出的結(jié)果進(jìn)行整理分析，并得出不同因素之間的相互關(guān)系。

采用計(jì)算機(jī)來(lái)模擬分析車輛經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力，能正確反映其E-P性能，并了解到不同條件下該性能的變化，從而對(duì)車輛的使用條件等進(jìn)行預(yù)測(cè)，最終對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行改造和優(yōu)化。

2 木材運(yùn)輸作業(yè)模擬

從地面集材到空中作業(yè)都可以運(yùn)用計(jì)算機(jī)模擬來(lái)進(jìn)行分析，幫助提升生產(chǎn)工藝。為了更好地指導(dǎo)生產(chǎn)工藝的設(shè)計(jì)應(yīng)用，需要對(duì)索道集材的模擬方法進(jìn)行探討，在此過(guò)程中主要是對(duì)力學(xué)等相關(guān)理論知識(shí)運(yùn)用情況的把握，在建立計(jì)算機(jī)模型的基礎(chǔ)上，對(duì)整個(gè)模型過(guò)程進(jìn)行計(jì)算，得出整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)作變化時(shí)的受力情況，并對(duì)其最大承受力進(jìn)行了解。最后進(jìn)行模擬載荷分析，并通過(guò)人為控制索道運(yùn)行狀態(tài)的措施，對(duì)索道系統(tǒng)運(yùn)行工作狀態(tài)下的各種數(shù)據(jù)等進(jìn)行計(jì)算。

采運(yùn)系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，主要包括集材、裝卸、運(yùn)輸、貯藏等在內(nèi)，但是受到機(jī)械操作的隨機(jī)性、車輛變換等影響，單憑長(zhǎng)期的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)是無(wú)法實(shí)現(xiàn)最佳運(yùn)轉(zhuǎn)效果的。在運(yùn)用計(jì)算機(jī)分析中，可以對(duì)機(jī)械設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)關(guān)系等進(jìn)行預(yù)測(cè)，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行綜合優(yōu)化。模擬技術(shù)可對(duì)集運(yùn)系統(tǒng)的內(nèi)部動(dòng)態(tài)和采運(yùn)系統(tǒng)進(jìn)行全程監(jiān)控，輔助系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)并作為研究的主要工具。

3 森林作業(yè)計(jì)算機(jī)模擬規(guī)劃設(shè)計(jì)

3.1 理論基礎(chǔ)分析

森林系統(tǒng)作業(yè)受到其運(yùn)轉(zhuǎn)特點(diǎn)和相關(guān)工藝技術(shù)處理的影響，在假設(shè)森林資源、技術(shù)手段、生產(chǎn)環(huán)境等都一定的情況下，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)作業(yè)的不斷優(yōu)化，是模擬規(guī)劃設(shè)計(jì)的主要目的所在。

對(duì)于采運(yùn)系統(tǒng)各操作流程和作業(yè)方式，可以結(jié)合不同作業(yè)需要進(jìn)行選擇，通?？刹捎镁W(wǎng)絡(luò)迷你分析的方法。將主要的操作規(guī)定為有向弧，不同工作交接的電成為節(jié)點(diǎn)，從而可創(chuàng)建整個(gè)運(yùn)作網(wǎng)絡(luò)圖。在此基礎(chǔ)上，系統(tǒng)內(nèi)部的所有工序和流程之間的關(guān)系都在網(wǎng)絡(luò)圖上呈現(xiàn)出來(lái)，并將伐木、造林、集運(yùn)等全部作業(yè)環(huán)境納入到系統(tǒng)中，建立一個(gè)從采伐區(qū)到貯木場(chǎng)這一完整區(qū)域的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)多階段運(yùn)輸系統(tǒng)。

在實(shí)際操作中，系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)要以網(wǎng)絡(luò)圖為主要參考依據(jù)，主要是在網(wǎng)絡(luò)圖中找到從起點(diǎn)到終點(diǎn)費(fèi)用最小消耗線路，各個(gè)工序操作階段有固定費(fèi)用和不固定費(fèi)用。固定費(fèi)用是不受運(yùn)輸量影響的費(fèi)用，如道路修筑、橋梁建設(shè)、水運(yùn)河道等開銷；而不固定費(fèi)用是受到運(yùn)輸量變化的花費(fèi)，運(yùn)輸量越大，其消耗也隨之增多。采運(yùn)系統(tǒng)能在一定程度上對(duì)每一工作程序的生產(chǎn)能力進(jìn)行限制，即網(wǎng)絡(luò)圖中弧的容量大小。因此，可在網(wǎng)絡(luò)模擬中對(duì)費(fèi)用進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，從而在對(duì)生產(chǎn)工藝進(jìn)行合理選擇，結(jié)合規(guī)劃設(shè)計(jì)中模型的敏感性分析，在實(shí)際生產(chǎn)中處理好經(jīng)濟(jì)建設(shè)和生態(tài)平衡的問(wèn)題。

3.2 成功實(shí)例分析

在美國(guó)，該項(xiàng)系統(tǒng)已經(jīng)被開發(fā)運(yùn)用。美國(guó)俄勒岡州立大學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)間調(diào)配和網(wǎng)絡(luò)分析程序（SNAP），主要是針對(duì)森林作業(yè)中的調(diào)配和運(yùn)輸設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)范圍較大，包括三十多個(gè)伐木區(qū)、五千以上的作業(yè)單元，路線超過(guò)一萬(wàn)，并對(duì)作業(yè)的成本、林木的種類、木材運(yùn)輸要求等進(jìn)行了綜合分析，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)處理和模擬生成，實(shí)現(xiàn)了最佳配置。此外，系統(tǒng)設(shè)計(jì)中還將采伐區(qū)會(huì)受到的干擾限制、森林動(dòng)物的通道等方面納入其中，符合生態(tài)環(huán)境保護(hù)的具體要求。

3.3 模擬設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)

采運(yùn)系統(tǒng)是整個(gè)森林作業(yè)工作中的重要部分，整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程和操作環(huán)節(jié)相互影響和制約，是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的過(guò)程。木材采集和生產(chǎn)的過(guò)程本身是具有連鎖動(dòng)態(tài)的操作體系，并需要根據(jù)市場(chǎng)需求進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。在計(jì)算機(jī)模擬試驗(yàn)的設(shè)計(jì)中，主要運(yùn)用動(dòng)力學(xué)等相關(guān)原理，建立整套的力學(xué)模型，并對(duì)今后木材生產(chǎn)的過(guò)程進(jìn)行模擬仿真，預(yù)測(cè)未來(lái)森林的經(jīng)營(yíng)情況及對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的影響程度，也為企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)提供更好的參考方案。

采運(yùn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括森林資源、木材的生產(chǎn)、運(yùn)輸?shù)缆返倪x擇設(shè)計(jì)、各環(huán)節(jié)的生產(chǎn)成本等，影響因素較多，丙炔隨機(jī)性相對(duì)較大，對(duì)其實(shí)行動(dòng)態(tài)監(jiān)控一向是很難操作的過(guò)程，可運(yùn)用微分模擬建立動(dòng)態(tài)模型，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)提供示范和經(jīng)驗(yàn)。

隨著社會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境保護(hù)的重視，森林在凈化空氣、吸收二氧化碳、防洪等方面具有很重要的意義。因此，在森林作業(yè)和計(jì)算機(jī)模擬設(shè)計(jì)中，需要將森林生態(tài)建設(shè)納入系統(tǒng)中，尤其是成本計(jì)算中，需要將環(huán)境成本算入其中，減少對(duì)生態(tài)環(huán)境的干預(yù)，遵循森林自身發(fā)育生長(zhǎng)的特點(diǎn)，同時(shí)還要注意森林中野生動(dòng)物的生活情況，如在木材運(yùn)輸中設(shè)立專門的野生動(dòng)物通道、減少噪音污染等，減少對(duì)動(dòng)物正常生活及方式的影響，保證人與自然的和諧。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，森林作業(yè)技術(shù)的相關(guān)研究在未來(lái)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展中占有重要地位，為經(jīng)濟(jì)的發(fā)展提供了充足的資源支持。計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，模擬技術(shù)、工程技術(shù)等不斷受到人們的重視，信息化社會(huì)進(jìn)程的不斷加快，對(duì)森林作業(yè)的相關(guān)工藝技術(shù)也提出了更高的要求，在未來(lái)的發(fā)展中，森林作業(yè)對(duì)技術(shù)工藝等有了更高的要求，需要對(duì)計(jì)算機(jī)模擬等技術(shù)進(jìn)行深入的研究和探討。

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作者簡(jiǎn)介：徐立華（1969-），女，吉林蛟河人，供職于吉林省蛟河林業(yè)實(shí)驗(yàn)區(qū)管理局，研究方向：機(jī)械工程。

（責(zé)任編輯：周 瓊）