森林作業(yè)的計算機模擬研究

徐立華　王文學

摘要：隨著社會經(jīng)濟的不斷發(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)不能適應大規(guī)模生產(chǎn)的需要，近些年來逐漸采用機械化操作，并對計算機模擬作業(yè)進行了構建和設計。文章對森林作業(yè)的計算機模擬技術進行了研究。

關鍵詞：森林作業(yè)；計算機模擬；林木采伐；林木運輸；規(guī)劃設計 文獻標識碼：A

中圖分類號：TP391 文章編號：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輸工作，其中涉及到工作人員、機械設備、林木資源、地形地質條件等多種因素，情況多變，因此必須重視做好科學的規(guī)劃。應用計算機模擬作業(yè)，能將不同形式的作業(yè)方式和機械操作、林地地形等進行系統(tǒng)化的比較和分析，并對相對應的決策進行分析和評價，形成從油鋸采伐、集材裝卸、運輸處理到生態(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)技術不斷發(fā)展的產(chǎn)物，對提高工作效率等有積極影響。

1 森林作業(yè)機械化模擬

20世紀80年代，最先在美國出現(xiàn)了作業(yè)機械化操作的計算機模擬系統(tǒng)，主要是在系統(tǒng)中輸入伐木機的結構及參數(shù)，便可在計算機中顯示其三維圖和實際運作圖。在地形條件允許的情況下可以觀察到伐木機的運行和作業(yè)情況，從而對其懸臂的長度、運轉速度、對應的尺寸、機器穩(wěn)定性、工作效率等之間的相互關系進行分析，該系統(tǒng)成為了機械作業(yè)參數(shù)設計和工作評估的主要方式。

在設計中，其中最主要的設計指標是車輛的舒適度問題。將傳統(tǒng)的集材機簡化成由發(fā)動機、駕駛室、伐木頭、承載梁等在內(nèi)的構造，并合理調(diào)整各部位之間的位置關系，通過模擬試驗測定在一定的地形條件中車輛的震動和沖擊力，從而對每個設計方案特性進行評定，最終選擇最適合的方案。

此外，在系統(tǒng)設計中，對車輛回避障礙物的能力有嚴格的要求。要計算轉向尺寸與行駛距離之間的相互關系，需要建立計算機模擬模型。通過屏幕觀察來確定障礙物與車輛的位置關系，并對不同尺寸、類型的林木進行分組，車輛儲存也主要由林木直徑?jīng)Q定，操作者通過操縱桿在屏幕上對車輛進行操控，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，模擬試驗得出的結果進行整理分析，并得出不同因素之間的相互關系。

采用計算機來模擬分析車輛經(jīng)濟性和動力，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，從而對車輛的使用條件等進行預測，最終對整個系統(tǒng)進行改造和優(yōu)化。

2 木材運輸作業(yè)模擬

從地面集材到空中作業(yè)都可以運用計算機模擬來進行分析，幫助提升生產(chǎn)工藝。為了更好地指導生產(chǎn)工藝的設計應用，需要對索道集材的模擬方法進行探討，在此過程中主要是對力學等相關理論知識運用情況的把握，在建立計算機模型的基礎上，對整個模型過程進行計算，得出整個系統(tǒng)運作變化時的受力情況，并對其最大承受力進行了解。最后進行模擬載荷分析，并通過人為控制索道運行狀態(tài)的措施，對索道系統(tǒng)運行工作狀態(tài)下的各種數(shù)據(jù)等進行計算。

采運系統(tǒng)是一個復雜的系統(tǒng)，主要包括集材、裝卸、運輸、貯藏等在內(nèi)，但是受到機械操作的隨機性、車輛變換等影響，單憑長期的生產(chǎn)經(jīng)驗是無法實現(xiàn)最佳運轉效果的。在運用計算機分析中，可以對機械設備的運轉關系等進行預測，對整個系統(tǒng)進行綜合優(yōu)化。模擬技術可對集運系統(tǒng)的內(nèi)部動態(tài)和采運系統(tǒng)進行全程監(jiān)控，輔助系統(tǒng)的優(yōu)化設計并作為研究的主要工具。

3 森林作業(yè)計算機模擬規(guī)劃設計

3.1 理論基礎分析

森林系統(tǒng)作業(yè)受到其運轉特點和相關工藝技術處理的影響，在假設森林資源、技術手段、生產(chǎn)環(huán)境等都一定的情況下，實現(xiàn)系統(tǒng)作業(yè)的不斷優(yōu)化，是模擬規(guī)劃設計的主要目的所在。

對于采運系統(tǒng)各操作流程和作業(yè)方式，可以結合不同作業(yè)需要進行選擇，通?？刹捎镁W(wǎng)絡迷你分析的方法。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，從而可創(chuàng)建整個運作網(wǎng)絡圖。在此基礎上，系統(tǒng)內(nèi)部的所有工序和流程之間的關系都在網(wǎng)絡圖上呈現(xiàn)出來，并將伐木、造林、集運等全部作業(yè)環(huán)境納入到系統(tǒng)中，建立一個從采伐區(qū)到貯木場這一完整區(qū)域的系統(tǒng)，實現(xiàn)多階段運輸系統(tǒng)。

在實際操作中，系統(tǒng)優(yōu)化設計要以網(wǎng)絡圖為主要參考依據(jù)，主要是在網(wǎng)絡圖中找到從起點到終點費用最小消耗線路，各個工序操作階段有固定費用和不固定費用。固定費用是不受運輸量影響的費用，如道路修筑、橋梁建設、水運河道等開銷；而不固定費用是受到運輸量變化的花費，運輸量越大，其消耗也隨之增多。采運系統(tǒng)能在一定程度上對每一工作程序的生產(chǎn)能力進行限制，即網(wǎng)絡圖中弧的容量大小。因此，可在網(wǎng)絡模擬中對費用進行優(yōu)化計算，從而在對生產(chǎn)工藝進行合理選擇，結合規(guī)劃設計中模型的敏感性分析，在實際生產(chǎn)中處理好經(jīng)濟建設和生態(tài)平衡的問題。

3.2 成功實例分析

在美國，該項系統(tǒng)已經(jīng)被開發(fā)運用。美國俄勒岡州立大學設計時間調(diào)配和網(wǎng)絡分析程序（SNAP），主要是針對森林作業(yè)中的調(diào)配和運輸設計。該系統(tǒng)范圍較大，包括三十多個伐木區(qū)、五千以上的作業(yè)單元，路線超過一萬，并對作業(yè)的成本、林木的種類、木材運輸要求等進行了綜合分析，通過網(wǎng)絡處理和模擬生成，實現(xiàn)了最佳配置。此外，系統(tǒng)設計中還將采伐區(qū)會受到的干擾限制、森林動物的通道等方面納入其中，符合生態(tài)環(huán)境保護的具體要求。

3.3 模擬設計的實現(xiàn)

采運系統(tǒng)是整個森林作業(yè)工作中的重要部分，整個生產(chǎn)過程和操作環(huán)節(jié)相互影響和制約，是一個動態(tài)變化的過程。木材采集和生產(chǎn)的過程本身是具有連鎖動態(tài)的操作體系，并需要根據(jù)市場需求進行相應的調(diào)整。在計算機模擬試驗的設計中，主要運用動力學等相關原理，建立整套的力學模型，并對今后木材生產(chǎn)的過程進行模擬仿真，預測未來森林的經(jīng)營情況及對經(jīng)濟發(fā)展的影響程度，也為企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營提供更好的參考方案。

采運系統(tǒng)的設計包括森林資源、木材的生產(chǎn)、運輸?shù)缆返倪x擇設計、各環(huán)節(jié)的生產(chǎn)成本等，影響因素較多，丙炔隨機性相對較大，對其實行動態(tài)監(jiān)控一向是很難操作的過程，可運用微分模擬建立動態(tài)模型，為系統(tǒng)設計的實現(xiàn)提供示范和經(jīng)驗。

隨著社會對生態(tài)環(huán)境保護的重視，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)和計算機模擬設計中，需要將森林生態(tài)建設納入系統(tǒng)中，尤其是成本計算中，需要將環(huán)境成本算入其中，減少對生態(tài)環(huán)境的干預，遵循森林自身發(fā)育生長的特點，同時還要注意森林中野生動物的生活情況，如在木材運輸中設立專門的野生動物通道、減少噪音污染等，減少對動物正常生活及方式的影響，保證人與自然的和諧。

4 結語

綜上所述，森林作業(yè)技術的相關研究在未來經(jīng)濟社會的發(fā)展中占有重要地位，為經(jīng)濟的發(fā)展提供了充足的資源支持。計算機技術的不斷發(fā)展，模擬技術、工程技術等不斷受到人們的重視，信息化社會進程的不斷加快，對森林作業(yè)的相關工藝技術也提出了更高的要求，在未來的發(fā)展中，森林作業(yè)對技術工藝等有了更高的要求，需要對計算機模擬等技術進行深入的研究和探討。

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作者簡介：徐立華（1969-），女，吉林蛟河人，供職于吉林省蛟河林業(yè)實驗區(qū)管理局，研究方向：機械工程。

（責任編輯：周 瓊）