Совершенствование технологического процесса канатной трелёвки путём применения каретки новой конструкции тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Королько Николай Сергеевич

• Королько Николай Сергеевич
• кандидат наук
• 2025

Оглавление диссертации кандидат наук Королько Николай Сергеевич

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Обзор и анализ современного состояния лесозаготовительного сектора ЛПК

1.2. Совокупность ограничений препятствующих применению существующих технологий лесозаготовок

1.2.1. Нормативно-правовые ограничения

1.2.2. Природно-производственные ограничения

1.3. Анализ опыта применения канатных трелевочных установок

1.4. Анализ технологического процесса лесозаготовок с применением КТУ

1.5. Технологии разработки лесосек с применением КТУ

1.6. Выводы по главе

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТРАССИРОВКИ ВОЛОКОВ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ КТУ С ПОВОРОТОМ ТРАССЫ

2.1. Теоретические основы трассировки волоков канатных установок с поворотом в условиях неопределённости

2.2. Трассировка волока при осуществлении поворота с помощью метода аппроксимации двумерного множества конечным множеством

2.3. Построения трассы волока дискретным методом перебора в условиях определённости

2.3.1. Математическое описание алгоритма

2.3.2. Работоспособность алгоритма трассировки волока

2.4. Выводы по главе

ГЛАВА 3. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА КАНАТНОЙ ТРЕЛЁВКИ ПРИ ОСУЩЕСТВЛЕНИИ ПОВОРОТА

3.1. Модель канатной трелёвочной установки с поворотом трассы

3.2. Поиск критических значений величин радиуса поворота

3.3. Поиск критических значений величин радиуса поворота

3.4. Перспективные направления использования ШСК

3.5. Выводы по главе

Глава 4. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ОСВОЕНИЯ ЛЕСОСЕК КТУ С ШСК

4.1. Расчет среднего расстояния трелёвки

4.2. Расчет производительности

4.3. Расчёт себестоимости

4.4. Выводы по главе

ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

Приложения

П.1. Программа по построению маршрута трассы канатной дороги вокруг препятствий

П.2. Координаты границ лесосеки

П.3. Координаты границы препятствий до и после рубки

П.4. Свидетельство о регистрации патента на полезную модель «Каретка канатной трелёвочной установки»

П.5. Акт опытно-промышленной апробации результатов научно-исследовательской работы

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование технологического процесса канатной трелёвки путём применения каретки новой конструкции»

Актуальность темы исследования.

В 2023 и 2024 году объем заготовленной древесины в РФ не изменился. В Ленинградской области расчётная лесосека составляет 8 932,9 тыс. м3, при их фактическом использовании в объеме 5 235,5 тыс. м3. При этом арендаторами реально используется 4 859,3 тыс. м3, т.е. всего 54%. При этом потенциал использования хвойных и легкодоступных лесосек стремительно уменьшается. В гидрографической сети Ленинградской области более 50 тыс. водотоков, общая длина которых свыше 221 тыс. км. Показатель удельной обеспеченности водой для нее в 2,5 раза выше среднего по РФ. Поэтому около 12 % площади лесов составляют болота. На низинных болотах произрастают береза пушистая, черная ольха, ивы, сосна и ель. Густые хвойные и смешанные лиственные леса, перемежающиеся болотами, покрывают почти 70 % территории области. Это служит важным сырьевым ресурсом региона. Высокие средние температуры воздуха в зимний заготовительный период 2019-2020, 2024-2025 года сделали невозможным работу на многих отведенных под зимнюю заготовку лесных участках.

Одной из причин недобора расчетной лесосеки является отчетливо наметившейся тенденции к затрудненности или невозможности применения традиционных решений для разработки лесосек. В настоящее время в РФ по ряду факторов альтернативные способы освоения лесных массивов, переданных в аренду лесопользователям, могут рассматриваться как один из возможных способов нормализации или даже увеличения объемов заготовки древесины на таких территориях. На заболоченных и переувлажненных грунтах таких лесов возможно применение машин, при трелёвке которыми давление на грунт минимально или практически отсутствует, в том числе канатной трелевки. Канатные установки получили широкое распространение в СССР в 60-70 годы XX века.

Существенным ограничением широкого применения канатной трелевки является прямолинейность хода трассы канатной установки. Одним из вариантов решения данной задачи является применение канатных установок с поворотом

трасс, существенно расширяющего область применения канатно-трелёвочных установок (далее КТУ). Технические решения на основе КТУ с поворотом трасс могут обеспечить необходимые условия для заготовки древесного сырья в ранее недоступных местах и обеспечение экологического фактора путем сохранения подроста и живого напочвенного покрова.

Учитывая вышеизложенное, создание технологии и технического решения, позволяющего осуществлять канатную трелёвку при наличии поворотов трасс трелёвочных волоков, являются весьма актуальными и обуславливают выбранную тему диссертации.

Степень разработанности темы исследования. В настоящее время теория лесосечных работ с использованием современных канатных установок исследована недостаточно. Сведений об исследовании и применении канатных установок с поворотом трасс в литературе не приводится. Теоретические разработки в области технологии первичной транспортировки древесины обширны. Наиболее разработанными являются технология трелевки колёсными сортиментоподборщиками и тракторами. Существует ряд исследований технологии применения форвардеров и трелёвочных тракторов на грунтах с низкой несущей способностью. Отдельной категорией идут исследования технологии применения КТУ. Широкое распространение КТУ в горной местности получили в СССР в 60-70-х годах XX века. Основные достижения последних лет в этой области принадлежат зарубежным учёным. Применение КТУ на грунтах с низкой несущей способностью не имеет разработанной научно-теоретической базы и нуждается в развитии. По данной теме имеются отдельные работы П.А. Протас и А.О. Шошина в Республике Беларусь, однако данных исследований недостаточно. Какие-либо научные исследования по применению КТУ с поворотами трасс отсутствуют.

При написании работы наибольшее внимание уделялось трудам учёных в области исследования и совершенствования процесса трелевки древесины, технологических процессов лесосечных работ: К.П. Рукомойникова, А.В. Мехренцева. В области трелевки канатными установками внимание уделялось трудам В.Г. Ко-чегарова, S.Ackerman. В области математического моделирования технологиче-

ских процессов в лесной отрасли - трудам Коробова П.Н.

Цель работы - повышение эффективности технологического процесса лесозаготовок путем использования при трелёвке древесины каретки новой конструкции.

Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи исследования:

1. Провести анализ научных исследований и международного опыта использования канатных трелёвочных установок на труднодоступных лесосеках.

2. На основе математически-программных методов развить теоретические основы трассировки волоков и разработать алгоритм построения схемы разработки лесосеки с применением канатных установок с поворотами трассы.

3. Разработать конструкцию каретки позволяющую осуществлять повороты и способную производить трелёвку на труднодоступных лесных территориях при различных конфигурациях лесосек и схемах их разработки.

4. Разработать практические рекомендации по совершенствованию технологического процесса разработки лесосек КТУ с кареткой новой конструкции.

5. Произвести экономическую оценку эффективности технологии лесозаготовки с применением каретки новой конструкции.

Объект исследования: технологические процессы лесосечных работ. Предмет исследования: трассы волоков канатных установок сложной формы.

Методика и методы исследования Основой для исследования стали труды отечественных и зарубежных ученых в области лесозаготовительных работ на труднодоступных участках с использованием канатных трелёвочных установок. Исследования базировались на принципах системного подхода с использованием обоснованных методов и методик научного поиска. Теоретические исследования построения схемы разработки лесосеки базируется на математически-программных методах: использовались методы динамического программирования, общие алгебраические методы и методы математического моделирования. В процессе разработки конструкции комплекса «шарнирно-сочлененная каретка и

поворотный башмак» использованы методы имитационного моделирования и практического исследования. При планировании экспериментальных исследований, их проведении и обработки полученных результатов использовались методы теории планирования эксперимента и математической статистики. Информационную базу исследования составляют материалы научных исследований, учебная и методическая литература, материалы периодических изданий, патентная информация, сведения из сети Интернет.

Научная новизна работы.

1. На основе математически-программных методов разработаны теоретические основы трассировки волоков канатных установок, отличающееся от существующих учётом наличия поворотов трасс;

2. Разработано техническое решение в виде комплекса моторизованной «шарнирно-сочленённой каретки и поворотного башмака», отличающегося от известных возможностью осуществления поворотов. Конструкция каретки КТУ защищена патентом;

3. Выполнена конструкторская компоновка каретки и поворотного башмака, отличающаяся от известных автономностью и шарнирным соединением частей корпуса.

Теоретическая значимость работы заключается в развитии теории процессов канатной трелевки древесины на труднодоступных лесных территориях, а также теоретических основ трассировки волоков на основе использования математически-программных методов.

Практическая значимость работы состоит в совершенствовании технологического процесса лесозаготовок на труднодоступных лесосеках путем использования шарнирно-сочленённой каретки и поворотного башмака, позволяющие:

- производить трелёвку на труднодоступных лесосеках;

- производить трелёвку из ранее недоступных для канатных установок зон лесосек сложной конфигурации;

- внедрить алгоритм построения криволинейных трасс волока канатных установок при проектировании технологических карт на разработку лесосек;

- снизить стоимость трелёвки канатными установками;

- расширить область применения канатных установок.

Положения, выносимые на защиту:

1. Теоретические основы и алгоритм трассировки волоков для канатно-трелёвочных установок с поворотом трасс на основе математически-программных методов.

2. Техническое решение в виде конструкции автономной шарнирно-сочленённой каретки с поворотным башмаком, защищенное патентом.

3. Практические рекомендации по применению КТУ с кареткой новой конструкции в технологических процессах разработки лесосек

Достоверность результатов исследования обеспечивается использованием в качестве основополагающих разработок трудов признанных ученых в области лесозаготовительного производства, применением современных вычислительных средств и лицензионного программного обеспечения при проведении теоретических исследований и обработке экспериментальных данных, удовлетворительной сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований.

Сведения об апробации результатов. Результаты исследований докладывались и обсуждались на ежегодных НТК СПб ГЛТУ им. С.М. Кирова по итогам НИР в 2018 - 2025 гг., как на пленарных заседаниях института технологических машин и транспорта леса, так и в рамках секции лесозаготовительных производств; Международной научно-технической конференции «Леса России: политика, промышленность, наука, образование» (Санкт-Петербург, 2018); 84-й научно-технической конференции, посвященной 90-летнему юбилею БГТУ и Дню белорусской науки (с международным участием) (Минск, 2020); Всероссийской национальной научно-практической конференции с международным участием «Повышение эффективности лесного комплекса» (Петрозаводск, 2023г.); Между-

народного инженерного форума «Ресурсы и технологии: интеграция науки и бизнеса» (Петрозаводск, 2024); XVI Всероссийской молодежной научно-практической конференции «Исследования молодёжи - экономике, производству, образованию» (Сыктывкар, 2025), Х Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Повышение эффективности лесного комплекса» (Петрозаводск, 2025).

Результаты исследований рекомендованы ко внедрению в производственный процесс предприятия ООО «КИРИШИ ЛЕСПРОМ».

Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Полученные научные результаты соответствуют пункту 4. Технология и продукция в производствах: лесохозяйственном, лесозаготовительном, лесопильном, деревообрабатывающем, целлюлознобумажном, лесохимическом и сопутствующих им производствах. 5. Компоновка, типы, параметры и режимы работы машин лесохозяй-ственных и лесопромышленных производств. 7. Технологические комплексы, производственные процессы, поточные и автоматические линии, машины и агрегаты в лесном хозяйстве и лесной промышленности - паспорта специальности 4.3.4 - Технологии, машины и оборудование для лесного хозяйства и переработки древесины.

Личный вклад автора в получение результатов, изложенных в диссертации, заключается в определении цели и задач исследования; обзоре современного состояния вопроса в области применения канатных трелёвочных установок, в том числе при трассировке волоков сложной конфигурации; развитии теоретических основ построения криволинейных трасс волоков КТУ на основе математически-программных методов; разработке конструкции комплекса «шарнирно-сочленённая каретка и поворотный башмак» и его размерно-качественных характеристик; проведении технико-экономического обоснования предлагаемых конструктивных решений; подготовке публикаций по теме диссертации.

Сведения о публикациях по результатам работы. Результаты исследования отражены в 18 публикациях общим объемом 8 п.л., авторский вклад 60%, в том числе 2 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ, 2 ста-

тьи, входящие в международную базу цитирования Scopus, 1 патент на полезную модель.

Сведения о структуре и объеме работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов и рекомендаций, библиографического списка и приложений. Всего работа включает в себя 161 страницу текста, из которых 144 страницы основного материала. Диссертация насчитывает 54 иллюстрации, 15 таблиц и 84 литературных источника, из которых 25 являются зарубежными.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Обзор и анализ современного состояния лесозаготовительного сектора

ЛПК

Современное состояния лесозаготовительного сектора лесопромышленного комплекса позволяют сделать вывод о необходимости создания простого технического решения на основе современных технологий, позволяющая преодолеть кризисные явления в поставке импортной лесозаготовительной техники и её ремонте. Кроме того, сохраняется тенденция круглогодичного спроса на поставки древесины потребителю в виде сортиментов. Следует учитывать, что «Основами государственной политики в области использования, охраны и защиты и воспроизводства лесов до 2030 года» предусматривается увеличение объема заготовки древесины выборочными рубками.[1]

Доля лесных территорий, позволяющих осуществлять круглогодичную всепогодную заготовку составляет 7%.. Характеристика лесных почво-грунтов России по их эксплуатационным показателям для лесосечных работ по классификации Г.К. Виногорова приведена в таблице 1. [2,3]

Таблица 1.1. Характеристика лесных почво-грунтов России по их эксплуатацион-

ным показателям для лесосечных работ

Область, край крытая лесом млн га Распределение почвенно-грунтовых гаусловий по категори-млям проходимости, % Распределение рельефа, % в зависимости от крутизны склона

о и с •= ^ с; С Е С II III IV до 15° от 15 до 25° свыше 25°

Алтайский край 4,8 29 49 10 44 30 26

Архангельская обл. 19,3 27 25 45 100 - -

Респ. Башкортостан 4,9 13 55 28 92 7 1

Республика Бурятия 17,7 4 64 23 93 17 10

Область, край Покрытая лесом плотядь млн га Распределение почвенно-грунтовых условий по категориям проходимости, % Распределение рельефа, % в зависимости от крутизны склона

II III IV до 15° от 15 до 25° свыше 25°

Вологодская обл. 6,9 32 36 31 100 - -

Нижегородская обл. 2,7 53 29 15 100 - -

Иркутская обл. 55,1 41 30 25 78 17 5

Калужская обл. 2,0 25 43 31 100 - -

Республика Карелия 7,9 32 38 22 100 - -

Кемеровская обл. 3,8 47 45 75 17 8

Кировская обл. 5,6 43 28 28 100 - -

Республика Коми 27,7 39 18 39 100 - -

Костромская обл. 3,2 45 30 24 100 - -

Краснодарский край 1,3 25 40 35 5 5 24 21

Ленинградская обл. 3,3 56 10 28 100 - -

Респ. Марий Эл 1,1 38 36 20 100 - -

Московская обл. 1,4 75 16 100 - -

Мурманская обл. 4,4 16 77 1 00 - -

Новгородская обл. 1,5 - 52 20 25 100 - -

Новосибирская обл. 2,0 46 47 100 - -

Пермский край 8,5 10 44 31 15 96,5 3 0,5

Тюменская обл. 43,5 ( 20 24 47 100 - -

Томская обл. 16,3 21 38 33 100 - -

Область, край Покрытая лесом площадь, млн га Распределение почвенно-грунтовых гаусловий по категори-млям проходимости, % Распределение рельефа, % в зависимости от крутизны склона

II III IV до 15° от 15 до 25° свыше 25°

Удмуртская респ. 1,4 38 47 14 100 - -

Челябинская обл. 1,9 25 10 55 10 93 6 1

Чувашская респ. 0,5 42 33 23 100 - -

Всего 36 34 23 89,7 7,5 2,8

Из таблицы 1 следует, что грунты III и IV категории (глинистые почвы, супеси с глинистыми прослойками и торфянисто-болотистые, перегнойно-глеевые почвы) составляют более 50% площади лесов.

Сезонный характер лесозаготовок имеет две составляющие. Проблемы с первичным транспортом древесины в пределах лесосеки от места валки деревьев до лесовозной дороги, то есть с трелёвкой древесины и проблемы с вывозкой древесины из-за слабо развитой транспортной инфраструктуры, недостатка лесовозных дорог круглогодового действия. [4]

Проблема освоения лесосек с переувлажнёнными грунтами (трелёвка древесины) технически является более сложной, чем разработка обычных участков леса. Трелёвка от места валки дерева до погрузочного пункта является наиболее энергозатратной операцией. При эксплуатации колесных и гусеничных машин на слабонесущих грунтах после двух-трёх проходов происходит образование колеи, равной высоте дорожного просвета и препятствующей перемещению.

В настоящее время в мире нет машин, за исключением лебёдочных (канатных) установок, способных без проблем трелевать древесину в лесосеках с переувлажнёнными грунтами с низкой несущей способностью. Отсутствие в лесоин-

дустриально развитых странах машин, способных работать вне зависимости от природных условий, объясняется тем, что обстановка с лесными грунтами там значительно более благоприятная, чем в России. Таким образом, вопросы разработки машин, способных работать на слабых переувлажнённых грунтах, в этих странах не стоят так остро, как в нашей стране.

На примере СЗФО возможно оценить масштаб проблемы и потенциал объемов эксплуатации. Лесопромышленный сектор является одним из ключевых в экономике региона. На СЗФО произрастает почти 60% лесов европейской части страны. Запас древесины около 10 млрд. м3. Здесь производится 30% российских пиломатериалов, 40% клееной фанеры, порядка 40% деловой древесины, 50% картона, 60% бумаги [5].

Почвенно-грунтовые и рельефные условия СЗФО не позволяют достаточным образом реализовывать всю расчетную лесосеку лесозаготовителям региона. В Ленинградской области расчётная лесосека составляет 8 932,9 тыс. м3 при фактическом использовании в объеме 5 235,5 тыс. м3. При этом арендаторами реально используется 4 859,3 тыс. м3, т.е. всего 54%[6]. При этом потенциал использования хвойных и легкодоступных лесосек стремительно уменьшается. В гидрографической сети Ленинградской области более 50 тыс. водотоков. Их суммарная длина превышает 221 тыс. км. Показатель удельной обеспеченности водой для нее в 2,5 раза выше среднего по РФ. Поэтому около 12 % площади лесов составляют болота. На низинных болотах произрастают береза пушистая, черная ольха, ивы, сосна и ель. Густые хвойные и смешанные лиственные леса, перемежающиеся болотами, покрывают почти 70 % территории области. И это служит важным сырьевым ресурсом региона.

Такая же ситуация наблюдается в Карелии, так в Лесном плане республики Карелия на 2019-2028 год, согласно специфики данного региона территория республики представляет собой холмистую равнину с множеством озерных котловин, плоских и возвышенных скал, одиночных глыб и валунов, скоплений песка, глины, гальки, валунов в форме холмов и гряд. Что выражено в хорошо развитой

гидрографической сетью (свыше 60 тыс. озер и около 27 тыс. рек и речек) и обилием болот. Доля рек и озер в лесном фонде составляет 10%, болот - 24%. [7]

Подтверждением низкой доступности некоторых лесных участков является недовыполнение расчетной лесосеки 55%, в том числе 63% при рубке спелых и перестойных насаждений, а также снижение её выполнения в некоторых лесничествах республики.

В таких условиях традиционная система машин лесозаготовительных предприятий, базирующаяся на тяжелых лесопромышленных тракторах со снаряженной массой от 8 до 30 тонн, не может обеспечить эффективного освоения труднодоступных лесосек.. [8]

На заболоченных и переувлажненных грунтах таких лесов возможно применение машин, при трелёвке которыми давление на грунт минимально или применение канатных трелевочных установок (КТУ), при которых давление на грунт практически отсутствует. Применение на сложных грунтах способов трелёвки на основе механизмов с канатной оснасткой является наиболее перспективным направлением. Учитывая это, на кафедре технологических процессов и машин лесного комплекса (ТП и МЛК) СПб ГЛТУ им. С.М. Кирова разработана конструкция мобильной канатно-рельсовой трелевочной установки (МКРТУ), позволяющей эффективно осуществлять перемещение заготовленной древесины на территориях с переувлажненными и заболоченными почвогрунтами. [8] Однако разработанная на уровне эскизного проекта МКРТУ обладает существенными ограничениями при использовании, а именно: малая величина допустимых углов поворота трассы; невозможность или высокая степень сложности преодоления резких склонов и оврагов, широких канав, крупных вывороченных пней, водных преград. На лесосеках, где имеются участки со значительно заболоченной местностью, укладка путей МКРТУ нерентабельна, тогда как пачка трелюемой древесины с использованием известных в лесной промышленности канатных трелевочных установок достаточно надежно преодолевает такие участки в подвешенном или полуподвешенном положении. Кроме того, следует учесть, что МКРТУ на се-

годняшний день промышленно не выпускаются и потребуются значительные затраты по их созданию и освоению. [9]

Очевидное истощение эксплуатационных лесов России приводит к необходимости изменения модели развития лесного хозяйства и лесопользования, в том числе путем изменения подходов к эксплуатации малоосвоенных доступных лесов, более интенсивного использования уже неоднократно пройденных рубками вторичных лесов, а так же лесовыращивания на ранее обезлесенных территориях. [10, 11]

Решением проблемы может стать переход на интенсивную модель лесного хозяйства, полагающуюся на проведение мероприятий по уходу за лесом и более качественное лесовосстановление, в первую очередь естественное, т.е. максимальное сохранение жизнеспособного подроста. [12, 13, 14, 15, 16]

Расширение площади экономически доступных лесов путем применения технологий лесозаготовок на базе канатной оснастки сможет распределить нагрузку в эксплуатационных лесах. Использование КТУ является более щадящей технологией по сравнению с трелевкой колесной или гусеничной техникой. Сохранение подроста, напочвенного покрова, корневищ остающихся деревьев при выборочной рубке значительно уменьшают вероятность заражения остающегося леса. Поэтому использование воздушно-кабельной трелевки может стать предпочтительнее и более экономически выгодно из-за сниженных расходов на лесовос-становление и уход за лесом.

Новая экономическая реальность, санкционные ограничения привели к снижению объемов заготовки, а также к сложностям обслуживания зарубежной техники. В сложившейся ситуации разработка отечественных решений по заготовке древесины на труднодоступных лесных участках является актуальным решением. Уделяя должное внимание данному вопросу сейчас, на момент окончания кризиса лесоинженерная наука сможет предложить отрасли конкретные технологические и технические решения для эффективного ведения лесного хозяйства. [17]

1.2. Совокупность ограничений препятствующих применению существующих технологий лесозаготовок.

Первичной обязательной процедурой, предшествующей заготовке древесины является подбор сырьевой базы и отвод лесосеки в рубку. В процессе данных мероприятий лесозаготовительное предприятие сталкивается с рядом юридических и производственных ограничений, которые в конечном итоге отражаются на технологии лесозаготовки.

Целевая сырьевая база предлагаемой технологии являются лесосеки, недоступные классическими способами (ВСРМ+колесный сортиментоподборщик; б/п+ТТ; ВПМ+ТТ и т.д.). Оценивая объемы таких участков необходимо произвести оценку ограничивающих факторов. Для этого возможно их разделение на нормативно-правовые и производственные ограничения.

1.2.1. Нормативно-правовые ограничения

К нормативно-правовым ограничениям относятся факторы юридически описанные в нормативно-правовых документах, влияющие на проектирование технологического процесса, в том числе составление технологических карт. Например, в Правилах заготовки древесины [18] изложен запрет на использование русел рек, ручьев, в качестве трасс волоков, повреждение лесных насаждений, повреждение дорог, мостов, просек, осушительной сети, русел рек и ручьев. Также не допускается трелевка древесины в места, не предусмотренные проектом освоения лесов или технологической картой лесосечных работ.

Заготовка древесины осуществляется в соответствии с Правилами заготовки древесины, лесным планом субъекта РФ, лесохозяйственным регламентом лесничества, а также проектом освоения лесов и лесной декларацией. Процесс работы на лесосеке должен выполняться строго согласно технологической карте. Отступление от технологической карты, в случае, если это будет выявлено при приёмке работ, влечёт за собой наложение административной ответственности. Для её качественного составления необходимо тщательное изучение картографического материала, таксационных характеристик, полученных из материалов лесоустрой-

ства или лесопатологического обследования, материалов отвода. Необходимо, чтобы лицо, составляющее технологическую карту, непосредственно на месте оценило достоверность имеющихся сведений. Практика показывает, что несоответствие, породного, качественного состава древостоя, недостоверность сведений о мелиоративной сети встречается регулярно.

Производя камеральные работы, в документ вносится машины и механизмы, которые будут использоваться при производстве работ, расположение волоков, направление валки, трелёвки, места расположение погрузочных площадок, метод утилизации порубочных остатков. На этом этапе контролируется отсутствие нарушений, таких как использование русел рек и ручьев в качестве трасс волоков и лесных дорог, пересечение с газопроводами и нефтепроводами. [19]

Кроме того производится оценка потенциальной нарушений и ущерба от повреждений лесных насаждений, растительного покрова и почв, захламление лесов промышленными и иными отходами за пределами лесосеки на смежных с ними 50-ти метровых полосах. Также учитывается невозможность повреждения дорог, мостов, просек, осушительной сети, дорожных, гидромелиоративных и других сооружений, русел рек и ручьев, а также запрет на уничтожение верхнего плодородного слоя почвы вне волоков и погрузочных площадок. (п.. б, в,д.])

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Королько Николай Сергеевич, 2025 год

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Распоряжение Правительства РФ от 26.09.2013 №1724-Р «Об утверждении основ государственной политики в области использования, охраны, защиты и воспроизводства лесов в Российской Федерации на период до 2030 года».

2. Виногоров Г. К. Лесосечные работы / Г. К. Виногоров. — Москва : Лесная промышленность, 1981. — 272 с.

3. О проходимости лесозаготовительных машин на гусеничном ходу и агрегатных машин на их базе / В. Е. Клубничкин, Е. Е. Клубничкин, В. С. Макаров [и др.] // Труды НГТУ им. Р.Е. Алексеева. - 2016. - № 4(115). - С. 169-175. -

4. Суханов В. С. Как обустроить леспром. О стратегии и тактике развития лесопромышленного комплекса : монография / В. С. Суханов. — Москва : Ру-сайнс, 2022. — 382 с. — ISBN 978-5-466-02078-6.

5. Ильина О. В. Выборочные рубки на Северо-западе России: состояние, возможности, препятствия для использования / О. В. Ильина, А. В. Родионов // Принципы экологии. — 2016. — № 1. — С. 4-23.

6. Приказ Губернатора Ленинградской области от 25.12.2018 № 75-пг «Об утверждении Лесного плана Ленинградской области» (в ред. от 24.05.2024 № 34-ПГ).

7. Распоряжение ГРЛ от 24.12.2018 № 731-р «Об утверждении Лесного плана Республики Карелия» (с изм. на 30.12.2020).

8. Свойкин, Ф. В. Совершенствование технологического процесса лесозаготовок в условиях Северо-Западного федерального округа Российской Федерации : специальность 05.21.01 "Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства" : диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук / Свойкин Федор Владимирович, 2018. - 147 с. - EDN RVRMAV.

9. Усовершенствование канатных трелёвочных установок для разработки труднодоступных лесосек путём применения каретки сдвоенной конструкции / В.А. Кащадзе, Н.С. Королько, Ф.В. Свойкин [и др.] // Лесозаготовительное производство: проблемы и решения : материалы II Международной научно-

технической конференции, Минск, 13-15 мая 2020 года. - Минск: Белорусский государственный технологический университет, 2021. - С. 72-75С. -EDN PUJADS.

10. Свойкин Ф. В. Обеспеченность (надежность) зимнего периода работы многооперационных лесосечных машин (харвестера, форвардера) / Ф. В. Свойкин // XIII Международная молодежная научная конференция «Севергеоэкотех-2012» : материалы конференции (21-23 марта 2012 г., Ухта) : в 6 ч. — Ухта : УГТУ, 2013. — Ч. 2. — С. 256-260. ;

11. Свойкин Ф. В. Прогнозирование периода лесосечных работ на летних лесосеках Республики Коми / Ф. В. Свойкин // Актуальные проблемы развития лесного комплекса : материалы международной научно-технической конференции. — Вологда : ВоГТУ, 2013. — С. 31-35.

12. Патент на полезную модель № 113917 Российская Федерация «Канатно-рельсовая трелевочная установка» : заявл. 12.01.2017 : опубл. 19.12.2017 / С. Г. Белкин, А. У. Дьяченко. — 7 с.;

13. Патент на полезную модель № 173954 Российская Федерация «Устройство для сбора древесины канатно-рельсовой трелевочной установкой» : заявл.

21.09.2017 : опубл. 27.09.2017 / В. А. Коробкин, М. В. Ледвик. — 5 с.

14. Свойкин Ф. В. Усовершенствование канатной трелевочной установки путем модернизации каретки / Ф. В. Свойкин, Н. С. Королько, В. Ф. Свойкин [и др.] // Ремонт. Восстановление. Модернизация. — 2022. — № 8. — С. 3-8. — DOI: 10.31044/1684-2561-2022-0-8-3-8.

15. Ильина О. В. О путях сохранения лесной среды и мозаичности лесного ландшафта при рубках / О. В. Ильина, А. В. Родионов // Устойчивое лесопользование. — 2016. — № 2 (46). — С. 31-38.

16. Концепция интенсивного использования и воспроизводства лесов. — Санкт-Петербург : ФБУ «СПбНИИЛХ», 2018. — 16 с.; Распоряжение ПКО от

03.04.2018 № 84 «Об утверждении Концепции интенсивного использования и воспроизводства лесов Кировской области».

17. Кацадзе В. А. Обзор современных отечественных решений для транспортного освоения труднодоступных лесосек / В. А. Кацадзе, Ф. В. Свойкин, В. Ф. Свойкин [и др.] // Ремонт. Восстановление. Модернизация. — 2022. — № 3.

— С. 3-12. — DOI: 10.31044/1684-2561-2022-0-3-3-12.; Katsadze V. A. Modernization of Rope Skidding Installations in the Development of Inaccessible Logging Areas / V. A. Katsadze, A. R. Birman, F. V. Svoykin [et al.] // Remont. Vosstanovleniye. Modernizatsiya = Repairs. Recovery. Modernization. — 2019.

— № 6. — P. 8-11. — DOI: 10.31044/1684-2561-2019-0-6-8-11.

18. Приказ Минприроды России от 01.12.2020 № 993 «Об утверждении Правил заготовки древесины и особенностей заготовки древесины в лесничествах, указанных в статье 23 Лесного кодекса Российской Федерации».

19. Постановление Правительства РФ от 08.09.2017 № 1083 «Об утверждении Правил охраны магистральных газопроводов».

20. Решение Бокситогорского городского суда Ленинградской области от 16.03.2017 № 12-12/2017.

21. Решение Бокситогорского городского суда Ленинградской области от 16.03.2017 № 12-12/2017.

22. Постановление Правительства РФ от 22.05.2007 № 310 «О ставках платы за единицу объема лесных ресурсов и ставках платы за единицу площади лесного участка, находящегося в федеральной собственности».

23. Приказ Министерства Природных ресурсов РФ от 29.12.2021 «Об утверждении Правил лесовосстановления».

24. S.Ackerman, A. Immelman, A. McEwan, S. Naidoo, S. Upfold / South Africa Cable Yarding Safety and Operating Handbook - South Africa, Forest Engeneering Southern Africa and Institute for Commercial Forestry Research, 2017

25. Samset I. Norwegian Forest Research Institute / I. Samset. — Norway : Springer Science+Business Media, B.V., 1985.

26. Веселы П. Канатные дороги Ларикс на болотах / П. Веселы // Учебное Лесное Предприятие Лес Масарыка (Кржтины, Чешская Республика). — Брно : Университет им. Мендела, [б. г.]. — С. 50-56.

27. Коробкин В. А. Машина трелевочная на базе трактора «Беларусь» / В. А. Ко-робкин, М. В. Ледвик // Материалы 1-ой Международной научно-технической конференции «Лесозаготовительное производство: проблемы и решения». — Минск : БГТУ, 2017. — С. 72-76. — ISSN 2522-171X.

28. Шошин А. О. Методика имитационных испытаний одномачтовой канатной установки для полуподвесной трелевки древесины / А. О. Шошин, П. А. Про-тас, С. П. Мохов [и др.] // Труды БГТУ. — 2017. — Сер. 1, № 1. — С. 102108.

29. Шошин А. О. Исследование процесса трелевки хлыстов на заболоченных лесосеках канатными установками в зимний период / А. О. Шошин, П. А. Про-тас, С. П. Мохов [и др.] // Материалы 1-ой Международной научно-технической конференции «Лесозаготовительное производство: проблемы и решения». — Минск : БГТУ, 2017. — С. 72-76.

30. Fischbacher M. New skyline logging technology for yarding and tree processing with a two person crew / M. Fischbacher, M. Mairhoter // Proceeding of the International Mountain Logging and 13 th Pacific Northwest Skyline Symposium. — Corvallis, OR, 2007. — P. 26-31.

31. URL: https://www.forsttechnik.at/ru/produkcia/karetki (дата обращения: 02.03.2025)

32. URL: https://www.kollergmbh.com/en/carriage-range/electrical (дата обращения: 02.03.2025)

33. Cable logging systems / Food and Agriculture Organization of the United Nations.

— Rome : FAO, 1981. — (Forestry Paper ; № 24).

34. Шошин А. О. Способ разработки заболоченных лесосек самоходными канатными установками / А. О. Шошин, А. С. Федоренчик // Научному прогрессу

— творчество молодых : материалы IX международной молодежной научной конференции : в 3 ч. — Йошкар-Ола : Поволжский государственный технологический университет, 2014. — Ч. 3. — С. 133.

35. Oregon OSHA Yarding and Loading Handbook. — Department of Consumer and Business Services, 2013.

36. Приказ Министерства природных ресурсов РФ №23 от 17.01.2022 «Об утверждении видов лесосечных работ, порядка и последовательности их выполнения, формы технологической карты лесосечных работ, формы акта заключительного осмотра лесосеки и порядка заключительного осмотра лесосеки».

37. Нильсон Н. Искусственный интеллект. Методы поиска решений ; пер. с англ. В.Л. Стефанюка. - Москва : МИР, 1973. - 273 с.

38. Кузнецов, В. Г. Задача определения условий рационального распределения мощности тяговой подстанции постоянного тока / В. Г. Кузнецов // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. - 2011. - Т. 2, № 8(50). - С. 26-31. - EDN QCOUTD

39. Korobov P.N. Mathematical programming and modelling of economic processes. Textbook. Ed. third revision and add. - St. Petersburg: LLC "Publishing House DNA", 2010. - 376 P.;

40. Принятие оптимальных решений: теория и применение в лесном комплексе/ В.Н. Андреев, Ю.Ю. Герасимов. Йоэнсуу: Издательство университета Йоэн-суу, 1999. 200с.

41. Беллман Р. Динамическое программирование / Р. Беллман ; пер. с англ. И.М. Андреева, А.А. Корбут, И.В. Романовский, И.Н. Соколова. - Москва: Издательство зарубежной литературы, 1960. - 401с.

42. Scott, C.I. and Edwin, S.M., 1991. The monocable conveyor system for thinning operations. COFE Symposium: Forestry Operations in the 1990's. Challenges and Solutions. Nanaimo, British Columbia, Canada. P. 111-114

43. Construction of a cable yarding track by mathematical and software methods / F. V. Svojkin, N. S. Korolko, A. S. Korolko [et al.] // E3S Web of Conferences. — 2024. — Vol. 515. — P. 01013. — DOI: 10.1051/e3sconf/202451501013.

44. Пантелеев А.В., Летова Т.А. Методы оптимизации в примерах и задачах. -М.: Высшая школа, 2008. - 544 c.;

45. Svoykin, F.V., Zhuk, K.D., Svoykin, V.F., Kretinin, V.I., Uglova, L.A., 2024

46. Васильев Ф.П. Численные методы решения экстремальных задач. М.: Наука, 1988. 550 с. EDN: UTKWUO

47. Нестеров Ю. Е. Введение в выпуклую оптимизацию. М.: МЦНМО, 2010. 280 с. EDN: SDSFYV.

48. Евтушенко Ю.Г. Численный метод поиска глобального экстремума функций (перебор на неравномерной сетке) // Ж. вычисл. матем. и матем. физ., 1971. Т. 11, №6. С. 1390-1403.

49. Нефёдов В.Н. Некоторые вопросы решения липшецевых задач глобальной оптимизации с использованием метода ветвей и границ// Ж. вычисл. матем. и матем. физ., 1971. Т. 32, №4. С. 512-529.

50. Леонов В.В. Метод покрытий для отыскания глобального максимума функций от многих переменных / Исследования по кибернетике. М.: Сов. радио, 1970. С. 41-52.

51. Пиявский С.А. Один алгоритм отыскания абсолютного экстремума функций // Ж. вычисл. матем. и матем. физ. 1972 Т.12 №4 С. 888-896.

52. Нефёдов В.Н. Об аппроксимации множества оптимальных по Парето решений // Ж. вычисл. матем. и матем . физ., 1986. Т.26 №2 С.163-186.

53. Ищенко А.В., Киреев И.В. Алгоритм постреония двумерных вложенных сеток // Журн. СФУ. Сер. Матем. и физ., 2009. Т.2. №1 С. 83-90.

54. Джонс М. Т. Программирование искусственного интеллекта в приложениях / М. Т. Джонс ; пер. с англ. А. И. Осипова. — Москва : ДМК Пресс, 2011. — 312 с.

55. Нефедов В. Н. Методы аппроксимации двумерных множеств конечными множествами и их приложение к некоторым геометрическим задачам оптимизации / В. Н. Нефедов, Ф. В. Свойкин, Б. А. Гарибян [и др.] // Вестник Самарского государственного технического университета. Сер. Физико-математические науки. — 2025. — Т. 29, № 1. — С. 1-Х. — DOI: 10.14498/vsgtu2131.

56. Rego , G.E. Algorithms for calculating schemes of transport routes in felling area / G.E. Rego, R. V. Voronov, O.I. Grigoreva // IOP Conference Series: Earth and

Environmental Science : 2, Saint Petersburg, Virtual, 18-19 марта 2021 года -Saint Peterburg, Virtuan, 2021. - P. 012025. -DOI 10/1088/17551315/806/1/012025. -EDN KXLS;

57. Рего, Г. Э. Алгоритм локального поиска для задачи покрытия полигона лесом корневых деревьев [Текст] / Г. Э. Рего, Р. В. Воронов, И. В. Григорьев // Инженерный вестник Дона. — 2022. — Т. 10. — С. 1—20.

58. Ben-Or, M. Lower Bounds for Algebraic Computation Trees [Текст] / M. Ben-Or // Proc. 15th Annual Symp. on Theory of Computing. — 1983. — Jan. — Vol. 5.

— P. 80—86

59. Path planning in construction sites: performance evaluation of the Dijkstra, A, and GA search algorithms [Текст] / A. Soltani [et al.] // Advanced Engineering Informatics. — 2002. — Vol. 16, no. 4. — P. 291—303. — URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1474034603000181;

60. Оптимальная схема разработки лесосеки канатной трелёвочной установкой / Н. С. Королько, Ф. В. Свойкин, Г. Э. Рего [и др.] // Известия Санкт-Петербургской лесотехнической академии. — 2025. — № 252. — С. 317-334.

— DOI: 10.21266/2079-4304.2025.252.317-334.

61. Свойкин В.Ф., Соколова В.А., Войнаш С.А., Загидуллин Р.Р., Мирзоева М.Р. Совершенствование канатных трелевочных установок методом определения граничных условий устойчивости каретки// Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2023. № 3. с. 186-192. DOI: 10.24412/2071 -6168-2023-3-186-192

62. SolidWorks 2007/2008. Компьютерное моделирование в инженерной практике / А. А. Алямовский [и др.]. — Санкт-Петербург : БХВ-Петербург, 2008. — 17 с.

63. Kinematic and Dynamic Analysis of Planar Mechanisms by Means of the SolidWorks Software / J. Vavro Jr. [et al.] // Procedia Engineering. — 2017. — Vol. 177. — P. 476-481.

64. Алямовский А. А. Инженерные расчеты в SolidWorks Simulation / А. А. Алямовский. — Москва : ДМК Пресс, 2010. — 464 с.

65. Алямовский А. А. SolidWorks Simulation. Инженерный анализ для профессионалов: задачи, методы, рекомендации / А. А. Алямовский. — Москва : ДМК Пресс, 2015. — 562 с.

66. Brensons I. FDM prototype experimental research of processing parameter optimization to achieve higher tensile stress / I. Brensons, S. Polukoshko, A. Silins [et al.] // Solid State Phenomena. — 2015. — Vol. 220-221. — P. 767. — DOI: 10.4028/www.scientific.net/SSP.220-221.767.

67. Stansbury J. W. 3D printing with polymers: Challenges among expanding options and opportunities / J. W. Stansbury, M. J. Idacavage // Dental Materials. — 2016. — Vol. 32, № 1. — P. 54-64. — DOI: 10.1016/j.dental.2015.09.018.

68. Liao G. Properties of oriented carbon fiber/polyamide 12 composite parts fabricated by fused deposition modeling / G. Liao, Z. Li, Y. Cheng [et al.] // Materials and Design. — 2018. — Vol. 139. — P. 283-292. — DOI: 10.1016/j.matdes.2017.11.02.

69. Бойка, А.Ф. Теория планирования многофакторных экспериментов / А.Ф. Бойко, М.Н. Воронкова. - Белгород : Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова, 2020. - 75 с. EDN RTDZDP;

70. Методы планирования и обработки результатов инженерного эксперимента: Конспект лекций (отдельные главы из учебника для вузов) / Н.А. Спирин, В.В. Лавров. Под общ. ред. Н.А. Спирина. Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2004. -257.;

71. Кацадзе В. А. Альтернативные технологии проведения рубок ухода в защитных лесах / В. А. Кацадзе, Н. С. Королько, Л. Сабо // Леса России 3: политика, промышленность, наука, образование : материалы международной научно-технической конференции. — Санкт-Петербург : ГЛТУ, 2018. — С. 142144.

72. URL: http://courses.washington.edu/fe341/projects/settings_98/report/cost/cost.ht ml (дата обращения: 10.06.2024).

73. Rieger G. Costs and Performance of a Koller K300 Yarder / G. Rieger. — URL: https://www.fao.org/4ZY9351E/Y9351E14.htm (дата обращения: 10.06.2024).

74. Ackerman P. Comparison of Cable Skidding Productivity and Cost: Pre-Choking Mainline Versus Tagline Systems / P. Ackerman, R. Pulkki, B. Odhiambo // Croatian Journal of Forest Engineering. — 2016. — Vol. 37, № 2. — P. 261-268.

75. Cable Logging Systems / Food and Agriculture Organization of the United Nations. — Rome : FAO, 1981.

76. Guide to Managing Risks in Cable Logging. — 2013. — ISBN 978-1-74361-3627.

77. Jingxin Wang, Charlie Long, Joe McNeel, John Baumgras Forest product journal. Vol 54 No. 12

78. Сармулис З. Савельев А, Давиданс М, Симанович В.А., Кононович Д.А. Среднее расстояние трелёвки лесоматериалов - расчетные показатели и реальный пробег,

79. Рукомойников К.П., Царев Е.М., Анисимов С.Е. Обоснование среднего расстояния трелёвки лесоматериалов при комплексном освоении лесных участков // Лесн. журн. 2017. №4. С. 95-105. (Изв. высш. учеб. заведений.) DOI: 10.17238/issn0536.2017.4.95;

80. Роженцова Н.И. Совершенствование методики проектирования лесосечных работ с использованием элементов ГИС: дис. ... кад. техн. наук. Йошкар-Ола, 2008. 139с.;

81. Ю.А. Ширшин, К.П. Рукомойников // Лесной вестник., 2/2024 С.94-98

82. Технология и машины лесосечных работ: учебное пособие по курсовому проектированию / И. В. Григорьев, И. И. Тихонов, О. А. Куницкая. - СПб.: СПбГЛТУ, 2013. - 132 с:

83. 1. Acar, H.H., Gumu§, S. 2000 Analysis of Transportation Operations With The Combination Gantner and Koller K 300 Forest Skylines On the Mountainous Region, Project of TUBtTAK/TARP, No 2193, Ankara, Turkey.

84. Москалик Т. Эффективность трелёвки древесины канатной установкой Larix 3Т / Т. Москалик, В.И. Молчанов, М. Голэмбиовски // Вестник Бурятской государственной сельскохозяйственной академии им. В.Р. Филиппова. -2010. - №3(20). - С. 41-45. - EDN МУМЕ^

ПРИЛОЖЕНИЯ

П.1. Программа по построению маршрута трассы канатной дороги вокруг препятствий

import heapq import numpy as np import pandas as pd import random import math

import matplotlib.pyplot as plt

from matplotlib.path import Path

from scipy.spatial import ConvexHull

from shapely.geometry import LineString, Point

from shapely.geometry.polygon import Polygon

class Visualizer:

def _init_(self, trees, start, paths, targets=None, polygon_vertices=None):

и и ii

Инициализация объекта для визуализации.

:param trees: Список деревьев.

:param start: Стартовая точка (координаты X, Y).

:param paths: Список путей, каждый из которых представляет собой список

точек.

:param targets: Целевые точки.

:param poLygon_vertices: Вершины многоугольника, и и и

self.trees = trees self.start = start self.paths = paths

self.targets = targets if targets else [] self.polygon_vertices = polygon_vertices

def plot(self, save_path=None):

ii ii ii

Method to visualize trees, start and target points, supports, and polygon boundaries.

ii ii ii

fig, ax = plt.subplots(figsize=(10, 10))

# Деревья в виде окружностей tree_plotted = False for tree in self.trees:

tree_circle = plt.Circle((tree[0], tree[1]), tree[2], color='green',

alpha=0.5)

ax.add_patch(tree_circle) if not tree_plotted:

#ax.plot(tree[0], tree[1], 'go', label="Tree") ax.plot(tree[0], tree[1], 'go') tree_plotted = True else:

ax.plot(tree[0], tree[1], 'go')

#ax.pLot(seLf.start[0], seLf.start[1], 'roLabeL="Стартовая точка") ax.plot(self.start[0], self.start[1], 'ro')

# Граница полигона if self.polygon_vertices:

polygon_x, polygon_y = zip(*self.polygon_vertices) polygon_x += (polygon_x[0],) polygon_y += (polygon_y[0],) ax.plot(polygon_x, polygon_y, 'c-')

#ax.pLot(poLygon_xJ polygon_y, 'c-', LabeL="Границы выдела")

# Пути

opora_plotted = False path_plotted = False for path in self.paths:

path_x, path_y = zip(*path) if not path_plotted:

#ax.pLot(path_x, path_y, 'k--', LabeL="Путь") ax.plot(path_x, path_y, 'k--') path_plotted = True else:

ax.plot(path_x, path_y, 'k--')

if not opora_plotted:

# ax.plot(path_x[1:-1], path_y[1:-1], 'ko', LabeL="Поворотная опора") # Turning supports

ax.plot(path_x[1:-1], path_y[1:-1], 'ko') # Поворотные опоры opora_plotted = True else :

ax.plot(path_x[1:-1], path_y[1:-1], 'ko')

точка")

# Plot target points target_plotted = False

for target in self.targets: if not target_plotted:

ax.plot(target[0], target[1], 'bx', markersize=10) #ax.pLot(target[0]J target[1], 'bxmarkersize=10, LabeL="Целевая

target_plotted = True else:

ax.plot(target[0], target[1], 'bx', markersize=10)

# Легенда графика ax.set_xlabel('X') ax.set_ylabel('Y') ax.set_title('Построенные пути') ax.legend()

ax.set_aspect('equal', 'box')

plt.grid(True) if save_path:

plt.savefig(save_path) plt.show()

class Tree:

def _init_(self, x, y, radius=0.1):

self.x = float(x) self.y = float(y) self.radius = radius

def distance_to(self, other):

return math.hypot(self.x - other.x, self.y - other.y)

class PathPlannerPolygon:

def _init_(self, start, polygon_vertices, trees, targets, params):

self.start = tuple(start)

self.polygon_vertices = [tuple(vertex) for vertex in polygon_vertices] # Используем переданные вершины напрямую

self.polygon = Polygon(self.polygon_vertices) # Создаём полигон по последовательности вершин self.trees = trees

self.targets = [tuple(t) for t in targets] self.paths = [] self.total_segments = 0

# Параметры из словаря params

self.max_distance_between_oporas = params['max_distance_between_oporas'] self.r_min = params['r_min'] self.delta_max = params['delta_max'] self.beta_max = params['beta_max']

def _round_point(self, point, precision=2):

return tuple(round(coord, precision) for coord in point)

def _distance(self, p1, p2):

return math.hypot(p1[0] - p2[0], p1[1] - p2[1])

def _line_intersects_circle(self, start, end, circle_center, circle_radius): p1 = np.array(start) p2 = np.array(end) center = np.array(circle_center)

seg_v = p2 - p1 pt_v = center - p1

seg_v_unit = seg_v / np.linalg.norm(seg_v) proj_len = np.dot(pt_v, seg_v_unit) proj_point = p1 + proj_len * seg_v_unit

closest_point = proj_point if proj_len < 0:

closest_point = p1 elif proj_len > np.linalg.norm(seg_v): closest_point = p2

dist_to_center = np.linalg.norm(center - closest_point) return dist to center <= circle radius

# Увеличение плотности узлов в графе

def _generate_graph(self):

nodes = [self.start] + self.targets

# Добавление дополнительных точек вокруг препятствий for tree in self.trees:

angles = np.linspace(0, 2 * np.pi, num=4, endpoint=False) for angle in angles: point = (

tree[0] + (tree[2] + self.r_min) * math.cos(angle), tree[1] + (tree[2] + self.r_min) * math.sin(angle)

)

point = self._round_point(point) if self.polygon.contains(Point(point)): nodes.append(point)

# Добавление более плотной сетки узлов внутри полигона. min_x, min_y, max_x, max_y = self.polygon.bounds x_vals = np.linspace(min_x, max_x, num=3)

y_vals = np.linspace(min_y, max_y, num=3) for x in x_vals:

for y in y_vals: point = (x, y)

if self.polygon.contains(Point(point)): nodes.append(self._round_point(point))

nodes = list(set(nodes)) # Удаление дубликатов nodes = [self._round_point(node) for node in nodes]

# Создание графа

graph = {node: [] for node in nodes} for i, node_i in enumerate(nodes): for j in range(i + 1, len(nodes)): node_j = nodes[j]

line = LineString([node_i, node_j]) if self.polygon.contains(line): intersects = False for tree in self.trees:

if self._line_intersects_circle(node_i, node_j, (tree[0],

tree[1]), tree[2]):

intersects = True break if not intersects:

graph[node_i].append(node_j) graph[node_j].append(node_i)

return graph

def _find_shortest_path(self, graph, start, goal): start = self._round_point(start) goal = self._round_point(goal) if start not in graph:

print( "Начальный узел {start} не входит в узлы графа") return None if goal not in graph:

print( "Узел цели {goal} не находится в узлах графа')

return None

queue = []

heapq.heappush(queue, (0, start, [start])) visited = set() while queue:

cost, current_node, path = heapq.heappop(queue) if current_node == goal:

return path if current_node in visited:

continue visited.add(current_node) for neighbor in graph[current_node]: if neighbor not in visited:

new_cost = cost + self._distance(current_node, neighbor) heapq.heappush(queue, (new_cost, neighbor, path + [neighbor]))

return None

def _calculate_angle(self, p1, p2, p3):

v1 = np.array([p1[0] - p2[0], p1[1] - p2[1]]) v2 = np.array([p3[0] - p2[0], p3[1] - p2[1]])

cos_theta = np.dot(v1, v2) / (np.linalg.norm(v1) * np.linalg.norm(v2)) cos_theta = np.clip(cos_theta, -1.0, 1.0) # Избегаем ошибок из-за погрешности

angle = math.acos(cos_theta) return angle

def _calculate_radius(self, angle): if angle == 0:

return float('inf') # Прямой путь, радиус бесконечен else:

radius = self.max_distance_between_oporas / (2 * math.sin(angle / 2)) return radius

def _check_and_adjust_path(self, path):

adjusted_path = [path[0]] # Начнем с первого пункта for i in range(len(path) - 1): start = adjusted_path[-1] end = path[i + 1]

segment_length = self._distance(start, end) if segment_length > self.max_distance_between_oporas:

# Рассчитайте необходимое количество дополнительных опор num_additional_supports = int(math.ceil(segment_length / self.max_distance_between_oporas)) - 1

for j in range(1, num_additional_supports + 1): # Рассчитайте положение новой опоры fraction = j / (num_additional_supports + 1) new_x = start[0] + fraction * (end[0] - start[0]) new_y = start[1] + fraction * (end[1] - start[1]) new_point = (new_x, new_y) adjusted_path.append(new_point) adjusted_path.append(end) # Теперь проверяем ограничения кривизны. for i in range(1, len(adjusted_path) - 1):

angle = self._calculate_angle(adjusted_path[i - 1], adjusted_path[i],

adjusted_path[i + 1])

radius = self._calculate_radius(angle) if radius < self.r_min:

print( :"Радиус {radius} в точке {adjusted_path[i]} слишком мал (<

{self.r_min})")

return None # Невозможно настроить траекторию в соответствии с ограничениями кривизны.

return adjusted_path

def generate_paths(self):

graph = self._generate_graph()

initial_paths = []

for target in self.targets:

print( "Поиск пути от {self.start} до {target} )

path = self._find_shortest_path(graph, self.start, target)

if path is None:

print( :"Путь к цели {target} не найден") continue

print( "Найден начальный путь к {target}: {path}")

# Регулируем путь, чтобы соответствовать ограничениям adjusted_path = self._check_and_adjust_path(path)

if adjusted_path is None:

print( :"Путь к цели {target} не может быть скорректирован для соответствия ограничениям") continue

# Проверка наличия пересечений с существующими путями.

if self._check_path_intersections_with_existing(adjusted_path, initial_paths):

print( ^'Скорректированный путь к цели {target} пересекается с существующими путями")

# Попытка найти альтернативный путь.

alternative_path = self._find_non_intersecting_path(graph, self.start, target, initial_paths) if alternative_path:

adjusted_alternative_path = self._check_and_adjust_path(alternative_path)

if adjusted_alternative_path and not self._check_path_intersections_with_existing(adjusted_alternative_path, initial_paths):

adjusted_path = adjusted_alternative_path print(f"Найден альтернативный скорректированный путь к {target}: {adjusted_path} )

else:

print(f"Не найдено ни одного непересекающегося скорректированного пути для цели {target}")

continue

else:

print(^"Альтернативный путь к цели не найден {target}') continue

initial_paths.append(adjusted_path) if not initial_paths:

print("Начальные пути не были созданы.") return

self.paths = self._anneal_paths(initial_paths)

def _check_path_intersections_with_existing(self, path, existing_paths): line1 = LineString(path) for other_path in existing_paths: line2 = LineString(other_path) if line1.crosses(line2): return True return False

def _find_non_intersecting_path(self, graph, start, goal, existing_paths):

n ii ii

Пытается найти путь, который не пересекается с существующими путями, и и и

# Реализовать модифицированный алгоритм Дейкстры или A*, который избегает пересечения ребер с существующими путями

# Для простоты мы удалим ребра, пересекающиеся с существующими путями

# Копируем граф, чтобы изменить его

modified_graph = {node: neighbors[:] for node, neighbors in graph.items()}

# Удаление ребер, пересекающихся с существующими путями. for path in existing_paths:

for i in range(len(path) - 1):

line1 = LineString([path[i], path[i+1]]) for node in modified_graph: modified_neighbors = [] for neighbor in modified_graph[node]: line2 = LineString([node, neighbor]) if line1.crosses(line2): continue

modified_neighbors.append(neighbor) modified_graph[node] = modified_neighbors

# Попытка найти новый путь в измененном графе.

path = self._find_shortest_path(modified_graph, start, goal) if path and not self._check_path_intersections_with_existing(path, existing_paths):

return path else:

return None

def _optimize_paths(self, paths): optimized_paths = []

for path in paths:

optimized_path = self._anneal_path(path, other_paths=optimized_paths) optimized_paths.append(optimized_path)

return optimized_paths

def _anneal_paths(self, paths, max_iters=1000, initial_temp=100,

cooling_rate=0.99):

current_paths = paths

best_paths = paths

current_temp = initial_temp

best_score = self._evaluate_paths(best_paths)

for _ in range(max_iters):

new_paths = self._perturb_paths(current_paths)

# Проверка выполнения ограничений и отсутствия пересечений if self._check_obstacles_for_all_paths(new_paths) or not

self._check_constraints_for_all_paths(new_paths):

continue # VioLates constraints, skip

# Проверка пересечения путей

if self._check_path_intersections_among_paths(new_paths):

continue # Пути пересекаются, переходим к следующей итерации

new_score = self._evaluate_paths(new_paths) delta = new_score - best_score

if delta < 0 or random.random() < math.exp(-delta / current_temp): current_paths = new_paths if new_score < best_score: best_paths = new_paths best_score = new_score

current_temp *= cooling_rate

return best_paths

def _check_path_intersections_among_paths(self, paths): for i in range(len(paths)):

for j in range(i + 1, len(paths)): pathl = paths[i] path2 = paths[j] linel = LineString(pathl) line2 = LineString(path2) if linel.crosses(line2): return True

return False

def _perturb_paths(self, paths):

new_paths = [path[:] for path in paths] # Случайно выбираем путь для изменения path_index = random.randint(0, len(new_paths) - l) path = new_paths[path_index]

if len(path) > 2:

# Случайно выбираем опору для изменения (кроме начала и конца) i = random.randint(l, len(path) - 2)

delta_bk = np.random.uniform(-self.delta_max, self.delta_max, size=2) new_point = (path[i][0] + delta_bk[0], path[i][l] + delta_bk[l])

# Проверка допустимости изменения угла

if i > 0 and i < len(path) - 1:

angle_before = self._calculate_angle(path[i - 1], path[i], path[i

angle_after = self._calculate_angle(path[i - 1], new_point, path[i

+ 1])

delta_beta_k = angle_after - angle_before if abs(math.degrees(delta_beta_k)) > self.beta_max:

return new_paths # Изменение слишком большое, отклоняем

path[i] = new_point new_paths[path_index] = path

return new_paths

def _check_obstacles_for_all_paths(self, paths):

# Проверяем пересечения с препятствиями и границами полигона for path in paths:

if self._check_obstacles(path): return True

# Проверяем пересечения между путями for i in range(len(paths)):

for j in range(i + 1, len(paths)):

if self._check_path_intersections(paths[i], paths[j]): return True

return False

def _check_constraints_for_all_paths(self, paths):

# Проверяем ограничения для каждого пути for path in paths:

if not self._check_path_constraints(path): return False return True

def _check_obstacles(self, path): for i in range(len(path) - 1): start = path[i] end = path[i + 1] for tree in self.trees:

tree_center = (tree[0], tree[1]) tree_radius = tree[2]

if self._line_intersects_circle(start, end, tree_center,

tree_radius):

return True

line = LineString([start, end])

if not self.polygon.contains(line) and not self.polygon.touches(line): return True return False

def _check_path_intersections(self, path1, path2): line1 = LineString(path1) line2 = LineString(path2) return line1.crosses(line2)

def _evaluate_paths(self, paths):

# Вычисляем суммарную стоимость всех путей

total_cost = 0 for path in paths:

total_cost += self._evaluate_path(path) return total_cost

def _evaluate_path(self, path):

kl = 1 # Штраф за каждую дополнительную опору k2 = 1 # Штраф за каждый градус угла поворота k3 = 1 # Штраф за длину пути

num_supports = len(path) - 2 # Число поворотных опор angle_penalty = 0

for i in range(1, len(path) - 1):

angle = self._calculate_angle(path[i - 1], path[i], path[i + 1]) angle_penalty += abs(math.degrees(angle))

length = sum(self._distance(path[i], path[i + 1]) for i in range(len(path)

- 1))

min_supports = int(length // self.max_distance_between_oporas) return k1 * (num_supports - min_supports) + k2 * angle_penalty + k3 *

length

def save_paths(self, filename='oporas_coordinates.xlsx'): writer = pd.ExcelWriter(filename, engine='xlsxwriter')

all_data = pd.DataFrame()

for idx, path in enumerate(self.paths): data = []

num_supports = len(path) - 2

# Первая строка: точка источник data.append({

'Support Number': 0, 'X Coordinate': path[0][0], 'Y Coordinate': path[0][1], 'Turning Angle (degrees)': 0

})

# Поворотные опоры

for i in range(1, len(path) - 1):

angle = self._calculate_angle(path[i - 1], path[i], path[i + 1])

angle_degrees = math.degrees(angle)

data.append({

'Support Number': i,

'X Coordinate': path[i][0],

'Y Coordinate': path[i][1],

'Turning Angle (degrees)': angle_degrees

})

# Последняя строка: целевая точка

data.append({

'Support Number': num_supports + 1, 'X Coordinate': path[-1][0], "Y Coordinate': path[-1][1], 'Turning Angle (degrees)': 0

})

df = pd.DataFrame(data, columns=['Support Number', 'X Coordinate', "Y Coordinate', 'Turning Angle (degrees)']) df['Path Number'] = idx + 1

# Добавляем две пустые строки

empty_rows = pd.DataFrame([{'Support Number': '', 'X Coordinate': '', 'Y Coordinate': '', 'Turning Angle (degrees)': '', 'Path Number': ''}]*2) df = pd.concat([df, empty_rows], ignore_index=True)

# Добавляем к aLL_data

all_data = pd.concat([all_data, df], ignore_index=True) # Записываем все данные в Excel

all_data.to_excel(writer, sheet_name='Paths', index=False)

writer.close()

def plot_paths(self, save_path=None):

visualizer = Visualizer(self.trees, self.start, self.paths, self.targets, self.polygon_vertices)

visualizer.plot(save_path=save_path)

def plot_graph(self, graph):

plt.figure(figsize=(10, 10)) for node, neighbors in graph.items(): for neighbor in neighbors:

x_vals = [node[0], neighbor[0]] y_vals = [node[1], neighbor[1]]

plt.plot(x_vals, y_vals, 'lightgray', linewidth=0.5) plt.scatter(*zip(*graph.keys()), s=1) plt.show()

def _check_path_constraints(self, path): for i in range(len(path) - 1):

dist = self._distance(path[i], path[i + 1]) if dist > self.max_distance_between_oporas:

print( :"Segment from {path[i]} to {path[i+1]} is too long: {dist} > {self.max_distance_between_oporas}") return False

# Проверка минимального радиуса кривизны if i > 0 and i < len(path) - 1:

angle = self._calculate_angle(path[i - 1], path[i], path[i + 1]) radius = self._calculate_radius(angle) if radius < self.r_min:

printf"Radius {radius} at point {path[i]} is too small (<

{self.r_min})")

return False

return True

def convert_to_float(value): if isinstance(value, str):

return float(value.replace(',', '.')) return float(value)

import time

# начальное время start_time = time.time()

# Read data from files trees_file_path = 'data/trees1.xlsx' polygon_file_path = 'data/coords1.xlsx'

# Чтение данных из файлов #trees_fiLe_path = ' Trees .xLsx'

#poLygon_fiLe_path = 'Координаты границ многоугольника.xLsx'

# Считывание координат деревьев trees_data = pd.read_excel(trees_file_path)

# trees = [(fLoat(x.repLace(', ', '. ')), fLoat(y.repLace(', ', '. ')), 10) for x, y in zip(trees_data['X' ], trees_data['Y'])] # Радиус деревьев задан как 10 для примера

trees = [(convert_to_float(x), convert_to_float(y), 10) for x, y in zip(trees_data['X'], trees_data['Y'])]

#trees = [(x, y, 10) for x, y in zip(trees_data['X'], trees_data['Y'])] # Радиус деревьев задан как 10 для примера

polygon_data = pd.read_excel(polygon_file_path)

polygon_vertices = [(convert_to_float(x), convert_to_float(y)) for x, y in zip(polygon_data['X'], polygon_data['Y'])]

# poLygon_vertices = [(fLoat(x.repLace(', ', '. ')), fLoat(y.repLace(', ', '.'))) for x, y in zip(poLygon_data['X], poLygon_data['Y'])]

#poLygon_vertices = [(x, y) for x, y in zip(poLygon_data['X'], poLygon_data['Y'])]

# Параметры математической модели

# Цель 1

start_point = (33.15, -142.13)

target_points = [(160.65, -152.97), (100.51, 12.14), (335.10, -121.22), (477.42, 16.25)]