森林作业的计算机模拟研究

徐立华　王文学

摘要：随着社会经济的不断发展，森林面积不断缩小，尤其是天然森林面积锐减，人工造林得到很大的发展。传统的森林采伐运输作业中，人力操作为主的传统发展方式已经不能适应大规模生产的需要，近些年来逐渐采用机械化操作，并对计算机模拟作业进行了构建和设计。文章对森林作业的计算机模拟技术进行了研究。

关键词：森林作业；计算机模拟；林木采伐；林木运输；规划设计 文献标识码：A

中图分类号：TP391 文章编号：1009-2374（2015）17-0013-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.17.006

森林作业主要包括林木的采伐和运输工作，其中涉及到工作人员、机械设备、林木资源、地形地质条件等多种因素，情况多变，因此必须重视做好科学的规划。应用计算机模拟作业，能将不同形式的作业方式和机械操作、林地地形等进行系统化的比较和分析，并对相对应的决策进行分析和评价，形成从油锯采伐、集材装卸、运输处理到生态环境变化这一系列的作业模拟系统操作，它是森林作业技术不断发展的产物，对提高工作效率等有积极影响。

1 森林作业机械化模拟

20世纪80年代，最先在美国出现了作业机械化操作的计算机模拟系统，主要是在系统中输入伐木机的结构及参数，便可在计算机中显示其三维图和实际运作图。在地形条件允许的情况下可以观察到伐木机的运行和作业情况，从而对其悬臂的长度、运转速度、对应的尺寸、机器稳定性、工作效率等之间的相互关系进行分析，该系统成为了机械作业参数设计和工作评估的主要方式。

在设计中，其中最主要的设计指标是车辆的舒适度问题。将传统的集材机简化成由发动机、驾驶室、伐木头、承载梁等在内的构造，并合理调整各部位之间的位置关系，通过模拟试验测定在一定的地形条件中车辆的震动和冲击力，从而对每个设计方案特性进行评定，最终选择最适合的方案。

此外，在系统设计中，对车辆回避障碍物的能力有严格的要求。要计算转向尺寸与行驶距离之间的相互关系，需要建立计算机模拟模型。通过屏幕观察来确定障碍物与车辆的位置关系，并对不同尺寸、类型的林木进行分组，车辆储存也主要由林木直径决定，操作者通过操纵杆在屏幕上对车辆进行操控，包括方向的选择和速度的调整等，最终将车辆安全送入到目的地。最后，模拟试验得出的结果进行整理分析，并得出不同因素之间的相互关系。

采用计算机来模拟分析车辆经济性和动力，能正确反映其E-P性能，并了解到不同条件下该性能的变化，从而对车辆的使用条件等进行预测，最终对整个系统进行改造和优化。

2 木材运输作业模拟

从地面集材到空中作业都可以运用计算机模拟来进行分析，帮助提升生产工艺。为了更好地指导生产工艺的设计应用，需要对索道集材的模拟方法进行探讨，在此过程中主要是对力学等相关理论知识运用情况的把握，在建立计算机模型的基础上，对整个模型过程进行计算，得出整个系统运作变化时的受力情况，并对其最大承受力进行了解。最后进行模拟载荷分析，并通过人为控制索道运行状态的措施，对索道系统运行工作状态下的各种数据等进行计算。

采运系统是一个复杂的系统，主要包括集材、装卸、运输、贮藏等在内，但是受到机械操作的随机性、车辆变换等影响，单凭长期的生产经验是无法实现最佳运转效果的。在运用计算机分析中，可以对机械设备的运转关系等进行预测，对整个系统进行综合优化。模拟技术可对集运系统的内部动态和采运系统进行全程监控，辅助系统的优化设计并作为研究的主要工具。

3 森林作业计算机模拟规划设计

3.1 理论基础分析

森林系统作业受到其运转特点和相关工艺技术处理的影响，在假设森林资源、技术手段、生产环境等都一定的情况下，实现系统作业的不断优化，是模拟规划设计的主要目的所在。

对于采运系统各操作流程和作业方式，可以结合不同作业需要进行选择，通常可采用网络迷你分析的方法。将主要的操作规定为有向弧，不同工作交接的电成为节点，从而可创建整个运作网络图。在此基础上，系统内部的所有工序和流程之间的关系都在网络图上呈现出来，并将伐木、造林、集运等全部作业环境纳入到系统中，建立一个从采伐区到贮木场这一完整区域的系统，实现多阶段运输系统。

在实际操作中，系统优化设计要以网络图为主要参考依据，主要是在网络图中找到从起点到终点费用最小消耗线路，各个工序操作阶段有固定费用和不固定费用。固定费用是不受运输量影响的费用，如道路修筑、桥梁建设、水运河道等开销；而不固定费用是受到运输量变化的花费，运输量越大，其消耗也随之增多。采运系统能在一定程度上对每一工作程序的生产能力进行限制，即网络图中弧的容量大小。因此，可在网络模拟中对费用进行优化计算，从而在对生产工艺进行合理选择，结合规划设计中模型的敏感性分析，在实际生产中处理好经济建设和生态平衡的问题。

3.2 成功实例分析

在美国，该项系统已经被开发运用。美国俄勒冈州立大学设计时间调配和网络分析程序（SNAP），主要是针对森林作业中的调配和运输设计。该系统范围较大，包括三十多个伐木区、五千以上的作业单元，路线超过一万，并对作业的成本、林木的种类、木材运输要求等进行了综合分析，通过网络处理和模拟生成，实现了最佳配置。此外，系统设计中还将采伐区会受到的干扰限制、森林动物的通道等方面纳入其中，符合生态环境保护的具体要求。

3.3 模拟设计的实现

采运系统是整个森林作业工作中的重要部分，整个生产过程和操作环节相互影响和制约，是一个动态变化的过程。木材采集和生产的过程本身是具有连锁动态的操作体系，并需要根据市场需求进行相应的调整。在计算机模拟试验的设计中，主要运用动力学等相关原理，建立整套的力学模型，并对今后木材生产的过程进行模拟仿真，预测未来森林的经营情况及对经济发展的影响程度，也为企业的生产经营提供更好的参考方案。

采运系统的设计包括森林资源、木材的生产、运输道路的选择设计、各环节的生产成本等，影响因素较多，丙炔随机性相对较大，对其实行动态监控一向是很难操作的过程，可运用微分模拟建立动态模型，为系统设计的实现提供示范和经验。

随着社会对生态环境保护的重视，森林在净化空气、吸收二氧化碳、防洪等方面具有很重要的意义。因此，在森林作业和计算机模拟设计中，需要将森林生态建设纳入系统中，尤其是成本计算中，需要将环境成本算入其中，减少对生态环境的干预，遵循森林自身发育生长的特点，同时还要注意森林中野生动物的生活情况，如在木材运输中设立专门的野生动物通道、减少噪音污染等，减少对动物正常生活及方式的影响，保证人与自然的和谐。

4 结语

综上所述，森林作业技术的相关研究在未来经济社会的发展中占有重要地位，为经济的发展提供了充足的资源支持。计算机技术的不断发展，模拟技术、工程技术等不断受到人们的重视，信息化社会进程的不断加快，对森林作业的相关工艺技术也提出了更高的要求，在未来的发展中，森林作业对技术工艺等有了更高的要求，需要对计算机模拟等技术进行深入的研究和探讨。

参考文献

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作者简介：徐立华（1969-），女，吉林蛟河人，供职于吉林省蛟河林业实验区管理局，研究方向：机械工程。

（责任编辑：周 琼）