基于模糊TOPSIS方法的采伐现场木材运输方案评价

李鹏飞，秦江涛，刘举胜

(上海理工大学 管理学院，上海 200093)

基于模糊TOPSIS方法的采伐现场木材运输方案评价

李鹏飞，秦江涛*，刘举胜

(上海理工大学 管理学院，上海 200093)

针对传统的畜力集材和拖拉机集材的缺陷以及木材生产系统中现场集材工序存在的问题，首先对林业生产现场集材工序进行了分析，设计并提出了全新的滑道集材这一科学合理的生态技术，然后对集材运输方案建立了相应的数学模型，利用聚类智能算法对吉林森工某林场的原始林木进行智能聚类，最后采用模糊TOPSIS方法对畜力集材、拖拉机集材和滑道集材运输方案进行了比较，研究发现在有一定坡度的远距离集材的情况下，滑道集材运输方案在作业成本、作业效率、作业安全、作业可靠性、地表破坏程度和植被破坏程度等方面较其他畜力集材和拖拉机集材具有明显优势。

集材建模；工序分析；聚类智能算法；模糊TOPSIS方法

0 引言

长期以来，较为滞后的粗旷式的林业发展带来的“后遗症”在当前的发展中体现的愈加明显，林业资源匮乏、木材产量下降，正逐渐成为以林区经济为支柱的国有森工企业的挑战与威胁[1]。此外，我国目前的林业生产技术和管理方式仍然存在工艺落后、设备陈旧、效率低下、质量意识淡薄等诸多问题[2-6]。木材生产系统作为各大国有林场最重要的工作活动和主要的经济来源，在整个林业运转中占据着重要的地位，发挥着巨大的作用，但同时也是问题频发的一个区域。另外，由于我国四大国有林区全部位于我国北方，所以北方是我国木材供应的重要来源。在我国北方，由于集材等工序的特点，冬季更加适合进行木材生产，因此北方的林业工人不但要克服长时间站立、手持较重的工具、噪声震动等困难，还要克服恶劣的作业环境，因此，如何寻求一种高效的采伐现场木材运输方案对减少林业工作者的劳动负荷，提高集材运输效率，促进林业发展具有重大的理论与现实意义。

目前，已有学者对木材生产系统进行了研究，取得了一些研究成果。但大多数学者是从木材生产系统的整体运作、生态保护、远距离运输、人机分析等方面对木材生产系统进行研究[7-10]；也有一部分学者通过实地勘探对现有的各种集材方式的效率[11-12]进行了研究。上述研究虽然对学者们后续研究木材生产系统提供了一定的指导意见，但是没能针对木材生产系统及集材方式利用科学的决策方法提供一些具体的改善方案，其次鲜有学者利用模糊TOPSIS决策方法对整个集材方式进行系统的研究。基于此，本文以吉林森工某林场为例，利用聚类智能算法对原始林场的木材进行智能聚类，构建了新兴的滑道运输模型，然后利用模糊TOPSIS决策方法，对传统的蓄力集材，拖拉机集材，以及新兴的滑道集材三种集材方式进行定量的评估，做出了科学的决策。

1 集材工序的介绍与分析

1.1 集材工序

林业系统中的采伐现场主要是指从伐木到木材装车运走的整个过程。虽然林业生产系统较为复杂和庞大，但是在不同山场的现场生产有很大的相似性，基本的工艺过程是相同的，分为：伐木、打枝、造材、集材和装车，具体生产流程如图1所示。随着保护环境深入人心，大部分山场的主要采伐方式为择伐，即选择已经成材的树木进行采伐，不处理并保护尚未成材的树木。本文主要研究采伐现场中的集材工序和装车工序。集材动力的采用主要有拖拉机、人力和畜力，通过这些动力将已经按照市场需求造材完毕的木材运送到指定地点等待装车运走。装车工序是将原木由人力或拖拉机装到汽车上。

图1 伐木工序Fig.1 logging procedure

具体工艺过程如下：①伐木：伐木工人用油锯将树伐倒；②打枝丫：工人使用油锯和斧头将枝杈处理掉，形成条木；③造材：工人使用油锯按照市场需要的尺寸把条木加工成原木；④集材：使用畜力、拖拉机和人力将原木运送到待装车地点；⑤装车：将原木装车运走。

1.2 集材工序分析

目前，主要的集材方式是牲畜与人进行协同作业，在部分小型山场和有特殊要求全部伐光的山场会采用拖拉机与人协同作业。集材工序不但在采伐现场的生产中具有重要的作用，而且占用了大量的生产成本。通过5W1H(Why,What,Where,When,Who,How,简答5W1H)方法提问，可以分析出目前集材工序和装车工序所出现的问题，主要缺陷有：①在集材过程中存在大量的资金和时间的浪费；②造成植被破坏；③造成地表破坏；④诱发安全事故；⑤存在大量的等待时间；⑥装车效率低。由此可见，在集材工序和装车工序中存在大量的待解决问题，因此有必要设计改进方案来优化集材工序。

2 改善方案的提出

针对采伐生产现场集材过程中存在的问题，本文提出了全新的滑道式的运输方式来运送木材，通过牲畜、人和滑道的共同协作来完成木材运输的任务。首先在山场中铺设滑道，然后通过畜力将造材完毕的木材运送到滑道的起点，最终通过人力把木材搬运到滑道上，以自身的重力作用顺着滑道运动到装车地点。

缆索滑道集材与传统土滑道集材相比而言具有诸多优点，见表1。

表1 滑道的比较

2.1 滑道的设计

滑道主要由三部分组成，分别为起始点、终点、缆绳滑道，具体的滑道构成见表2。

起始点的功能是将牲畜运送来的原木放到轨道上，人力通过简单的滑轮组把原木吊起，然后把原木固定到滑道的运送装置上。汇聚点是滑道交汇的点，设计汇聚点可以避免每一个起始点直接到终点的情况，在起始点确定的情况下减少滑道的总长度，从而节约成本，提高运送速度。缆绳滑道是滑道最基本的组成部分，由缆绳和运送装置组成，原木可以被固定在缆绳的运送装置上，每个运送装置每次只可以装载一根原木，原木依靠自身重力的分力作用下滑到滑道终点，终点先对滑道送下来的原木减速，在减速过程中依靠原木自身的惯性将原木送到待装车的车辆或集装箱上空，由人将原木从缆绳滑道的运送装置上卸下，直接完成装车工序，具体的滑道设计如图2所示。

表2 滑道的组成

图2 滑道设计Fig.2 Design of slideway

在图2中，滑道在最终装车的过程中还需要一个配合性装置-骨架式集装箱。为避免大量工人等待汽车到来时间的浪费，将骨架式集装箱运用到装车工序中，在没有汽车时，工人可以将原木先装到骨架式集装箱内，待汽车到来时可以直接换取车尾，将已经装好的原木的集装箱运走。

2.2 滑道起始点的选择

滑道设计的核心是滑道起始点的选择，针对不同山场的情况，使用数学模型[13-16]对起始点的位置和数量进行选择。

(1)模型的建立

模型中的参数定义见表3。

其中目标函数：

相关限制条件：(xi，yj)∈X，(Xj，Yj)∈C；i∈(1，m)，j∈(1，n)

表3 相关参数设置

(2)模型的求解：

Step1 随机产生n-1个点，再加上已知的装车点形成n个点的初始Ctrs。

Step2计算X中每一个点到C中每一个点的欧氏距离dij；其中j∈(1，n)。

Step3比较X中每个点的n个dij的大小，取最小的距离dij并把点归到第j类，则：(Nd，I)=min(dij)

Step4求每一类点距离的中心，计算出D，判断D与上次计算的D的差是否在规定范围内或者迭代次数超过30次，若在则转到Step6，若不在规定范围内或迭代次数小于30次则进行下一步。

Step5产生n-1个中心并加上装车点的坐标形成新的C，并返回Step2进行计算。

Step6输出C与D，算法结束。

2.3 案例分析

本文以吉林森工某林场的一个林班作为研究对象，应用本文提出的方法对木材生产系统的集材工序进行改善。将数据带入到2.2中的模型进行分析。本林班面积7.2 hm2，产出木材100 m3，山坡角度8°，形状如图3所示。

在林班中均匀取776个点，带入到模型中，分别取不同个数的起始点，经过多次迭代，获得集材运输的总距离，如图4所示(单位：m)。

图3 林班图Fig.3 Compartment map

图4 不同起始点修正前总距离图Fig.4 The total distance map of different starting points before correction

因为滑道的建设需要成本，不可能建设无限多个起始点，根据成本核算，每增加一个起始点的费用相当于增加运输距离100 000 m，所以，需要对不同的起始点个数的总体距离进行修正，具体修正结果如图5所示(单位：m)。

图5 不同起始点修正后总距离Fig.5 The adjusted total distance of different starting points

由图5可以看出到每一个起始点的总距离的和随着多次迭代变得越来越小，最后趋于稳定，通过迭代发现在选择建立5个起始点时这种稳定的距离总和是最小的，所以针对选择的这个林班，建立5个起始点是最为合理的，坐标起始点坐标分别为：[12469，2585][3291，2268][6133，5168][8910，2754][11435，5321]，接下来本文将利用模糊数学决策模型来对各种方案进行科学的评估。

2.4 方案的比较

2.4.1 模糊数学决策模型评价指标体系的介绍与建立

对集材方式的选择主要考虑因素为经济性因素和生态环境因素，具体影响因素见表4。目前存在的多种集材方案，使用频率最高的就是拖拉机集材和畜力集材，因此如何选择合适的集材方式对林业生产系统具有重要的意义。由于模糊TOPSIS方法具有诸多优势，故而本文将使用模糊TOPSIS方法模型[17-20]对滑道集材、拖拉机集材和畜力集材三种集材方案进行比较选择，从而进行科学的决策。

表4 影响方案决策的因素

2.4.2 基于模糊TOPSIS方法的方案决策过程

(1)相关指标与评价集的建立

(2)模型评价矩阵的确认

通过问卷数据得到决策数据

(1)

各项指标的模糊权重为

(2)

根据语言变量对应的模糊评级，将23名专家对6项影响因素和3种方案评价的语言转化为三角模糊数。依据公式(1)和公式(2)得到因素集结模糊权重和集结模糊决策矩阵，见表5和表6。

(3)模糊矩阵的标准化

(3)

根据公式(3)和表5对集结模糊决策矩阵进行标准化，见表7。

表5 因素集结模糊权重

表6 集结模糊决策矩阵

表7 标准化集结模糊决策矩阵

(4)计算标准化加权集结模糊决策矩阵

(4)

(5)

根据公式(4)、(5)和表7对标准化集结模糊决策矩阵进行加权，并选出最优解和最劣解(其中成本型指标越小越优，效益型指标越大越优)见表8。

(5)计算各方案与最优解和最劣解的距离

每个方案与最优解和最劣解的距离公式分别为：

(6)

(7)

根据公式(6)、(7)和表7计算得出各方案与模糊最优解和最劣解的距离，见表9。

表8 标准化加权集结模糊决策矩阵

表9 各方案与模糊最优解和最劣解的距离

(6)计算贴近度

(8)

根据公式(8)和表8，计算出各个备选方案与最理想的方案相对的贴近度，见表10。

表10 3个备选方案与最理想方案的相对贴近度

最后排列备选方案，根据表10中的贴近度，得出3个集材方案的最终次序为p3>p1>p2。因此，确立滑道集材为最优方案。

3 结论与讨论

木材生产系统是林业工作中的重要环节，而集材工序又是木材生产系统中必不可少的一道工序。本文以吉林森工某林场为例，通过聚类的思想对滑道起始点的选择问题进行建模，并应用实例进行仿真计算和分析；通过模糊决策对各种集材方案进行比较，最后做出科学决策。研究发现：滑道集材在作业成本、作业效率、作业安全、作业可靠性、地表破坏程度和植被破坏程度等方面较其他畜力集材和拖拉机集材具有明显优势，在具有一定坡度的远距离集材过程中，使用滑道集材方式能有效提高林业工作人员的集材效率，降低林业集材成本，这一结果也与文献[11]中的结论相吻合。结合现实来看，本文的研究方法和研究结果可以切实的解决生产生活中的实际问题，具有一定的实践意义。同时也具有一定的局限性，但是这一局限性也为后续研究指明了方向。由于本文只是选取吉林森工某林场的原始林木为例，没有考虑其他具有特殊地形和特定条件的林场，故而研究结果不具有一定的普适性，后续研究可选取多个林场，进行综合分析，最后确定最优方案；其次本文的研究方法颇为主观，研究指标相对较少，建议后续研究可采取更多的评价指标，采用主客观相结合的方法对实际问题进行更为深入的研究。

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Evaluation of Timber Transport Program at theLogging Scene Based on Fuzzy TOPSIS Method

Li Pengfei，Qin Jiangtao，Liu Jusheng

(Shanghai University of Science and Technology，School of Management，Shanghai 200093)

To overcome the defects of traditional animal skidding and tractor skidding as well as the problematic procedures in the field of timber production systems，a new scientific and reasonable ecological technology of chute skidding was firstly designed and proposed after analyzing the skidding procedure.A mathematical model was constructed corresponding to timber transport program.And then the intelligent clustering algorithm was used to conduct an intelligent clustering for the original forest stand of Jilin Province.The fuzzy TOPSIS method was used to compare animal skidding，tractors skidding and chute skidding transport programs.It was found that chute skidding transport program has more obvious advantages over the animal skidding and tractors skidding in the terms of operating costs and efficiency，operational safety and reliability，damages to land surface and vegetation，and other aspects under the certain circumstance of slope and long distance yarding.

skidding and modeling；procedure analysis；intelligent clustering algorithm；fuzzy TOPSIS method

2016-07-25

上海理工大学博士启动项目(1D-10-303-002)

李鹏飞，硕士研究生。研究方向：森林物流、智能制造。

*通信作者：秦江涛，博士，副教授。研究方向：智能优化、工业工程。E-mail：qinjiangtao_usst@126.com

李鹏飞，秦江涛，刘举胜.基于模糊TOPSIS方法的采伐现场木材运输方案评价[J].森林工程，2017，33(1)：59-65.

S126；F252

A

1001-005X(2017)01-0059-07