УДК 631.348.45

багатокритеріальна оцінка механізованих технологічних операцій рослинництва за функціональними та екологічними критеріями

П. Шолудько, старший викладач

Львівський національний аграрний університет

Ключові слова: багатокритеріальна оцінка, технологічна операція, вихідна множина альтернатив, шкідливі наслідки, непоновлювана енергія,  моделювання.

Key words: multicriterion estimation, technological operation, initial great number of alternatives, harmful consequences, not renewable energy, design.

The program and algorithm of choice estimation of machine aggregates by many criterions is developed by Pareto method are worked out. It should be noted that they can be realized in the condition of specific farm regardless of lands structure, sown areas and technical equipment. Adequateness of the worked out model is tested in the conditions of real farm.

Постановка проблеми. В існуючій літературі розкриті питання оцінки технологій, технічних засобів, результати вибору агрегатів, але вони не завжди ув’язуються між собою, не є одним цілим у системі “людина-середовище-техніка”.

Становлення нових виробничих відносин, наростання екологічної напруженості, гострий дефіцит енергетичних і багатьох технічних ресурсів вимагають якісних змін у проектуванні механізованих технологічних операцій, обґрунтуванні вибору технічних засобів для конкретних умов. Потрібно забезпечити системну єдність техніки, технологій і природного середовища, знизити негативні наслідки машинних технологій, розвивати ресурсоощадність технологічних операцій та процесів.

Аналіз останніх досліджень і публікацій. Вибір складу машинного агрегату (МА) є однією з центральних задач проектування технологічних систем на рівні операції, процесу та технології. Враховуючи розмаїття умов і велику кількість технологічних операцій, кількість комбінацій машинних агрегатів у багатогалузевому господарстві може становити тисячі варіантів. Тому навіть невеликий ефект в кожному окремому випадку в сукупності суттєво впливає на економічні показники виробництва.

Постановка завдання. Метою нашої роботи є розробка процедур багатокритеріальної оцінки механізованих технологічних операцій рослинництва за функціональними та екологічними критеріями.

Кількість альтернативних варіантів складу машинних агрегатів (МА) стосовно машинно-тракторного парку (МТП) конкретного господарства, як правило, невелика. Тому проектування складу агрегату доцільно розглядати як задачу вибору раціонального варіанта МА з кінцевої множини можливих для конкретного МТП варіантів. У загальному вигляді цю задачу можна сформулювати так: у господарстві із заданими природно-виробничими умовами потрібно виконати певну технологічну операцію. Обґрунтувати раціональний склад МА, виходячи з наявного МТП, який забезпечив би своєчасне виконання заданого обсягу робіт із мінімально можливими експлуатаційними витратами, дотриманням вимог щодо якості, екологічності та безпечності робіт.

Виклад основного матеріалу. На першому етапі за результатами оцінки виробничої ситуації потрібно обґрунтувати мету і відповідні критерії. Як видно із загального формулювання задачі, вона є багатокритеріальною з обмеженнями. Зокрема, потрібно встановити критерій корисності, який відображав би своєчасність робіт, а також критерій експлуатаційних витрат. Ті вимоги щодо якості та безпечності робіт, що рівною мірою стосуються всіх альтернатив і можна задати у вигляді критеріїв придатності [1], доцільно в умові задачі сформулювати у вигляді обмежень.

У вхідній інформації для вибору раціонального складу МА, що виконує польові роботи, потрібно задати:

характеристику культури (міжряддя, фазу розвитку, урожайність);

агротехнічні вимоги: оптимальні строки проведення робіт, норми внесення, параметри якості та допустимі відхилення;

природно-виробничі умови: площу полів, довжину гонів, характеристики рельєфу і ґрунту, відстані переїздів;

наявні ресурси: технічні засоби, паливо, технологічні матеріали, вартість ресурсів та їх якісні характеристики;

екологічні вимоги: тиск на ґрунт, винесення гумусу та ерозія ґрунтів, забруднення довкілля тощо;

вимоги охорони праці та техніки безпеки.

На третьому етапі усуваються невизначеності умов. Зокрема, невизначеність погодних умов на період виконання технологічної операції може бути врахована ймовірним значенням коефіцієнта погодності (Кп) на підставі статистичних даних або імітаційного моделювання; надійність технічних засобів - їх коефіцієнтами готовності (Кг). Об'єднавчим показником може бути коефіцієнт використання календарного часу (Кд):

КД = КП КГ.                                                                           (1)

Коливання робочої швидкості, тягового опору можуть бути враховані ймовірними середніми значеннями цих чинників. Проте з метою недопущення тривалого перевантаження енергетичного засобу встановлюється коефіцієнт запасу сили тяги, значення якого залежить від ступеня нерівномірності тягового опору.

Оскільки МА може виконувати різні технологічні функції (наприклад, комбіновані агрегати з різними наборами робочих органів), то на четвертому етапі обґрунтовуються функції, які необхідно реалізувати для досягнення технологічних цілей.

На етапі структурного синтезу встановлюються варіанти МА з урахуванням можливих комбінацій функцій і наявної в господарстві техніки. Етап завершується формуванням множини можливих альтернатив (ММА), тобто варіантів складу агрегатів. Оскільки вибір машинного агрегату є частковою задачею проектування ТхС, то шостий крок алгоритму (рис. 1) не реалізується і здійснюється перехід на сьомий крок [1].

На сьомому етапі проводиться оцінка варіантів за встановленими раніше критеріями. За результатами оцінки формується вихідна множина альтернатив (ВМА), з якої буде зроблено остаточний вибір. Для цього застосовується метод Парето. Якщо за прийнятими критеріями відсутні варіанти, що задовольняють вимоги, то процес проектування повертається на крок 4 (логічна операція 8).

Оцінка варіантів виробничих складових технологічних систем

Обґрунтування варіантів складу і параметрів технічних засобів виробничих підсистем (СВ, СЗ)

Обґрунтування мети і вибір критеріїв

6

4

3

2

1

5

Обґрунтування варіантів структурної схеми

Обґрунтування функціональної моделі технологічної системи

Аналіз і усунення невизначеності умов

Формування вхідних даних і вимог

Існують варіанти, що задовольняють цілі і вимоги?

Вибір варіанта виробничих складових (СВ, СЗ)

110

100

Рис. 1. Загальна схема проектування технологічних систем.

Кінець

Проектування підсистеми обслуговування (СО)

7

| | | | |
| |
| | |

9

Розробка технологічної документації

Проектування підсистеми управління (СУ) та інформаційного забезпечення технологічних систем

120

На дев'ятому етапі реалізується процедура остаточного вибору варіанта складу і параметрів МА. Вона залежить від кількості критеріїв оцінки варіантів, вибраного правила прийняття рішення. Цим етапом завершується розв'язок задачі вибору МА. Проведення технологічних операцій повинно забезпечувати виконання заданого обсягу робіт із потрібною якістю за мінімально можливих затрат ресурсів і шкідливих наслідків.

Отже, під час вибору оптимальних механізованих технологічних операцій  потрібно враховувати критерії корисності (продуктивність, якість операцій), затрат ресурсів, рівня шкідливих наслідків технологічних операцій. Це означає, що в разі обґрунтування раціонального варіанта технологічної операції So потрібно розв'язувати багатокритеріальну задачу типу [1]:

,                                                     (2)

де So - множина варіантів характеристик системи, що оцінюється; U - множина критеріїв, за якими оцінюється система; Н - система пріоритетів особи, що приймає рішення (ОПР) на множині варіантів S; φ - правило розв'язку, яке на множині варіантів S задає відношення переваги відповідно до системи пріоритетів Н.

Множина критеріїв U охоплює:

– критерії корисності, які для більшості механізованих операцій рослинництва є функцією продуктивності W та якості робіт Q:

,                                                                                  (3)

– критерії сукупних затрат:

,                                  (4)

де Sit - і-та складова затрат коштів на t-му етапі життєвого циклу системи;

– критерії шкідливих наслідків:

,                                                                        (5)

де Ен - сукупні витрати непоновлюваної енергії під час виконання технологічної операції;  Er, Еc - відповідно енергетичний вираз негативних наслідків щодо ґрунту і середовища.

У розв'язанні задач оцінки раціональної технологічної операції критеріями вибору можуть бути: узагальнений показник якості,  продуктивність системи, ресурсомісткість операції, узагальнений показник шкідливих наслідків операції [3]. Інколи замість ресурсомісткості критерієм можуть виступати прямі або зведені грошові витрати, які корелюють із ресурсомісткістю.

Розглянемо числовий приклад вибору раціонального складу машинно-тракторного агрегату для сівби зернових культур за критеріями продуктивності W, витрати пального q і шкідливих наслідків – ущільнення ґрунту, що виражається через роботу на утворення колії агрегатів Af:

,                                           (6)

де  Af - робота на утворення колії, Дж/га; Pf' - складова сили опору кочення, що спричиняє деформацію ґрунту, Н; Ls - шлях, пройдений агрегатом на 1 га, м/гa; ηв - коефіцієнт, що враховує внутрішні втрати у ходовій системі тракторів. Для колісних тракторів цей коефіцієнт залежить від тиску в шинах і є близьким до 1 (ηвкол = 0,98), для гусеничних – (ηвгус = =0,90 - 0,93); fтр, fmj – відповідно коефіцієнт опору кочення трактора та j-тої машини в агрегаті (в т. ч. зчіпки); Gтр, Gmj – експлуатаційна вага трактора та j-ї машини агрегату, Н; Вр - ширина захвату агрегату, м.

Спектр альтернативних варіантів обмежується наявними у господарстві технічними засобами, характеристиками полів, агротехнічними й екологічними вимогами (наприклад, тиском ходових систем на ґрунт). Параметри вихідних варіантів наведені в табл. 1. З можливих варіантів складу МТА потрібно сформувати вихідну множину альтернатив (ВМА), з якої буде зроблено остаточний вибір.

Таблиця 1

Характеристики варіантів МТА

№ І

Варіант складу МТА

W, гa

q, кг/га

Af, MДж/гa

1

К-701 + СП-16 + 4СЗ-3,6

41,1

4,1

28,42

2

Т-150К + СП-11 + 3СЗ-3,6

34,7

3,3

23,61

3

Т-150 + СП-11 + 3СЗ-3,6

38,5

2,9

17,85

4

ДТ-75М + СП-11 + 3СЗ-3,6

32,7

2,6

16,93

5

Т-70С + СП-16* + 2CЗ-З,6

20,0

2,4

18,43

6

МТЗ-80 + СП-16* + 2СЗ-3,6

19,2

2,7

19,85

* У цих МТА використовують центральну секцію зчіпки СП-16.

Формування ВМА за багатокритеріальної оцінки варіантів доцільно здійснювати з використанням методу Парето [5]. Суть методу полягає у виявленні варіантів, що за прийнятими критеріями домінують над іншими, а також варіантів, над якими немає домінування.

При цьому варіант А домінує над В (Аf|В), якщо значення його критеріїв UіА є кращими або еквівалентними порівняно з відповідними критеріями UіВ (UiAfUiВ), хоча б за одним критерієм варіант А має чітку перевагу над В, тобто UiAfUiВ. Знак переваги відображає систему пріоритетів ОПР. Знак f| означає відношення “домінує над”, знак f – відношення “переважає”. Якщо критерій виражений кількісно і покращання варіанта відповідає його збільшенню, то знак переваги відповідає знаку “більше”, якщо зменшенню – то знаку “менше”.

Ми розробили алгоритм (блок-схема подана на рис. 2) та програму його реалізації, яка здійснює вибір із необмеженої кількості вихідних варіантів за рівнозначними незалежними критеріями. У розв’язанні практичних задач кількість критеріїв не перевищує п’яти. Покращання значень кожного з критеріїв може бути встановленим у напрямі зростання значень або спадання. Вибір спрощується можливістю накладання обмежень на значення будь-якого критерію. Під час формування вихідної множини Парето варіанти порівнюються за умовою чіткої переваги або за умовою переваги значень варіантів із допустимими відхиленнями. У наведеному прикладі на друк буде видано наступні результати багатокритеріального вибору МТА (табл. 2).

Таблиця 2

Результати багатокритеріального вибору МТА за методом Парето

Варіант складу МТА

W, гa

q, кг/га

Af, MДж/гa

Т-150К + СП-11 + 3СЗ-3,6

34,7

3,3

23,61

ДТ-75М + СП-11 + 3СЗ-3,6

32,7

2,6

16,93

Т-70С + СП-16* + 2CЗ-З,6

20,0

2,4

18,43

Методика оцінки технологічних операцій, алгоритм і програмне забезпечення використовуються в рамках автоматизованого робочого місця “ПРОСТІР” (“Проектування систем технологічних та інженерних рішень”).

Висновки. Під час вибору технічних засобів рослинництва практично не застосовується їх багатокритеріальна оцінка. Особливо не розробленими є функції інфраструктури ТхС, зокрема технічного обслуговування та управління. Оптимальне проектування аграрних ТхС стримується відсутністю як належного комп'ютерного забезпечення виробництва, так і вміння користувачів.

Комп'ютерна система «ПРОСТІР» дає змогу оперативно проектувати раціональні ТхС для господарств із будь-якою формою власності, наявними технічними засобами, структурою земельних угідь і посівних площ, обґрунтовувати рішення на багатокритеріальній основі.

Бібліографічний список

1.                      Типові задачі машиновикористання в землеробстві : навчальний посібник /  Ю. П. Нагірний, Б. І. Затхей, В. В. Хом’як та ін. ; за ред. Ю. П. Нагірного. – Львів : ЛДАУ, 2001. – 180 с.

2.                      Бейко И. В. Методы и алгоритмы решения задач оптимизации /        И. В. Бейко, Б. Н. Бублик, П. Н. Зинько – К. : Вища шк., 1983. – 240 с.

3.                      Машиновикористання в землеробстві / [В. Ю. Ільченко,                    Ю. П.  Нагірний, П. А. Джолос та ін. ; за ред. В. Ю. Ільченка і                       Ю. П. Нагірного]. – К. : Урожай, 1996. – 384 с.

4.                      Медведовський О. К. Енергетичний аналіз інтенсивних  технологій в сільськогосподарському виробництві / О. К. Медведовський,                       П. І. Іваненко. – К. : Урожай, 1988. – 187 с.

5.                      Нагірний Ю. П. Обґрунтування інженерних рішень / Ю. П. Нагірний. – К. : Урожай, 1994. – 216 с.