Математическое и информационное обеспечение проектирования технического оснащения АЛСЗ

При определении потребности сельхозтоваропроизводителей в технике для реализации адаптивно-ландшафтной системы земледелия рекомендуется использовать разработанную во ВНИПТИМЭСХ математическую модель оптимизации машинно-тракторного парка и комплекс поддерживающих ее подсистем алгоритмно-программного и информационного обеспечения.

Математическая модель представляет собой модель дробно-линейного целочисленного программирования, обеспечивающую максимизацию критерия эффективности живого труда при выполнении системы технологических ограничений и балансовых уравнений.

Укрупненное формализованное описание математической модели имеет следующий вид.

Требуется максимизировать целевую функцию вида:

при выполнении следующих групп ограничений.

1. Все виды и объемы механизированных работ должны быть выполнены полностью и в рекомендуемые агросроки:

, i=1…I, j=1…J.

2. Потребность сельхозпредприятия в средствах механизации определяется их максимальным количеством в наиболее напряженных периодах полевого сезона:

n=1…N, j=1…J,

s=1…S, j=1…J.

3. Потребность в механизаторах определяется их необходимым количеством в наиболее напряженном периоде:

, j=1…J.

4. Основные переменные математической модели должны иметь неотрицательные значения:

XN, XS, XM ³ 0.

5. Основные переменные модели должны определяться целочисленно:

XN, XS, XM ® целые.

Переменные, входящие в состав описанной модели, имеют следующее содержание:

S_f, У_f, Ц_f– соответственно площади, урожайности и цены реализации
f-й культуры; С_ijk – текущие эксплуатационные затраты (без реновации) на выполнение i-й операции k-м машинно-тракторным агрегатом в j-м периоде;
­X_ijk –­ количество k-х агрегатов, используемых на выполнение i-й работы в
j-м периоде;­­ B_n, B_s – соответственно балансовые цены n-х энерго- и
s-х сельхозмашин; R_n, R_s– доля отчислений на реновацию (от балансовой цены) n-х энерго s-х сельхозмашин; XN_n– количество n-х энергомашин в составе машинно-тракторного парка; XS_s – количество s-х сельхозмашин;
ХМ – общая потребность сельхозпредприятия в механизаторских кадрах в полеводстве; F, I, J, K, N, S – соответственно множество возделываемых сельскохозяйственных культур, видов механизированных работ, рабочих периодов полевого сезона, видов машинно-тракторных агрегатов, энерго- и сельхозмашин; ­t_ij– продолжительность (в днях) выполнения i-й механизированной работы в j-й период; W_ijk – дневная производительность k-го машинного агрегата на выполнении i-й работы в j-й период; Q_ij – объем i-й работы, выполняемой в j-м периоде; a_ikn, a_iks – соответственно количество n-х энергомашин и s-х сельхозмашин в составе k-го агрегата на i-й работе в
j-м периоде; b_ijn, b_ijs – соответственно коэффициенты комплектации энерго- и сельхозмашин (b = 1 при наличии и b = 0 при отсутствии машин в составе агрегата); XN_n, XS_s, XМ – соответственно максимальная потребность в n-х энергомашинах, s-х сельхозмашинах и механизаторах.

Компьютерная реализация описанной математической модели выполняется с помощью подсистем информационного и алгоритмно-программного обеспечения. Подсистема информационного обеспечения осуществляет подготовку и расчет всех коэффициентов, входящих в состав модели оптимизации, используя при этом специальные базы данных и алгоритмы формирования исходной информации.

Общая схема формирования информации для проектирования оптимального состава машинно-тракторного парка сельхозтоваропроизводителей представлена на рис. 8.11. Основу подсистемы информационного обеспечения составляют базы нормативно-справочной информации, содержимое которых используется на различных этапах формирования исходных данных по конкретному проектируемому объекту. Процесс подготовки исходных данных условно можно представить состоящим из двух основных этапов. На первом этапе формируются показатели, характеризующие особенности сельскохозяйственного предприятия (производственная структура, зональное размещение, используемые севообороты) и производные характеристики от этих показателей.

Рисунок 8.11. Схема формирования информации для проектирования технического
оснащения адаптивно-ландшафтных систем земледелия

Вторым этапом является информационная идентификация объекта проектирования, обеспечивающая выбор из хранящейся в базах агротехнической, технико-технологической и экономической информации данных, отвечающих условиям конкретного с.-х. предприятия.

Исходная информация, описывающая объект проектирования, разделяется на общую характеристику хозяйства и данные по используемым в хозяйстве севооборотам. Общая характеристика хозяйства, в свою очередь, включает данные о зональном размещении и особенностях структуры производства.

Созданные в информационной подсистеме базы данных должны содержать полное описание зональных агротехнологий возделывания и уборки всех с.-х. культур, выращиваемых в регионе. Агротехнологии представлены в базах блоками основной обработки почвы, посева и ухода за посевами с.-х. культур, уборки и послеуборочной обработки урожая.

Алгоритмно-программный комплекс подсистемы информационного обеспечения осуществляет выбор сочетания агротехнологий для конкретного сельхозтоваропроизводителя с учетом его индивидуальных особенностей.

В результате информационной идентификации формируются промежуточные базы данных, в которых каждому полю рассматриваемых севооборотов с.-х. предприятия ставятся в соответствие одна или несколько конкретных технологий с указанием объемов работ, выполняемых по каждой из них.

Следующий этап информационной идентификации обеспечивает определение перечня механизированных работ, выполняемых в хозяйстве в течение всего полевого периода, сроков их проведения, выполняемых объемов, значений нормообразующих факторов, расстояний перевозок удобрений, семян, урожая и других характеристик (рис. 8.12).

Полученная на данном этапе информация является базой для последующих расчетов технико-экономических характеристик альтернативных машинно-тракторных агрегатов.

Подготовка исходных данных по машинно-тракторным агрегатам, участвующим в качестве альтернатив на выполнении механизированных работ, осуществляется с помощью специальных алгоритмов с использованием характеристик технических средств.

Основными показателями, определяемыми на данном этапе, являются сменная производительность и расход топлива МТА, удельные эксплуатационные издержки на единицу выполняемой работы.

Для их расчета осуществляется компьютерное составление машинно-тракторных агрегатов для каждой из механизированных работ, выполняемых в данном сельхозпредприятии.

Заключительным этапом подготовки исходной информации является расчет технико-экономических характеристик машинно-тракторных агрегатов (рис. 8.13), которые используются при определении основных составляющих эксплуатационных затрат на выполнение единицы объема механизированных работ конкретным агрегатом.

Рисунок 8.12Схема определения характеристик операций
по возделыванию и уборке с.-х. культур

Основными составляющими прямых эксплуатационных затрат являются отчисления на реновацию, капитальный и текущий ремонты машин, входящих в состав машинно-тракторных агрегатов, стоимость топлива, а также затраты на оплату труда механизаторов и подсобных рабочих с начислениями.

Автоматизация процесса формирования исходных данных по проектируемому объекту и дальнейшей информационной идентификации сводит неизбежные при ручной подготовке ошибки к минимуму, повышая тем самым достоверность и адекватность результатов оптимизации.

Алгоритмно-программная реализация формирования исходной информации позволяет свести к минимуму и время подготовки исходных данных при проектировании технического оснащения конкретного с.-х. предприятия.

Максимальное время подготовки исходной информации для любого товаропроизводителя на персональных ЭВМ с процессорами типа PENTIUM не превышает 2 минут.

Рисунок 8.13Схема расчета технико-экономических параметров МТА на выполнении механизированных работ

Важным элементом подсистемы информационного обеспечения является блок послеоптимизационного анализа. Логика его построения во многом определяет оперативность и правильность принятия решений об адекватности сформированного парка условиям рассматриваемого с.-х. предприятия, выявления “узких мест” предлагаемых технологических комплексов и, как результат, выбора направлений корректировки исходных данных для оценки эффективности всего комплекса средств механизации и отдельных энерго- и сельскохозяйственных машин в его составе.

Общая структура результатов оптимизации представлена на
рис. 8.14.

Рисунок 8.14Структура представления результатов оптимизации состава машинно-тракторного парка сельхозпредприятия

Форма представления показателей эффективности оптимального состава машинно-тракторного парка должна содержать сводные характеристики, необходимые для его общей технико-экономической оценки. В число отображаемых показателей входят: эксплуатационные затраты (суммарные и по отдельным структурным составляющим), величина потребных капиталовложений (в целом и отдельно для энергомашин и шлейфа агрегатируемых орудий), затраты труда, количество механизаторов и подсобных рабочих, а также значение целевой функции.

Оптимальный состав энергосредств представляется информацией о наименовании энергомашин, их количестве, балансовой цене, стоимости всех вошедших в парк машин одного наименования, фактической годовой загрузке энергомашин, полученной в результате оптимизации, суммарном расходе топлива по каждой из энергомашин на всем объеме выполняемых ею работ. Приводятся также итоговые данные по количеству, стоимости, массе, расходу топлива по группам энергомашин одного функционального назначения (гусеничных тракторов, колесных тракторов общего назначения, универсально-пропашных тракторов, самоходных машин, автомобилей, стационарных установок, универсальных энергосредств).

Любая из энергомашин, вошедших в оптимальный парк, может быть выбрана для дальнейшего анализа и получения более конкретизированной информации. Такая информация представляется с помощью графиков загрузки техники (рис. 8.15). На графике отображаются сведения об использовании машин данной марки в течение полевого периода.

Подобный механизм анализа загрузки энергомашин позволяет оперативно выявлять напряженные для данной машины рабочие периоды, операции, выполняемые в анализируемый период, характеристики выполняемых операций, количественный и марочный состав машинно-тракторных агрегатов, соотношение объемов работ, выполняемых агрегатами различного состава на одной операции, и другую необходимую информацию.

Рисунок 5.15 График загрузки энергомашины в течение полевого периода

Структура и содержание информации, характеризующей состав и пооперационную загрузку сельскохозяйственных машин, аналогичны характеристике энергосредств. Отличие заключается в отсутствии для с.-х. машин графиков загрузки в течение полевого периода и расхода топлива, которые определяются только для агрегатируемых с ними энергомашин.

Для анализа использования рабочей силы формируются графики загрузки всех категорий работающих.

Результатом оптимизации являются также технологические карты возделывания и уборки всех сельскохозяйственных культур, экономические характеристики технологий, а также калькуляция себестоимости всех культур, возделываемых в хозяйстве.

Экономические показатели технологии (табл. 8.131) используются в блоке послеоптимизационного анализа отдельной формой для оперативного выявления наиболее ресурсозатратных групп работ и оценки их удельного веса в общей технологии.