Modeling of systems and processes Modeling of systems and processes Моделирование систем и процессов 2219-0767 90815 10.12737/2219-0767-2024-17-4-23-31 Технические науки Технические науки Analysis of models and algorithms for optimizing the cutting of one-dimensional timber Анализ моделей и алгоритмов оптимизации раскроя одномерных лесоматериалов Бугаев Юрий Владимирович Bugaev Yuriy Владимирович mmtc@vgta.vrn.ru. Коробова Людмила Анатольевна Korobova Lyudmila Lyudmila Anatol'evna Anatol'evna lyudmila_korobova@mail.ru

кандидат технических наук;

candidate of technical sciences;

 Шурупова Ирина Юрьевна Shurupova Irina Юрьевна mmtc@vgta.vrn.ru. Военно-воздушная академия им. профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина Air Force Academy named after professor N.E. Zhukovsky and Y.A. Gagarin Воронежский государственный университет инженерных технологий Voronezh State University of Engineering Technologies 27 12 2024 27 12 2024 17 4 23 31 16 11 2024 15 11 2024 https://zh-szf.ru/en/nauka/article/90815/view

Работа посвящена исследованиям в двух направлениях. Во-первых, проведен комплексный анализ существующих алгоритмов оптимизации раскроя на примере решения задачи максимизации цилиндрического объема выходных сортиментов из хлыста. Приводится детальное описание рассмотренных алгоритмов. На основе их теоретического анализа и численных экспериментов установлено, что наилучшим методом является один из вариантов динамического программирования. Во-вторых, определяется наиболее подходящий вариант модели образующей хлыста. Сравниваются результаты раскроя, полученные по усредненной модели В. С. Петровского и индивидуальной модели реального хлыста, построенной по результатам исследований В. Н. Васильева. Показано, что первая модель плохо учитывает локальные особенности формы реального хлыста и, вследствие этого, схемы раскроя, полученные по ней, могут быть не оптимальны. Для более достоверной проверки данного факта в качестве развития проведенных исследований предлагается набрать достаточную статистику, например, с помощью имитации раскроя большой совокупности реальных хлыстов. Рекомендуется в производстве использовать модель, максимально учитывающую индивидуальные особенности каждого предмета раскроя. Такая модель может быть построена в реальном времени на основе оперативной информации о раз-мерах и качестве каждого предмета раскроя, получен-ной путем его измерения и диагностики автоматическими устройствами. Этому весьма способствуют достижения по разработке и внедрению в лесопереработку цифровых технологий и датчиков типоразмеров лесоматериалов

The work is devoted to research in two directions. First, a comprehensive analysis of existing cutting optimization algo-rithms was carried out using the example of solving the problem of maximizing the cylindrical volume of output segments from a whip. A detailed description of the consid-ered algorithms is provided. Based on their theoretical anal-ysis and numerical experiments, it was found that the best method is one of the variants of dynamic programming. Secondly, the most suitable variant of the whip forming model is determined. The results of cutting obtained using the averaged V. S. model are compared. Petrovsky and an individual model of a real whip, based on the results of V. N. Vasiliev's research. It is shown that the first model does not take into account the local features of the shape of a real whip and, as a result, the cutting schemes obtained from it may not be optimal. For a more reliable verification of this fact, as a development of the conducted research, it is pro-posed to collect sufficient statistics, for example, by simulat-ing the cutting of a large set of real whips. It is recommend-ed to use a model in production that takes into account the individual characteristics of each cutting object as much as possible. Such a model can be built in real time based on operational information about the size and quality of each cutting object obtained by measuring and diagnosing it with automatic devices. This is greatly facilitated by the achieve-ments in the development and implementation of digital technologies and sensors of standard sizes of timber in tim-ber processing

 оптимизация раскроя лесоматериалов модель предмета раскроя уравнение регрессии сплайны алгоритм оптимизации раскроя нелинейное программирование итерационный метод метод динамического программирования численные эксперименты Optimization of cutting timber model of the cutting object regression equation splines algorithm for optimizing cut-ting nonlinear programming iterative method dynamic programming method numerical experiments

Kärenlampi P. P. Empirical observations of the yield of logs from trees of the boreal region / P. P. Kärenlampi // Baltic Forestry. – 2022. – Т. 28. – №. 1. Kärenlampi P. P. Empirical observations of the yield of logs from trees of the boreal region / P. P. Kärenlampi // Baltic Forestry. – 2022. – T. 28. – №. 1. Поляков С. И. Автоматизация раскряжевки и сортировки лесоматериалов / С. И. Поляков, А. С. Мишанин // Материалы Всероссийской научно-практической конференции студентов и молодых ученых и Всероссийской научно-практической конференции преподавателей и специалистов «Современные проблемы автоматизации, роботизации и управления в технических, организационных, экономических системах». Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г. Ф. Морозова. – 2024. – С. 147 – 153. Polyakov S. I. Avtomatizaciya raskryazhevki i sortirovki lesomaterialov / S. I. Polyakov, A. S. Mishanin // Materialy Vserossiyskoy nauchno-prakticheskoy konferencii studentov i molodyh uchenyh i Vserossiyskoy nauchno-prakticheskoy konferencii prepodavateley i specialistov «Sovremennye problemy avtomatizacii, robotizacii i upravleniya v tehnicheskih, organizacionnyh, ekonomicheskih sistemah». Voronezhskiy gosudarstvennyy lesotehnicheskiy universitet imeni G. F. Morozova. – 2024. – S. 147 – 153. Малинников П. В. Разработка и исследование системы раскряжевки хлыстов / П. В. Малинников // Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика. – 2017. – Т. 5. – №. 4. – С. 236 – 238. Malinnikov P. V. Razrabotka i issledovanie sistemy raskryazhevki hlystov / P. V. Malinnikov // Aktual'nye napravleniya nauchnyh issledovaniy XXI veka: teoriya i praktika. – 2017. – T. 5. – №. 4. – S. 236 – 238. Nguyen V. T. A machine-learning approach for classifying defects on tree trunks using terrestrial LiDAR / V. T. Nguyen, T. Constant, B. Kerautret // Computers and electronics in agriculture. – 2020. – Т. 171. – С. 105332. Nguyen V. T. A machine-learning approach for classifying defects on tree trunks using terrestrial LiDAR / V. T. Nguyen, T. Constant, B. Kerautret // Computers and electronics in agriculture. – 2020. – T. 171. – S. 105332. Xue F. Analysis of Imaging Internal Defects in Living Trees on Irregular Contours of Tree Trunks Using Ground-Penetrating Radar / F. Xue, X. Zhang, Z. Wang, J. Wen, C Guan, H. Han // Forests. – 2021. – Т. 12. – №. 8. – С. 1012. Xue F. Analysis of Imaging Internal Defects in Living Trees on Irregular Contours of Tree Trunks Using Ground-Penetrating Radar / F. Xue, X. Zhang, Z. Wang, J. Wen, C Guan, H. Han // Forests. – 2021. – T. 12. – №. 8. – S. 1012. Беленький Ю. И. Методика оптимизации раскроя хлыстов для получения целевых сортиментов / Ю. И. Беленький, О. И. Куницкая, С. С. Бурмистрова // Лесной вестник. № 1, 2013. – С. 10 – 12. Belen'kiy Yu. I. Metodika optimizacii raskroya hlystov dlya polucheniya celevyh sortimentov / Yu. I. Belen'kiy, O. I. Kunickaya, S. S. Burmistrova // Lesnoy vestnik. № 1, 2013. – S. 10 – 12. Петровский В. С. Математические модели лиственничных стволов, их точность и применение / В. С. Петровский // Труды сибирского технологического института. Сб. «Лиственница» вып. III, Красноярск: 1968. С. 76 – 85. Petrovskiy V. S. Matematicheskie modeli listvennichnyh stvolov, ih tochnost' i primenenie / V. S. Petrovskiy // Trudy sibirskogo tehnologicheskogo instituta. Sb. «Listvennica» vyp. III, Krasnoyarsk: 1968. S. 76 – 85. Петровский B. C. Оптимальная раскряжевка лесоматериалов / B. C. Петровский. – М.: Лесн. пром-сть, 1989. – 288 с. Petrovskiy B. C. Optimal'naya raskryazhevka lesomaterialov / B. C. Petrovskiy. – M.: Lesn. prom-st', 1989. – 288 s. Пижурин А. А. Основы моделирования и оптимизации процессов деревообработки. – / А. А. Пижурин, М. С. Розенблит. М.: Лесная пром-сть, 1988.— 294 с. Pizhurin A. A. Osnovy modelirovaniya i optimizacii processov derevoobrabotki. – / A. A. Pizhurin, M. S. Rozenblit. M.: Lesnaya prom-st', 1988.— 294 s. Янушкевич А. А. Сплайны в моделировании раскроя круглых лесоматериалов // А. А. Янушкевич, М. И. Кулак, М. К. Яковлев. // Изв. Вузов. Лесной журнал. № 2, 1992. – С. 68 – 73. Yanushkevich A. A. Splayny v modelirovanii raskroya kruglyh lesomaterialov // A. A. Yanushkevich, M. I. Kulak, M. K. Yakovlev. // Izv. Vuzov. Lesnoy zhurnal. № 2, 1992. – S. 68 – 73. Хухрянская Е. С. Оптимизация раскроя изделий из древесины / Е. С. Хухрянская, В. Г. Сарайкин, В. Е. Межов, Е. Н. Байбарак. – Воронеж : ВГУ, 2002. – 110 с. Huhryanskaya E. S. Optimizaciya raskroya izdeliy iz drevesiny / E. S. Huhryanskaya, V. G. Saraykin, V. E. Mezhov, E. N. Baybarak. – Voronezh : VGU, 2002. – 110 s. Hu C. Trunk model establishment and parameter estimation for a single tree using multistation terrestrial laser scanning / C. Hu C., S Pan S, H Zhang, P Li // IEEE Access. – 2020. – Т. 8. – С. 102263 – 102277. Hu C. Trunk model establishment and parameter estimation for a single tree using multistation terrestrial laser scanning / C. Hu C., S Pan S, H Zhang, P Li // IEEE Access. – 2020. – T. 8. – S. 102263 – 102277. Воевода, Д. Н. Об оптимальных кусочно-линейных моделях профиля хлыстов / Д. Н. Воевода, Л. М. Китайник, Ю. Н. Перельмутер // Лесн. пром-сть. 1977. № 3. С. 8 – 11. Voevoda, D. N. Ob optimal'nyh kusochno-lineynyh modelyah profilya hlystov / D. N. Voevoda, L. M. Kitaynik, Yu. N. Perel'muter // Lesn. prom-st'. 1977. № 3. S. 8 – 11. Castro M. P. Decision diagrams for discrete optimization: A survey of recent advances / M. P. Castro, A. A. Cire, J. C. Beck // INFORMS Journal on Computing. – 2022. – Т. 34. – №. 4. – С. 2271 – 2295. Castro M. P. Decision diagrams for discrete optimization: A survey of recent advances / M. P. Castro, A. A. Cire, J. C. Beck // INFORMS Journal on Computing. – 2022. – T. 34. – №. 4. – S. 2271 – 2295. Никончук А. В. Оптимальная раскряжевка хлыстов на линиях триммерного типа или переход к линиям нового поколения / А. В. Никончук, А. В. Никончук, В. А. Лозовой и др. // Хвойные бореальной зоны. 2018. Т. XXXVI, № 5. – С. 443 – 450. Nikonchuk A. V. Optimal'naya raskryazhevka hlystov na liniyah trimmernogo tipa ili perehod k liniyam novogo pokoleniya / A. V. Nikonchuk, A. V. Nikonchuk, V. A. Lozovoy i dr. // Hvoynye boreal'noy zony. 2018. T. XXXVI, № 5. – S. 443 – 450. Захарова Л. Е. Алгоритмы дискретной математики: Учебное пособие / Л. Е. Захарова. – Моск. гос. ин-т электроники и математики. – М., 2002. – 120 с. Zaharova L. E. Algoritmy diskretnoy matematiki: Uchebnoe posobie / L. E. Zaharova. – Mosk. gos. in-t elektroniki i matematiki. – M., 2002. – 120 s. Захаренко Т. А. Рациональные схемы раскряжевки на основе математических моделей хлыстов / Т. А. Захаренко // Актуальные проблемы лесного комплекса. – 2004. – №. 8. – С. 185 – 187. Zaharenko T. A. Racional'nye shemy raskryazhevki na osnove matematicheskih modeley hlystov / T. A. Zaharenko // Aktual'nye problemy lesnogo kompleksa. – 2004. – №. 8. – S. 185 – 187. Васильев Ф. П. Методы оптимизации // Ф. П. Васильев. М.: Изд-во «Факториал Пресс». – 2002. – 824 с. Vasil'ev F. P. Metody optimizacii // F. P. Vasil'ev. M.: Izd-vo «Faktorial Press». – 2002. – 824 s. Бугаев, Ю. В. Поиск всех решений задачи динамического программирования в случае совпадения их многокритериальных оценок / Ю. В. Бугаев, Л. А. Коробова, И. Ю. Шурупова // Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий. – 2020. – Т. 82, № 1(83). – С. 398-403. – DOI 10.20914/2310-1202-2020-1-398-403. – EDN XQDRHC. Bugaev, Yu. V. Poisk vseh resheniy zadachi dinamicheskogo programmirovaniya v sluchae sovpadeniya ih mnogokriterial'nyh ocenok / Yu. V. Bugaev, L. A. Korobova, I. Yu. Shurupova // Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo universiteta inzhenernyh tehnologiy. – 2020. – T. 82, № 1(83). – S. 398-403. – DOI 10.20914/2310-1202-2020-1-398-403. – EDN XQDRHC. Задача о рюкзаке. Текст: электронный – URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Задача о рюкзаке Загл. с экрана (дата обращения 12.11.2024) Zadacha o ryukzake. Tekst: elektronnyy – URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Zadacha o ryukzake Zagl. s ekrana (data obrascheniya 12.11.2024) Бугаев, Ю. В. Методы оптимизации развозки грузов потребителям несколькими транспортными средствами / Ю. В. Бугаев, Л. А. Коробова, С. В. Гудков // Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий. – 2021. – Т. 83, № 1(87). – С. 466-472. – DOI 10.20914/2310-1202-2021-1-466-472. – EDN ZDMDXW. Bugaev, Yu. V. Metody optimizacii razvozki gruzov potrebitelyam neskol'kimi transportnymi sredstvami / Yu. V. Bugaev, L. A. Korobova, S. V. Gudkov // Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo universiteta inzhenernyh tehnologiy. – 2021. – T. 83, № 1(87). – S. 466-472. – DOI 10.20914/2310-1202-2021-1-466-472. – EDN ZDMDXW. Васильев В. Н. Исследование и разработка средств автоматического учета хлыстов и бревен для АСУТП первичной обработки древесины в поперечных потоках / В. Н. Васильев // Дисс. канд. техн. наук. Красноярск. – 1979. – 215 с. Vasil'ev V. N. Issledovanie i razrabotka sredstv avtomaticheskogo ucheta hlystov i breven dlya ASUTP pervichnoy obrabotki drevesiny v poperechnyh potokah / V. N. Vasil'ev // Diss. kand. tehn. nauk. Krasnoyarsk. – 1979. – 215 s. Перегудов Ф. И. Введение в системный анализ / Ф. И. Перегудов, Ф. П. Тарасенко. М.: Высшая школа. – 1989. – 367 с. Peregudov F. I. Vvedenie v sistemnyy analiz / F. I. Peregudov, F. P. Tarasenko. M.: Vysshaya shkola. – 1989. – 367 s.