Обоснование и разработка методов эффективного использования резервных технологических комплексов в растениеводстве

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

обоснование и разработка методов эффективного использования резервных технологических комплексов в растениеводстве

Специальность 05.20.01 -Технологии и средства механизации сельского хозяйства (технические науки)

Пасин Александр Валентинович

Саранск 2009

1. Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Сезонные дефициты или излишки ресурсов, появляющиеся в результате погодного влияния, указывают на необходимость выделения резервных технологических комплексов, стабилизирующих ход производственных процессов в растениеводстве. На долю сельского хозяйства приходится до 65 % потерь в народном хозяйстве, обусловленных неблагоприятными погодными условиями. Невосполнимые биологические потери продукции происходят в основном в результате нарушения агротехнических сроков работ и технологий в складывающихся условиях сезонов. Анализ по ряду субъектов Приволжского федерального округа показал, что утвержденные технологические карты не соблюдаются практически ежегодно, сроки начала работ смещаются до 1 месяца весной и до 1,5 месяцев осенью, а продолжительность работ в отдельные годы превышает расчетную в 2 и более раз. Принятый в агрометеорологической науке принцип распределения сроков работ по теплообеспеченности не действует в хозяйствах из-за отсутствия методов расчета.

В «Стратегии машинно-технологического обеспечения производства сельскохозяйственной продукции России до 2010 года» предусмотрено стимулирование создания крупных интегрированных структур, в том числе формирование в объединении с МТС оптимального парка машин с использованием его резервирования до 20 %.

В связи с этим повышение эффективности производственных процессов растениеводства путем разработки методов сезонного резервирования и использования технологических систем в агрофирмах и агрохолдингах является актуальной задачей, имеющей важное народно-хозяйственное значение.

Работа выполнена в соответствии с государственной проблемой - «разработать системы технологизации и инженерно-технологического обеспечения агропромышленного производства как основы стабилизации АПК субъектов Российской Федерации Северо-Кавказского, Приволжского и Уральского федеральных округов на 2001-2005 гг.», национальным проектом «Развитие АПК», федеральным законом и Государственной программой развития сельского хозяйства и других программ, в том числе и НГСХА, где автор был соисполнителем.

Цель работы. Повышение эффективности функционирования производственных процессов в растениеводстве методами сезонного резервирования и использования резервных технологических комплексов.

Объект исследования. Резервные технологические комплексы в растениеводстве.

Предмет исследования. Закономерности формирования и сезонного использования резервных технологических комплексов.

Методы исследований. В теоретических исследованиях использовались элементы системного анализа, теорий машиноиспользования, расписаний, принятия решений, игр, экономико-математических методов.

Экспериментальные исследования выполнены по отраслевым методикам хронометражных наблюдений за работой машинно-тракторных агрегатов (МТА), анализа ретроспективных данных о работе машинно-тракторного парка (МТП), оригинальной методике имитационного моделирования с «погружением». При обработке результатов исследований использовалась программа Statistica.

Научная новизна работы заключается в том, что на основе теоретических и экспериментальных исследований:

- разработаны теоретические основы по сезонному резервированию и использованию технологических систем в растениеводстве;

- обоснованы коэффициенты распределения сроков начала полевых механизированных работ;

- установлены зависимости эксплуатационно-технологических параметров использования техники от сезонных условий;

- обоснованы допустимые параметры сезонного технологического резерва;

- разработана экономико-математическая модель оптимизации стратегического состава МТП и сезонного использования резервных технолого-технических средств МТП в растениеводстве с учетом складывающихся условий;

- разработаны алгоритмы по составлению допустимых и оптимальных расписаний, графиков использования основной и резервной техники с учетом складывающихся погодных условий;

- разработаны методы сезонного резервирования и использования технолого-технических средств в производственных процессах растениеводства агрофирм и агрохолдингов;

- обоснована эффективность применения методов сезонного использования резервных технологических комплексов в растениеводстве.

Новизна разработанных технолого-технических решений подтверждается охранными документами патентного ведомства РФ.

Практическая ценность результатов исследований заключается в формировании основ для совершенствования существующих методов построения производственных процессов в растениеводстве. Они могут быть реализованы при разработке новых технических и технологических решений по использованию комплексов машин, в том числе при обосновании и разработке методов использования резервных технологических комплексов по условиям сезонов-аналогов.

Реализация результатов исследований. Методика определения состава и календарного использования технологических звеньев и комплексов с учетом складывающихся условий сезона применена Владимирским филиалом Центрального проектно-технологического бюро автоматизированных систем управления материально-техническим снабжением при разработке проектных решений по инженерно-техническому обеспечению сельскохозяйственного производства.

Рекомендации «Обоснование и расчет календарных темпов работы и состава технологических звеньев» одобрены НТС Госагропрома России и применяются во многих хозяйствах Приволжского федерального округа. Ключевые материалы научной работы отражены в научно-практических основах систем земледелия Нижегородской области.

Материалы исследований нашли отражение в учебном пособии «Обоснование сезонных параметров технологических систем в растениеводстве», рекомендованном Министерством сельского хозяйства РФ для студентов вузов по агроинженерным специальностям, и в учебном пособии «Проектирование состава и использования машинно-тракторного парка», рекомендованном УМО вузов по агроинженерному образованию.

Достоверность основных положений подтверждена соответствием результатов теоретических и экспериментальных исследований (расхождение менее 6 %), а также положительными результатами производственной проверки.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и результаты исследований доложены, обсуждены и одобрены на зональной научной конференции в Нижнем Новгороде (1990 г.), научных конференциях профессорско-преподавательского состава Чувашской ГСХА (г. Чебоксары, 1999 г.), Нижегородской ГСХА (Н. Новгород, 1995-2008 гг.), Рязанской ГСХА (2002 г.), семинаре заведующих кафедрами ЭМТП в МГАУ (г. Москва, 2003 г.), Международной научно-технической конференции Мордовского государственного университета им. Н.П. Огарева (г. Саранск, 2004 г.), Международных научно-практических конференциях в ГУ ЗНИИСХ Северо-Востока им. Н.В. Рудницкого. Киров, 2005 г.), Международной научно-практической конференции, посвященной 50-летию РГП «Научно-производственный центр зернового хозяйства им. А.И. Бараева» МСХ Республики Казахстан (г. Шортанды, 2006 г.), Международной научно-практической конференции, посвященной 75-летию со дня рождения И.П. Терских (г. Иркутск, 2007 г.), Всероссийской научно-практической конференции Ульяновской ГСХА (2008 г.), на районных, областных совещаниях специалистов сельскохозяйственного производства (1990-2008 гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 77 печатных работ, в том числе 11 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ; из них одна рекомендации НТС Госагропрома России, одно учебное пособие с грифом МСХ РФ, два учебных пособия с грифом УМО вузов РФ; получены два свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ, один патент РФ. Общий объем работ составляет 44,3 печ. л., из них на долю соискателя приходится - 23 печ. л.

На защиту выносятся следующие основные положения.

1. Методы обоснования сезонных резервов технолого-технических средств в производственных процессах растениеводства с учетом проведенной дифференциации коэффициентов подобия теплообеспеченности, коэффициентов подобия среднедекадных температур, коэффициентов распределения сроков работ, коэффициентов погодности.

2. Экономико-математическая модель оптимизации стратегического состава МТП и сезонных резервов технолого-технических средств в производственных процессах растениеводства агрофирм с учетом складывающихся условий.

3. Методы сезонного резервирования и использования технолого-технических средств в производственных процессах растениеводства и их практическая проверка.

4. Разработанные рекомендации по формированию и использованию стратегического состава МТП и сезонных резервов технолого-технических средств.

2. Содержание работы

Во введении изложена актуальность проблемы и сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе «Состояние проблемы функционирования механизированных технологических средств и их реализации в производственных процессах растениеводства» в результате анализа выявлено, что резервы для повышения производительности труда в производственных процессах растениеводства не исчерпаны. Источниками подходов к повышению эффективности процессов являются труды В.П. Горячкина, Б.А. Линтварева, Б.С. Свирщевского, Г.В. Веденяпина, Ю.К. Киртбая, С.А. Иофинова, А.П. Иншакова, Ф.С. Завалишина, А.М. Карпова, И.П. Терских, ученых ряда научных школ Санкт-Петербурга, Москвы, Челябинска, Саранска, Пензы, Рязани, Кирова и других центров.

Работы ученых ВНИПТИМЭСХ, ВИМ, ЧИМЭСХ (М.А. Путинцевой, М.С. Рунчева, В.Д. Саклакова, Н.В. Краснощекова) и других послужили основой разработки новых методов использования ресурсов (ипатовского, поточно-циклового, коллективов интенсивного труда). Повышению надежности технологических систем, в том числе отдельным видам их резервирования, посвящены труды В.А. Евграфова, Б.И. Кашпуры, В.А. Комарова, Л.И. Кушнарева, В.В. Лазовского, П.П. Лезина, Е.А. Лисунова, П.В. Сенина, А.Н. Скороходова, И.А. Спирина и др. Однако анализ исследований выявил недостаточное количество работ по учету метеорологических факторов в производственных процессах растениеводства. Среди немногочисленных работ можно отметить работы В.М. Бейлиса, А.В. Пискарева, Г.Е. Чепурина, ученых Нижегородской школы под руководством А.Н. Важенина и некоторых других. С повышением энергонасыщенности техники и применения ее в интенсивных, высоких технологиях возделывания сельскохозяйственных культур возрастает роль человека в управлении производственными процессами в условиях неопределенности, которые предполагают наличие резервных технолого-технических средств.

В работах Л.Е. Агеева, А.П. Акимова, Х.Г. Барам, М.Е. Браславца, Н.В. Бышова, Б.И. Горбунова, В.Г. Еникеева, А.А. Зангиева, Л.П. Кормановского, В.М. Кряжкова, К.З. Кухмазова, А.Г. Левшина, А.Б. Лурье, А.Х. Морозова, К.С. Орманджи, Б.В. Павлова, А.П. Савельева, П.А. Савиных, В.Ф. Скробача, И.А. Успенского, Э.А. Финна, Р.Ш. Хабатова, М.Н. Чаткина, М.В. Шахмаева и многих других при решении задач проектирования производственных процессов применяется множество различных критериев, отличающихся целевой направленностью. Однако существующие критерии эффективности содержат в основном параметры климатических характеристик условий, параметры погодного влияния если и учитываются, то только усредненно. Детерминированный подход к проектированию производственных процессов растениеводства не позволяет выделять и рассматривать резервные технологические комплексы.

Анализ показал, что методические подходы к оптимизации состава и использованию МТП в современных крупных сельскохозяйственных объединениях разработаны без учета сезонного резервирования технолого-технических средств. На основании изложенного можно говорить о наличии проблемной ситуации, характеризующейся тем, что традиционно неизменное применение зональных и местных технологий выполнения полевых механизированных работ и методов использования технических и технологических ресурсов не привело к сокращению сроков работ, значительному повышению качества и существенному снижению потерь сельскохозяйственной продукции в производственных процессах растениеводства.

Рабочая гипотеза исследований заключается в том, что низкая эффективность производственных процессов в растениеводстве обусловлена в большей мере неадекватностью состава техники и ее использования складывающимся погодным условиям.

С целью развития и подтверждения выдвинутой гипотезы сформулированы следующие задачи исследования.

1. Выявить возможности учета погодного влияния на производственные процессы растениеводства и разработать теоретические основы сезонного резервирования и использования технологических систем.

2. Обосновать модели статистических оценок сезонного резервирования и использования технологических систем, разработать алгоритм их дифференциации по сезонам-аналогам с возможностью выбора наилучшего варианта.

3. Разработать экономико-математическую модель оптимизации стратегического состава МТП агрофирм и методы сезонного резервирования и использования технолого-технических средств в производственных процессах растениеводства.

4. Провести в агрофирмах и агрохолдингах экспериментальную и производственную проверки методов сезонного резервирования и использования технолого-технических средств.

5. Разработать рекомендации по проектированию стратегического состава МТП и сезонного использования резервных технолого-технических средств.

Во второй главе «Теоретические основы сезонного резервирования и использования технологических систем» методологические положения раскрываются на обобщенной структуре производственного процесса как системы. Под технологической системой понимается совокупность функционально взаимосвязанных средств технологического оснащения, их сезонных резервов, предметов производства, исполнителей для выполнения сельскохозяйственных работ в регламентированных условиях агротехнических сроков и среды с целью реализации определенных функций в меняющихся погодно-производственных условиях (рис. 1).

Входом системы является среда, а выходом - продукты труда (сельскохозяйственная продукция, затраты, прибыль). Математические ожидания выходных параметров определяются среднемноголетними значениями внешних факторов. Текущие же значения выходных величин имеют существенную корреляционную связь с природными факторами.

Рисунок 1 - Структура технологической системы производственного процесса растениеводства (ТСППР): 1 - связи структуры и состава; 2 - связи изменения состояния; 3 - связи технологические; 4 - связи информации; 5 - связи управления

Входом в систему нами определены векторы природных факторов - детерминированные (свет, почва, рельеф) и случайные - погодные (осадки, температура, влажность воздуха). Системность объекта раскрывается прежде всего, через его связи. Проявление связи выражается через временные, качественные и количественные отношения.

Временные отношения между предметами производства и средствами технологического оснащения ставят в полную зависимость использование машин от предметов производства, определяя сроки и необходимую продолжительность работ.

Качественные отношения между предметами производства и средствами технологического оснащения выступают через агротехнологические требования по выполнению отдельной операции и отражают уровень потребительских качеств современной сельскохозяйственной техники. Эти отношения продолжают совершенствоваться, однако они еще не всегда адекватно существуют в рамках отношений среды и предметов производства. Другими словами, действие среды может приводить предметы производства в такое состояние, когда применение технических средств либо невозможно, либо ограничено по причине снижения показателей работы. Это ограничение при расчете необходимого количества технических средств для выполнения -й работы в растениеводстве, как правило, учитывается коэффициентом погодности :

, (1)

где - потребное количество агрегатов, шт.; - объем полевой механизированной работы, га; - нормативная сменная производительность агрегата, га/см; - коэффициенты соответственно сменности, организации, готовности, погодности; - даты начала и окончания работы; () - календарное время, сут.

Качественный характер отношений между предметами производства и средствами технологического оснащения определяет пропускную способность системы. Время как категория перестает быть основным показателем развития производственного процесса. Единым связующим показателем отношений качественного и временного порядков между элементами рассматриваемой системы является темп выполнения -й работы (% / сут), объединяющий характеристики скоростей биологических и производственных процессов

, (2)

где - рабочая продолжительность, , сут.

Для каждой зоны по средним многолетним условиям ВИМом совместно с зональными НИИ установлена нормативная продолжительность полевых механизированных работ . В ежегодно меняющихся погодных условиях сроки их выполнения нарушаются, поэтому своевременность выполнения работ можно обеспечить изменением интенсивности их проведения.

Разность в темпах проведения -й работы текущего и среднемноголетнего сезонов образует технологический резерв

, (3)

который может регулироваться изменением количества техники и интенсивностью ее использования.

ТСППР является открытой и вероятностной. Поведение ее в целом можно считать неопределенным. Принять такую концепцию за основу нельзя, так как практика производства показывает, что какая бы неопределенность не возникла на всех этапах технологического цикла, конечный результат в виде продукции производства гарантируется.

Состояние системы характеризуется различными вероятностями и может быть описано количеством энтропии:

, (4)

где - вероятность -го состояния переменной.

Возможное число погодных ситуаций конечно. Для них известна совокупность частот их повторения где , .

Из формулы (4) видно, что с увеличением числа возможных состояний неопределенность системы возрастает. Для ее уменьшения необходимо приобрести информацию . Ценность заблаговременной информации характеризуется максимальной пользой от снижения средних потерь. На рис. 2 видно, что чем меньше вероятность события, о котором получаем сообщение, тем больше информативность и ценность информации.

Рисунок 2 - Ценность заблаговременной информации

Для уменьшения неопределенности надо стремиться к увеличению разнообразия управляющих воздействий как при проектировании, так и при использовании технолого-технических средств, по возможности приближаться к предельной величине , когда на каждое изменение величины «заготовлено» корректирующие воздействие :

, (5)

которое может быть выражено через резервирование ресурсов.



Рисунок 3 - Граф состояний технологических систем при резервировании ресурсов

Из рис. 3 видно, что в моменты времени , технологическая система находится в состоянии, когда имеется избыток технико-технологических средств, выступающих в качестве резерва, реализация которого может быть использована для дополнительного источника дохода агропредприятия. В моменты времени , технологическая система, напротив, нуждается в резервных ресурсах, которые могут быть востребованы и в техническом, и в технологическом выражении. Состояние по отношению ко всем остальным состояниям является наихудшим, так как для успешного выполнения возложенных на систему функций ей потребуется использовать больше резервных средств. Если технологическая система не располагает резервными средствами или ей недостаточно времени для их привлечения, то производственный процесс реализуется наличными технико-технологическими ресурсами с вынужденными потерями урожая.

Многоэтапные задачи стохастического программирования являются наиболее естественными для моделирования производственных процессов растениеводства. Смысл моделей состоит в том, что стратегические решения W выражаются явной аналитической зависимостью через тактические решения . При этом условие инерционности стратегического решения по отношению к случайным ситуациям обеспечивается заданием ограничений по его неизменности для всего набора возможных случайных ситуаций , , где - строчно-диагональная единичная матрица.

К набору средств для стратегических решений можно отнести площадь и структуру посевов, количество и состав технических средств, обеспеченность кадрами механизаторов; к тактическим - объем, состав, сроки и темпы выполняемых работ, привлечение и высвобождение резервных технолого-технических средств. Решение о создании резервов является стратегическим, поскольку оно принимается при проектировании производственных процессов растениеводства на случай неблагоприятных или благоприятных ситуаций в будущем; решение же об использовании резервов - тактическое, принимаемое заблаговременно по отношению к конкретно реализующейся ситуации, и его можно оптимизировать с учетом этой ситуации. Резерв технолого-технических средств выступает, таким образом, демпфером, стабилизатором производственного процесса растениеводства (рис. 4).

Рисунок 4 - Матричная схема модельной конструкции при резервировании технолого-технических средств

Процесс, протекающий в системе, является марковским, так как для любого момента времени вероятностные характеристики процесса в будущем зависят только от его состояния в данный момент и не зависят от того, когда и как система пришла в это состояние.

Дифференциация условий производства по погодным ситуациям позволяет отразить на конечный эффект влияние случайных погодных факторов в пределах каждого исхода. Тем самым появляется возможность выделить эффект управления производственным процессом с помощью оптимального резервирования и использования технолого-технических средств (рис. 4). Необходимо стремиться получать не только максимальный в отдельных погодных ситуациях экономический эффект, но и такой эффект, который был бы устойчив по отношению к набору случайных погодных условий в зоне.

Анализ методов заблаговременного распознавания условий производства показал, что теплообеспеченность является самым достоверным фактором с оправдываемостью 88 % и более. Тем более что по условию мультикоррелянеарности - теплообеспеченность имеет высокую корреляционную связь с дефицитом влажности воздуха - 0,96 и количеством осадков - 0,85. Отрезок времени в 30 дней, где корреляционные отношения сумм температур с последующей суммой свыше 0,8, можно считать заблаговременностью планирования и принятия решений. Этого времени достаточно, чтобы перестроить механизм функционирования производственного процесса растениеводства, внести коррективы и за счет резервных технолого-технических средств привести систему в устойчивое состояние. На основании обработки ретроспективных данных обоснована возможность градации сезонных условий на пять типов, так как среднеквадратические отклонения от аппроксимирующих средних теплообеспеченностей каждого сезона в пять раз меньше среднеквадратичных отклонений всех лет от климатической кривой теплообеспеченности.

Влияние погодных условий на технологический резерв учитывается статистически обоснованными коэффициентами подобия среднедекадных температур, определяющих календарную продолжительность полевых механизированных работ:

, (6)

и коэффициентами погодности, определяющих рабочую продолжительность:

, (7)

где , - средняя температура декады проведения работ текущего (-го) и среднего сезонов, /сут; , - коэффициент погодности для -й работы в -й сезон-аналог и среднемноголетний, установленный ВИМ; - величина, равная 0, ±1 или ±2 в зависимости от типа сезона-аналога.

Принадлежность текущего сезона к сезону-аналогу характеризует коэффициент подобия теплообеспеченности

, (8)

а коэффициент распределения сроков определяет начало работ

, (9)

где , - сумма среднесуточных температур нарастающим итогом текущего (-го) и среднемноголетнего сезона за t - дней, °C; , - сроки начала выполнения механизированных работ в текущий -й и среднемноголетний сезон, начиная с 1 апреля, сут.

Для коэффициентов подобия теплообеспеченности и распределения сроков разработан алгоритм дифференциации по сезонам-аналогам: холодному, умеренно-холодному, среднему, умеренно-теплому, теплому. Средняя величина их и границы варьирования учитываются с помощью коэффициента вариации:

(10)

,

где - коэффициент вариации.

Сроки начала работ в теплый сезон-аналог ранние и отличаются от средних весной на полторы, летом на две и осенью на три недели; в умеренно-теплый отличаются на неделю весной и летом, на полторы недели осенью; в умеренно-холодный работы начинаются позднее до трех недель весной, на полторы недели летом и до двух недель осенью; в холодный - позднее до одного месяца весной и осенью, до трех недель летом. Растянутость сроков начала работ составляет 1 день на каждые 40 км в направлении с юга на север.

В третьей главе «Разработка методов сезонного резервирования и использования технолого-технических средств» в результате анализа методов решения задач теории расписаний выявлено, что расписания для параллельных процессов различаются по принципам их построения, критериям оптимальности, признаку точного или приближенного выполнения критерия, по способам выбора и назначения агрегатов для выполнения работ. Из множества методов отобран способ, заключающийся в нахождении первоначально допустимого расписания, отражающего потребности каждой работы к условиям ее проведения (без потерь урожая). Решение задачи составления допустимого расписания осуществляется на основании разработанных нами оценок условий сезонов-аналогов и оптимальных значений некоторых параметров производственных процессов растениеводства с помощью следующей модели:

;

; ;

; ;

; ;

; ; (11)

; ;

;

;

где - функции; - теплообеспеченности соответственно среднего и сезона-аналога, ⁰С; - текущая среднесуточная температура соответственно в средний и сезон-аналог, ⁰С; - текущее время начиная от момента перехода температур через 0 ⁰С весной, сут; - рабочая длительность операции в средний и сезон-аналог, дни; - календарная продолжительность работы в средний и сезон-аналог, дни; - начало работы в средний и сезон-аналог, начиная от момента перехода температур через 0 ⁰С, сут; - вектор комплекса климатических условий; - окончание работы в средний и сезон-аналог, сут; - допустимые технологические резервы выполнения работы в сезон-аналог, га/сут (%/сут); - объем работы, га (100 %).

Алгоритм задачи допустимого расписания реализован в программах, разработанных и зарегистрированных на языках программирования Бейсик-5А и Паскаль.

Структура программы «Сезонные допустимые расписания использования технологических систем в производственных процессах растениеводства» состоит из 3 модулей со следующими возможностями.

1. Расчет допустимого расписания и темпов выполнения работ для пяти сезонов-аналогов.

2. Выбор по текущему коэффициенту подобия одного из пяти сезонов-аналогов. Расчет для него допустимого расписания и темпов выполнения работ в заданный период времени.

3. Расчет допустимого расписаниями и темпов выполнения работ в предстоящий период времени с учетом сложившихся условий сезона.

Программа для ЭВМ «Сезонные технико-технологические резервы производственных процессов растениеводства» позволяет определить необходимые допустимые технологические резервы для выполнения -й работы в агротехнический срок в - сезон-аналог и составить календарный план.

Допустимые расписания образуют форму, которая должна уточняться содержанием - ресурсными, организационными и экономическими возможностями предприятия.

В результате упорядочения работ, их смещения за директивные сроки возникают потери потенциального урожая. Если исключить ошибки в определении начала работ прогнозированием, а вынужденное смещение в непогоду отнести только к периоду простоя по метеорологическим причинам, тогда возможные общие биологические потери при сезонном резервировании и использовании технолого-технических средств выразятся

, (12)

, (13)

где - биологические потери урожая во время работы агрегатов, руб.; - биологические потери урожая во время простоя агрегатов по метеорологическим причинам при производстве работ, руб.; - биологическая урожайность, т/га; - удельная цена продукции, руб./т; - коэффициент учета потерь урожая в предположении пропорциональности их нарастания, доля/сут; - отклонение в сторону увеличения календарной продолжительности в текущий сезон-аналог, сут.

Величина потерь урожая зависит от вида сельскохозяйственной культуры, урожайности, ее количественной отзывчивости на сроки проведения полевых работ, цены продукции, складывающихся погодных условий. Из всех указанных параметров, от которых зависит величина потерь урожая, в конкретных условиях хозяйства мы можем регулировать только сроками начала и продолжительности выполнения полевых работ.

Смещаемые по срокам начало и продолжительность проведения работ должны экономически обосновываться. Для этого необходимо ранжировать работы по их значимости. Ранг работы по значимости указывает на очередность ее выполнения:

, . (14)

При сочетании раздельного способа уборки зерновых культур с прямым комбайнированием объемы их обусловливаются жесткостью требований к условиям проведения раздельного способа. Уровни конкурирующих противоречий раздельного способа с прямым комбайнированием в каждый сезон-аналог различны. Меньшие потери урожая и более раннее начало работ с сокращением периода перехода от восковой к полной спелости зерна являются преимуществом раздельного способа не во всех условиях его проведения.

Используя основные положения теории выбросов случайной функции за заданный уровень, мы исследовали возможности проведения раздельного способа уборки зерновых культур в Приволжском федеральном округе по сезонам-аналогам.

Дифференциация еженедельных объемов раздельного способа уборки зерновых культур по сезонам-аналогам и времени проводилась из условия

, (15)

где - доля раздельного способа уборки зерновых культур в декаду; - количество дней в декаде, дни; - время, в течение которого идут дожди, дни; - время сушки хлебной массы после дождя, дни; - количество дней с осадками более 5 мм в месяц; - среднедекадный дефицит влажности воздуха, гПа; - климатический коэффициент.

Раздельный способ уборки позволяет более полно использовать потенциал комбайнов с высокой пропускной способностью за счет лучшей обмолачиваемости, сепарируемости и увеличенной массы валка (за счет сдвоенности).

Экономико-математическая модель оптимизации состава и использования технолого-технических средств производственного процесса растениеводства с учетом привлечения машин и исполнителей из МТС и других структур определяется целевой функцией получения максимальной прибыли

, (16)

где - планируемая стоимость растениеводческой продукции (выращенного урожая), руб.; - комплексные затраты, связанные с использованием существующих и привлекаемых в агропредприятие технолого-технических средств и исполнителей (механизаторов), руб.; - комплексные затраты при использовании существующих в агропредприятии техники и механизаторов, руб.; - приращение комплексных затрат в -й сезон-аналог, руб.; - приращение потерь урожая в -й сезон-аналог, руб.; - затраты, связанные с привлечением резервной техники или ее покупкой, руб.; - - затраты, связанные с привлечением резервных исполнителей, руб.; - доход, получаемый за счет использования собственной резервной техники вне агропредприятия, руб.; - доход, получаемый за счет использования резервных исполнителей (механизаторов) вне агропредприятия, руб.

С помощью этого критерия разработаны условия: исключения, замены отдельной операции, очередности выполнения работ, сочетания способов.

Как следует из формулы (16), прибыль определяется разностью между планируемой стоимостью растениеводческой продукции и комплексными затратами на выполнение годового объема работ МТП при ее производстве. При уменьшении комплексных затрат прибыль возрастает на искомую величину:

. (17)

При решении задачи необходимо учитывать следующие ограничения:

1) неотрицательность переменных:

; (18)

;

2) ограничение площади культуры , возделываемой по технологии , соответствующей сезону и сорту в подразделении k:

; (19)

3) все планируемые работы в необходимых объемах должны быть выполнены в установленные агротехнические сроки по выбранным вариантам технологий всеми технологически допустимыми - агрегатами по допустимым темпам работ, соответствующим складывающимся условиям сезонов-аналогов

; (20)

4) взаимосвязанные работы должны выполняться в определенной последовательности при согласованности способов их выполнения:

; (21)

5) одновременно не может быть использовано машин больше имеющегося в наличии в предприятии и резерва техники из МТС и других уровней:

, (22)

6) количество механизаторов в каждый период не должно быть больше имеющегося в предприятии и резервного из МТС, РТК и других уровней:

, (23)

где - индексы соответственно работы, агрегата, цикла, машины, культуры по возделываемой технологии, подразделения, обслуживающего агрегат, исполнителя; - удельные эксплуатационные затраты (без реновации), руб./га; - производительность, га/сут; - количество агрегатов, шт.; - коэффициент использования производительности агрегата; - коэффициент отчислений на реновацию по -й машине; - коэффициент эффективности капитальных вложений; - балансовая стоимость машины, руб.; - количество машин, шт.; - оценка затрат на одного механизатора, необходимых при выполнении годового объема работ в агропредприятии, руб./чел.; - количество механизаторов, обслуживающих МТП в течение года, в том числе вновь принятых в штат агропредприятия, чел.; - количество машин в агрегате, шт.; - количество исполнителей, обслуживающих агрегат, шт.; - количество резервных механизаторов, привлекаемых в агропредприятие из МТС и других уровней, чел.; - количество резервных механизаторов, целесообразно используемых вне агропредприятия, чел.; - количество резервных МТА, привлекаемых в агропредприятие из МТС и других уровней, шт.; - количество резервных МТА, целесообразно используемых вне агропредприятия, шт.; - площадь возделываемой культуры по технологии, соответствующей сезону и сорту, га; - возможное смещение в объемах взаимосвязанных работ, га, т; - коэффициент соизмеримости объемов работ (применяется, когда взаимосвязанные работы имеют различные единицы измерения); - количество имеющихся машин в агропредприятии, шт.; - количество имеющихся в штате агропредприятия механизаторов, чел.; - продолжительность периода, дни.

Приравнивая к нулю первые частные производной от целевой функции по соответствующим параметрам, получаем дифференцированные по типовым сезонам оптимальные резервы технической оснащенности и трудообеспеченности

, (24)

, (25)

коэффициент сменности

, (26)

календарную продолжительность работ

. (27)

По сезонному темпу работ (га/сут) определяем количество агрегатов:

, (28)

где - доля данной работы в годовом объеме; - доля рабочего времени на данной работе в общем времени работы механизатора в течение года.

Из-за большого объема решаемой задачи количество расчетных периодов, как правило, ограничивают. Поэтому решение задачи становится не совсем адекватно реальным условиям производства.

Базовая линейная модель (а их пять - по каждому сезону-аналогу) решает задачу выполнения планируемых работ в необходимых объемах в установленные агротехнические сроки по допустимому расписанию без предварительной разбивки на периоды с помощью использования матриц и логических функций электронной таблицы Microsoft Excel и т.п. (рис. 5)

С помощью вспомогательных матриц результаты базовой модели уточняются и автоматически поступают в первую модель. По каждой работе, по минимуму комплексных затрат в пределах допустимого расписания определяются оптимальные сроки и количество агрегатов (трактористов). Потери урожая отсутствуют. Автоматически выводятся графики загрузки тракторов помарочно и в целом как в физическом, так и в эталонном исполнении. Анализ графиков дает возможность выявить пиковость и провалы в использовании тракторов и определиться по «сглаживанию».



Рисунок 5 - Алгоритм автоматизированной системы проектирования стратегического состава МТП и сезонных резервов технолого-технических средств

Разные временные интервалы загрузки тракторов позволяют провести упорядочение работ по методу составления расписания с помощью списка. Для этого необходимо иметь набор нормативных технико-экономических показателей конкурирующих агрегатов. Снижение количества техники достигается за счет упорядочения работ, в некоторых случаях за счет вынужденного исключения отдельных операций (не значительно или менее влияющих на факт получения продукции, чем основные работы), замены простых агрегатов на более производительные, в том числе комбинированные и комбайновые.

Во второй модели оптимизация состава и использования МТП ведется вновь по минимуму комплексных затрат, но в отличие от первой модели в расчете функционируют оптимальные сроки выполнения работ, которые учитывают потери урожая свыше директивных сроков.

Рассчитанные для пяти сезонов-аналогов МТП являются оптимальными для своих погодно-производственных условий. Это подтверждает и «погружение» сезонных составов МТП в условия пяти сезонов-аналогов. При погружении используются функции электронной таблицы Microsoft Excel, в частности функция ПОИСК ПОЗ. Но сезонный состав парка оптимален только относительно конкретно реализуемой ситуации - - сезона. Необходимо найти такое стратегическое решение (стратегический МТП), которое было бы наилучшим для всех типов сезонов-аналогов и учитывало вероятности их наступления

, (29)

где - комплексные затраты стратегического МТП, тыс. руб.; , , , , - комплексные затраты оптимальных МТП по сезонам-аналогам холодному, умеренно-холодному, среднему, умеренно-теплому, теплому, тыс. руб.; , , , , - вероятности наступления соответствующих сезонов-аналогов.

В данной ситуации используется задача матричной игры, в которой стратегией является каждый сезон-аналог. Результатом матричной игры выступает определение оптимального стратегического МТП (по минимуму комплексных затрат). Для этого парка составляется третья модель (см. рис. 5), которая позволит установить необходимый состав МТП в предприятии и МТС с учетом списания техники с баланса хозяйства, приобретения ее и оказания услуг населению (в отдельные сезоны силами МТС). Технические и трудовые ресурсы МТС, которые являются резервом (компенсатором), определяются как разность между параметрами МТП, соответствующими умеренно-теплому и умеренно-холодному сезонам.

В четвертой главе «Методические основы сезонного резервирования и использования технологических систем» отражены цель, программа, выбор типа эксперимента, особенности методов экспериментальных исследований. Для экспериментальных исследований были определены следующие предприятия: агрофирма «Борская», объединяющая 4 хозяйства с общей площадью пашни 7 тыс. га и МТС; агрофирма «Золотой колос», вновь созданное специализированное предприятие по производству сахарной свеклы (площадь только

под сахарную свеклу 12 тыс. га); агрохолдинг «Птицефабрика Сеймовская» с поголовьем птицы 2583,8 тыс. гол. и объединяющий 19 предприятий с общей площадью под зерновые культуры 32 тыс. га.

В соответствии с задачами исследования, программой эксперимента предусматривалась разработка методик:

1) заблаговременного учета складывающихся погодных условий при сезонном резервировании и использовании технолого-технических средств;

2) сбора информации и выявления зависимостей эксплуатационно-технологических показателей использования машинно-тракторных агрегатов от складывающихся погодных условий;

3) составления оптимальных сезонных расписаний функционирования производственных процессов;

4) имитационного моделирования сезонного резервировании и использовании технолого-технических средств в производственных процессах растениеводства;

5) проектирования стратегического состава машинно-тракторного парка, сезонных резервов технолого-технических средств и проверки функционирования их в производственных процессах растениеводства.

При эксплуатационно-технологической оценке использования машинно-тракторных агрегатов принимались допустимые предельные ошибки измерений: объема работ в гектарах - 1%, продукции в тоннах - 0,5 %, температуры - 2°С, времени - 5с, относительной влажности воздуха - 5%.

а

б

в

г

Рисунок 6 - Графики машиноиспользования тракторов МТЗ-82 и МТЗ-1221: а, в - до упорядочения (корректировки) и б, г - после упорядочения (корректировки)

Предусматривалась точность оценки в пределах 0,05…0,10, относительная ошибка , доверительная вероятность 0,90…0,95.

Обработка полученных экспериментальных данных выполнена на ЭВМ методами математической статистики и теории вероятностей. При определении стратегического состава МТП применен метод имитационного моделирования с «погружением» в условия типовых сезонов. При этом использовались результаты, теоретических, так и экспериментальных исследований реальных процессов, наблюдаемых автором и исполнителями при выполнении полевых механизированных работ. За основу принят имеющийся в агрофирме состав МТП.

В процессе упорядочения работ снижается потребность в тракторах, увеличивается их годовая загрузка. По выходным данным модели строились по маркам тракторов графики машиноиспользования (рис. 6).

Обработка результатов экспериментальных исследований проводилась с помощью программы Microsoft Excel и Statistica.

В пятой главе «Результаты экспериментальных исследований, производственной проверки и экономическая эффективность сезонного использования технологических систем» приведены результаты экспериментальных исследований, имитационного моделирования и производственной проверки теоретических основ сезонного использования резервных технологических комплексов.

Теоретические положения по решению задач исследования поставленной проблемы были апробированы в хозяйствах, районах, областях и республиках в пределах (и за пределами) Приволжского федерального округа. Проведены расчеты оптимального состава МТП шести типичных хозяйств Нижегородской области, обоснованы нормативы и перспективные уровни технической оснащенности области по семи агроклиматическим районам.

Для практического использования подготовлены материалы, опубликованные в «Основах систем земледелия Нижегородской области». Сезонные методы формирования и использования технологических систем рекомендованы к внедрению НТС Госагропрома России. Рекомендации по обоснованию и расчету календарных темпов работы и состава резервных технологических комплексов применяют хозяйства Приволжского и Южного федеральных округов. Проектирование производственных процессов в растениеводстве и экспериментальный контроль за их ходом осуществлялись в 2003 - 2008 гг. в агрофирмах и агрохолдингах Нижегородской области посредством создания и работы резервных технологических комплексов, в том числе и из студентов инженерного факультета НГСХА.

С заблаговременностью 30…40 дней условия использования технологических систем учитывались коэффициентами подобия теплообеспеченности, среднедекадных температур, коэффициентами распределения сроков и коэффициентами погодности, дифференцированными по сезонам-аналогам. Доказано, что разработанные ВИМом по среднемноголетним данным декадные коэффициенты погодности должны уточняться коэффициентами подобия среднедекадных температур сезонов-аналогов. Дифференцированные по сезонам-аналогам коэффициенты подобия теплообеспеченности для Сергачского района пригодны для анализа начала работ по всей области.

Исследовано изменение коэффициента погодности на основных полевых работах в зависимости от нарастания теплообеспеченности. К примеру, на посеве яровых эта зависимость определяется выражением .

Определена теплообеспеченность начала выполнения основных работ, зависимость срока начала работ от теплообеспеченности по сезонам-аналогам. Смещение сроков начала посева зерновых культур в годы наблюдений достигало 13 дней, по срокам уборки - до 20 дней. Продолжительность работ на посеве изменялась от 10 до 18 дней, уборки - от 27 до 52 дней. Средняя относительная ошибка традиционных планов по срокам работ составляет 21,8 %. Предложенные разработки позволили снизить среднюю относительную ошибку заблаговременного определения дат начала и продолжительности сроков посева и уборки сельскохозяйственных культур до 5 %.

Колебания рабочих темпов выполнения полевых механизированных работ в различные годы находились в пределах допустимых технологических резервов (табл. 1).

Таблица 1 - Допустимые технологические резервы

Наименование сельскохозяйственных работ	Допустимые технологические резервы, % / сут
	Их	Иух	Иут	Ит
Весеннее боронование	-13,79	-2,27	+17,23	+20,63
Внесение минеральных удобрений	-26,30	-15,73	+5,00	+11,00
Посев:
яровые зерновые	-2,14	-0,67	+1,78	+9,88
озимые зерновые	-17,13	-13,20	+6,93	+23,67
Уборка:
многолетние травы	-5,02	-0,72	+7,47	+11,48
озимые зерновые	-2,40	-1,36	+2,46	+5,41
кукуруза на силос	-0,70	-0,80	+3,77	+34,03
Лущение	-4,17	-2,16	+6,35	+8,51

Примечание. Знак «-» перед числом допустимого технологического резерва в холодный и умеренно-холодный сезоны говорит о возможности высвобождения техники и (или) механизаторов воссоздающих эту величину резерва (%/сут). Знак «+» говорит о вероятной необходимости привлечения техники и (или) трудовых ресурсов, компенсирующих разницу в темпах.

Для корректировки технологий установлены уровни поправок по сезонам-аналогам. Доля объемов раздельной уборки зерновых составляет , а доля сена в общем объеме уборки трав - в зависимости от типа сезона.

По данным хронометражных наблюдений и анализа ретроспективного материала, величина коэффициента использования сменного времени увеличивается от холодного к теплому сезону (например, на посеве зерновых культур от 0,51 до 0,81, на посеве сахарной свеклы от 0,56 до 0,78 соответственно).

В балансе времени смены в ГОСТ 24055-88 на испытания машин и при нормировании отсутствуют составляющие времени на устранение неисправностей по организационным причинам и влиянию метеоусловий. Эти составляющие учитываются коэффициентом использования производительности МТА. В зависимости от складывающихся условий сезонов изменяются значения коэффициентов готовности и использования нормативной производительности агрегатов .

Проведено испытание экономико-математической модели и доказана ее адекватность реальному производству. Чувствительность модели к исходным данным исследовалась по коэффициенту подобия теплообеспеченности в диапазоне изменения по сезонам от 0,5 до 1,5 и коэффициенту погодности в диапазоне от 0,5 до 1,0. Наибольшая чувствительность модели к 100% изменению параметров и получена по количеству техники 100 и 84 %, потерям урожая - 100 и 87 %; затратам на трудовые ресурсы - 32 и 40 % при незначительных отклонениях по комплексным затратам - 3,5 и 5,0 %. Незначительная чувствительность модели получена по откликам эксплуатационных затрат 6 и 2 %, реновации и эффективности капвложений - 1 и 2 %.

Минимум целевой функции характеризует оптимальные величины продолжительности каждой работы в различных погодных условиях (рис. 7).

В табл. 2 представлены результаты оптимизации трудовых и технических ресурсов в агрофирме «Борская».

Значительная величина комплексных затрат характерна начальным (кратчайшим) срокам, когда необходимо значительное количество агрегатов для выполнения заданного объема работ, и поздним (сверхдирективным) срокам, когда потери урожая достигают наивысшего значения по причине недостаточного количества МТА.



Рисунок 7 - Зависимость величины комплексных затрат от продолжительности сроков проведения работ (на интервале от 1 до 20 дней) в ООО «Агрофирма «Золотой колос»: а - на посеве озимых зерновых; б - на уборке озимых зерновых

Таблица 2 - Дифференцированные по типовым погодным условиям оптимальные параметры ресурсов в агрофирме «Борская»

Сезон-аналог	N(Ксм=1), у.э.тр.	M(Ксм=1), чел.	N(Ксм=1,43), у.э.тр.	M(Ксм=1,43) , чел.	N(Ксм=2), у.э.тр.	M(Ксм=2), чел.
Холодный	49,1	38	34,3	27	59,9	46
Умеренно-холодный	39,7	28	27,0	20	47,3	34
Средний	42,2	32	29,4	23	51,5	40
Умеренно-теплый	46,1	26	32,2	19	56,3	33
Теплый	47,7	35	33,4	25	58,4	43

На величину коэффициента готовности комбайнов оказывают влияние и такие факторы, как срок эксплуатации техники и квалификация механизаторов. Использование комбайнов и тракторов с большим сроком эксплуатации приводит к снижению значения коэффициента готовности. Например, в хозяйстве «Наруксовское» Починковского района, вошедшего в 2007 г. в агрохолдинг «Птицефабрика Сеймовская» со сроком эксплуатации свыше 10 лет 16 тракторов из 25 и 5 зерноуборочных комбайнов из 5; такая же ситуация и с другими машинами. При использовании тракторов и комбайнов с большим сроком эксплуатации их фактическая производительность по отношению к нормативной в хозяйстве снижена на 30...50 %.

По результатам моделирования с «погружением» пяти оптимальных составов МТП (рассчитанных по условиям типовых сезонов-аналогов) в условия сезонов-аналогов с учетом их вероятностного наступления выявлено, что МТП по умеренно-теплым погодным условиям является лучшим для использования во все типовые сезоны (табл. 3).

Таблица 3 - Комплексные затраты при «погружении» оптимальных для типовых сезонов машинно-тракторных парков в условия каждого сезона

Сезон-аналог	Средняя вероятность наступления сезона-аналога, %	Оптимальный состав МТП для сезона-аналога
		Комплексные затраты, тыс. руб.
		Теплый	Умеренно-теплый	Средний	Умеренно-холодный	Холодный
Теплый	6,9	23 318	23 601	30 702	31 525	34 792
Умеренно-теплый	24,3	24 118	22 151	28 206	29 644	31 505
Средний	34,9	28 700	26 902	24 723	26 703	27 537
Умеренно-холодный	28,1	28 226	26 567	24 864	24 407	26 859
Холодный	6,0	27 552	25 745	24 836	24 570	23 515
Холодный	Затраты взвешенные по вероятности наступления сезона-аналога	1 399	1 416	1 842	1 891	2 087
Умеренно-холодный		6 777	6 224	7 926	8 330	8 853
Средний		9 959	9 335	8 579	9 266	9 555
Умеренно-теплый		6 859	6 456	6 042	5 931	6 527
Теплый		1 901	1 776	1 714	1 695	1 623
Средневзвешенные	26 895	25 208	26 103	27 113	28 645
Совокупные затраты стратегического парка	25 208

Принцип формирования машинно-тракторного парка и сезонного использования резервных технолого-технических средств в целом для агрофирмы будет заключаться в следующем. Стратегический состав МТП агрофирмы определяется по потребности в технике умеренно-теплого сезона. Количество тракторов и сельскохозяйственных машин МТС находится из разницы в потребности агрофирмы в технике умеренно-теплого и умеренно-холодного сезонов - они являются сезонным резервом для агрофирмы в соответствии со складывающимися условиями.

...