Введение
Актуальность проблемы. Нечерноземная зона Российской Федерации является одним из крупнейших производителей и потребителей картофеля и овощей с общей площадью 282,3 млн. га. Под картофелем при этом занято около 1236,4 тыс. га, а под овощами открытого грунта — 117,7 тыс.га. На территории зоны расположены четыре крупнейших экономических района: Северо-Западный с 8 областными центрами, включая Санкт-Петербург, Волго-Вятский с 5 областными центрами, Центральный с 12 областными центрами, включая Москву; Уральский с 3 областными центрами. При этом только в Москве и в Московской области сосредоточено более 16 млн. человек. Из 6422700 человек населения Московской области около 5146500 или более 80 % также проживают в городах [128]. Аналогичное положение имеет место и в других областях.
С учетом физиологических потребностей человека в картофеле (в среднем 0,330 в сутки) ежегодно на каждого человека требуется около 120 кг только картофеля и около 60 кг овощей. Объемы заготовки при этом с учетом возможных потерь должны быть еще больше. При этом из местных хозяйств на городские рынки свежие овощи поступают в основном в период июнь...октябрь, а картофель в сентябре...октябре. В остальной период снабжение населения городов и рабочих поселков картофелем и овощами осуществляется в основном за счет их поставок в торговую сеть из овощных баз.
Соответственно за сравнительно короткий уборочный сезон необходимо выполнить в Нечерноземной зоне огромный объем заготовительных работ. При этом 4...5 дней в декаду являются неблагоприятными для уборочных и заготовительных работ.
Не менее ответственной является и проблема доставки картофеля и овощей в торговую сеть, а также последующая их реализация. Таким образом, ежегодная заготовка картофеля и овощей, а также последующая их реализация через торговую сеть является одной из самых напряженных и дорогостоящих транспортно-технологических операций в масштабе всей Нечерноземной зоны с участием разнообразной техники и людей.
Успешное решение такой важной социальной и производственной проблемы возможно только на основе современных методов математического моделирования и оптимизации сложных производственных процессов, что свидетельствует об актуальности работы.
Цель и задачи исследования. Целью исследования является разработка путей повышения эффективности производственных процессов по заготовке и реализации картофеля и овощей в сложных условиях Нечерноземной зоны.
Для достижения цели исследования предусмотрено решение следующих основных задач:
• общая оценка природно-производственных особенностей заготовки и реализации картофеля и овощей в Нечерноземной зоне;
• оптимизация режимов уборки картофеля и овощей;
• оптимизация взаимосвязанной работы уборочных агрегатов, транспортных средств, пунктов и линий для послеуборочной обработки урожая, транспортных средств и овощехранилищ; .
• оптимизация взаимосвязанной работы пунктов и линий для послеуборочной обработки урожая, транспортных средств и овощехранилищ; '
• оптимизация режима торговли картофелем и овощами самими хозяйствами производителями;
• оптимизация режима поставки картофеля и овощей в торговую сеть;
• оптимизация режима работы предприятий торговли картофелем и овощами.
Предмет и объекты исследования. Предметом исследования явились производственные процессы заготовки и реализации картофеля и овощей в условиях Нечерноземной зоны. Основными объектами исследования послужили уборочные и транспортные агрегаты, пункты и линии для послеуборочной обработки урожая картофеля и овощей, овощехранилища, а также предприятия торговли картофелем и овощами.
Методы исследования. Для решения поставленных задач использованы методы: моделирование сложных производственных процессов; теория вероятностей; исследование операций, включая теорию массового обслуживания, методы прямого эксперимента и наблюдений.
Научная новизна исследований заключается в математическом моделировании, позволяющем оптимизировать параметры
организационных процессов заготовки и реализации картофеля и овощей с учетом специфических почвенно-климатических и других особенностей Нечерноземной зоны.
Практическая ценность работы заключается в разработке рекомендаций для эффективной организации работ по заготовке и реализации картофеля и овощей применительно к особенностям хозяйств, заготовительных и торговых организаций Нечерноземной зо-ны.
Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались на научно-технических советах Министерства сельского
хозяйства РФ, научных конференциях профессорско-преподавательского состава Московского государственного агроин-женерного университета им. В.П. Горячкина, Ульяновской государственной сельскохозяйственной академии, Санкт-Петербургского государственного аграрного университета в 2000.. .2004 г.г.
Публикации. Основные теоретические положения и результаты исследования опубликованы в трех книгах, а также в периодических изданиях.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов и списка литературы из 154 наименований общим объемом 242 машинописные страницы, включая 56 таблиц и 15 рисунков.
Основные положения, выносимые на защиту:
• оптимизированные режимы уборки картофеля и овощей, соответствующие им потребности в уборочных средствах;
• оптимальные параметры взаимосвязанной работы уборочных агрегатов, транспортных средств, а также пунктов и линий для послеуборочной обработки урожая картофеля и овощей; "
• оптимальные режимы работы овощехранилищ, предприятий торговли картофелем и овощами.
Глава 1. Состояние проблемы и задачи исследования
1.1. Общая характеристика проблемы заготовки и реализации картофеля и овощей в Нечерноземной зоне
Картофель и овощи, возделываемые в Российской Федерации, являются наиболее употребляемыми в течение всего гоДа продуктами питания. Так, в соответствии с современными нормами питания среднесуточная потребность человека в картофеле составляет в среднем около 0,330 кг [91, 124], соответствующее годовое потребление при этом составит примерно 120 кг. Объем заготовок картофеля в расчете на одного человека за год с учетом возможных потерь при этом составит около 130 кг.
Такое широкое потребление картофеля в нашей стране объясняется не только повсеместным его распространением и национально-историческими традициями, но также и высоким содержанием в картофеле целого ряда необходимых для организма человека полезных веществ. Например, по содержанию калия картофель занимает одно из первых мест среди других пищевых продуктов [90]. Кроме того, в клубнях картофеля содержится около 25 % сухих веществ, включая 14...22 % крахмала, 1,4...3 % белка, около 1 % клетчатки, 0,2...0,3 % жира, [4, 136].
Кроме того, из одной тонны картофеля как технической культуры можно получить в среднем 112 л спирта, 55 кг жидкой углекислоты, 80 кг глюкозы и ряд других продуктов, которые также широко используются в пищевой промышленности. Картофель и продукты
10
его переработки широко используют также на корм сельскохозяйственным животным.
Не менее важная роль принадлежит овощам в системе питания людей, которые являются основными источниками витаминов и целого ряда других полезных для организма веществ. Суточная потребность человеческого организма в овощах зависит от возраста, пола, рода занятий, состояния здоровья и ряда других факторов. С учетом указанных особенностей общая суточная потребность человека в различных овощах находится в диапазоне 0,250...0,550 кг. Соответственно годовая потребность в овощах на одного человека составляет 146 кг, что несколько превосходит даже среднюю потребность в картофеле (130 кг). Потребность в картофеле и в овощах в расчете на одного человека при этом составит 130 + 146 = 276 кг.
Соответственно, на каждого человека с учетом возможных потерь следует заготовлять примерно 300 кг картофеля и овощей. Задача надежного снабжения населения картофелем и овощами является наиболее актуальной и сложной для крупных городов со сложными климатическими условиями с длительным периодом отрицательных температур. Таким типичным регионом является Нечерноземная зона Российской Федерации с общей площадью 282,3 млн. га.
Как известно, в состав Нечерноземной зоны входят четыре крупных экономических района Российской Федерации, включая: Северо-Западный с 8 областями; Центральный с 12 областями; Волго-Вятский с 5 областями; Уральский с 3 областями. Таким образом, на территории Нечерноземной зоны расположены 28 крупнейших областных центров Российской Федерации, включая Санкт-Петербург и
11
столицу Москву с многомиллионным населением, а также множество других городов районного масштаба и поселков городского типа. Например, только в Москве и Московской области сосредоточено около 16 млн. человек. При этом 80 % населения самой Московской области также живут в городах.
Надежное снабжение такого огромного количества городского населения картофелем и овощами невозможно без высокого уровня организации заготовительных работ и последующей реализации через торговую сеть. Следует при этом учесть, что доступные по цене свежие овощи на городские рынки поступают из местных хозяйств в основном только в период с июня по октябрь, а картофель в основном в сентябре и октябре.
В остальной период (около 7 месяцев) снабжение населения картофелем и овощами осуществляется в основном централизованно через крупные овощехранилища. С учетом ранее приведенных усредненных норм потребления картофеля и овощей несложно посчитать масштабы заготовительных работ. Под заготовительными работами при этом подразумеваются взаимосвязанные процессы уборки картофеля и овощей, послеуборочной их обработки, транспортировки и закладки на хранение. Заготовительные работы при этом осуществляются в сложных погодных условиях осени Нечерноземной зоны. По данным [129] в Нечерноземной зоне 50.. .70 % лет (4.. .5 дней в декаду) неблагоприятны из-за дождей для уборки сельскохозяйственных культур, включая картофель и овощи.
Исходя из указанных специфических особенностей, в качестве объекта для решения проблемы заготовки и реализации картофеля и
12
овощей выбрана Нечерноземная зона Российской Федерации. При этом в качестве основных овощных культур для последующего исследования целесообразно выбрать наиболее распространенные и возделываемые в Нечерноземной зоне.
По данным [124] из всех потребляемых в нашей стране овощей % или 75 % приходится на долю шести видов, включая капусту, морковь, столовую свеклу, лук-репку, томаты (помидоры) и огурцы, которые также возделываются в Нечерноземной зоне в условиях открытого грунта. Указанные виды овощей также отличаются большими объемами заготовки и реализации. •
Исходя из этого, последующие исследования проведены на примере указанных основных овощных культур. С учетом сложных погодных условий и сжатых сроков уборки и заготовки картофеля и овощей в Нечерноземной зоне с участием больших масс техники и людей наиболее эффективное решение соответствующих задач можно получить на основе современных методов моделирования и оптимизации взаимосвязанных производственных процессов от уборки урожая до закладки на хранение. Для полноты решения научной проблемы надежного снабжения населения овощами необходимо обеспечить также эффективную взаимосвязанную работу картофелехранилищ и торговых предприятий. Дополнительная сложность решения соответствующих задач обусловлена вероятностным характером потока заявок на поставку овощей. Вероятностный характер изменения имеют также факторы, влияющие на заготовительные процессы.
Следовательно, наиболее эффективное решение соответствующих задач можно получить современными вероятностными мето-
13
дами, включая методы исследования операций. Для выбора эффективных методов решения необходимо проанализировать результаты имеющихся в рассматриваемой области исследований.
1.2. Общие методы математического моделирования и оптимизации производственных процессов
На первоначальном этапе общие научные принцип^ моделирования сложных производственных процессов были обоснованы в фундаментальных исследованиях [12, 13]. В соответствии с новыми запросами производства методы моделирования и оптимизации в последующем стали интенсивно развиваться и сформировались в самостоятельную науку с целым рядом новых направлений. Такому бурному росту этих направлений способствовали новые крупные достижения в области математики, включая линейное, нелинейное, геометрическое, динамическое и другие виды программирования [9, 22, 35, 60 и др.]. Общей научной основой вероятностных методов моделирования и оптимизации сложных производственных процессов являются численные методы Монте-Карло [126]. Одним из важных направлений вероятностных методов моделирования производственных процессов являются методы исследования операций, основанные на работах [15, 16, 17, 43] и ряде других исследований. На основе методов исследования операций и случайных процессов получила интенсивное развитие теория массового обслуживания [16, 17, 27, 43, 85, 87, 105, 111 и др.].
14
На основе указанных ранее .общих методов моделирования и оптимизации получили развитие методы математического моделирования сельскохозяйственных производственных процессов в работах [76, 83] и ряде других исследований.
Общие принципы моделирования и оптимизации механизированных производственных процессов в сельском хозяйстве обобщены впервые в работе [44]. Достаточно точно в этой работе впервые комплексно были применены методы теории массового обслуживания для моделирования уборочных транспортно-технологических процессов в сельском хозяйстве. Доказано в этой работе, что вероятностные потоки требований на обслуживание при механизированных сельскохозяйственных процессах с достаточной точностью можно рассматривать как пуассоновские. Это является одним из основных условий применимости методов теории массового обслуживания к транспорт-но-технологическим процессам в сельском хозяйстве.
Комплексное совместное применение методов математического моделирования и оптимизации производственных процессов, включая методы теории массового обслуживания, осуществлено в работе [142] к решению задач оптимальной организации уборочных работ в сельском хозяйстве, оптимизации состава машинно-тракторного парка и других задач.
Широкое применение методы исследования операций, включая теорию массового обслуживания к отдельным сельскохозяйственным производственным процессам, нашли в работах [5, 46, 47, 48, 49, 50, 51, 52, 53, 104, 123] и в целом ряде других исследований.
15
Указанными исследованиями в значительной степени сформировались общие принципы практического применения современных методов математического моделирования и оптимизации к сельскохозяйственным производственным процессам. Однако для решения рассматриваемых задач необходимы самостоятельнее исследования. Решению родственных задач, связанных с заготовкой и реализацией картофеля посвящена работа [51]. Однако излагаемые-в ней методы требуют дальнейшего развития и совершенствования. Отсутствуют в настоящее время комплексные исследования по совместному рассмотрению задач заготовки и реализации, как картофеля, так и овощей в специфических почвенно-климатических условиях Нечерноземной зоны.
Исходя из этого, одним из главных направлений данного исследования являются комплексное решение общей проблемы моделирования и оптимизации всех основных производственных процессов по заготовке и реализации картофеля и овощей применительно к сложным природно-производственным условиям Нечерноземной зоны.
1.3. Анализ исследований по заготовке и реализации картофеля и овощей в условиях городов и крупных населенных пунктов
Непосредственно под заготовкой картофеля и овощей подразумевается весь комплекс операций, связанных с уборкой, послеуборочной обработкой, перевозкой и закладной на хранение. Однако все указанные производственные процессы тесно связанны с природно-
16
климатическими особенностями Нечерноземной зоны, а также с применяемыми технологиями производства картофеля и овощей.
Общая характеристика сложных почвенно-климатических особенностей Нечерноземной зоны Российской Федерации приводится как в общей [121], так и в зональных системах машин [120], а также в специальной литературе типа [119, 133, 131]. Во всех приведенных изданиях отмечается сложный характер почвенно-климатических условий Нечерноземной зоны, включая сложную конфигурацию полей, небольшие размеры полей, неустойчивые погодные условия особенно в период уборки урожая, когда в пределах одной декады дожди идут в течение 4...5 дней. Более полные данные по всем основным почвен-но-климатическим показателям Нечерноземной зоны приведены в последующей главе.
Одним из важнейших условий эффективности заготовительных работ является использование современных научно обоснованных технологий возделывания картофеля и овощей [135]. Наиболее эффективным путем получения высоких урожаев картофеля и овощей является применение современных методов программирования урожаев с учетом местных природно-климатических условий [62, 63].
Практические рекомендации по применению прогрессивных технологий возделывания картофеля и овощей с учетом местных условий изложены в работах [4, 59, 89, 99, 106, 117, 129, 132, 135, 136, 137] и в ряде других работ. Применение указанных рекомендаций специалистами хозяйств позволяет получить высокие урожаи картофеля и овощей. Другим важнейшим условием эффективности заготовительных работ является высокий уровень организации уборочно-
17
транспортных работ в условиях сложных погодных условий осени в Нечерноземной зоне. Из ранее отмеченных литературных источников вопросы организации уборки картофеля и овощей с разной глубиной освещены в работах [59, 89, 99, 132].
В качестве наиболее эффективной формы организации уборочных работ при этом предлагается групповое совместное использование уборочных и транспортных агрегатов в виде уборочно-транспортных звеньев (УТЗ) и комплексов (УТК). В состав уборочно-транспортных комплексов в отличие от УТЗ включают также вспомогательные звенья по техническому обслуживанию и другие вспомогательные звенья. Групповое использование уборочных и транспортных средств имеет как определенные преимущества, так и недостатки.
К основным преимуществам относятся: возможность обработки каждого поля в оптимальные сроки за 1...3 дня и возможность своевременного проведения последующих работ; более эффективно используются транспортные средства при меньшей их потребности; повышается уровень технического и других видов обслуживания; более оперативно распространяются новые передовые формы организации труда.
Наиболее существенными недостатками группового использования уборочных агрегатов являются: увеличение числа переездов с одного загона на другой и с одного поля на другое в пределах рабочего дня; отрицательное влияние идущего впереди уборочного агрегата на показатели работы других агергатов, если все агрегаты УТЗ работают на одном загоне. |
