Развитие технологий измерения и учета круглых лесоматериалов
Часть 1
Оптимизация учета круглых лесоматериалов с использованием последних достижений цифровых технологий приобретает все большее значение в организациях и на предприятиях лесного комплекса Российской Федерации.
Для реализации этой важной государственной задачи c 1 января 2016 года была запущена Единая государственная автоматизированная информационная система учета древесины и сделок с ней. Система ЛесЕГАИС предназначена для сбора информации о лицах, осуществляющих заготовку древесины, договорах аренды, постоянного (бессрочного) и безвозмездного пользования, купли-продажи лесных участков и лесных насаждений, о лесных декларациях, отчетах об использовании лесов, о сделках с древесиной, а также о лицах, совершающих эти сделки, включая участников ВЭД, о лесоохранной деятельности, деятельности по защите и воспроизводству леса. Система также обеспечивает маркировку ценных пород леса, вывозимых из России. Одной из основных целей системы является установление полного государственного контроля всего цикла использования древесины, от заготовки до реализации конечному потребителю, таким образом, чтобы исключить нецелевое использование лесоматериалов и минимизировать возможности нелегального оборота древесного сырья. Для этого в системе зарегистрированы все участники оборота древесины и изделий из нее, а оборот лесопродукции без регистрации в системе стал почти невозможным.
В то же время, как и любая новаторская деятельность, модернизация ЛесЕГАИС не обходится без нареканий. В рамках работы и совершенствования этой системы накоплен большой пакет первоочередных задач, без решения которых дальнейшее ее развитие трудно реализовать. Так, до недавнего времени оставались открытыми вопросы нормативов и правил, касающихся особенностей и методик учета лесопродукции, погрешностей измерений, совершенствования документооборота и других значимых элементов работы этой информационной системы.
Для ликвидации этого пробела 30 ноября 2021 года постановлением правительства Российской Федерации №2128 были утверждены Правила определения характеристик древесины и учета древесины. Как результат в нормативной базе закрепилось понятие опорного метода определения объема, нормированы погрешности, предложено единообразно учитывать объем всех круглых лесоматериалов без коры.
Государственная информационная система, именуемая в настоящее время ЛесЕГАИС, призвана и может служить основной информационной системой учета лесоматериалов не только по обороту лесопродукции, но, по существу, пока используется лишь в этом качестве. Существуют и другие государственные и частные системы учета, такие как налоговая, таможенная, транспортные учетные, учетные системы предприятий и организаций.
Для обеспечения единства учета и измерений базовые нормативы и требования, предъявляемые к Лес¬ЕГАИС, должны распространяться и на смежные учетные системы. Но здесь возможны препятствия. Так, если опорным методом измерений в ЛесЕГАИС будет принят метод концевых сечений без учета коры для всех круглых лесоматериалов, где бы ни производился их учет, для некоторых других учетных систем могут потребоваться иные опорные или вспомогательные методы и единицы измерений (например, 1 м3, измеренный секционным методом с учетом коры), не входящие в основную группу.
При выстраивании новых учетных систем и требований и унификации требований ко всем учетным системам растет потребность в ресурсах, как временных, так и материальных, необходимых для перемен. Для реализации поставленных задач предлагаются новые инструменты.
В отрасли стала острой проблема повышения точности определения объемов как одним методом измерений, так и разными, а также при сопоставлении учетных данных измерений, полученных разными методами. Составной частью ее решения является снижение погрешностей между более точными, но и более затратными, чаще всего штучными методами измерений, и их экономичными аналогами в групповом измерительном исполнении. Важно повысить точность простых и экономичных методов, усовершенствованных на базе цифровой обработки, и приблизить ее к точности ресурсоемких штучных методов. Пользуясь результатами проведенных и отраженных исследований, можно оценить целесообразность и возможные направления оптимизации учетного процесса, допускаемые при этом погрешности, оказывающие влияние на принятие соответствующего управленческого решения.
Очевидно, что в пределах допустимой точности измерений можно в разы сократить затраты на учет лесоматериалов наряду с повышением его эффективности вследствие усиления контроля за целевым использованием древесины на всех участках производственного цикла работ с круглыми лесоматериалами.
Переход к высокоточным лесозаготовке и лесному хозяйству
Новейшие технологии все глубже проникают в лесную сферу. Искусственный интеллект, машинное обучение, нейронные сети, блокчейн, дистанционное зондирование, геоинформационные технологии, цифровое моделирование применяются в таких решениях, как цифровые двойники, системы поддержки принятия решений, виртуальная и дополненная реальность, экзоскелеты, носимые гаджеты, беспилотные летательные аппараты, наземные машины и механизмы.
Применительно к лесному хозяйству и лесной промышленности термин «высокоточное»/«прецизион¬ное» (precision forestry) появился в зарубежной научной литературе в начале текущего века. Он пришел в лесную сферу из сельского хозяйства и других, часто более высокотехнологичных, отраслей, и описывает высокую точность, машинный интеллект и весь спектр цифровых технологий, привносящий новую реальность и возможности развития в эту патриархальную отрасль. Термин «высокоточный» означает применение новейших, главным образом информационных, технологий для повышения точности как отдельных технологических операций, так и системы хозяйствования в целом с целью повышения эффективности всех составляющих ведения лесного хозяйства, включая заготовку и рациональное использование лесных ресурсов на принципах устойчивого развития и ESG. Внедрить эти принципы было предложено всем приветствующим их предприятиям для борьбы с изменением климата.
Понятие и контекст высокоточного лесного хозяйства и лесной промышленности охватывают несколько направлений развития из разряда управления большими данными. Конечно, учет лесоматериалов не остается в стороне от передовых тенденций развития лесного комплекса.
Методы измерения круглых лесоматериалов
Измерения подразделяются на прямые, получаемые непосредственно во время измерения, косвенные, при которых искомая величина определяется в результате вычислений с использованием прямых измерений, и совокупные, представляющие собой сочетание предыдущих двух видов измерений. В эпоху цифровых измерений и учета в связи с автоматизацией измерительного процесса в лесной таксации чаще всего имеют дело с косвенными и совокупными измерениями.
Круглые лесоматериалы или разделенные на бревна стволы деревьев с отсеченными сучьями, как геометрические тела можно представить цилиндром или усеченным конусом, но в действительности они являются природными образованиями сложной формы и для точного измерения требуют особого подхода.
Подходы к определению длины разных сортиментов различаются. Для пиловочника и фанерного сырья определяется установленная спецификацией номинальная длина, по которой вычисляется объем и ведется учет принимаемых сортиментов, и фактическая длина, обычно на несколько сантиметров превышающая номинальную, так как включает обязательный припуск на обработку, гарантирующий установленную длину конечного изделия. Допустимые отклонения от номинальных размеров лесоматериалов определяют и в других случаях. Отклонение в сторону увеличения номинального размера называют припуском. Если отклонения размеров допускаются в сторону как увеличения, так и уменьшения, то они называются предельными отклонениями, а сумма их абсолютных значений – допуском. Для балансов и дров припуск обычно не устанавливается, вместо этого нормируется допустимый диапазон длин. Такая особенность имеет значение применительно ко многим методам измерений, так как непосредственно влияет на их результаты. В описании методов измерения обязательно должно быть указано, с учетом или без учета коры (рис. 1) приводится то или иное измерение.
А также – проводится измерение диаметра (как с учетом коры, так и без него) в одном направлении – перпендикулярно продольной оси бревна или во взаимно перпендикулярных направлениях с усреднением полученного результата. Кроме того, важно, по какой длине – номинальной или фактической – ведется учет.
В современной нормативной базе представлено несколько «параллельных» методов измерения объема лесоматериалов, имеющих одинаковую силу. Общей единицей измерения для всех методов является метр кубический (м3), однако выбор метода измерений отдается на усмотрение хозяйствующих сторон. Применение любого метода будет считаться допустимым (если иное не оговорено специально, например, в договоре сторон), как и определенный с его помощью объем, несмотря на то что между методами есть очевидные различия, что выражается в соответствующих расхождениях размерных показателей.
Методы измерения различаются по типу (групповые и поштучные), измеряемым величинам (весовые, объемные и штучные), скорости измерений, по затратам на осуществление измерений, по точности, по возможностям или степени автоматизации, по цели и назначению (к оплате, контрольные, промежуточные), распространению и по географии.
Самый точным считается ксилометрический метод, с помощью которого объем тела может быть определен по объему вытесненной им жидкости при погружении в нее (рис. 2). Однако и у этого метода есть неопределенность, которая связана с объемом коры: для измерения объема сортимента без учета коры не всегда целесообразно и можно отделять кору от сортимента, а приходится руководствоваться поправками, учитывающими объем коры. В промышленной практике такой метод не используется, в том числе и по потенциальному соотношению «цена – скорость измерений», а в основном служит инструментом для исследователей.
Следующим по точности методом можно считать секционный. Бревно условно разделяется на поперечные секции («блинчики») установленной толщины, и его объем вычисляется как сумма объемов этих секций (рис. 3).
В различных моделях измерений секции рассматриваться как цилиндры или усеченные конусы.
Секционный метод применяется повсеместно как в головках лесозаготовительных машин, так и на измерительно-сортировочных линиях деревообрабатывающих производств. Скорость работы устройств, использующих этот метод измерений, сравнительно невысокая, а стоимость измерений, наоборот, высокая.
Также стоит отметить появление на рынке в составе сортировочных линий рентгеновских датчиков, позволяющих измерять древесину под корой, что еще больше повышает точность измерений и, при высокой стоимости, предоставляет больше возможностей как для оптимального моделирования раскроя бревна, так и для сверки метода со смежными в плане повышения точности, в том числе при определении соотношения древесины и коры.
Любопытно, что в практике предприятий лесного комплекса РФ многие устройства измерений, способные выдавать объем по секциям, настроены на выдачу результата по более простому и традиционному методу таблиц «Лесоматериалы круглые. Таблицы объемов» ГОСТ 2708–75. Однако ГОСТ 2708–75 не предусматривает учет погрешностей определения объема бревен, обусловленных отклонениями сбега отдельных бревен в партии, а также влияние породы и условий произрастания.
Несмотря на явные недостатки и архаичную структуру, этот метод остается наиболее распространенным поштучным методом на предприятиях лесного комплекса России, и, даже если не применяется напрямую, на него ориентированы другие используемые методы, такие как штабельный, посредством установленных коэффициентов полнодревесности. Таблицы ГОСТ 2708–75 широко применяются, хорошо знакомы всему лесному сообществу, просты и во многих случаях предлагают достаточную точность определения объема, но в них не учитывается форма и сбег ствола, вследствие чего часто возникают серьезные систематические ошибки в определении объемов лесоматериалов.
Одного из самых существенных недостатков метода ГОСТ 2708–75 – отсутствия учета сбега, лишен метод концевых сечений. Измеряется не только вершинный (верхний), но и комлевой (нижний) диаметр бревна, а его объем вычисляется по формуле Смалиана. Один из его недостатков наиболее очевидно проявляется при измерении комлевых бревен, так как у комля часто бывает сильная конусность (закомелистость), утолщение, влияние которого предлагается нивелировать при измерении нижнего диаметра и определения площади нижнего поперечного сечения бревна. Метод пригоден для ручных и автоматизированных измеренияй и предлагает разумный компромисс точности измерений и соотношения скорости и стоимости.
Как своеобразную комбинацию последних двух методов измерения можно представить метод верхнего диаметра и среднего сбега. Он предаолагает измерение верхнего диаметра бревна и вычисление объема бревна по верхнему диаметру и среднему сбегу, который определяется на основе предварительных выборочных измерений однородных совокупностей сортиментов. Одним из вариантов применения может быть составление таблиц объема бревен по образцу привычного «кубатурника».
Оба метода, базирующиеся на верхнем диаметре бревна, пригодны для автоматизации, в том числе фотографическим способом, особенно при укладке штабеля в однокомелицу (верхними торцами в одну сторону), и в сравнении с методом концевых сечений менее трудоемки при ручных измерениях.
Штабельный метод (рис. 4) относится к групповым, используется для измерения штабелей как на земле, так и на транспортных средствах и представляет собой измерение геометрического объема штабеля, называемого складочным, с последующим его переводом в плотную меру (без пустот и учета коры для деловых сортиментов) умножением на коэффициент полнодревесности (КПД). Складочный объем определяется как произведение длины штабеля, его средней высоты (из высот секций) и номинальной длины сортимента. Коэффициент берется из справочных материалов или определяется по выборке предварительно как отношение плотного объема к складочному.
Альтернативными считаются метод диагоналей и площади сечений. Последний особенно интересен, поскольку применительно к обеим вертикальным торцевым поверхностям штабеля может быть представлен как вариация метода концевых сечений при групповом определении объема. Тогда групповой штабельный метод превращается в поштучный, хотя и с особенностями. В отличие от случая, когда штабель уложен в однокомелицу и по вершинной стороне можно определить его объем, при укладке в разнокомелицу часть торцов одной вертикальной поверхности будет с эффектом закомелистости. При поштучном измерении с физическим отделением бревен друг от друга эффект закомелистости можно компенсировать (рис. 5), и диаметр в нижнем отрубе вычислить по формуле:
D = DL-1 – (DL-1 – DL-2).
Если бревно в штабеле, учесть такую компенсацию затруднительно. Аналогичной погрешностью страдает и метод площади торцов (для определения КПД). Наиболее точным результатом для определения КПД штабеля следует считать отношение плотного объема штабеля, определенного одним из опорных методов поштучных измерений, и его складочного объема, определенного штабельным методом. Повышения точности определения КПД методом площади торцов (в дополнение к повышению точности объема) можно добиться способами на основе выборочных поштучных контрольных измерений.
В счетных методах единицей измерения лесоматериалов являются отдельные бревна, а также пучки, возы («забойки»), штабели, транспортные партии. Эти методы применяются, когда учет лесоматериалов ведется в штуках, например, при учете столбов. Подсчет в штуках удобен как с целью контроля (убедиться, что из точки А в точку Б прибыло известное количество), так и перемещения лесоматериалов внутри предприятия, когда повышенная точность избыточна. Но в сочетании с более точными выборочными контрольными измерениями, учет в штуках возможен с достаточной для многих задач точностью. Помимо подсчета количества (в штуках) необходимо контролировать объем одной штуки или совокупности.
Фотографический, или, как его еще называют, фотометрический, метод измерений лесоматериалов, основанный на цифровой фотограмметрии, предусматривает измерение изображения штабеля, 2D-модели. Для этого нужно знать масштаб модели, который определяется с помощью эталона или измерения расстояния дополнительными датчиками. В отличие от 3D-моделирования, плоскостное менее требовательно к вычислительному устройству и скорости связи, поэтому часто используется в полевых условиях. Фотографический метод, кроме плоскостного моделирования, может применяться для подсчета штук, а также для определения многих вспомогательных и производных величин.
При измерении лесоматериалов используются и весовые методы. Чаще всего определяют массу балансовой и топливной древесины, причем учитывается как фактическая масса при влажности в момент измерения, так и масса партии в абсолютно сухом состоянии. Связано это с тем, что единицы измерения продукции передела круглых лесоматериалов другие. Для производства целлюлозы и плит важным показателем является масса конечной продукции в абсолютно сухом состоянии, определяющий теплотворную способность топлива. Ввиду этих особенностей в деревообработке чаще используют объемные величины, а в деревопереработке – весовые.
Вариантов классификации методов измерения объема лесоматериалов по способу взаимодействия с объектом в процессе измерения несколько, как пример один из них (рис. 6).
Рассматривая все три основные варианта контактных измерений – счетные, объемные и весовые – следует заметить, что все они имеют право на существование как по отдельности, так и в комбинации.
Важнейшим является эталонный, или опорный, метод измерений лесоматериалов. Традиционно опорным методом определения объема сортимента считается измерение среднего диаметра в верхнем сечении (торце, отрубе) без учета коры, округление его до соответствующей ступени толщины и нахождение объема бревна в сортиментных таблицах ГОСТ 2708–75 по его номинальной длине. Групповые методы измерений, такие как штабельный, подстроены под опорный метод измерений с помощью коэффициентов полнодревесности, применяемых к геометрическому (так называемому складочному) объему группы сортиментов (штабеля) для получения плотного объема, то есть эквивалента суммы объемов всех составляющих штабель сортиментов, определенных опорным методом.
В источниках статистического, производственного и научного характера оперируют различными размерными величинами, но даже если принимать в расчет только объемные, то нет единой методики определения объема круглых лесоматериалов, которая бы служила отправной точкой, например, для расчета общего объема заготовки или переработки в РФ или однозначной величины для использования при спорах хозяйствующих субъектов. Однако единый опорный метод для использования по умолчанию необходим. Таким, по всей видимости, может стать метод концевых сечений. Причин этого выбора несколько. Во-первых, этот метод пригоден как для автоматизированных, так и для ручных измерений, учитывает сбег ствола/бревна, хорошо зарекомендовал себя и широко используется в международной практике. В некоторых случаях опорным может служить секционный метод, например, когда приоритет отдается показаниям измерительно-сортировочной линии. Весовой атрометод подойдет как опорный для измерения количества балансов и топливной древесины. Для последней в качестве опорного может использоваться и показатель количества энергии, например мегаватт-час. Назначение той или иной величины опорной не отменяет использования другой единицы измерения. При современном развитии цифровых технологий перевод из одних единиц измерения в другие, как и параллельное ведение учета в нескольких единицах не представляет сложности, хотя и требует многочисленных конвертаций, обуславливая необходимость обращения к теме о допустимых в каждом случае погрешностях.
Сегодня в лесном секторе отсутствует стройная понятийная и нормативная база измерения круглых лесоматериалов, нормативное регулирование их учета: какой метод и когда применять, какие погрешности измерений допустимы, что делать с расхождениями и т. п. Наряду с традиционными ручными методами измерений все чаще появляются элементы новых технологий, связанные как с развитием аппаратного обеспечения, в том числе техники для лесозаготовки и деревообработки, так и дистанционного зондирования (сканирования), искусственного интеллекта и программного обеспечения. Наиболее технологичные и автоматизированные методы часто более затратные, как минимум по расходам на приобретение оборудования и лицензионного программного обеспечения, и требуют трудоемких и технологичных инструментов контроля (для калибровки измерительных устройств и т. п.). Из высокотехнологичных 2D-метод (фотографический) определения объема лесоматериалов, созданный на основе распознавания и определения площади торцов сортиментов искусственным интеллектом на базе нейросетей, представляется разумным компромиссом. Он делает возможным поштучный учет круглых лесоматериалов в штабеле (без его раскатки), вместо традиционно используемого группового.
Текст:
Николай Беляев, инженер Ольга Куницкая д-р техн. наук, проф. АГАТУ
Ольга Григорьева, канд. с.-х. наук, доц. СПбГЛТУ
(Продолжение следует.)
