Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса. Цели и задачи исследования 12
1.1 АПК России как гарант продовольственной безопасности страны 12
1.2 Состояние АПК Зауралья в современных условиях 21
1.3 Необходимость формирования системы средств технической оснащенности АПК с учетом вероятностных условий ее функционирования. Оценка в научных исследованиях адаптивных свойств технических средств к условиям их работы и оптимизация системных параметров 29
1.4 Цели и задачи исследования 33
2 Теоретические исследования системы формирования технической оснащенности АПК и оценки ее адаптивной способности с учетом вероятностной природы условий функционирования МТП 36
2.1 Учет адаптивных свойств системы как механизм воздействия на системные характеристики с целью повышения качества ее функционирования 36
2.2 Техническая оснащенность земледелия АПК как многоуровневая многопараметрическая модель 39
2.3 Учет и оценка вероятностной природы функционирования технических средств земледелия как основного условия формирования системных требований 46
2.4 Критерии и методы, применяемые для оценки адаптивной способности системы технической оснащенности АПК к вероятностным условиям функционирования. Методы оптимизации системных параметров 53
3 Методология формализации критериев оценки адаптивной способности технической оснащенности земледелия к вероятностным условиям функционирования 75
3.1 Системное ранжирование адаптивных критериев комплекса технической оснащенности, вероятностная оценка их взаимовлияния и формирование вероятностного поля принятия решений 75
3.2 Формализация критериев оценки адаптивных свойств системы технической оснащенности АПК 86
3.3 Формализация взаимовлияния системных критериев и оптимизации параметров адаптивного поля 118
3.4 Обоснование количественной оценки адаптивных способностей и критерия оптимизации состава системы технических средств АПК 13 О
3.5 Формирование системы допусков на технологические и энергетические процессы работы МТА в земледелии как вероятностной многопараметрической модели 145
3.6 Формирование интервалов доверительных значений и обоснование методики расчета параметров технической оснащенности. Оптимизация параметров эффективности работы системы технической оснащенности
4 Программный комплекс оптимизации системы технической оснащенности 158
4.1 Программное обеспечение исследования взаимовлияния системных критериев и формирования вероятностного поля принятия решений 158
4.2 Программное обеспечение оптимизации параметров системы технической оснащенности 165
4.3 Программное обеспечение сбора и обработки опытной информации 167
5 Экспериментальные исследования адаптивной способности технической оснащенности АПК и адекватности оценочных характеристик 174
5.1 Исследование влияния «экологического» фактора 174
5.2 Исследование влияния фактора «природно-климатические условия» 176
5.3 Исследование влияния фактора «конструктивные характеристики» 191
5.4 Исследование влияния «технологического» фактора 196
5.5 Исследование влияния «стоимостного» фактора 249
5.6 Исследование влияния «ресурсного (трудового)» фактора 250
5.7 Исследование влияния «организационного» фактора 257
5.8 Исследование влияния фактора «эксплуатационная надежность» 279
5.9 Исследование влияния фактора «оперативности» 297
5.10 Оценка адаптивной способности системы по «энергетическому» критерию 301
6 Формирование оптимальных параметров функционирования системы технической оснащенности АПК в условиях Северо-Восточного региона РФ 304
6.1 Формирование оптимальных параметров технической оснащенности АПК 3 04
6.2 Формирование оптимальных параметров оснащенности МТП АПК трудовыми ресурсами 342
6.3 Формирование оптимальных параметров организации эксплуатации МТП 347
6.4 Формирование оптимальных параметров эксплуатационной надежности МТП АПК 350
6.5 Формирование оптимального состава МТП 353
6.6 Энергетическая оценка оптимальных критериев системы технической оснащенности АПК 360
7 Внедрение результатов научных исследований 363
8 Оценка предлагаемых решений. Выводы по работе 365
9 Литература 372
Приложения 401
- АПК России как гарант продовольственной безопасности страны
- Учет адаптивных свойств системы как механизм воздействия на системные характеристики с целью повышения качества ее функционирования
- Системное ранжирование адаптивных критериев комплекса технической оснащенности, вероятностная оценка их взаимовлияния и формирование вероятностного поля принятия решений
- Программное обеспечение исследования взаимовлияния системных критериев и формирования вероятностного поля принятия решений
АПК России как гарант продовольственной безопасности страны
За период 1990 - 2004 гг. положение сельскохозяйственной отрасли Российской Федерации характеризовалось несколькими негативными факторами. Во-первых, за отмеченный период резко сократились (и продолжают уменьшаться) все формы дотаций, как государством, так и прочими организациями агропромышленному комплексу (рис. 1.1).
В результате в 2002 г. расходы на сельское хозяйство составляли всего 2,7 % бюджета Российской Федерации, Как следствие, к 2004 г. 55 % основных средств сельскохозяйственных предприятий составляют их собственные средства, и только 25 % приходилось на долю государственного бюджета /262/.
Помимо сокращения бюджетных поступлений в агропромышленный комплекс отмечалось также снижение и объемов инвестиций на село из других источников. Так, например, за период с 1990 г. по 2002 г. доля сельскохозяйственной отрасли в общем объеме инвестиций сократилась с 15,9 % до 2,7 %. Доля инвестиций из негосударственных источников составляет всего 20 % общего ф объема инвестиций в АПК, из которых непосредственно в сельское хозяйство попадает только 45 % /262/.
Показателем устойчивости развития сельскохозяйственной отрасли мо жет служить и такой факт, как уровень иностранных инвестиций. За период 1990 - 1999 гг. около 99 % иностранных инвестиций в агропромышленный комплекс России приходилось на предприятия пищевой и перерабатывающей промышленности, и только 1 % - направлялся непосредственно сельскохозяй ственным производителям /98/.
Как следствие этого наблюдается тенденция старения основных фондов ф предприятий агропромышленного комплекса и их постоянного выбывания из производственного процесса. Только за 2001 г. стоимость основных фондов сельскохозяйственной отрасли страны сократилась с 513,8 млрд. руб. до 503,1 млрд. руб., т. е. на 2,1 % /98/. В целом стоимость основных фондов АПК сокра тилась к уровню начала 1990-х гг. более чем вдвое /262/.
Кроме отмеченного скачкообразного сокращения капитальных вложений в предприятия, занимающиеся производством сельскохозяйственной продукции, наблюдалось и существенное, в среднем в 2 - 2,5 раза меньшее, изменение уровня цен на сельскохозяйственную продукцию и продукцию предприятий машиностроения, топливно-энергетического комплекса для нужд АПК. Во вто-0 рой половине 90-х гг. рост цен на продовольственные товары отставал от цен на товары машиностроения: в 2,4 - 4,0 раза, электроэнергию - в 20-25 раз, нефтепродукты-в 17-21 раз, комбикорма-в 14-21 раз и т. д. К примеру, 39,6 % всех расходов предприятий АПК РФ в 2004 г. составляют только затраты на то-пливосмазочные материалы.
Как результат, по оценкам Госкомстата /122/, в современной России доля «теневого» производства в сельскохозяйственном секторе в 4,4 раза выше, чем в промышленности и в 2,1 раза - среднего уровня по всем отраслям производства (соответственно 48 % против 11% и 23 %).
При этом темпы снижения поставок техники составляли 8-60 % в год (рис. 1.2). В среднем за годы реформ число списываемых машин превышало число вновь приобретаемых по тракторам в 6 раз, по сельскохозяйственным машинам - в 28-29 раз. В целом же поставки техники на село были в 10 - 50 раз ниже её потребности. Оснащенность 1000 га пашни, например, тракторами снизилась с 10 - 12 ед. в 1989 - 1990 гг. до 4 - 7 ед. в 2000 - 2004 гг., комбайнами - соответственно с 6,2 шт. до 3,7 шт. (необходимый минимум - 16 тракторов и 10 зерноуборочных комбайнов). В то же время в США, например, на 1000 га пашни приходится 30 тракторов.
Учет адаптивных свойств системы как механизм воздействия на системные характеристики с целью повышения качества ее функционирования
Рассматривая технические средства механизации производственных процессов в земледелии как элемент целенаправленного техногенного воздействия на природную среду с целью получения необходимого для человека результата (в данном случае урожая возделываемых сельскохозяйственных растений), следует признать, что они в значительной мере зависят от условий, в которых протекает весь процесс их деятельности.
Подобная зависимость проявляется не только в формировании комплекса основных требований, которым должны удовлетворять сельскохозяйственные технические средства, но и в постоянном влиянии на сам процесс их функционирования (через вариативное изменение условий среды деятельности техники). Комплекс основных требований к техническим средствам следует рассматривать как систему граничных условий, позволяющих достичь наивысших показателей эффективности их работы в данных конкретных условиях.
Так как в сельском хозяйстве, в сущности одинаковые, производственные процессы (возделывания культурных растений) протекают в разнообразных условиях обитания (жизнедеятельности) человека, исторически комплекс требований к средствам механизации земледелия разделился на несколько достаточно обособленных наборов технико-технологических требований. При этом каждый набор достаточно полно формулировал цели, задачи и условия работы технических средств в каком-либо отдельном природно-климатическом регионе, специализирующемся на возделывании характерного набора культурных растений или отличающемся специфическими почвенно-климатическими условиями. В соответствии с данными наборами требований техника, предназначенная для выполнения одинаковых технологических операций (например, обработки почвы), изготавливается в совершенно различном, зачастую принципиально ином конструкторско-технологическом исполнении («южный» и «северный» варианты машин, отвальные и безотвальные плуги и т. п.).
Воздействие природной среды на условия функционирования технических средств проявляются в различных затратах (энергетических, трудовых, времени и т. п.) на выполнение однотипных операций, изменении ресурса (максимального срока службы) техники, параметров эксплуатационной надежности (наработки на отказ, времени устранения отказа и т. п.). Учет подобного воздействия осуществляется в форме нормативной документации (нормативы амортизации, сроки проведения ре-монтно-обслуживающих воздействий и т. п.), регламентирующей процесс эксплуатации технических средств в различных природно-климатических условиях. Весь комплект нормативно-технической документации предназначен для оценки и улучшения показателей эффективности эксплуатации технических средств в конкретных условиях их производственной деятельности.
Эффективность функционирования технических средств до недавнего времени, как правило, оценивалась какими-либо технико-технологическими показателями (мощностью, скоростью, расходом топлива, производительностью, устойчивостью режимов и т. п.). Необходимо подчеркнуть, что величина данных показателей эффективности существенным образом зависит от набора специфических природно-климатических факторов (структуры почвы, величины осадков и т. п.), принимающих в отдельных регионах совершенно различные значения. Тогда используемые параметры эффективности использования технических средств можно представить функционалом зависимости от данного набора специфических природно-климатических факторов.
Ухудшение отмеченных параметров эффективности эксплуатации как отдельных образцов техники, так и целевых наборов - систем технических средств, предназначенных для выполнения законченного цикла технологических операций -в случае изменения внешних условий их функционирования в таком случае следует рассматривать в качестве непроизводственных потерь (на преодоление сопротивления окружающей среды производственному воздействию человека).
Эти непроизводительные потери при функционировании технических средств (на преодоление сопротивления окружающей среды) можно рассматривать как меру адаптации сформированной технической системы к внешним условиям ее деятельности. Более адаптированные к внешним условиям технические системы при сопоставимых характеристиках производят больший объем полезной работы (в нашем случае продукции растениеводства), или требуют для этого меньше затрат (уменьшают абсолютную величину непроизводственных потерь), и наоборот.
Величина потерь для различных технических средств и систем, или в случае функционирования их в несхожих внешних условиях будет совершенно разной. Это позволяет рассматривать данный массив (потерь) в качестве функционала, определяемого как комплексом характерных внешних условий (параметрами среды деятельности), так и набором специфических технических средств, используемым для решения поставленных задач именно в данной среде деятельности.
В таком случае минимизацией данного массива потерь можно определить и сформировать наиболее рациональные для конкретных условий системные характеристики: перечень сфер деятельности, целей и задач, качественного и количественного состава технических систем, основных технико-технологических требований к ним, параметров организации эксплуатации техники и т. п.
С учетом сказанного комплекс адаптивных свойств формируемых технических систем можно считать непременным и в достаточной мере самостоятельным показателем эффективности их функционирования. Следовательно, данный комплекс, как самостоятельный элемент формирования и оценки работы систем технической оснащенности земледелия, образуется, функционирует и регулируется в соответствии с определенными характерными закономерностями. Исследуя и воздействуя на данные закономерности можно улучшать системные параметры с целью обеспечения рациональных условий для достижения наиболее эффективных результатов производственной деятельности систем технических средств земледелия.
Системное ранжирование адаптивных критериев комплекса технической оснащенности, вероятностная оценка их взаимовлияния и формирование вероятностного поля принятия решений
Для выявления значимости (и, соответственно, очередности наложения огра ничений) оценочных критериев в соответствии с вышеизложенной методикой была разработана методология приоритетного ранжирования параметров оценки адап-0 тивньгх свойств системы машин АПК.
При оптимизации состава и структуры нормативно-технической базы осна щенности агропромышленного производства в зависимости от преобладающего щ воздействия на условия ее функционирования какого-либо входящего возмущаю щего параметра (а также стастическо-вероятностных характеристик области его допустимого значения) применение оценочного критерия может рассматриваться как наложение на рассматриваемую многопараметрическую модель определенных ограничений в количестве степеней свободы принятия решений.
Достаточно часто случайно-хаотические параметры потока возмущающих и управляющих воздействий не позволяют выделить в качестве преобладающего ка-# кой-либо конкретный критерий. Тогда добавление к управляющему полю каждого нового адаптивного параметра следует рассматривать как наложение дополнительного ограничителя степени свободы на рассматриваемую систему.
Особую значимость здесь приобретают не только характеристики вероятностных полей условий функционирования комплекса технических средств, сформированные на основе применения какого-либо адаптивного параметра, но и сама последовательность накладываемых ограничений. От этого напрямую зависят век-торно-вероятностные характеристики (пространственная конфигурация, размеры, характеристики вероятного рассеивания и т. п.) формируемой области принятия адаптивных решений Аад, а таюке ее расположение внутри исходного пространства А управляющее-возмущающих воздействий. Что, в свою очередь, формирует параметры вероятностного поля Z принятия оптимальных решений формирования комплекса Хц(опт), оптимизируемого уже по функционалу % и определяет весь объем оптимальных решений системы.
Этим задаются также параметры динамической устойчивости функционирования системы технических средств от хаотического характера возмущающих воздействий, определяется массив возможных оптимальных решений и закладывается база формирования оперативной гибкости всей системы.
Алгоритм наложения адаптивных ограничений представлен на рис. 3.1. Все ограничения, накладываемые на вероятностное поле функционирования технических средств, распределены по трем категориям: - формирующие ограничения - формируют основные условия существования системы технической оснащенности АПК. К этой группе можно отнести адаптивные критерии: "экологический", "природно-климатический" , "конструктивной надежности". На рис. 3.1 они обозначены как Fh .. .F;. - основные ограничения - определяют основную область функционирования комплекса машин в рассматриваемом регионе. Включают критерии: "технологический", "экономический", "энергетический". Критерии этой группы представлены нарис. 3.1 какО/, ...Oj. - дополнительные ограничения - дополнительно уточняют область функционирования комплекса технических средств, позволяют произвести начальную оптимизацию его параметров. Для этого используются критерии: "организаг\и-онный", "ресурсный (трудовой)", "эксплуатационной надежности" и "оперативности". Изображены на рис. 3.1 в виде Dh.. .Dk.
Очередность накладываемых ограничений соответствует последовательности перечисления критериев и критериальных групп. Данная же последовательность формируется с учетом двух основных требований: логичность причинно-следственной последовательности накладываемых ог раничений. При составлении, например, технологических карт возделывания необходимо задать перечень технологических операций, применяемых для возделывания данной культуры, и только затем - оценивать вероятность вы полнения запланированных операций в соответствии с оптимальными агро техническими требованиями. Следовательно, должны выполняться условия: A = f(E3Km9At) Р{А1+1Г\А,} 0 9 (ЗЛ) P{At = f(Al+1)} 0 где Ah AM - область функционирования системы, формируемая соответственно применением /-го и (i+l)-ro критериев; Кі+] - (і+1)-й критерий оценки адаптивности системы; П - пресечение рассматриваемых множеств (их общие элементы). - вероятностно-статистические параметры рассеивания характеристик векторного поля накладываемых ограничений. В первую очередь на исследуе мое пространственное поле принятия решений накладываются ограничения, захватывающие наибольший диапазон данного поля (или его рассматриваемой части) и отличающиеся наименьшей плотностью рассеивания векторного про странства. Дальнейшая последовательность наложения находится в обратной зависимости от размеров захватываемого ограничением диапазона и величины статистических характеристик плотности его распределения: VA,Al VA,A2 ... VA,Al a{Al} T{A2} ... a{At} (3 2) где А - исходное пространство входных воздействий на систему (начальная область принятия решений); V - квантор общности множеств; а — характеристика плотности распределения векторного поля. Рассматривать, допустим, критерий "оперативная гибкость" для комплекса технических средств просто нецелесообразно, если предварительная оценка систе 79 мы по адаптивным критериям, например, "конструктивная надежность" и "технологический" практически не оставляет возможности ее перестройки - сформированное вероятностное поле Z охватывает незначительную область.
Программное обеспечение исследования взаимовлияния системных критериев и формирования вероятностного поля принятия решений
В соответствии с поставленной задачей в данном разделе работы необходимо формализовать и исследовать следующие критерии оценки эффективности адаптивных свойств функционирования скомплектованной системы: экологический; природно-климатический; конструктивной }іадеоісности; технологический; ресурсный (трудовой); организационный; эксплуатационной надежности; оперативности; энергетический и функциональные методы их оценки.
В соответствии с ранее проведенными исследованиями экологический аспект формирования основных условий функционирования технического парка АПК заключается в следующем. Выходной функционал Ткачества работы системы машин представляет собой сложную зависимость не только от входных возмущающих воздействий (природно-климатических условий, состава и характеристик технического парка АПК и т. п.), но и от ряда экологических параметров: V = f(E,Km„,X,B), (3.12) где Кжоя - критерий ужесточения экологических условий функционирования технических средств.
Причем каждый из данных экологических параметров Кжоя также может предъявлять свои специфические требования к формированию характеристик входных векторных полей Е оптимизируемой системы машин (например, засоленность пахотных земель, подверженность ветровой эрозии и т. п.).
Применительно к параметру "экологичностъ" функционирования исследуемой системы машин АПК представляет интерес рассмотреть его влияние на формирование исходного поля Е условий существования системы и выходного функционала Уоценки ее качества (рис. 2.1).
Воздействие экологических критериев на формирование исходного поля Е заключается в оценке необходимости дополнительных мероприятий для нейтрализации данного негативного воздействия. К ним, как правило, относятся: - ограничение используемых в производственном процессе земельных угодий по срокам и масштабам применения (последствия техногенных катастроф, и т. п.); - особые требования к конструкции средств технической оснащенности, позволяющие проводить традиционные операции в данных экологически неблагоприятных условиях (например, повышенная герметичность кабины технического средства, применение коррозионно-стойких материалов, снижение уровня токсичности отработанных газов и т. п.); - необходимость применения дополнительных (или принципиально новых) технологических приемов и методов, позволяющих выполнять запланированные операции в экологически изменившихся условиях (например, безотвальная обработка почвы и т. п.), или изменение их технологических режимов и параметров (критериев качественной оценки выполнения операций); - необходимость учета воздействия изменившихся экологических условий на выходные параметры качества функционирования системы технических средств (более высокий уровень требований к экологической чистоте производимой продукции, меньший объем производимой продукции, изменение уровня цен на производимую продукцию и т. п.); - необходимость использования мероприятий для устранения вредных экологических последствий функционирования системы машин АПК (очистка водоемов от удобрений и химикатов, восстановление плодородия земель и т.п.).
В математическом виде влияние на техническую систему ужесточенных экологических критериев можно записать в форме: / J L М Р YSPTK)+ Z(Kpf)+Ест+Е(МХ ) 5 аф ,(3.13) 1=1 у=1 Ы #н=1 р=\ где П - потери от ограничения производственной зоны действия системы; Mf - масштабы ограничений производственной деятельности (входных воздействий на систему); К/ - дополнительные изменения в конструкции технических средств, использующихся в изменившихся экологических условиях; З/ - затраты на внесение конструктивных изменений в технические средства; if - дополнительные изменения технологических свойств полей входных воздействий на систему (технологические режимы и приемы); 3{дТ - дополнительные затраты на изменение технологических свойств полей входных воздействий; Мт - мероприятия по устранению вредных экологических последствий функционирования системы; 3/м— затраты на устранение экологических последствий работы системы; W — количество производимой системой машин продукции (один из параметров выходного функционала качества системы); л ґЧ ООЇЇ и к АСР - изменение стоимостной оценки производимой системой продукции; i,j,l,p -текущие значения переменных.
Адаптивная способность системы перестраиваться в условиях ужесточения экологических условий ее функционирования, в данном случае, оценивается повышением уровня затрат, необходимых для обеспечения ее работы в изменившихся условиях. Экономическая оценка экологического критерия адаптации может обосновываться двумя факторами. Во-первых, все рассмотренные дополнительные мероприятия являются гораздо более дорогостоящими по сравнению с традиционными способами (усложнение конструкции технических средств, ужесточение технологических режимов и т. п.). Во-вторых, затраты на их осуществление могут окупаться (а, следовательно, изначально и рассчитываются) в течение длительного периода времени, в связи с чем они гораздо меньше подвержены воздействию хаотических колебаний параметров возмущающих воздействий. Поэтому применение экономического критерия для характеристики экологической адаптации системы является не только вынужденной, но и вполне адекватной оценкой.
Похожие диссертации на Критерии и методы оценки адаптивных свойств технической оснащенности земледелия к условиям функционирования
