CC BY
90
Костина И.С.
Оренбургский государственный университет
ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРИВЕДЕННЫХ ЗАТРАТ ЕДИНИЦЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ОПЕРАЦИИ ПРИ ПРОВЕДЕНИИ АВИАЦИОННО-ХИМИЧЕСКИХ РАБОТ
В статье рассмотрены цели и задачи научной школы Оренбургского государственного университета по повышению эффективности применения авиации в народном хозяйстве. Описана аналитическая модель процесса проведения авиационно-химических работ, которая позволяет выполнить комплексные расчеты технических и экономических показателей для разных типов сельскохозяйственных воздушных судов (самолета и вертолета), разных технологий авиационно-химических работ, территориальных и климатических условий. Технико-экономическая модель дает возможность формализовать и решить математическую задачу отыскания оптимальных параметров авиационной специализированной системы.
Решая проблему производства необходимого объема сельхозпродукции требуемого качества и наименьшей себестоимости, наиболее развитые страны получают высокоурожайные сорта сельскохозяйственных культур с помощью селекционных и генетических исследований. Но, полученные сорта растений теряют сопротивляемость к вредителям и болезням. Эта проблема решается с помощью высокоэффективных средств защиты растений - специальных авиационных работ, применяемых высокоточную и экологически надежную технологию внесения химических средств защиты. Многолетними научными исследованиями и мировой практикой земледелия все больше подтверждаются положения, что средства химизации - материальная основа плодородия почв, богатства и могущества государств [1]. Сравнивая авиационные методы внесения химикатов с целью защиты растений и обработку полей наземными средствами необходимо отметить следующие преимущества авиационно-химических работ (АХР):
- химобработка посевов авиацией происходит в восемь раз быстрее, чем наземной техникой, по данным АПК «Стойленская нива» [2];
- современная высокопроизводительная аппаратура и широкий ассортимент химикатов позволяют в короткий срок обработать большие площади сельскохозяйственных угодий;
- авиатехника может работать на сильно увлажненной почве (например, в ранневесенний период);
- позволяет обрабатывать холмистые пастбища, посевы и сады на склонах;
- применение авиаметода исключает механические повреждения насаждений.
На сегодняшний день остается много нерешенных проблем, связанных с авиахимра-ботами, рассмотренных в статье Костиной И.С., Султанова Н.З. «Технические и экономические проблемы развития авиационно-химических работ в Российской Федерации» [3].
В Оренбургском государственном университете с 90-х годов прошлого столетия функционирует научная школа по повышению эффективности применения авиации в народном хозяйстве и увеличению сфер применения авиационной техники в разных отраслях. В том числе и при проведении авиационно-химических работ. Одним из научных направлений данной научной школы является оптимизация структуры и размерности парка воздушных судов для проведения авиационно-химических работ в Оренбургской области.
Целью данного научного направления ставится получение конкретного оптимального парка ВС для проведения АХР. По структуре - какие типы ВС должны присутствовать в парке: сельскохозяйственные самолеты (СХС) легкого, среднего, тяжелого классов, сельскохозяйственные вертолеты (СХВ) перечисленных классов, мотодельтапланы (МДП). По размерности - сколько в количественном отношении каждого класса каждого типа ВС должно присутствовать в объединенном парке ВС авиационной спе-
циализированной системы для выполнения АХР.
Цель исследования определяет и круг реализуемых научных задач:
- определить как влияет размер и конфигурация обрабатываемого сельхозугодия на производительность, приведенные затраты (стоимость обработки одного гектара), на выбор эффективного типажа ВС, их оптимальных типоразмеров, методов и способов внесения химикатов;
- выполнить аналитическое описание технологического процесса и моделирование АХР;
- определить как влияет объем работ и способ обработки на состав и размерность парка ВС;
- выявить закономерности влияния характерных параметров подсистем (параметры обрабатываемых участков, способы обработки, методы внесения, эксплуатационные параметры ВС - скорость обработки, высота, системы навигации и контроля) на эффективность проведения АХР.
Для этого кафедрами информатики и систем автоматизации производства Оренбургского государственного университета совместно с Федеральным государственным унитарным авиационным предприятием «Оренбургские авиалинии» при непосредственном участии автора данной работы проводится имитационное и аналитическое моделирование технологического процесса АХР. Одной из крупных задач решаемой в вышеприведенной работе является создание методики параметрической оценки, базирующейся на методах классического и системного анализа.
Новизна работы заключается в следующем:
1. Введены новые понятия в технологической подготовке производства АХР:
- удлинение поля (X);
- показатель производственной эффективности;
- показатель энергетической эффективности;
- целевая производительность;
- целевая экономичность.
Уточнены следующие понятия:
- целевое назначение;
- техническое задание;
- эффективность;
- целевая надежность;
- авиационная специализированная система;
- критерии эффективности;
- показатель эффективности.
2. Создана технико-экономическая и технологическая модель производства АХР и оценки эффективности, которая позволяет анализировать влияние формы и размеров поля на стоимость единицы технологической операции.
3. Определены графические зависимости влияния технологических параметров на выбранный критерий исследования (ПЗ).
4. Проведен анализ проблем в разработке и применении высокоточных авиационных технологий средств защиты растений с построением дерева целей и определены целесообразные пути решения проблем:
- снижение стоимости летного часа эксплуатации специализированных воздушных судов для выполнения авиационно-химических работ;
- использование эффективной организации труда при максимальном соответствии способов внесения, типа и варианторазмера воздушного судна, параметров объекта обработки.
В качестве инструмента исследования создана программа, алгоритм которой представляет собой три связанных модуля (рисунок 1).
Рисунок 1. Общая схема методики параметрической оценки
Таблица 1. Характерные изменяемые и исследуемые параметры подсистемы АХР
Наименование Количество Шаг Мш Мах
параметра значений изменения значение значение
Период окупаемости или возврата инвестиций Ток, лет 2 5 5 10
Год эксплуатации ВС Тэксп, лет 3 5 1 10
Норма расхода химикатов qхм, кг/га 16 Неравномерно и неоднозначно, в зависимости от метода
Дальность перелета от аэродрома до места проведения АХР Lпеp, км 6 Неравномерно 1 30
Длина рабочего гона над участком 1г, м 6 Неравномерно 100 3000
Количество производственных дней Д, шт 1 Неравномерно 10 90
Температура окружающей среды ^ 0С 4 10 10 40
Признак условия эксплуатации (коэффициент) М 2 - М1 М2
Высота обрабатываемой местности над уровнем моря Н0, м 3 500 0 1000
Количество базируемых ВС на одном аэродроме НКМ в регионе шт 2 Var 6 40
Масштабы проведения АХР Q, га 4 Неравномерно 50000 1000000
Площадь обрабатываемого участка Sполя, га 7 Неравномерно 1 10000
Коэффициент удлинения поля X 9 Неравномерно 0,1 900
Таблица 2. Методы проведения авиационно-химических работ
Название метода Обозначение Индекс (шифр)
Опрыскивание ОО 00-01
Опыление ОП 00-02
Рассев РС 00-03
Разбрасывание РБ 00-04
Малообъемное опрыскивание МО 00-05
Ультрамалообъемное опрыскивание УМО 00-06
1 1 1 1» Г".' чч 1 1 1
1 \У 1 ' 1 1 1 1 к 4 + 1 1 1 1 1 2 5 1 1 к 3 ! 1 1 1 1
1 \ \ • А
захвата Ш
а) «челночный» б) «загонный»
Рисунок 2. Способы обработки участков при АХР
Цель создания программы:
1) моделировать процесс проведения авиационно-химических работ для выявления закономерности влияния характерных параметров подсистемы АХР (таблица 1) на экономическую эффективность проведения таких работ;
2) определить как влияет объем работы и способ обработки на состав и размерность парка ВС;
3) выполнить аналитическое описание и моделирование технологического процесса проведения АХР.
Поля для проведения авиационно-химических работ существенно различаются по размерам, конфигурации, длине гона, удалению от аэродрома. На эффективность проведения также влияют такие показатели как: расположение полей, рельеф местности, высота воздушных препятствий и другие [4]. Кроме того,
АХР характеризуется выбранным видом обработки (борьба с сорной растительностью и болезнями сельхоз культур, дефолиация и десикация, борьба с вредителями и другие) и методом внесения химикатов (таблица 2).
Технология выполнения АХР на обрабатываемых участках заключается в последовательном нанесении параллельных полос химикатов (рисунок 2) одним из способов обработки: «челночным» или «загонным»[5]. Суть «челночного» способа заключается в том, что пилот воздушного судна осуществляет отдельные параллельные заходы (гоны) на обрабатываемый участок с включением и выключением сельскохозяйственного оборудования соответственно в на-
чале и в конце участка. При «загонном» способе участок делится на две равные, последовательно обрабатываемые полосы. Этот способ намного безопаснее и проще «челночного» за счет уменьшения крена при развороте на повторный заход. Существуют и другие способы обработки участков. Перед на-
Таблица 3. Сравнительные параметры исследуемых типов воздушных судов (входные данные в программу)
Наименование параметра СХС СХВ
Масса пустого снаряженного ВС тпуст, кг 3460 2420
Рабочая скорость ВС Vрб, км/ч *
Количество авиадвигателей на ВС Пдв, шт 1 2
Мощность двигателей на ВС Р0, кВт 736 294
Взлетная масса ВС (максимальное значение) т0, кг **
Масса загружаемых химикатов на ВС (максимальное значение) mхм тах, кг 1370 700
Длина взлётно-посадочной площадки Lвпп, м 600 150
Скорость перелета (Vпер=0,95V0 рейс) Vпер, км/ч 140 100
Ширина захвата Ш, м *
Рабочая высота полёта Нрб, м *
Время обслуживания и заправки ВС химикатами Тобсл, мин *
Время заправки ВС топливом Ттопл, мин 25 20
Время руления до взлета и после посадки Трул, мин 5,3 2,0
Время взлета и посадки ВС Твп, мин 4,7 4,0
Скорость разворота ВС Vрзв, км/ч 120 80
Коэффициент качества обработки, влияющий на производительность Ккч 0,8 0,95
к, 8,25 6,5
1,2 3,0
е 0,045 0,061
Высота перелёта Шер, м 150 50
Угол крена у, град 30 20
Коэффициент сокращения времени разворота по отношению к стандартному Крзв 1,0 0,75
Высота разворота Нрзв, м 50 30
Емкость топливных баков (максимальная) mт тах, кг 850 620
Часовой расход топлива qч, кг/ч 130 **
Километровый расход топлива qкм, кг/ч 28 **
Часовой расход масла qм, кг/ч 6,1 0
Коэффициент дополнительного расхода топлива Кт 1,48 1,32
Удельный расход топлива Ср, кг/кВтч 0,36 0,44
Коэффициент межполевых перелетов Кмпп 0,25 0,15
Ограничение по налету одним ВС в рабочий день Тнлд, ч 8 7
Коэффициент удорожания при капитальном ремонте Кц 0,3 0,2
Цена топлива Цт, уе/кг 1,25 0,77
Вероятность воздействия (математическое ожидание) Вс 0,985 0,975
Удельная допустимая нагрузка на грунт Рн, даН/м2 180000 29000
Потребная длина взлетно-посадочной полосы Lвпп, м 600 150
Средняя площадь, занимаемая аэродромами авиаподразделений Баэрод, м2 115000 115000
* - зависит от метода АХР, см. таблицу 4; ** - зависимость, полученная методом аппроксимации статистических данных (см. таблицу 5)
чалом полета определятся рациональная длина гона (1г) исходя из конкретных условий расположения поля (в системе одновременно обрабатываемых полей), направления ветра и других. Очевидно, что выбранная длина гона существенным образом влияет на производительность воздушного судна и на затраты обработки поля.
Норма расходов химикатов на один гектар сельхозугодия (дхм) с одной стороны зависит от метода обработки и вида АХР, с другой стороны влияет на загрузку химикатами ВС (т ) и на маршруты полета, что не может не влиять на экономическую эффективность.
Сельхозугодия различаются по площади ^ ). Необходимо выя-
вить закономерность влияния площади поля на выбранный критерий исследований - приведенные затраты (ПЗ).
На производительность и эффективность выполнения АХР существенное влияние оказывает рациональное использование парка ВС. Необходим обоснованный выбор типа воздушного судна для проведения обработки: сельскохозяйственный самолет (СХС) или сельскохозяйственный вертолет (СХВ) при том или ином методе АХР, при заданных условиях обработки (длина гона, размер и форма поля, температура окружающей среды, высота местности над уровнем моря и др.). Сельскохозяйственные воздушные суда различаются рядом летно-технических характеристик: масса пустого снаряженного ВС, рабочая скорость, максимальная масса загружаемых химикатов, емкость топливных баков, скорость перелета, время производственного цикла и др. Необходимо исследовать, как влияют особенности каждого типа воздушного судна (таблица 3) на экономическую эффективность авиацион-
но-химических работ. Данные в таблице получены статистически.
Ряд параметров зависит от метода проведения АХР (таблица 4)
Таблица 4. Параметры, зависимые от метода АХР
Наименование
параметра
Метод схс схв
00-01 30 25
00-02 30 25
00-03 20 15
00-04 30 35
00-05 40 50
00-06 40 50
00-01 150 60
00-02 160 60
00-03 140 100
00-04 140 100
00-05 140 90
00-06 140 90
00-01 5 5
00-02 15 15
00-03 30 30
00-04 30 30
00-05 5 5
00-06 5 5
00-01 14 15
00-02 16 17
00-03 13 12
00-04 13 12
00-05 12 12
00-06 12 12
00-01 30...300 30.300
00-02 5...300 5.300
00-03 30.200 30.200
00-04 5 2 5 5 2 5
00-05 5 2 6 5 2 6
00-06 5 ,5 0, 5 ,5 0,
00-01 0,65 Ш 0,69 Ш
00-02 0,5 Ш 0,6 Ш
00-03 0,5 Ш 0,6 Ш
00-04 0,5 Ш 0,6 Ш
00-05 0,65 Ш 0,69 Ш
00-06 0,65 Ш 0,69 Ш
00-01 0,22 0,24
00-02 0,14 0,15
00-03 0,14 0,15
00-04 0,14 0,15
00-05 0,22 0,24
00-06 0,22 0,24
00-01 1,65+0,0174 яхм 1,23 (1,65+0,0174 qхм
00-02 1,68+0,018 дхм 1,28 (1,68+0,018 дхм)
00-03 1,72+0,019 Яхм 1,28 (1,72+0,019 qхм)
00-04 1,2+0,009 Яхм 1,28 (1,2+0,009 qхм)
00-05 0,94+0,022 яхм 1,21 (0,94+0,022 qхм)
00-06 0,98+0,025 qхм 1,15 (0,98+0,025 qхм)
Ширина захвата Ш, м
Рабочая скорость воздушного судна на авиахимработах Урб, км/ч
Рабочая высота ВС над обрабатываемой поверхностью
И,
-рб?
Время обслуживания и заправки воздушного судна химикатами Тобсл, мин
Расход химикатов при обработке одного гектара сельхозугодия qхм, кг/га
Зона высокого качества внесения химикатов ЗВК, м
Коэффициент нецелевого воздействия химикатов Кхм
Погектарные расценки за выполнение АХР ПГР, руб/га
00-01 Опрыскивание 00-02 Опыливание 00-03 Рассев 00-04 Разбрасывание 00-05 Малообъемное опрыскивание 00-06 Ультрамалообъемное опрыскивание
Взлетная масса (т0) для СХС получена методом аппроксимации статистических данных (таблица 5) и представляет собой функцию, зависящую от высоты местности взлетных площадок над уровнем моря (т0 = /(Н0)). Она зависит от двух параметров: высоты местности взлетных площадок над уровнем моря (Н0) и температуры окружающей среды. Исходя из статистических данных была получена функция т0 = ^„д) (таблица 5).
Приведенные затраты на единицу выполняемой операции одним сельскохозяйственным летательным аппаратом определяются по формуле:
ПЗ=ПЗ +ПЗ
эксл ок
Второй модуль программы позволяет провести технико-экономический анализ эксплуатационных приведенных затрат (ПЗэксп). Задачи этого этапа решаются на базе результатов предыдущего.
Таблица 5. Параметры, полученные методом аппроксимации статистических данных.
Наименование параметра схс схв
Взлетная масса ВС т0, кг 5500 - 0,08 • И 0 -- 0,00004 • И 0 2 3290 + 0,274 • И 0 + (30,883 - 0,032 • И 0) • г + + (- 0,892 + 0,00045 И0)12
Часовой расход топлива qч, кг 130 V ср 2 (0,0124 -г 1,52 10'4) + V ср (0,04 г - - 2,332) + т 0 • И 0 • 5,3783 • 10 - 6 - - И 02 6,566 10 - 6 + И0 2,6128 10 - 3 + + г2 • 0,177 - г • 3,8959 + т 0 • 0,02777 + 142,5
Километровый расход топлива qкм, кг 28 V ср2-(-5,494 • 10 -6 г + 3,1 • 10 -4) + + V ср • (0,001 •г - 0,0737) - 0,0247 г + т 0 • (- 4,75 10 -8 • И 0 - 1,3 10 -4) + + 0,15 • И 0 10 -3 + 17,337
Таблица 6. Расчет стоимости химикатов, израсходованных за летный час, транспортных расходов и стоимости обслуживания
Шифр 00-01 00-02 00-03 Размерность
Метод АХР Опрыскивание Опыливание Рассев -
д -^хм 1,24- Пц 1,88 • Пц 1,88-Пц у.е./ч
д -^тран 0,08- Пц 0,11 • Пц 0,11- Пц у.е./ч
Аобсл 23,3 + 0,007 -тхм -р Т нлд 21,4 + 0,014-тхм ф Т нлд 20,4 + 0,017 -тхм р Т нлд у.е./ч
Шифр 00-04 00-05 00-06 Размерность
Метод АХР Разбрасывание Малообъемное опрыскивание Ультрамалообъемное опрыскивание -
д хм 1,5- Пц 3,5 • Пц 5,1- Пц у.е./ч
д тран 0,09 - Пц 0,05 • Пц 0,01- Пц у.е./ч
Аобсл 18,5 + 0,017 - тхм - р Т нлд 21,0 + 0,007 тхм ф Т нлд 20,0 + 0,008-тхм -р Т нлд у.е./ч
Эксплуатационные приведенные затраты зависят от прямых эксплуатационных расходов (ПЭР), косвенных аэропортовых эксплуатационных расходов (КЭР) и целевой производительности воздушного судна при определенных условиях (рисунок 3).
Прямые эксплуатационные расходы за производственный час включают в себя: затраты на горюче-смазочные материалы (Агсм), на химикаты (А), на транспортные расходы (А ), на обслуживание (А , ), затраты
4 тран/7 •' 4 оосл'7 г
на заработную плату летному составу(Азилс), отчисления на социальное страхование (А ), затраты на поддержание экологической надежности АХР и компенсирование нарушений (А ), расходы на вспомогательный персонал (Аеси), затраты на техобслуживание, текущий ремонт планера и двигателя (А).
Стоимость химикатов, израсходованных за летный час, транспортные расходы, стоимость обслуживания зависят от метода АХР (таблица 6).
Оплата труда летному составу на АХР в модели оценки эффективности состоит из двух частей:
- повременной, т.е. приведенный на летный час оклад за отработанное время;
- сдельной, т.е. произведение расценки за обработку одного гектара и количества обработанных площадей.
Кроме того, существует система начислений на оплату труда, где численный коэффициент отражает величину единого социального налога, в том числе отчисления в пенсионный фонд, медицинский фонд, на социальное страхование, на возмещение вреда.
Кроме всех вышеперечисленных расходов в модели необходимо учесть и все вспомогательные расходы на организацию АХР, связанные с работой с заказчиком, со станцией защиты растений, с проводимым маркетингом, рекламой и другими вспомогательными мероприятиями.
Косвенные эксплуатационные расходы включают в себя сумму текущих расходов в год на НКМ, сумму текущих расходов в год на комплекс АХР (оснащение и обслуживание), а также зависят от операционного времени работы авиационной системы.
Текущие расходы в год на НКМ учитывают эксплуатационные расходы аэродрома, средств радиосвязи и УВД, службы ГСМ, АТБ, аэропортовой техники. Текущие расходы в год на комплекс АХР (оснащение и обслуживание) формируются из следующих показателей: эксплуатационные расходы на оснащение (обслуживание) комплекса работ, средства механизации и содержание подъездных путей.
На третьем этапе работы алгоритма рассчитываются капитальные затраты и инвестиции в приведенных затратах (ПЗ). В этом
Рисунок 3. Определение приведенных затрат единицы технологической операции
модуле учитываются следующие затраты (рисунок 3):
- стоимость серийного производства парка однотипных воздушных судов с учетом уже существующей промышленной базы авиастроения (без реконструкции существующих предприятий авиапрома);
- необходимые капиталовложения в НИОКР новых планеров и новых двигателей;
- расходы на освоение новой техники (подготовка, переподготовка, поддержание необходимой квалификации персонала, создание учебных центров с тренажерами, модернизацию оборудования НКМ и создание инфраструктуры);
- стоимость строительства грунтовых НКМ в сельской местности, которая вклю-
чает в себя и дополнительные расходы на оснащение всеми необходимыми площадками, службами и помещениями;
- капиталовложения в проектирование НКМ.
Таким образом, представленная модель позволяет выполнить комплексные расчеты технических и экономических показателей для разных типов сельскохозяйственных воздушных судов (самолета и вертолета), разных технологий АХР, территориальных и климатических условий. Технико-экономическая модель дает возможность формализовать и решить математическую задачу отыскания оптимальных параметров авиационной специализированной системы в смысле выбора рационального парка воздушных судов.
Список использованной литературы:
1. Огородников, П. И. Эффективность сельскохозяйственных авиационно-химических работ / П.И. Огородников, В.В. Усик, И.А. Лизнева // Вестн. Оренбург. гос. ун-та. - 2006. - №2. - С. 103-105.
2. Полякова, Ю. Химавиация возвращается [Электронный ресурс] // Агробизнес. - 2003. - №3. - Режим доступа: http:// www.agro-busmess.ru/archive/2003/3/471.html
3. Костина, И.С. Технические и экономические проблемы развития авиационно-химических работ в Российской Федерации / И.С. Костина, Н.З. Султанов // Перспектива: сб. молодых ученых. - Оренбург: ГОУ ОГУ, 2005. - J№7. - С. 259264.
4. Инновационные процессы в авиационно-химических работах - экологический аспект / В.А. Бондаренко, Р.Т. Абдрашитов, К.Ю. Дибихин, А.П. Локтионов, Б.А. Портников, Н.З. Султанов. - Оренбург: ОГУ, 1998. - 200 с.
5. Рекомендации по использованию новой техники на сельскохозяйственных авиационно-химических работах / Р.Т. Абдрашитов, А.П. Локтионов, Н.З. Султанов, Д.А. Тараков. - Москва, 1997. - 40 с.
Статья рекомендована к публикации 28.03.07
