В мире, начиная с периода ранней механизации и до начала 2000-х годов, тенденции в области лесохозяйственной эксплуатации и исследований, разработок и инженерии (RD&E) были сосредоточены на улучшении механических производительности. Различные проекты улучшали понимание проблемы, что повлияло на эффективность и производительность машин, а затем разработали, тестировали и развернули улучшенные технологии и методы работы для повышения производительности машины. В последнее время для оперативного исследования были внедрены методы принятия решений по нескольким критериям (MCDM), включающие экологические и социальные факторы с целью улучшения выбора системы заготовки древесины (Blagojević et al. 2019). RD&E включала в себя разработку технологий бортовых систем, которые одновременно помогали лучше оценивать и управлять операциями, а также дальнейшие развитие в области моделирования и аналитики. Проводимое в настоящее время исследование, проводимые шведской лесной промышленностью, продемонстрировало реальный и прогнозируемый (после 1990-х годов) прирост производительности труда на основе этого подхода.
Рисунок 1. Повышение производительности лесных операций за счет проведения исследований, разработок и инженерии в области механизации, как это было представлено в середине 90-х годов
С середины 2000-х годов наблюдалось значительное изменение, при этом было выявлено фактическое падение производительности труда. По сути дела, новые технологические достижения в этот период были в большей степени ориентированы на себестоимость, и были готовы пойти на компромисс между производительностью и затратами в реализации более ценных продуктов и увеличения объема заготовок. Несмотря на то, что производительность заготовки древесины Австралии и Скандинавских стран равноценна, имеется тенденция к большему непостоянству австралийской заготовки древесины и большему разрыву между лучшими и простыми механизмами.
Рисунок 2. Производительность (М 3 чел-день -1) в шведских уборочных операциях, 1958-2013 гг.
Когда это было впервые обнаружено, было выражено беспокойство по поводу того, что улучшения, которые были столь важны для поддержания экономической конкурентоспособности цепочек заготовки леса, прекратились и, возможно, даже регрессировали. Более глубокий взгляд показывает смещение фокуса усилий RD&E не только на снижение затрат, что достигается за счет повышения производительности, но и также шире взглянуть на цену получения более лучшего продукта из оборота по разумной стоимости. Хотя эффективность и производительность машин по-прежнему имеет большое значение, в настоящее время для производства более лучших продуктов прилагаются более активные усилия в области RD&E. В настоящее время разрабатываются новые технологии заготовки для измерения деревьев в реальном времени и обеспечения оптимального или почти оптимального распределения продукции (Marshall & Murphy 2004). Позднее акцент на стоимости еще более усилился, чтобы увеличить общий объем, извлеченный за счет минимизации потерь и расширения типов и ассортимента продуктов, таких как биомасса для производства энергии (Ghaffariyan et al.). Была разработана технология для производства продуктов из стволов, которые раньше не заготавливались из-за экономической нецелесообразности. Такие разработки, как разноразмерные обрабатывающие головки, помогли увеличить общую отдачу от инвестиций (ROI) с единицы площади леса и обеспечить большее число лесных участков для производства (Gingras 2004). Совсем недавно стремления RD&E создали технологии для использования лесозаготовительной техники в труднодоступных местах и крутых склонов, хотя их производительность меньше, чем при использовании на равнинной местности, но в то же время их производительность выше по сравнению с бензопилами, что улучшило рентабельность инвестиций. С появлением новых лесных товаров, в частности биомасс для тепловой энергии, важным фактором RD&E стал потенциал влияния и улучшения качества древесины посредством лесных операций и управления цепочками поставок, с постоянными усилиями по контролю и управлению такими функциями, как содержание влаги в древесине для повышения стоимости ресурса и снижения затрат на логистику (Strandgard & Mitchell 2017).
В ряде исследований производительность оператора была определена как ключевой компонент в определении производительности лесных машин (Purfürst & Erler 2011), а также восстановление объем бревна и его стоимость. Ранее для определения основных причин различий операторов обычно требовалось тщательное наблюдение за каждым оператором. Несмотря на то, что в некоторых случаях все еще требуется детальное ручное наблюдение, последние достижения в области бортовых компьютерных технологий позволили провести весьма детальные наблюдения за действиями операторов, которые могут быть использованы для обучения новых или менее эффективных операторов. Кроме того, существует возможность использования современных датчиков на борту валочной техники для обнаружения качественных характеристик деревьев в режиме реального времени (Miettinen et al. 2010). Одной из ключевых задач в области RD&E является расширение возможностей подрядчиков лесозаготовок и лесоустроителей использовать данные, полученные с помощью бортовых компьютеров и лесозаготовительных головок.
Здоровье и благополучие операторов лесозаготовочной техники и работников лесного хозяйства могут оказывать существенное влияние на качество и эффективность работы. Исследования также связали работу оператора с условиями гигиены труда и техники безопасности, рабочими графиками и эргономикой машин (Murphy et al. 2014). Несчастные случаи на производстве влияют на затраты на оплату труда из-за отсутствия необходимых средств для восстановления здоровья. Potočnik и др. (2017), которые изучали несчастные случаи в ходе лесозаготовительных операций в Словении в период 1990-2005 годов, сообщили, что в общей сложности 846 несчастных случаев во всем лесном хозяйстве. Из них 68% пришлось на рубку деревьев, 24% - на трелевку и 8% - на уход за лесом. Другие исследователи указали, что рубка деревьев и другие операции по заготовке древесины вызывают большее число несчастных случаев, чем погрузка и транспортировка. Основными первопричинами несчастных случаев в различных видах деятельности является человеческий фактор, который включает в себя такие ошибки как: отсутствие средств индивидуальной защиты, ошибка оператора и применение некачественных методов. Человеческий фактор может быть устранен с помощью улучшенной подготовки по технике безопасности и последующей деятельности. Здесь необходимо улучшить соблюдение отчетности о несчастных случаях, а также в том, чтобы работники признавали ценность проводимых улучшений.
Помимо внедрения RD&E в технологии лесохозяйственных операций и производственно-сбытовых цепочек значительные усилия были затрачены на создание и совершенствование специфичных структур лесного хозяйства для проведения описательной и прогнозной аналитической работы. Во большинстве случаев эти инструменты были разработаны для закрепления знаний, полученных в ходе оперативных испытанийд ля того, чтобы компании могли объединить несколько конечных результатов (одна и та же функция цепочки поставок) для моделирования систем заготовки древесины или цепочек поставок. Затем эти структуры могут быть развернуты для интеграции знаний из RD&E в системы бизнеса и в управленческие системы. В более поздних работах по RD&E эта область исследований расширилась и стала включать в себя оптимизированное принятие решений предписывающей аналитики с использованием целого ряда подходов для оптимизации. Модели оптимизации были сосредоточены на ROI и обычно изучают цепочки поставок и логистическую оптимизацию (Acuna et al. 2019). Статья Реннквиста и др. (2015) «Проблемы исследования операций в лесном хозяйстве: 33 открытых проблемы » обеспечивает хороший обзор активных и новых прогнозных, и предписательных аналитических исследований в лесном хозяйстве, детализируя 33 области, включая заготовку, транспорт и логистику, в оперативном, тактическом и стратегическом масштабах.
Заглядывая вперед, международные усилия в области лесохозяйственных операций и производственно—сбытовых цепочек RD&E направлены принципы «Индустрия 4.0» или "четвертой промышленной революции" - в цепочки лесных поставок. Индустрия 4.0 основана на повышении эффективности и увеличении ROI за счет интеграции данных и знаний в цепочки поставок, чтобы обеспечить оптимизацию, автоматизацию операции, управляемых комплексными данными в реальном времени.
Канадская промышленность определила свою стратегию RD&E до 2025 года как «лесное хозяйство 4.0». Цель состоит в том, чтобы к 2025 году увеличить доход на 1 миллион канадских долларов в неделю для промышленности через интегрированные системы данных для обеспечения заготовки, которая будет соответствовать требованиям клиентов в режиме реального времени; оптимизацию заготовки древесины в количестве 1 миллион м3 пиломатериалов в неделю с использованием автономных машин и использование автономных грузовиков для проезда 1 млн. км в неделю. Эта отрасль будет изучать новые технологии для улучшения инвентаризации лесов на уровне деревьев или стволов с использованием данных, связанных с улучшенными лазерными и локационными измерениями в режиме реального времени для того, чтобы повысить эффективность рентабельности инвестиций и уменьшить зависимость от взгяда операторов. Цель состоит в том, чтобы "закрытый цикл" охватывал и сопоставлял все данные, полученные для поддержки реализации стоимости продукта по всей цепочке поставок, и управлял улучшенным лесопользованием для будущих ротаций в лесном хозяйстве.
В качестве основы системы Forestry 4.0 канадская отрасль видит необходимость в создании коммуникационных решений в режиме реального времени для всех частей лесного хозяйства, которые в настоящее время не особенно хорошо связаны между собой. Сочетание лучших данных, лучшей интеграции и передачи в реальном времени создает основу для автоматизации, телеопераций, робототехники и интеграции планирования в реальном времени с автоматизированным принятием решений. Несмотря на то, что оформление составлено несколько иначе, с меньшим акцентом на коммуникации и автоматизацию, европейская индустрия имеет аналогичное представление о будущих потребностях в RD&E, о чем свидетельствует ее программа Tech4Effect, разработанная для обеспечения управляемой данными, основанной на знаниях революции в европейском лесном секторе.
В Австралии технологическое внедрение было таким же, как в операциях и цепочках поставок в Северном полушарии, но с разными сроками и акцентом для удовлетворения австралийской промышленности. Практически по всем технологиям уборки урожая в Австралии возникают задержки во времени по сравнению с Канадой и Европой. Во многих случаях это отставание использовалось австралийской промышленностью для получения преимуществ, так как ранний опыт и результаты на международном уровне помогают информировать местные планы RD&E, что влияет на разработку и ускорение достижений целевых результатов в австралийской промышленности. Оптимизация харвестерной головки в Австралии была внедрена позднее, но получила широкое применение гораздо быстрее, чем во многих других странах, предлагая значительный прирост производительности машины на 5–10% и повышение стоимости до 3%. (Walsh 2012). В области нормативной аналитики (например, определения того, какой грузовик должен доставить, какая загрузка бревна и какому клиенту при минимальных затратах) и оптимизации, Австралия была одним из первых разработчиков RD&E в области транспорта и логистики, имея прочные партнерские отношения в Европе. Значительные потенциальные выгоды были выявлены (Acuna et al. 2011) за счет повышения эффективности, но проблемы эффективного предоставления точных и своевременных данных об операциях, как правило, ограничивали потенциал для развертывания.
Появление новых древесных продуктов (например, биомассы для биоэнергетики) и применение нового поколения лесозаготовительных машин и грузовых автомобилей с высокими техническими возможностями и возможностями автоматизации открывают новые возможности для Австралии. Будущие проекты RD&E должны будут лучше интегрировать извлечение новых продуктов в обычные операции и разрабатывать эффективные методы для оптимального использования новых технологий заготовки, чтобы поставлять высококачественную продукцию с более низкими эксплуатационными затратами, сниженными рисками для безопасности для лесных рабочих и меньшим воздействием на окружающую среду.