Design and testing of stand-specific bucking instructions for use on modern cut-to-length harvesters

This study addresses three important issues in tree bucking optimization in the context of cut-to-length harvesting. (1) Would the fit between the log demand and log output distributions be better if the price and/or demand matrices controlling the bucking decisions on modern cut-to-length harvesters were adjusted to the unique conditions of each individual stand? (2) In what ways can we generate stand and product specific price and demand matrices? (3) What alternatives do we have to measure the fit between the log demand and log output distributions, and what would be an ideal goodness-of-fit measure? Three iterative search systems were developed for seeking stand-specific price and demand matrix sets: (1) A fuzzy logic control system for calibrating the price matrix of one log product for one stand at a time (the stand-level one-product approach); (2) a genetic algorithm system for adjusting the price matrices of one log product in parallel for several stands (the forest-level one-product approach); and (3) a genetic algorithm system for dividing the overall demand matrix of each of the several log products into stand-specific sub-demands simultaneously for several stands and products (the forest-level multi-product approach). The stem material used for testing the performance of the stand-specific price and demand matrices against that of the reference matrices was comprised of 9 155 Norway spruce (Picea abies (L.) Karst.) sawlog stems gathered by harvesters from 15 mature spruce-dominated stands in southern Finland. The reference price and demand matrices were either direct copies or slightly modified versions of those used by two Finnish sawmilling companies. Two types of stand-specific bucking matrices were compiled for each log product. One was from the harvester-collected stem profiles and the other was from the pre-harvest inventory data. Four goodness-of-fit measures were analyzed for their appropriateness in determining the similarity between the log demand and log output distributions: (1) the apportionment degree (index), (2) the chi-square statistic, (3) Laspeyres quantity index, and (4) the price-weighted apportionment degree. The study confirmed that any improvement in the fit between the log demand and log output distributions can only be realized at the expense of log volumes produced. Stand-level pre-control of price matrices was found to be advantageous, provided the control is done with perfect stem data. Forest-level pre-control of price matrices resulted in no improvement in the cumulative apportionment degree. Cutting stands under the control of stand-specific demand matrices yielded a better total fit between the demand and output matrices at the forest level than was obtained by cutting each stand with non-stand-specific reference matrices. The theoretical and experimental analyses suggest that none of the three alternative goodness-of-fit measures clearly outperforms the traditional apportionment degree measure. Keywords: harvesting, tree bucking optimization, simulation, fuzzy control, genetic algorithms, goodness-of-fit

Modernissa tavaralajimenetelmän hakkuukoneessa runkojen katkontaa eri puutavaralajien pölkyiksi ohjataan tavaralajeittaisten arvo- ja jakaumamatriisien avulla. Arvomatriisi, jota yleisesti kutsutaan myös hintalistaksi tai hintamatriisiksi, on kaksiulotteinen taulukko, jossa on määritelty tietynpituisen ja -läpimittaisen pölkyn arvo suhteessa muihin kyseisen puutavaralajin pölkkyjen pituus-läpimitta -yhdistelmiin. Jakaumamatriisi on tarvejakaumataulukko, joka kertoo pölkkyjen tavoiteosuuden kullekin pituuden ja läpimitan yhdistelmälle tai vaihtoehtoisesti eri pituuksien tavoiteosuudet kunkin latvaläpimittaluokan sisällä. Hakkuukoneiden apteerausmatriisien säätö ja optimointi ovat olleet kasvavan kiinnostuksen kohteina viime vuosina. Ensinnäkin kaikesta Suomessa pystykauppoina ostetusta puusta yli 95 % hakataan koneellisesti. Toiseksi katkonnanohjauksen merkitys etenkin sahateollisuudessa on entisestään korostunut, kun asiakaslähtöisyys on vakiinnuttanut asemansa yhtenä liiketoiminnan keskeisenä ohjausperiaatteena. Asiakaslähtöisessä toiminnassa puuraaka-aine pyritään hankkimaan sen mukaan, millaisia tuotteita asiakkaat tarvitsevat ja mistä he ovat siten halukkaita maksamaan. Tavaralajimenetelmään perustuvassa puunhankinnassa tämän periaatteen soveltaminen merkitsee sitä, että rungot pyritään metsässä katkaisemaan laadultaan ja dimensioiltaan sellaisiksi puutavarakappaleiksi, jotka mahdollisimman hyvin soveltuvat kulloistenkin asiakastilausten valmistamiseen. On arvioitu, että hakkuukoneiden katkonnan paremmalla ohjauksella tuotantolaitosten optimaalisten tavoitetukkijakaumien ja puunhankinnassa toteutuneiden tukkijakaumien yhteensopivuus, ns. jakauma-aste paranisi noin 5 %. Tämän perusteella tuotot voisivat lisääntyä noin 1...2 /tukkipuu-m3. Kun sahatavaran tuotanto Suomessa on viime vuosina yltänyt runsaaseen 12 milj. m3:iin, jonka määrän tuottamiseen tarvitaan n. 25 milj. m3 pyöreää puutavaraa, niin hakkuukoneiden katkonnanohjauksen kehittämisen tuotot voisivat siten vuositasolla olla n. 25...50 miljoonaa euroa. Toisaalta hakkuukoneapteeraus ja sen optimointi ovat globaali tutkimusongelma, jonka merkitys yleismaailmallisesti on viime vuosina kasvanut hakkuiden koneellistumisen ja tavaralajimenetelmän lisääntymisen seurauksena. Useat suomalaiset metsäteollisuusyritykset ja lähes kaikki merkittävimmät metsäkonevalmistajat ovat kansainvälisiä toimijoita, joten hakkuukoneiden katkonnanohjaukseen liittyvällä tietotaidolla on kysyntää Suomen rajojen ulkopuolella ja siten merkitystä myös koko metsäklusterin kilpailukyvyn näkökulmasta. Tutkimuksessa tarkastellaan kolmea hakkuukoneapteeraukseen liittyvää keskeistä kysymystä. (1) Johtaisivatko leimikkokohtaisesti säädetyt arvo- ja/tai jakaumamatriisit parempaan toteutuneen tukkijakauman ja tavoitetukkijakauman väliseen yhteensopivuuteen kuin vakiintunut käytäntö, jossa kaikki leimikot niiden ominaisuuksista riippumatta hakataan samoilla arvo- ja jakaumamatriiseilla? (2) Millä tavalla leimikko- ja tavaralajikohtaisia arvo- ja jakaumamatriiseja voidaan tuottaa? (3) Miten tavoitetukkijakauman ja toteutuneen tukkijakauman välistä yhteensopivuutta voidaan mitata ja millainen olisi ideaali yhteensopivuuden mittari? Leimikkokohtaisten arvo- ja jakaumamatriisien tuottamista ja toimivuutta tarkastellaan kolmella tasolla. Yksinkertaisimmalla tasolla tarkastellaan arvomatriisin säätämistä yhdelle tukkitavaralajille yhdessä leimikossa. Arvomatriisin säätö toteutettiin sumeana säätönä (sumea logiikka) sahan tavoitetukkijakauman ja leimikon puustotiedon perusteella. Toisessa vaiheessa tarkastellaan yhden tukkitavaralajin arvomatriisien samanaikaista säätöä useisiin leimikoihin. Arvomatriisien paralleeli säätö toteutettiin genettisellä algoritmilla. Kolmannella tasolla tarkastellaan kahden tukkitavaralajin kokonaistavoitejakaumien osittamista leimikkokohtaisiin tavoitejakaumiin. Leimikkokohtaiset tavoitetukkijakaumat muodostettiin geneettisellä algoritmilla. Leimikkokohtaisesti säädettyjen arvo- ja jakaumamatriisien suorituskykyä verrattiin ei-leimikkospesifisten referenssimatriisien suorituskykyyn 15 kuusivaltaisessa eteläsuomalaisessa päätehakkuuleimikossa. Vertailussa jokaisen leimikon kuusirungot katkottiin apteeraussimulaattorilla sekä leimikkokohtaisten arvo- ja jakaumamatriisien että referenssimatriisien ohjaamina. Referenssimatriiseina käytettiin kahden suomalaisen sahateollisuusyrityksen arvo- ja jakaumamatriiseja, joko sellaisenaan tai vähäisessä määrin muutettuna. Leimikkokohtaisia matriiseja oli kahta tyyppiä: todellisen, hakkuukoneen keräämän runkodatan ja estimoidun, leimikoiden ennakkomittausdatasta koostetun runkodatan perusteella tuotettuja. Tavoitetukkijakaumien ja toteutuneiden tukkijakaumien välisen yhteensopivuuden mittaamiseen tarkoitettuja mittareita evaluoitiin sekä teoreettisin että kokeellisin analyysein. Evaluoitavia mittareita oli neljä: (1) perinteinen jakauma-aste, (2) khi-toiseen testistatistiikkaan perustuva mittari, (3) Laspeyres n määräindeksi ja (4) hintapainotettu jakauma-aste. Tutkimus vahvistaa, että tavoitetukkijakauman ja toteutuneen tukkijakauman välisen yhteensopivuuden maksimointi johtaa useimmissa tapauksissa suurempaan kuitupuukertymään ja pienempään tukkikertymään. Hintamatriisien etukäteissäätö näyttää parantavan tavoitetukkijakauman ja toteutuneen tukkijakauman välistä yhteensopivuutta leimikkotasolla, edellyttäen että säätöön käytettävä runkodata vastaa täysin leimikon todellista runkodataa. Kumulatiivisella tasolla hintamatriisien etukäteissäädöstä ei näyttäisi olevan hyötyä. Kokonaistavoitejakauman ositus leimikkokohtaisiin osatukkijakaumiin paransi kokonaistavoitejakauman ja kumulatiivisen toteutuneen tukkijakauman välistä yhteensopivuutta riippumatta leimikkokohtaisten tavoitejakaumien generointiin käytetyn runkodatan alkuperästä. Evaluoitujen neljän yhteensopivuusmittarin välillä ei havaittu merkittäviä suorituskykyeroja. Asiasanat: Puunkorjuu, katkonnan optimointi, simulointi, sumea säätö, geneettiset algoritmit, yhteensopivuus