OPERAATIOTUTKIMUS METSÄTALOUDESSA

Transkriptio

1 OPERAATIOTUTKIMUS METSÄTALOUDESSA Jyrki Kangas, UPM Metsä & Annika Kangas, Helsingin yliopisto Alustus FORS-seminaarissa 'Operaatiotutkimus metsäsektorilla' Helsinki

2 Tyypillisimmät OR-tehtävät metsätaloudessa Strateginen metsäsuunnittelu tuotetaan (simuloinnilla ja optimoinnilla) vaihtoehtoisia metsänkäyttöstrategioita, joista yksi valitaan usein pitkä aikajänne, laaja alue tehdään maankäyttöratkaisuja, valitaan hakkuiden taso (m 3 /vuosi) ja rakenne => hakkuulaskelma, jolla tuotetaan hakkuusuunnite Taktinen metsäsuunnittelu tyypillisesti vuotta tuotetaan valittua strategiaa / metsänomistajan tavoitteita toteuttava tila- /alue-/maisema-/tms. tason metsänkäyttöohjelma; optimaaliset toimenpiteet sijoitteluineen ja ajoituksineen päätösten tueksi Operatiivinen metsäsuunnittelu taktisessa suunnittelussa osoitetun toimenpiteen yksityiskohtainen toteutussuunnitelma Muita mm: puunhankinnan suunnittelu, puutavarakuljetusten optimointi, hakkuukonesovellukset, maankäyttösuunnitelmien vertailu 2

3 3

4 Strategisen ja taktisen metsäsuunnittelun piirteitä Useita metsänkäyttömuotoja ja tavoitteita tarkasteltavana Ainespuun tuotannon lisäksi nykyisin myös virkistys, maisema, riista, monimuotoisuus, energiapuu,... Monesti useita osallistujia erilaisin valmiuksin ja ristiriitaisin odotuksin Ryhmäpäätöstuki Osallistava suunnittelu Lähtötiedon laatu ja olemus vaihtelee Paljon epävarmuutta ja suoranaista tiedon/mallien puuttumista Paikkatietoa, epälineaarisuuksia ja spatiaalisia suhteita => Vaatimuksia analyysimenetelmille 4

5 Historiaa 1 Varhaisimmat hakkuulaskelmamenetelmät jo 1700-luvulla Simulointi ja lineaarinen optimointi 1960-luvulla Curtis, F.H Linear programming of the management of a forest property. Journal of Forestry 60: Suomessa: Kilkki P Tulotavoitteeseen perustuva hakkuulaskelma. Acta Forestalia Fennica 91, 54 s luvulla aloitettiin lineaariseen optimointiin perustuvan MELA (MEtsäLAskelma) -ohjelmiston kehitystyö; M. Siitonen ja P. Kilkki Monitavoiteoptimointia 1980-luvun puolivälistä lähtien T. Pukkala, MONSU-ohjelmisto Heuristisia menetelmiä spatiaalisiin ja epälineaarisiin ongelmiin 1990-luvun alusta lähtien 5

6 Historiaa 2 Hyötyteoreettisia sovelluksia 1990-luvun alusta lähtien MCDA-menetelmiä 1990-luvun alusta lähtien Viime aikojen OR-teemoja: spatiaalinen optimointi, soft OR, äänestysmenetelmät, fuzzy, hybridimenetelmät, nettisovellukset, ryhmäpäätöstuki, osallistava suunnittelu Simulointimallit ja simulaattorit olleet kehitystyön alla jatkuvasti Nyt työn alla uuden sukupolven tietojärjestelmäkokonaisuus SIMO (SIMulointi ja Optimointi) metsäalan toimijoiden laaja yhteistyöhanke moduleita tietojärjestelmiin 6

7 Optimointiongelman perusasetelma Metsäalue jakaantuu metsiköihin, joille kullekin valitaan oma käsittelyohjelmansa (sama ohjelma koko yhdelle metsikölle) Metsiköitä voi olla paljon Joka metsikölle simuloidaan useita erilaisia käsittelyohjelmia Kunkin käsittelyohjelman mukainen kehitys simuloidaan toimenpiteitä sekä puustoa kasvua, syntymistä ja kuolemista kuvaavilla (tilastollisilla) malleilla Vaihtoehtoja esimerkiksi 1-10 jokaiselle metsikölle Suunnitelma = metsiköittäisten käsittelyohjelmien yhdistelmä (kullekin metsikölle yksi ohjelma) Esim UPM:n ha:n metsäpalsta Etelä-Suomessa: metsiköitä 4000 kpl, tyypillisesti 10 vaihtoehtoista käsittelyohjelmaa kullakin => optimointitehtävässä suunnitelmavaihtoehtoja kpl 7

8 TOIMENPIDEKETJU tapahtuma Tila Aika 8

9 Metsäsuunnittelun LP-tehtävä Kullakin metsikkökuviolla (k=1...m) useita käsittelyohjelmavaihtoehtoja (i=1...n k ) LP-tehtävä muotoillaan siten, että aktiviteetteina ovat kullakin metsikkökuviolla kullakin käsittelyohjelmalla käsitellyt pinta-alat x ij max z = m k= 1 nk i= 1 c ki x ki m n k k= 1 n k i= 1 i= 1 x ki a kij = x ki b, i d j,j = 1,..., p k = 1,..., m 9

10 Esimerkkiprosessi strategisessa & taktisessa metsäsuunnittelussa Tuotetaan koko alueelle 5-10 kpl vaihtoehtoisia suunnitelmia simuloinnilla ja optimoinnilla 50 vuodelle LP, HERO, Simulated annealing, Tabu search,... Kaikkia päätöskriteerejä ei pystytä ottamaan huomioon MCDA-menetelmin analysoidaan vaihtoehtoja, joista yksi valitaan Vertailuihin mukaan muutkin kriteerit (ja ehkä useita osallistujia) Tilanteen mukaan AHP, SMAA(-O), äänestysmenetelmät, SMART,... Määritetään mahdolliset hienosäätö- yms. tarpeet valittuun strategiaan (tarvittaessa uusien vaihtoehtojen tuottaminen) Muotoillaan yksityiskohtaisempi vuoden optimointitehtävä Ratkaisuna strategiaa toteuttava metsiköittäisten käsittelyohjelmien yhdistelmä Suurin ongelma käytännössä: metsävaratiedon huono laatu 10

11 Vaihtoehtoisten suunnitelmien tuottaminen Metsävaratietokanta Simulointiparametrit Käsittelyvaihtoehtojen simulointi Tavoitteet ja rajoitteet Optimituotanto-ohjelman tuottaminen Tuotanto-ohjelmavaihtoehdot metsiköittäisine käsittelyohjelmineen Vaihtoehtojen vertailu ja parhaan valinta 11

12 Esimerkki Puikkokosken alue; fuzzy MCDA -kokeilu Paino Very high Low Medium Medium Very high High High Yhtiön puuhuolto Omaisuude VE Ecological Hunting Imago virkistys 10 v n tuotto aluetalous 1 Medium High Very high High Medium 2 Low Low Very low Low Very high 3 Medium Medium Low Medium Very high 4 Medium Medium Medium Medium High 5 High High Medium High Very low 6 Medium Medium Medium High Medium 7 Medium High Very high High Medium 8 Medium High High High Medium 9 Medium High High High Low 12

13 Esimerkki Puikkokosken alue; fuzzy MCDA -kokeilu 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,

14 SIMO SIMOn kehitystyö alkoi HY:n Metsävarojen käytön laitoksella syksyllä 2004 tutkijat Jussi Rasinmäki, Jouni Kalliovirta ja Antti Mäkinen Modulaarinen ohjelmisto toteutetaan kokonaan freewarena Koko ohjelmisto on vapaasti kenen tahansa ladattavissa netissä Tällä hetkellä työn alla tietomalli metsän kehitystä ennustava ja toimenpideketjuja tuottava simulaattori Ensi syksystä alkaen ohjelmistoon liitetään optimointi (LP, heuristiikka) laatukontrolli 14

15 SIMO-kumppanit UPM-Kymmene Metsä (koordinaattori) Tornator oy Metsämannut oy Metsähallitus Metsätalouden kehittämiskeskus Tapio Metsäkeskukset Helsingin yliopisto Tekes 15