«Темный лес»: будущее беспилотной заготовки древесины

Рисунок 1 . Иллюстративная 3D-модель автономного харвардера

Развитие ИИ идет быстро и сулит большие прибыли, что ускоряет проникновение технологий ИИ в медленно развивающиеся традиционные отрасли, такие как лесная промышленность, включая лесное хозяйство, изделия из древесины, целлюлозу и бумагу.

Лесное хозяйство – от лесопитомников и лесоводства до транспортировки заготовленной древесины к дороге – представляет собой почти идеальный полигон для внедрения ИИ в автономные (беспилотные) операции:

• повторяющиеся задачи с множеством «мелких решений и переменных» в лесоводстве, заготовке и транспортировке
• существующие или относительно легко доступные (для ключевых игроков) большие наборы данных для обучения моделей ИИ
• низкий риск травматизма во время операций из-за удаленности мест проведения операций
• относительно ясное финансовое обоснование замены операторов искусственным интеллектом – особенно в богатых лесами странах с высокой стоимостью рабочей силы, таких как Финляндия, Швеция, Канада, США

В этой статье мы рассмотрим сценарии и потенциальные результаты грядущей «революции ИИ в лес-ном хозяйстве», обсуждая вопросы «почему», «где» и «как» для этих сценариев. Технологическим ориентиром на этом отрезке, на наш взгляд, будет «темный лес» - почти полностью автономные опе-рации, по аналогии с «темными складами» в современных складских и логистических технологиях.

Аргументы в пользу автономности и электрификации

Вопросы «зачем?» и «почему?» в обсуждении будущего автономной заготовки древесины, вероятно, являются самыми простыми: переход к автономной заготовке и трелёвке, скорее всего, будет прибыльным, способствуя повышению конкурентоспособности игроков и регионов, внедряющих новую технологию, особенно игроков в странах с уже высокой стоимостью рабочей силы и низкой доступностью квалифицированных операторов лесных машин.

Насколько велик экономический потенциал автономной заготовки и транспортировки?

Ежегодно человечество заготавливает около 4 млрд м³ древесины с чуть более чем 4 миллиардов гектаров лесов на планете. Половина заготавливаемого круглого леса (около 2 млрд м³/год) идет на промышленную переработку, другая половина – на непромышленное сжигание. Общая стоимость заготовки и транспортировки делового круглого леса в регионах с высокой стоимостью рабочей силы составляет примерно 12 евро за м³ (реальные USD 2022 г.) – см. диаграмму ниже на примере Финляндии. В эту цифру не входит стоимость вывозки леса из делянок (показано отдельно на графике).

Рисунок 2 . Стоимость заготовки и транспортировки в Финляндии, 2000–2022 гг., в реальных евро 2022 г. (анализ на основе Статистического управления Финляндии и Luke)

Затраты на оплату труда в общей стоимости промышленной заготовки/трелёвки составляют 1-5 евро/м³ в зависимости от географии (включая доставку древесины к дороге, но без учета вспомогательных функций и вывозки). Это означает, что затраты на рабочую силу составляют более 4 миллиардов евро в год, а потенциальная возможность экономии от перехода на менее трудозатратные технологии составляет более миллиарда долларов США в год суммарно в мире. И потенциал экономии здесь, возможно, больше, чем при автономной (беспилотной) вывозке круглого леса от делянок до заводов.

Параллельно с этим мы можем увидеть более широкое распространение электрических или гибрид-ных решений при заготовке и трелёвке – и это может стать дополнительным фактором, подталкиваю-щим к автономности: меньшее количество движущихся частей означает меньше необходимости в тех-ническом обслуживании, что важно для операций на отдаленных площадках.

Электрические/гибридные инновации также будут, во многом, обусловлены ожиданием получения прибыли (даже в случае гибридных решений ожидаемая экономия топлива, оценочно, составит около 20%, в дополнение к ожидаемому увеличению мощности и производительности).

Дополнительным стимулом к электрификации парка заготовительных и трелевочных машин является экологичность, поскольку электропарки могут использовать возобновляемую энергию: мобильные фотоэлектрические панели, мобильные ветряные турбины, мобильные гидроэлектростанции или мо-бильные ТЭЦ на биомассе. И даже использование более традиционных источников энергии будет способствовать устойчивости – за счет экономии топлива.

Еще один дополнительный драйвер: возможности улучшить положение медленно растущей древесины северного полушария в конкурентной борьбе с плантационной древесиной экваториального пояса и южного полушария – и для (крупных) лесопромышленных холдингов северного полушария этот путь может оказаться вдвойне привлекательным.

Status quo

Cудя по интервью, проведенным при подготовке этой статьи, электрификация автопарка начинает рассматриваться в отрасли как относительно предсказуемый путь как в технологическом, так и в финансовом отношении. С другой стороны, путь к автономным (беспилотным) операциям пока рассматривается как «слишком далекое будущее». Однако прогресс в направлении общих беспилотных технологий и общего ИИ может оказаться для ЛПК неожиданно быстрым – с возможными быстрыми решениями и быстрым внедрением у будущих лидеров в ЛПК, поскольку риски в удаленных местах минимальны (по сравнению, например, с рисками при эксплуатации беспилотных автомобилей), а экономическое обоснование может оказаться вполне уверенным.

Точки кристаллизации новых технологий

Наиболее вероятные регионы, которые станут пионерами коммерческого использования автономных решений для заготовки и трелёвки, вероятно, будут иметь:

• масштабные лесозаготовительные работы
• крупные местные лесопромышленные холдинги, готовые к пилотным проектам
• локальную разработку и производство лесозаготовительной техники
• проверенный опыт инноваций и коммерческих решений в таких областях, как автономное вожде-ние, электрические силовые агрегаты, производство солнечной и ветровой энергии, автономное сельское хозяйство (последнее, на наш взгляд, является областью опережающего развития по сравнению с лесным хозяйством, т.е. некоторые решения могут быть позаимствованы практиче-ски напрямую из сельского хозяйства в лесное хозяйство)

Дополнительными соображениями могут быть:

• Насколько однородны леса: в лучшем случае это частные моно-плантации балансовой древе-сины с равнинным рельефом и относительно сухой почвой; худший сценарий – каменистая или болотистая местность, крутые склоны, выборочные рубки естественного леса.
• Насколько важна лесная отрасль для страны (чем выше важность, тем больше мотивации к ин-новациям в секторе)
• Насколько безопасна страна для автономной работы (включая риски кражи или вандализма)

Учитывая эти соображения, давайте ответим на вопрос «где ожидаются будущие точки кристаллизации новой технологии»?

Рисунок 3 . Топ-15 производителей делового круглого леса в мире, 2022 г. (анализ по данным ФАО)

Крупнейшими странами по заготовке делового круглого леса являются США, Россия, Китай, Бразилия и Канада. На долю пяти крупнейших стран приходится более 50% производства деловой древесины в мире. Следующими в пятерке крупнейших производителей делового круглого леса являются Индоне-зия, Швеция, Германия, Финляндия, Индия. Суммарная доля стран топ-10 составляет 2/3 мирового производства делового круглого леса.

Одна из этих стран, вероятно, станет местом, где начнется коммерчески жизнеспособная автономная заготовка древесины. Какая из них? Наиболее вероятными кандидатами в топ-10, на наш взгляд, являются: США, Бразилия, Финляндия и Германия. С возможным добавлением соседних стран: Канады, Уругвая, Швеции и Австрии, соответственно.

Ключевые драйверы и основные препятствия для этих стран немного различны:

• Ключевые драйверы развития электрической и автономной заготовки в США/Канаде и в Скандинавии схожи: высокая стоимость рабочей силы подталкивает к автономным решениям; крупные лесопромышленные холдинги, способные поддерживать пилотные программы, и зрелые производители лесной техники – некоторые из них даже имеют опыт работы в быстро развивающихся областях (наиболее очевидный пример – John Deere с автономными электрическими сельскохозяйственными машинами)
• Германия/Австрия отстают от США и Скандинавии в нашем рейтинге, в основном из-за отсутствия крупных местных производителей лесозаготовительной техники.
• Ключевыми факторами для Бразилии являются: однородность лесов, обилие солнечной энергии, крупные вертикально интегрированные лесопромышленные холдинги с частными плантациями и опытом быстрого внедрения инновационных решений в цепочках поставок древесины.

Немного подробнее те же драйверы показаны для топ-10 стран-производителей делового круглого леса в таблице ниже.

Рисунок 4 . Ключевые факторы перехода к автономной заготовке древесины, отдельные районы

В этом иллюстративном примере (Рис. 4), если принять равный вес для каждого из факторов, предполагаемая вероятность появления автономной заготовки высока для Финляндии/Швеции, США/Канады и Бразилии. На наш взгляд, важность однородных лесов, обилие солнечной энергии и наличие крупных, готовых к инновациям лесопромышленных холдингов могут перевесить другие факторы, что подтолкнет Бразилию (и, в некоторой степени, Китай) еще дальше вперед в настоящем сравнении.

Существующие и потенциальные решения

Как может развиваться сценарий электрификации и ИИ в заготовке/трелевке? Кто будет производить первые коммерчески жизнеспособные автономные машины? На данный момент похоже, что крупнейшие игроки уже занимают лидирующие позиции. В частности, два производителя лесных машин, похоже, имеют хорошие шансы возглавить гонку:

• John Deere (производство лесозаготовительной техники в Канаде и Финляндии) уже имеет несколько автономных и полуавтономных электромобилей сельскохозяйственного назначения. В 2024 году John Deere объявила о стратегическом партнерстве со Starlink для обеспечения спутникового подключения к Интернету техники John Deere для поддержки разработки технологий в области автономности, обмена данными в реальном времени, удаленной диагностики, улучшенных решений для самостоятельного ремонта и связи между машинами в сельском хозяйстве. Первые терминалы Starlink планируется установить уже в 2024 году, начиная с техники в США и Бразилии.
• Ponsse (Финляндия) разработала концептуальный гибридный форвардер с полностью электрической трансмиссией и гидравлической системой погрузчика с электроприводом.

Рисунок 5 . Иллюстративная 3D-модель автономного харвардера

Другие производители лесных машин также могут сыграть важную роль в этой гонке, частично опираясь на аналогичные инициативы:
• Komatsu (крупный производитель техники для различных отраслей промышленности; штаб-квартира в Японии; производство лесозаготовительной техники в Финляндии) с текущими ожиданиями выпуска на рынок «электрической лесозаготовительной машины к концу десятилетия» и с уже существующими электро-экскаваторами
• Volvo/Geely (Швеция/Китай) с электрическими лесовозами, электрическими строительными машинами Volvo Construction Equipment, электромобилями Geely, электрическими силовыми агрегатами для лесного хозяйства Volvo Penta и (совместно с Air Burners и Rolls-Royce) мобильным генератором энергии на древесной биомассе
• Caterpillar (крупный производитель техники для различных отраслей промышленности, штаб-квартира в США) с электрическими строительными и погрузочными машинами, а также с производством лесопогрузчиков (больше не занимается лесозаготовительной техникой, после того как эта часть бизнеса была продана Weiler Forestry)
• Malwa Forest (Швеция) с недавно представленным полностью электрическим харвестером для прореживания (в сотрудничестве с Regal Components AB, Traktorarvid AB, Micropower AB и Powerswap AB)
• Другие/меньшие западные игроки, такие как Rottne, Weiler Forestry, HSM и т.п.
• Несколько китайских игроков на рынке лесозаготовительной техники, при возможной поддержке со стороны компаний вне сектора.

Кроме того, важную роль могут сыграть инициативы, реализуемые непосредственно лесопромышленными холдингами и отдельными институтами. Недавние примеры работ в этом направлении:

• Университет LTU в сотрудничестве со Шведским Сельскохозяйственным Университетом и кла-стером лесохозяйственных технологий (при поддержке SCA и Holmen) тестирует автономную исследовательскую лесозаготовительную машину и автономный форвардер (платформа AORO, проект активен с 2014 года); в феврале 2024 года прошли первые полевые испытания форвардера
• Университет Skogforsk (Швеция) с работой над дистанционно-управляемыми и автономными форвардерами, а также над машинами для подготовки почвы
• Автономная машина для посадки саженцев Södra (не совсем заготовительная, но шаг примерно в том же направлении); и аналогичный проект у Vinnova/SCA (проект Autoplant)
• Автономная транспортировка щепы Stora Enso внутри одного из заводов Stora; SCA и Södra (в сотрудничестве со Scania) и Metsa с испытаниями электролесовозов и электрощеповозов, в т.ч. на дорогах общего пользования. Электролесовоз SCA (Scania) к марту 2024 года работает уже полтора года и проехал за это время почти 50 тыс. км. В этой группе следует упомянуть и MAN (входит в VW Group, как и Scania) с запуском автономного грузового автомобиля (тесты автономной системы проходят в Германии, новости от апреля 2024 года).

Кроме того, игроки за пределами отрасли могут увидеть возможность адаптировать недавние достижения к реалиям лесного хозяйства. Хорошие позиции здесь имеют компании, занимающиеся автономным сельским хозяйством и искусственным интеллектом в целом. В этой группе имеется ряд недавних примеров подобного развития. Назовём лишь два:

• Объединение лесовозов (автономных или нет) в цепочки «один-за-другим» для автономной или полуавтономной работы (FPInnovations, NFMC), а также автономные погрузчики бревен (FPInnovations)
• Автономные и полуавтономные электрические грузовики, в том числе лесовозы, представленные шведским «единорогом» Einride (хотя после 2020 года с проектом лесовоза было довольно мало активности).

В каком-то смысле это «перетягивание каната»: с одной стороны, сочетание передовых технологий и наработок у производителей техники и наличие крупных лесопромышленных холдингов в Северном полушарии – где лесные условия гораздо более требовательны и трудны для автономной техники. С другой стороны, инновационные холдинги в ЛПК в более легких для ИИ регионах нуждаются в поддержке (западных) поставщиков оборудования и специалистов по искусственному интеллекту: и Бразилия (как и Китай) могут стать здесь интересным испытательным полигоном.

Пример возможного решения: харвардер

Промышленная заготовка в настоящее время осуществляется преимущественно сортиментным методом (CTL, харвестеры + форвардеры) или хлыстовым методом (TL, валочно-пакетирующие машины, трелевочные машины, процессоры). Более экзотические комбинации включают, например, валочно-пакетирующие машины, за которыми следуют процессоры, а затем форвардеры.
Еще более экзотичным вариантом является харвардер – сочетание харвестера и форвардера в одной машине, без необходимости загрузки бревен в форвардеры с земли, но с необходимостью перемещать всю машину к дороге после полной загрузки. На наш взгляд, харвардеры являются одними из наиболее многообещающих путей к автономному и электрическому лесному хозяйству.

Рисунок 6 . Иллюстративная 3D-модель автономного харвардера

Две основные причины, по которым харвардеры являются многообещающим путем – надежность и универсальность:

• Проблемы с любым из харвардеров не повлияют на другие харвардеры на той же площадке (что неизбежно произошло бы в группах операций CTL и TL) – и это может быть важно в случае удаленных операций без присмотра человека или без возможности быстро решить проблему
• Большая универсальность означает большую гибкость в управлении бригадами (нет необходимости организовывать бесперебойное взаимодействие между заготовкой и трелевкой, поскольку нет необходимости загружать бревна с земли)

Харвардеры — это, пожалуй, наиболее быстрый путь к автономной работе в лесозаготовке. Однако этот путь требует мысленного переключения операционной модели с CTL/TL на харвардеры. И это может стать серьезным препятствием, и в этом случае альтернативные пути могут перевешивать. Примеры альтернатив включают в себя:

• Автономная трелёвка во время заготовки, при том, что управление харвестерами остается, по крайней мере, в течение значительного времени, в руках людей-операторов. Позже форвардеры также могут стать автономными – переходя к целиком «беспилотным» комплексам автономных харвестеров и форвардеров.
• «Рой лесных дронов» из небольших машин, таких как «харвестерные головки на колесах» или даже «харвестерные головки с пропеллерами» – с обрубкой сучьев, выполняемой на стоящих деревьях, и трелевкой, выполняемой меньшими машинами или трелевочными системами (этот путь требует значительных инженерных усилий, помимо решения вопросов автономности – но при этом 1-2 оператора могут выполнять роль супервайзеров, без непосредственного вовлечения в решения по каждому отдельному дереву)
• Переход к большему количеству функций, выполняемых на объекте: включая, например, из-мельчение щепы, сушку щепы перед транспортировкой на большие расстояния, подготовку почвы, посадку новых деревьев и другие работы – с использованием большего парка специализированных или многофункциональных машин, контролируемых и обслуживаемых операторами на местах работы.

Рисунок 7 . Иллюстрационная 3D-модель автономного харвардера

Параллельно с этим ожидается дальнейшее развитие цифровизации и кастомизации в лесном хозяйстве:

1. В селекции и генетической модификации пород деревьев – чтобы сделать их более приспособленными к определенным климатическим и почвенным условиям, улучшая периоды севооборота и урожайность (как в м³/га/год, так и прибыли с м³), попутно повышая рентабельность операций.
2. В информационных технологиях для управления древесными ресурсами – например, ведущие к виртуальным «паспортам бревен» для каждого дерева и каждого бревна с индивидуальной записью в базе данных для каждого бревна (3D-модель, «отпечатки пальцев» торцов, RFID или аналогичные идентификаторы) – и далее повышение выхода и максимизация прибыли за счет получения лучших продуктов по лучшим рыночным ценам из каждого бревна.
3. Оба предыдущих пункта могут дополняться смещением в сторону биоразнообразия при лесопосадка и воспроизводстве леса.

Все эти инициативы будут способствовать дальнейшему повышению конкурентоспособности игроков/регионов с наиболее дальновидным мышлением, максимизируя выпуск добавленной стоимости цепочек поставок на основе характеристик выращенных и срубленных деревьев.

Мы готовы поддержать это развитие, а также «более традиционные» способы повышения рентабельности в лесопромышленной деятельности, включая лесное хозяйство, производство изделий из дре-весины, целлюлозы, бумаги и упаковки. Пожалуйста, свяжитесь с авторами, чтобы узнать больше о нашей возможной поддержке и обменяться идеями.

Авторы:

Алексей Бесчастнов,
управленческий консалтинг в ЛПК,
Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.

Андрей Бесчастнов,
иллюстрации к статье