Интеллектуализация систем проектирования, управления и функционирования горного производства

УДК 622.550.8.028

Интеллектуализация систему проектирования, управле! и функционирования roi производства

А.А. Лисенков, д-р. техн. наук, проф., зав. лабораторией «Проектирования и осовения недр»

А.А. Куандыков, д-р. техн. наук, проф., главн. научн. сотрудник лаборатории «Открытой разработки недр»

С.С. Букейханова, зав. лабораторией «Открытой разработки недр»

С.Б. Лысенко, ведущий инженер лаборатории «Открытой разработки недр»,

Институт горного дела им. Д.А. Кунаева (Алматы, Казахстан)_

Горнодобывающие отрасли по-прежнему играют большую роль в экономике Республики Казахстан. Наличие мощной по мировым меркам минерально-сырьевой базы топливно-энергетических ресурсов, черных и цветных металлов создает уверенность в том, что такое положение сохранится и в обозримой перспективе. Поэтому для Казахстана важно находиться в мировых трендах развития горной науки и практики. Одним из таких трендов является интеллектуализация всего горного производства, а также обеспечивающих его функционирование и развитие систем горного проектирования и управления.

Сточки зрения затрат физического и умственного труда человека весь исторический процесс эволюции разработки месторождений полезных ископаемых можно разделить на три периода [1]:

1 - примитивного ручного труда;

2 - механизации, или физического освобождения;

3 - автоматизации, или интеллектуального освобождения.

Этим периодам соответствуют три уровня познания горного производства: эмпирический, аналитический и информационный. Переход к третьему периоду, происходящий в настоящее время, завершится созданием в обозримой перспективе безлюдных технологий горного производства. В соответствии с этим на повестке дня стоит проблема создания теории и методики проектирования карьеров третьего поколения. К этим карьерам относятся технологические комплексы, в которых машинами заменены не только физические усилия человека, но и в значительной степени интеллектуальные [1]. Результатом такой замены в конечном счете должно стать безлюдное горное производство, в котором все основные и вспомогательные работы будут выполняться машинами-роботами, а присутствие человека будет носить «исключительно инспекционный характер», в том числе при возникновении аварийных ситуаций.

Очевидно, что успешное развитие этого направления требует новых постановок проектных и управленческих задач, учитывающих очевидные мировые тренды и отражающие взгляды ученых и специалистов на то, как должны проектироваться и управляться горнодобывающие предприятия в ближайшей и более отдаленной перспективе.

Комплексный подход к созданию интеллектуальных сис-

тем управления горным производством реализуется в горнорудном сегменте компании ООО УК «Металлоинвест», представленном Михайловским и Лебединским ГОКами - крупнейшими в России железорудными комбинатами, расположенными в районе Курской магнитной аномалии [2]. Руководством компании поставлена задача создания единой системы управления всем производственным процессом - начиная от стратегического планирования и добычи руды до отгрузки готовой продукции конечному потребителю, что соответствует лучшему мировому опыту автоматизации горных работ. К настоящему времени внедрены системы геологического моделирования и планирования, управления железнодорожным транспортом, оптимизации экскаватор-но-автомобильного комплекса, автоматизации управления фабриками, системы управления буровзрывными работами. Благодаря этому оптимизирована работа подразделений компании, повысились эффективность ее работы и конкурентоспособность.

Применяемое бортовое оборудование системы диспетчеризации - бортовые компьютеры, системы передачи данных навигационное оборудование GPS/ГЛОНАСС - позволяет совместно с серверным программным обеспечением осуществлять в режиме реального времени перераспределение техники для оптимизации работы горнотранспортного комплекса в соответствии с заданными критериями. В результате производительность горнотранспортного комплекса увеличилась на 8%, средняя загрузка самосвалов возросла до 98% от номинального значения, практически полностью исключены организационные простои и перегрузы техники, получены достоверные фактические данные о работе

всех экскаваторов и самосвалов в карьере. В настоящее время на Лебединском ГОКе под контролем системы мониторинга находится 500 единиц хозяйственного и горнотранспортного оборудования.

Рассматривается возможность построения комплексной системы управления производством на программной платформе SAP - одного из мировых лидеров в области корпоративных систем управления. В рамках этого проекта будут организованы передача данных в режиме реального времени о простоях оборудования, плановых и фактических объемах грузоперевозок, потреблении топлива, ведение различных справочников и др. В схеме интеграции будет осуществляться взаимный обмен данными между АСУ ЖДТ и ERP-системой в автоматическом режиме на уровне базы данных.

Одним из перспективных направлений повышения безопасности ведения горных работ является использование «безлюдной» технологии. Роботизированная автономная и дистанционно-управляемая техника позволит полностью исключить присутствие человека в зоне ведения горных работ.

Таким образом, на данном предприятии в результате многолетних усилий построен фундамент, на основе которого будет создана комплексная интеллектуальная система управления всем технологическим процессом, что позволит значительно повысить эффективность работы предприятий компании и сохранить мировое лидерство в отрасли.

Горное проектирование, так же как и сферы управления горнодобывающими предприятиями, должно развиваться в направлении интеллектуализации. С этой точки зрения выделяются следующие перспективные методы проектирования горных предприятий [3]:

1. Переход на методы объёмного проектирования;

2. Визуализация динамики развития горных работ в карьерном или шахтном поле;

3. Изменения основного проектного инструментария;

4. Обновление практически всей нормативной и методической проектной документации;

5. Разработка норм технологического проектирования горных предприятий нового поколения.

Можно также согласиться с тем, что «не подлежит сомнению реальность автономизации практически любого горного оборудования: погрузчиков, экскаваторов, буровых станков, бульдозеров и иных машин». В связи с этим автор [3] связывает определенные надежды с реализацией российской программы «Интеллектуальное горное предприятие». Однако отмечает, что работы по этой программе «ведутся слишком неспешно, со значительным отставанием от лидеров, что чревато очередной потерей рыночных позиций отечественным горным машиностроением».

Здесь уместно отметить, что в советское время в Институте горного дела Академии наук КазССР на протяжении длительного периода проводились глубокие исследования в области роботизации подземных горных работ, и был изготовлен экспериментальный образец робототехнического комплекса, на котором проводились лабораторные исследования. К сожалению, после распада СССР эти работы были полностью остановлены и их возобновление в современных условиях уже невозможно.

Вопросы интеллектуализации геоинформационных систем поддержки принятия решений для анализа состояния горных массивов и прогнозирования возникновения опасных ситуаций при ведении подземных горных работ рассмотрены в статье [4]. Для выполнения этого анализа разработан программный комплекс «Геодин», который входит в со-

став «Автоматизированной системы поддержки принятия технологических решений и комплексного синтезирующего мониторинга (АС ППТР и КСМ) для горнотехнической системы шахты». Применение данного комплекса обеспечивает снижение рисков и предотвращение опасных природных и техногенных явлений при комплексном освоении недр месторождений твердых полезных ископаемых. Проводятся исследования по расширению функциональных возможностей комплекса «Геодин» за счет введения в него интеллектуальных средств предопределяющего моделирования изменения состояния системы «горный массив - выработки» и прогнозирования возможных геодинамических явлений с оцениванием рисков их возникновения.

В последние годы в России предпринимаются активные попытки решения проблемы перехода к безлюдной добыче полезных ископаемых открытым способом.

Так, компания «ВИСТ Майнинг Технолоджи» [5] - дочерняя структура ОАО «ВИСТ Групп», резидент технопарка «Сколково», созданная в 2011 г., развивает проект «Интеллектуальный Карьер» в рамках «Национальной технологической инициативы». Разрабатываемая интеллектуальная система предназначена для обеспечения безлюдной работы горного оборудования карьера как в автономном режиме, так и в режиме дистанционного управления. Уже созданы и протестированы технологии для осуществления надежной работы автономных самосвалов, а также дистанционно управляемой техники (экскаваторов, погрузчиков, бульдозеров, буровых станков), автономного ж/д транспорта и автономных грузовых автомобилей.

По мнению разработчиков системы «Интеллектуальный Карьер», ее применение повлечет за собой:

- повышение производительности горнотранспортного комплекса на 15-20%;

- повышение безопасности горных работ;

- повышение коэффициента технической готовности техники на 3%;

- снижение затрат на горюче-смазочные материалы на 5-15%;

- снижение эксплуатационных затрат на 2-7%;

- возможность вести добычу полезных ископаемых в труднодоступных и тяжелых по климатическим условиям регионах (в том числе в Сибири, Якутии, на Крайнем Севере и др.).

Реализация данного проекта означает начало нового этапа развития известной системы АСУ ГТК «Карьер», применяемой на горнодобывающих предприятиях России и других стран СНГ и отмеченной в 2009 г. правительственной премией в области науки и техники.

Следует отметить следующие основные вехи, пройденные этим проектом:

- успешное испытание в 2010 г. на полигоне ОАО «БЕЛАЗ» роботизированного, дистанционно управляемого автосамосвала на базе БЕЛАЗ-75137;

- создание в феврале 2011 г. Межведомственной секции Научного совета РАН по проблемам горных наук «Интеллектуальное горное предприятие»;

- первая демонстрация в 2013 г. роботизированного беспилотного БЕЛАЗа, имитирующего работу реального карьерного транспорта;

- демонстрация в 2015 г. на конференции «БЕЛАЗ-2015». Развитие в реальном времени прототипа автономного автосамосвала, способного выполнить весь производственный цикл: выход на маршрут с условной стартовой площадки, движение к погрузчику, остановку для погрузки,

движение груженым на разгрузку, разгрузку и возврат на исходную точку;

- разработка в 2015 г. по заказу ПАО «КАМАЗ» автономного грузового автомобиля на базе КАМАЗ. Роботизированный КАМАЗ успешно прошел многочисленные испытания на полигонах МЧС, испытательных площадках ПАО «КАМАЗ»;

- начало разработки дистанционно управляемого бульдозера на базе Четра Т35 в 2016 г.

На повестке дня стоят задачи перехода от указанных выше прототипов горной техники к промышленным образцам.

Наглядное представление о возможности «беспилотной» работы карьерных автосамосвалов можно получить, ознакомившись с опубликованным на канале YouTube видео о проведенных в 2013 г. на заводском полигоне испытаниях роботизированного 130-тонного БЕЛАЗа [6], изучив другие видеоматериалы по данной тематике [7-9].

По данным Forbes [10] на дальнейшее развитие данного проекта привлечено 400 млн руб. от Российско-Казахстанского фонда нанотехнологий, находящегося под управлением компаний I2BF Global Ventures и ВТБ Капитал Управление активами.

Однако в реализации данного проекта не все так безоблачно, как представляется на первый взгляд. Об этом достаточно подробно сказано в статье [11]. Ее автор концентрирует внимание на следующих проблемах внедрения технологии «Интеллектуальный карьер» на российских горнодобывающих предприятиях:

1. Необходимость организации качественного и систематического проведения комплексного диагностирования, технического обслуживания и ремонта беспилотных самосвалов в рамках технологии «Интеллектуальный карьер»;

2. Нехватка квалифицированных кадров для работы беспилотной техники;

3. Сопротивление со стороны сотрудников предприятия;

4. Удорожание техники вследствие ее модернизации на 20-30% и большой срок окупаемости мероприятий;

5. Высокая изношенность основных средств производства предприятий, которая колеблется по отраслям и регионам и достигает в среднем около 80%;

6. Невозможность совмещения на одном участке работ автоматизированной техники и техники, управляемой человеком;

7. Возможность перебоев в работе всего горнодобывающего предприятия и снижения контроля нахождения техники в карьере в случае неправильного определения маршрутов движения беспилотников;

8. Необходимость учета зависимости производительности и других эксплуатационных характеристик беспилотного оборудования от прочности добываемых пород (гипс, известняк, уголь), а также климатических условий производственной деятельности.

К этому следует добавить острую социальную проблему, связанную с высвобождением и трудоустройством работников предприятий, на которых будет применяться роботизированная техника.

Решение этих и других проблем, связанных с реализацией первого в СНГ проекта по созданию роботизированной технологии добычи полезных ископаемых, будет способствовать повышению конкурентоспособности и эффективности работы горнодобывающих предприятий и отраслей.

Важнейшим социально значимым результатом интеллектуализации горного производства станет обеспечение без-

опасности труда подземных горнорабочих. С этой целью разрабатываются специализированные системы мониторинга и управления любым технологическим оборудованием в шахте, обеспечения связи и сигнализации, наблюдения, оповещения и поиска людей, застигнутых аварией. В качестве примера можно сослаться на наиболее совершенный на данный момент информационный комплекс «Умная Шахта»

- ГОРНАСС, созданный в научно-производственной фирме «ГРАНЧ» [12,13].

В состав комплекса входят три системы:

- Granch МИС - многофункциональная измерительная система аэрогазового контроля, системы передачи информации и автоматизированного управления конвейерным транспортом, шахтным водоотливом энергоснабжением и др.;

- СгапсЬ SBGPS - система наблюдения, оповещения и поиска людей, застигнутых аварией, позволяющая непрерывно наблюдать местоположение шахтера под землей с погрешностью +20 м, передавать шахтеру команды и сигналы голосовыми фразами, оповещать об опасности и получать подтверждение, что сигнал не только принят, но и осознан, измерять газовую обстановку вокруг каждого шахтера и передавать информацию о ней на пульт диспетчера, подсказывать человеку, находящемуся под землей, правильные действия в зависимости от той ситуации, в которой он находится;

- СгапсЬ SBAVS - система громкоговорящей связи, оповещения и сигнализации, которая обеспечивает голосовую связь с диспетчером или любым другим абонентом, группой абонентов, всеми абонентами, осуществляет предпусковую сигнализацию конвейерного транспорта, имеет функции аварийного останова конвейера с индикацией номера сработавшего поста, выдает предупреждающий сигнал не только на стационарные посты, но и на устройство оповещения, совмещенное с индивидуальным головным светильником.

Объективно оценивая возможность запуска и реализации аналогичных проектов в Казахстане можно констатировать недостаточное внимание к ним как со стороны государственных органов, так и бизнеса. Между тем в стране накоплен большой научный задел в области автоматизированного проектирования и управления горнодобывающими предприятиями. Сохранились коллективы ученых и специалистов, которые продолжают работать по этой тематике, в том числе и в направлении, нацеленном на повышение уровня интеллектуализации систем САПР и АСУТП-карьер.

Отличительной особенностью исследований, которые выполнялись под руководством д-ра техн. наук, профессора Д.Г. Букейханова, является стремление к расширению функциональных возможностей создаваемой системы, прежде всего за счет применения методов математического моделирования и оптимизации проектных решений, а также объектно-ориентированных технологий разработки программных систем и продуктов. Полученные результаты опубликованы в монографии [14], где изложены научные основы создания геоинформационных технологий и систем; прослежен исторический процесс развития методов геоинформационного моделирования открытых горных работ; предложена классификация геоинформационных моделей месторождений твердых полезных ископаемых и карьеров; даны характеристики отечественных и зарубежных геоинформационных систем и геоинформационных моделей; разработана архитектура автоматизированной системы проекти-

рования горных работ; предложены оригинальные методы и способы их объектно-ориентированного моделирования. На этой научной основе успешно решались задачи проектирования таких горных предприятий, как Маланджханд (Индия), Айнак (Афганистан), Асарел (Болгария), Кастельянос (Куба), Озерное (Россия), Кок-Су (Каратау), Куржункуль и Качарский (АО «ССГПО»), Варваринское (Варваринский ГОК), Акжалский карьер (NOVA-ЦИНК), Актогай (Казах-мыс) и др.

Анализ мировой практики создания сложных программных комплексов позволил прийти к выводу о том, что лучшим подходом к разработке такой сложной, многофункциональной, динамической системы, как система «САПР-карьер», является применение унифицированной методики и языка моделирования (Unified Modeling Language - UML) и унифицированного процесса разработки программного обеспечения (Rational Unified Process - RUP) [15].

С помощью UML можно разработать и реализовать детальный план создаваемой системы, который будет содержать не только ее концептуальные элементы, такие как системные функции и бизнес-процессы, но и ее специфические особенности. Этот язык на протяжении многих лет успешно применяется для визуализации, спецификации, конструирования и документирования программных систем в самых разных отраслях и сферах применения. Он прост для понимания и применения при моделировании локализованных и распределенных систем разного масштаба и назначения. Поэтому перед специалистами стоит задача использования преимуществ языка UML и процесса RUP при создании более совершенных, интеллектуализированных версий системы САПР-карьер.

Информационные источники:_

1. Решетняк С.П. Основные проблемы проектирования карьеров нового поколения // Записки Горного института. - СПб. - 2012. - Т.197. - С. 154-158.

2. Варичев А.В., Кретов С.И., Исмагилов Р.И., Бадтиев Б.П., Владимиров Д.Я. Комплексный подход к интеллектуальным системам управления горным производством // Горная Промышленность. - 2016. - № 3 (127). - С. 4-15.

3. Решетняк С.П. Актуальные направления развития методов проектирования горнодобывающих предприятий // Горная Промышленность. - 2015. - № 3 (121).

4. Герасимов В.С., Шек В.М. Интеллектуализация геоинформационных систем поддержки принятия решений // Горный информационно-аналитический бюллетень. Mining Informational and Analytical Bulletin. - 2015. - № 5. - С. 226-229.

5. Интеллектуальный карьер /http://www.vistgroup.ru/intmine/

6. Гигантский самосвал БЕЛАЗ без водителя разгрузил уголь на испытаниях / https://www.youtube.com/watch?time_continue=5&v=EE7LL_LlJA4 - 29.04.2013

7. Интеллектуальный карьер / https://www.youtube.com/watch?v= zsPNJSOVtkw

8. Бизнес кейс. Выпуск 4. Интеллектуальный карьер/ https://www.youtube.com/watch?v=9Dq0BG5Pkug

9. Интеллектуальный карьер. Инновационные технологии в горном деле. VIST Mining Technology. - www.vistgroup.ru

10. Кречетова А. Беспилотники в карьер: разработчик решений для роботизации добычи привлек 400 млн рублей /http://www.forbes.ru/tehnologii/343129-bespilotniki-v-karer-razrabo^chik-resheni^-dl^a-robo^izacii-dob^chi-privlek-400 - 21.04.2017

11. Аброськин А.С. Проблема внедрения технологии «Интеллектуальный карьер» на горнодобывающих предприятиях РФ /Вестник Иркутского государственного технического университета. - 2014. - вып. 10 (93). - С. 121-123.

12. Инновационные разработки по переоснащению угольных шахт на основе космических технологий //Горная промышленность. - 2014. - № 1 (113). - С. 52-53.

13. Каренов Р.С. Приоритеты совершенствования процесса угледобычи в отрасли путем реализации инновационных технологий и достижений науки в создании инновационного горного оборудования /Вестник КарГУ, 2015.

14. Жарменов А.А., Турдахунов М.М., Букейханов Д.Г., Бекмурзаев Б.Ж., Съедин В.Ф. Информационные объектно-ориентированные технологии разработки системы автоматизированного проектирования карьеров. - Алматы, 2011.

15. Турдахунов М.М., Букейханов Д.Г., Галиев С.Ж. Принципы создания системы автоматизированного проектирования железорудных карьеров с применением объектно-ориентированной методологии //Горный журнал. - 2014. - № 6. - С. 83-89.

Институт горного дела им. Д.А. Кунаева

050046, Республика Казахстан, Алматы, пр. Абая, 191 тел.: +7 (727) 376-53-00; факс: +7 (727) 376-52-97 e-mail: info@igd.com.kz; igdkpms@mail.ru www.igd.com.kz

XIV МЕЖДУНАРОДНАЯ ВЫСТАВКА ТЕХНОЛОГИЙ И ОБОРУДОВАНИЯ

ДЛЯ ГОРНО-МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА

И РАЦИОНАЛЬНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ НЕДР

Approved k w Event

KAZAKHSTAN'2018

24-26.04.2018

ДО ВСТРЕЧИ НА ВЫСТАВКЕ!

КАРАГАНДА, КАЗАХСТАН

вЙ:?!is

+71727) 250-19-99 • MINTEK@INIEXPO.COM* WWW.MININGWEEK.KZ