Будущее безлюдных технологий на открытых горных работах
В январе 2020 г. в рамках ежегодного форума «Неделя Горняка» в Горном институте НИТУ «МИСиС» на заседании Научного совета РАН по проблемам горных наук под председательством академика РАН К.Н. Трубецкого директор по науке Группы компаний «Цифра» Алексей Феликсович Клебанов представил доклад «Перспективы применения безлюдных технологий на открытых горных работах». В обсуждении доклада приняли участие: академик РАН К.Н. Трубецкой, чл.-корр. РАН Д.Р. Каплунов, чл.-корр. РАН В.Н. Захаров, чл.-корр. РАН Л. А. Пучков, акад. РАН А.А. Барях, акад. РАН Л.А. Вайсберг, акад. РАН Ю.Н. Малышев, д-р экон. наук, проф. А.А. Черникова, д-р экон. наук А.В. Мясков, чл.-корр. РАН И.Ю. Рассказов, акад. НАН РК Б.Р. Ракишев и многие другие видные ученые, руководители и ведущие сотрудники академических и отраслевых институтов, высших учебных заведений, горнодобывающих компаний.
Учитывая большой интерес участников заседания к теме доклада и важность этой темы для горнодобывающей промышленности, мы попросили ответить на ряд вопросов автора доклада, действительного члена Академии горных наук, канд. техн. наук А.Ф. Клебанова.
Расскажите, пожалуйста, об истории возникновения проекта «Интеллектуальный карьер».
– Термин «Интеллектуальный карьер» вошел в научный обиход 9 лет назад: в ноябре 2011 г. на конференции в СанктПетербургском горном университете был представлен совместный доклад ИПКОН РАН и «ВИСТ Групп» (входит в состав ГК «Цифра») на тему «Принципы построения и основные этапы научно-технической реализации проекта «Интеллектуальный карьер» (авторы: К.Н. Трубецкой, А.Д. Рубан, А.Ф. Клебанов, прим. ред.). В этом докладе были сформулированы подходы к созданию технологии добычи полезных ископаемых открытым способом с применением роботизированной и дистанционно-управляемой карьерной техники.
К этому моменту на крупнейших горных предприятиях России уже нашла широкое применение автоматизированная система управления горнотранспортными комплексами (АСУ ГТК «КАРЬЕР», разработанная компанией «ВИСТ Групп» под научным руководством академика РАН К.Н. Трубецкого. Идея создания роботизированных технологий добычи и транспортировки полезных ископаемых стала естественным развитием практики применения систем автоматизированного управления открытыми горными работами, и более чем 20-летний опыт компании «ВИСТ Групп» в разработке систем автоматизации для горной промышленности подвел нас к необходимости решения этих задач. Вторым важным обстоятельством, которое давало основание верить в успех такого сложного проекта, было партнерство и содружество с заводом-производителем карьерной техники «БЕЛАЗ». Основные конкуренты «БЕЛАЗа» уже давно разрабатывали инновационные образцы беспилотной карьерной техники. В жестких конкурентных условиях «БЕЛАЗу» было просто необходимо начать работы по созданию роботизированного карьерного самосвала, и в 2010 г. вектор наших партнерских отношений с заводом сместился в направлении создания автономных систем управления карьерным самосвалом.
Компания «ВИСТ Групп» является давним партнером журнала «Горная Промышленность». Если не изменяет память, первая публикация о «ВИСТ Групп» появилась в журнале значительно раньше появления термина «Интеллектуальный карьер». Ваша компания одна из первых в России, которая приступила к решению проблем цифровой трансформации и роботизации в горнодобывающей промышленности, не так ли?
– Суть «Цифровой трансформации», несмотря на множество определений этого сравнительно нового термина, заключается в изменении способов управления предприятием за счет использования современных информационных технологий. То есть в прежних дефинициях цифровая трансформация тождественна автоматизации производства, и горные компании всегда уделяли значительное внимание автоматизации технологических процессов. Поэтому цифровая трансформация и автоматизация для них, конечно, не новые понятия. Процессы цифровой трансформации и автоматизации горнодобывающих предприятий начались, наверное, с момента установки первого цифрового датчика на горное оборудование, но наиболее значимый этап цифровой трансформации связан с началом применения специализированных ГИС-технологий и навигационных систем в горном деле. В середине 1990-х годов наша компания уже вела работы в этой области, в тот период на российских горных предприятиях стали применяться первые системы диспетчеризации, системы геологического моделирования и планирования горных работ.
Как влияет цифровая трансформация на работу горного предприятия?
– Как показывает наш многолетний опыт, для российских горных компаний цифровая трансформация дает исключительную возможность оптимизировать свои внутренние бизнес-процессы и повысить эффективность и безопасность производства, хотя для зарубежных аналитиков цифровая трансформация воспринимается, скорее, как возможность захватить новые рынки.
Какое место занимает роботизация в процессах цифровой трансформации горного предприятия?
– Можно выделить несколько этапов цифровой трансформации горного предприятия, соответствующих уровню развития технологий спутниковой навигации, телекоммуникаций, вычислительной техники, датчиков и радиоэлектроники. По мере своего развития процессы цифровой трансформации охватывали все больший круг задач горного производства на уровне отдельного оборудования, предприятия и управляющей компании, и каждый из этапов цифровой трансформации был связан с ростом эффективности и промышленной безопасности. На предприятиях постепенно стали применяться беспроводные системы передачи информации, развертывались высокоточные навигационные комплексы, внедрялись системы управления горнотранспортными комплексами, системы планирования горных работ, системы позиционирования персонала, системы контроля устойчивости бортов карьера, многофункциональные системы промышленной безопасности и др. Важно отметить, что без создания подобной «цифровой инфраструктуры» эффективное применение роботизированной карьерной техники на горном предприятии невозможно, и подобная инфраструктура создавалась на горных предприятиях годами в процессе цифровой трансформации – от первых применений ГИС-технологий и спутниковой навигации до современных роботизированных транспортных комплексов.
Роботизация – это современный этап цифрой трансформации горнодобывающих предприятий, и переход к безлюдным технологиям невозможен без использования опыта всех предыдущих этапов цифровой трансформации.
Какие системообразующие факторы определяют целесообразность безлюдной технологии открытых горных работ?
– Целесообразность складывается из факторов безопасности и экономической эффективности безлюдных технологий. Не менее важны и социально-экономические факторы. Безлюдные технологии позволят вывести работников из опасных по горно-геологическим и горнотехническим факторам участков горных работ, создать комфортные и безопасные условия работы и снизить вероятность профессиональных заболеваний.
Безлюдные технологии добычи и транспортировки полезных ископаемых в труднодоступных регионах с тяжелыми природными и климатическими условиями решают проблему дефицита квалифицированных рабочих кадров. Для России, располагающей более чем 20% мировых природно-ресурсных запасов, подавляющая часть новых месторождений полезных ископаемых находится в зонах Крайнего Севера с тяжелыми климатическими условиями и очень низкой плотностью населения. Даже традиционные горнодобывающие регионы России начинают испытывать дефицит кадров. Для устранения этой проблемы горным компаниям требуется строительство нового жилья для работников и увеличение заработной платы. По данным компании СУЭК, даже привлечение в профессию водителя женщин – не решает кадровую проблему.
Если же говорить о факторах операционной эффективности роботизации карьерной техники, то она может достигаться, например, за счет минимизации времени вынужденных ее простоев, оптимизации различных производственных операций, например, погрузки и установки карьерного самосвала под разгрузку. Также может быть оптимизирован фонд оплаты труда (ФОТ) в связи с сокращением числа водителей. Повышение квалификации оператора (мы предполагаем, что робот будет работать более квалифицированно) и снижение расходов на эксплуатацию техники позволят снизить себестоимость тонны добычи полезного ископаемого.
- Центры управления, удаленные от мест добычи полезных ископаемых
Однако наибольшая экономия и снижение себестоимости добычи при использовании роботизированной карьерной техники могут достигаться за счет изменения параметров геотехнологий: углов откоса бортов карьера, ширины дорог и других параметров открытой добычи.
Каков уровень разработки и использования роботизированной карьерной техники за рубежом?
– Мировые горные компании и производители горно-шахтного оборудования давно ведут работы по созданию образцов роботизированной карьерной техники и внедрению ее в производственные процессы. Работы эти, как правило, носят закрытый характер. На протяжении многих лет нам так и не удавалось посмотреть на зарубежных карьерах и разрезах работу безлюдных технологий в реальных условиях горного производства. Известно только то, что в эти исследования и разработки вкладываются очень большие средства, ожидаемые результаты от внедрения достигаются не сразу, например, на первых порах КТГ карьерных самосвалов снижается, производительность падает, но компании настойчиво продолжают двигаться вперед и совершенствуют технологии. Для мировых горных компаний и производителей горной техники, как я уже отмечал в ответе на ваш предыдущий вопрос, цифровая трансформация и роботизация как ее современный этап означают прежде всего захват новых рынков, в большей степени, чем решение текущих проблем повышения операционной эффективности.
И только сейчас мы становимся свидетелями реализации ожиданий от внедрения безлюдных технологий. Компания Fortescue, которая разрабатывает железорудное месторождение в Пилбаре (Австралия), начиная с 2013 г. применяет в своей работе беспилотные 240-тонные карьерные самосвалы, недавно появились первые данные о том, что производительность беспилотного парка самосвалов относительно пилотируемого выросла на 30%!
Чувствуете ли вы заинтересованность российских горных компаний в применении роботизированной карьерной техники?
– Долгие годы российские горные компании не замечали мировые тренды применения безлюдных технологий, внедрение их в повседневную практику не сулило мгновенной отдачи, и перспективы в будущем представлялись весьма туманными. В случае нашего опыта разработки и последующего широкомасштабного применения АСУ ГТК «КАРЬЕР» на российских горных предприятиях стимулирующим фактором внедрения стала быстрая окупаемость системы вследствие тотального контроля производственных процессов: хищения и приписки, процветающие на российских горных предприятиях в конце 1990-х годов, выступили на тот момент движущей силой развития отечественных инноваций. И только сравнительно недавно, по мере наведения порядка, решения задач контроля и получения объективной производственной статистики, российскими горными компаниями стали востребованы такие неотъемлемые функции системы, как автоматическая диспетчеризация и оптимизация грузоперевозок. Наши последние проекты по развитию и модернизации АСУ ГТК «КАРЬЕР» связаны именно с этими процессами, а также с пилотными проектами по роботизированным грузоперевозкам. Постепенно руководство российских горных компаний приходит к пониманию необходимости и целесообразности применения безлюдных технологий для обеспечения конкурентоспособности предприятий.
- Автосамосвал-робот без кабины
Как складывается сотрудничество вашей компании с ОАО «БЕЛАЗ»?
– Я хочу поблагодарить Ваш журнал за регулярный мониторинг нашего сотрудничества с заводом «БЕЛАЗ». Создание технологии роботизированной добычи и грузоперевозок на горном предприятии – дело большой сложности. Я полагаю, что для того чтобы остаться конкурентоспособным на мировом рынке, соперничать с компаниями Komatsu и Caterpillar, завод «БЕЛАЗ» поддержал наши инициативы по созданию первых образцов дистанционно управляемой и автономной карьерной техники. Если бы не поддержка завода «БЕЛАЗ», все наши исследования и эксперименты так и остались бы на бумаге. В 2010–2011 гг. мы отработали на заводе технологии дистанционного управления карьерным автосамосвалом, в 2012–2014 гг. успешно провели на полигоне испытания автономного 130-тонного самосвала, а в 2016–2017 гг. испытали роботизированный погрузочнодоставочный комплекс на базе 7-кубового фронтального погрузчика БелАЗ-78250 и 130-тонного самосвала БелАЗ-75137.
В 2018 г. совместно с конструкторами БЕЛАЗа было завершено создание первого автономного самосвала грузоподъемностью 130 т, была разработана конструкторская документация, и самосвал с наименованием БелАЗ-7513R вышел на рынок продаж завода. Отмечу, что наши совместные с заводом «БЕЛАЗ» работы по созданию действующего образца роботизированного карьерного самосвала были поддержаны и частично профинансированы за счет Программы «Автоэлектроника» союзного государства Россия-Беларусь.
- Автономный самосвал БелАЗ-7513R
И, наконец, в начале 2019 г., после многолетних разработок и испытаний роботизированного автосамосвала на полигоне завода «БЕЛАЗ», создания конструкторами завода и включения в модельный ряд автономного самосвала БелАЗ-7513R, мы впервые приступили к промышленному внедрению роботизированной системы грузоперевозок на разрезе «Абаканский» компании СУЭК, в Хакасии. Это во всех смыслах совместный финансовый и организационно-технический проект трех компаний – СУЭК, БЕЛАЗ и ВИСТ Групп, предусматривающий совместное финансирование проектных работ, создание инфраструктуры связи, закупок и технической реализации. Такое партнерство трех компаний – разработчика технологий, производителя оборудования и горной компании – сложилось по вполне понятным причинам: создание безлюдной технологии грузоперевозок на Абаканском разрезе – это первый опыт реализации стратегически важного для горной отрасли инновационного проекта «Интеллектуальный карьер» в России силами отечественных компаний. Ввиду отсутствия явной экономической мотивации этот проект мог бы и не осуществиться, но в очередной раз развитию отечественных инноваций помогли удачные стечения обстоятельств и человеческий фактор: руководители трех компаний не побоялись взять на себя риски, связанные с организационно-технической реализацией проекта.
Какие перспективы открываются для рынка роботизированной карьерной техники ОАО «БЕЛАЗ» в результате вашего сотрудничества и достигнутых результатов в этом направлении?
– Постепенно объем заказов роботизированной карьерной техники карьерных самосвалов «БЕЛАЗ» будет возрастать, это будет зависеть прежде всего от успехов наших проектов роботизированных грузоперевозок на горных предприятиях. От их экономической эффективности, по сравнению с традиционными перевозками с водителем, и, конечно, безопасности и надежности систем. Но я хотел бы остановиться в этом вопросе на еще одном аспекте формирования рынка роботизированной карьерной техники. Автосамосвалробот, поставляемый на горное предприятие, необходимо в обязательном порядке оснастить некоторым базовым оборудованием и системами контроля и управления непосредственно на заводе (цифровые системы управления тормозной системой, рулевым управлением, опрокидывающим механизмом, оборотами двигателя), а оснащение дополнительными подсистемами и датчиками (навигация, связь, радары, лидары, видеонаблюдение и проч.), которые «доводят» самосвал до роботизированного исполнения, может быть довольно легко и быстро проведено непосредственно в условиях автохозяйства горного предприятия. При этом цена самосвала с предустановленными на заводе системами будет незначительно отличаться от цены стандартной модификации пилотируемого варианта карьерного самосвала (например, БелАЗ-75137). Это обстоятельство открывает дополнительные возможности для формирования рынка роботизированной карьерной техники на российских предприятиях: самосвалы могут уже сегодня поставляться в модификации Autonomous Ready (готовые к роботизации) с развитой многофункциональной системой диагностики (самодиагностики) и в дальнейшем уже в хозяйствах, при возникновении потребностей и готовности предприятия к организации роботизированной добычи, переоснащаться в сжатые сроки до самосвала-робота.
Рабочее место оператора дистанционного управления горной техникой
Какие перспективные инженерные и научно-технические задачи проекта «Интеллектуальный карьер» должны быть решены в ближайшем будущем?
– Уже первые промышленные испытания выявили потребности в разработке новых нетрадиционных образцов роботизированной карьерной техники, в частности, моделей автосамосвалов без кабины с возможностью челночного движения. Применение роботизированных автосамосвалов с функциями челночного движения позволит получить еще больший прирост производительности за счет сокращения времени на погрузку и разгрузку, а также уменьшит износ шин. Испытания в условиях горного производства практически ежедневно формируют новые списки инженерных, организационных и научно-технических задач для дальнейшей разработки. Вот лишь краткий перечень таких задач:
• Распознавание препятствий на пути следования автономного самосвала на основе искусственных нейронных систем.
• Оптимизация режимов движения роботизированного автосамосвала в сложных горнотехнических, погодных и климатических условиях.
• Управление роботизированной горной техникой с применением беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) для оперативного построения цифровой модели дорог и участков горных работ.
• Обоснование и оптимизация геотехнологических параметров безлюдной разработки месторождений полезных ископаемых.
• Разработка новых редакций правил безопасности и норм проектирования предприятий с открытым способом добычи.
Эти задачи могут быть в полной мере решены только силами многих коллективов ученых, проектировщиков, инженеров, программистов, специалистов в области промышленной безопасности. Быстрое решение таких задач и отработка новых технико-технологических решений возможны только в условиях горного предприятия, так как только реальное производство адекватно формулирует новые технологические задачи и требования к техническим параметрам новой техники и технологий. Для этого необходимы испытательные полигоны, создание которых невозможно без государственной поддержки. Организация таких полигонов на сегодняшний день представляется весьма проблематичной и прежде всего из-за не отлаженных до конца механизмов государственно-частного партнерства (ГЧП) в области инновационного развития, то есть юридически закрепленных отношений между государством и бизнесом, основанных на распределении ответственности и рисков между участниками, осуществляющихся в целях повышения эффективности народного хозяйства страны (инновационного развития стратегических отраслей промышленности и проч.). Проект «Интеллектуальный карьер» носит именно такой стратегический инновационный характер для страны, однако сейчас успех проекта зависит во многом от энтузиазма участников и руководителей проекта, их готовности нести убытки ради отдаленных перспектив, успех проекта системно не гарантирован.
Какие роботизированные системы еще разрабатываются в проекте «Интеллектуальный карьер», каково состояние их разработки и где они испытываются?
– На сегодняшний день мы ведем разработки по системам дистанционного управления и автономным системам карьерных автосамосвалов, экскаваторов и погрузчиков, вспомогательного оборудования, буровых станков, железнодорожных перевозок. Так, на другом предприятии СУЭК, Тугнуйском угольном разрезе, отрабатывается технология роботизированного бурения на базе модернизации бурового станка производства компании Atlas Copco. В 2019 г. дан старт проекту по применению безлюдных технологий и удаленного управления в карьере Стойленского ГОКа. В настоящее время проект проходит этап предварительного технико-экономического обоснования и первые обследования. Обсуждения и согласования предстоящих работ показали готовность предприятия к промышленному внедрению безлюдных технологий на автоперевозках, буровзрывных работах и железнодорожном транспорте, используемом на предприятии.
- Автономный буровой станок на разрезе «Тугнуйский» (СУЭК)
Также в последнее время обсуждается промышленное внедрение безлюдных технологий в компании «СДС-уголь» в рамках региональной программы «Создание роботизированной добычи и транспортировки угля в Кемеровской области». Эта программа поддержана администрацией и губернатором Кемеровской области и в ней участвуют учебные и академические институты, заводы «КАМАЗ» и «БЕЛАЗ», инжиниринговые компании. Руководители программы – академики К.Н. Трубецкой и Ю.Н. Малышев.
Обсуждаются и делаются первые шаги по реализации роботизированных технологий добычи полезных ископаемых и на других горных предприятиях России, СНГ и дальнего зарубежья.
Тема, которую мы сейчас обсуждаем, бесконечна, поэтому наш последний вопрос – какие устойчивые тренды сложились за последние 10 лет в связи с реализацией проекта «Интеллектуальный карьер»?
Если кратко, то я отметил бы следующее:
– создание безлюдных технологий открытой добычи полезных ископаемых является мировым трендом и современным этапом цифровой трансформации горнодобывающей отрасли промышленности;
– переход к роботизированным производственным комплексам на горных предприятиях открытой добычи полезных ископаемых – это важная государственная задача, стимулирующая развитие инновационных технологий стратегической отрасли промышленности России;
– перспективы ближайшего, в течение 5–10 лет, перехода к безлюдным технологиям на открытых горных работах определяются успехами в промышленной реализации технико-технологических решений.
– быстрое развитие отечественных технологий, связанных с роботизацией и дистанционным управлением горной техникой, невозможно без привлечения механизмов государственно-частного партнерства по развитию инноваций в горнодобывающей отрасли и без создания испытательных полигонов на базе действующих горных предприятий.
