Актуальные направления развития методов проектирования горнодобывающих предприятий

С.П. Решетняк, д.т.н., ведущий научный сотрудник Горного института Кольского научного центра РАН

Начавшаяся в середине XX века научно-техническая революция (НТР) плавно перетекла из преимущественно технико-технологической в информационную. Более того, в настоящее время можно констатировать, что ускорение последней продолжается без каких-либо признаков возвращения к эволюционной форме развития. Если до НТР технических достижений человеческой мысли ждали и сразу начинали применять в технологиях, то теперь стало очевидным, что отставание в практическом применении научных достижений и инновационных технологий становится характерным для мировой промышленности в целом. Это происходит именно в силу избыточности информации, лавинообразного ускорения процесса и недостатка времени на разработку его практических приложений в производстве. К сожалению, одной из наиболее отсталых в этом смысле в силу различных причин стала горнодобывающая промышленность, в том числе это характерно для России. Тому есть ряд причин.

В советский период отечественная горная наука в некоторых областях даже превосходила достижения промышленно развитых стран (например, в горно-геометрическом анализе карьерных и шахтных полей, в некоторых видах оборудования – ленточно-тележечный конвейер, конусные инерционные дробилки и др.). В настоящее время в РФ отсутствует производство какого-либо вида новых уникальных горных машин и, соответственно, не наблюдается каких-либо прорывных технологий горного производства, которые можно было бы поставить в один ряд с зарубежными. В этом смысле надо отдать должное нашим ближним соседям, имеющим подобные достижения, например, Белоруссии с карьерным автосамосвалом самой большой грузоподъёмности в мире, Украине с самым большим в мире крутонаклонным конвейерным подъёмником.

Известно, что основой технического прогресса и укрепления конкурентоспособности любой отрасли промышленности является непрерывное развитие наукоёмких технологий.

Технологическое оборудование для горной промышленности, разработанное в советское время, не во многом уступало зарубежному, если не брать во внимание номенклатуру горной техники. Переход на рыночную экономику, как, к сожалению, это получилось во многих отраслях отечественной промышленности, во многом способствовал значительному отставанию нашего горного машиностроения от мирового уровня. Причин тому, как очевидных, так и скрытых от глаз, – несколько. Основными из них стали практическая ликвидация ведомственной и обескровливание академической науки, реальное отсутствие поддержки, а порой и создание искусственных препятствий для развития отечественного горного машиностроения со стороны правительства РФ, результатом чего стало широкое применение импортного технологического оборудования. Ориентированная на экспорт минерального сырья Россия практически стала заложником возможных политических нестабильностей в её отношениях с развитыми странами, производящими качественные горные и транспортные машины.

Существует целый ряд отличающихся друг от друга делений прогресса человечества на периоды в соответствии с технологическими революциями. Нет сомнений, что качественные подвижки в техническом прогрессе общества, заметно ускорявшие темпы развития технологий, связаны с изобретениями парового двигателя, электрического, двигателя внутреннего сгорания, достижениями в физике, химии, энергетике, машиностроении и, наконец, с созданием компьютера.

Горное производство, являющееся материальной базой всех наукоёмких технологий, также прогрессировало соответственно общим достижениям техники и технологии. Более того, ряд полезнейших изобретений человека вызван именно потребностями в обеспечении человечества минерально-сырьевыми ресурсами, например, изобретение рельсовых дорог.

В своих более ранних трудах автор делал небесспорные попытки разделить на этапы эволюцию открытых горных работ [1, 2]. Каждый новый период развития сопровождался ростом главных параметров карьеров и заметными качественными изменениями в проектировании и эксплуатации карьеров (табл. 1).Этапы развития открытых горных работ

В настоящее время представляется более обоснованным несколько иное деление развития горной технологии на периоды (табл. 2).Систематизация этапов развития горного производства

С позиций использования человеком своих физических и интеллектуальных ресурсов нами выделены следующие исторические этапы развития горного производства.

Этап I. Изначально горные работы физически осуществлялись на основе использования энергии мускульных усилий с применением простых механических приспособлений.

Иногда удавалось использовать потенциальную энергию водных потоков (сил гравитации) в промышленных целях путём устройства плотины и водяного колеса, для чего часто до рудника прокапывался специальный канал.

Происходило постепенное накопление человеком знаний о горном деле, причём они были преимущественно эмпирическими, то есть приобретались опытом, чаще всего – методом проб и ошибок. Человек применял исключительно свои интеллектуальные возможности для планирования и управления горными работами. Этот этап развития горного производства и открытых горных работ в частности можно назвать примитивным, или ручным.

Этап II. Качественные перемены в горном деле начались с изобретением и развитием на рубеже XVIII–XIX вв. парового двигателя и машин, использовавших энергию пара. Значительное повышение эффективности горных работ произошло в результате изобретения двигателей внутреннего сгорания и электрических двигателей. Основные горные машины, имевшие тот или иной привод, постепенно заменили тяжёлый физический труд человека и животных.

Достижения фундаментальных наук в течение этого периода находили всё более широкое применение непосредственно в горном производстве. Происходило накопление и развитие научных знаний собственно о процессах горного производства. Уровень знаний человека о горном деле в это время можно охарактеризовать, как аналитический.

Этот этап развития горного производства составил около 150 лет и длился примерно до середины XX века. Его можно назвать периодом механизации, или физического освобождения, поскольку к его завершению доля ручного труда в горном производстве была доведена до минимальной величины. Однако интеллектуальная часть труда по проектированию горных предприятий, планированию горных работ и управлению всеми этими сложными процессами по-прежнему полностью лежала на человеке.

Этап III. Примерно в середине XX века началась разработка и создание компьютеров, или электронно-вычислительных машин (ЭВМ). Их мощность и скорость обработки информации постепенно росли с переходом от электронных ламп к транзисторам, а потом и уже непосредственно к интегральным схемам. Наряду с непрекращающимся ростом мощности и скорости обработки информации значительно выросла надёжность информационных технологий.

В период 1960–1970-х годов появились первые устройства для автоматизации некоторых элементов технологических процессов. Однако говорить о каком-либо целостном управлении, как отдельными автономно передвигающимися машинами, так и процессами в целом без участия человека, не приходилось.

В середине 1990-х годов было констатировано появление феномена персональных вычислений. И появилось главное качественное изменение в умственном труде – интеллектуальные способности человечества увеличились массово.

Достижения информационных технологий сразу же сказались на развитии горного производства. Поскольку карьеры изначально являются сложными системами, к ним широко применялись методы системного анализа. Но решение ряда проблем оказалось не под силу и им, поэтому плохо или совсем не формализуемые задачи получили своё решение только с применением информационных технологий. Теперь путём целенаправленного перебора большого числа вариантов можно найти оптимальное решение любой задачи, разумеется, по выбранным человеком критериям.

В настоящее время человечество в целом находится в состоянии перехода к новому качеству жизни в связи с колоссальными достижениями в области информационных технологий. Если в этом смысле, в частности, рассматривать подземные и открытые горные работы как способы разработки полезных ископаемых, то они явно переходят в новый этап своего развития, – период полной автоматизации, или интеллектуального освобождения. Ориентировочно он будет более коротким, чем предыдущий, и займёт примерно 70–80 лет.

Таким образом, карьеры нового (третьего) поколения [1, 2] представляют собой технологические комплексы, в которых машинами заменены не только физические усилия человека, но и в значительной степени интеллектуальные. За счёт широкого использования компьютерной техники многократно увеличились возможности человека по проектированию, планированию горных работ и управлению горным производством.

Настоящий период эволюции человечества характеризуется уже существующей технической возможностью полного перехода на безлюдное производство в большинстве отраслей народного хозяйства, например, в травмоопасной и трудоёмкой горной промышленности. Если в предыдущий период развития общества человеческая мысль всегда опережала технические возможности цивилизации, и для ускорения прогресса приходилось дожидаться появления новых видов техники, то сейчас наблюдается обратная картина. Для производства имеются все технические возможности перейти на новый уровень – безлюдные технологии, но их применение задерживается субъективными причинами [2].

Постоянно ускоряющееся развитие информационных технологий привело к реальной возможности в кратчайшие сроки создать промышленные производства принципиально нового уровня или даже нового поколения. Характер труда конкретного человека на промышленных предприятиях нового поколения должен стать исключительно творческим, поскольку принятие всех рутинных формализуемых управленческих решений уже сейчас можно делегировать компьютерам: от планирования долгосрочного развития предприятия до оперативного управления собственно технологическими машинами. Таким образом, вслед за освобождением человека от физического труда наступает период его интеллектуального освобождения [3].

В данных условиях наиболее перспективными направлениями развития методов проектирования горных предприятий можно считать следующие.

1. Переход на методы объёмного проектирования. Все основные проектные решения должны реализовываться в трёх измерениях (так называемое 3D-проектирование). В настоящее время этот процесс уже начался и интенсивно расширяется. Возможность формирования и визуальной оценки объёмных моделей проектируемых объектов позволит исключить ошибки, связанные с плоскими решениями задач, и значительно повысит надёжность проектных решений.

2. Визуализация динамики развития горных работ в карьерном или шахтном поле. Поскольку все процессы на производстве развиваются во времени, целесообразно сопровождать их мультипликационной иллюстрацией, начиная от реализации разработанного календарного плана добычи полезного ископаемого и выемки пустых пород, включая процессы формирования отвалов, и завершая имитационными моделями использования горного оборудования.

3. Изменения основного проектного инструментария. Вместо двух, а то и трёх мониторов на рабочих местах проектировщиков должны появиться большеразмерные планшетные компьютеры, управление которыми интуитивно понятно и более привычно для человека, чем использование компьютерных клавиатуры и мыши. Передвижка картинки, уменьшение и увеличение масштаба чертежа, переходы между разрезами и горизонтами просматриваемых шахтных и карьерных полей, перелистывание страниц удобно и легко производить пальцами.

Таким образом, в перспективе в арсенале проектировщиков должны появиться «кульманы» нового поколения, для которых должны быть созданы специализированные программы. Сложно пока говорить о конкретных планах компаний-производителей планшетов, но компания Lenovo уже заявила о работах по созданию нового образца со стандартным размером A1. Понятно, что при потребности появятся и планшеты формата A0 для работы в стандартных масштабах разрезов и планов карьерных и шахтных полей 1:5000 и 1:2000. Помимо тактильного управления новым кульманом, несомненно, найдёт применение и разрабатывающееся сейчас голосовое управление компьютерами.

Работа с предварительным обсуждением возможных вариантов проектирования станет основой «безбумажных» технологий, поскольку в настоящее время работа с горной графикой обычно подразумевает распечатку большого объёма документации на бумаге, которая после принятия решения почти вся становится ненужной.

4. Обновление практически всей нормативной и методической проектной документации. Юридически действующие в настоящее время нормы и правила имеют весьма «преклонный» возраст: нормы расчёта устойчивости бортов и отвалов рудных карьеров опубликованы в 1972 году, нормы технологического проектирования карьеров датируются 1986 годом, большинство остальных норм также принято во второй половине 1980-х годов.

5. Разработка норм технологического проектирования горных предприятий нового поколения. Реализация проектов с частично и/или полностью автономным технологическим оборудованием неизбежно потребует новых нормирующих документов.

Повышение эффективности работы горного оборудования за счёт широкого использования достижений информационных технологий в конструкции самой техники достигается путём создания так называемых «умных» машин, руководимых специальными компьютерными программами. В частности, применение спутниковых навигационных систем актуально и целесообразно для позиционирования горного оборудования, диспетчеризации рудничного и карьерного транспорта, определения объёмов выемки горной массы, контроля устойчивости естественных и техногенных откосов, обеспечения контроля производства, надёжной связи, в том числе сквозь массивы горных пород, и ряда других целей.

Широкое применение аппаратно-программных комплексов для решения управленческих задач позволяет высвободить инженерный персонал горных предприятий для творческого интеллектуального труда, то есть для решения стратегических неформализуемых и/или нетрадиционных задач по поиску оптимальных путей освоения месторождений.

Рядом зарубежных компаний горного машиностроения разработаны и уже испытаны в производственных условиях автономные карьерные автосамосвалы и буровые станки, а также – автономное технологическое оборудование для подземных горных работ. Некоторые виды горного оборудования адаптированы под дистанционное управление операторами, в том числе находящимися за много сотен километров от непосредственных мест производства горных работ. После испытаний беспилотных автосамосвалов уже не подлежит сомнению реальность автономизации практически любого горного оборудования: погрузчиков, экскаваторов, буровых станков, бульдозеров и иных машин [4].Роботизированный самосвал Komatsu 930E&AT на карьере компании Rio Tinto

Роботизированный самосвал Komatsu 930E&AT на карьере компании Rio Tinto

На первом этапе выведения человека из производственного процесса целесообразно и, по-видимому, неизбежно применение дистанционно управляемого технологического оборудования, хотя конечной целью однозначно должно быть создание техники, обладающей элементами искусственного интеллекта.

Удорожание оборудования при переходе на дистанционно управляемые или автономные машины быстро компенсируется ростом их производительности. Отмечается, что средняя скорость движения автономных карьерных самосвалов практически вдвое выше, чем у управляемых человеком машин. Кроме того, снижаются уровень и количество аварий из-за человеческого фактора, исключаются производственный травматизм и профессиональные заболевания.

Простои по условиям загазованности или запылённости воздуха будут сокращены до минимума, поскольку в рабочем пространстве не будет людей. Ограничением станет только возможность обеспечения работы двигателей внутреннего сгорания достаточным для работы количеством кислорода.

Компанией Modular Mining Systems осуществляется крупномасштабный перевод автосамосвалов компании Komatsu на эксплуатацию в автономном режиме. Компания Modular сообщила о своем участии в стратегическом проекте, в котором впервые в мире осуществляется крупномасштабное коммерческое развертывание системы безоператорных перевозок. По соглашению между компаниями Komatsu и Rio Tinto 150 автономных (работающих без водителей) самосвалов будут введены в эксплуатацию на руднике Yandicoogina в Западной Австралии к концу 2015 г. Рудник получит новый парк автономных самосвалов 930E-В, а также испытательный парк, который будет перебазирован с рудника West Angelas компании Rio Tinto, где он успешно эксплуатировался с декабря 2008 г. в рамках программы Mine of the Future™ («Рудник будущего») [5].

Определённые надежды можно связывать и с реализацией отечественной программы «Интеллектуальное горное предприятие», хотя, по нашему мнению, работы ведутся слишком неспешно, со значительным отставанием от лидеров, что чревато очередной потерей рыночных позиций отечественным горным машиностроением.

Для производителей горного, горнотранспортного и вспомогательного оборудования основной целью должно стать создание автономных «умных» машин, позволяющих полностью вывести людей из рабочих процессов в горных выработках. На первом этапе необходимо обеспечение оборудования возможностью дистанционного управления. Для оборудования, применяющегося в нестандартных ситуациях (в условиях опасной окружающей среды – пожары, наводнения, зараженная местность, на других планетах и тому подобных), дистанционное оборудование будет целесообразным вплоть до периода создания искусственного интеллекта. Тогда машина-робот сама будет принимать решения в соответствии с имеющейся информацией и алгоритмами действий.

Следует отметить, что первоначальный опыт перехода на управление оборудованием из отдалённого места сопровождался заметным снижением производительности машин. Это было связано с непривычной для оператора ситуацией, и легко будет преодолено со временем. Таким образом, становится возможным управлять машиной из любого места земного шара при условии обеспечения надёжных каналов связи.

Забегая вперёд, можно предвидеть работу операторов горных и транспортных машин не только в офисе, но и дома, без лишних затрат времени на поездки на работу и обратно.

Проектирование и реконструкцию обогатительных фабрик также необходимо вести на базе концепции безлюдного производства с соответствующей корректировкой нормативной документации, хотя этот процесс необходимо рассматривать отдельно и с учётом специфики переработки разных видов минерального сырья.

В настоящее время те компании, которые сумеют раньше других наладить серийное производство наукоёмкой продукции, в частности, – автономно управляющейся техники, завоюют и соответствующий рынок. Особенно это касается дорогостоящего горного оборудования, «умные» машины, без сомнения, победят.

В заключение ещё раз отметим, что в области проектирования и модернизации горных предприятий крайне необходима срочная разработка новых методик и методов, базирующихся на самых перспективных научных разработках. Наиболее реальный путь решения перечисленных проблем проектирования горных предприятий – апробированные во всём мире национальные целевые программы с привлечением средств частного капитала.


 

ЛИТЕРАТУРА:

1. Решетняк С.П. Проблемы перехода к карьерам нового поколения / Проблемы открытой разработки глубоких карьеров // Труды Международного симпозиума ”Мирный-91”. Удачный, НИЦ «Мастер», 1991. - с. 153–157.

2. Решетняк С.П. Основные проблемы проектирования карьеров нового поколения // Актуальные проблемы горных наук. Записки Горного института. СПб, том 197, 2012. - с. 154–158.

3. Решетняк С.П. Дистанционно управляемое и автономное горное оборудование / Горная техника 2012. Каталог-справочник, выпуск № 2 (10). СПб, Славутич, 2012. - с. 46–50.

4. Решетняк С.П. Современные проблемы создания, развития и совершенствования техники для открытых горных работ // Тезисы Научно-практической конференции «Горнодобывающая промышленность: Перспективы развития». М.: изд-во Оргкомитета конференции, 2012. - с. 7–10.

5. Мачулов В.Н. Системы управления горнотранспортных комплексов / «Горная Промышленность» №6 (112) / 2013. - с. 88–92

Ключевые слова: научно-техническая революция, этапы эволюции горного производства, методы и инструменты проектирования, безлюдные технологии, интеллектуальное освобождение.
Ключевые слова: проектирование, горнодобывающие предприятия, методы, развитие, направления, инновации

Журнал "Горная Промышленность" №3 (121) 2015, стр.22