Автоматизация и роботизация открытых горных работ: опыт цифровой трансформации
А.Ф. Клебанов, канд. техн. наук, директор по науке группы компаний «ЦИФРА»
Основным направлением деятельности компании «ВИСТ Групп» (входит в ГК «ЦИФРА») является создание информационных систем управления горным предприятием. Накопленный более чем за 30 лет опыт работы компании на крупнейших горнодобывающих предприятиях мира помог сформировать комплексные решения для повышения эффективности и безопасности работы предприятия.
Используя современную терминологию, можно констатировать, что последние десятилетия компания «ВИСТ Групп» занимается цифровой трансформацией горнодобывающих предприятий, то есть изменением способов управления предприятием на всех этапах создания стоимости в ходе его основной деятельности за счет использования современных информационных технологий [1]. Надо сказать, что сам термин «цифровая трансформация» появился в обиходе лишь в последние годы, и сегодня государство и общество проявляют повышенный интерес к вопросам цифровой трансформации, цифровой экономики, цифровизации предприятий. Но в чем же состоят истинные причины такого внимания к цифровой трансформации, и не является ли это просто следованием моде на инновации? Насколько объективны и необходимы на практике процессы цифровой трансформации? Попробуем в этом разобраться исходя из многолетнего опыта нашей компании в области разработки и внедрения информационных технологий и систем управления в горнодобывающей промышленности.
Ограничимся рассмотрением цифровой трансформации бизнес-процессов предприятия, относящихся к операционной деятельности. Многие аналитики считают, что если для зарубежных компаний цифровая трансформация воспринимается как возможность захватить новые рынки, то для российских компаний – это возможность оптимизировать свои внутренние бизнес-процессы и кардинально сократить затраты. Об этом свидетельствует и наш многолетний опыт внедрения систем управления открытыми горными работами на российских горных предприятиях [2].
- Рис. 1 Цифровое горное предприятие
Говоря о процессах цифровой трансформации, мы подразумеваем конечной целью создание цифрового горного предприятия. На представленной схеме (рис. 1) мы можем увидеть различные программно-аппаратные компоненты и технологии цифрового горного производства: диспетчеризация открытых и подземных горных работ, беспроводные системы передачи данных, дроны для построения цифровой модели карьера, системы позиционирования персонала, высокоточные системы позиционирования, радарные системы прогноза устойчивости бортов карьера, системы планирования горных работ, системы управления промышленной безопасностью и другие цифровые системы.
Системы управления (диспетчеризации) горнотранспортным комплексом занимают центральное место в ландшафте цифрового горного предприятия. Эти системы объединяют, интегрируют все цифровые системы открытых горных работ и в значительной степени определяют эффективность и уровень промышленной безопасности горного производства.
- Рис. 2 Структура АСУ ГТК «КАРЬЕР»
Мы разработали и начали внедрять автоматизированную систему управления горнотранспортными комплексами открытых горных работ (АСУ ГТК) «КАРЬЕР» (рис. 2) на горных предприятиях в конце 1990-х годов и на сегодняшний день она применяется на десятках угольных разрезов и рудных карьеров всех видов твердых полезных ископаемых. Рассмотрим на примере системы «КАРЬЕР», как развивались процессы цифровой трансформации горного предприятия на протяжении последних десятилетий. Значимый этап цифровой трансформации наступил в начале 1990>х годов. Именно в этот период разработанные ранее для военных целей технологии спутниковой навигации стали широко применяться в промышленности, в том числе и в горном деле.
Тогда же, в 1990-х годах, стали бурно развиваться ГИС – технологии для построения 3-мерной модели месторождения полезных ископаемых. Цифровая трансформация горного предприятия в тот период была связана с появлением первых систем диспетчеризации горнотранспортного оборудования карьеров, систем геологического моделирования и планирования горных работ. Далее процессы цифровой трансформации на протяжении последних десятилетий шли поступательно и последовательно в ногу с развитием 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, а цифровые решения «ВИСТ Групп» и функциональные модули системы «КАРЬЕР» прошли путь от простейших задач диагностики и контроля эксплуатации горной техники, мониторинга, учета, статистики до оптимизации и роботизированных интеллектуальных систем управления. АСУ ГТК «КАРЬЕР» тоже постепенно трансформировалась и все более приобретала свойства комплексной системы управления открытыми горными работами и промышленной безопасностью (АСУ ОГР и ПБ) (рис. 3).
- Рис. 3 Цифровые решения «ВИСТ Групп»
Причины бурного развития цифровой трансформации следует искать, конечно же, в экономической целесообразности процессов цифровизации, которые существенно влияли на эффективность и уровень промышленной безопасности горных предприятий. В России и странах СНГ такая целесообразность и необходимость внедрения новых цифровых технологий управления стали особенно явными с приходом к управлению горными компаниями реальных собственников, хозяев в конце 1990-х и начале 2000-годов. Предприятия стали работать по-новому, считать деньги, минимизировать расходы. Только за счет устранения хищений топлива и приписок расходы на внедрение первых систем диспетчеризации окупались за несколько месяцев.
- Рис. 4 Этапы цифровой трансформации горного предприятия
Можно выделить несколько основных этапов цифровой трансформации, соответствующих уровню развития технологий (рис. 4). Каждый из этапов цифровой трансформации был связан с ростом эффективности и промышленной безопасности. Уже внедрение датчиков и автономных систем диагностики и контроля привело на первых этапах к повышению производительности оборудования. Например, система контроля загрузки и топлива, разработанная нашей компанией в начале 2000-х годов и устанавливаемая сейчас на все карьерные самосвалы БЕЛАЗ грузоподъемностью 55 т и выше, привела к увеличению производительности грузоперевозок на 6–8%. Сейчас эта система тоже претерпела трансформацию и позволяет на той же аппаратной базе за счет развития алгоритмов и программного обеспечения контролировать такие параметры, как качество дорог, качество вождения и состояние подвески.
Дальнейший рост производительности горного оборудования на первых этапах цифровой трансформации был связан с разработкой первых версий АСУ ГТК «КАРЬЕР» как системы мониторинга и управления на основе технологий спутниковой навигации и радиосвязи. На этом этапе цифровой трансформации были решены также задачи интеграции автоматизированных систем, которые используются на предприятии для геологического моделирования и планирования горных работ, для анализа производственной и финансовой деятельности, технического обслуживания и ремонтов и др. Без такой интеграции дальнейшее продвижение по пути цифровой трансформации было бы невозможным. В результате было достигнуто увеличение производительности парка горных машин на 5–20%, снижение издержек на эксплуатацию на 7–10% и увеличение КТГ на 7–10%, снижение затрат на нецелевое использование топлива на 15–100%.
Последующие этапы цифровой трансформации были связаны с внедрением систем высокоточной навигации, применение которых позволило повысить производительность буровых станков на 11–25%, оптимизировать и автоматизировать буровзрывные работы.
Также применение систем высокоточной навигации позволило решать многокритериальные задачи оптимизации грузоперевозок и управления качеством полезного ископаемого, что увеличило производительность грузоперевозок еще на 5–10% и стабилизировало качество руды, поступающей на обогатительную фабрику. В разработке алгоритмов оптимизации грузоперевозок нами применялись методы Искусственного интеллекта – одного из основных инструментов современных этапов Цифровой трансформации.
Методы Прогнозной аналитики и анализа Больших Данных, о которых много говорится в последнее время в связи с программами цифровой трансформации, также применяются нами для решения конкретных задач горного производства. Термин «Большие Данные» (Big Data), так часто употребляемый в последнее время, не имел бы сейчас никакого смысла без предшествующих многолетних этапов цифровой трансформации, связанных с работой и накоплением данных диспетчерскими системами. Именно благодаря этому обстоятельству анализ Больших Данных и методы прогнозной аналитики позволяют директорам компаний принимать важные стратегические решения в режиме реального времени на основе конкретных данных, а не предположений. По мнению аналитиков, потенциал от использования Больших Данных в горнодобывающей промышленности и металлургии за последующие 5 лет до 2025 г. составит 11 млрд долл.
Наметившийся в последние годы переход к роботизированной горной технике и безлюдным технологиям добычи полезных ископаемых – это современный этап цифровой трансформации горнодобывающих предприятий. Переход к безлюдным технологиям на открытых горных работах невозможен без использования опыта всех предыдущих этапов цифровой трансформации. Оснащенность современными системами управления горнотранспортными комплексами – необходимое условие успешного развития роботизированных технологий на горных предприятиях.
Целесообразность применения роботизированных технологий складывается из факторов экономической эффективности и повышения уровня безопасности применения безлюдных технологий.
Эффективность может достигаться за счет минимизации времени простоев роботизированной техники. Обед, пересменки, личные нужды – все эти вынужденные простои техники отсутствуют в случае применения автономной карьерной техники. Также могут быть оптимизированы различные производственные операции, например, погрузка и установка карьерного самосвала под разгрузку. Экспертные оценки показывают, что за счет этого в среднем 130-тонный самосвал-робот сможет на 16–18% увеличить свою производительность. Значительная экономия и увеличение срока службы горной техники могут быть достигнуты и за счет более «регламентированного» использования техники, снижения поломок и инцидентов. Но наибольшая экономия и снижение себестоимости добычи при использовании роботизированной техники могут достигаться, в перспективе, за счет изменения параметров геотехнологий: углов откоса бортов карьера, ширины дорог и других параметров открытой добычи.
Также существенен и фактор безопасности. Безлюдные технологии позволят осуществлять добычу полезных ископаемых в зонах повышенной загазованности – природной и техногенной (после взрыва), и вывести работников из опасных по горно-геологическим и горнотехническим факторам участков горных работ, создать комфортные и безопасные условия работы и снизить вероятность профессиональных заболеваний.
Помимо эффективности и безопасности, важны и социальные факторы применения безлюдных технологий добычи и транспортировки полезных ископаемых, так как добыча полезных ископаемых в труднодоступных регионах с тяжелыми природными и климатическими условиями осложняет решение проблемы поиска квалифицированных рабочих кадров.
За рубежом создание роботизированных технологий ведется уже многие годы. Известно, что в эти исследования и разработки вкладываются очень большие деньги, 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 уже отмечалось выше, цифровая трансформация и роботизация, как ее современный этап, означают прежде всего захват новых рынков, в большей степени, чем решение текущих проблем повышения операционной эффективности.
Компания «ВИСТ Групп» в 2010 г. совместно с заводом «БЕЛАЗ» приступила к разработке роботизированных горнотранспортных комплексов. В 2010 г. 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. испытания роботизированного погрузочно-доставочного комплекса на базе фронтального погрузчика БЕЛАЗ-78250 и 130-тонного самосвала БЕЛАЗ-75137. И в 2019 г. мы наконецто приступили к первым промышленным испытаниям беспилотных технологий на угольном разрезе «Абаканский» (СУЭК-Хакасия). К этому моменту на заводе «БЕЛАЗ» был создан и включен в модельный ряд роботизированный карьерный самосвал БЕЛАЗ-75131R. Испытания на разрезе «Абаканский» – это первый опыт промышленной реализации проекта «Интеллектуальный карьер» силами отечественных компаний – СУЭК, «ВИСТ Групп» и БЕЛАЗ, предусматривающий совместное финансирование проектных работ, создание инфраструктуры связи, закупок и технической реализации. В успехе этого проекта заинтересованы все отечественные горные компании и производители карьерной техники: успешная реализация проекта придала бы мощный импульс инновационному развитию отрасли. Однако наш опыт показал, что быстрое развитие отечественных технологий, связанных с роботизацией и дистанционным управлением горной техникой (проект «Интеллектуальный карьер»), невозможно без привлечения механизмов частно-государственного партнерства по развитию инноваций в горнодобывающей отрасли.
В заключение следует отметить, что процессы цифровой трансформации горнодобывающих предприятий прошли уже длительный путь развития. Создание цифровых производств и предприятий – это объективная необходимость и реальность. Цифровая трансформация и ее современный этап – роботизация процессов добычи полезных ископаемых – являются решающими факторами повышения эффективности и уровня безопасности горного производства и конкурентоспособности предприятия в усложняющихся горногеологических, горнотехнических и климатических условиях добычи полезных ископаемых. Именно поэтому в проекты цифровой трансформации в прошлом году было инвестировано более 150 млрд долл., а в течение пяти лет четверть мировой экономики уже будет вовлечена в этот процесс. Однако развитие технической инфраструктуры является необходимым, но недостаточным условием для цифровой трансформации предприятия. Более сложным этапом в трансформации компании являются перестройка всех процессов организации, развитие компетенций персонала по использованию аналитических методов и создание доверия новым цифровым технологиям. Поддержка государства, безусловно, ускорила бы продвижение проектных работ в области цифровой трансформации и роботизации горной добычи, могла бы привести к организации полигонов для отработки цифровых технологий, финансированию образовательных программ и стартапов.
Список литературы:
1. Клебанов А.Ф. Цифровая трансформация горнодобывающих предприятий: модная фразеология или объективная необходимость? Проблемы и перспективы комплексного освоения и сохранения недр. – М.: ИПКОН РАН, 2018. – С. 61–65.
2. Трубецкой К.Н., Клебанов А.Ф., Владимиров Д.Я. Разработка, развитие и применение информационных систем управления в горнодобывающей промышленности России и других странах: от ГИС-технологий до интеллектуального горного предприятия. ИПКОН РАН – 50 лет становления и развития горных наук. – М.: ИПКОН РАН, 2017. – С. 308–323.
АО «ВИСТ» Групп (входит в ГК Цифра) – международная компания в области разработки и внедрения информационных технологий для горнодобывающей промышленности и металлургии.
Подразделения, филиалы и партнеры ВИСТ Групп расположены в России, Украине, Казахстане, Индии, Марокко, Перу, Чили, ЮАР и других регионах мира с развитой горной добычей. В общей сложности ВИСТ Групп реализовано уже более 70 проектов по всему миру среди компаний по добыче золота, угля, фосфатов, цветных металлов, железной руды и других твердых полезных ископаемых.
