Цифровые двойники процессов управления высокоавтоматизированными горнотранспортными комплексами

Источник: журнал Горная промышленность

Авторы: А.Ф. Клебанов, И.В. Еремкин, П.А. Габусу
ГК «ЦИФРА», г. Москва, Российская Федерация
 

Введение

Цифровая трансформация открытых горных работ (ОГР) и перспективы широкого применения автономных и дистанционноуправляемых автосамосвалов и другой карьерной техники, «готовой к роботизации» (autonomous ready) – бульдозеров, грейдеров, экскаваторов, буровых станков [1] – обуславливают целесообразность расширения понятия (термина) «высокоавтоматизированное транспортное средство» (ВАТС), часто употребляемого для транспорта общего пользования, на горнотранспортные комплексы (ГТК), выполняющие в карьерах и угольных разрезах буровзрывные работы (БВР), погрузку и транспортировку горной массы к местам складирования или дальнейшей переработки. В общем случае термин «высокоавтоматизированные горнотранспортные комплексы» (ВА ГТК) применим для ГТК горных предприятий, которые используют для управления производственным циклом платформенные цифровые решения и автоматизированные системы управления.

Роботизация технологических процессов для таких предприятий – это вопрос ближайшего будущего, и карьерная техника оснащена программно-аппаратными комплексами контроля эксплуатации и передачи данных, отвечающими всем требованиям «высокой автоматизации» Индустрии 4.0.

Развитие цифровой трансформации в горном деле носит эволюционный характер и за последние три десятилетия были пройдены несколько этапов, связанных с развитием и широким внедрением в промышленность высокопроизводительной вычислительной техники; горно-геологических информационных систем (ГГИС); технологий спутниковой навигации; беспроводных систем передачи данных и технологий интернета вещей (IoT), сенсорной аппаратуры и робототехнических систем; методов анализа Больших данных [2; 3].

Основными направлениями развития цифровых технологий горной отрасли на ближайшие годы являются роботизация горной добычи; организация удаленных центров управления; развитие технологий искусственного интеллекта (ИИ) и цифровых двойников (ЦД) [4].

Цифровые двойники горного производства

Рассмотрим более подробно возможные варианты создания цифровых двойников применительно к процессам управления ВА ГТК. Следует отметить, что понятие «цифровой двойник», широко распространившееся в горной отрасли в последние годы (так же как и «цифровая трансформация») [5–7], носит настолько широкий характер, что требует уточнения и конкретизации в каждом конкретном случае реализации того или иного проекта. Впервые термин «цифровой двойник» упоминается в 2010 г. в отчете NASA о моделировании и симуляции копии космического корабля [8].

Одна из наиболее общепринятых трактовок понятия «цифрового двойника» определяет его как цифровую (виртуальную) непрерывно адаптируемую модель любых объектов, систем, процессов или людей, точно воспроизводящую форму и действие оригинала и синхронизированную с ним [8]. В горной отрасли понятие ЦД тесно связано с концепцией цифрового горного предприятия, представляющего собой упорядоченное множество взаимосвязанных цифровых моделей (цифровых аналогов) геометрических пространственных объектов, технологических процессов и оборудования горного производства (горнотехнических систем) с коммуникационными связями в режиме реального времени [2; 9; 10].

Иными словами, цифровое горное предприятие – это совокупность цифровых двойников (цифровых копий, аналогов) объектов и процессов, помогающих моделировать и визуализировать горное производство. Цифровой двойник – это постоянно меняющаяся сущность (цифровой профиль) объекта или процесса цифрового горного предприятия, основанная на огромном объеме исторических и актуальных данных, позволяющих управлять цифровым горным предприятием и оптимизировать его работу. С этой точки зрения цифровыми двойниками процессов управления и поддержки принятия решений являются широко применяемые на производстве системы ГГИС и АСУ ГТК, составляющие основу экосистемы цифрового горного предприятия. АСУ ГТК (АСУ ВА ГТК) является «цифровым советчиком» для диспетчера горного предприятия и в режиме реального времени оптимизирует работу горного оборудования. Однако эту систему сложно использовать в реальном режиме времени (не нарушая организационные регламенты работы предприятия) для целей обучения или поиска наиболее оптимальных вариантов по расстановке, составу оборудования и объектов горного производства (отвалов, фабрики, конвейеров).

В первом случае, для образовательных целей, целесообразно использовать исторические ретроспективные данные работы АСУ ГТК (АСУ ВА ГТК) за определенный период времени и в режиме проигрывателя (симулятора) организовывать процесс обучения на реальных данных ОГР. Во втором случае, для моделирования различных сценариев развития ОГР, оптимального выбора количества/состава парка оборудования и оценки эффекта от внедрения операционных улучшений – необходимо создание цифрового двойника производственного процесса для возможности имитационного моделирования вариантов проектирования, планирования и эксплуатации горного предприятия, например, в системе MineTwin или ГГИС MINEFRAME [11; 12].

Такое имитационное и математическое моделирование, как метод научного исследования сложных физических процессов и технических систем – вычислительный эксперимент, – широко применялся еще в 80-х годах прошлого столетия [13; 14] и объекты вычислительного эксперимента (ранее употреблялось понятие «математическая модель») вполне можно было бы назвать цифровыми двойниками процессов или систем.

Однако развитие технологий цифровой трансформации наполняет понятие «цифровой двойник» новым содержанием: цифровой двойник технологического процесса горного производства дает возможность в режиме оперативного управления или имитационного моделирования проводить анализ массивов исторических и актуальных данных работы объекта или технологического процесса, позволяет вносить коррективы в управляющие алгоритмы и строить прогнозные модели работы оборудования. Платформенные (интеграционные) цифровые решения; промышленный интернет вещей (IIoT), программные симуляторы, применяемые для авто/авиа тренажеров и в игровой индустрии; имитационное моделирование; машинное обучение (ML) и методы искусственных нейронных сетей для анализа Больших данных при моделировании технологических процессов открывают широчайшие возможности применения цифровых двойников для сквозной оптимизации всей производственной цепочки работы горного предприятия и создания удаленных центров управления ВА ГТК [4].

Именно в этом состоят тренд и перспективы развития технологий цифровых двойников в горной отрасли на современном этапе. Разработка новых цифровых двойников – это «сборка пазла» путем наращивания функционала уже известных цифровых двойников цифрового горного предприятия или формирования более широкой сети коммуникационных связей между ними.

Несомненной также является и необходимость разработки и применения цифровых двойников в образовательных программах как наиболее удобного и гибкого инструментария для обучения инженеров на реальных практических данных работы горных предприятий. Удаленный центр управления интеллектуальным горным предприятием (аналитический центр) может стать «фабрикой цифровых двойников» для решения задач оптимизации производства и развития образовательных программ (рис. 1). Прогнозы с помощью ЦД различных сценариев горных работ, проверка гипотез и подготовка кадров на основе реальных практик горного производства позволят экономить компаниям значительные ресурсы.

Полный текст статьи читайте по ссылке.