CC BY
255
------------------------------------------- © К. Дребенштедт, Ш. Песслер,
2011
УДК 622.272
К. Дребенштедт, Ш. Песслер
РАЗРАБОТКА МОДУЛЬНОГО КОНЦЕПТА ДЛЯ ДИНАМИЧЕСКОГО ПЛАНИРОВАНИЯ И ВЕДЕНИЯ ГОРНЫХ РАБОТ С ПОМОЩЬЮ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
Описано автоматизированное распознавание геологических структур в геологической модели. Дано основное направление исследования для построения самообучающейся системы динамического планирования и управления производством.
Ключевые слова: модульный концепт, динамическое планирование, компьютерное моделирование.
1. Введение
дним из важных элементов
повышения производительности и эффективности работы экскаваторов, а также снижения затрат является высокая степень автоматизации и внедрение компьютерных систем для сбора, анализа и планирования технологических параметров добычи. С внедрением этих систем возникают соответствующие требования к измерению (сенсорная техника), хранению (базы данных, информационные сети) и обработке технологических параметров для комплексных систем планирования.
2. Требования к автоматизированной системе планирования и управления при использовании поточной технологии отработки
Особые требования плановой системы зависят от конкретных условий залегания полезных ископаемых и используемого оборудования. При отработке пластовых месторождений как правило используются поточные технологии. Эта технология позволяет достичь высокой степени автоматизации. Целью оптимизации техники и техноло-
гии является минимизация расхода энергии. Расход энергии зависит от следующих параметров: размеров оборудования (массово-объем-ный поток) и физико-механических свойств пород (сопротивление копанию, трудность транспортирования, абразивность). Эти факторы влияют на затраты.
При оптимизации транспортной системы на буроугольных карьерах четко различаются два технологических потока:
• вскрышные работы от экскаватора до отвалообразователя;
• добычные работы от экскаватора до электростанции.
В обоих случаях транспортная цепочка должна быть технологически и экономически оптимизирована по объёму и количеству транспортируемого материала. Важную роль в процессе играют физико-механические свойства пород. Для планирования и оптимизация необходима следующая информация:
• данные о количестве, качестве и технологических свойствах разрабатываемого материала для планирования (выбора оборудования) и управления
Уровень
данных 10 2Б ЗБ (статистический) 40 (динамический)
Г еофизика распознавание материала распознавание материала
Г еология моделирование, геостатистика, ГИС
Г еодезия определение позиции, ОРЭ определение позиции, ОРЭ
Ьйопиайе базы данных, сети данных, Компьютерное моделирование
Г орное дело Т ехника/Т ехнология
Автоматизация Техника управления, системы автоматизации
Экономика Расчет затрат и инвестиций
Рис. 1. Модульный концепт для динамического планирования и ведения горных работ [1]
добычей (управление качеством и количеством добываемого материала);
• данные о положении рабочих органов машин для упорядочивания потоков материала;
• данные о расходе энергии машин;
• данные о состоянии электрических и механических частей машин (степень нагрузки, износ).
3. Общая структура модульной концепции для динамического планирования и ведения горных работ
Для структурирования комплексных информационных потоков в интегрированной системе планирования и управления необходимы следующие модули (рис. 1):
• разведочные данные (например, данные, полученные при бурении или геофизических измерениях);
• модель месторождения (обработка разведочных данных);
• план развития карьера;
• технико-экономическая модель по периодам;
• текущие данные для сравнения их с плановыми.
Для осуществления общей концепции необходимо связать модули с целевой функцией, чтобы построить систему автоматического управления (САУ). С помощью САУ можно постоянно сравнивать текущие данные с плановыми. При автоматизированном сборе и обработке данных могут быть созданы самообучающиеся системы планирования и управления. Модульная концепция для динамического планирования и ведения горных работ содержит самообучающиеся системы управления, которые связывают данные:
• геологической модели и планирования производства (динамическая система)
• геологической модели и контроля производства (динамическая система)
• планирования производства и фактического ведения производства (динамическая система)
• планирования производства и экономического планирования (статическая система)
• фактического ведения производства и экономического планирования (динамическая система)
В стадии планирования статические системы автоматизированного управления оказывают влияние друг на друга. В результате этого во время планирования горных работ может потребоваться уточнение геологической модели или при планировании экономических показателей может потребоваться уточнение алгоритма выбора машин и планирования производства.
Динамические системы управления используют данные, собираемые во время ведения производства. Данные комбинированной системы распознавания и локализации материала во время разработки могут быть использованы для уточнения геологической модели месторождения. Так же система позволяет использовать данные, полученные при измерении производительности в определенных геологических условиях сразу же использовать при дальнейшем планировании производства. В итоге данные контроля производства (затраты энергии, материалов и труда) по-казы-вают состояние производства на предприятии.
Применение модульной динамической концепции планирования производства требует взаимодействия с различными научными дисциплинами (рис. l).
Геофизика: методы быстрого распознавания материала Геология: методы моделирования и построения ГИС.
Маркшейдерия: объемное представление месторождения (GPS, лазерное сканирование).
Горное дело: выбор машин и их применение (планирование и ведение производства).
Экономика горного производства:
подсчет инвестиций, затрат и прибыли
Автоматизация: Техника управления,
системы автоматизации Информатика: сохранение данных, их обработка и дальнейшее использование.
В дальнейшем эта концепция должна быть осуществлена на примере планирования производства как компьютерная модель.
4. Планирование производства
4.1. Исходные данные
Для повышения эффективности производства и снижения издержек вся производственная цепочка (добыча, транспорт, отвалообразование) должна рассматриваться как целостный процесс. На рис. 2 представлен пример такой цепочки на карьере Нохтен. На этом карьер в производстве заняты два ковшовых экскаватора (SRs 6300 и SRs 2000), которые совместно перегружают горную массу конвейер. Вскрышные породы перемещаются отвал одним отвалообразо-вателем (ARs 15400).
При комбинированной добыче с двумя экскаваторами должна быть оптимально загружена. Так же к отвалооб-разователю должна доставляться определенная смесь материалов, удовлетворяющая требованиям к устойчивости бортов карьеров и к рекультивации. [2]. Для достижения этого должны быть выполнены следующие требования:
1. Максимально точные расчеты производительности машин и соответствующего распределения потоков горной массы
2. Измерение отдельных потоков горной массы для определения количества и качества материала (конвейер на уступе, сборный конвейер).
Рис. 2. Технологическая схема комбинированной добычи с двумя экскаваторами [2]
3. Точное определение позиций машин.
4. Быстрое сравнение позиции машины с геологической моделью, чтобы определить отклонения в качестве материала, которые влияют на опредление положения машин (экскаватора, конвейера или отвалообразователя).
4.2. Основные функции
Основными целями динамического планирования и ведения добычи являются:
• эффективность ведения производства
• автоматический контроль производства
• управление качеством материала
• разработка системы планирования (например для планирование производительность)
• указание возможных направлений оптимизации производства
• получение статистических данных (к примеру, распределение объемов добычи,
• загрузка транспортной системы).
5. Компьютерное моделиро-вание производства
5.1. Общие данные
Для осуществления концепции динамического планирования и контроля за производством должны быть использованы современные средства компьютерного моделирования (КМ).
В общем случае средствами КМ достигается зрительное представление
технических процессов, что позволяет напрямую сравнивать их с реально происходящими процессами. Это позволяет проконтролировать правильность выдаваемой моделью информации, что повышает уровень доверия пользователя данной системе. Степень взаимодействия пользователя и системы КМ может быть поделена на следующие ступени [3]:
• пассивная - КМ передает информацию, пользователь не может вмешаться в происходящее (к примеру, обзор карьера сверху)
• активная - пользователь может свободно передвигаться в виртуальной реальности (управляемая поездка по карьеру)
• интерактивная - виртуальная реальность может быть изменена действиями пользователя (пользователь может виртуально управлять экскаватором)
Для создания компьютерной модели для планирования производства должны быть учтены следующие основные компоненты: геология месторождения, техника и технология добычи. [4].
5.2. Возможности применения компьютерной модели при разработке карьера
Использование КМ в виде интерактивной ЗО-графики предоставляет возможность комбинировать и обрабатывать различные потоки данных (геология, планирование и ведение производства, экономические показатели), а так же представлять их в наглядной форме. В отличие от традиционных методов планирования производства компьютерное моделирование позволяет видеть данные производственного процесса в реальном времени. При внедрении данной системы встает вопрос, что должно быть визуализировано и какие возмож-
ности и преимущества будут из этого получены. Компьютерная модель базирующаяся на откалибрированной расчетной модели, которая сводит и обрабатывает данные всех основных процессов на карьере (добыча, транспорт, отвалооб-разование), может быть использована для следующих задач:
• Планирование и прогноз добычи
Системе могут быть заданы геологические параметры подлежащих разработке в будущем блоков для проверки правильности планирования. В данном случае компьютерная модель может внести существенный вклад в исправление ошибочных предположений и увеличить точность долгосрочного планирования. Так же при применении компьютерного моделирования в краткосрочном планировании могут быть виртуально проверены различные технологии разработки, для последующего направленного изменения технологических параметров на практике. Преимущество от применения КМ - возможность визуально сравнить различные варианты технологии. Данная область применения интересна прежде всего в консалтинге, когда необходимо убедиться в преимуществах новой технологии.
• Анализ данных для оптимизации производства
Дополнительно к системе помощи машинисту экскаватора может вестись протокол хода производства в реальном времени. Это позволит сравнивать фактические геологические данные, полученные при разработке сравнивать с данными модели и с учетом этого корректировать технологические параметры в настоящий момент. Результаты могут быть использованы как в краткосрочном планировании, так и в долгосрочном для выбора применяемых машин и оптимизации добычи.
• Доступность информации
Представление реального положения машин и состояния производства
позволяет любому занятому в планировании сотруднику быть в курсе ситуации на карьере. К тому же КМ позволяет просто и наглядно представлять дополнительную информацию (к примеру, затраты, планируемые остановки, причины остановки). Предоставление дополнительной информации (к примеру, сроки эксплуатации деталей и состояние деталей) может быть полезна при производстве ремонта, а так же реконструкции машин. Так же основные варианты реконструкции и перестройки машин могут обсуждаться без необходимости выезжать на карьер к экскаватору. В данной области КМ особенно полезно при осуществлении интернациональных проектов для уменьшения расходов на командировки.
• Управление качеством
При сопоставлении позиции экскаватора с геологической моделью месторождения, в реальном времени может быть выдана информация о том, какие материалы в какой части потока в транспортной системе находятся. В комбинации с моделью для отвалообразова-ния может быть создан банк данных по отвалам, который будет постоянно пополняться.
Это особенно интересно при использовании технологической схемы с двумя экскаваторами, когда экскаваторы загружают горную массу на один конвейер. Так как оба экскаватора работают на разных позициях, и с различными технологическими параметрами, иногда бывает затруднительно учитывать состав смешанной горной массы в будущем. Система компьютерного моделирования может помочь в данном случае для краткосрочного планирования для добычи горной массы определенного состава, при этом данное планирование позволит избежать в будущем простоев из-за перемещения машин для сохранения требуемого состава транспортируемой массы.
Рис. 3. Роторный экскаватор SRs 6300 (слева) и его компьютерная модель (справа)
• Представление кабины машиниста экскаватора симуляция управления экскаватором
Виртуальное представление кабины машиниста экскаватора может быть использовано для двух целей. Во-первых, для проверки возможности машиниста контролировать все приборы, а так же использовать органы управления экскаватором - это поможет сделать рабочие места более эргономичными, а производство более безопасным.
Во-вторых, данная система делает возможным симуляцию добычи экскаватором при управлении им из учебной кабины, полностью дублирующей настоящую кабину машиниста. Таким образом, это может помочь при обучении работы на новых машинах. Данная технология обучения применяется уже несколько десятилетий при обучении пилотов самолетов. Так же данный метод обучения может быть интересен производителям экскаваторов, которые смогут предложить обучать персонал для работы на поставляемых машинах уже во время монтажа оборудования, и таким образом подготовить персонал к различным производственным ситуациям. Возможность воссоздавать в модели экстремальные ситуации (зачерпывание больших блоков в зоне работы машины находятся люди или другие машины и т.д.) поможет лучше обеспечить безопасность производства.
• Обучение
Так же система КМ может быть применена при обучении горных инже-
неров для демонстрации различных технологий открытой добычи. Такая подача информации способствует лучшему ее усвоению. А так же позволяет лектору более подробно остановиться на различных моментах данной технологии и ответить на различные вопросы студентов. Преимущества данного представления информации перед просто описанием технологии могут так же быть использованы при дистанционном обучении.
• Планирование ландшафта
При планировании ландшафта при рекультивации земель должна быть достигнута цель - сделать ландшафт наиболее похожим на природный. При это КМ может помочь при планировании ландшафта проверить, как впишется определенный элемент карьера в будущий ландшафт [1]. Так же может быть смоделировано какие изменения произойдут из-за данного элемента с ландшафтом (к примеру, будет ли карьер в будущем заслонен посаженными деревьями).
• Работа с общественностью
Возможности системы могу быть
применены при работе с общественностью. При проведении планирования и получении разрешений на ведение производства бывает необходима демонстрации производственных процессов людям, не являющимися специалистами в данной области и не обладающими необходимыми знаниями система. Представление проекта и альтернативных вариантов ведения производства в виртуальной реальности ведет к лучшему пониманию процессов всеми сторонами и
может помочь преодолеть сомнения в решающее значение для всей системы и
некоторых деталях проекта. должен рассматриваться как основное
5.3. Пример моделирования добычи направление исследования для построе-
Рис. 4. Компьютерная модель добычи с помощью роторного экскаватора
с помощью роторного экскаватора
Первым шагом в осуществлении концепции было моделирование роторного экскаватора и его совмещение с учетом технологии добычи с геологической моделью. На рис. 3 показана компьютерная модель роторного экскаватора SRs 6300 в сравнении с оригиналом.
При сопоставлении компьютерной модели экскаватора и геологической модели могут быть посчитаны состав горной массы и транспортные потоки. Параллельно выдаются данные процессов, которые позволяют сравнить модель с реальностью, и таким образом, проверить модель. Пользователь может проследить симуляцию и ознакомиться с технологическими параметрами (рис. 4).
Точно выверенная модель может быть впоследствии применена для планирования. Самая важная составляющая в данной системе - автоматизированное распознавание геологических структур в геологической модели. Этот пункт имеет
ния самообучающейся системы динамического планирования и управления производством.
Компьютерная модель может представлять комплексные данные, такие как позиция машины, свойства горной массы и технические показатели добычи, и сравнивать их с данными планирования производства. Такой метод позволяет проводить проверку и анализ данных планирования.
Требования к сбору данных, структуре данных, хранению и предоставлению должны быть определены в алгоритмах оптимально для их использования.
6. Заключение
Для организации эффективного и рационального ведения горных работ была предложена концепция динамического планирования и управления производством.
Концепция компьютерного моделирования добычи должна быть связана с геологической моделью месторождения,
планированием и управлением/контролем за производством, чтобы создать самообучающуюся систему сбора данных и планирования производст-
1. Drebenstedt, C, Jung, B., Lober, P.: Modulares Gesamtkonzept zur dynamischen Betriebsplanung und fuhrung, Kolloquium fur Innovation im Braunkohlenbergbau, 879.11.2006, Magdeburg, DEBRIV e.V.
2. Drebenstedt, C, Pafiler, S.:
Leistungsvorausberechnung fur den Vorschnittbetrieb des Tagebaus Nochten 2006; Forschungsbericht; Institut fur Bergbau und Spezialtiefbau, TU Bergakademie Freiberg, 2005 (unveroffentlicht).
3. Potzeldt, H. : VR im Bergbau, insbesondere bei der Planung im Tagebau, Literaturarbeit,
ва. Результаты должны быть выведены в наглядной форме, чтобы увеличить понятность и возможность контроля результатов.
---------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Institut fur Bergbau und Spezialtiefbau. TU Bergakademie Freiberg, 2006.
4. Drebenstedt, C, Pafiler, S.: Output calculation model of bucket wheel excavators supported by Virtual Reality, proceedings MPES 2006, Turino, Italy, 2006.1is TJ =1
Коротко об авторах
Дребенштедт К., Песслер Ш. - Технический университет «Горной академии Фрайберга», Г ермания, [email protected]
