Skip to main content

Использование гибкой архитектуры инструмента ИМ MineTwin для решения задач флюоритового рудника

Имитационное моделирование (ИМ) активно используется при поддержке принятия решений на горнорудных предприятиях. В статье на примере проекта для флюоритового рудника показывается, как применение инструмента MineTwin позволяет сократить срок типового проекта с 4-12 до 2-3 месяцев по сравнению с использованием инструментов ИМ общего назначения. Сокращение срока создания моделей достигается за счет имеющейся в MineTwin базовой функциональности, общей для моделей большинства рудников. Также приводится пример результата применения модели – рассчитанная зависимость среднемесячного объема добычи флюоритовой руды от количества дополнительных автосамосвалов.

Введение

За последнее десятилетие в горнодобывающей отрасли произошел значительный скачок в развитии технологий, от автоматизации мобильного оборудования, удаленных центров управления операциями до интеллектуальных камер, улучшающих наблюдение и безопасность [1].

Последние достижения в различных областях искусственного интеллекта (ИИ), похоже, будут одним из аспектов, на которые стоит обратить внимание. Тем не менее есть инструмент, который уже сейчас может принести существенную пользу – и это имитационное моделирование (ИМ) [2, 4, 7]. ИМ уже используется не только в качестве инструмента поддержки принятия решений на различных рудниках по всему миру, но и, вероятно, станет необходимым дополнением к ИИ [3]. Когда алгоритмы и политики ИИ со временем станут достаточно зрелыми, имитационное моделирование обеспечит безопасную и безрисковую среду для тестирования алгоритмов ИИ, прежде чем они начнут работать в реальном мире.

Актуальность создания специализированного инструмента моделирования горных работ

Основная ценность ИМ в горнорудной сфере заключается в способности рассматривать сложные аспекты взаимодействия многих типов оборудования: погрузочно-доставочных машин (ПДМ) и шахтных автосамосвалов (ШАС), комбайнов, конвейеров, самоходных вагонов и т.д. Создание таких ИМ очень трудоемко и может занимать от 4 до 12 месяцев и более.

Однако большинство аспектов организации горных работ в различных рудниках одинаково. Так, на разных рудниках используется одинаковое оборудование, структура процессов функционирования оборудования тоже общая. Как правило, отличаются только параметры, например, из-за различных горно-геологических условий, требований безопасности и т.д. Также сходны базовые правила обслуживания и ремонта оборудования.

Опыт выполнения более десятка проектов в сфере ИМ горных работ позволил нам выделить общие элементы ИМ горных работ:

  • Графический пользовательский интерфейс с двухмерной и трехмерной картой шахтного поля
  • Логика работы основных типов горного оборудования: самоходного бурового оборудования, ПДМ, самосвалов, экскаваторов, поездов, конвейеров, мест хранения горной массы и т.д.
  • Типовые отчеты в виде таблиц и графиков
  • Модель потока руды, учитывающая смешивание фрагментов горной массы с различным содержанием полезного вещества (ПВ).

Вместе с тем, горные работы на разных рудниках имеют и существенные отличия. Они, главным образом, касаются правил управления оборудованием и интеграции с окружающими ИТ-системами. К основным точкам расширения ИМ мы отнесли следующие:

  • Алгоритмы ежесменного планирования работы оборудования
  • Алгоритмы диспетчеризации подвижного оборудования при выполнении работ в течение смены
  • Импорт данных (в особенности геологических) из ИТ-систем заказчика.

Таким образом, было принято решение объединить общие для разных рудников элементы и создать базовый инструмент имитационного моделирования и планирования горных работ MineTwin [5]. Для каждого конкретного заказчика имитационная модель создается на основе MineTwin с помощью доработки необходимых логических блоков. С точки зрения технической реализации такие модели представляют собой проекты-наследники. Наследник MineTwin для конкретного рудника уже содержит базовую функциональность, а реализация специфических особенностей работы рудника в наследнике занимает в разы меньше времени, чем создание новой модели на обычной платформе для ИМ общего назначения [6].

Архитектура MineTwin на примере решения для одного из заказчиков

Рассмотрим архитектуру модели на платформе MineTwin на примере конкретного проекта. В 2023 году от одного из заказчиков поступил запрос на создание ИМ флюоритового рудника. В частости, заказчика интересовали следующие вопросы:

  • Сколько потребуется дополнительных погрузочно-доставочных машин при увеличении производства?
  • Насколько строительство скипового подъема позволит сократить парк оборудования?
  • Как повлияет на производительность рудника применение различных графиков работы оборудования?

В результате анализа работы рудника были описаны и формализованы правила ежесменного планирования и диспетчеризации техники. Ключевые параметры этих правил были вынесены в отдельное окно пользовательского интерфейса, показанное на Рис. 1.  Эти правила были реализованы на языке Java и вынесены в приложение-наследник MineTwin.

Использование гибкой архитектуры инструмента ИМ MineTwin для решения задач флюоритового рудника
Рис. 1. Параметры диспетчеризации ПДМ и ШАС

В ИМ для заказчика была реализована следующая специфичная функциональность:

  • Импорт текущего состояния горных выработок из внутренней ИТ-системы заказчика Vulcan, что позволило получать актуальное состояние рудника для параметризации ИМ за 2-3 минуты
  • Диспетчеризация ПДМ и ШАС по разным правилам для разных типов горной массы и разных добычных участков: вывоз из выработок 4 типов, перегруз в точках перегруза 2 типов, доставка до скиповых подъемников и на поверхность (Рис. 2)
  • Специальный тип выработок «Chorro», в которых после одного взрыва горная масса обрушается постепенно, обеспечивая большой поток горной массы для транспортировки, не зависящий от размеров самой выработки
  • Тип отработки «Проходка с закладкой», при котором выработка после вывоза из нее руды закладывается пустой породой, вынимаемой из других выработок.
Использование гибкой архитектуры инструмента ИМ MineTwin для решения задач флюоритового рудника
Рис. 2. Схема грузопотоков

При этом в описываемую модель не была перенесена функциональность MineTwin, которая на описываемом руднике не применяется, например моделирование работы комбайнов, конвейеров, самоходных тележек и подземных поездов.

Внешний вид пользовательского интерфейса ИМ модели флюоритового рудника показан на Рис. 3.

Использование гибкой архитектуры инструмента ИМ MineTwin для решения задач флюоритового рудника
Рис. 3. Внешний вид интерфейса режима моделирования ИМ флюоритового рудника

Одним из примеров результатов сценарного анализа с помощью имитационной модели является расчет влияния количества ШАС на недельный объем добычи. Результаты анализа приведены на Рис. 4. Каждый эксперимент повторялся 20 раз с различными реализациями случайных величин. На графике видно, как возрастет объем добычи руды при покупке дополнительных ШАС. В частности видно, что добавление одного ШАС приводит к достоверному увеличению общего объема добычи без существенного увеличения разброса результатов. В то же время, добавление четвертого и пятого ШАСов приводит к увеличению разброса результатов, а значит и к потенциально менее предсказуемым объемам ежемесячной добычи.

Использование гибкой архитектуры инструмента ИМ MineTwin для решения задач флюоритового рудника
Рис. 4. Влияние количества дополнительных ШАС на месячный объем добычи

В рамках выполнения проекта в компании было принято решение организовать процесс актуализации информации в системе Vulcan дважды в неделю. Такая комбинация процесса актуализации данных и удобного механизма интеграции позволила эффективно использовать ИМ на еженедельной основе.

Заключение

Имитационное моделирование позволяет учесть циклические зависимости и сложные ограничения при принятии решений в условиях горных предприятий. Однако, построение ИМ может занять много времени. Инструмент MineTwin позволяет сократить срок типового проекта с 4-12 до 2-3 месяцев за счет имеющейся в инструменте базовой функциональности, общей для большинства рудников. Дополнительным преимуществом является переиспользуемость моделей за счет пользовательского интерфейса, ориентированного на специалистов-горняков, а не на специалистов по ИМ.

Список литературы

  1. https://www.supplychaindataanalytics.com/open-pit-mine-simulation-for-better-planning
  2. Sai Srinivas Nageshwaraniyer, Chao Meng, Young-Jun Son, Sean Dessureault. Simulation-based utility assessment of real-time information for sustainable mining operations // Proceedings of the 2011 Winter Simulation Conference, P. 871-882.
  3. Brock Reynolds, Laurens Koelewijn. Short-term forecasting in open pit mining using simulation modelling // Proceedings of the 2018 Winter Simulation Conference, P. 4092-4093.
  4. Birkan Can, Cathal Heavey. A demonstration of machine learning for explicit functions for cycle time prediction using mes data // Proceedings of the 2016 Winter Simulation Conference, P. 2500-2511.
  5. https://mine-twin.ru/
  6. Малыханов А.А. Черненко В.Е. Тестирование имитационных моделей// Труды десятой всероссийской научно-практической конференции по имитационному моделированию и его применению в науке и промышленности «Имитационное моделирование. Теория и практика» (ИММОД-2021), С. 30-39.
  7. Козлова О.Ю. Опыт применения и перспективы развития имитационного моделирования в горном деле // Уголь. 2022. №5. С. 42-45.