Особенность оперативного диспетчерского управления технологическим автотранспортом для крупных карьеров заключается в организации нескольких транспортных грузопотоков: 2-3 грузопотока руды и 4-6 грузопотоков вскрышных пород (рис. 1 а, б). Управление процессом вывоза горной массы должно осуществляться таким образом, чтобы обеспечивать оперативное изменение движения транспортных средств к погрузочным пунктам в случае непредусмотренных ситуаций (аварии, поломки и др.) с целью снижения простоев оборудования, выполнения плановых показателей добычи и перевозок, а также стабилизации качественных показателей шихты на внутрисменном интервале.
Для решения данной проблемы используются системы оперативного диспетчерского управления работой технологического автотранспорта.
Данная система должна обеспечивать:
- сокращение средней дальности транспортирования пород;
- стабилизацию качественного состава шихты по одному или более компонентам (например, содержание железа магнетитового, железа общего в руде и в концентрате, обогатимость руд) на интервале внутри производственной смены;
а)
б)
Рис. 1. Схема транспортировки горной массы в крупном карьере:
а) транспортировка вскрышных пород;
б) транспортировка полезного ископаемого.
- равномерность загрузки единиц выемочной техники с учетом их технического состояния;
- выполнение плановых показателей по выемке горной массы;
- возможность быстрого «перехода» на требуемый критерий при изменении производственной ситуации в карьере (геологические, горнотехнические и технологические факторы);
- сокращение общего времени простоев технологического оборудования;
- формирование пакета отчетной документации по окончанию определенного интервала времени (час, смена, сутки) и т.д.
Система оптимального управления процессом вывоза пород для предприятий с открытым способом добычи и использованием циклично-поточной технологии (ЦПТ) в составе ГИС K-MINE имеет модульную структуру и состоит из следующих основных частей:
- Модуль подготовки производства.
- Модуль оперативного диспетчерского управления.
Функциональная схема системы оптимального управления процессом вывоза пород автомобильным транспортом представлена на рис. 2, железнодорожным транспортом на рис. 3.
Рис. 2. Система оперативного планирования и управления работой автотранспорта
Рис. 3. Система оперативного планирования и управления работой железнодорожного транспорта
Система построена по архитектуре клиент-сервер с использованием централизованной базы данных (типа Oracle или MS SQL Server). Она оснащается средствами связи с данными системы контроля местоположения, весоизмерения и топлива (например, АСУ ГТК «Карьер», Вистгрупп, г. Москва, Россия, АСУ ГТК «Wenco» – компания Wenco, г. Ванкувер, Канада), которые используются для работы модуля диспетчерского управления, данными подсистемы оперативного планирования (ОП) на недельно-суточно-сменных интервалах. Система взаимоействует на уровне информационного обмена с системой сквозного технологического планирования (СТП) основных цехов ГОКа, системами планирования ремонтами (АРМ механика карьера и АРМ энергетика карьера) для формирования нагрузки на единицы выемочной техники с учетом ТО и ППР.
Модуль подготовки производства (планирования работой погрузочного комплекса) является центральным звеном системы и обеспечивает формирование заданий выемки руды и вскрышных пород на недельно-суточно-сменном интервалах для экскаваторов и пунктов разгрузки. При формировании задания используются обобщенные критерии оптимизации (минимизация дальности транспортирования, стабилизация качественных параметров шихты, обеспечение выполнения плановых показателей на сутки или смену). Данный модуль позволяет производить оптимальную разбивку месячных и недельных плановых заданий выемки горных пород на сутки и смены. Особенностью данного модуля является изменение оперативного плана работы оборудования при изменении фактических показателей состояния горных работ в карьере (непланируемые простои, неподтверждение качества, изменение маршрутов и пр.) с целью снижения рисков от невыполнения плановых объемов поставки полезного ископаемого и пород вскрыши из карьера.
Модуль подготовки производства предполагает совместную работу нескольких подразделений (геолого-маркшейдерская служба, производственный отдел, диспетчер, службы главного механика и энергетика, менеджмент среднего звена). Данные службы обеспечивают модуль подготовки производства необходимой информацией для формирования сменных заданий работы погрузочно-транспортного комплекса и нарядов работы каждой единицы техники на внутрисменном интервале (текущее положение забоев, количественный и качественный состав пород в забоях, техническое состояние экскаваторов, волевые управленческие решения).
Исходными данными для работы модуля подготовки производства являются:
- общий план добычи руды и вскрышных пород экскаваторами в карьере на месяц, неделю, сутки и смену;
- нормативная производительность экскаваторов на сутки или смену в зависимости от их технического состояния, характеристик забоя и пород;
- картограмма средних расстояний транспортирования от забоев к местам назначения (схемы путевого развития) (рис. 4);
Рис. 4. Картограмма средних значений расстояний транспортирования в карьере
- качественный состав пород в забое (содержание полезного компонента и обогатимость);
- параметры перегрузочных пунктов и мест выгрузки по объемным и качественным показателям (с учетом доли руд с разной обогатимостью);
- планируемое качество руды в грузопотоках;
- общее количество единиц парка автосамосвалов, локомотивов и думпкаров;
- график ТО и ППР оборудования ГТК (экскаваторы, подземные тракты);
- месячные и недельные объемы добычи и вскрышных пород по карьеру из системы сквозного технологического планирования.
С учетом исходных данных выполняется расчет и формирование суточного (сменного) плана работы погрузочно-транспортного комплекса. План формируется с разделением по видам горной массы и/или технологических сортов полезного ископаемого.
При формировании плана по полезному ископаемому (руде) определяются оптимальные маршруты транспортирования для поддержания стабильного грузопотока шихты. В качестве основных критериев оптимизации процесса подготовки шихты используются: минимизация дальности транспортирования; минимизация отклонения колебания качественного состава компонента в шихте от требуемого; обязательное выполнение плана для данного периода:
, (1)
где:
і – индекс нумерации экскаваторов, і=1..n; j – индекс нумерации пунктов разгрузки, j=1..m; Сij – стоимость транспортирования 1 т полезного ископаемого от і-го экскаватора к j-му пункту разгрузки, грн.;
Стоимость транспортирования cij определяют по формуле
, (2)
где:
С – удельная стоимость транспортирования 1 т руды на 1 км, грн/(т•км); lij – расстояние от і-го экскаватора до j-го пункта разгрузки;
Pij – управляемая величина – объем руды, который перевозится от і-го экскаватора на j-й пункт разгрузки.
Все остальные критерии представляются в виде ограничений:
а) по объему шихты, которая поступает на обогатительную фабрику
, (3)
где:
Аплj – объем полезного ископаемого, поступающего на j-ю обогатительную фабрику.
б) по содержимому полезного компонента в шихте; качество шихты может находиться в некоторых пределах aпл±da
, (4)
где:
aі – содержимое полезного компонента в забое, отгружаемого і-м экскаватором; aплj – необходимое качество шихты, которая формируется на j-й обогатительной фабрике; daj – допустимое отклонение от aплj.
в) по соотношению в шихте разных сортов руд по обогатимости
, (5)
где:
Pij‘, Pij», Pij»’ – соответственно объемы трудно-, средне- и легкообогатимых руд, которые подлежат выемке і-м экскаватором и поставляются на j-ю обогатительную фабрику; Tj, Sj, Lj – доли трудно-, средне- и легкообогатимых руд в процентном отношении, которые соответствуют требованиям j-й обогатительной фабрики. г) по объему добычи каждого экскаватора
, (6)
где:
Qi min, Qi max – соответственно минимальная и максимальная производительность экскаватора для данных условий работы;
Vi – объем попутной скальной вскрыши, который попал в контур добычных работ і-го экскаватора.
Для решения задачи подобного типа используются методы дробно-линейного программирования (симплекс-метод, двойственный симплекс-метод, двухэтапный симплекс-метод, метод больших штрафов).
Основной особенностью работы модуля подготовки производства является возможность корректировки, на основе данных прошедших периодов работы, суточных и сменных заданий для обеспечения планируемых объемных и качественных показателей на последующий временной интервал (неделя, декада, месяц).
Конечным результатом работы модуля подготовки производства является недельно-суточный график работы оборудования карьера (по полезному ископаемому и породам вскрыши), сменное задание и наряд работы погрузочно-транспортного комплекса, который является основой работы модуля диспетчерского управления процессом шихтовки руды.
Модуль оперативного диспетчерского управления
позволяет производить оптимальное распределение автосамосвалов по маршрутам для обеспечения критериев оптимизации на внутрисменном интервале.
Исходные данные:
- оптимизированный план добычных и вскрышных работ экскаваторами в карьере на текущую смену (из модуля подготовки производства);
- наряд работы на текущую смену (из модуля подготовки производства);
- картограмма средних расстояний транспортирования от забоев к местам назначения на текущую смену;
- качественный состав пород в забое (содержание полезного компонента и обогатимость);
- планируемое качество руды в грузопотоках;
- общее количество парка автосамосвалов, локомотивов и думпкаров;
- количество и массовая доля критериев оптимизации при работе системы.
Работа модуля диспетчеризации может начинаться как в начале временного интервала, так и с его любого момента (если внесены данные о фактической работе ГТК и ЖДТ). График работы транспортных средств формируется без каких-либо эвристических приемов и основан на функционировании строго формализованной математической модели, приведенной ниже.
Для распределения автосамосвалов по маршрутам следования необходимо учитывать требования обеспечения качественных и количественных показателей работы всего карьера по полезному ископаемому. Автосамосвалы и ж/д составы должны обеспечить грузопотоки от экскаваторов к пунктам разгрузки, чтобы выполнить план карьера по объемам и качеству полезного ископаемого.
Таким образом, первый этап работы – определение необходимых грузопотоков от экскаваторов к пунктам разгрузки, а также от перегрузочных пунктов к пунктам разгрузки (рис. 1). Пересчет параметров грузопотоков рекомендуется выполнять после разгрузки каждого автосамосвала. В этом случае план работы на оставшееся время работы будет учитывать фактическое состояние рудопотока в пунктах разгрузки, т.е. с каждым новым перевезенным объемом руды производится корректировка работы ГТК карьера (если происходит отклонение показателей от плана или предельных значений).
Расчет оптимальных грузопотоков выполняется автоматически в результате работы математической модели, включающей несколько целевых функций и ограничений (формулы 1-6). Система может работать как в одно-, так и в многокритериальном режиме. Выбор критериев осуществляется пользователем, им же задается степень важности критерия. Используемый метод нахождения решения многокритериальной модели – метод приоритетов: все желаемые критерии ранжируются в порядке важности их соблюдения; решение, полученное для более важного критерия, не может быть ухудшено решением менее важного критерия.
По результатам работы данной математической модели определяются грузопотоки от экскаваторов на пункты разгрузки Pij. Кроме того, по результатам работы модели будут определены отклонения в объемных и качественных показателях единиц ГТК и ЖДТ, которые не повлияют на структуру сформированных грузопотоков. В случае, если при сложившейся в карьере ситуации невозможно найти решение задачи распределения грузопотоков, модель выдаст рекомендации о том, какие экскаваторы должны изменять свою производительность, чтобы достичь плановых показателей или же, если это возможно, какие резервные экскаваторы нужно подключить к работе.
Второй этап работы модуля оперативного диспетчерского управления заключается в формировании графика перевозок автосамосвалами горной массы в динамике развития горной ситуации.
Цикл работы автосамосвала при перевозке рудной массы можно разложить на следующие компоненты:
- погрузка у экскаватора (tп );
- движение от экскаватора до пункта разгрузки (tд э-пр );
- ожидание и маневрирование у пункта разгрузки (tо пр );
- разгрузка у пункта разгрузки (tр );
- движение от пункта разгрузки до экскаватора (tд пр-э );
- ожидание погрузки у экскаватора (tо э ).
Время, затрачиваемое каждым автосамосвалом на указанные компоненты может быть рассчитано с точностью до 0,5 мин. его работы по введенным данным об экскаваторах, расстояниях между ними и пунктами разгрузки, автосамосвалах и пунктах разгрузки. В свою очередь, это даст возможность, зная текущее местоположение автосамосвала на определенный момент, рассчитать время для выполнения каждым автосамосвалом любого маршрута Pij, обеспечивающего оптимальный режим работы экскаваторов и пунктов разгрузки.
Время цикла работы автомобиля по перевозке руды вычесляем по формуле:
t= tg+ tl’-gh + tj gh + th+ tl gh-‘ + tj ‘ 7)
Задачу по определению маршрутов движения автосамосвалов можна сформулировать в следующем виде. Имеется n-автосамосвалов для перевозки руды и m грузопотоков, которые требует обеспечения автосамосвалами. Время перевозки i-м (i=1,2,…,n) автосамосвалом j-го (j=1,2,…,m) грузопотока составляет tij. Требуется определить маршруты автосамосвалов, при которых достигается минимальное суммарное время перевозок
При этом все грузопотоки должны быть обеспечены автосамосвалами.
Получаем следующую матрицу:
В каждой строке и каждом столбце матрицы должен быть определен один маршрут автосамосвала Ni по обеспечению одного грузопотока Pj.
Данная задача определения маршрута автосамосвала относится к классу транспортных задач и может быть решена методами минимальной стоимости и потенциалов. В качестве стоимостей в этой задаче выступают время перевозок автосамосвалами руды по заданным маршрутам. Таким образом, решение задачи обеспечивает наименьшее суммарное время перевозки всех грузов (полезного ископаемого и пород вскрыши) в карьере.
В конце каждой смены выполняется автоматический анализ результатов работы каждой единицы горнотранспортного оборудования (экскаваторов, автосамосвалов и ж/д составов). Результаты работы обобщаются и передаются в модуль подготовки производства. На основании анализа причин несоответствия плановых показателей работы фактическим производится корректировка нового сменного задания.
Наибольшая эффективность производства будет достигнута при совместном использовании модулей подготовки производства и диспетчерского управления, как единой системы, с системами точного контроля местоположения автосамосвалов, сквозного технологического планирования и управления ремонтами.
Использование системы позволит:
- сократить среднюю фактическую дальность транспортирования пород на 5-7%;
- существенно стабилизировать качество шихты на внутрисменном интервале на 2-3%;
- выполнять многовариантное планирование с возможностью корректировки заданий и учета фактической ситуации в карьере;
- снизить простои горнотранспортного оборудования на 2-3%.