Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Карьерные перевозки. Управление горнотранспортными комплексами. Учебное пособие
.pdf
денты и более совершенных решений. В точечных решениях особого смысла нет, для получения высокой производительности
должен внедряться сразу роботизированный участок, с подготовленной инфраструктурой, по возможности изолированный от дорог, где перемещаются обычные самосвалы. Технология пока не
развита в силу ряда причин экономического и технического характера, а также особенностей государственного регулирования.
Впрочем, эта ситуация постепенно меняется. Еще в начале
2010-х годов компания «ВИСТ Групп» в партнерстве с ОАО
«БелАЗ» начала разработку отечественной СРП «Интеллектуальный карьер». Однако начала полевых испытаний системы пришлось ждать почти 10 лет.
В августе 2019 г. компания «ВИСТ Групп» начала испытания отечественного комплекса роботизированных карьерных перевозок на базе карьерных самосвалов БелАЗ-7513R. Два самосвала грузоподъемностью 130 т работали на разрезе «Черногорский» (ООО «СУЭК-Хакасия») с экскаватором ЭКГ-8У. Беспилотные автомобили двигались по выделенному участку разреза
протяженностью 1350 м и перевозили вскрышу. По плану эксплуатация роботов должна была перейти в круглосуточный режим, и этот цикл мог бы повторяться без необходимости непосредственного участия человека в процессе.
Одновременное движение сразу двух самосвалов на одном
участке – самая технологически сложная часть проекта. Для реализации разъезда двух автомобилей были созданы специальные
алгоритмы, позволяющие выбрать оптимальную очередность
движения самосвалов. Также на участке имелось пересечение с
технологической дорогой общего пользования, для переезда которой был реализован алгоритм автоматизированного управления
шлагбаумами и светофорами.
Ранее были проведены испытания, во время которых самосвал двигался без остановок 24 часа на испытательном полигоне
ОАО «БелАЗ», совершив 500 технологических циклов. Беспилотный комплекс состоял из карьерного самосвала грузоподъемностью 130 т и фронтального погрузчика.
Основной ожидаемый эффект от использования роботизированной техники – это снижение затрат на ремонты, изменение
71
параметров ведения горных работ (ширина зоны погрузки, дорог,
изменение углов бортов карьера).
Еще один проект «ВИСТ Групп» – испытания роботизированного участка в условиях реального производства в Марокко.
Тестовый участок протяженностью более 1 км включал в себя все
основные зоны, в которых приходится работать карьерным самосвалам: паркинг, основные и альтернативные маршруты, зоны
погрузки и разгрузки, а также пункт заправки. На участке работал
беспилотный самосвал «Terex» и пилотируемый погрузчик
«Caterpillar». В диспетчерской был размещен управляющий сервер, а также рабочее место оператора. Для тестов систем сканирования окружения был изготовлен ряд искусственных препятствий. За время испытаний беспилотный самосвал в автономном
режиме перевез более 5000 т фосфатов.
Несмотря на все достоинства, имеющийся на данный момент опыт внедрения систем роботизированных карьерных перевозок свидетельствует о том, что при их реализации возникают
разнообразные проблемы.
1. Недостаток квалифицированных кадров для работы беспилотной техники. Для решения проблемы необходимо разработать программу переподготовки персонала, управляющего беспилотными карьерными самосвалами. Критики автоматизации
утверждают, что ее внедрение приведет к сокращению числа рабочих мест. Им возражают, что автоматизация, наоборот, приводит к созданию новых рабочих мест, поскольку повышается производительность и объемы производства.
2. Проблема совместимости оборудования. Новое оборудование, производственная система или узел зачастую не могут
быть объединены при модернизации с остальной цепочкой по
техническим причинам. Возникает ситуация, когда внедрение отдельной инновации вызывает необходимость обновления основной части всего производственного комплекса. В установившихся экономических условиях большинство предприятий не могут
себе этого позволить. К примеру, в России не производят необходимого для автоматизации горной техники оборудования, компоненты приходится закупать за рубежом, где таких производителей также не так много.
72
3. Проблема «интероперабельности». Как показывает зарубежный опыт, основной проблемой внедрения СРП является невозможность совмещения на одном участке работ автоматизированной техники и техники, управляемой человеком. Основная
причина – несовершенство связи (в основном Wi-Fi). Если нарушается сеть, и беспилотные самосвалы теряют связь с другими
самосвалами, то они просто перестают работать. Работа возобновляется после ручного визуального осмотра, который занимает
время. Кроме этого, подсистемы обнаружения препятствий беспилотных самосвалов нередко срабатывают ложно, принимая за
препятствия неровности дорог или небольшие куски породы. Для
повторного запуска самосвала, опять же, требуется ручной
осмотр.
Также исключение «человеческого фактора» может вызывать ситуации, которых при пилотируемом транспорте, скорее
всего, не случилось бы. В частности, в марте 2019 г. на карьере
«Jimblebar» столкнулись два беспилотных самосвала. Инцидент
объяснили сильным дождем, в результате которого самосвалы
сбились с заданных траекторий. За месяц до этого на карьере
«Christmas Creek» движущийся беспилотный самосвал столкнулся с припаркованным. Заявленная причина – сбой системы связи
Wi-Fi.
4. Удорожание техники на 20–30% вследствие модернизации и большой срок окупаемости мероприятий. Существенные
финансовые вложения не гарантируют сиюминутной выгоды.
Поэтому крупные компании предпочитают использовать недорогую автоматизацию низкого уровня (дистанционное управление).
Кроме того, любая компьютеризация влечет за собой программную уязвимость, угрозу взлома системы.
5. Сопротивление сотрудников предприятия. Это вызвано
все тем же «человеческим фактором»: страхом перед нововведениями, консерватизмом, опасением потерять работу или свою незаменимость, боязнью существенно увеличивающейся ответственности за свои действия. Руководители предприятий в таких
случаях должны вести разъяснительную работу с кадрами, создавать у сотрудников всех уровней твердое ощущение неизбежности внедрения, наделить руководителей проекта внедрения до-
73
статочными полномочиями, поскольку сопротивление иногда
возникает даже на уровне высшего руководства.
Все это приводит к тому, что в настоящий момент на боль-
шинстве карьеров мира роботизированных перевозок нет.
Несмотря на вышеперечисленные проблемы, все идет к тому, что роботизированные карьерные грузоперевозки будут развиваться далее и распространяться по всему миру. Специалисты
полагают, что горная добыча будет становиться более автономной, самосвалы будут обрабатывать все данные самостоятельно.
В ближайшее время будут внедрены такие технологии, как 5G
для лучшего покрытия сети связи, использование беспилотных
летательных аппаратов, камер дальнего радиуса действия или
других автономных наземных транспортных средств для проведения ручного визуального осмотра. Все это будет продолжаться
в течение, вероятно, ближайших 20–30 лет.
Горнодобывающие компании и производители горного оборудования многое смогут взять из опыта автоматизации дорожных автомобилей, все более популярной в мире. Очевидно, что на
дорогах общего пользования больше машин, чем внедорожных
самосвалов на карьерах. Цены на комплекты автоматизации постепенно снизятся, и появится возможность проводить операции
в среде, в которой отсутствует спутниковая связь. Уже сейчас
стоимость отдельных компонентов, таких как лидары, снизилась
вдвое с момента начала их использования около 10 лет назад.
Твердотельные лидары, которые дешевле вращательных, уже
внедряются в автомобильной промышленности.
Стоит обратить особое внимание на самосвалы без кабины
водителя (как вышеупомянутый «Komatsu IAHV»). Вполне возможно, что в долгосрочной перспективе (через 20–30 лет) кабины
станут дополнительным и дорогим вариантом для установки на
большегрузный карьерный самосвал.
В 2019 году компания Rio Tinto завершила переход на полностью автоматизированную эксплуатацию 1500-километровой
железной дороги в Пилбаре; она стала первой автоматизированной железной дорогой большой грузоподъемности в мире.
Система AutoHaul, может одновременно эксплуатировать
до 50 автоматических и беспилотных поездов. Каждому
240-вагонному поезду длиной 2,4 км (рис. 16) требуется 2–3 ло-
74
комотива, которые перевозят 28 тыс. тонн железной руды из 16
карьеров компании в порты на расстояние в среднем 800 км
(40 ч).
Рисунок 16 – Беспилотный поезд-рудовоз в Пилбаре (Австралия)
Пилотируемая операция остается лишь в конце главной линии, на последней миле в портах. Загрузка и разгрузка вагонов
также полностью автоматизированы.
По данным Rio Tinto, система AutoHaul уже помогла увеличить среднюю скорость на 5–6%, и компания надеется, что это не
предел. Удаление двух-трех пересмен машинистов также сократило 1 час по сравнению со средней поездкой, в то время как изменение времени пробега между службами AutoHaul составляет
всего 15–30 секунд по сравнению с 2,5–5 минутами, когда поезда
были пилотируемыми. Это помогает планировать более эффективное расписание поездов и повышать производительность.
Rio Tinto была в авангарде новых разработок в области железнодорожных технологий в Пилбаре с тех пор, как начала работу в 1966 году – будь то использование бетонных шпал или рельсовых цепей в 1990-х годах. ATP (automated train protection, автоматическая защита поездов) позволила перейти от двух машинистов к одному, поэтому следующей задачей было перейти к нулю.
75
Основным предметом обсуждения было то, следует ли продолжать использовать существующую систему сигнализации в
качестве основы для автоматизированной работы. В частности,
возникли вопросы о том, может ли система управления поездом
поддерживать необходимую передачу информации и что произойдет в случае проблем со связью.
Эксплуатация беспилотного поезда без машиниста потребовала фундаментальных изменений в операционной стратегии.
Например, если будут выявлены дефекты рельсов или проблемы
с геометрией, необходимо ввести ограничение скорости. Когда
поезда были пилотируемыми, этот процесс велся устно между
машинистом и диспетчерами. Но когда система управления движением поездов находится за 1000 км, и приходится вводить
ограничения скорости при беспилотной эксплуатации, обнаружилось, что нельзя управлять этой дополнительной информацией с
помощью традиционной системы рельсовых цепей, поэтому
пришлось перейти к управлению поездами на основе связи через
радиоканал передачи данных прямо в локомотив, чтобы включить его. Это принципиально иное.
Система AutoHaul эквивалентна ERTMS (European Rail
Traffic Management System, Европейская система управления железнодорожным движением).
Автоматизированная система управления поездами включает в себя централизованный сервер безопасности жизнедеятельности (VSS), который по сути является радиоблочным центром
(RBC), второстепенным элементом приложения, и поддерживает
безопасное и гибкое управление движением поездов. Также были
модернизированы системы управления локомотивами для поддержки развертывания пневматического торможения с электронным управлением (ECP), контроля установки и интеграции системы торможения ECP в локомотивном парке Rio Tinto, насчитывающем 200 единиц. Кроме того, локомотивы оснащены системами обнаружения столкновений; автоматической защитой
поездов (ATP), контролирующей скорость поезда и соблюдение
ограничений скорости; и бортовой видеокамерой, записывающей
вид спереди.
На рис. 17 показана принципиальная схема системы
AutoHaul.
76
Рисунок 17 – Принципиальная схема системы AutoHaul
Comms Backbone – система связи:
Wayside Interface Unit – путевой интерфейс: Track Circuit/Axle Counter – рельсовая
цепь/счетчик осей, Hot Wheel Bearings Detector – датчик нагрева колесных пар, Balises –
маяки, Point Machine – стрелочный перевод, Level Crossing – переезд;
Operational Control Center – центр управления производством:
Fixed Network – стационарная сеть, Maintainer Screen – пульт управления,
TMS – система управления перевозками, SCADA – диспетчерское управление
и сбор данных, HMI – человеко-машинный интерфейс;
Signalling Room – пост сигнализации: Radio Controller – радиоуправление.
On-board ATP/ATO – бортовой блок ATP/ATO: Voice Radio – голосовое радио,
Cab Signalling Display – сигнальный дисплей в кабине, Radio Communication Interface –
интерфейс радиосвязи, Satellite IP Network – спутниковая IP-сеть, Data Logger – реги-
стратор данных, Train Interfaces – системы поезда (торможение и т. д.)
Есть пара фундаментальных отличий между системами
ERTMS и AutoHaul. Во-первых, AutoHaul не использует мобильную связь GSM-R для связи «поезд-земля». Поскольку AutoHaul
работает не в Европе, следовать этому протоколу не обязательно.
Кроме того, система использует существующую железнодорожную сеть радиомодемов с УВЧ (DataRadio UHF), которая поддерживается 60 базовыми станциями, расположенными по всей
сети, и была модернизирована для соответствия требованиям новой системы. Они состоят из резервной оптоволоконной сети и
спутниковой системы, которая способна обеспечить бесперебойную и непрерывную связь с поездами.
77
Сама система ATP использует блокировку, которая устанавливает маршрут в соответствии с командами, полученными системой управления поездом. VSS получает маршрут от блокировки и передает его на бортовой блок, предоставляя полномочия на
движение, которые следуют принципу «оставшееся расстояние».
Как и приложение ERTMS, система использует сеть маяков для
групповых ссылок и для запуска элементов дороги.
Однако есть и некоторые особенности. В частности, наличие
интегрированной защиты, которая может автоматически инициировать изменение предела полномочий для поезда в соответствии
с сигналом тревоги на путях, например, из-за проблемы на одном
из переездов. Этот процесс происходит по одной и той же цепочке: через VSS и по радио до бортового устройства.
Элемент ATO (automatic train operation, автоведение) опирается на два отдельных канала – один из центра управления, а другой – из бортового устройства, которые связаны между собой и
взаимодействуют друг с другом.
Во-первых, система ATO собирает информацию от системы
ATP о текущем пути, скорости и местоположении поезда, основываясь на которой система выполняет свои собственные расчеты для работы. Эти расчеты также основаны на информации из
другого канала – из центра управления. В отличие от данных
ATP, эта информация не связана с безопасностью, но необходима
для самого движения. Сюда входит расписание, определенное
оператором, и информация, необходимая для стратегии движения
– подэлемент ATO, который включает в себя карту маршрутов,
базу данных всей сети и алгоритм, контролирующий поезд, пока
он в работе. С этим связаны данные для внешних элементов, необходимых для работы, таких как дроссель, тормоза, гудки, информация о локомотиве и регистраторы данных.
Все действия, которые должен был выполнять машинист,
должны выполняться системой и/или оценщиком подвижного состава, который находится в центре управления и в основном контролирует все поезда и локомотивы (рис. 18). Они принимают
решения, которые принимал бы машинист, если бы сидел в кабине. Есть некоторые критические действия, предпринимаемые
системой, тогда как другие контролируются удаленно диспетчером, который может решить действовать немедленно или позже.
78
Рисунок 18 – Центр управления производством
в Перте (Австралия)
При разработке системы AutoHaul особое внимание было
уделено переездам как самой большой области риска. Они оснащены освещением, системой видеонаблюдения и лазерной системой обнаружения препятствий, которая подключена к ATP.
Камеры 4K HD обеспечивают четкое изображение переезда.
Прокладка путей была завершена в 2014 году, а испытания
проводились в 2015 и 2016 годах. Новая система сигнализации
была завершена в 2016–2017 годах, когда началось тестирование
различных стратегий вождения. Это был четырехэтапный процесс, который эффективно определил четыре режима работы.
Первым этапом было развертывание системы ATP в качестве жизненно важной системы безопасности, охватывающей всю
сеть и обеспечивающей основу для последующего развертывания
ATO. На втором этапе машинист оставался ответственным за вождение, ускорение, торможение и курсирование поезда. Тем не
менее, система ATO была подключена к интерфейсу «машинаводитель», причем алгоритм предлагал оптимальный профиль
вождения в соответствии с заранее определенной стратегией вождения. На третьем и четвертом этапах ATO была подключена к
дроссельной заслонке и тормозу, а также ко всем интерфейсам
79
локомотивов, поэтому впервые система смогла самостоятельно
управлять поездом. В 3-м режиме машинист оставался в кабине в
качестве наблюдателя. На 4-м этапе машинисты были удалены.
Хотя в настоящее время в поездах отсутствуют машинисты,
некоторые из них расположены в важнейших точках сети на случай возникновения проблем (ручное вождение все еще имеет место в случае неполадок). Тем не менее, удаление машинистов помогло, в частности, повысить эффективность расхода топлива локомотивами и снизить износ путей и локомотивов. Потребность в
1,5 млн км ежегодных автомобильных перевозок для перевозки
машинистов на поезда и обратно также была сокращена.
Работа по дальнейшему совершенствованию системы продолжается. Следующим шагом, вероятно, будет оптимизация алгоритма управления движением поездов, чтобы минимизировать
торможение, когда два поезда встречаются на разъездах.
Rio Tinto находится в выгодном положении по сравнению с
другими железными дорогами, которые должны учитывать потенциальную трудность развертывания подобных проектов в более сложных сетях. Основная причина заключается в том, что у
Rio Tinto закрытая частная сеть. Другого железнодорожного
движения нет. Все поезда, система управления движением поездов, тяговая система, путевая инфраструктура, шахты и порты
принадлежат компании. Кроме того, Пилбара – это засушливая
пустыня с минимальным взаимодействием с людьми.
Тем не менее, другие компании разрабатывают аналогичные
проекты, и существует большой интерес всего мира.
Можно уверенно говорить, что будущее карьерных перевозок связано с автоматизацией, которая, хотя и имеет свои недо-
статки, все же явно более совершенна, чем нынешние технологии.
Контрольные вопросы
1. Преимущества и недостатки автоматизации горнодобы-
вающего оборудования.
2. Уровни автоматизации горнодобывающего оборудования.
3. Системы автоматизации автомобильных карьерных пере-
возок.
4. Системы автоматизации железнодорожных карьерных пе-
ревозок.
80
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]