Применение
интеллектуальных средств поддержки оперативного управления горнодобывающим
предприятием[1]
Дудников Е.Е[2].,
в.н.с., д.т.н., e_dudnik@ipu.rssi.ru,
Нгуен Ми[3],
с.н.с., д.т.н., nguyenmy@mail.ru,
Чинакал В.О[4].,
с.н.с., к.т.н. chinakal@ipu.rssi.ru,
ИПУ РАН, г. Москва
Аннотация
Рассмотрены основные задачи
разработки и применения интеллектуальных инструментальных средств для поддержки
принятия решений (ИСППР) при оперативном управлении процессами горной
промышленности, включая добычу, транспортировку и обогащение руды.
Проанализированы основные задачи, для которых возможно эффективное применение
ИСППР, разработана структура подсистемы поддержки принятия решений для
оперативного управления в Автоматизированной системе управления производством
(АСУП).
Abstract
This paper describe general problems
of development and application of intellectual tools for the support of a
decision making (ITSDM) at operating control by processes of mining, including
the extraction, transportation and concentration of the ore. Primal problems
are analyse, for which probably effective application ITSDM, is developed the
structure of a subsystem of support of a decision making for operating control
in the Manufacturing Execution System (MES).
Введение
Повышение эффективности и безопасности оперативного управления
сложными производственными объектами является одной из актуальных проблем в
современных условиях. В полной мере это относится к крупнейшим промышленным
горнодобывающим предприятиям (ГДП) и горнообогатительным комбинатам (ГОК) и, в
том числе, крупным железорудным ГОК, осуществляющим добычу, транспортировку и
обогащение руды в больших масштабах. Учитывая огромные объемы добычи такого
сырья и повышение мировых цен на него, даже незначительное повышение
эффективности оперативного управления такими объектами может дать существенный
экономический эффект, и наоборот, возникновение нештатных и аварийных ситуаций
из-за ошибок в управлении может приводить к значительным потерям и техногенным
катастрофам.
Современный подход к решению данной проблемы состоит в сочетании
традиционных и новых методов управления, реализуемых на базе создания
распределенных автоматизированных систем управления (DCS-систем) всеми основными
и вспомогательными технологическими производственными процессами на нижнем
уровне (АСУТП), оперативное управление производством (MES-системы), а также
управление производственной деятельностью предприятия на верхнем уровне с
использованием ERP- пакетов и систем с последующей интеграцией этих систем в
единую систему управления предприятием - ИАСУ [1]. Одно из перспективных
направлений повышения эффективности традиционных методов и систем оперативного
управления и текущего планирования, используемых при разработке крупных
месторождений полезных ископаемых, является создание и применение
интеллектуальных систем поддержки принятия решений (ИСППР). В частности, в [2]
рассмотрены вопросы применения ИСППР для повышения безопасности управления
системой водозащиты открытого карьера ГОК в условиях возможных угроз его
затопления. В данной работе кратко рассмотрены проблемы создания и применения
общей ИСППР при оперативном управлении всеми основными производственными
процессами ГОК с использованием ИАСУ.
Целесообразность использования ИСППР в оперативном управлении ГДП
и ГОК определяется рядом объективных причин. Главные причины – это сложная
постоянно изменяющаяся структура самих объектов, наличие значительных
неопределенностей в структуре и параметрах математических моделей
разрабатываемых объектов, сложные технологии их разработки, специфика решения
задач управления ГОК, а также повышенные технико-экономические требования по
эффективности управления и экологической безопасности. Кроме того, рост спроса
на сырьевые ресурсы при истощении запасов многих традиционных источников сырья
вынуждает переходить к разработке ранее разведанных, но законсервированных
крупных месторождений. В частности, такие объекты имеются на территории РФ и
СРВ, часто имеют значительное содержание посторонних примесей, неоднородный состав
и расположены в районах со сложными геологическими, гидрологическими и
климатическими условиями. Все это существенно усложняет решение задач
эффективного и безопасного управления разработкой таких распределенных в
пространстве природных объектов с использованием только традиционных методов и
систем. Для этих объектов исходные данные геологической разведки месторождения,
как правило, ограничены, и для управляемых объектов трудно построить достаточно
полные адекватные модели. Такие модели необходимы и для реализации традиционных
методов оперативного управления в АСУТП и MES-системах и для обеспечения
гарантированного прогноза безопасной разработки месторождения в сложных
условиях. Известные существующие разработки различных приближенных моделей,
методов и пакетов прикладных программ (ППП) используются в основном при решении
задач оценки запасов месторождений и задач проектирования ГОК. Применение этих
разработок для целей оперативного управления разработкой ГОК и в ИСППР имеет
ряд особенностей и в каждом конкретном случае требуется дополнительное изучение
возможностей использования этих средств.
1. Особенности
применения программных средств при оперативном управлении ГОК
С целью определения возможности наиболее эффективного применения
известных разработок для целей оперативного управления ГОК в аналитическом
обзоре [3] был выполнен анализ 10 основных и около 20 вспомогательных
программных пакетов ведущих мировых фирм из США, Канады, Австралии и ряда
других стран. Анализ показал, что существующие модели карьеров горнорудной
промышленности и соответствующие пакеты прикладных программ (ППП) для
моделирования геологических и гидрологических задач, решаемых применительно к
проектированию карьеров горнорудной промышленности, могут лишь частично
использоваться при оперативном управлении разработкой месторождений и требуют
существенного совершенствования или новых разработок. Кроме того,
непосредственное использование
существующих ППП при оперативном управлении ГОК существенно затруднено.
Обычным пользователям ИАСУ ГОК помимо выполнения своих непосредственных
обязанностей потребуется дополнительно вводить большие объемы исходной
информации для ППП, иметь высокую квалификацию в области системного анализа и
компьютерных технологий, а также детально знать особенности применения ППП и
освоить приемы практической работы с каждым пакетом ППП.
Для преодоления этих трудностей в [4] предложен подход к повышению
эффективности применения существующих ППП при оперативном управлении
непрерывными производственными процессами на базе использования возможностей
ИСППР. Авторы предлагают применить аналогичный подход и при оперативном
управлении ГОК.
Для реализации такого подхода необходимо выделить и
охарактеризовать основные классы ППП и задачи, решаемые в различных подсистемах
ИАСУ ГОК.
Применительно к объектам горной промышленности в [3] выделено три
основных класса программных продуктов.
- Пакеты программ (системы) общего назначения.
- Специализированные программы.
- Пакеты программ для систем управления производством.
В состав систем общего назначения обычно входят комплексы
программы для геологического моделирования, включающие, в частности, программы
построения и использования высококлассных 3-мерных цифровых моделей
поверхностей и других геологических объектов; оценки запасов руды; проектирования
и планирования горных работ; календарного планирования и маркшейдерии. Модели
геологических объектов строятся на основе обработки исходной информации,
полученной в результате применения различной технологий геологоразведки
(аэрофотосъемки, бурения скважин и др.).
К специализированным программам относятся программы для
моделирования задач в технологических областях, которые пока (полностью или
частично) не обеспечиваются системами общего назначения. Среди этих программ
могут быть программы (пакеты программ) по моделированию задач гидрологии;
проведения буро-взрывных работ; оптимизации разработки карьеров и др.
К пакетам программ для систем управления производством обычно
относят программы для систем управления отдельными технологическими агрегатами
в горнодобывающей промышленности (горным транспортом, экскаваторами, буровыми
станками, насосами и др.), а также ряд программ, реализующих переход от
управления отдельными технологическими агрегатами к автоматизированному
оперативному управлению группами агрегатов или целыми производственными
комплексами.
Рассмотрим кратко основные подсистемы ИАСУ и основные решаемые
задачи.
2. Основные подсистемы
ИАСУ и решаемые задачи
Построение современной, перспективной, экономически эффективной,
интегрированной системы автоматизированного управления ГОКом должна охватывать
все подразделения, цеха и службы ГОКа. На базе исследований, проведенным в [5],
выделим в качестве типовых следующие основные подсистемы ИАСУ вместе с
относящимися к ним объектами автоматизации, и кратко укажем их основные
характеристики, особенности отдельных подразделений ГОКа и условий их работы, а
также решаемые задачи.
К основным объектам автоматизации ГОК относятся: - карьер,
транспорт, цех дробления руды и обогатительная фабрика. Соответственно
основными подсистемами ИАСУ ГОК являются: - АСУТП «Карьер», - АСУТП «Дробление
руды», - АСУТП «Обогащение руды»,- АСУТП «Окомкования руды», а также - АСУТП
«Вспомогательных служб» и «ERP –система» для верхнего уровня управления ИАСУ
ГОК.
В АСУТП «Карьер» имеются рассредоточенные и меняющие свое
расположение на местности группы объектов: насосные станции, горно-транспортные
средства (экскаваторы, самосвалы, бульдозеры, буровые станки). Решаются задачи
управления местными средствами автоматизации, проведения телемеханического
мониторинга, обеспечения водозащиты при проведении горных работ и организации
компьютерной поддержки принятия решений на уровне диспетчерского управления
карьером.
АСУТП «Дробление руды» обеспечивает управление цехом дробления руды,
содержащим компактно расположенные дробильные агрегаты, мельницы
полусамоизмельчения, гидроциклоны, склады продукции. Следует дать решения по
АСУ ТП отдельных объектов цеха и по их интеграции в масштабе цеха.
АСУТП «Обогащение руды» автоматизирует управление магнитными
сепараторами и шаровыми мельницами обогатительной фабрики. Необходимо
автоматизировать процессы обогащения руды с вариантом реализации оптимального
управления.
АСУТП «Окомкования руды» обеспечивает управление цехом
окомкования, содержащего комплекс взаимосвязанных агрегатов: сгустителей,
смесителей, барабанных окомкователей, грохотов и установку обжига. Необходимо
обеспечить решение задач по автоматизации работы отдельных агрегатов и их
информационной интеграции для координированного управления работой цеха.
К АСУТП «Вспомогательных служб» относятся вспомогательные службы,
расположенные в пределах ГОКа и жилого поселка, включая отдельные
энергетические и хозяйственные объекты: подстанции, котельные, сооружения
водоснабжения и канализации, склады горюче-смазочных материалов и т.п.
Необходимо обеспечить решение задач контроля и управления по отдельным местным
АСУ ТП, по телемеханическому мониторингу и по компьютерной поддержке принятия
решений на уровне диспетчерского управления вспомогательными службами.
«ERP –система» относится к верхнему уровню управления ИАСУ ГОК,
обеспечивая поддержку работы плановых, организационно-хозяйственных,
снабженческих, сбытовых и финансовых служб предприятия. Необходимо обеспечить
поддержку решения задач: - автоматической информационной связи всех
подразделений ГОКа с общим плановым отделом предприятия и с остальными отделами
заводоуправления, по организации взаимной информационной связи всех отделов, по
хранению и использованию оперативной и исторической информации, по построению
единой интегрированной информационной системы автоматизированного контроля и
управления предприятием и ее информационному обеспечению.
Для разработки ИАСУ ГОК, ее отдельных подсистем и решения основных
задач управления ГОКом могут успешно применяться традиционные методы,
реализуемые на базе стандартных аппаратно-программных средств [1]. Поэтому ниже
рассмотрены только основные особенности создания единой интеллектуальной
системы поддержки принятия оперативных решений при оперативном управлении ГОКом
и ее информационной связи с ИАСУ горнодобывающего предприятия.
3. Подсистема интеллектуальной поддержки работы ИАСУ ГОК
Программный комплекс ИСППР ГОК предназначен для реализации функций
интеллектуального помощника оперативной деятельности операторов различных
подсистем в интегрированной автоматизированной системе управления
горнообогатительным комбинатом - ИАСУ ГОК. С учетом специфики производственных
процессов программное обеспечение (ПО) ИСППР должна обеспечивать в
интерактивном режиме поддержку работы пользователей основных подсистем ИАСУ
ГОК, перечисленным в разделе 2.
Пользователями ИСППР являются:
- операторы основных
подсистем ГОК, диспетчеры и ИТР отдельных производств и центральной
диспетчерской ГОК, , руководители различных технических, финансовых и
вспомогательных подразделений;
- отдельные программы,
использующие возможности ПО ИСППР для периодического проведения мониторинга
работы различных процессов ГОК на основе автоматизированного анализа текущей
обстановки и прогноза возможного развития ситуаций по данным реального времени.
Предлагаемая методика применения ИСППР для обслуживания
пользователей различных подсистем ИАСУ ГОК развивает следующую общую схему,
предложенную и апробированную в [6] при создании ИСППР реального времени,
встроенной в систему управления подвижными объектами. Согласно этой схеме
пользователям различных подсистем ИАСУ предоставляется возможность формирования
на базе формализованных описаний и открытого интерфейса запросов к общей
системе поддержки принятия решений в виде стандартизованных форм «запрос –
ответ». Элементы форм подготовленных типовых шаблонов могут изменяться путем
выбора из соответствующих списков. Запросы пользователей к ИСППР и ответы от
ИСППР передаются по информационной промышленной сети предприятия. В ИСППР
реализуются следующие основные этапы:
1. Обработка запросов пользователей,
классификация типов запросов, определение необходимых условий и требуемых
данных для выполнения запроса.
2. Выбор и модификация соответствующего
стратегического сценария выполнения основных этапов запроса;
3. Формирование детального рабочего
сценария исполнения запроса по всем этапам на основе анализа содержимого
запроса с учетом имеющейся оперативной и архивной информации в базах данных
реального времени (БД РВ).
4. Выполнение всех этапов рабочего
сценария, включая проведение необходимых расчетов и выполнения рассуждений на
основании: - знаний, содержащихся в базах знаний (БЗ) экспертных систем
реального времени (ЭС РВ), данных реального времени, поступающих от внешних
источников (контрольно-измерительной аппаратуры, БД РВ и архивных данных),
данных, поступающих от подсистемы имитационного моделирования (СИМ).
5. Формирование ответа на запрос для
передачи пользователю с учетом вида и формы представления ответа с возможностью
визуализации результирующей информации с помощью геоинформационной подсистемы
(ГИС) и подсистемы создания виртуальной реальности (СВР).
С целью повышения эффективности работы ИСППР при обработке
различных структур данных в реальном времени выбрана форма представления знаний
в ЭС РВ в виде продукционных моделей, реализуемых на основе четких и нечетких
правил в базах знаний (БЗ). Знания структурируются через иерархию классов,
иерархию модулей и иерархию рабочих пространств.
Формы запросов в ИСППР создаются на основе типовых шаблонов
(референтных моделей типовых задач различных подсистем) и ориентированы на
решение следующих вопросов:
·
анализ текущих событий, проверка условий, правил и ограничений,
получение по каждой подсистеме ИАСУ ГОК текущих оценок основных
производственных ситуаций;
·
прогноз возможных вариантов развития ситуаций;
·
поиск и выдача пользователям системы ИСППР необходимой справочной
и технической информации, генерация и советов по вариантам возможных действий в
штатных и нештатных ситуациях.
На основе анализа основных требований к задачам, решаемым в
различных подсистемах ГОК, была разработана структура интеллектуальной системы
поддержки принятия решений, общей для пользователей ИАСУ ГОК. Укрупненная
структурно-функциональная схема программного комплекса ИСППР ГОК приведена на
рис. 1., где показано взаимодействие ИСППР с основными подсистемами ИАСУ ГОК по
информационной сети и отражено назначение основных программных компонентов
ИСППР и их взаимодействие между собой по локальной сети.
Функционирование ИСППР согласно схеме рис.1 происходит следующим
образом. ИСППР ГОК связана через шлюз и монитор ИСППР со всеми подсистемами
ИАСУ ГОК, получая от них по информационной сети запросы от пользователей и
передавая им результаты ответов ИСППР. Монитор ИСППР выполняет функции
планировщика решения задач на всех этапах выполнения запросов пользователей,
управляя по локальной сети взаимодействием функциональных программных модулей и
мониторов локальных подсистем ИСППР. Названия функциональных программных
модулей отражают их основное назначение. Мониторами локальных подсистем ИСППР
являются:
§
монитор экспертных систем реального времени (ЭС РВ) управляет
работой ЭС1 РВ, ЭС2 РВ, ЭС3 РВ, ЭС4 РВ, ЭС5 РВ, обеспечивая реализацию
интеллектуальной поддержки на всех этапах выполнения сценария получения ответа
на запрос пользователя;
§
монитор системы имитационного моделирования (СИМ) управляет работой
функциональных модулей СИМ ГОК, обеспечивая прогноз возможных альтернативных
вариантов развития ситуаций при разработке ГОК в зависимости от альтернативных
вариантов моделей объекта, состояния технических средств, системы управления
ГОК и моделей внешней среды и возмущений;
§
монитор геоинформационной системы (ГИС) управляет хранением,
изменением и представлением исходной и оперативной горногеологической и
гидрологической информацией о структуре и параметрах текущей актуальной модели
ГОК и возможных альтернативных вариантах моделей ГОК, изменяющихся по мере его
разработки и уточнения параметров и структуры модели по текущим оперативным
данным;
§
монитор системы представления виртуальной реальности (СВР),
обеспечивает динамическую визуализацию состояния и работы всех технических
средств ГОК, СУ ГОК и представление 3D изображений и 2D сечений
горногеологической и гидрологической информации на основе данных ГИС.
Преимуществом распределенной системы ЭС РВ является большее
быстродействие, меньшее число правил в каждой ЭС РВ, специализированной на
поддержку решения только своей группы задач. Каждая ЭС РВ имеет свои
корректируемые базы данных реального времени БД1 – БД5 и базы знаний БЗ1 - БЗ5.
В то же время ЭС РВ могут взаимодействовать между собой через общую локальную
сеть, монитор ЭС и ПО анализаторов обработки запросов-ответов.
В соответствии с этапами подготовки и выполнения общего сценария
решение задач обработки запросов разделяется на 5 уровней:
1- уровень анализа запросов пользователей с использованием ЭС1 РВ
«Запрос-ответ» и ПО функциональных модулей обработки запросов и формирования
ответов осуществляют обработку и классификацию типов запросов пользователей.
Для определения всех необходимых условий и данных для выполнения запроса
используется ЭС2 РВ «Условия и ситуации» вместе с ПО функциональных модулей
анализа условий, событий и прогноза развития ситуаций;
2- уровень предназначен для реализации выбора и модификации
соответствующих стратегических сценариев выполнения основных этапов запроса на
основе информации, полученной на 1 уровне, предварительной информации о
необходимости прогноза развития конкретной ситуаций и заданных параметров
модификации выбранного типового стратегического сценария;
3- уровень – обеспечивает формирование детального рабочего сценария
исполнения запроса по всем этапам на основе анализа содержимого запроса на 1
этапе и стратегического сценария, сформированного на 2 этапе с учетом имеющейся
оперативной и архивной информации в базах данных реального времени и ПО
подготовки и контроля выполнения сценариев;
4- уровень - соответствует выполнению всех
этапов рабочего сценария, включая:
·
генерацию альтернативных вариантов моделей объекта и
альтернативных вариантов управления подсистемами ГОК с использованием
соответствующих функциональных программных модулей;
·
формирование и проведение необходимых расчетов и имитационного
моделирования в СИМ по каждому варианту в реальном и ускоренном времени;
·
выполнение рассуждений на основании знаний, содержащихся в БД и БЗ
ЭС3 РВ «Карьер», ЭС4 РВ «Транспорт», ЭС5 РВ «Руда» и оперативных данных
реального времени, поступающих от внешних источников;
·
получение оценок альтернативных вариантов моделей ГОК и вариантов
управлений с выбором наиболее эффективных с помощью соответствующих
функциональных программных модулей.
5- уровень - формирование ответа
пользователю в требуемом ему виде и форме представления с использованием
средств ГИС и возможностей подсистемы создания виртуальной реальности.
Применение ЭС3 РВ "Карьер" позволяет поддерживать
решение задач адаптации параметров и структуры текущей модели карьера с
использованием всей априорной и апостериорной информации, решение задач
обеспечения безопасности разработки карьера [2].
ЭС4 РВ "Транспорт" поддерживает решение задач выбора
эффективного управления в случаях возникновения нештатных и аварийных ситуаций
на карьерном транспорте и отказах в работе средств механизации. В подобных
ситуациях можно эффективно использовать возможности ЭС4 РВ, СИМ и данные от ГИС
для генерации и проверки альтернативных вариантов управления с учетом имеющейся
информации и применения программных средств.
ЭС5 РВ "Руда" поддерживает решение круга задач,
связанных с управлением процессами дробления, обогащения и окомкования руды в
соответствующих подсистемах АСУТП с использованием СИМ и ПО оценки и выбора
вариантов управления.
Для поддержки работы пользователей ERP ГОК, АСУТП
«Вспомогательных служб» предусматривается использование ЭС2 РВ «Условия и
ситуации» совместно с ПО функциональных модулей анализа условий, событий и
прогноза развития ситуаций. Для поиска, формирования и выдачи справочной
информации по запросам пользователей основных подсистем ГОК используются
соответствующие БД ЭС2 РВ, ЭС3 РВ, ЭС4 РВ и ЭС5 РВ.
На каждом уровне ЭС РВ используют свои базы данных (БД1, БД2, БД3,
БД4, БД5) и базы знаний (БЗ1,БЗ2,БЗ3, БЗ4, БЗ5), содержащие базы фактов и
правил, необходимых для работы соответствующих экспертных систем.
Опыт создания прототипов аналогичных ИСППР [6, 7] и анализ
имеющихся на рынке автоматизации современных инструментальных средств для
создания экспертных систем показывает, что для успешной практической реализации
требуемых функции ИСППР при оперативном управлении ГОК в реальном времени
целесообразно применение компьютерных технологий, сочетающих универсальные технологии
построения информационных систем и специализированные методы. Универсальные
технологии обеспечивают построение таких систем на базе стандартов открытых
систем, объектно-ориентированного программирования, клиент-серверной
архитектуры и применения многозадачных ОС, обеспечивающих параллельное
выполнение в РВ независимых процессов. Специализированные методы позволяют
реализовать рассуждения, основанные на правилах, на динамических моделях,
имитационном моделировании в реальном и ускоренном времени, процедурных
рассуждениях и т.д. В соответствии с этими требованиями достаточно эффективным
вариантом выбора инструментальных средств для построения ИСППР ИАСУ ГОК
представляется использование современного инструментального программного
комплекса G2 фирмы Gensym [7] (версии 8.3 и выше).
Заключение
Разработана структура построения общей системы интеллектуальной
поддержки принятия решений при оперативном управлении основными
производственными процессами горнодобывающих и горнообогатительных производств.
В состав ИСППР входят экспертные системы реального времени, подсистема
имитационного моделирования, геоинформационная подсистема и подсистема создания
виртуальной реальности. По мнению авторов, создание ИСППР такого типа будет
способствовать дальнейшему развитию геоинформационных технологий и
совершенствованию научно-технического и проектного обеспечения горных
предприятий в части промышленного использования современных информационных
технологий. Внедрение ИСППР на крупных горных предприятиях России и СРВ
позволит повысить технико-экономическую эффективности и безопасность управления
сложными объектами горной промышленности.
Литература
1.
Ицкович Э.Л. Проблемы интеграции систем автоматизации на
предприятиях // Промышленные АСУ и контроллеры, № 5, 2004., №5, 2004.
2.
Дудников Е.Е., Нгуен Ми, Чинакал В.О. Повышение безопасности
разработки горнорудных объектов с использованием интеллектуальных средств. Тр.
17 Международной конф. «Проблемы управления безопасностью сложных систем». ИПУ.
Москва. 2009.
3.
Дудников Е.Е. Универсальные программные пакеты для моделирования
систем с распределенными параметрами (обзор) // Автоматика и телемеханика 2009,
№ 1, с. 2-23.
4.
Горвиц Г.Г., Чинакал В.О.
Применение методов идентификации, имитационного моделирования и оптимизации в
подсистемах поддержки принятия решений. // Труды III Международной конференции
SICPRO ‘2000, Москва, ИПУ РАН. 2000.
5.
ТЭО «Разработки и обогащения железных руд месторождения Тхакхе
провинции Хатинь, Вьетнам», ВИОГЕМ, Белгород, 2007.
6.
Borisov V.G., Danilova
S.K. Chinakal V.O. About Building of the Integrating System of Navigation,
Management and Educating the Operators with use of Intellectual Methods of
Control. //"12th Saint Peterburg International Conference on Integrated
Navigation Systems". St Peterburg. 2005.
7.
Рыбина Г.В., Смирнов В.В., Шубинцева М.В. Введение в
инструментальную среду G2. МГУ. Москва. 1997.