Планирование подземных горных работ

Взаимные ограничения и обратные связи затрудняют планирование в подземных рудниках, делая математические методы оптимизации неэффективными. В статье обсуждается подход к планированию подземных горных работ, основанный на поддержании буферов незавершенного производства и итерационной корректировке плана с помощью имитационной модели. Преимуществом предлагаемого подхода является возможность учитывать вероятностные факторы, присущие реальному миру.

Взаимные ограничения и обратные связи затрудняют планирование в подземных рудниках

В подземных горных выработках одновременно ведутся горно-подготовительные, очистные и закладочные работы. При буровзрывном способе добычи работы ведутся циклами, и проходка выработок выполняется дискретными интервалами. Это создает циклические зависимости: не окончив бурение нельзя выполнить взрыв и начать вывоз руды из выработки. Важной также является зависимость между горно-подготовительными (ГПР) и очистными работами: для поддержания достаточно широкого ассортимента выработок необходимо постоянно открывать для работы новые выработки, выполняя ГПР. В свою очередь, недостаточная скорость выполнения закладочных работ может также ограничивать возможность работы в очистных камерах.

Дополнительная сложность привносится тем, что для многих процессов используются одни и те же ресурсы. Так, самоходно-буровые установки (СБУ) могут использоваться как на горно-подготовительных, так и на очистных работах, а также могут привлекаться для укрепления сводов выработок. Поэтому важной задачей планирования является распределение ресурсов по фронтам работ, каждый из которых может находиться на своем этапе цикла.

Планирование основано на поддержании буферов между переделами

При выполнении горных работ естественным образом складываются буферы обработанной породы перед каждым переделом. Например, очищенную выработку можно представить как буфер объема работ для бурения. Аналогично, отбитая руда – буфер для вывоза.

При наличии буфера на некоторое время вперед (например, на несколько смен) планирование работ на соответствующем переделе значительно упрощается за счет гибкости при распределении ресурсов. Гибкость возникает потому, что фронт работ на каждую смену превышает мощность ресурсов данного передела.

Результатом работы каждого передела является наполнение/поддержание буфера работы перед следующим переделом. Таким образом, целесообразно при планировании ориентироваться на подержании буфера работ между каждой парой переделов. Это соображение положено в основу используемого в инструменте MineTwin алгоритмом планирования.

Цель планирования – поддерживать буферы на всех переделах

Планирование – составление плана горных работ на заданный горизонт вперед. План горных работ состоит из отдельных заданий, в каждом из которых указана смена, ед. оборудования, забой, вид, объем и длительность выполняемых работ. Таким образом, результатом планирования является составление списка плановых заданий для единиц оборудования на заданный горизонт. План должен обеспечивать выполнение целей работы рудника – добыча заданного объема руды установленного качества.
План должен быть выполнимым, то есть учитывать время, необходимое на плановые ремонты и обслуживание оборудования, переезды между местами выполнения работ, задержки при выполнении вспомогательных работы и другие ограничения, описанные выше. В инструменте MineTwin реализован алгоритм, схематично показанный на блок схеме.

В начале работы алгоритма определяются целевые темпы бурения и вывоза руды и полезного вещества по массе. При планировании обеспечивается минимальное отклонение плановых объемов от целевых.

Альтернатива – это одно или несколько плановых заданий для оборудования рудника, реализация которых возможна на конкретной итерации планирования. При генерации альтернатив учитываются все необходимые ограничения, например, время подъезда к выработке, ограничения по вентиляции, по количеству одновременно работающих шахтных автосамосвалов (ШАС) с погрузочно-доставочными машинами (ПДМ) и т.п. Таким образом, именно на этапе генерации альтернатив обеспечивается удовлетворение всем необходимым требованиям. Каждой альтернативе сопоставляется числовое значение, соответствующее изменению отклонения планового графика объемов руды по переделу от целевого. Если альтернатива приводит к сокращению данного отклонения, ей присваивается отрицательная оценка, иначе – положительная. На каждой итерации выбирается альтернатива с наименьшей оценкой. Выбранная альтернатива добавляется к плану и выполняются все необходимые пересчеты.

Альтернатива – это одно или несколько плановых заданий для оборудования рудника, реализация которых возможна на конкретной итерации планирования. При генерации альтернатив учитываются все необходимые ограничения, например, время подъезда к выработке, ограничения по вентиляции, по количеству одновременно работающих шахтных автосамосвалов (ШАС) с погрузочно-доставочными машинами (ПДМ) и т.п. Таким образом, именно на этапе генерации альтернатив обеспечивается удовлетворение всем необходимым требованиям. Каждой альтернативе сопоставляется числовое значение, соответствующее изменению отклонения планового графика объемов руды по переделу от целевого. Если альтернатива приводит к сокращению данного отклонения, ей присваивается отрицательная оценка, иначе – положительная. На каждой итерации выбирается альтернатива с наименьшей оценкой. Выбранная альтернатива добавляется к плану и выполняются все необходимые пересчеты.

Алгоритм итерационного планирования является «жадным», использующим локальные критерии на каждой итерации. Это может привести к тому, что на некотором шаге планирования не удастся сформировать ни одной альтернативы, удовлетворяющей ограничениям. Например, это может произойти из-за недостаточного качества руды во всех доступных для вывоза выработках. В таком случае алгоритм выполняет возврат на несколько шагов назад и исключает выбор альтернатив, приведших к тупиковой ветке.

Имитационная модель проверяет выполнимость составленного плана

Не все существенные аспекты работы рудника могут быть учтены на этапе составления плана. Трудно учитывать ограничения, связанные с временной динамикой процесса: образование очередей перед рудоспусками, заполнение и опустошение рудоспусков, синхронизацию работы добычного горизонта и железнодорожного транспорта. Такие динамические ограничения учитываются с помощью имитационного моделирования. В имитационной модели на детальном уровне воспроизводится работа рудника на протяжении запланированного периода. Имитационная модель, встроенная в инструмент MineTwin, воспроизводит каждый рейс ПДМ и ШАС, разъезды транспорта внутри рудника, каждый цикл работы буровых, закладочных бригад и т. п.
Для проверки корректности плана запускается имитационный эксперимент, в ходе которого моделируется исполнение составленного планировщиком плана. Результатом имитационного эксперимента является отчет об отставании компьютерной имитации от плана. Если отставание отсутствует или находится в допустимых пределах, план признается исполнимым, в противном случае – план неисполним и требуется корректировка параметров планирования для обеспечения его исполнимости. Такая корректировка производится на основании анализа результатов имитационного эксперимента. Например, если модель выявила перегрузку определённого рудоспуска, планировщику может быть задано дополнительное ограничение по количеству рейсов в данный рудоспуск. Итерации расчета плана и его корректировки с использованием результата имитационного эксперимента повторяются до достижения исполнимого плана.