地下礦山生產短間隔控制管理研究與系統開發

王 浩 胡乃聯 李國清 侯 杰 強興邦

(1.北京科技大學土木與資源工程學院,北京 100083;2.金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室,北京 100083)

地下礦山生產涉及多工序、多設備、多工種,是一 條復雜運營鏈,所有人員、設備、物資均需要按照工班、工種分配具體生產任務,并將其按照礦山整體需求統籌規劃協調[1]。在地下礦山調度管理過程中,受通訊、管理、設備等多方面影響,指令下達與數據上報的準確性與時效性通常難以保證,井下調度中出現的問題不能及時得到解決[2-3]。因此,在礦山廣泛開展智能化建設的背景下,地下礦山調度亟需一種新的管理模式與管理工具,提高調度效率,保證井下高效有序生產[4-5]。

隨著新一代信息技術與礦山生產的深度融合,國內外正在大力開展智能礦山研究與建設實踐,實現精細化生產管理是智能礦山建設的重要組成部分[6-12]。短間隔控制(Short Interval Control,SIC)是一種在生產作業期間通過縮短調度間隔以推動改進的生產管控方式。SIC將礦山傳統的8小時工班管控周期劃分為多個短時間周期,稱之為短間隔,在每個短間隔節點進行進度管控和調度優化,以提高采礦生產效率,實現對生產過程的定期、持續改進,是一種持續提高生產力的結構化閉環循環管理過程。在生產作業期間通過快速有效的進度跟蹤和數據分析,可及時發現并消除各種不利因素,從而提高生產效率,即通過分析現狀為未來生產提供指導,這一思維是SIC理論形成的基礎。廣義來說,SIC理論可以幫助采礦生產作業過程實現有效的PDCA循環[13]。

SIC最早應用于制造業,在礦山領域的研究與應用尚處于起步階段[14]。ADE等[15]將精益生產理念引入印度煤炭工業,通過減少浪費提高了生產效率。HOWES等[16]在切洛佩奇礦山進行了SIC的應用嘗試,結果表明,SIC能夠有效改善井下生產管理,但信息傳輸是實踐過程中的技術瓶頸。隨著信息技術的進步,ABB、Deswik、Hexagon、Sandivk、Mobilaris等礦業領域供應商均提出了各自的SIC軟硬件解決方案,為SIC的進一步應用提供了可能[17-20]。金田公司通過實施SIC實現了產量增加35%的目標,力拓集團的Kestrel礦在實施SIC 12周后實現了產量翻倍。全球礦業指導組(Global Mining Guidelines Group,GMG)于2019年6月發布了SIC實施指南,為地下礦山實施SIC提供了綱要[21]。盡管SIC能夠滿足地下礦山精細化管控需求,且在國外已有成功案例,但在國內實施和推廣仍需解決以下問題:①SIC是一種高頻率的調度管控,與傳統礦山按班次調度決策模式有所差異,因此需要信息化手段與調度優化模型的支持以完成快速決策;②井下無線網絡和智能終端的普及率較低,難以滿足SIC高頻率的信息傳輸需求;③現有調度管理通常采用層層下達與上報的模式,沒有形成快速反饋與響應的業務理念,難以形成SIC的高頻率調度管理模式。本研究在現有成果的基礎上,將SIC管理方法與地下礦山生產調度過程相結合,建立面向智能化礦山的SIC調度管理模型,在此基礎上完成系統開發與應用,分析SIC對地下礦山調度管理的促進作用。

1 SIC整體流程與業務邊界

SIC是一種結構化的管理框架,通過在短期間隔內對生產進度監控進行反饋閉環,及時采取修正措施使進度偏離最小化,提高整體生產效率。SIC由一線生產人員在一定間隔時間內對所執行任務做出階段性總結,與傳統的礦山調度管理方法相比,可以快速發現不利于生產的各項因素,為下一階段生產及時做出反應和決策。SIC理念極大程度上契合了地下礦山精細化管理需求,但其本質上仍然是礦山生產管理的一部分,因此實施SIC需要遵循礦山生產管理體系,即長期計劃、中期計劃、短期計劃、作業計劃和生產執行。

地下礦山SIC管理的目的是增強井下班組生產作業進度的透明度,減小作業過程中不可控因素的影響,提高作業進度與生產計劃的一致性,保證各作業環節的高效和接續性。地下礦山生產SIC業務的起點為作業計劃制定,終點為生產作業完成、反饋與分析。其主要業務流程為:①根據短期計劃和生產能力制定作業計劃;②班次開始前根據作業計劃與當前生產進度進行調度排產;③在班次內的各個短間隔節點進行進度檢查,上報作業情況,分析整體進度并進行優化調整;④班次結束后進行進度檢查,分析當前的計劃執行情況與存在問題,提出改進措施。

本研究將地下礦山生產SIC劃分為作業計劃制定、短間隔調度排產、短間隔檢查反饋和短間隔分析改進4個子業務。地下礦山SIC主要流程和業務邊界如圖1所示。

圖1 地下礦山SIC主要流程和業務邊界Fig.1 SIC main process and business boundary in underground mines

2 地下礦山生產SIC業務建模

地下礦山SIC中涉及的業務主體包括計劃編制、調度管理、現場生產管理和生產作業。計劃編制主體負責短期計劃分解和作業計劃制定與發布,由生產技術部門的技術管理人員組成。調度管理主體負責調度排產、調度指令下達和生產調度統計分析工作,由地表調度中心的生產技術管理人員組成?，F場生產管理主體負責井下某一生產區域的生產和協調工作,礦山通常稱為帶班長、工段長等。生產作業主體負責執行生產作業任務,通常為一線作業人員與設備。

2.1 作業計劃制定

作業計劃制定的目的是在短期計劃框架內制定一份可完成生產目標的時間進度與資源分配方案。具體流程如圖2所示。

圖2 作業計劃制定業務流程Fig.2 Business process of weekly plan making

通過獲取地質資源、設備、人力等相關數據,保證作業計劃實施對象的可用性。根據作業工序和生產要素將短期計劃分解為生產任務,確定任務間的約束關系,排布符合生產目標且作業量均衡的作業計劃。在計劃分解過程中,可以利用優化算法和仿真工具排除潛在的作業沖突,確保作業計劃的合理性。為保證現場實施的可行性,作業計劃需要同時得到計劃編制主體、調度管理主體和現場生產管理三方的共同認可,并確定各項任務的預期完成時間和最遲完成時間。在完成所有編排、優化和確認工作后,作業計劃正式發布并用于指導調度生產。

2.2 短間隔調度排產

短間隔調度排產的目的是在作業計劃的框架內制定一份任務分配與資源調配方案,將責任落實到生產作業主體,為現場作業提供指導。具體流程如圖3所示。

圖3 短間隔調度排產業務流程Fig.3 Business process of SIC scheduling plan making

在短間隔調度排產過程中,需要以作業計劃為指導,針對上一班次生產作業結果加以分析改進,充分掌握當前作業進度和潛在風險,在保證作業量平衡和效率達標的前提下確定本班次的生產任務與目標。通過確定人員、設備等生產要素的位置與狀態,將作業任務排布至各生產作業主體,創建責任到人的任務清單。短間隔調度排產是一個動態過程,需要隨著反饋信息的上報滾動調整優化,使作業偏差最小化。

2.3 短間隔檢查反饋

短間隔檢查反饋是SIC的核心,通過使檢查周期最小化,定時反饋任務進度與生產狀況,及時糾正生產偏差,避免因突發事件、員工操作失誤等問題而產生任務延遲。具體流程如圖4所示。

圖4 短間隔檢查反饋業務流程Fig.4 Business process of SIC feedback checking

生產作業主體在作業現場通過移動終端及時將作業完成信息和事件與風險信息上報。調度管理主體通過在SIC節點進行進度檢查,完成各作業任務的進度、事件與風險匯總。通過對滯后的作業任務進行調整和重新排產,完成任務清單的重新部署,指導下一間隔內的現場生產作業。

2.4 短間隔分析改進

短間隔分析改進的目的是在班次結束后對本班次的作業進度和SIC過程執行效果進行評估,對未來的計劃編制與SIC指令下達提供支持。具體流程如圖5所示。

圖5 生產分析改進業務流程Fig.5 Business process of SIC analysis and improvement

班次結束后對當前生產進度、調度計劃等數據進行分析。通過對比計劃與實際進度,評估生產效率與決策合理性,形成包含任務完成情況、生產效率、設備狀態、隱患風險、改進措施等信息的分析報告。該報告為下一班次的調度排產和未來的作業計劃制定提供決策依據,通過短周期的分析改進對不斷變化的生產狀況做出快速響應。

3 地下礦山生產SIC系統實現

3.1 系統搭建方式

SIC作為一種短周期、高頻率的管理模式,需要礦山信息化與智能化軟硬件作為實施載體。SIC系統主要包括基礎通信網絡、管理端、移動終端、查詢端和工業大數據平臺端等內容,整體搭建方式如圖6所示。

圖6 SIC系統整體搭建方式Fig.6 Overall construction method for SIC system

(1)基礎通信網絡。完善的網絡覆蓋是保證SIC系統流暢運行的基礎,包括高速工業環網、高覆蓋率的無線AP網絡、網絡交換機和網絡防火墻。

(2)管理端。井下調度指令應由地面調度中心統籌決策和下達,管理端服務于地面調度中心,輔助完成數據的采集匯總、指令制定、指令下達、數據分析、計劃優化等調度管理內容,硬件包括調度大屏、調度電腦等。

(3)移動終端。移動終端負責接收調度指令和上報進度與事件,是將調度管理延伸至生產一線的核心環節,硬件包括鑿巖臺車、撬毛臺車、鏟運機、卡車、錨桿臺車等無軌設備的車載移動端與手持移動終端。

(4)查詢端。通過廣域互聯網為所有授權用戶提供多終端查詢功能,保障相關人員及時自主獲取授權范圍內的數據,需要部署完善的用戶授權體系和網絡防火墻,以保證數據和系統的安全性。

(5)工業大數據平臺端。利用工業大數據平臺高性能計算和存儲的特點構建SIC后臺計算和存儲服務平臺,完成SIC核心業務處理,包括算法庫、計算節點和存儲節點,實現數據的收發、存儲、統計和匯總,以及優化模型的自學習等功能。同時,在工業大數據平臺內利用跨域數據融合技術實現地質、設備、人力等跨域數據的交互,為SIC提供外部數據支持。

3.2 功能體系設計

根據地下礦山生產SIC業務流程,系統分為作業計劃制定模塊、短間隔調度排產模塊、短間隔檢查反饋模塊和短間隔分析改進模塊,各個模塊下設多個子模塊。具體功能模塊設計如圖7所示。

圖7 SIC系統功能體系Fig.7 Functional setup of SIC system

(1)作業計劃制定模塊。用于根據生產現狀將短期計劃分解為作業計劃,以指導井下日常生產調度。短期生產計劃分解用于計劃編制管理人員將短期計劃分解為作業計劃;作業計劃仿真模型通過事件模擬法得出作業計劃的理論執行情況,用于驗證作業計劃的可行性;作業計劃審核發布用于作業計劃的審批、流轉和發布。

(2)短間隔調度排產模塊。用于制定調度計劃并下達。作業進度分析用于獲取當前生產作業進度,分析任務執行情況;調度目標制定用于根據當前進度與作業計劃制定本班次的生產目標;調度排產優化利用機器學習和優化模型對本班次的作業任務進行優化,輔助得到最優的人機調度編排;人機任務編排用于根據手工或自動優化結果確定本班次的人機任務計劃;調度指令發布用于將調度計劃下發至一線相關作業人員。

(3)短間隔檢查反饋模塊。用于在SIC節點進行作業進度檢查和調度調整。調度指令接收用于接收調度中心下發的調度指令,作業進度上報用于上報當前的作業進度,事件與風險上報用于上報當前作業發生的意外事件或潛在風險,個人進度查詢用于查詢當前作業人員待完成和已完成任務的情況,作業情況評估用于查詢和評估當前井下整體生產作業進度情況,調度調整用于根據當前狀況優化調整調度排產。

(4)短間隔分析改進模塊。用于評估和分析本班次的作業進度和作業情況,并將結果發布。作業進度匯總用于統計匯總本班次的作業進度;調度排產效果分析用于分析本班次調度排產的執行效果和優缺點;調度排產優化自學習用于將調度排產效果的分析結果返回優化模型,通過機器學習的自學習功能完成優化模型更新;作業進度發布用于將作業進度正式發布;作業進度授權查詢、調度日報授權查詢和作業進度可視化分析用于授權用戶的數據查詢并利用甘特圖、三維模型、統計圖表等可視化方法進行作業進度分析。

3.3 系統實現

地下礦山SIC系統涉及井下和地面多地點管理和多業務處理與優化,因此采用管理端、移動終端、Web查詢端和工業大數據平臺端跨平臺多技術融合的方式開發實現。

管理端是井下生產調度指揮的中樞,安全性是管理端的首要考慮因素,因此采用C/S架構,部署于調度中心的SIC管理專用主機中,從物理層面和管理層面保證了管理端的安全性,管理端界面如圖8所示。

圖8 SIC系統管理端界面Fig.8 Management terminal interface of SIC system

移動終端是將SIC延伸至生產一線的關鍵環節,應首先考慮其易用性和便攜性,采用Android/IOS雙平臺開發,采用扁平化設計,簡化用戶輸入,同時采用本地/云端雙存儲,確保井下無網環境中使用,移動終端界面如圖9所示。

圖9 SIC系統移動終端界面Fig.9 Mobile terminal interface of SIC system

Web查詢端用于授權用戶的數據查詢和分布式數據分析,采用B/S架構開發,普通用戶僅需網絡連接和瀏覽器即可獲取服務,Web查詢端界面如圖10所示。

圖10 SIC系統Web查詢端界面Fig.10 Web terminal interface of SIC system

工業大數據平臺端的模型方法使用python語言開發,部署在云端計算服務器,通過被動調用或定時主動執行的方式提供及時準確的優化結果。

3.4 應用效果

國內某大型地下金屬礦山自2018年起逐步對裝備、網絡等軟硬件設施進行智能化改造,并于2019年起逐步在生產調度管理中實施SIC管理并將系統投入應用。截至2020年底,該礦山在作業效率、成本、物耗和經濟效益等方面得到了較大提升,技術經濟參數對比如表1所示。

表1 某礦山實施SIC技術經濟參數對比Table 1 Comparison of technical and economic parameters of SIC in a mine

SIC的應用有助于縮短井下調度管理周期、提高井下生產透明性、發揮礦山生產潛能,其應用效果總結如下:

(1)信息透明。SIC有助于及時采集井下人員、設備的作業信息以及井下各項生產環境監測信息,以便對生產作業環節進行監控。

(2)柔性調度。SIC有效縮短了井下調度管控周期,可以快速調整作業順序、重新部署作業任務,保障生產秩序,實現了井下的快速調度和快速響應。

(3)精益生產。井下生產涉及大量人力、設備、物資和地質資源,SIC有助于科學合理地利用井下資源,減少閑置和沖突,提高生產效率,實現精益生產。

(4)科學決策。SIC利用優化算法等智能化決策手段,在生產計劃框架內及時準確制定和下達生產調度指令,提高了決策過程的科學性。

4 結 論

SIC作為一種精細化、敏捷化的礦山生產調度方式,雖然已在國外先進礦山得到成熟應用,但是由于生產管理模式存在差異,SIC在我國礦山的推進仍需要與礦山的生產管控特征全面融合。本研究引入SIC理念對地下礦山的生產調度體系加以改進和變革,構建了地下礦山生產SIC模型并在某大型地下礦山進行了應用,對于提高地下礦山調度效率和調度透明度,實現生產作業精細化、智能化管控起到了推動作用。主要得到如下結論:

(1)調度模式與SIC理念的融合是實現礦山生產調度SIC管理的關鍵。本研究所提出的新型短周期生產調度控制理念,通過縮短調度管控周期、提高響應速度,從而形成“近實時”的生產反饋體系,有助于解決生產調度的透明性與可控性這一礦山普遍關注的問題。

(2)生產過程自動化、無人化和少人化是SIC實施的前提和重要基礎。智能裝備的應用提高了調度管理的可控性和可預測性,為SIC管理在感知、控制、反饋等方面提供了高性能的作業主體。

(3)多終端融合的跨平臺運行體系是SIC管理的核心架構和應用方式。以手持、車載等方式為代表的移動終端是實現調度信息在空間維度延伸至作業面、時間維度壓縮至“近實時”的重要手段,是基于SIC生產調度得以實際發揮作用的重要保障。

(4)SIC是推進礦山智能化生產管控的一種新思路,能夠縮短監控周期并對生產進度監控進行反饋閉環,及時采取修正措施使進度偏離最小化,提高整體生產效率,在礦山調度過程的信息透明、柔性調度、精益生產和科學決策等方面發揮效益,是推進礦山智能化建設的一種有效手段。

在礦山生產調度過程中實現SIC管理能夠有效提高生產信息在內容上的精確把握程度與時效上的精準控制水平,但需要優化算法輔助以快速完成調度決策,后續的研究重點為調度決策支持過程,擴充和完善調度算法,形成面向礦山生產SIC的快速決策模型庫。