Цифровая шахта. Член-корреспондент РАН Сергей Лукичев об информационных технологиях в горнодобывающей отрасли

Цифровые технологии ― один из основных факторов, определяющих конкурентоспособность горнодобывающего предприятия. Сегодня это возможность моделирования объектов горной технологии, в ближайшем будущем — переход на цифровые методы управления технологическими процессами, который позволит внедрить малолюдные и более безопасные технологии добычи полезных ископаемых.

О цифровых двойниках горнодобывающих предприятий, отечественных разработках и прогнозах их внедрения читайте в интервью с членом-корреспондентом РАН Сергеем Вячеславовичем Лукичевым.

― Насколько велико доверие к цифровым технологиям в горнодобывающей отрасли и какие задачи такие технологии должны решить?

― От года к году доверия к таким технологиям становится все больше. Цифровизация отечественной горнодобывающей промышленности развивается достаточно давно, а начиналась с работы энтузиастов как в науке, так и на производстве. Сначала цифровые методы не были интегрированы в процессы инженерного обеспечения горных работ, но постепенно с развитием алгоритмов и программного обеспечения стали занимать все более значимое место.

― В какой момент начался процесс? С первых компьютеров на перфокартах?

― Использование перфокарт для запуска программ и ввода данных — это самые первые попытки применения вычислительной техники. Компьютерные технологии были неудобными, и все оставалось на уровне отработки методик и принципов. Цифровизация того времени была скорее демонстрационной, показывающей на отдельных примерах перспективы масштабного использования цифровых технологий.

По-настоящему цифровизация началась с появлением первых персональных компьютеров. В конце 1980‑х ― начале 1990‑х гг. из‑за рубежа стали поступать как сами компьютеры, так и западное программное обеспечение. К тому моменту в России уже существовали сильные команды специалистов, программные продукты по заказу отраслевых министерств разрабатывали научные организации и вузы, а уровень разработок соответствовал мировому. К сожалению, после развала СССР многие коллективы распались и в России осталось лишь несколько малочисленных групп либо в научных организациях, как в нашем случае, либо при крупных горнодобывающих предприятиях, заинтересованных в финансировании таких разработок.

В то время на российский рынок пришли зарубежные горно-геологические информационные системы (ГГИС), первой из которых стала программа Datamine.

Отдельные горнодобывающие предприятия и проектные организации начали внедрять эту и аналогичные программы. На первоначальном этапе работа осуществлялась на уровне знакомств с возможностями ГГИС.

В тот период отечественные специалисты, которые должны были развивать собственные цифровые технологии, испытывали серьезные трудности: не хватало средств, разработчики уходили в другие отрасли, оставались лишь единичные энтузиасты. Горному институту КНЦ РАН, в котором я работал уже тогда, повезло: мы находились в составе академии наук и могли продолжать заниматься цифровым проектом. На том этапе он имел скорее научный характер, но мы с самого начала сотрудничали с горнодобывающими предприятиями. Первым из них стал комбинат «Апатит».

Именно такое сотрудничество до сих пор дает импульс к развитию: производственники четко формулируют задачи, а ученые и разработчики воплощают как собственные идеи, так и пожелания заказчиков, создавая нужные для работы инструменты.

― То есть в вашей отрасли налажен достаточно тесный контакт? В отдельных направлениях ученые отмечают недостаток диалога с потенциальным потребителем технологий…

― В отличие от рядовых разработчиков, зачастую просто выполняющих разработку ПО на заказ, мы как научно-исследовательский институт обязаны видеть перспективу. Наша цель — долгосрочная стратегия развития, формирование научной школы.

Когда на рынок пришли импортные программные продукты, представители производств с восторгом смотрели на все западное. Это характерно не только для горной отрасли,. А когда мы говорили руководителям предприятий, что есть и отечественные разработки, то часто слышали в ответ: «Я могу купить “Мерседес”, а вы предлагаете “Запорожец”. Что я выберу?» Конечно, тогда мы сильно проигрывали зарубежным коллегам, не имея тех ресурсов, что имели они.

Однако когда отношения с Западом испортились и правительство задумалось о технологической независимости, произошел поворот в сторону отечественных разработок. Особенно остро мы это почувствовали с началом СВО ― все западные компании, поставлявшие софт для горнодобывающей промышленности, ушли, оставив предприятия без техподдержки и обновлений. А у цифровых технологий есть особенность: с годами они настолько тесно интегрируются в процессы инженерного обеспечения и управления горными работами, что обойтись без них уже невозможно.

Какие функции выполняют сегодня цифровые технологии в горнодобывающей промышленности? Их фундамент — геологическое обеспечение. На основе данных опробования создаются модели месторождений, которые служат базой для проектирования предприятия, планирования работ и оперативного мониторинга. Все это осуществляется в виртуальном цифровом пространстве, которое с той или иной точностью отображает реальное состояние массива горных пород и геометрию выработок. Используя это цифровое пространство, мы с помощью цифровых инструментов — геологических, маркшейдерских, технологических — решаем конкретные задачи.

― Если рассматривать современную горнодобывающую промышленность в контексте существующих проблем и решений, которые может предложить цифровизация, что бы вы выделили как ключевые направления?

― Виртуальное цифровое пространство позволяет комплексно работать с получаемой информацией. Если раньше ее объем был невелик, то сейчас он вырос в десятки и сотни раз благодаря системам мониторинга и диспетчеризации, которые в режиме реального времени генерируют огромные массивы данных. На их основе можно принимать более взвешенные технологические и организационные решения.

Одна из целей цифровизации в горнодобывающей отрасли состоит в создании цифровых двойников природных и технологических процессов, опираясь на которые можно не только прогнозировать поведение природно-технической системы при различных сценариях ведения горных работ, но и осуществлять автоматизированное управление технологическими процессами. Используя цифровые двойники, можно дистанционно управлять оборудованием, находящимся под землей, перекладывая на алгоритмы выполнение рутинной работы.

― Вы имеете в виду переход к беспилотным горнодобывающим машинам?

― Сначала к беспилотным, а затем и автономным системам, которые, обладая элементами искусственного интеллекта, могут принимать решения под руководством диспетчера, находящегося на поверхности и выведенного из опасных условий. Таким образом, цифровизация со временем позволит перейти к малолюдной, а в перспективе и к безлюдной добыче. Это особенно актуально сейчас, когда горные работы опускаются на глубину более 2 км, где температура достигает 70 °C, и человеку там как минимум некомфортно, а чаще опасно.

― Насколько мы продвинулись в создании таких систем? Что нас тормозит: нехватка технологий или отсутствие фундаментальных научных ответов?

― В основном это технические задачи. Мы понимаем, как реализовать такие системы, тем более что существует мировой опыт. Если говорить о дистанционном управлении и роботизированных комплексах, то сегодня на первом месте Австралия, за ней следуют Канада и США.

Очень активно включился в эту гонку Китай: около полутора лет назад появилась информация, что они создали малолюдную высокоавтоматизированную угольную шахту, представляющую собой прообраз будущего горнодобывающего предприятия. Показательно, что, несмотря на огромные капитальные вложения в системы мониторинга, компьютеры, роботизированную технику, такие проекты демонстрируют высокую рентабельность. Поэтому Россия тоже должна стремиться к внедрению таких систем.

Какие же проблемы в этой области остаются в России? В первую очередь это машиностроение. К сожалению, мы утратили часть компетенций, особенно в производстве горного оборудования, и должны их восстановить. Полностью воспроизвести всю линейку не удастся, но критически важные машины стоит создавать самостоятельно. Важное условие формирования цифровой технологии горного производства ― создание цифрового пространства. В горнодобывающей отрасли за это отвечают ГГИС. Программный продукт Mineframe, разрабатываемый нами, служит ключевым звеном для создания основы цифрового двойника ― модели геологической среды и горных выработок.

Мы видим свою задачу в том, чтобы развивая ГГИС Mineframe, перевести ее в разряд цифровой платформы. Это позволит другим разработчикам интегрировать свои решения в эту цифровую среду, не тратя время на создание общесистемных инструментов.

― Правильно ли я понимаю, что информационная система ― это программа, аккумулирующая и анализирующая массу данных с самых разных датчиков на предприятии?

― Да, в идеале это система, моделирующая работу предприятии. В системе с использованием цифровых моделей фиксируются текущее и проектное положение горных выработок, местоположение оборудования и персонала, геомеханическое состояние массива горных пород, а также техническое состояние других систем, обеспечивающих ведение горных работ. На основе этих данных принимаются технологические и организационные решения, просчитываются варианты, которые затем реализуются. Это позволяет решать задачи логистики и оптимизации добычи.

Кроме того, добытое сырье должно поступить на обогатительную фабрику, где из него получают концентрат. В перспективе цифровые двойники добывающих и обогатительных подразделений предприятия должны стать единой системой.

― Чья это преимущественно работа: ученых, занимающихся фундаментальными вопросами в области наук о Земле, или программистов?

― Это большая совместная работа. Горная наука задает направления исследований и обеспечивает научную поддержку конкретным разработкам. Например, термин «безлюдная технология» зародился именно в академической среде. Задача академической науки — определять тренд развития научного направления, ставить и системно решать связанные с ним задачи. Здесь должна была бы присутствовать и прикладная наука, но, к сожалению, в России в годы перестройки она сильно пострадала.

Мы начали разрабатывать ГГИС Mineframe в 1997 г., так что у нее уже почти 30-летняя история. Во всем мире существует не более десятка зарекомендовавших себя программных продуктов класса ГГИС. Создание такой системы — длительная и ресурсоемкая работа, требующая не только знания в области горного дела и информатики, но и команды, готовой десятилетиями двигаться к достижению поставленной цели. Это сложно реализовать без формирования научной школы, и в нашем институте такая школа создана.

Но это еще не все. Как только система начинает активно использоваться на производстве, к ней предъявляются совершенно другие требования, обеспечить которые в рамках академического института очень сложно. Поэтому мы достаточно давно создали с участием Кольского научного центра IT-компанию, которая взяла на себя вопросы развития системы как коммерческого продукта, оставив за институтом решение научных задач.

Такое взаимодействие взаимовыгодно. Научные сотрудники получают возможность реализовать свои идеи в виде инструментов. IT-компания, в свою очередь, доводит эти разработки до уровня, требуемого промышленными предприятиями, и внедряет их в производство. Вот такой симбиоз.

― В начале интервью вы сказали: «Тогда мы сильно отставали от зарубежных коллег…». Сейчас это отставание сократилось?

― Я бы сказал так: мы уже приближаемся к лидерам. Не так давно на нас вышла известная алмазодобывающая компания «Алроса», обладающая большими компетенциями в области цифровизации. Она строила свои цифровые решения на импортных программных продуктах, но как компания с государственным участием вынуждена перейти на российское ПО. Выбрав наш продукт для замены импортных программ, компания обеспечила должное финансирование и предоставила свой экспертный опыт. Работая с ними совместно, мы значительно ускорили развитие ГГИС Mineframe.

Мы традиционно отставали от импортных продуктов в двух областях. Первая ― неявное моделирование, где на ограниченном наборе точечных данных с использованием радиальных базисных функций строятся каркасные модели геологических тел. Вторая ― планирование. Мы разработали функционал по обоим направлениям, ликвидировав отставание. При этом, имея перед глазами существующие импортные образцы, мы реализуем свои оригинальные решения.  

По сути, мы достигаем уровня таких известных импортных продуктов, как  Micromine и DataMine. Каждая система имеет свои преимущества. Например, DataMine славится инструментами геологического моделирования, Micromine ― удобством работы. Наша система содержит сбалансированный набор инструментов, позволяющей решать большинство горно-геологических задач, встречающихся в практике ведения открытых и подземных горных работ. Наша ближайшая цель ― создать достойную замену импортным ГГИС.

Хочу подчеркнуть важный момент: это применимо не только к горнодобывающей промышленности, но и ко всему производственному сектору. Как только мы отказываемся от развития своих наукоемких технологий, в том числе программных продуктов, мы впадаем в зависимость от чужих решений. Чтобы развивать такие технологии, нужны научные школы, а если мы их не развиваем, то теряем компетенции. А это означает, что без собственных альтернативных разработок многие ученые превращаются в пользователей импортных наукоемких продуктов с элементами науки. Для нашей страны это тупиковый путь.

― Можно ли сейчас прогнозировать внедрение в России подобной системы в ее максимальной комплектации, то есть полноценного цифрового двойника горнодобывающего комплекса с автоматизированным управлением и беспилотными машинами?

— Полноценный цифровой двойник тянет за собой цепочку системно увязанных технологий, построенных на средствах мониторинга, роботизированном оборудовании, системах беспроводной связи и программном обеспечении.

Переход отдельных отечественных горнодобывающих предприятий на использование цифровых двойников возможен в перспективе пяти-десяти лет. Горнодобывающая отрасль достаточно консервативна, поэтому положительные результаты перехода на современные технологии отдельных предприятий могут сильно повлиять на темпы модернизации всей отрасли. С учетом важности горнодобывающей отрасли для страны необходимо продолжать переход на отечественные решения. Без них невозможно сохранить на достойном уровне ни российскую горную науку, ни горное образование. И здесь роль Российской академии наук, а также ее связь с инновационными компаниями, включая IT-сектор, и производственными предприятиями крайне важна.

Интервью проведено при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ