王 浩 胡乃联 李国清 侯 杰 强兴邦

(1.北京科技大学土木与资源工程学院,北京 100083;2.金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室,北京 100083)

地下矿山生产涉及多工序、多设备、多工种,是一 条复杂运营链,所有人员、设备、物资均需要按照工班、工种分配具体生产任务,并将其按照矿山整体需求统筹规划协调[1]。在地下矿山调度管理过程中,受通讯、管理、设备等多方面影响,指令下达与数据上报的准确性与时效性通常难以保证,井下调度中出现的问题不能及时得到解决[2-3]。因此,在矿山广泛开展智能化建设的背景下,地下矿山调度亟需一种新的管理模式与管理工具,提高调度效率,保证井下高效有序生产[4-5]。

随着新一代信息技术与矿山生产的深度融合,国内外正在大力开展智能矿山研究与建设实践,实现精细化生产管理是智能矿山建设的重要组成部分[6-12]。短间隔控制(Short Interval Control,SIC)是一种在生产作业期间通过缩短调度间隔以推动改进的生产管控方式。SIC将矿山传统的8小时工班管控周期划分为多个短时间周期,称之为短间隔,在每个短间隔节点进行进度管控和调度优化,以提高采矿生产效率,实现对生产过程的定期、持续改进,是一种持续提高生产力的结构化闭环循环管理过程。在生产作业期间通过快速有效的进度跟踪和数据分析,可及时发现并消除各种不利因素,从而提高生产效率,即通过分析现状为未来生产提供指导,这一思维是SIC理论形成的基础。广义来说,SIC理论可以帮助采矿生产作业过程实现有效的PDCA循环[13]。

SIC最早应用于制造业,在矿山领域的研究与应用尚处于起步阶段[14]。ADE等[15]将精益生产理念引入印度煤炭工业,通过减少浪费提高了生产效率。HOWES等[16]在切洛佩奇矿山进行了SIC的应用尝试,结果表明,SIC能够有效改善井下生产管理,但信息传输是实践过程中的技术瓶颈。随着信息技术的进步,ABB、Deswik、Hexagon、Sandivk、Mobilaris等矿业领域供应商均提出了各自的SIC软硬件解决方案,为SIC的进一步应用提供了可能[17-20]。金田公司通过实施SIC实现了产量增加35%的目标,力拓集团的Kestrel矿在实施SIC 12周后实现了产量翻倍。全球矿业指导组(Global Mining Guidelines Group,GMG)于2019年6月发布了SIC实施指南,为地下矿山实施SIC提供了纲要[21]。尽管SIC能够满足地下矿山精细化管控需求,且在国外已有成功案例,但在国内实施和推广仍需解决以下问题:①SIC是一种高频率的调度管控,与传统矿山按班次调度决策模式有所差异,因此需要信息化手段与调度优化模型的支持以完成快速决策;②井下无线网络和智能终端的普及率较低,难以满足SIC高频率的信息传输需求;③现有调度管理通常采用层层下达与上报的模式,没有形成快速反馈与响应的业务理念,难以形成SIC的高频率调度管理模式。本研究在现有成果的基础上,将SIC管理方法与地下矿山生产调度过程相结合,建立面向智能化矿山的SIC调度管理模型,在此基础上完成系统开发与应用,分析SIC对地下矿山调度管理的促进作用。

1 SIC整体流程与业务边界

SIC是一种结构化的管理框架,通过在短期间隔内对生产进度监控进行反馈闭环,及时采取修正措施使进度偏离最小化,提高整体生产效率。SIC由一线生产人员在一定间隔时间内对所执行任务做出阶段性总结,与传统的矿山调度管理方法相比,可以快速发现不利于生产的各项因素,为下一阶段生产及时做出反应和决策。SIC理念极大程度上契合了地下矿山精细化管理需求,但其本质上仍然是矿山生产管理的一部分,因此实施SIC需要遵循矿山生产管理体系,即长期计划、中期计划、短期计划、作业计划和生产执行。

地下矿山SIC管理的目的是增强井下班组生产作业进度的透明度,减小作业过程中不可控因素的影响,提高作业进度与生产计划的一致性,保证各作业环节的高效和接续性。地下矿山生产SIC业务的起点为作业计划制定,终点为生产作业完成、反馈与分析。其主要业务流程为:①根据短期计划和生产能力制定作业计划;②班次开始前根据作业计划与当前生产进度进行调度排产;③在班次内的各个短间隔节点进行进度检查,上报作业情况,分析整体进度并进行优化调整;④班次结束后进行进度检查,分析当前的计划执行情况与存在问题,提出改进措施。

本研究将地下矿山生产SIC划分为作业计划制定、短间隔调度排产、短间隔检查反馈和短间隔分析改进4个子业务。地下矿山SIC主要流程和业务边界如图1所示。

图1 地下矿山SIC主要流程和业务边界Fig.1 SIC main process and business boundary in underground mines

2 地下矿山生产SIC业务建模

地下矿山SIC中涉及的业务主体包括计划编制、调度管理、现场生产管理和生产作业。计划编制主体负责短期计划分解和作业计划制定与发布,由生产技术部门的技术管理人员组成。调度管理主体负责调度排产、调度指令下达和生产调度统计分析工作,由地表调度中心的生产技术管理人员组成。现场生产管理主体负责井下某一生产区域的生产和协调工作,矿山通常称为带班长、工段长等。生产作业主体负责执行生产作业任务,通常为一线作业人员与设备。

2.1 作业计划制定

作业计划制定的目的是在短期计划框架内制定一份可完成生产目标的时间进度与资源分配方案。具体流程如图2所示。

图2 作业计划制定业务流程Fig.2 Business process of weekly plan making

通过获取地质资源、设备、人力等相关数据,保证作业计划实施对象的可用性。根据作业工序和生产要素将短期计划分解为生产任务,确定任务间的约束关系,排布符合生产目标且作业量均衡的作业计划。在计划分解过程中,可以利用优化算法和仿真工具排除潜在的作业冲突,确保作业计划的合理性。为保证现场实施的可行性,作业计划需要同时得到计划编制主体、调度管理主体和现场生产管理三方的共同认可,并确定各项任务的预期完成时间和最迟完成时间。在完成所有编排、优化和确认工作后,作业计划正式发布并用于指导调度生产。

2.2 短间隔调度排产

短间隔调度排产的目的是在作业计划的框架内制定一份任务分配与资源调配方案,将责任落实到生产作业主体,为现场作业提供指导。具体流程如图3所示。

图3 短间隔调度排产业务流程Fig.3 Business process of SIC scheduling plan making

在短间隔调度排产过程中,需要以作业计划为指导,针对上一班次生产作业结果加以分析改进,充分掌握当前作业进度和潜在风险,在保证作业量平衡和效率达标的前提下确定本班次的生产任务与目标。通过确定人员、设备等生产要素的位置与状态,将作业任务排布至各生产作业主体,创建责任到人的任务清单。短间隔调度排产是一个动态过程,需要随着反馈信息的上报滚动调整优化,使作业偏差最小化。

2.3 短间隔检查反馈

短间隔检查反馈是SIC的核心,通过使检查周期最小化,定时反馈任务进度与生产状况,及时纠正生产偏差,避免因突发事件、员工操作失误等问题而产生任务延迟。具体流程如图4所示。

图4 短间隔检查反馈业务流程Fig.4 Business process of SIC feedback checking

生产作业主体在作业现场通过移动终端及时将作业完成信息和事件与风险信息上报。调度管理主体通过在SIC节点进行进度检查,完成各作业任务的进度、事件与风险汇总。通过对滞后的作业任务进行调整和重新排产,完成任务清单的重新部署,指导下一间隔内的现场生产作业。

2.4 短间隔分析改进

短间隔分析改进的目的是在班次结束后对本班次的作业进度和SIC过程执行效果进行评估,对未来的计划编制与SIC指令下达提供支持。具体流程如图5所示。

图5 生产分析改进业务流程Fig.5 Business process of SIC analysis and improvement

班次结束后对当前生产进度、调度计划等数据进行分析。通过对比计划与实际进度,评估生产效率与决策合理性,形成包含任务完成情况、生产效率、设备状态、隐患风险、改进措施等信息的分析报告。该报告为下一班次的调度排产和未来的作业计划制定提供决策依据,通过短周期的分析改进对不断变化的生产状况做出快速响应。

3 地下矿山生产SIC系统实现

3.1 系统搭建方式

SIC作为一种短周期、高频率的管理模式,需要矿山信息化与智能化软硬件作为实施载体。SIC系统主要包括基础通信网络、管理端、移动终端、查询端和工业大数据平台端等内容,整体搭建方式如图6所示。

图6 SIC系统整体搭建方式Fig.6 Overall construction method for SIC system

(1)基础通信网络。完善的网络覆盖是保证SIC系统流畅运行的基础,包括高速工业环网、高覆盖率的无线AP网络、网络交换机和网络防火墙。

(2)管理端。井下调度指令应由地面调度中心统筹决策和下达,管理端服务于地面调度中心,辅助完成数据的采集汇总、指令制定、指令下达、数据分析、计划优化等调度管理内容,硬件包括调度大屏、调度电脑等。

(3)移动终端。移动终端负责接收调度指令和上报进度与事件,是将调度管理延伸至生产一线的核心环节,硬件包括凿岩台车、撬毛台车、铲运机、卡车、锚杆台车等无轨设备的车载移动端与手持移动终端。

(4)查询端。通过广域互联网为所有授权用户提供多终端查询功能,保障相关人员及时自主获取授权范围内的数据,需要部署完善的用户授权体系和网络防火墙,以保证数据和系统的安全性。

(5)工业大数据平台端。利用工业大数据平台高性能计算和存储的特点构建SIC后台计算和存储服务平台,完成SIC核心业务处理,包括算法库、计算节点和存储节点,实现数据的收发、存储、统计和汇总,以及优化模型的自学习等功能。同时,在工业大数据平台内利用跨域数据融合技术实现地质、设备、人力等跨域数据的交互,为SIC提供外部数据支持。

3.2 功能体系设计

根据地下矿山生产SIC业务流程,系统分为作业计划制定模块、短间隔调度排产模块、短间隔检查反馈模块和短间隔分析改进模块,各个模块下设多个子模块。具体功能模块设计如图7所示。

图7 SIC系统功能体系Fig.7 Functional setup of SIC system

(1)作业计划制定模块。用于根据生产现状将短期计划分解为作业计划,以指导井下日常生产调度。短期生产计划分解用于计划编制管理人员将短期计划分解为作业计划;作业计划仿真模型通过事件模拟法得出作业计划的理论执行情况,用于验证作业计划的可行性;作业计划审核发布用于作业计划的审批、流转和发布。

(2)短间隔调度排产模块。用于制定调度计划并下达。作业进度分析用于获取当前生产作业进度,分析任务执行情况;调度目标制定用于根据当前进度与作业计划制定本班次的生产目标;调度排产优化利用机器学习和优化模型对本班次的作业任务进行优化,辅助得到最优的人机调度编排;人机任务编排用于根据手工或自动优化结果确定本班次的人机任务计划;调度指令发布用于将调度计划下发至一线相关作业人员。

(3)短间隔检查反馈模块。用于在SIC节点进行作业进度检查和调度调整。调度指令接收用于接收调度中心下发的调度指令,作业进度上报用于上报当前的作业进度,事件与风险上报用于上报当前作业发生的意外事件或潜在风险,个人进度查询用于查询当前作业人员待完成和已完成任务的情况,作业情况评估用于查询和评估当前井下整体生产作业进度情况,调度调整用于根据当前状况优化调整调度排产。

(4)短间隔分析改进模块。用于评估和分析本班次的作业进度和作业情况,并将结果发布。作业进度汇总用于统计汇总本班次的作业进度;调度排产效果分析用于分析本班次调度排产的执行效果和优缺点;调度排产优化自学习用于将调度排产效果的分析结果返回优化模型,通过机器学习的自学习功能完成优化模型更新;作业进度发布用于将作业进度正式发布;作业进度授权查询、调度日报授权查询和作业进度可视化分析用于授权用户的数据查询并利用甘特图、三维模型、统计图表等可视化方法进行作业进度分析。

3.3 系统实现

地下矿山SIC系统涉及井下和地面多地点管理和多业务处理与优化,因此采用管理端、移动终端、Web查询端和工业大数据平台端跨平台多技术融合的方式开发实现。

管理端是井下生产调度指挥的中枢,安全性是管理端的首要考虑因素,因此采用C/S架构,部署于调度中心的SIC管理专用主机中,从物理层面和管理层面保证了管理端的安全性,管理端界面如图8所示。

图8 SIC系统管理端界面Fig.8 Management terminal interface of SIC system

移动终端是将SIC延伸至生产一线的关键环节,应首先考虑其易用性和便携性,采用Android/IOS双平台开发,采用扁平化设计,简化用户输入,同时采用本地/云端双存储,确保井下无网环境中使用,移动终端界面如图9所示。

图9 SIC系统移动终端界面Fig.9 Mobile terminal interface of SIC system

Web查询端用于授权用户的数据查询和分布式数据分析,采用B/S架构开发,普通用户仅需网络连接和浏览器即可获取服务,Web查询端界面如图10所示。

图10 SIC系统Web查询端界面Fig.10 Web terminal interface of SIC system

工业大数据平台端的模型方法使用python语言开发,部署在云端计算服务器,通过被动调用或定时主动执行的方式提供及时准确的优化结果。

3.4 应用效果

国内某大型地下金属矿山自2018年起逐步对装备、网络等软硬件设施进行智能化改造,并于2019年起逐步在生产调度管理中实施SIC管理并将系统投入应用。截至2020年底,该矿山在作业效率、成本、物耗和经济效益等方面得到了较大提升,技术经济参数对比如表1所示。

表1 某矿山实施SIC技术经济参数对比Table 1 Comparison of technical and economic parameters of SIC in a mine

SIC的应用有助于缩短井下调度管理周期、提高井下生产透明性、发挥矿山生产潜能,其应用效果总结如下:

(1)信息透明。SIC有助于及时采集井下人员、设备的作业信息以及井下各项生产环境监测信息,以便对生产作业环节进行监控。

(2)柔性调度。SIC有效缩短了井下调度管控周期,可以快速调整作业顺序、重新部署作业任务,保障生产秩序,实现了井下的快速调度和快速响应。

(3)精益生产。井下生产涉及大量人力、设备、物资和地质资源,SIC有助于科学合理地利用井下资源,减少闲置和冲突,提高生产效率,实现精益生产。

(4)科学决策。SIC利用优化算法等智能化决策手段,在生产计划框架内及时准确制定和下达生产调度指令,提高了决策过程的科学性。

4 结 论

SIC作为一种精细化、敏捷化的矿山生产调度方式,虽然已在国外先进矿山得到成熟应用,但是由于生产管理模式存在差异,SIC在我国矿山的推进仍需要与矿山的生产管控特征全面融合。本研究引入SIC理念对地下矿山的生产调度体系加以改进和变革,构建了地下矿山生产SIC模型并在某大型地下矿山进行了应用,对于提高地下矿山调度效率和调度透明度,实现生产作业精细化、智能化管控起到了推动作用。主要得到如下结论:

(1)调度模式与SIC理念的融合是实现矿山生产调度SIC管理的关键。本研究所提出的新型短周期生产调度控制理念,通过缩短调度管控周期、提高响应速度,从而形成“近实时”的生产反馈体系,有助于解决生产调度的透明性与可控性这一矿山普遍关注的问题。

(2)生产过程自动化、无人化和少人化是SIC实施的前提和重要基础。智能装备的应用提高了调度管理的可控性和可预测性,为SIC管理在感知、控制、反馈等方面提供了高性能的作业主体。

(3)多终端融合的跨平台运行体系是SIC管理的核心架构和应用方式。以手持、车载等方式为代表的移动终端是实现调度信息在空间维度延伸至作业面、时间维度压缩至“近实时”的重要手段,是基于SIC生产调度得以实际发挥作用的重要保障。

(4)SIC是推进矿山智能化生产管控的一种新思路,能够缩短监控周期并对生产进度监控进行反馈闭环,及时采取修正措施使进度偏离最小化,提高整体生产效率,在矿山调度过程的信息透明、柔性调度、精益生产和科学决策等方面发挥效益,是推进矿山智能化建设的一种有效手段。

在矿山生产调度过程中实现SIC管理能够有效提高生产信息在内容上的精确把握程度与时效上的精准控制水平,但需要优化算法辅助以快速完成调度决策,后续的研究重点为调度决策支持过程,扩充和完善调度算法,形成面向矿山生产SIC的快速决策模型库。