Содержание статьи
- Что такое цифровой двойник карьера
- Технологии сбора данных: дроны и лазерное сканирование
- BIM-технологии для горной промышленности
- Программное обеспечение для цифрового моделирования
- Маркшейдерская съемка и обновление моделей
- Примеры внедрения на российских предприятиях
- Преимущества и перспективы развития
- Практические примеры применения
- Часто задаваемые вопросы
Что такое цифровой двойник карьера
Цифровой двойник карьера представляет собой виртуальную трехмерную модель горнодобывающего предприятия, которая в режиме реального времени синхронизируется с физическим объектом. Эта технология стала важнейшим инструментом современной горной промышленности, позволяя создавать точную электронную копию карьера со всеми его элементами инфраструктуры, оборудованием и технологическими процессами.
Основная особенность цифрового двойника заключается в его способности отражать актуальное состояние карьера в каждый конкретный момент времени. Для этого используется комплекс датчиков, систем мониторинга и современных технологий дистанционного зондирования. Согласно новому национальному стандарту ГОСТ Р 72242-2025, вступившему в силу с октября 2025 года, цифровой двойник горного предприятия определяется как взаимоувязанная совокупность информационного представления, описывающая свойства горного предприятия и массива горных пород в пределах разрабатываемого месторождения.
Ключевые компоненты цифрового двойника
| Компонент | Описание | Источник данных |
|---|---|---|
| Геологическая модель | Трехмерное представление массива горных пород с указанием содержания полезных компонентов | Геологоразведочные данные, результаты буровых работ |
| Топографическая модель | Актуальная поверхность карьера с уступами, бортами, дорогами | Маркшейдерская съемка, БПЛА, лазерное сканирование |
| Модель оборудования | Цифровые копии экскаваторов, самосвалов, буровых станков | Системы GPS/ГЛОНАСС, телематика |
| Модель инфраструктуры | Дороги, конвейеры, энергосети, склады | Проектная документация, полевые измерения |
| Технологические процессы | Модели бурения, взрывания, погрузки, транспортировки | Производственные данные, диспетчеризация |
Технологии сбора данных: дроны и лазерное сканирование
Современные технологии дистанционного зондирования земли революционизировали процесс создания и обновления цифровых двойников карьеров. Беспилотные летательные аппараты и системы лазерного сканирования стали основными инструментами маркшейдерской службы, значительно повышая скорость и точность измерений.
Аэрофотосъемка с использованием БПЛА
Применение дронов для маркшейдерских работ позволяет за один день провести съемку территории площадью до шести квадратных километров. При этом точность измерений сопоставима с традиционными методами тахеометрической съемки. Беспилотники оснащаются высокоточными модулями спутниковой навигации с функциями PPK или RTK, что обеспечивает сантиметровую точность позиционирования.
Пример использования БПЛА на Михайловском ГОКе
В конце 2019 года специалистами компании АЗОТТЕХ совместно с Союзом маркшейдеров России был внедрен беспилотный летательный аппарат на Михайловском ГОКе. Применение дрона позволило проводить съемку сразу после взрывных работ, исключив необходимость спуска маркшейдеров в карьер и значительно повысив безопасность работ.
Воздушное и наземное лазерное сканирование
Лазерное сканирование создает плотное облако точек с известными пространственными координатами, представляя объекты с высочайшей детализацией. Технология позволяет работать в условиях плохой видимости и полной темноты, что особенно важно для подземных горных работ.
| Тип сканирования | Точность | Применение | Преимущества |
|---|---|---|---|
| Воздушное лазерное сканирование (ВЛС) | 2-5 см | Карьеры большой площади, открытые горные работы | Высокая скорость съемки, работа в сложных погодных условиях |
| Наземное лазерное сканирование | 1-3 мм | Борта карьеров, откосы, подземные выработки | Максимальная точность, детализация структур |
| Мобильное лазерное сканирование | 1-2 см | Технологические дороги, протяженные объекты | Непрерывная съемка в движении |
Интеграция данных различных источников
Создание полноценного цифрового двойника требует объединения данных из множества источников. Результаты аэрофотосъемки комбинируются с данными лазерного сканирования, геологической информацией и показаниями систем позиционирования горнотранспортного оборудования. Все эти данные автоматически интегрируются в единую трехмерную модель благодаря использованию общей системы координат.
BIM-технологии для горной промышленности
Технология информационного моделирования зданий и сооружений, известная как BIM (Building Information Modeling), активно адаптируется для нужд горнодобывающей промышленности. В горном деле BIM расшифровывается как Building Information Modeling для Mining, что подчеркивает специфику применения технологии в отрасли.
Особенности применения BIM в горной промышленности
В отличие от строительства, где BIM применяется для проектирования статичных объектов, в горном деле информационная модель должна учитывать постоянно изменяющуюся геометрию карьера, динамику развития горных работ и сложное взаимодействие природных и техногенных факторов. Специалисты НИТУ МИСиС разработали подход к динамическому трехмерному моделированию элементов инфраструктуры и технологических систем карьеров с использованием больших массивов телеметрических данных.
Компоненты BIM-модели горного предприятия
Геологический блок: трехмерная модель рудного тела с распределением содержаний полезных компонентов, построенная на основе данных геологоразведки и эксплуатационной разведки.
Маркшейдерский блок: актуальная геометрия карьера с уступами, бортами, технологическими дорогами, погашенными площадями. Обновляется ежемесячно по результатам маркшейдерской съемки.
Технологический блок: параметры оборудования (экскаваторы, буровые станки, дробильно-сортировочные комплексы), их технические характеристики и фактическое расположение.
Инфраструктурный блок: дороги с параметрами профиля и покрытия, конвейерные линии, линии электропередач, трубопроводы, здания и сооружения.
Преимущества BIM-подхода
Использование технологии информационного моделирования в горной промышленности обеспечивает единое информационное пространство для всех участников проектной деятельности. Все изменения, вносимые одним специалистом, автоматически отражаются во всех разделах проекта, что исключает рассогласование данных между различными службами предприятия.
| Этап жизненного цикла | Применение BIM | Получаемые преимущества |
|---|---|---|
| Проектирование | Создание комплексной модели карьера с учетом геологии, рельефа и инфраструктуры | Выявление коллизий на этапе проектирования, оптимизация проектных решений |
| Строительство | Контроль соответствия реализации проектным решениям | Снижение количества переделок, соблюдение сроков |
| Эксплуатация | Оперативное планирование горных работ, управление активами | Повышение эффективности использования оборудования, снижение простоев |
| Реконструкция | Актуализированная модель существующего состояния | Точное планирование модернизации с учетом фактического состояния объектов |
Программное обеспечение для цифрового моделирования
Создание и эксплуатация цифровых двойников карьеров требует использования специализированного программного обеспечения, способного обрабатывать большие объемы пространственных данных и обеспечивать интеграцию информации из различных источников.
Hexagon MineSight
Программный комплекс MineSight компании Hexagon Mining является одним из наиболее распространенных решений для планирования и моделирования горных работ. Система включает модули для геологического моделирования, проектирования карьеров, планирования добычи и оптимизации горнотранспортных работ. Основой комплекса служит модуль MineSight 3D, предназначенный для создания и визуализации трехмерных моделей месторождений.
Функциональные возможности MineSight
Программа позволяет создавать блочные модели месторождений на основе данных буровых скважин, проектировать оптимальные контуры карьеров, рассчитывать календарные планы горных работ с учетом качественных характеристик руды и технологических ограничений. Модуль MineSight Schedule Optimizer определяет оптимальную последовательность отработки с максимизацией экономического эффекта.
Bentley MicroStation
Платформа MicroStation компании Bentley Systems представляет собой универсальную среду информационного моделирования, широко применяемую в инфраструктурных проектах, включая горнодобывающие предприятия. Программа обеспечивает создание двухмерных чертежей и трехмерных моделей любой сложности, поддерживает работу с облаками точек, полученными лазерным сканированием, и интеграцию с геоинформационными системами.
| Программное обеспечение | Разработчик | Основная специализация | Ключевые возможности |
|---|---|---|---|
| Hexagon MineSight | Hexagon Mining | Планирование горных работ | Геологическое моделирование, проектирование карьеров, оптимизация добычи |
| Bentley MicroStation | Bentley Systems | Инфраструктурное проектирование | BIM-моделирование, работа с облаками точек, интеграция данных |
| Autodesk Civil 3D | Autodesk | Проектирование объектов инфраструктуры | Моделирование дорог, площадок, инженерных коммуникаций |
| Maptek Vulcan | Maptek | Горно-геологическое моделирование | Трехмерное моделирование месторождений, планирование карьеров |
Autodesk Civil 3D
Программа Civil 3D предназначена для проектирования объектов гражданского строительства и линейных сооружений. В горной промышленности Civil 3D применяется для проектирования технологических дорог карьера, площадок под оборудование, систем водоотведения и других объектов инфраструктуры. Программа обеспечивает динамическую связь между моделью и чертежами, автоматическое обновление документации при изменении проектных решений.
Интеграция программных решений
Современная практика цифрового моделирования карьеров предполагает использование комплекса взаимосвязанных программных продуктов. Геологическое моделирование выполняется в специализированных пакетах типа MineSight или Vulcan, проектирование инфраструктуры - в Civil 3D или MicroStation, а визуализация и общая координация - в единой BIM-платформе. Обмен данными между программами осуществляется через стандартные форматы файлов и специализированные интерфейсы.
Маркшейдерская съемка и обновление моделей
Ключевой особенностью цифрового двойника является его актуальность, то есть соответствие реальному состоянию карьера в текущий момент времени. Обеспечение актуальности достигается через регулярное обновление модели на основе данных маркшейдерской съемки.
Периодичность обновления
На крупных горнодобывающих предприятиях маркшейдерская съемка карьера проводится ежемесячно. По результатам съемки выполняется актуализация топографической модели, производится подсчет фактически добытых объемов горной массы и вскрышных пород, анализируется соответствие фактического развития горных работ проектным решениям.
Процесс обновления цифровой модели карьера
Шаг 1: Проведение аэрофотосъемки или лазерного сканирования карьера. Время выполнения - от нескольких часов до одного рабочего дня в зависимости от площади карьера.
Шаг 2: Обработка полученных данных в специализированном программном обеспечении. Создание цифровой модели рельефа, ортофотоплана. Время обработки - два-три рабочих дня.
Шаг 3: Импорт обновленной топографической модели в программу планирования горных работ. Автоматическое сопоставление с предыдущей версией модели.
Шаг 4: Подсчет объемов добытой горной массы методом сравнения моделей разных периодов. Формирование отчетной документации.
Шаг 5: Актуализация планов развития горных работ с учетом фактического состояния карьера.
Автоматизированная маркшейдерская служба
Современные технологии позволяют автоматизировать значительную часть маркшейдерских работ. Беспилотные летательные аппараты выполняют съемку по заранее запрограммированным маршрутам, автоматически привязываясь к наземным опорным пунктам. Программное обеспечение обрабатывает полученные данные и формирует цифровую модель без участия оператора, что исключает субъективные ошибки и ускоряет получение результата.
Примеры внедрения на российских предприятиях
Российская горнодобывающая промышленность активно внедряет технологии цифровых двойников и информационного моделирования. Крупнейшие горнодобывающие компании реализуют масштабные проекты цифровой трансформации своих производств.
Опыт предприятий компании Металлоинвест
Лебединский горно-обогатительный комбинат, входящий в структуру компании Металлоинвест, является крупнейшим производителем железорудного сырья в России. На предприятии реализуется комплексная программа цифровизации, включающая внедрение систем управления предприятием, автоматизацию технологических процессов и создание цифровых моделей производственных объектов. Михайловский ГОК, также принадлежащий Металлоинвесту, стал одним из первых российских горнодобывающих предприятий, где для маркшейдерских работ начали применяться беспилотные летательные аппараты.
Качканарский горно-обогатительный комбинат
Качканарский ГОК, входящий в структуру компании ЕВРАЗ, разрабатывает Гусевогорское месторождение титаномагнетитовых руд. На предприятии реализованы проекты по автоматизации процессов подготовки сырья для производства агломерата, внедрена полностью автоматизированная модульная понизительная подстанция с возможностями онлайн-аналитики и оптимизации режимов энергоснабжения. Предприятие активно развивает цифровые проекты в области управления технологическими процессами.
Пример: Стойленский ГОК
На Стойленском горно-обогатительном комбинате ведется разработка цифрового двойника карьера. Проект предусматривает создание виртуальной модели для полного отслеживания работы карьера, наблюдения за сейсмической безопасностью и передвижением транспорта. Съемка карьера выполняется с использованием беспилотных летательных аппаратов, что позволяет получать актуальные данные для оперативного анализа.
Разработки НИТУ МИСиС
Ученые и инженеры Национального исследовательского технологического университета МИСиС разработали цифровой двойник технологической среды карьера, включающий дороги, технику и ремонтные зоны. Система способна обрабатывать огромный массив данных в режиме реального времени и предлагать операционные решения для оптимизации движения транспорта по территории карьера. Модель постоянно обновляется для соответствия текущему режиму работы, что позволяет контролировать процессы дистанционно и выявлять изменения для последующей оптимизации.
Уральский асбестовый ГОК
На предприятии Ураласбест внедрен цифровой двойник работы железнодорожного транспорта. Система обеспечивает ежесуточное планирование на основе цифрового двойника, что позволило достичь ритмичности подачи рудной массы требуемого качества и увеличить производительность объектов переработки. Коэффициент неравномерности содержания снизился до оптимального уровня, простои техники сократились на пятьдесят процентов.
Преимущества и перспективы развития
Внедрение цифровых двойников и BIM-технологий в горнодобывающую промышленность обеспечивает комплексный эффект, затрагивающий все аспекты деятельности предприятия.
Повышение эффективности производства
Использование цифрового двойника позволяет оптимизировать транспортные схемы карьера, сокращая расстояние перевозки горной массы и время цикла работы автосамосвалов. Моделирование различных вариантов развития горных работ дает возможность выбрать наиболее эффективное решение еще до начала физической реализации проекта. По данным исследователей НИТУ МИСиС, применение цифрового двойника может снизить затраты на добычу полезных ископаемых на десять-пятнадцать процентов.
| Направление применения | Решаемые задачи | Достигаемый эффект |
|---|---|---|
| Планирование горных работ | Определение оптимальной последовательности отработки, расчет объемов вскрыши | Сокращение коэффициента вскрыши, повышение качества руды |
| Управление транспортом | Оптимизация маршрутов движения, распределение нагрузки | Снижение расхода топлива, увеличение производительности на 8-12% |
| Мониторинг безопасности | Контроль устойчивости бортов, прогнозирование оползней | Предотвращение аварийных ситуаций, снижение рисков |
| Управление активами | Планирование ремонтов, контроль технического состояния | Увеличение коэффициента технической готовности оборудования |
Повышение безопасности
Цифровой двойник позволяет отслеживать перемещение людей и техники в режиме реального времени, предупреждать о потенциальных опасностях и контролировать соблюдение правил безопасности. Прогнозирование устойчивости бортов карьера на основе мониторинга деформаций помогает предотвратить обрушения и оползни. Возможность проведения виртуального обучения персонала на цифровой модели карьера снижает риски при освоении новых операций.
Перспективы развития технологии
Дальнейшее развитие цифровых двойников карьеров связано с интеграцией технологий искусственного интеллекта и машинного обучения. Системы смогут не только отображать текущее состояние, но и прогнозировать развитие ситуации, предлагая оптимальные управленческие решения. Внедрение беспилотных технологий для горнотранспортного оборудования потребует еще более точных и детализированных цифровых моделей карьеров.
Практические примеры применения
Оптимизация транспортных схем
Одной из наиболее востребованных задач, решаемых с помощью цифрового двойника, является оптимизация работы карьерного автотранспорта. Система отслеживает положение каждого автосамосвала, анализирует загруженность дорог и автоматически формирует оптимальные маршруты движения. При изменении дорожной ситуации (например, после взрыва или при проведении ремонтных работ) система мгновенно пересчитывает маршруты и передает новые задания водителям.
Пример расчета эффекта от оптимизации
Исходные данные: Карьер с производительностью перевозок 50 миллионов тонн горной массы в год, парк из 80 автосамосвалов грузоподъемностью 130 тонн, среднее расстояние транспортирования 3 километра.
Результат внедрения: Оптимизация маршрутов позволила сократить среднее расстояние перевозки на 300 метров (с 3000 до 2700 метров). При количестве рейсов около 385 тысяч в год экономия составляет более 115 миллионов тонно-километров, что эквивалентно снижению расхода дизельного топлива примерно на 10 процентов.
Контроль устойчивости бортов
Цифровой двойник интегрируется с системами геотехнического мониторинга, отслеживающими смещения массива горных пород. Датчики, установленные на бортах карьера, фиксируют даже миллиметровые деформации. Эти данные поступают в цифровую модель, где с помощью методов численного моделирования рассчитываются напряженно-деформированное состояние массива и коэффициенты устойчивости. При приближении показателей к критическим значениям система автоматически формирует предупреждения.
Планирование взрывных работ
На основе актуальной топографической модели карьера и геологической информации специалисты проектируют параметры буровзрывных работ. Цифровая модель позволяет точно рассчитать объемы горной массы в блоке, определить оптимальное расположение скважин и рассчитать необходимое количество взрывчатых веществ. После выполнения взрыва проводится съемка новой поверхности для оценки качества дробления и планирования последующих работ.
Часто задаваемые вопросы
Основное отличие заключается в наличии постоянной связи с реальным объектом. Обычная трехмерная модель представляет собой статичное изображение карьера на определенный момент времени. Цифровой двойник постоянно обновляется в режиме реального времени или с высокой периодичностью, получая данные от датчиков, систем позиционирования оборудования, результатов маркшейдерской съемки. Он отражает актуальное состояние всех элементов карьера и позволяет не только визуализировать текущую ситуацию, но и прогнозировать развитие процессов, моделировать различные сценарии и оптимизировать управленческие решения.
Частота обновления зависит от интенсивности горных работ и требований к актуальности данных. На крупных действующих карьерах полномасштабная маркшейдерская съемка выполняется ежемесячно - это позволяет получать актуальную топографическую модель для подсчета объемов добычи и планирования работ. Для оперативного управления транспортом данные о положении техники обновляются в режиме реального времени через системы спутникового позиционирования. Геологическая модель актуализируется по мере получения новых данных эксплуатационной разведки. Некоторые предприятия проводят частичную съемку активных участков карьера еженедельно с использованием беспилотных летательных аппаратов.
Для создания цифрового двойника карьера требуется комплекс оборудования. Во-первых, средства съемки: беспилотные летательные аппараты с фотокамерами высокого разрешения или лазерными сканерами, наземные лазерные сканеры для детальной съемки бортов и откосов. Во-вторых, геодезическое оборудование: спутниковые приемники для создания опорной сети, электронные тахеометры. В-третьих, датчики и сенсоры: системы мониторинга деформаций, метеостанции, системы GPS/ГЛОНАСС на горнотранспортном оборудовании. Необходима также вычислительная техника достаточной мощности для обработки больших объемов пространственных данных и специализированное программное обеспечение для геологического и маркшейдерского моделирования.
Эксплуатация цифрового двойника требует команды специалистов различного профиля. Маркшейдеры обеспечивают проведение геодезических съемок и актуализацию топографической модели. Геологи работают с геологической составляющей модели, интерпретируют данные разведки и обновляют блочные модели месторождения. Горные инженеры используют цифровую модель для планирования развития горных работ, проектирования транспортных схем. IT-специалисты обеспечивают функционирование программного обеспечения, интеграцию различных систем, защиту информации. Операторы беспилотных летательных аппаратов выполняют съемку карьера. Специалисты по обработке данных дистанционного зондирования создают цифровые модели рельефа и ортофотопланы по результатам съемок.
Цифровой двойник представляет собой отличный инструмент для обучения и тренировки персонала. На основе реалистичной трехмерной модели карьера можно создавать тренажеры для операторов горнотранспортного оборудования, позволяющие отрабатывать навыки управления в безопасной виртуальной среде. Диспетчеры могут тренироваться в управлении транспортными потоками, моделируя различные производственные ситуации. Инженеры могут практиковаться в планировании горных работ, проектировании и оценке последствий различных решений без риска для реального производства. Системы виртуальной реальности на базе цифрового двойника позволяют проводить виртуальные экскурсии по карьеру, что важно для ознакомления новых сотрудников с производством и для дистанционного обучения специалистов на удаленных объектах.
Основные сложности связаны с необходимостью интеграции большого количества различных систем и источников данных. Требуется обеспечить совместимость программного обеспечения различных производителей, унифицировать форматы данных и системы координат. Значительные трудности вызывает необходимость получения разрешений от контролирующих органов на использование беспилотных летательных аппаратов, особенно вблизи населенных пунктов и режимных объектов. Требуется разработка и утверждение методик выполнения маркшейдерских работ с применением новых технологий. Важной задачей является обучение персонала работе с цифровыми инструментами и преодоление психологического барьера при переходе от традиционных методов работы к цифровым технологиям. Необходимы также значительные инвестиции в оборудование и программное обеспечение.
Цифровой двойник значительно повышает безопасность благодаря нескольким механизмам. Во-первых, системы мониторинга деформаций в режиме реального времени отслеживают состояние бортов карьера и заблаговременно предупреждают о возможных оползнях и обрушениях. Во-вторых, контроль положения людей и техники позволяет предотвратить попадание в опасные зоны и столкновения оборудования. В-третьих, моделирование взрывных работ помогает спрогнозировать зоны разлета кусков породы и принять необходимые меры защиты. В-четвертых, использование беспилотных летательных аппаратов для съемки исключает необходимость пребывания маркшейдеров в потенциально опасных местах. Виртуальное моделирование аварийных ситуаций позволяет разработать и отработать планы эвакуации и действий в чрезвычайных обстоятельствах.
Точность цифрового двойника зависит от используемых технологий съемки и требований конкретных задач. При использовании воздушного лазерного сканирования с беспилотных летательных аппаратов достигается точность определения координат точек поверхности до двух-пяти сантиметров по горизонтали и трех-семи сантиметров по высоте. Наземное лазерное сканирование обеспечивает миллиметровую точность, что необходимо для детального обследования бортов карьера и контроля деформаций. Традиционная тахеометрическая съемка обеспечивает точность один-два сантиметра. Для большинства производственных задач, таких как подсчет объемов горной массы, планирование горных работ и управление транспортом, точность пять-десять сантиметров является достаточной. Геологическая составляющая модели имеет меньшую точность, определяемую плотностью сети разведочных скважин.
Источники информации
При подготовке статьи использовались материалы научных публикаций в журнале Горная промышленность, документы Национального исследовательского технологического университета МИСиС, информация о стандарте ГОСТ Р 72242-2025, материалы компаний Hexagon Mining и Bentley Systems, публикации по маркшейдерскому обеспечению горных работ и применению беспилотных технологий, а также открытые данные о реализации проектов цифровизации на российских горнодобывающих предприятиях.
