Системы активной безопасности в добывающей индустрии

Владимир Лебедев — руководитель группы разработки департамента горнодобывающих решений компании «Рексофт».





Сегодня много говорят о системах активной безопасности для транспорта, работающего в контуре горнодобывающих предприятий, в частности о самосвалах.

Один из самых известных кейсов по российским внедрениям — месторождение Олимпиада, крупнейшее предприятие «Полюса» — предприятия с одним из самых больших объёмов добычи золота в мире. Ещё в 2020 г. карьерные самосвалы месторождения были оснащены системой активной безопасности от компании Orlaco (Нидерланды), которая включает в себя видеокамеры кругового обзора и радары ближнего обнаружения (SRD). Они сканируют «слепые зоны» самосвала и оповещают водителя в случае опасного сближения с другими машинами или людьми (рис. 1).

Рис. 1. Диаграмма направленности слепых зон карьерного самосвала Hitachi EH 4500

Как рассказал Дмирий Карамышев, директор департамента горнодобывающих решений компании «Рексофт», согласно расчетам одного из проектов внедрения системы предотвращения столкновений для крупного угледобывающего предприятия затраты на внедрение окупались за 12–18 месяцев эксплуатации. Уже на первом году эксплуатации такой системы, по расчетам команды «Рексофт», будет предотвращено до 5–10 столкновений самосвалов с мелкой и средней степенью повреждений, и до 1–2 аварий с большой степенью повреждений (в том числе случаи, когда машина не подлежит восстановлению).

Давайте разберемся — какие технологии реально задействованы в этом проекте. Есть ли российские аналоги таких систем или есть предпосылки для их создания?

В 2015 г. консультативная группа EMESRT (The Earth Moving Equipment Safety Round Table) разработала шкалу безопасности промышленных объектов, включающую 9 уровней мер по предупреждению инцидентов (табл. 1)

Масштаб воздействия	Уровень	Принимаемые меры	Интервал реагирования
Проектирование объекта	1	Требования к объекту: Формирование технических характеристик оборудования и стандартов, правила проектирования и эксплуатации объектов горной добычи	Годы
	2	Разграничение зон: Устройство насыпей, зоны доступа, организация маршрутов движения транспорта, графики работы	Месяцы
Эксплуатация	3	Операционные процедуры: Регламенты, техническое обслуживание, правила дорожного движения, контроль качества	Недели
	4	Допуск к эксплуатации: Обучение, лицензии, вводные инструктажи, контроль доступа	Дни
	5	Физическая готовность к работе: Контроль режимов отдыха, контроль опьянения, предсменные медосмотры	Смены
	6	Соответствия требованиям эксплуатации: Предсменный осмотр техники, проверка исправности, фиксация событий	Часы
Оперативные действия	7	Дополнительное информирование оператора: Видеокамеры, интерактивные карты, дополнительные зеркала для обзора слепых зон, сигнальные огни, визуальные разграничители	Минуты
	8	Предупреждение оператора (алармы): Оповещения об опасном сближении, оповещения об усталости, превышении скорости, внезапных неисправностях техники	Секунды
	9	Автоматизированное воздействие на органы управления: Блокировка запуска, блокировка отката, ограничение скорости; Воздействие на руление (объезд препятствий); Воздействие на акселератор (ускорение); Воздействие на тормоз (остановка)	Миллисекунды

Табл. 1. Шкала безопасности промышленных объектов

Как видно из таблицы, 7 уровень соответствует дополнительному информированию оператора, сюда относится и вспомогательная система от Orlaco, и другие системы, о которых пойдёт речь далее.

Принцип работы систем активной безопасности

В решении от Orlaco задействованы две ключевые технологии: это радары ближнего обнаружения и видеокамеры. Импульсные радары работают в диапазоне частот 24–24,25 ГГц и могут детектировать появление объектов на расстоянии от 2 до 20 м. Угол детектирования в вертикальной плоскости у этих радаров 11°, а в горизонтальной — 70°.

Для покрытия зоны в 180° впереди или позади машины в системе от Orlaco используется пара радаров, установленных под углом 90° друг к другу (рис. 2).

Рис. 2. Импульсный радар Orlaco и зона его действия 

Вместе с импульсными радарами машины оснащаются видеокамерами, которые выводят изображение на бортовой компьютер машинисту. В случае, когда в зону действия радара попадает какой-то объект, машинист может посмотреть изображение и оценить степень риска (рис. 3 и 4).

Ключевым недостатком этой системы можно признать то, что дальность действия радаров ограничена 20 м, что на самом деле немного при учёте габаритов горных машин (длина карьерного самосвала находится в пределах 7–15 м). Такая система не учитывает скорость движения машины, и видеокамеры обычного оптического диапазона не позволяют машинисту увидеть опасность при плохих погодных условиях (снег, сильный дождь, туман) или в условиях запылённости, или в темноте.

Российское решение

На российском рынке существует система безопасности «Антинаезд» от петербургской компании «Реал Трак». Здесь используются активные антенны, работающие в частотах UWB и UHF. Частоты UWB используются для ближнего обнаружения и вычисления позиции опасного объекта по триангуляции (это один из методов определения направления (пеленга) на источник радиоизлучения). Частоты UHF используются для обнаружения объектов на расстоянии до 200 м.

Рис. 3. Пара импульсных радаров Orlaco, установленных под углом 90° и видеокамера над ними

Горная техника оснащается антеннами по периметру, обычно требуется от 4 до 6 антенн для покрытия зоны в 360°. В кабине устанавливается дисплей, который информирует машиниста о приближении опасного объекта. Система информирует водителя о расстоянии до объекта и направление, откуда он приближается. В рамках системы активными метками могут быть оснащены легковые автомобили и люди. В случае опасного сближения с горной техникой, эти метки предупреждают водителей и персонал об опасности. Система работает автономно и не требует покрытия сетью связи или спутниковой навигации. Однако важно, чтобы все машины в периметре были оснащены активными антеннами и метками, иначе система «не увидит» опасное приближение неоснащённого объекта.

Как поясняет Константин Белых, технический директор департамента горнодобывающих решений «Рексофт», особенность данной системы в том, что все движущиеся объекты обязательно должны быть оснащены метками. Если объект не оснащён — он выпадает за рамки активной системы безопасности и по сути является «невидимым».

Какие еще технологии доступны в наборе инструментов систем активной безопасности?

Разберем возможный функционал, разложим его на составляющие необходимые для внедрения, а также оценим их значение и эффективность.

Рис. 4. Карьерный самосвал и зоны покрытия камерами и радарами Orlaco 

Однако решение от Orlaco или «Реал Трак» — это только один из элементов комплексной Системы предотвращения столкновений.

Системы высокоточечного спутникового позиционирования

На сегодня существуют прогрессивные системы 8 уровня безопасности по шкале EMESRT, использующие высокоточное спутниковое позиционирование, сканирующие лидары и алгоритмы с применением технологий машинного зрения и прогнозирования рисков.

Такие системы не зависят от погодных условий, не требуют регулярной очистки видеокамер, а дальность их действия превышает 200 м. Алгоритмы способны классифицировать объекты на пути самосвала и предупреждать водителя об опасном сближении с человеком, автомобилем, либо другим карьерным самосвалом с указанием степени риска столкновения.

Системы точного спутникового позиционирования достаточно распространены и позволяют достигать точности в пределах 1 см. В стране существуют отечественные производители точных навигационных плат. Однако для того, чтобы обеспечить каждую машину такой точностью, потребуется качественное покрытие карьера беспроводной связью. Это необходимо для постоянной передачи навигационных поправок. Без этих данных точность снижается до «обычных» 15–20 м. С хорошим покрытием связью и позиционированием возможно централизованно отслеживать местонахождение, скорость, вектор движения, строить траектории и «коридоры» движения всех машин на предприятии. Такие данные позволят строить прогнозные модели риска столкновения машин.

Помощь при движении самосвала задним ходом

Дополнительной функцией высокоточного позиционирования является помощь при движении самосвала задним ходом: например, подъезд под погрузку экскаватором (в этом случае на мониторе машиниста изображён коридор для точного заезда в зону погрузки экскаватора). Это поможет экономить время заезда под погрузку и таким образом сократить производственный цикл. При кажущейся незначительности, по аналитическим оценкам экспертов «Рексофт», внедрение такой системы на всей группе самосвалов способно увеличить количество производственных циклов на 5 %. Особенно этот эффект заметен при коротких плечах откатки.

Лазерные лидары и 3D-моделирование

Ещё одна важная технология, которая позволяет сделать движение большегрузных машин безопаснее — лазерные лидары (рис. 5). С помощью лазерного луча они измеряют расстояния до физических объектов и строят 3D-модель «облака точек». Расстояние может быть до 200 м, обзор 360° в горизонтальной плоскости, а угол вертикального обзора — до 90°.

Для обработки данных лидара потребуется вычислительная мощность на борту, однако результат весьма существенный. Технология позволяет распознавать объекты на пути самосвала и предупреждать машиниста о риске столкновения с камнем, бульдозером, человеком и т.п.

При этом этот тип систем не требует оснащения объектов метками или антеннами — лидар и компьютер всё сделают самостоятельно.

Рис. 5. 3D-модель дороги на основе данных от лидара

Ещё одна возможная функция лидара — контроль наезда на предохранительный вал (на бровку отвала). Здесь система вовремя предупредит об опасном приближении к валу или к откосу отвала. К сожалению, без таких систем падение самосвала с отвала случается регулярно. А это не только потеря дорогостоящей техники, но и травмы и даже жертвы. Это перспективный самостоятельный продукт на рынке решений по безопасности.

Дальнейшее развитие систем активной безопасности предполагает возможность воздействия системы на управление машиной — автоматическое воздействие на руление, акселератор и тормоз (9 уровень по шкале EMESRT). Такие разработки уже ведутся при непосредственном участии производителей техники. Кроме того, можно утверждать, что развитие технологий безопасности логичным образом приведет к развитию автономного (роботизированного) транспорта, потому что базируются на тех же технологиях и технических решениях.

Опубликовано в журнале «Золото и технологии», № 4 (58)/декабрь 2022 г.