Цифровые двойники в добыче: от виртуальных моделей к реальной выгоде

Что такое цифровой двойник и его роль в добывающей промышленности

Цифровой двойник — это точная виртуальная копия физического объекта, процесса или системы, которая помогает моделировать и предсказывать поведение реальных активов. Она позволяет анализировать состояние оборудования, предсказывать возможные поломки, оптимизировать процессы и даже создавать новые методы взаимодействия с физическим миром. По прогнозу исследования Research and Markets, глобальный рынок технологий цифровых двойников будет расти примерно на 60% в год в течение следующих пяти лет, достигнув 73,5 миллиарда долларов к 2027 году.

В добывающей промышленности, где ошибки могут приводить к значительным финансовым потерям и даже критичным ситуациям, цифровые двойники помогают управлять производством и делать процесс добычи более предсказуемым и безопасным.

Математические методы для создания цифровых двойников

Основой цифровых двойников является искусственно сгенерированная модель, которая должна точно отражать поведение реального объекта. Для создания таких объектов используется несколько подходов, каждый из которых опирается на сложные математические методы.

1. Физические модели основываются на законах физики и описывают поведение материалов и оборудования на основе дифференциальных уравнений и методов численного моделирования. Такие модели помогают имитировать работу оборудования, прогнозировать износ и определять оптимальные параметры эксплуатации. Например, при моделировании работы буровых установок учитываются механические, тепловые и динамические процессы, что требует применения уравнений гидродинамики и теории упругости.
2. Статистические модели анализируют поведение объекта на основе данных. Они позволяют выявить закономерности и тренды, но не объясняют физические процессы, происходящие в системе. Например, регрессионный анализ и методы машинного обучения могут быть использованы для построения моделей отказов оборудования на основе исторических данных.
3. Гибридные модели сочетают физические и статистические методы. Такой подход позволяет использовать физические законы для создания базовой модели, а затем корректировать её на основе реальных данных. Это особенно актуально для объектов и процессов, где некоторые параметры трудно предсказать только на основе физических уравнений.

Для создания моделей цифровых двойников в добывающей промышленности применяются различные математические инструменты, включая методы конечных элементов (Finite Element Method) и методы конечных объёмов (Finite Volume Method), которые позволяют моделировать поведение материалов и оценивать, например, прочность конструкций под воздействием внешних факторов.

Средства цифровизации для создания цифровых двойников

Для разработки и работы цифровых двойников используется множество цифровых технологий.

1. Интернет вещей (IoT) обеспечивает сбор данных с датчиков, установленных на оборудовании. В реальном времени данные передаются в облако или локальную сеть, где они обрабатываются и поступают в цифровую модель.
2. Машинное обучение и аналитика больших данных играют важную роль в анализе данных, поступающих с оборудования, и построении предсказательных моделей. С их помощью цифровой двойник может оценить состояние объекта, предсказать износ и оптимизировать параметры эксплуатации.
3. Технологии виртуальной и дополненной реальности (VR/AR) помогают визуализировать цифровые двойники и проводить виртуальные тренировки. Виртуальные модели позволяют техникам и инженерам тренироваться и выполнять диагностику оборудования в безопасной среде, а дополненная реальность — видеть данные и подсказки в реальном времени во время работы на реальных объектах.
4. Облачные вычисления и инфраструктура играют важную роль в масштабировании и хранении данных, необходимых для работы цифровых двойников. В добывающей промышленности, где количество данных огромно, облачные технологии обеспечивают быстрый доступ к данным для анализа и моделирования.
5. Цифровые платформы управления активами (Asset Performance Management, APM) — системы, которые объединяют данные из различных источников, анализируют их и предоставляют информацию о состоянии оборудования и рисках. Платформы APM позволяют объединить данные от цифрового двойника с финансовыми и операционными данными, что помогает принимать более точные решения.

Примеры моделей цифровых двойников в добывающей промышленности

Для буровых установок часто создают модели, которые отражают поведение оборудования в зависимости от условий эксплуатации, таких как давление, температура и глубина. На основе данных из цифрового двойника можно определить оптимальную нагрузку на установку, предсказать износ и спланировать обслуживание.

Одним из ярких примеров эффективности применения цифровых двойников стал запуск нефтегазового месторождения компанией «Газпром нефть» в условиях пандемии коронавируса. В течение четырёх лет удалось запустить уникальный проект Тазовского месторождения в Ямало-Ненецком автономном округе, содержащем запасы 419 миллионов тонн нефти и 225 миллиардов кубометров газа. Осложнялось всё не только эпидемией, но и особенностями залежей полезных ископаемых, для добычи которых требовалась буквально ювелирная точность. Обе проблемы удалось решить благодаря использованию цифрового двойника, который не только почти исключил участие человека, но и сократил сроки запуска и проекта. При этом технологии моделирования позволили минимизировать влияние на экологию региона, сохранив все важнейшие характеристики флоры и фауны.

В обогатительных фабриках цифровые двойники могут моделировать весь процесс обогащения руды. Они позволяют контролировать параметры работы, прогнозировать результаты и повышать качество продукции. Так, «Норникель» разработал и внедрил систему-советчика с использованием технологии цифровых двойников на обогатительной фабрике Кольской ГМК. Система затрагивает главные производственные процессы: измельчение, классификацию и флотацию — и позволяет оптимизировать их работу. Новая технология позволила увеличить прирост извлечения никеля на 0,73%.

Эффективность применения цифровых двойников в добывающей промышленности

Рассмотрим ключевые эффекты, которые даёт применение цифровых двойников.

1. Повышение производительности и снижение простоев. Благодаря мониторингу состояния оборудования в реальном времени, цифровые двойники позволяют планировать техническое обслуживание на основе фактических данных, а не по расписанию. Это помогает минимизировать простои и увеличивать срок службы оборудования. Например, «СИБУР» повысил эффективность экструдера — аппарата, который нарезает полипропилен на гранулы. В связи с его частой забивкой приходилось его останавливать. В год происходило до 20 таких ситуаций, которые негативно сказывались на всём процессе производства. Создание и внедрение аналитической модели двойника позволили полностью исключить такие внеплановые остановки оборудования.
2. Оптимизация процессов и сокращение затрат. Цифровые двойники позволяют улучшить работу оборудования и сократить расход ресурсов, таких как топливо и электроэнергия. Так, моделирование процесса дробления и сортировки руды позволяет подобрать оптимальные параметры для каждого участка, что сокращает энергозатраты и снижает расходы на сырьё.
3. Улучшение безопасности. В добывающей промышленности безопасность играет ключевую роль. Цифровые двойники помогают прогнозировать аварийные ситуации и принимать превентивные меры. Например, цифровой двойник карьера позволяет отслеживать подвижки грунта и оползни, что помогает снизить риски для рабочих и оборудования.
4. Поддержка принятия решений на основе данных. Цифровые двойники предоставляют данные, которые можно использовать для анализа и моделирования различных сценариев. Это помогает руководителям принимать обоснованные решения и внедрять изменения, направленные на улучшение производственных процессов.
5. Воздействие на экологию. Оптимизация процессов с использованием цифровых двойников способствует снижению выбросов и более рациональному использованию природных ресурсов.

Преимущества и перспективы цифровых двойников в будущем

Цифровые двойники позволяют добывающим компаниям получить конкурентные преимущества и адаптироваться к быстроменяющимся условиям рынка. В будущем технологии будут совершенствоваться, в том числе благодаря развитию искусственного интеллекта и машинного обучения. Это позволит моделям становиться ещё более точными, предсказывать ещё более сложные сценарии и анализировать огромные массивы данных в реальном времени.

Объединение цифровых двойников с IoT, большими данными и облачными технологиями открывает огромные перспективы для добывающей отрасли. Этот комплект поможет предприятиям оптимизировать работу оборудования, снижать затраты и минимизировать риски, связанные с эксплуатацией активов. Цифровые двойники становятся неотъемлемой частью добывающей промышленности, и их внедрение помогает отрасли повышать эффективность, улучшать безопасность и более осознанно относиться к экологии.

Автор статьи:

Источник: Connect-wit