Modular Mining ist eine Tochtergesellschaft von Komatsu und Teil von Komatsus Mining-Technology-Solutions-(MTS)-Team, dessen Bestreben es ist, die Wertschöpfungskette im Bergbau auf Basis von Daten und Innovationen in Echtzeit zu optimieren.
Problemstellung
In einer Mine befördern Transportfahrzeuge Material von einer Quelle zu einer Senke. Eine Quelle, z. B. ein Bagger, füllt diese Transportfahrzeuge, die das Material dann zu den Senken befördern, also den Deponien oder Brechern.
Genauer gesagt, werden die Fahrzeuge befüllt und fahren dann vorgegebene Strecken, wobei sie an Kreuzungen oder Gefahrenstellen anhalten, bis sie ihr Ziel erreichen. Hier müssen sie sich ggf. in eine Warteschlange einreihen, dann in die Entladeposition gehen und schließlich ihr Material abladen.
Danach erledigen sie entweder einige Hilfstätigkeiten (Wartung, Schichtwechsel, tanken usw.) oder fahren zurück zu einem Bagger, laden auf und beginnen den Prozess von Neuem.
Das MTS-Team von Komatsu wollte diesen Prozess genauer unter die Lupe nehmen, um eine weitere Optimierung der Lade- und Transportsequenz bei den Bergbauarbeiten zu erreichen. Da sie selbst mit AnyLogic noch keine Erfahrung hatten, taten sie sich mit SimWell zusammen, um ein allgemeines Bergbau-Simulationsmodell zu erstellen.
Lösung
Der generische Bergbau-Simulationsprozess
Die erstellte Lösung zur Last- und Transportoptimierung importiert zunächst zwei verschiedene Dateien in das AnyLogic-Modell. Die Modellschnittstelle zeigt das Anlagenlayout der Mine mit allen Verbindungsstraßen. Die erste Szenariodatei enthält Details wie die Standorte der Lkws, Schaufelbagger, Straßen, Halden und Brecher sowie die in dieser Mine vorhandenen Materialien.
Dabei handelt es sich um ein generisches Bergbau-Simulationsmodell, sodass das Unternehmen Szenarien verschiedener Minen im selben Modell berücksichtigen kann.
Die zweite Datei enthält simulationsspezifische Informationen, darunter Pausen- und Wartungspläne, Zeitparameter sowie die Mean Time Between Failures (MTBF).
Nach der erfolgten Dateneingabe wird das Modell ausgeführt und liefert Ergebnisse in Form von KPIs und einer detaillierten Protokollausgabe. Hierin können Abfragen gemacht werden, um weitere Ergebnisse zu erhalten. Zu den KPIs gehören die bewegte Gesamttonnage, die Art des bewegten Materials, die tatsächlichen Komponenten der Mine und vieles mehr.
Anschließend untersuchte das Unternehmen mehrere Was-wäre-wenn-Szenarien. Eine davon betraf eine Änderung der Regeln für die Steuerung von Kreuzungen. Da es sich in Minen bei den meisten Kreuzungen um Vier-Wege-Haltestellen handelt, besteht die Möglichkeit, diese zu optimieren, indem man zuerst den jeweils geeigneteren Lkw passieren lässt, wenn sich mehrere Fahrzeuge diesem Haltepunkt nähern.
Das Modell kann in voller Geschwindigkeit ausgeführt werden, und die Ergebnisse stehen bereits nach wenigen Sekunden zur Verfügung. Dies ist hilfreich, um eine Reihe von Simulationen mit unterschiedlichen Konfigurationen durchführen zu können.
Da es sich um ein generisches Bergbau-Simulationsmodell handelt und jedes Bergwerk individuelle Eigenschaften hat, war es notwendig, Regeln zu entwerfen, die sicherstellen, dass das Modell für die Optimierung von Ladung und Transport für unterschiedliche Bergwerke verwendet werden kann.
Regel 1:
Nachdem ein Lkw entladen wurde, wird er zu dem Schaufelbagger mit der kürzesten Lkw-Warteschlange geschickt.
Regel 2:
In einem Bergwerk gibt es viele verschiedene Materialqualitäten, die vereinfacht in hochwertig, minderwertig und Abfall unterteilt werden können. Das hochwertige Material kommt in den Brecher, das minderwertige Material auf Halde zur späteren Verarbeitung und Abfall, d. h. alles andere wird zur Deponie gebracht.
Regel 3:
Nachdem ein Lkw entladen wurde, prüft das Simulationsmodell, ob nicht-produktive Aktivitäten, wie eine geplante Wartung, durchgeführt werden müssen. Zudem kann es außerplanmäßige Ereignisse geben, wie eine Panne, bei der der Lkw seine Aktivitäten einstellen und zur Reparatur fahren muss.
Erweiterung 1: Batterieelektrische Minenfahrzeuge
Das generische Bergbau-Simulationsmodell funktionierte problemlos und lieferte gute Ergebnisse, sodass die Entwickler beschlossen, das Modell im nächsten Schritt um batterieelektrische Minenfahrzeuge zu ergänzen.
Lastkraftwagen sind eine der Hauptquellen für Kohlendioxidemissionen. Eine Option zur Verringerung dieser Verschmutzung ist der Ersatz von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor (Internal Combustion Engine, ICE) durch batterieelektrische Fahrzeuge (Battery Electric Vehicle, BEV) im Bergwerk. Diese sind zudem energieeffizienter und einfacher zu bedienen, sodass weniger Probleme auftreten.
Allerdings fahren BEVs nicht so lange wie ICEs und müssen öfter aufgeladen werden. Eine Möglichkeit, dieses Problem zu lösen, ist der Einsatz von Oberleitungen, also über der Straße hängenden Stromkabeln, die der batteriebetriebene Lkw während der Fahrt zum Wiederbeladen nutzen kann.
Leider lassen sich nicht alle Lastwagen auf diese Weise aufladen, sodass eine Kombination aus Oberleitung und Ladestationen zum Einsatz kommt.
Die Entwickler wollten untersuchen, wie sich die Umstellung einiger ICEs auf batterieelektrische Minenfahrzeuge auf das transportierte Material und andere Parameter auswirken würde.
Dies hatte Modellergänzungen wie Lkw-Batterien, Ladestationen, Energieverbrauch pro Straßenabschnitt usw. zur Folge.
Eine wichtige Ergänzung war die Einführung einer Sanktion für die Entleerung der Batterie. In diesem Fall würde der Lkw zur Ladestation fahren, vollständig aufladen und dann für den Rest der Schicht dort stehen bleiben.
Die ersten Ergebnisse zeigten, dass der Austausch der ICEs gegen BEVs positive Auswirkungen hatte, aber Raum für weitere Optimierungen bot.
Erweiterung 2: interner Simulator
Das Komatsu MTS-Team verfügt über einen hausinternen Simulator, der jedoch keine Bedienoberfläche enthält. Es war auch nicht möglich, diesen Simulator zu validieren oder zu debuggen, sodass sie einen Weg finden mussten, dies zu tun.
So entschied man sich, den internen Simulator mit dem zuvor erstellten AnyLogic-Modell zu koppeln. Dazu verwendeten sie eine Szenariodatei im internen Simulator, die Ereignisse ausgibt, die dann in das AnyLogic-Modell implementiert und dargestellt werden. Die ursprüngliche Szenariodatei wird ebenfalls importiert, damit sie korrekt ausgeführt werden kann. Wichtig dabei ist, dass das Modell nur Ereignisse anzeigt, aber keine eigenen Entscheidungen trifft. Alle Bewegungen und Entscheidungen wurden vom internen Simulator getroffen und dann im AnyLogic-Modell dargestellt.
Durch die Verwendung des AnyLogic-Modells konnten die Analysten seltsames Verhalten feststellen, z. B. einen Lkw, der sich während der gesamten Simulation nicht bewegt, oder Schaufelbagger, auf die keine Lkw zufahren.
Obwohl keine KPIs verfügbar sind, kann das Team diese Erweiterung nutzen, um den internen Simulator zu debuggen und visuell beobachten, was genau passiert.
Ergebnisse
Das erste generische Bergbau-Simulationsmodell wurde genutzt, um die Möglichkeiten zur Optimierung von Ladung und Transport zu untersuchen. Dies erwies sich als erfolgreich. Darauf aufbauend und dank der Flexibilität von AnyLogic, das Tool stetig weiterentwickeln zu können, wurde das Modell um batterieelektrische Minenfahrzeuge erweitert, um auch hier Optimierungsmöglichkeiten zu identifizieren. Anschließend wurde das Modell um eine Verbindung zum hausinternen Simulator ergänzt. Dies diente hauptsächlich dazu, den Simulator zu debuggen und Beobachtungen visuell darzustellen.
In Zukunft möchte das Komatsu Mining-Technology-Solutions-Team eine umfassendere Streckenführung für die batterieelektrischen Minenfahrzeuge einführen, da sie sich in ihren Bewegungen deutlich von den ICE-Fahrzeugen unterscheiden.
Die Fallstudie wurde von Kyle Everly von Modular Mining, einer Tochtergesellschaft von Komatsu, auf der AnyLogic Conference 2022 vorgestellt.
Die Präsentation ist als PDF verfügbar.
