VR/AR-технологии и подготовка кадров для горной промышленности

Добыча полезных ископаемых связана с наличием значительных технологических рисков, оценка которых осложняется спецификой технологических процессов, высоким уровнем естественной неопределенности в описании объектов, процессов и их моделей. Значительная часть явлений в горном деле, несмотря на достижения исследователей, характеризуется внезапными проявлениями, точное прогнозирование которых весьма затруднительно [1–3]. На протяжении всей истории развития горнодобывающей отрасли происходили крупные аварии с тяжелыми последствиями, и горные инженеры по разным причинам ощущали себя беспомощными в попытках прогнозирования этих катастроф [2]. Естественно, что наиболее тяжелая в обсуждаемом контексте ситуация складывается в тех видах геотехнологий, которые связаны с подземными горными работами (подземная геотехнология, строительная геотехнология). Это определяется сложными горно-геологическими условиями, значительным числом технологических факторов (опасность по пылевому фактору, метанообильность, системы проветривания и многое другое), также особо тяжелыми условиями труда (отсутствие естественного освещения, загрязнение рудничной атмосферы, значительные физические нагрузки и т.д.). В то же время персонал, работающий на горных предприятиях, должен быть готов к преодолению профессиональных трудностей, обладать профессиональными компетенциями, которые связаны не только с реализацией технологических процессов, но и прежде всего с обеспечением технологической безопасности [4–6]. Именно поэтому мы наблюдаем практически во всех учебных планах подготовки горных инженеров профильных университетов мира одинаковые или очень близкие дисциплины, которые связаны с безопасностью горных производств [7]. Среди них можно отметить такие, как: вентиляция (аэрология), безопасность ведения горных работ, безопасность ведения взрывных работ, геомеханика, геофизика, метанобезопасность и т.д. [8–10]. Конечно, автономия университетов определяет разные трактовки этих дисциплинарных направлений, но суть от этого не меняется. Все направлено на то, чтобы будущий горный инженер был готов квалифицированно принимать правильные решения в производственных условиях, обеспечивать эффективную реализацию технологических процессов и минимизировать риски травматизма и аварийность в целом [11–13].

Особую роль играют программы практической подготовки, в рамках которых реальные производственные условия становятся не только полигоном для теоретической подготовки будущих горных инженеров, но и адаптируют их в реальные рабочие коллективы, что имеет большое социально-профессиональное значение [14, 15].

Традиционно под практической подготовкой в образовании подразумевается деятельность студента в условиях реальных производств, но в этом случае ее объемы ограничиваются продолжительностью обучения, и при четырехлетнем бакалавриате по горному делу (международная практика), который реализуется во многих странах, временных ресурсов для продолжительной практики не так уж много. В то же время https://mst.misis.ru/

2022;7(2):180–187

подготовка именно горных инженеров-практиков имеет исключительно важное значение [16]. В России и ряде других стран образовательные программы по горному делу реализуются на уровне специалитета со сроком обучения 5,5 лет, что создает условия для концентрации достаточно продолжительных практических циклов (2–3 мес) общей продолжительностью за весь срок обучения более 7 мес [17]. Но даже в этих условиях всегда высказывается желание увеличить ее объем, причем это желание обоюдное – и со стороны университетов, и со стороны работодателей. Конечно, необходимы компромиссы, нужна золотая середина между теорией и практикой, но современные технологии цифрового моделирования горных производств могут расширить границы практической подготовки не только будущих горных инженеров, но и работающих специалистов, в тех случаях, когда, например, на предприятии происходит масштабная модернизация, связанная с обновлением оборудования и технологических решений. Речь идет не только о традиционных тренажерах, задачи которых связаны с формированием специализированных профессиональных навыков рабочих профессий на стадии обучения, что также имеет большое значение. Важно обеспечить высокий уровень симуляции производственной горнотехнической среды, воспринимаемой человеком практически в качестве реальной. В этом контексте развитие технологических решений на базе виртуальной и дополненной реальности (VR/AR-технологий) становится наиболее актуальным [18, 19] в части улучшения практической подготовки в рамках образовательных программ, в том числе в университетах.

Направления развития VR/AR в горном деле

Горнодобывающая промышленность стала одной из первых отраслей промышленности, которая в своей деятельности стала использовать VR/AR-тех-нологии, поскольку на всем протяжении своего исторического развития ей приходится бороться с преодолением разнообразных и сложных экономических, операционных, а на сегодняшний момент – экологических и социальных проблем. За последнее 10-летие мировая горнопромышленная отрасль инвестировала в исследования и развитие VR/AR-технологий около 0,5 % своих доходов1.

Основу фундамента развития VR/AR в горном деле заложили процессы, сопровождающиеся глубокой автоматизацией технологических процессов в условиях масштабной цифровой трансформации [20]. Наблюдается использование значительного многообразия IT-решений на всех этапах производственных циклов горных предприятий (табл. 1).

Анализ данных показывает, что именно VR/AR-технологии становятся потребителем большинства представленных решений, являясь в собственной реализации по сути интегратором, или высшим «IT-переделом», практически ведущим к цифровым параллельным производственным объектам. Дальнейшее развитие событий в этом направлении может изменить и некоторые традиционные сущности или создать новые, в том числе в системе подготовки кадров.

Таблица 1

Мировые практики использования IT-решений в горной промышленности

IT-решение	Сфера использования	Примеры применения, отличительные особенности
Горные тренажеры	Симуляционное обучение	Симуляторы помещают обучающихся в контролируемую производственную среду
Подземные телекоммуникации	Беспроводные технологии под землей	Связь между работниками в шахте и с управляющей площадкой на поверхности. Сбор данных о работе оборудования в режиме реального времени позволяет быстро реагировать на сбои и проблемы
Отслеживание персонала	Радиочастотная идентификация метрики шахтеров	Моментальная идентификация местоположения работника для исключения простоев, ошибок, проявлений человеческого фактора
Микросейсмический мониторинг	Мониторинг изменений структурной целостности рабочего участка	Оценка серьезности явлений в массиве горных пород, определение геомеханической безопасности выработок и принятие упреждающих мер до катастрофического события или аварии
Дроны [21]	Позиционирование под землей	Отображение топологии выработок, включая состояние поверхности их стен
Средства защиты	От устройств обнаружения газов до одежды, охлаждающей средства индивидуальной защиты (СИЗ)	Датчики обнаружения газа в режиме реального времени. Охлаждающие жилеты и другие предметы одежды
Данные майнинга	Анализ данных, полученных с помощью инновационного оборудования. Прогнозирование состояния производственных процессов	Улучшение всех производственных процессов, включая логистику
VR/AR-технологии	Ремонт и обслуживание, инспекция (аудит) и контроль работ, обучение и инструктаж сотрудников	Возможность командного обучения, включающего отработку синхронности выполнения операций. Используя VR/AR-технологии, персонал не просто формально изучает и запоминает порядок действий, но и визуально практикуется в выполнении действий на каждом этапе работы

ГОРНЫЕ НАУКИ И ТЕХНОЛОГИИ                                   https://mst.misis.ru/

2022;7(2):180–187                                                        Vavenkov М. V. VR/AR technologies and staff training for mining industry

Примером таких сущностей, от которых будет зависеть цифровое будущее, может стать формирующаяся цифровая культура, которая будет применима не только в корпоративном, отраслевом, но и в национальном аспекте. Под цифровой культурой эксперты понимают совокупности компетенций, характеризующих способность использования информационно-коммуникационных технологий для комфортной жизни в цифровой среде, для взаимодействия с обществом и решения цифровых задач в профессиональной деятельности.

По исследованиям PwC развитие цифровизации в промышленности потребует от персонала вариативности и гибкости в части профессиональных компетенций. Ускоренная интеграция искусственного интеллекта в сферу промышленного производства, работа в динамических средах данных, рождаемых внедрением IT-решений, потребуют перехода от линейного образования к непрерывному обучению в течение всей жизни2 [22].

Практика внедрения VR/AR в горнопромышленном секторе России

Российские горнодобывающие компании используют VR/AR, внедряя эти технологии для разных целей. Достаточно интересные исследования в части оценки уровня внедрения технологий виртуальной и дополненной реальности провели эксперты CapGemini и TAdviser (российский сектор бизнеса)3.

Выделяются следующие основные направления:

– цифровое методическое обеспечение и тренажеры для монтажно-сборочных процессов для оборудования высокого уровня сложности (виртуальные тренировочные центры);

• 1)    тренажеры для работы в условиях повышенной опасности;

• 2)    поддержка действий операционного персонала (удаленный эксперт);

• 3)    оценка нагрузки и режимов работы оборудования в реальном масштабе времени;

• 4)    оценка адекватности виртуальных моделей реальным физическим характеристикам и параметрам оборудования и процессов;

• 5)    создание архивов, в том числе визуальных;

• 6)    решение задачи визуализации «цифрового двойника», в том числе с разных и сложнодоступных позиций и условий;

• 7)    виртуальное и визуальное описание опасных производственных зон.

Как видим, компании решают широкий класс задач – технологических, экспертных и образовательных. Многие из этих задач связаны с обеспечением безопасности в условиях опасных технологических производств. Среди компаний можно выделить класс компаний, которые развивают соответствующие компетенции уже через созданные корпоративные центры и (или) комитеты: СИБУР, Северсталь, Газпром нефть, ЕВРАЗ, Магнитогорский металлургический комбинат. В этом же направлении работают Алроса и Сибирская угольная энергетическая компания (СУЭК).

Представим данные с оценкой эффектов от реализации VR/AR-технологий в горнопромышленном комплексе России (рис. 2, 3).

Эти данные свидетельствуют о том, что максимальные эффекты от внедрения VR/AR-технологий проявляются в формировании специальных навыков

ТЕХНОЛОГИЯ AR

■ Экономия времени          Снижение ошибок

Повышение безопасности ■ Повышение производительности

Повышение эффективности я Снижение затрат

Использование цифровых инструкций по сборке, разборке и конфигурированию в процессе обучения

Электронные границы опасных зон

Реализация режима «Удаленный эксперт» с целью помощи и руководства действиями операционного персонала

Визуализация инфраструктурного проекта с разных точек зрения Визуализация специфических компонентов и функций за физическими границами оборудования

Наложение данных в реальном времени на реальные детали машин

Просмотр справочных видео и цифровых руководств Визуализация исторических записей техобслуживания и представление рекомендаций по выполняемым задачам

Сравнение физической и виртуальной версий оборудования

Рис. 1. Ожидаемый и реальный эффект от внедрения AR-технологий (по данным исследований TAdviser)

2022;7(2):180–187

персонала в работе с оборудованием, что четко увязывается с эффективностью и надежностью технологических операций и процессов.

Примеры VR/AR-решений в горнопромышленной и горно-металлургической отраслях представлены в табл. 2.

Среди главных сложностей, с которыми сталкиваются компании при реализации VR/AR- проектов на горнодобывающих предприятиях, следует выделить следующие:

• – значительные финансовые затраты на создание необходимой цифровой инфраструктуры для внедрения и адаптации VR/AR-технологий;

  – отсутствие масштабируемых решений;

  – отсутствие методик расчета эффективности внедрения подобных решений, что вносит неопределенность в параметры инвестиционных проектов;

  – ограниченный доступ к передовым технологическим решениям;

  – ограниченные компетенции кадрового потенциала (нехватка квалифицированных кадров на всех уровнях)⁴.

Роль VR/AR в подготовке кадров для горной отрасли

В контексте горнодобывающей промышленности основные преимущества AR/VR-технологии состоят в том, что она позволяет проводить обучение в близкой к реальной среде, а также имитировать виртуальные сценарии [23]. Очевидно, что внедрение в образовательные программы технологий виртуальной и дополненной реальности потребует новых методических подходов, учитывающих уровень подготовки специалистов, отдельные их квалификации (монтажник, оператор, диспетчер, горноспасатель и т.д.), количество обучающих, новую роль преподавателя и т.д. Оценивая применимость отдельных AR- и VR-технологий, разработчики предлагают также смешанные решения MR [24].

Обучение операторов и ремонтных работников сложных комплексов оборудования на комплексных тренажерах и симуляторах включает в себя:

– процесс непрерывного теоретического обучения;

– работу на симуляторах, где отрабатываются практические ситуации на рабочих местах;

– контроль знаний, умений и навыков;

■Экономия времени Повышение безопасности

ТЕХНОЛОГИЯ VR

L. i Снижение ошибок

■Повышение производительности

Повышение эффективности ■ Снижение затрат

Виртуальное обучение по сборке/разборке, ремонту и обслуживанию оборудования

Удаленное взаимодействие между различными локациями с целью просмотра одних и тех же проектных данных и разрешения конфликтных ситуаций

Виртуальные тренировки по работе в условиях повышенной опасности, поведению в экстремальных ситуациях и ликвидации аварий

Визуализация «цифрового двойника» с целью имитации реальной среды

Предварительная концепция дизайна, полностью созданная средствами VR

Изменение ракурса при визуальном осмотре оборудования

Виртуальный осмотр производственной площадки

Рис. 2. Ожидаемый и реальный эффект от внедрения VR-технологий (по данным исследований TAdviser)

Таблица 2

Примеры практического использования VR/AR в России

Компания в России	СИБУР	Газпром нефть	Северсталь	ММК	Евраз
Примеры использования	Системы «Удаленный эксперт», «Цифровой помощник», интерактивное обучение, отработка действий при работе с опасными реагентами	Системы «Удаленный эксперт», «Цифровой помощник», интерактивное обучение, отработка действий при работе с опасными реагентами, виртуальное технологическое обслуживание	Интерактивные инструкции по разборке и деффектовке насосного оборудования, отработка техники безопасности и работы во внештатных ситуациях, VR-цех Череповецкого металлургического комбината	Виртуальные тренировки по работе в условиях повышенной опасности. Виртуальные тренировки по поведению в экстремальных ситуациях и ликвидации аварий	Виртуальный осмотр производственной площадки

ГОРНЫЕ НАУКИ И ТЕХНОЛОГИИ                                   https://mst.misis.ru/

2022;7(2):180–187                                                        Vavenkov М. V. VR/AR technologies and staff training for mining industry

– работу с инструкциями на базе VR/AR-решений;

– работу над ошибками, закрепление правильных алгоритмов действия.

Совсем по-другому представляются подходы для реализации комплексных VR/AR-решений в основных образовательных программах подготовки специалистов для отрасли (бакалавры, специалисты и магистры). Будущий горный инженер (уровень высшего образования – специалист) должен быть готов не только иметь практику на базе тренажерных систем, но и быть способным генерировать комплексные решения на основе экспертных оценок в технологических циклах или процессах. В этом плане VR/AR-тех-нологии в учебном процессе подготовки горного инженера должны быть четко увязаны с его будущими трудовыми функциями. Мировые практики показывают, что наилучшие решения для формирования и развития компетенций в области VR/AR-среды горнопромышленные холдинги реализуют в партнерстве с университетами.

Роль университетов в качестве основных концентраторов знаний сопряжена с требованиями и ожиданиями промышленных партнеров, предполагающих развитие инновационных образовательных программ и технологий. Университеты не только осуществляют подготовку молодых специалистов, бакалавров и магистров, но и являются трансфером передовых компетенций для действующего персонала предприятий, что позволяет выстраивать университетам и передовым компаниям долгосрочные партнерские отношения. Неоспоримым преимуществом университетов является государственная поддержка, в том числе и финансовая, благодаря которой университеты становятся центрами технологических решений на базе VR/AR-технологий. Современная государственная поддержка университетов в России базируется на принципах софинансирования проектов со стороны бизнеса, что позволяет обеспечивать актуальность проектов для реального сектора экономики. Такой подход позволяет компаниям получить финансовую поддержку в виде целевых субсидий из федерального бюджета в рамках национальных проектов «Образование» и «Цифровая экономика» (подпроект «Цифровые технологии») на развитие VR/AR-технологий.

Выводы

• 1.    Технологии виртуальной и дополненной реальности способны достаточно качественно описывать сложные условия и процессы горных производств, внося свой вклад в формирование профессиональных компетенций персонала разного уровня и квалификаций. Стоит отметить особую роль VR/AR-технологий в обеспечении безопасности горных производств.

• 2.    В развитии VR/AR-технологий большую роль играют взаимодействие между производителями, потребителями услуг и их сотрудничество с университетами. Такие союзы позволяют решить класс задач, связанных с: формированием компетенций у будущего поколения специалистов – выпускников университетов; созданием специализированных курсов в образовательных программах, а также отдельных образовательных программ высшего образования, курсов повышения квалификации и профессиональной переподготовки специалистов в области VR/AR-технологий в горном деле, что должно обеспечить формирование соответствующего кадрового потенциала в целом в отрасли, а не только на корпоративном уровне; вовлечением в процессы разработки практических задач для VR/AR-решений представителей академического сообщества – исследователей разной специализации (геология, геофизика, геомеханика, геоинформатика, аэрология, геотехнологии, горные машины и оборудование, автоматизация и т.д.), что позволяет создать условия для критического анализа и совершенствования конкретных решений; распространением лучших практик использования VR/AR-технологий в интересах будущих заказчиков (развитие рынков); созданием единой методики по оценке эффективности внедрения VR/AR-проектов для определения их инвестиционной привлекательности; прогнозированием и созданием будущих технологий.

2022;7(2):180–187