«Более высокий уровень безопасности неизбежно достигается за счет снижения производительности» — это традиционное представление, долгое время доминировавшее в горнодобывающей отрасли, опровергается новейшим исследованием шведских ученых. Ключевой вклад этого исследования заключается в подтверждении того, что безопасность и производительность не только могут быть совместно оптимизированы в рамках единой структуры, но и способны одновременно достигать уровней, значительно превосходящих показатели традиционных изолированных систем.

Долгое время в горнодобывающей отрасли доминировала дискуссия вокруг «дилеммы нулевой суммы»: высокий риск обеспечивает высокую добычу, а высокая безопасность снижает производительность. Системы управления безопасностью, планирования производства и обслуживания оборудования на горных предприятиях функционируют в рамках отдельных, независимых программных комплексов, между которыми отсутствуют обмен данными и согласование целей. Это приводит к тому, что оптимизация отдельной подсистемы редко трансформируется в глобальный оптимум. Разрозненное принятие решений также ведет к тому, что ограничения безопасности в процессе оптимизации сводятся к «командам жесткой остановки» — при срабатывании порогового значения безопасности система принудительно останавливается, вызывая обвальное падение производительности.

22 апреля 2026 года Раджеш Патил и Магнус Лёфстранд из Технологического университета Лулео (Luleå University of Technology, Швеция) опубликовали прорывную статью в журнале MDPI «Technologies» (том 14, выпуск 5), в которой впервые предложили и экспериментально подтвердили единую многокритериальную оптимизационную структуру с ограничениями безопасности. Эта работа системно отвечает на ключевой вопрос горной науки: «Как значительно повысить безопасность горных работ без ущерба для производительности».

Включение безопасности в целевую функцию оптимизации

Существующие концепции автономной добычи в основном сосредоточены на локальной оптимизации отдельных подсистем (таких как навигация транспортных средств, планирование взрывных работ или диспетчеризация автопарка). Им постоянно не хватало единого, строго проверенного метода оптимизации, применимого как для открытых, так и для подземных горных работ. Данное исследование предлагает масштабируемую многоуровневую архитектуру автономной добычи: от слияния данных с датчиков на нижнем уровне, через граничные вычисления и координацию парка техники на среднем уровне, до поддержки принятия решений на основе цифровых двойников на верхнем уровне. В рамках этой архитектуры динамика транспортных средств, механика бурения и координация мультиагентного парка техники объединены в единую математическую модель, ориентированную на безопасность. Главное теоретическое новшество заключается в отказе от традиционного подхода «безопасность = жесткое ограничение» и замене его на многокритериальную оптимизацию с ограничениями безопасности. В одной математической целевой функции одновременно оптимизируются минимизация рисков безопасности, максимизация производительности и минимизация энергопотребления, вместо того чтобы решать эти задачи в трех независимых системах.

Двойной скачок в безопасности и производительности

Исследовательская группа использовала тройной инструмент верификации: моделирование методом Монте-Карло (с учетом неопределенности измерений), анализ чувствительности и проверку статистических гипотез. Была системно оценена работа предложенной структуры в условиях отсутствия сигнала GNSS и экстремальных климатических ограничений Арктики. Предварительные результаты показали:

Снижение рисков безопасности на 48,6% ± 4,1%;

Повышение производительности примерно на 24,3% ± 3,2%;

Снижение энергопотребления примерно на 12,8% ± 2,5%.

Анализ чувствительности далее указал, что точность позиционирования, задержка связи и весовые коэффициенты оптимизации являются ключевыми факторами, влияющими на общую производительность системы. Это открытие задает четкое направление для модернизации оборудования при промышленном внедрении данной структуры. Основная значимость этого прорыва заключается в том, что он представляет собой эталонную модель, проверенную с помощью статистических гипотез, воспроизводимую и переносимую для различных условий эксплуатации шахт. Она в полной мере обладает двойным потенциалом: как для непосредственной поддержки промышленного развертывания, так и для будущих исследований в области автономной добычи.

Четыре ключевые технологические инновации

1. Единая математическая структура многокритериальной оптимизации: Модели динамики транспортных средств, механики бурения и координации мультиагентного парка техники формализованы в виде единой системы математических выражений, что впервые позволило найти глобально оптимальное решение для разных подсистем.

2. Многоуровневая архитектура автономной добычи: Построена трехуровневая прогрессивная архитектура «Уровень слияния сенсорных данных → Уровень граничного интеллекта и координации парка → Уровень поддержки принятия решений на основе цифровых двойников», обеспечивающая стабильную работу в условиях отсутствия GNSS и экстремальных климатических условиях.

3. Инженерная реализация приоритета ограничений безопасности: Ограничения безопасности модернизированы с «команд жесткой остановки» до мягких ограничений безопасности (soft safety constraints). При приближении к пороговым значениям риска система динамически оптимизирует работу, а не немедленно останавливается.

4. Статистически строгая система верификации: Моделирование Монте-Карло в сочетании с учетом неопределенности измерений охватывает реальные возмущения, такие как ошибки позиционирования оборудования, задержки связи и изменения рельефа. Анализ чувствительности выявляет узкие места производительности. Проверка статистических гипотез обеспечивает доверительные интервалы, необходимые для принятия инженерных решений.

«Переносимая» эталонная модель: от лаборатории к горному участку

Путь промышленного внедрения данной структуры четко определен. Анализ чувствительности указывает направление модернизации оборудования: повышение точности подземного позиционирования и снижение задержек связи являются первоочередными задачами для раскрытия всего потенциала этой структуры. Внедрение уровня цифровых двойников позволяет проводить «предварительную оптимизацию» для новых рудников в виртуальной среде, значительно снижая риски при натурной отладке.

Наибольшая стратегическая ценность данного исследования заключается в том, что оно предлагает единую и переносимую эталонную модель, а не «изолированное» патентованное решение, предназначенное лишь для определенного типа шахт. Сегодня, когда проникновение автоматизированного горного оборудования стремительно растет, эта структура предоставляет горнодобывающим компаниям по всему миру четкую дорожную карту для совместной оптимизации «безопасность — производительность — энергопотребление».