Digitaler Zwilling

Für verschiedene Energiekonzerne, die Strom aus Kohle in Tagebauen gewinnen, wurde eine Anwendung entwickelt, die den gesamten Tagebau als digitalen Zwilling in Echtzeit darstellt. Dies umfasst nicht nur die Echtzeit-3D-Visualisierung des Tagebaus, sondern auch ein Monitoring- und Maschinensteuerungssystem für Schaufelradbagger und andere wesentliche Maschinen.

Der erste Schritt in Richtung eines Realtime-Digitalen Zwillings besteht darin, den Tagebau vollständig als DGM (Digitales Geländemodell) zu erfassen. Dazu führen die Tagebaubetreiber eine Gesamtaufnahme der Mine in regelmäßigen Abständen durch, sodass in gewissen zeitlichen Abständen immer ein vollständiges aktuelles DGM des Tagebaus vorliegt. Zur Einbindung dieser Daten stellt GeoCAD diverse Schnittstellen bereit, mit denen diese DGMs importiert werden können. Den Zeitversatz zwischen der Befliegung und dem Einspielen dieses  jeweiligen neuen Bezugs-DGM auf den Maschinen wird durch die Replay-Funktion kompensiert indem mit den zwischenzeitlich auf den Maschinen erstellten DGMs das Bezugs-DGM auf den aktuellen Stand fortgeführt wird. Dieser Zyklus wiederholt sich stetig.

Damit das DGM in den Zeiträumen zwischen den Gesamtaufnahmen stets aktuell fortgeführt werden kann, erfolgen fortlaufend Messungen, die ausgewertet und in das DGM übernommen werden. Dazu sind an allen wesentlichen Maschinen – Bagger, Absetzer und Förderbänder Messsysteme angebracht, die das Gelände kontinuierlich erfassen. Das Ergebnis ist ein Echtzeit-Monitoring des gesamten Tagebaus!

Das Monitoring wird durch ein Maschinensteuerungssystem für (Schaufelrad-)Bagger, Absetzer und Förderbänder ergänzt. Durch eine Zusammenführung beider Systeme in einer Gesamtübersicht ist eine ganzheitliche Betrachtung des Tagebaus zur Planung der nächsten Abbaubereiche, Verkehrswege und der Identifizierung potenzieller Gefahrenstellen möglich.

Für einen anstehenden Sohlenwechsel kann der Baggerfahrer mit GeoCAD eigenständig vor Ort eine von der Tagebau-Planungsabteilung vorgegebene Fahrrampe in das aktuelle Gelände als Soll-Rampe einrechnen lassen. Hierzu genügt es, zwei Punkte aus der Planzeichnung  oder wie sie gerade vor Ort sinnvoll sind im realen Gelände mit dem Schaufelrad anzufahren, diese durch dieses Positionieren  abzustecken und eine Soll-Neigung auszuwählen. GeoCAD berechnet anschließend den Übergang von einer Sohle zu einer zweiten und fügt beide mit dem für die Rampe berechneten Modell zu einem neuen Soll-Gelände zusammen, zu dem wieder relativ gebaggert werden kann.

Das wesentliche Element des Tagebaues sind die Transportbänder für Abraum und Kohle. Hier kann den Materialtransportschaufelradbagger bis zum Absetzer Gewänder sowohl im Lageplan als auch im 3-D Modell bei vorgegebener Bandgeschwindigkeit in quasi Echtzeit darstellen. Ist ein Lagerstättenmodell hinterlegen, so werden immer Pakete von 1 Sekunde Abraumdauer aus dem Modell herausgerechnet, so wie sie der Bagger geschnitten hat „auf das Band gelegt“. Erinnert dieser Pakete wird über den gesamten Handlauf vom Bagger zum Absetzer oder zum Kohlebunker angezeigt. Auch die Schaltzustände der Bandverschiebebunker werden korrekt in den Plänen dargestellt. Eine der wichtigsten Funktionen der Bandtransportsoftware, neben der Darstellung, ist die Berechnung  des  sogenannten „F-Wertes“. Aus der eingestellten Bandgeschwindigkeit, der aktuellen Beladung und dem Stromverbrauch lässt sich errechnen, ob der Verbrauch für die angegebenen Parameter passend ist. Wenn er zu hoch wird, ist damit klar, dass die Rollengerüste entlang der Bandstraße neu ausgerichtet werden müssen. Da der Strombedarf der Bandlaufwerke im Megawatt-Bereich liegt, bringt diese Funktion in der Software GeoCAD einen direkten pekuniären Nutzen für den Betreiber.

Ähnlich wie bei der Baggersteuerung sind an den Absetzerauslegern GPS-Antennen und/ oder Neigungssensoren montiert. Zusätzlich befindet sich am Auslegerende des Absetzers ein 3D-Laserscanner, der in Intervallen von wenigen Sekunden das gesamte Gelände im Schüttbereich des Auslegers permanent aufnimmt. Über diesen Messaufbau kann das Gelände und kontinuierlich die Schüttung kontrolliert werden. Weiter wird direkt auf der Maschine aus diesen Scans berechnet, ob die aufgeschütteten Massen nach der Setzung ausreichen, um das geplante Gelände herzustellen.

Darüber hinaus wird in frei festlegbaren Zeitintervallen von mehreren Minuten ein Scan eines größeren Schüttbereichs  von einigen hundert Metern durchgeführt und in das bisherige DGM fortgeführt, um die Setzungsbewegungen im bereits geschütteten Bereich zu erfassen.