پرنده های بدون سرنشین گامی در تحول دیجیتال صنایع معدنی


پریسا پورمجیدی- پایش معدن هوشمند

با گسترش جوامع نیاز بیشتری به منابع معدنی چه به صورت مواد خام و چه انرژی احساس می­شود. بدیهی است که برای تامین نیاز جوامع باید به سراغ استخراج مواد معدنی رفت اما باید در نظر داشت که بهره برداری صحیح از ذخایر معدنی نیازمند برنامه ریزی دقیق است. پیچیده وپر­ریسک بودن مراحل مختلف معدن­کاری(اکتشاف، استخراج، بهره­برداری و فرآوری) سبب می­شود که  شرکت های معدنی با چالش ها و عدم قطعیت های زیادی روبرو شوند. با ورود فناوری های دیجیتال به عرصه صنعت و معدن این امکان فراهم می­شود که بسیاری از فعالیت­ها از راه آگاهانه، سودآور، کارآمدترو امن­تر صورت گیرد. از جمله این فناوری­ها می­توان به پهپادها اشاره کرد. پهپادها امکان نقشه برداری با کیفیت بالا، پایش پایداری و ایمنی معادن، کنترل فعالیت ها، حفظ محدوده و رعایت قوانین محیط­زیستی را مهیا می­سازد. این پرنده های بدون سرنشین موجب بالابردن ایمنی، افزایش بازده و کاهش اتلاف هزینه و زمان می­شوند.

گونه های مختلف پهپادها[۱]

پهپادها (پرنده هدایت پذیر از دور) پرنده های بدون سرنشین،هواپیماهای کنترل از راه دور یا بدون خلبان هستند که قادرند دوربین، حسگر (سنسور)، تجهیزات مخابراتی یا محموله مخابراتی را حمل کنند که با قابلیت هدایت از راه دور برای اهداف متنوع اعم از نظامی و غیر نظامی طراحی و ساخته شده­اند. بدنه، موتور و محموله اجزای اصلی یک پهپاد هستند. پهپادها به طور کلی به پهپادهای با بال پره­ای و ثابت تقسیم­بندی می­شوند (شکل ۱). پهپادهای با بال پره ای قدرت برخاستن و نشستن عمودی دارند و پهپادها با بال ثابت سرعت و طول مدت پرواز بالاتری دارند و پایش بهتری انجام می­دهند. سیستم پرنده‌های عمود پرواز، فواید غیر قابل اغماضی در مقایسه با دیگر پرنده‌ها دارد. مزیت مهم این پرنده‌ها، لیفت خودکار و سادگی کنترل آن است که جهت کاربردهای بحرانی، ضروری به‌نظر می‌رسد. این وسیله توانایی‌های زیادی برای برخاستن، نشستن و حرکت در محیط‌های کوچك را دارد که همین امر موجب افزایش روز افزون استفاده از این وسیله شده است. عیب عمده این پرنده مداومت پروازی پایین آن است، چون مصرف توان الکتریکی در این وسیله پرنده به دلیل استفاده از چهار موتور بالاست. برای بهره‌مندی از مزایای هر دو پهپاد بال ثابت و بال پره‌ای، پهپادهای ترکیبی همانند شکل ۲ نیز وارد بازار شده‌اند که قابلیت برخاستن و نشستن عمودی و پرواز همچون پهپادهای بال ثابت را دارند.

شکل ۱. نمایی از انواع پهپادها
شکل ۲. نمایی از پهپاد ترکیبی بال ثابت و بال‌پره‌ای Wingtra

  2– بهبود راندمان با استفاده از پهپاد­ها

افزایش بهره وری، صرفه جویی در زمان و هزینه، تکرار پذیری در کوتاه­ترین زمان ممکن، دقت و انعطاف پذیری بالا، هزینه های جزئی پرواز و نگهداری و تعمیر پرنده، توجیه اقتصادی بالا در محدوده های وسیع ، دسترسی به نواحی سخت و مخاطره آمیز (مناطق مین­گذاری و یخچال­های طبیعی)،  باند پروازی محدود جهت نشست و برخاست پرنده و هدایت پرنده در اختیار کاربر(اپراتور) از شاخص ترین امتیازهای پهپادها است که آن­ها را تبدیل به ابزاری قدرتمند در نقشه برداری، کنترل و ارزیابی اکتشافی، پایش عملیات استخراج، محیط زیست و … کرده است. البته پهپادها معایبی مانند محدود بودن زمان پرواز، محدودیت ارتفاع پرواز و همچنین نیاز به شرایط خاص برای پرواز را دارند. عدم وجود موانع مخابراتی، عدم وجود محدودیت های پرواز اعم از نظامی و اطلاعاتی و پرواز بر فراز مناطق مسکونی تنها با امنیت پروازی بالا از جمله این شرایط هستند.

۳- نقشه برداری

به طور کلی از نقشه ­برداری هوایی به وسیله پهپادها می‌­توان در برداشت توپوگرافی معادن، کنترل عملیات معدنکاری، برداشت احجام، نقشه‌برداری اکتشافی و کاربردهای مشابه نام برد. این پرنده‌های بدون سرنشین دارای توانایی پرواز با استفاده از کنترل از راه دور توسط اپراتور یا دستورالعمل تعیین شده به صورت خودکار و نیمه خودکار هستند. با استفاده از فتوگرامتری هوایی می­‌توان مدل‌­های سه بعدی، تصاویر قائم­سازی شده (ارتوفتو) و ابرِ رنگیِ نقاط تولید کرد.

شکل ۳- کنترل و نظارت بر عملیات استخراج، بارگیری و باربری، حمل و نقل به وسیله پهپادها
شکل ۴- فتوگرامتری از پدیده AMD. یک پدیده زیست محیطی است که معمولاً در مجاورت عملیات معدن یا در مناظر بعد از استخراج معادن ایجاد می‌­شود

۴- پایش عملیات

با استفاده از تکنولوژی پهپاد به راحتی می­‌توان کاربری بخش های مختلف محدوده معدنی و مناطق پیرامونی را به صورت مستمر مورد ارزیابی و نظارت قرار داد و هرگونه تخلف و یا تعدی به حریم دارایی های معدن را سریعا شناسایی و پیگیری کرد. می­‌توان بر بخش های مختلف معدن همچون کارگاه های استخراج، دپو ماده معدنی، دپو باطله، سد باطله، نوار نقاله، جاده های دسترسی و غیره نظارت داشت. با استفاده از تصاویر و ویدئوهای برداشت شده به کمک پهپاد، امکان انجام بازرسی‌های مستمر با هزینه کمتر و ایمنی بالاتر فراهم می­شود.

۵- پایش محیط ­زیست

اگرچه معدن­کاری فعالیت اقتصادی سودآوری است اما موجب آسیب‌­هایی به محدوده معدنی و محیط زیست معدن می‌­شود. آسیب به حاصل خیزی خاک و پوشش گیاهی نتیجه مستقیم­ فعالیت معدن چه به صورت روباز و چه زیرزمینی می‌­باشد. با استفاده از پهپادها می‌­توان محدوده را زیر نظر داشت و از رعایت مقررات زیست محیطی اطمینان حاصل کرد. همچنین بررسی وضعیت سدهای باطله و آب‌های سطحی و اثر معدنکاری بر جریان این آب‌ها نیز از دیگر کاربردهای زیست محیطی پهپادها می‌باشد. شرکت‌های معدنی مستلزم هستند که پس از عملیات معدن­کاری محدوده معدنی را تا حدودی به شرایط زیست­ محیطی قبلی بازگردانند. این فرآیند که بازسازی معادن نامیده می‌­شد شامل فرآیندهایی است که محیط زیست آسیب دیده را احیا کند. نظارت بر سایت بازسازی شده توسط شرکت معدنی، با استفاده از تصویر برداری هوایی و مدلسازی‌های سه بعدی و مقایسه با طرح و برنامه تسهیل می‌­یابد.

۶- ژئوتکنیک در معادن روباز و زیرزمینی

پایداری معادن روباز برای حفظ ایمنی و کارایی مهم است. بررسی پله‌های ناپایدار و پایش آنها از راه دور برای اطمینان از عملیات صحیح معدن­کاری مهم است. مطالعات نشان داده است که پهپادها می‌­توانند برای ارزیابی پایداری شیب‌­ها و تعیین نواحی ناپایدار در معادن روباز استفاده شوند. از طرفی به دلیل شرایط خاص حاکم بر فضای معادن زیرزمینی اعم از عدم وجود نورکافی، اکسیژن مورد نیاز، امکان ریزش یا لغزش دیوارها استفاده از پهپاد در معادن زیرزمینی ایمنی بیشتری در مقایسه با سایر روش­های نظارت و نقشه برداری دارد. نظارت و پایش معادن زیرزمینی با استفاده از پهپاد نتایج واقعی در کمترین زمان ممکن را ارائه می‌­دهد و قرار گرفتن نیروی انسانی در شرایط ناامن زیرزمینی را به حداقل می­­رساند.

شکل ۵- محققین استرالیایی صدها متر در زیر­زمین، در حال استفاده از پرنده عمود پرواز

۷- بهینه سازی انفجار

در فرآیند معدن­کاری، بخش عظیمی از هزینه های استخراج به منظور عملیات حفاری و آتشباری صرف می‌­شود. اطلاعات بدست آمده از تصاویر برداشت شده با استفاده از پهپاد این امکان را فراهم می­‌سازد که پارامترهای مختلف پله های معدن را قبل از انجام عملیات حفاری و انفجار مورد ارزیابی قرار داد و تصویر کلی از آن را ترسیم کرد. ایجاد توازن و تعادل بین مقدار مواد منفجره و سنگ در زمان انفجار کار ساده ای نیست اما با کمک گرفتن از تصاویر دقیق و نقشه‌های برداشت شده با استفاده از پهپاد، امکان تعیین نسبت بهینه مواد به سنگ فراهم می­­‌شود. با استفاده از تصاویر برداشت شده توسط پهپاد این امکان فراهم می­‌شود که از حفر چال‌ها در موقعیت‌های از پیش طراحی شده اطمینان کسب کرد و یا از تغییرات در توده سنگ یا حفره­‌ها مطلع شد. همچنین تصاویر و ویدئوهای برداشت شده پس از اجرای عملیات انفجار، تحلیل خرد شدگی سنگ را تسهیل می­‌کند.( شکل ۶ و ۷)

شکل ۶- حضور پهپادها به هنگام عملیات انفجار
شکل ۷- تحلیل خردایش حاصل از انفجار بوسیله پهپادها

منابع مطالعاتی:

]۱[ Ren, H., Zhao, Y., Xiao, W. and Hu, Z.; “A review of UAV monitoring in mining areas: current status and future perspectives”, International Journal of Coal Science & Technology, pp.1-14, 2019.

[۲] دوئرتی، مارتین جی؛ طلایی، پهبادها(پرنده های هدایت پذیر)،حجتی طباطبایی، افسانه، ابراهیم پور، زهرا، طلایی، تهران، ويرايش اول، ۱۳۹۷.

]۳[ M. Goodrich, B. Morse, D. Gerhardt, J. Cooper, M. Quigley, J. Adams, and C. Humphrey; “Supporting wilderness search and rescue using a camera-equipped mini uav” Research articles,” J. Field Robot., vol. 25, no. 1-2, pp. 89–۱۱۰, ۲۰۰۸.

]۴[ Paul Lorah, P; Ready, A; Rinn, E; “Using Drones to Generate New Data for Conservation Insights”, Volume 5., International Journal of Geospatial and Environmental Research, 2018.


[۱] Unmanned Air Vehicle (UAV)