پهپاد، معدنکاری و فناوری های نوین

1-مقدمه

در جوامع در حال توسعه افزایش راندمان تولید به همراه کاهش مخاطرات عملیات یکی از مهمترین اهداف هر یک از بخش های تولیدی است که مستلزم پیشرفت تکنولوژی و استفاده از علوم نوین جهت توسعه کسب و کار می باشد. معدنکاری نیز از این امر مستثنی نبوده و نیازمند به روز رسانی فناوری های مورد استفاده است. تکنولوژی رباتیک یکی از مهمترین دستاوردهای بشر است که با توجه به پتانسیل بالایی که در ایمن سازی و بهبود دقت و راندمان انواع فعالیت ها دارد، کاربرد آن در معادن در حال شناسایی و توسعه است.

پرنده های بدون سرنشین (UAV) به عنوان یکی از پیشتازان این تکنولوژی با توجه به کاربردهای روزافزون در حال حاضر به سرعت در حال باز نمودن جایگاه خود در بین معدنکاران و صنایع معدنی هستند. در این نوشتار سعی شده با توجه به جایگاه معدنکاری و به خصوص معادن سنگ تزئینی، کاربردهای مهم این فناوری به زبان ساده و علمی برای صاحبان این صنایع معرفی شده و تاثیرات بالای این سامانه ها در بهبود راندمان تولید و افزایش منافع اقتصادی تشریح گردد.

2-پهپاد چیست؟

واژه «پهپاد» مخفف عبارت «پرنده هدایت پذیر از دور» است که به انواع پرنده های بدون سرنشین قابل هدایت از دور یا قابل برنامه ریزی از قبل اطلاق می گردد که در زبان انگلیسی با واژه های Drone و UAV شناخته شده است. پهپادها امروزه به طور وسیعی در زمینه های مختلف نظامی و غیر نظامی کاربرد دارند.

به عنوان مثال می توان به تصویربرداری هوایی از مناطق مختلف به خصوص مناطق صعب العبور، پی جویی مواد معدنی، نظارت بر عملیات اجرایی به صورت زنده، حمل محموله های کوچک، تهیه مدل سه بعدی در ابعاد بزرگ و کوچک (مانند تهیه توپوگرافی و یا مدل سازی سه بعدی اشیا) و شناسایی مخاطرات محیطی (همچون سیل) به عنوان کاربردهای مهم پهپاد اشاره نمود. این در حالی است که روز به روز کاربردهای جدیدتری برای این فناوری نوظهور در حال معرفی و اجرا می باشد.

پهپادها انواع مختلفی دارند که هر کدام برای مقاصد خاصی طراحی شده است. از انواع نظامی بزرگ با قابلیت حمل موشک ها گرفته تا انواع غیر نظامی کوچک تجاری که برای تصویر برداری هوایی و یا تفریح و سرگرمی طراحی شده است. پهپادها را می توان از نظر نوع پرواز و قابلیت های مختلف به انواع پهپادهای بال ثابت و پهپادهای مولتی روتر تقسیم کرد که هر کدام معایب و مزایای خود را دارند. در شکل 1 نمایی از پهپاد بال ثابت و در شکل 2 پهپادهای مولتی روتر به عنوان نمونه نشان داده شده اند.

 

3-کاربردهای مختلف پهپاد در معادن

غلبه بر مشکلات و یافتن راه های آسان تر برای حل مسائل مختلف همواره سبب ایجاد اختراعات و نوآوری ها در هر زمینه ای بوده است. با مطرح شدن علمی جدید در جهان امروز، زمینه های استفاده از آن جهت رفع نیاز در عرصه های مختلف شناسایی شده و کاربرد آن گسترش می یابد.

در اینجاست که باید اندیشید که هر فناوری جدیدی چگونه می تواند در زمینه های دیگر به کار برود. این سوال در خصوص پهپاد می تواند به معدنکاران کمک کند تا با بررسی مجدد نیازها و فرایندهای معدنکاری کاربردهای مختلفی برای این فناوری نوظهور بیابند. امروزه استفاده از پهپاد در معدنکاری در زمینه نقشه برداری معادن فراگیر شده و این به دلیل آشنایی نسبی متخصصین نقشه برداری با علم فتوگرامتری می باشد.

اکثر متخصصین معدن به پیچیدگی عملیات معدنی در تمامی مراحل از اکتشاف و استخراج تا فرآوری و فروش به دلیل وجود مسائل و مشکلات مختلف معدنکاری اذعان دارند.

در هر یک از مراحل مختلف معدنکاری، مسائل مرتبط با ایمنی، فنی، اقتصادی، محیط زیستی و غیره از اولویت متفاوتی برخوردارند. لذا در کاربردهای مطالعه شده جهت استفاده از پهپاد در معادن، به اولویت  مسائل مذکور نیز توجه شده است. در ادامه کاربردهای شاخص پهپاد در معدنکاری مورد اشاره و بحث قرار می گیرد.

3-1- تهیه نقشه های توپوگرافی

یکی از مهمترین کاربردهای امروزی پهپادها در معادن تهیه مدل سه بعدی توپوگرافی به روش فوتوگرامتری است که علاوه بر افزایش سرعت و دقت برداشت ها و بهینه سازی هزینه ها اطلاعات بیشتری نسبت روش های سنتی به کاربران می دهد (Aguilera et al., 2012).

از جمله این اطلاعات اضافی می توان به تصاویر با کیفیتی که در آن ها می توان جزئیات را با ابعاد در حدود سانتیمتر تشخیص داد اشاره کرد. این مدل ها به کمک زمین شناسان و طراحان می آید تا با کیفیت بهتری مطالعات خود را انجام دهند.

از دیگر مزایای تهیه نقشه ها به کمک پهپاد، بحث افزایش ایمنی و دقت و کاهش مخاطرات در مناطق صعب العبور، کاهش زمان عملیات زمینی و در نتیجه کاهش هزینه ها در قیاس با روش نقشه برداری زمینی در تمامی مراحل معدنکاری می باشد. عملیات نقشه برداری زمینی با روش فتوگرامتری در جدول 1 مقایسه شده است.

جدول 1- مقایسه زمان انجام عملیات نقشه برداری به روش زمینی و روش استفاده از پهپاد

مقیاس نقشه	منحنی تراز (متر)	حداقل اندازه وضوح تصویر (سانتی متر)	حداکثر اندازه وضوح تصویر (سانتی متر)
1.430555556	2	15	20
1.430555556	1	10	15
0.736111111	May-00	5	10
0.388888889	May-00	3	5

تجربیات نشان می دهد در شرایط رقابتی امروز، تهیه نقشه توپوگرافی با استفاده از پهپاد فتوگرامتری با مقیاس 1:500 یا 1:1000 حتی در محدوده ای به کوچکی 15 هکتار نیز از نظر اقتصادی برای پیمانکار و کارفرما قابل قبول و معقول است.

در محدوده های کوچکتر از این نیز چنانچه علاوه بر نقشه توپوگرافی از سایر تولیدات تصاویر هوایی (مانند مدل سه بعدی و تصاویر قائم) استفاده شود، همچنان روش فتوگرامتری با پهپاد مناسب تر است. روش هوایی همچنین به طور غیر مستقیم هزینه های جانبی عملیات (اعم از اسکان و رفت و آمد تیم نقشه برداری) را به طور چشم گیری کاهش داده و باز هم می تواند به اقتصادی شدن عملیات هوایی نسبت به زمینی بیانجامد.

3-2- ساخت مدل سه بعدی واقعی

با استفاده از پهپاد مدل های سه بعدی واقعی از بخش های مختلف معدن ساخته می شود، که می تواند به پردازش های دقیق و کاربردی بیانجامد و نیاز به مراجعه حضوری مدیران، طراحان و ناظران به معدن را کاهش دهد.

در این حالت نه تنها خطوط تراز ارتفاعی ایجاد می گردد، بلکه یک مدل سه بعدی رنگی با دقت بالا نیز تولید می شود. به عنوان مثال ساخت مدل سه بعدی بلوک های استخراج شده سنگ ساختمانی در ابعاد واقعی و با دقت بالا می تواند در محاسبه حجم و حتی در فروش کوپ های تولید شده کمک شایانی داشته باشد.

3-3- ساخت تصاویر قائم و تهیه نقشه زمین شناسی

مطالعات زمین شناسی و پیمایش زمین همواره یکی از مهم ترین مراحل اکتشاف معدن است که نیازمند صرف زمان و هزینه زیادی جهت شناسایی مرز بین لایه ها و رخنمون ها و همچنین بررسی ناپیوستگی ها بر روی زمین می باشد. با کمک پهپاد می توان تصاویر هوایی با کیفیت بالا تهیه کرده و با استفاده از نرم افزارهای مربوطه مانند ArcGIS نقشه زمین شناسی اولیه را ساخت. همچنین تصاویر هوایی با قابلیت تفکیک و تمایز رنگ، بافت، شکستگی ها و غیره می تواند کاربرد گسترده ای در درجه بندی کیفی سنگ های ساختمانی نیز داشته باشد.

برای تهیه نقشه زمین شناسی، استفاده از تصاویر هوایی خام که در آن اشیا و ساختارها به صورت پرسپکتیو[4] دیده می شوند، می تواند سبب ایجاد خطا شود و علاوه بر جابه جایی عوارض در نقشه، ممکن است بخشی از عوارض، پشت عوارض دیگر پنهان شوند.

در نتیجه با ساخت تصاویری با دید قائم می توان از این خطاها پیشگیری نمود. در شکل 3 تفاوت تصاویر معمولی (پرسپکتیو) و تصاویر قائم، به صورت شماتیک نشان داده شده است.

با توجه به قدرت تفکیک مکانی بالای تصاویر پهپاد، قدرت تمایز بالای رنگ ها (کنتراست رنگی) و امکان بررسی یک رخنمون معدنی یا پدیده زمین شناسی از زوایای مختلف خصوصا در نواحی صعب العبور، می توان از این تصاویر برای شناسایی بصری و تفکیک واحدهای زمین شناسی و واحدهای سنگی و همچنین برداشت عوارض و ساختارهای موجود در منطقه مورد مطالعه با کمترین میزان پیمایش صحرایی استفاده نمود.

نکته قابل توجه این است که بسیاری از پدیده های زمین شناسی دارای گستره وسیعی هستند که شناسایی و درک روند آنها با پیمایش زمینی بسیار هزینه بر و زمان بر خواهد بود و استفاده از تصاویر هوایی می تواند کاهش چشمگیری در پیمایش زمینی ایجاد کند؛ به طوری که پس از تهیه نقشه اولیه زمین شناسی از روی تصاویر هوایی، می توان جهت تکمیل آن و رفع ابهامات احتمالی به پیمایش صحرایی در زمان بسیار کمتر در مقایسه با شرایطی که هیچ نقشه اولیه ای وجود ندارد، پرداخت (شکل 4).

 

 

شکل 4- الف) تصویر قائم به دست آمده از تصاویر پهپاد ب) نقشه زمین شناسی اولیه تهیه شده به کمک تصویر قائم

 

3-4- مجوزهای قانونی معدنکاری

پس از شناسایی اولیه محدوده های مستعد برای عملیات اکتشاف میدانی و تفضیلی، یکی از مهمترین و بزرگترین چالش های پیش رو، مجوزهای قانونی اعم از منابع طبیعی و سازمان حفاظت محیط زیست است.

تصاویر تهیه شده توسط پهپادها می توانند تاسیسات یک محدوده اکتشافی یا معدن را با جزئیات بسیار بالا ثبت نمایند. این تصاویر به سادگی قادر خواهند بود نوع و سطح پوشش گیاهی، رودخانه ها  و آبراهه ها، جاده های موجود، خطوط انتقال و همچنین وضعیت ریخت شناسی در یک محدوده را برداشت و مستند نمایند و تغییرات قبل و بعد و میزان تصرفات و به هم ریختگی سطح زمین را مشخص کنند.

هر چند تا کنون از پهپاد برای این کاربری مهم استفاده نشده است، اما شاید در آینده ای نه چندان دور با فراگیر شدن قابلیت های پهپاد، فرآیند صدور مجوزهای معدنکاری با این روش تسهیل گردد.

3-5- نظارت و پایش

یکی از نیازهای اساسی مدیران معدنی، اطلاع به هنگام از وضعیت معدن است. برای این منظور می توان با استفاده از پهپاد اطلاعات مورد نیاز را پایش نمود. با در نظر گرفتن کاربردهای روزافزون پهپاد در امور نظارتی و پایش معادن، تعدادی از موارد پیشنهادی در ادامه آمده است:

• ارزیابی پارامترهای مختلف پله های معدن
• کسب اطمینان خاطر از حفر چال های اکتشافی یا آتشباری در موقعیت های از پیش طراحی شده
• بررسی خردایش سنگ پس از عملیات آتشکاری
• نقشه برداری و دپومتری با برنامه زمانبندی شده منظم و به روزرسانی دقیق اطلاعات مربوط به احجام
• پایش جابه جایی شیب دیواره معدن، بررسی ناپیوستگی ها و پیش بینی ریزش های احتمالی
• نظارت بر عملکرد صحیح ماشین آلات و بررسی راندمان کاری
• بررسی پتانسیل خطر در مسیر عبور و مرور ماشین آلات و هشدار قبل از بروز حوادث
• برداشت منظم تصاویر و مقایسه آنها به منظور ارزیابی و نظارت مستمر بر کاربری بخش های مختلف محدوده معدنی و مناطق پیرامونی با هدف جلوگیری از تخلف و یا تعرض به حریم معدن و یا بروز مشکلات زیست محیطی

با توجه به موارد فوق و کاربردهای دیگر، می توان انتظار داشت با استفاده از پهپاد، سرعت، دقت و تسلط دستگاه نظارت و مدیران بر تمامی امور بصری افزایش یافته و موجب افزایش راندمان کاری و در نتیجه رشد اقتصادی واحدهای استفاده کننده از این فناوری گردد.

4-محدودیت ها

استفاده از پهپاد محدودیت هایی نیز دارد که از جمله می توان به شرایط جوی (شدت باد در ارتفاعات و یا بارش باران و برف)، پوشیده شدن سطح زمین با برف، پوشش گیاهی (جنگلی)، احتمال هجوم پرنده های شکاری، ظرفیت باتری (تعیین کننده مداوت پروازی پهپاد)، نواحی ممنوعیت پروازی[5] (NFZ) و هماهنگی های لازم با یگان های اطلاعاتی در مناطق پرواز محدود اشاره کرد.

در اغلب پروژه های معدنی با توجه به مدت زمان انجام عملیات و موقعیت معادن، این مشکلات تاثیر چندانی روی پروژه نمی گذارند و می توان با استفاده از پیش بینی های نرم افزارهای مرتبط که به همین منظور طراحی شده، زمان مناسبی را برای پرواز و تهیه تصاویر تعیین نمود.

5-انتخاب تجهیزات و طراحی پرواز

هدف و انگیزه تصویربرداری هوایی بر انتخاب تجهیزات و طراحی بهینه پرواز تاثیر گذار است. به عنوان مثال در عملیات فتوگرامتری، ابعاد محدوده مورد مطالعه و همچنین مقیاس نقشه مورد نیاز بر انتخاب نوع پهپاد و ارتفاع پرواز موثر است؛ بدین صورت که در محدوده های با وسعت چندین کیلومتر مربع مانند پهنه های اکتشافی، عمدتاً استفاده از پهپاد بال ثابت مقرون به صرفه تر از پهپادهای مولتی روتر است ولی مقیاس مورد نیاز نقشه ها تعیین کننده کیفیت دوربین، پهپاد و ارتفاع پروازی مورد نیاز است.

جدول 2 رابطه بین مقیاس نقشه و وضوح تصویر را نشان می دهد. در معادن در حال بهره برداری که غالباً وسعت آنها در کشور حداکثر به چند هکتار محدود می شود، استفاده از پهپاد مولتی روتر با توجه به قابلیت انعطاف بیشتر در تغییر ارتفاع پرواز، هدایت پذیری بیشتر و عدم نیاز به باند در مقایسه با پهپاد بال ثابت، توجیه بیشتری دارد. همین انعطاف و هدایت پذیری پهپادهای مولتی روتر، ارجحیت استفاده از این نوع پرنده ها را در زمینه کاربردهای نظارتی اثبات می کند.

جدول 2- ابعاد وضوح تصاویر متناسب با مقیاس و فاصله منحنی تراز نقشه

سال	تعداد پروانه	مساحت زیر بنا (هزار متر مربع)	مساحت زمین (هزار متر مربع)	تعداد واحد مسکونی
۱۳۹۱	۲۳۷۵۷	۳۱۹۹۷.۶		۱۹۲۴۳۲
۱۳۹۲	۲۱۲۴۴	۳۳۰۸۶.۷	۸۳۸۳.۹	۱۷۷۶۸۰
۱۳۹۳	۱۰۱۲۹	۱۵۶۸۸.۳	۳۲۹۴.۴	۸۳۱۲۲
۱۳۹۴	۸۰۳۴	۱۲۳۲۹.۳	۳۲۱۰.۲	۶۷۲۷۰
۱۳۹۵	۸۶۷۷	۱۳۳۵۵.۳	۳۳۱۳.۲	۶۶۰۲۷
شش ماه اول ۱۳۹۶	۴۹۰۴	۶۲۱۴	۱۳۶۳.۶	۳۳۷۰۳

پس از انتخاب پرنده مناسب و بررسی اولیه منطقه، طراحی پرواز به کمک نرم افزارهای مربوطه انجام می شود؛ در حالی که تجربه و تخصص تیم پهپادی شامل خلبان، طراح پرواز و نقشه بردار، در طراحی بهینه مسیر پرواز و اجرای دقیق عملیات نقش موثرتری از نرم افزار دارند. شکل 5 نمایی از مسیر طراحی شده در یکی از پروژه های اکتشافی شرکت مهندسان مشاور همپا بهینه در غرب کرمانشاه را نشان می دهد که همپوشانی 85 درصدی در این طراحی لحاظ شده است. در این شکل خطوط زرد رنگ مسیر پرواز، نقاط سفید رنگ بیانگر موقعیت های عکس برداری و سطح آبی رنگ، توپوگرافی 1:25000 منطقه می باشد.

 

با توجه به هدف مورد نظر، پس از انجام عملیات پرواز، باید تصاویر بدست آمده پردازش شده و محاسبات بعدی روی آن ها انجام پذیرد. به عنوان مثال در بحث نظارت ماشین آلات پس از بررسی فیلم و تصاویر تهیه شده، می توان پارامترهای مورد نیاز از قبیل سرعت، موقعیت و راندمان کاری ماشین آلات را از پردازش و تحلیل این تصاویر به دست آورد.

6-جمع بندی و نتیجه گیری

در این مطالعه برآوردهای اقتصادی نشان می دهد استفاده از سامانه پهپاد فتوگرامتری برای تمامی محدوده های معدنی در مقایسه با روش نقشه برداری زمینی مقرون به صرفه بوده و مورد تایید سازمان های مرتبط می باشد.

یکی دیگر از مزایای نسبی استفاده از پهپاد در پروژه ها کاهش زمان اجرای عملیات در سایت پروژه است. تجربیات به دست آمده در تهیه نقشه ها و مدل های سه بعدی ایجاد شده توسط تصاویر پهپادی و مقایسه نتایج آن با روش های سنتی نشان می دهد علاوه بر تجربه و تخصص تیم پهپادی، انتخاب درست نرم افزارهای طراحی مسیر پرواز و نرم افزارهای پردازش و آنالیز تصویر مناسب و انجام پرواز در ارتفاع ثابت نسبت به توپوگرافی محدوده مورد مطالعه و انجام تصحیحات سیستماتیک لازم در زمان پردازش، کمک شایانی به تهیه نقشه ها و مدل ها با بهترین دقت و کیفیت می کنند.

با این حال همان طور که ذکر شد، تاکید این پژوهش بر یافتن کاربردهای دیگری برای پهپاد و تصاویر هوایی در معادن می باشد که از نقطه نظر اقتصادی می تواند استفاده از این سامانه ها را در معادن توجیه کند و امید است  با پیشرفت تکنولوژی و مدیریت صحیح و همه جانبه، همه افراد درگیر در پروژه های معدنی بتوانند فعالیت های مربوطه را از به کمک تیم های متخصص به صورت امن، سودآور، کارآمد و آگاهانه انجام دهند.

دکتر داریوش کاوه آهنگران، مهندس محمدرضا نیک زاد، مهندس مهدی مهدی زاده، مهندس مجتبی شمس الدین میگونی

شرکت مهندسان مشاور همپا بهینه