Внедрение беспилотных технологий – инструмент повышения эффективности открытой разработки месторождений

Программно-аппаратный комплекс компании  "МарГео" получил высокие оценки на конкурсе «МайнДиджитал» инновационных решений и технологий для цифровой трансформации предприятий горнорудной отрасли России в рамках саммита MINEX 2020 и вошел в десятку финалистов.

На конкурсе были рассмотрены аспекты применения беспилотных технологий в недропользовании. На основании анализа ситуации с внедрением таких технологий на предприятиях с открытым способом добычи полезных ископаемых и опроса потенциальных заказчиков определены преимущества и недостатки применения малых беспилотных летательных аппаратов (БПЛА), выявлены проблемы, связанные с их внедрением и предложены решения этих проблем. В качестве комплексного решения предложено создание цифровой модели карьера по данным аэрофотосъемки с БПЛА. Показаны направления использования собранных с помощью дрона данных в деятельности горного предприятия, в том числе в целях регулирования его прибыльности на разных этапах производства. Сделан вывод о целесообразности внедрения в практику открытых горных работ метода беспилотного площадного обследования и мониторинга состояния поверхностей.

 

ПЕРСПЕКТИВЫ БПЛА В ГОРНОДОБЫВАЮЩЕЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Сегодня качество управления промышленными объектами и процессами напрямую зависит от скорости и достоверности получаемой информации. Новые технологии позволяют решить эту задачу максимально быстро и с минимальными затратами. Одной из таких технологий является получение цифровой модели объектов с помощью дронов – малых беспилотных летательных аппаратов (БПЛА). Во многих отраслях (строительство, сельское хозяйство и др.) ежегодно увеличивается внедрение качественных беспилотных технологий, позволяющих оптимизировать процесс (по временным, финансовым, экологическим показателям) и на основе этого повысить прибыльность и безопасность производства. Низкие эксплуатационные расходы на реализацию технологии, точная и актуальная информация, собранная с помощью малых БПЛА, являются одними из наиболее заметных факторов, которые, по прогнозам будут стимулировать рост рынка БПЛА, и в течение следующего пятилетия среднегодовой темп роста составит более 15 %.*

Внедрение БПЛА открывает широкие перспективы и в недропользовании. Сегодня дроны успешно применяются в 3D-картировании и геодезии, мониторинге нефте- и газопроводов. Горные компании, особенно с открытым способом добычи, видят возможности эффективного применения БПЛА для:

- анализа и оценки состояния склонов и профилей рельефа;

- мониторинга устойчивого и безопасного состояния бортов и уступов карьера и отвалов;

- выявления деформаций и смещений и принятия оперативных мер для их предотвращения;

- аэромагнитной съемки труднодоступных мест для геологоразведки и картирования;

- сбора геопространственных данных на опасных и труднодоступных участках горных работ и оценки воздействия их на окружающую среду;

- планирования, мониторинга и учета горных работ,

- контроля полноты выемки;

- учета объемов добычи и вскрышных работ;

- определения потерь полезного ископаемого;

- составления планов развития горных работ.

При всей очевидности плюсов беспилотной технологии говорить о ее масштабном применении в российском секторе недропользования пока не приходится – здесь использование малых БПЛА во многом только начинается. Существуют отдельные предприятия, которые активно реализуют данную технологию, но это скорее исключение из правил.

Тем не менее, анализ трендов применения БПЛА и стандартного геодезического оборудования в недропользовании показывает, что в 10-летней перспективе беспилотная технология будет использоваться повсеместно, и предприятия, внедрившие ее сейчас, получат максимальное конкурентное преимущество.

 

АНАЛИЗ ПРОБЛЕМ ПРИМЕНЕНИЯ БПЛА И ИХ РЕШЕНИЕ

Анализ ситуации, проведенный ООО НИПИ «МарГео», показал, что основными препятствиями на пути внедрения беспилотной технологии являются:

• отсутствие специально обученных специалистов (например, крайне сложно найти в штат пилота-маркшейдера);
• отсутствие адекватной технической поддержки;
• сложность выбора специализированного решения из-за разнообразия рынка БПЛА;
• ресурсоемкость технологии, требующая применения мощных вычислительных средств;
• государственное регулирование использования БПЛА и воздушного пространства;
• консервативность горной отрасли в силу человеческого фактора («средний возраст маркшейдеров»), что усложняет внедрение БПЛА на предприятиях с открытым способом добычи.

В то же время опрос основных потребителей выявил потребность в получении оперативных точных данных об обстановке в карьере, имеющих практическую значимость, простоту и доступность для использования всеми службами предприятия, а также в получении целого комплекса возможностей, которые открывает цифровая модель поверхности карьера.

В результате анализа проблем и потребностей предприятий, занимающихся открытой разработкой месторождений, специалистами ООО НИПИ «МарГео» разработано, протестировано и запущено в опытную эксплуатацию комплексное решение, включающее в себя:

1. Поставку и техническое обслуживание специализированного дрона, адаптированного и сертифицированного для применения при открытой разработке.

2. Обработку и анализ полученных данных.

3. Аналитику процессов и контроль зон повышенного риска.

4. Обучение маркшейдеров по программе повышения квалификации, согласованной с Ростехнадзором и включающей в себя курс «Оператор наземных средств управления БПЛА».

5. Техническую поддержку и сопровождение на всех этапах внедрения беспилотной системы на предприятии.

6. Внедрение беспилотной технологии «под ключ» с оформлением всей разрешительной документации в надзорных органах.

 

ПРЕИМУЩЕСТВА АЭРОФОТОСЪЕМКИ С ПРИМЕНЕНИЕМ БПЛА

Аэрофотосъемка – это фотографирование территории с определенной высоты от поверхности Земли при помощи аэрофотоаппарата, установленного на атмосферном летательном аппарате (самолете, вертолете или их беспилотном аналоге) с целью получения, изучения и представления объективных пространственных данных на участках произведенной съемки.

В настоящее время для аэрофотосъемки в коммерческих и рекреационных целях растет применение малых БПЛА. Преимущественно это винтокрылые беспилотные летательные аппараты – мультикоптеры – с четырьмя (квадрокоптеры), шестью (гексакоптеры) и восьмью (октокоптеры) несущими винтами. Такие БПЛА уверенно конкурируют с пилотируемой авиацией прежде всего за счет более низких затрат на сбор актуальных высокоточных данных, причем стоимость услуг беспилотной авиации все больше снижается, а возможности аэрофотосъемки постоянно расширяются. Существенно проще решаются и вопросы подготовки к аэрофотосъемке с БПЛА. Если для проведения аэрофотосъемки с самолета или вертолета необходимо предварительно согласовать разрешения на полеты, оплатить дорогостоящее топливо, работу пилотов и многое другое, что обходится в весьма круглую сумму, а также имеет массу ограничений по возможностям (погодным, техническим и пр.), то современное беспилотное оборудование можно доставить на место эксплуатации в багажнике автомобиля, а для подготовки его к полетам из транспортировочного состояния требуется не более 10 мин. При этом съемочная команда состоит всего из двух человек или даже одного, если ранее на объекте были проведены подготовительные работы.

Современные мультикоптеры снабжены достаточно сложными системами стабилизации, удерживающими летательный аппарат в одной точке с погрешностью 3 см по высоте и 1 см по горизонтали, что позволяет делать множество кадров из этой точки, которые впоследствии можно «сшить» в панорамное фотоизображение либо создать сферическую 3D панораму. Мультикоптеры способны выполнять автономные полеты в соответствии с заданными координатами, совершать автоматический возврат на точку старта и посадку по команде, либо в случае потери сигнала управления или других нештатных ситуаций. Использование мультикоптера не требует обустройства взлетно-посадочной площадки, а некоторые из них, имеющие небольшую массу, можно запускать с рук. Кроме того, в отличие от любой другой техники для съемки с воздуха, мультикоптер может летать в закрытых помещениях.

В результате проведения аэрофотосъемки дроном предприятие получает точную цифровую копию карьера – его цифровой двойник. Фактически это плотное облако, состоящее из огромного количества точек, имеющих помимо стандартных параметров X, Y, Z еще и параметр COLOR (цвет), взятый из фотографий. Таким образом, итоговый результат больше похож на стандартную фотографию со спутника, однако каждый пиксель несет полезную информацию для последующего проектирования и вычисления необходимых параметров. В итоге предприятие получает цветную 3D модель месторождения, которую можно экспортировать в любой формат современных ГИС-систем для дальнейшего использования.

ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТ ПО СОЗДАНИЮ ЦИФРОВОЙ МОДЕЛИ КАРЬЕРА

Процесс создание цифровой модели карьера включает в себя подготовительный этап, полевые работы и камеральный этап (см. табл.).

Этапы выполнения работ по получению цифровой модели карьера

Этап	Выполняемые работы
Подготовительный	Получение разрешения на полет. Рекогносцировочные работы. Анализ и построение полетного задания
Полевых работ	Координирование опознавательных знаков. Выполнение полетного задания. Контроль полученных данных
Камеральный	Обработка аэрофотографий. Построение плотного облака точек. Построение карты высот. Экспорт файлов в необходимый формат для дальнейшей работы

На этапе подготовки к аэрофотосъемке с применением БПЛА в коммерческих целях необходимо получить разрешение на полет и соответствующие документы в Генеральном штабе, ФСБ и зональном центре управления воздушным движением, что легитимизирует производство аэрофотосъемочных работ (в нашем случае – на карьере).

После получения разрешительных документов проводятся рекогносцировочные работы на предмет анализа рельефа участка, растительности, наличия строений и линейных объектов, а также состояния бортов и уступов карьера и зон повышенного риска. По данным анализа принимаются решения о параметрах полетного здания (высота полета, скорость движения БПЛА, параметры фотографирования, параметры перекрытия фотографий, наличие и устойчивость сотовой сети, наличие референсных базовых станций и расстояния до них), а также определяется место старта и финиша. После этого в специализированном программном обеспечении осуществляются построение маршрута и настройка остальных параметров фотографирования.

На этапе полевых работ на обследуемом участке непосредственно перед полетом раскладываются опознавательные знаки (контрастные кресты), координируемые стандартными геодезическими приборами (тахеометры, GPS оборудование). По этим знакам осуществляется контроль получаемых с мультикоптера данных, а в некоторых случаях обеспечивается его работа в определенных системах координат.

Развертывание пускового устройства и запуск БПЛА занимают не более 15 мин. Продолжительность полета зависит от модели БПЛА, но если одного заряда батареи не хватает на выполнение всего задания, аппарат сам возвращается на место старта, где проводится замена батареи, и после нового запуска продолжает фотографирование с места окончания аэрофотосъемки. Это позволяет практически безостановочно производить съемку больших площадей и не требует наличия компьютера на участке работ.

После завершения полета оператор удостоверяется в наличии данных на накопителе информации и при необходимости выгружает данные на переносной ПК для проверки метаданных о центрах фотографирования.

Далее наступает камеральный этап, в ходе которого осуществляются обработка фотографий, контроль по опознавательным знакам и дальнейшие работы по построению плотного облака точек.

Программное обеспечение для фотограмметрии интенсивно развивается. На рынке представлены как зарубежные, так и российские программные продукты. По мнению специалистов НИПИ «МарГео», лидером в российском сегменте производителей программного обеспечения является компания AgiSoft со своим программным продуктом Metashape, позволяющим максимально раскрыть возможности фотограмметрии, а также включающим в себя технологии машинного обучения для анализа и пост-обработки, что обеспечивает получение высокоточных результатов. С помощью Metashape можно обрабатывать изображения, получаемые с БПЛА, преобразовывать снимки в плотные облака точек, текстурированные полигональные модели, геопривязанные ортофотопланы и цифровые модели рельефа/местности (ЦМР/ЦММ). Постобработка позволяет удалять тени и искажения текстур с поверхности моделей, автоматически классифицировать плотные облака точек и т. д.

Одним из методов ускорения работ является возможность пакетной обработки, при которой пользователь единожды настраивает параметры и этапы обработки, вид конечного экспортируемого файла, его локализацию, и в дальнейшем программа сама производит все эти действия без участия пользователя. Например, при использовании БПЛА на одном и том же объекте достаточно загрузить исходные данные с мультикоптера в нужную папку, и программа самостоятельно произведет все необходимые действия по обработке и выгрузит отдельный файл в необходимом формате.

После построения плотного облака точек проводится их контроль относительно точек, снятых классическими методами геодезии и маркшейдерии. В случаи неувязки точек производится перестроение облака под необходимые координаты и высоты. Таким образом, имеется возможность контроля и проверки данных.

РЕЗУЛЬТАТЫ ВНЕДРЕНИЯ БЕСПИЛОТНОЙ ТЕХНОЛОГИИ

Внедрение программно-аппаратного комплекса на карьерах заказчиков позволяет упростить и значительно ускорить выполнение более 70 % задач штатного маркшейдера, в том числе:

• маркшейдерская съемка объектов недропользования;
• топографическая съемка лицензионного участка;
• контроль (мониторинг) состояния горного отвода;
• комплексный надзор (контроль) за соблюдением проектных решений;
• оперативный контроль обустройства промышленной площадки;
• оперативный подсчет объемов полезного ископаемого по степени подготовки (вскрытые, подготовленные, готовые к выемке) и складов готовой продукции;
• сопровождение работ при составлении горно-графической документации;
• подготовка материалов для определения объемов добычи и потерь за отчетный период с последующим составлением отчетности.

В качестве примера приведены результаты ежемесячной съемки карьерных складов готовой продукции. Площадь полетного задания составляет 12 га, высота полета 140 м, время выполнения полетного задания 12 мин. В результате полета мультикоптера получено плотное облако, включающее более 194 млн точек. Построенное по ним изображение направляется начальнику производства, который указывает номенклатуру конусов и вид готовой продукции, после чего определяются объемы. В итоге работа с использованием БПЛА выполнена в 100 раз быстрее, по сравнению со съемкой такого же объекта классическими методами, на проведение которой затрачивается до трех рабочих дней.

ВЫВОДЫ

Наиболее перспективной технологией для цифровизации процессов открытой разработки месторождений является получение цифровой модели карьера на основе данных, получаемых с помощью БПЛА.

Данное решение позволяет комплексно решить  задачу и минимизировать риски предприятия на этапе внедрения беспилотной технологии.

Основными плюсами данной технологии являются:

скорость за счет значительного сокращения (в 100–300 раз) времени выполнения различных геомеханических исследований и мониторинга любой видимой поверхности с помощью БПЛА по сравнению с выполнением аналогичных работ маркшейдерской службой по стандартным методикам;

точность за счет многократно (в тысячи раз) более высокой плотности точек, получения данных в труднодоступных местах, комплексного анализа данных;

экономичность за счет оптимизации маркшейдерских работ, увеличения частоты замеров, повышения уровня экономической безопасности;

простота за счет построения миссии полета БПЛА в ручном режиме, импорта файлов KML (формат, используемый для отображения, географических данных в двумерных онлайн-картах и трехмерных обозревателях Земли), возможности пакетной обработки данных.

Разработанная НИПИ «МарГео» специализированная платформа обеспечивает: контроль полноты выемки; определение объемов добычи, учет объемов вскрышных работ, подготовку данных для составления планов развития горных работ, мониторинг состояния бортов карьера и отвалов, маркшейдерское обеспечение буровзрывных работ, контроль качества взрыва, наличия негабарита, заколов, трещин и параметров развала.

Цифровая модель поверхности, создаваемая при помощи БПЛА, является эффективным инструментом управления прибыльностью горнодобывающего предприятия на всех этапах производства, включая:

– учет объемов вскрытых, подготовленных и готовых к выемке запасов;

– оперативный учет и мониторинг складов;

– анализ расхода готовой продукции на собственные нужды.

Использование аэрофотосъемки в сочетании с воздушным лазерным сканированием позволяет автоматизировать оперативный учет добычи на карьере и получать:

– точные геометрические данные о труднодоступных местах и опасных зонах;

– точные параметры зон горных выработок;

– объемы горной массы.

Получаемые данные могут использоваться всеми службами предприятия: маркшейдерской, геологической, проектной, участка буровых работ, диспетчерской.

Вернуться