معدن‌کاری نسل ۵ به‌دنبال چیست؟
تجربه گرانبهای معدن‌کاری ۴ برای آیندگان
از طرف‌دیگر کشورهای توسعه‌یافته وظیفه جابه‌جایی مرز دانش را برعهده دارند. همانگونه که تصورمی‌شود پیش از اینکه اهداف پروژه بزرگ معدن‌کاری۴ حاصل شود، معدن‌کاری۵، اهداف و ابزار آن و همچنین مسیرهای رسیدن به اهداف، مشخص‌شدند. سرگئی ژیرونکین و ناتالیا ازدینا دو‌تن از محققان روس در مقاله‌‌‌‌‌ای با عنوان «مروری بر انتقال از معدن‌کاری۴ به معدن‌کاری۵» که کم‌‌‌‌‌تر از ۱۰ روز پیش منتشر شده‌است، اهداف معدن‌کاری۵ و ابزار لازم برای رسیدن به آنها را تشریح کرده‌‌‌‌‌اند. در این گزارش به‌مرور خلاصه‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌ای از این مقاله پرداخته خواهد شد تا با مسیر انتقال از معدن‌کاری۳ به معدن‌کاری۴ و همچنین میزان پیشرفت کشورهای معدنی دراین امر آشنا شوید. در بخش اصلی نیز معدن‌کاری۵ و ملزومات آن تشریح خواهد شد.
در چکیده مقاله بیان شده‌است که: تامین پایدار انرژی و مواد خام معدنی بشر با رشد صنعت و همچنین توسعه اکولوژیکی و اقتصادی بخش مواد خام همراه است. افزایش تقاضا برای انرژی، فلزات، مواد اولیه ساختمانی و شیمیایی از یک‌سو و بدتر‌شدن محیط زندگی به‌همراه رشد استخراج مواد خام از سوی دیگر، توسعه «انسان محور» معدن را در خط‌مقدم اهداف قرار داده‌است.
این یک روند گذار از فناوری‌های معدن‌کاری۴ مانند هوش مصنوعی، داده‌های بزرگ، حسگرها و روباتهای هوشمند، بینایی ماشین و غیره، به معدن‌کاری۵ که با روباتهای مشارکتی، استخراج زیستی مواد معدنی، پست معدن و احیای مجدد مناطق معدنی شناخته می‌شود، است. این «پل» میان دو نسل معدن‌کاری با همگرایی فناوری اطلاعات، فناوری‌های شناختی و بیوشیمیایی با تکنولوژی‌های سنتی شکل گرفته‌است.
انتقال از معدن‌کاری۳ به ۴ را نمی‌توان تکمیل‌‌‌‌‌شده درنظر گرفت، با این حال باید این گذار و تجربیات کسب شده را برای حرکت به سمت نسل۵ به‌کار برد. سوابق بهره‌‌‌‌‌وری، تلفات جانی، بازارهای کامودیتی‌‌‌‌‌ها و... باید مورد تحقیق و بررسی قرار گیرند. این بررسی یک مشاهده چند‌جانبه از شرایط، فرآیندها و ویژگی‌های انتقال کنونی به ماینینگ۴ و تحول آتی در پلتفرم ماینینگ۵ ارائه می‌کند و اهداف و چشمانداز آن را برای جایگزینی انسان با روباتهای همکار و هوش‌مصنوعی برجسته می‌کند. علاوه‌بر این، در این مقاله محدودیت‌های اصلی انتقال به معدن‌کاری۵ موردبحث قرار می‌گیرد که غلبه بر آن با توسعه معدن سبز و سرمایه‌گذاری ESG (محیطزیست، اجتماعی و حکمرانی) همراه است.
در بخش معرفی مقاله به چرایی نوشتن این مقاله و اهداف آن پرداخته شده‌است: در حال‌حاضر، صنعت معدن در حال گذراندن دو مرحله از تحول تکنولوژیکی - انتقال به پلتفرم ماینینگ۴ با تشکیل پلتفرم آینده ماینینگ۵ - به‌طور همزمان است. هر کدام از این بسترها با نسل‌‌‌‌‌های همراه خود در صنایع دیگر همراه هستند، یعنی معدن‌کاری۴ را می‌توان پلتفرم صنعت۴ در بخش‌های پایه دانست؛ در واقع شکل‌‌‌‌‌گیری «هسته» دیجیتالی معدن‌کاری۴ کاربرد فناوری‌های Industry۴ در بخش معدن است، به‌همین‌دلیل فناوری‌های اخیر مانند هوش مصنوعی، اینترنت اشیا و روباتها، روند جهانی توسعه فناوری صنعت را تغییر داده‌اند.
در برخی از مواقع تقاطع روندهای توسعه دیجیتال بیان شده در صنایع پایه را شاهد بوده‌‌‌‌‌ایم. این تقاطع در سال۲۰۱۶ بستری را برای انتقال گسترده علم از صنعت۴ به معدن‌کاری۴ ایجاد کرد که در سال‌های اخیر توسط هوش‌مصنوعی تقویت شده‌است.
برخی از محققان انتظار دارند که از سال۲۰۵۰ جایگزینی معدن‌کاری۴ با ۵، نه به‌عنوان یک فرآیند خود به خود، بلکه به‌عنوان یک چرخش تدریجی از تولید انسان‌محور به روبات‌محور و افزایش بلوغ دیجیتالی استخراج مواد خام (اشباع آن با فناوری‌های دیجیتال مدرن، مانند هوش‌مصنوعی، دوقلوهای دیجیتال و...) آغاز شود. یکی دیگر از تفاوت‌‌‌‌‌های مهم بین ماینینگ۴ و ۵ اولویت مراقبت‌های بهداشتی و ایمنی کار و همچنین بازسازی مناطق معدنی است، با این حال عامل محدود‌کننده گذار به ماینینگ ۴ و بیشتر به ۵ بلوغ دیجیتالی ناکافی استخراج مواد خام است.
استخراج سبز یکی از مواردی است که به‌شدت در معدن‌کاری نسل پنجم پیگیری خواهد شد. فناوری‌های استخراج نیز به سمتی خواهند رفت که کم‌‌‌‌‌ترین ضرر را برای محیط زیست داشته باشند و کم‌‌‌‌‌ترین آسیب را به‌‌‌‌‌آن وارد کنند. همراه با این، مولفه دیگری از معدن‌کاری۵ ـ داده‌کاوی بزرگ (big data mining) (جایگزینی شهود انسانی با شهود ماشینی با کمبود اطلاعات عملیاتی) - به لطف تجزیه و تحلیل بسیار دقیق کامپیوتر‌‌‌‌‌های امروزی وجود دارد که امکان معدن‌کاری‌سبز را به فعالان این حوزه می‌دهد.
پیشرفت استخراج معدن در مسیر تکامل انقلاب صنعتی پنجم با توسعه بینایی ماشینهای خودران و فناوری‌های یادگیری ماشین همراه است، به همین دلیل ماشینهای مدرن (یا روباتهای هوشمند) و روباتهای مشترک (cobots) با هوش‌مصنوعی قدرتمند، در درجه اول در مضر‌ترین و خطرناک‌ترین بخش‌های معدن (معادن زیرزمینی و کارخانه‌های فرآوری) جایگزین خواهند شد.
علاوه بر آن انتظار می‌رود که فناوری‌های معدن‌کاری۵ فراتر از مهندسی جغرافیایی و زمین‌شناسی باشد و از طریق استفاده گسترده از قراردادهای هوشمند، نوسان‌ها در بازارهای کالا را هموار کند، یعنی تمرکز نسل بعدی معدن‌کاری صرفا روی معدن‌کاری و محیطزیست نخواهد بود و به بازار کامودیتی‌‌‌‌‌ها نیم‌‌‌‌‌نگاهی خواهد داشت.
بررسی انتقال از معدن‌کاری نسل ۳ به ۴
ما نتیجه یک تحول در حوزه معادن زیرزمینی و فناوری‌های پردازش اولیه را تا سطح Industry۴ در همه انواع بسترهای درهم‌تنیده فناوری و اجتماعی و اقتصادی بررسی می‌کنیم. انتقال بین پلتفرم‌های معدن‌کاری۳ و ۴ منعکس‌کننده تکامل فناوری است. این کار در قرن نوزدهم با استخراج زغال‌سنگ برای موتورهای بخار و تولید کک آغاز شد (معدن‌کاری۱) سپس، کار دستی در آغاز قرن بیستم توسط ماشین‌‌‌‌‌ها در فرآیندهای اولیه جایگزین شد (معدن‌کاری۲) و سپس یک تغییر به سمت اتوماسیون گسترده و مکانیزاسیون پیچیده (معدن‌کاری۳) مشاهده شد.
امروزه مرحله تعیین‌‌‌‌‌کننده معدن‌کاری۴ سیستم‌‌‌‌‌های محاسباتی و کنترل دیجیتالی است که جایگزین انسان در تعدادی از فرآیندها می‌شود که زمینه را برای انتقال آتی به معدن‌کاری۵ برای بهینه‌‌‌‌‌سازی کامل‌‌‌‌‌تر تولید، با همزیستی انسان و ماشینهای هوشمند آماده می‌کند.
انتقال پلتفرم‌های فناوری معدن «ماینینگ ۳-۴-۵» به‌صورت خطی اتفاق نمی‌افتد، بلکه به‌صورت مرحله‌‌‌‌‌ای اتفاق می‌افتد (با انباشته‌شدن پتانسیل فناوری‌های دیجیتال و همگرا) که منجر به همپوشانی و درهم‌تنیدگی فناوری‌های قدیمی و جدید می‌شود. نمونههایی از این فناوری‌های انتقالی به شرح زیر است: «استفاده از هوش‌مصنوعی برای کنترل ماشین‌‌‌‌‌ها و اپراتورهای آنها به‌منظور کنترل خستگی رانندگان کامیون کمپرسی و نظارت هوشمند ماشین‌‌‌‌‌ها برای بهینه‌‌‌‌‌سازی مصرف انرژی»، «استفاده از حسگرهای هوشمند پوشیدنی برای نظارت بر جو معدن و عملیات تجهیزات» و «استفاده از داده‌های بزرگ برای کنترل و مدیریت وضعیت تولید»، «استفاده از یادگیری ماشین برای بهبود کیفیت فرآوری سنگ معدن.»
در گذار از ماینینگ۴ به ۵، ترکیبی از فناوری‌های پست‌ماینینگ امروزه مشاهده می‌شود. این شامل مدل‌سازی سه‌بعدی احیا و استفاده از شبکه‌‌‌‌‌های عصبی برای تجزیه و تحلیل آسیب‌‌‌‌‌های زیستمحیطی، پر‌کردن اکوسیستم بازسازی شده در حوزه‌های استخراج سطحی با ارگانیسم‌‌‌‌‌های اصلاح‌شده ژنتیکی و نصب تاسیسات تجدیدپذیر باد و انرژی خورشیدی بود. علاوه‌بر این، فناوری‌های استخراج زیرزمینی و استخراج شیمیایی زغال‌سنگ، ترکیب می‌شوند.
هوش مصنوعی و شبکه‌‌‌‌‌های عصبی در معدن ۴
اساس سیستم‌‌‌‌‌های فیزیکی- سایبری مدرن، هوش‌مصنوعی و شبکه‌‌‌‌‌های عصبی است که امکان بهره‌‌‌‌‌وری در مصرف انرژی و عملکرد کلی را فراهم می‌کند. به‌عنوان مثال، یک شبکه عصبی مصنوعی که برای شبیهسازی رویداد گسسته استفاده می‌شود، می‌‌‌‌‌تواند تمام فرآیندهای استخراج و غنی‌‌‌‌‌سازی طلا را با پردازش مقادیر زیادی از اطلاعات با استفاده از گروهی از حسگرها که خود را بهویژه در ذخایر تخلیه شده به‌خوبی ثابت کرده‌‌‌‌‌اند، در خود جای دهد. علاوه‌بر این، شبکه‌‌‌‌‌های عصبی کارآیی خود را در پیشرفت تعمیر و نگهداری تجهیزات استخراج و همچنین برای تصمیم‌گیری‌های پیچیده در حوزه محیطزیست ثابت کردند.
واقعیت‌مجازی در ماینینگ۴
سیستم‌‌‌‌‌های فیزیکی- سایبری (هسته صنعتی ماینینگ۴) از دو ستون تشکیل شده‌اند: هوش‌مصنوعی و واقعیت‌مجازی. چنین سیستم‌‌‌‌‌هایی در حال‌حاضر محدودیت‌های کارآیی آموزش را برای صنعت معدن، گسترش می‌دهند. سیستم‌‌‌‌‌های ساده‌‌‌‌‌تر به واقعیت‌مجازی اجازه می‌دهند که فرآیندهای کار معدن را با مشارکت انسان تجسم کند. استفاده از شبیهسازی بازی‌های‌مجازی در شرایط اضطراری آموزشی خود را بهویژه در هنگام استفاده از روباتهای کنترل شده توسط هوش‌مصنوعی مثبت نشان داده‌است. این روباتها نقش شریکانی را بازی می‌کنند که مقررات ایمنی یا امدادگران یا تجهیزات معیوب را نقض می‌کنند.
اینترنت اشیا در معدن ۴
اینترنت اشیا یک فناوری کلیدی برای سیستم‌‌‌‌‌های فیزیکی سایبری است، بنابراین اهمیت آن برای معدن‌کاری۴ را نمی‌توان دست‌کم گرفت. چنین سیستم‌‌‌‌‌هایی دستاوردهای مختلف Industry۴ - حسگرهای هوشمند، اینترنت اشیا و یادگیری ماشینی - را برای جایگزینی انسان با روباتها در شرایط دشوار مدیریت می‌کنند. سیستم‌‌‌‌‌های فیزیکی سایبری بر اساس شناخت خود از محیط (شامل آلودگی گاز، گرد و غبار و تشعشع) در حوزه‌های معدن‌کاری، زمین‌شناسی و تولید عمل می‌کنند. اینترنت اشیا در معدن‌کاری نه‌تنها ایمنی افراد را بالاتر برده، بلکه باعث کاهش چشمگیر مصرف انرژی در معدن‌کاری شده‌است. جالب اینجاست که با پیشرفت این فناوری مزایای استفاده از آن در معادن نیز در حال افزایش است. به‌اصطلاح «معدن دیجیتال» یک اصل از معدن‌کاری۴ است که شامل دیجیتالی‌کردن تمام پیوندهای زنجیره استخراج مواد معدنی و پردازش اولیه است.
سنسورهای هوشمند در معدن‌کاری۴
تجزیه و تحلیل گذار به معدن‌کاری۴ بدون درنظر گرفتن نمونههایی از پیاده‌سازی حسگر هوشمند در حوزه‌های تشخیص دقیق و بموقع و یافتن راه‌حل‌‌‌‌‌های مهندسی غیرممکن است. نمونه‌‌‌‌‌های موفق استفاده از حسگرهای هوشمند در استخراج به شرح زیر است:
تسمه۴: سیستم کنترل وضعیت نوار نقاله و بارگذاری معدن زیرزمینی و سطحی مبتنی بر هوش مصنوعی که امکان حذف توقف‌‌‌‌‌های ناگهانی ناشی از خرابی را به‌طور کامل فراهم می‌کند.
سیستم تجسم جریان هوا که به تجهیزات تهویه معدن متصل می‌شود تا دقت مدل‌سازی را به‌شدت افزایش دهد.
سیستم‌‌‌‌‌های LiDAR (تشخیص محدوده شناسایی نور) که با GPS (سیستم موقعیت‌یابی جهانی) در هنگام ایجاد یک ابر سه‌بعدی برای پیش‌بینی حرکات ناگهانی توده سنگ ایجاده شده‌است.
پیش‌بینی فرونشست زمین در محدوده‌‌‌‌‌هایی با غلظت بالای معدن زیرزمینی با استفاده از رادار دیافراگم مصنوعی.
چشمانداز انتقال از ماینینگ۴ به ۵
انتقال به ماینینگ ۵ با گسترش پلتفرم Industry ۵ همراه است که در آن فناوری‌های دیجیتال در صنعت معدن جایگاهی را به فناوری‌های همگرا و همچنین تولید انسان محور می‌دهد. مشخصه دوم، اولویت حفاظت از سلامت و احیای اکوسیستم‌‌‌‌‌های طبیعی آشفته است. امروزه، به‌تدریج این درک در حال ظهور است که انتقال از معدن۴ به ۵ باید به‌عنوان توسعه همزمان ژئوتکنولوژی و فناوری‌های همگرا - نانو بیوشیمیایی و اطلاعاتی- شناختی انجام شود. برای درک ارزش‌های جهانی استخراج معادن با محوریت انسان و دوستدار محیطزیست، استراتژی‌های ملی برای گذار به صنعت ۵، مانند «ساخت چین ۲۰۲۵» و «جامعه ژاپنی ۵» ایجاد شد.
Industry ۵ و Society ۵ به‌عنوان بسترهای انتقال به معدن‌کاری۵
به‌طور کلی، توسعه فناوری تولید مواد به صنعت ۵ با یک جامعه انسان‌محور از اهداف معدن‌کاری۵ است و منعکس‌کننده رشد نیازهای اجتماعی به مواد معدنی است که توسط فناوری‌های دیجیتال تنظیم و تولید می‌شود.
معدن‌کاری سبز به‌عنوان ویژگی خاص ماینینگ ۵
بازیافت منابع طبیعی و معدنی به‌عنوان جزئی از معدن‌کاری۵است. تغییر در استفاده از منابع اکوسیستم‌‌‌‌‌های طبیعی مختل شده در حین استخراج به رونق محدوده‌‌‌‌‌های دارای منابع منجر خواهد شد. این از یک‌سو با مفهوم صنعت انسان‌محور ۵ مطابقت دارد. از سوی دیگر باید مبتنی بر فناوری‌های پیشرو خود باشد که معدن‌کاری۵را تشکیل می‌دهد (شبکه‌‌‌‌‌های عصبی پیشرفته، محاسبات ابری برای تجزیه و تحلیل مقادیر زیادی از داده‌ها برای نظارت جامع محیطی و تولید اقتصادی).
فناوری‌های دیجیتال پیشرفته مانند شبکه‌‌‌‌‌های عصبی نقش مهمی در توسعه معدن‌کاری و همچنین در پیش‌بینی خرابی تجهیزات استخراج دارند. به‌طور خاص، شبکه عصبی «کانولوشن سبک وزن» اخیرا به‌طور فعال درحال‌توسعه بوده و کارآیی خود را به‌عنوان یک ابزار دیجیتالی برای پیش‌بینی آسیب‌‌‌‌‌های وارده به تجهیزات معدن (مانند تسمه نقاله) ثابت کرده‌است.
چنین پیوندهای عصبی دارای پردازش سریع تعداد زیادی از تصاویر هستند (پیوندهای Yolov۴ و MobileNet پیوسته - بیش از ۷۰فریم در ثانیه با دقت بیش از ۹۰درصد.) همچنین استفاده از یک شبکه عصبی کانولوشن برای جلوگیری از خرابی دکل دقت ۷/ ۸۸درصد را ارائه می‌دهد.
استخراج بیوشیمیایی
کاهش تاثیرات انسانی بر محیطزیست در سیستم Mining ۵ توسط بسیاری از محققان گوشزد شده‌است؛ با گسترش استخراج بیولوژیکی مواد معدنی از زیر خاک امکان‌پذیر است که با اتکا به سرمایه‌گذاری ESG در تحول بلندمدت بخش استخراج میسر می‌شود.
سرمایه‌گذاری ESG به‌عنوان یک ابزار مالی اصلی برای معدن‌کاری۵
به‌طور کلی، انتظار می‌رود که سرمایه‌گذاری ESG (محیطزیست، اجتماعی و حکمرانی) که مشخصه معدن‌کاری۴ بود، به معدن ۵ به‌عنوان شکل اصلی سرمایه‌گذاری سبز درنظر گرفته شود. علاوه‌بر این، فناوری‌های اصلی ماینینگ۴ که برای گسترش آن به‌شدت موردنیاز است - اینترنت اشیا صنعتی، روباتهای مستقل مجهز به یادگیری ماشینی، تجهیزات بدون‌سرنشین و غیره - به‌طور فزاینده‌ای با الزامات ماینینگ ۵ (بازیافت منابع غیرقابل تجدید، استخراج کامل، استفاده دقیق از سوخت‌های فسیلی، جایگزینی انسان با روباتهای مشارکتی و احیای کامل تنوع‌زیستی) مرتبط هستند.
نتیجه‌گیری و چشمانداز
این بررسی گروهی از تحقیقات در زمینه توسعه فناوری‌های معدن را تا سطح Industry ۴ و ۵ (به ترتیب معدن‌کاری۴ و ۵) موردبررسی قرار داد.
مشخص شد که پلتفرم‌های فناوری آنها (معدن‌کاری۴ و ۵) فناوری‌های دیجیتال سراسری را که در حال تغییر در بخش معدن و انرژی هستند و فرصت‌های بی‌‌‌‌‌سابقه‌‌‌‌‌ای برای افزایش بهره‌‌‌‌‌وری و ایمنی نیروی کار، کاهش آسیب‌‌‌‌‌های زیستمحیطی در محدوده‌‌‌‌‌های معدنی و مدیریت انعطاف‌پذیر بنگاه‌ها، بسته به وضعیت بازارهای کالا، ادغام می‌کنند.
فرآیند انتقال از معدن‌کاری۳ به ۴ توسط فرآیندهایی مانند دیجیتالی‌شدن و معرفی سیستم‌‌‌‌‌های فیزیکی سایبری به تکنولوژی سنتی (سطحی و زیرزمینی) و همچنین مدیریت شرکت‌های معدنی انجام‌شده‌است. پیش‌‌‌‌‌نیاز چنین انتقالی، تثبیت استخراج معادن در شرایط نوسان‌های بازار کامودیتی‌‌‌‌‌ها و گسترش انرژی‌‌‌‌‌های تجدیدپذیر است.
امروزه می‌توان فناوری‌های انتقالی مانند اپراتورها و مهندسان با هوش مصنوعی، سنسورهای هوشمند پوشیدنی قابل‌حمل و یادگیری ماشین را مشاهده کرد.
فناوری‌های انتقالی «معدن آینده» امروز در حال اجرا هستند و شامل استفاده از شبکه‌‌‌‌‌های عصبی برای ارزیابی قابلیت‌‌‌‌‌های آن، استخراج بیوشیمیایی از ذخایر سنگ معدنی نامرغوب و تبدیل به گاز زغال‌سنگ زیرزمینی می‌شود.
