Как беспилотные технологии сокращают время и трудозатраты на горнодобывающих предприятиях

С.А. Завёрткин — директор по развитию компании Skymec (ООО «Небесная механика»).

На сегодняшний день основным трендом развития горнорудной промышленности становится ее цифровая трансформация. Это связано с внедрением цифровых технологий в различные бизнес-процессы предприятий отрасли. Всё больше и больше предприятий вовлекаются в этот процесс, осваивают инструменты и подходы «Индустрии 4.0», уходят от ручного труда, создают «цифровые двойники» производств. Наибольшим конкурентным преимуществом будет обладать то предприятие, которое способно сформировать благоприятную среду для изменений и обеспечить поддержку инициатив в области цифровой трансформации.

Одно из направлений цифровой трансформации в горнодобывающей промышленности является применение беспилотных авиационных систем. Данные технологии помогают ускорить построение цифровых моделей рельефа и создать максимально точный цифровой двойник карьера, который нужен для учёта объема горных выработок или добычи. Также они помогут осуществить мониторинг динамики выработок на открытых горных работах и обеспечить контроль за соблюдением пространственных характеристик разреза, которые предусматриваются проектом развития горных пород.

Две типовые задачи, возникающие при выполнении этих работ.
1. Проведение аэрофотосъемки с помощью беспилотного воздушного судна (БВС).
2. Фотограмметрическая обработка фотоснимков открытых горных работ.

Для решения этих задач одним из самых эффективных решений является применение специализированного дрона DJI Phantom 4RTK, который был спроектирован для геодезического применения и картографии, а также имеет программное обеспечение для производства фотограмметрических работ Pix4D mapper, разработанное швейцарской компанией Pix4D.

По мнению автора, с использованием дрона эффективность выполнения этих задач гораздо выше. Сравним процесс при традиционном способе работ и при использовании беспилотников.

Традиционная технология — маркшейдер со спутниковым ГНСС-приёмником или тахеометром должен пройти практически по всему карьеру и получить координаты характерных точек рельефа.

Недостатки получения данных с помощью традиционной технологии:

• достаточно трудоемкий процесс, который занимает много времени; 
• к некоторым участкам карьера доступ невозможен, так как на них ведутся работы; 
• метод не безопасен из-за наличия крутых склонов. 

Точность таких координат, конечно же, высока, но сам способ получения этих точек не позволяет обеспечить высокую детализацию поверхности. Цифровая модель получается точной, но сильно упрощенной, происходит большая аппроксимация.

Инновационная технология предполагает снижение роли человека, основной акцент делается на аэрофотосъемку с помощью беспилотного летательного аппарата. Далее следуют компьютерная обработка полученных фотограмметрических данных, экспорт результатов в CAD/GIS системы и анализ этих данных.

Для того чтобы такие изменения в способе проведения маркшейдерских замеров были действительно эффективны, нужно обеспечить высокую точность геопривязки 3D-модели, получаемую с помощью аэрофотосъемки и компьютерной обработки. Такими свойствами обладает связка из БПЛА DJI Phantom 4 RTK и приложением Pix4D mapper.

Разработана инновационная технология, которая позволяет получать не только координаты самого дрона с сантиметровой точностью, но также в реальном времени пересчитывать пространственное смещение (оффсет) между центром матрицы камеры и фазовым центром антенны ГНСС-приёмника. Это позволяет использовать при обработке точные координаты центра фотографирования и параметры внешнего ориентирования камеры, что и является определяющим условием для точной геопривязки, создаваемой 3D-модели. Также немаловажной является возможность летать с учётом рельефа местности для того, чтобы не терять в точности при больших перепадах высот на объекте, что часто бывает на открытых горных работах.

Этапы проведения работ

1 этап. Постановка задачи для аэрофотосъемки и создание KMLфайла, описывающего глобальное плановое положение объекта. Поставить задачу можно в программе Google Earth. Для этого необходимо определить место для съемки, построить многоугольник и сохранить его в виде KML-файла.

2 этап — импорт маршрута и карты высот
KML-файл и карту высот необходимо загрузить в приложение DJI Ground Station RTK (входит в состав наземной системы управления). В этом приложении задаются основные параметры полета: высота, скорость БПЛА и коэффициент перекрытия фотоснимков. Высота влияет на точность модели и детализацию ортофотоснимка. Все остальные параметры программа выполняет сама, вычисляет траекторию полета и дает прогноз по времени выполнения миссии.

Подготовка маршрута: импорт и редактирование параметров миссии операции можно выполнить в офисе заранее.

3 этап — подготовка оборудования
В районе производства работ нужно установить базовую ГНСС-станцию D-RTK 2 на точку с известными координатами. Для передачи дифференциальных поправок и обеспечения точного позиционирования дрона необходимо указать эти настройки в самой базовой станции или подключиться к стационарной базовой станции RTK. Она установлена на объекте, если это позволяет покрытие мобильными сетями. Этот вариант наиболее предпочтителен, потому что он снижает риск ошибки при вводе координат и экономит время.

4 этап — аэрофотосъемка
Процесс полностью автоматический. Оператор БПЛА следит только за состоянием полета, уровнем заряда аккумуляторов и за тем, чтобы не терялась связь дрона с пультом. Также контролирует качество определения квадрокоптером своего пространственного положения и периодически меняет аккумуляторы.

При снижении заряда аккумулятора до определенного уровня дрон самостоятельно ставит выполнение миссии на паузу и возвращается на точку взлета. После замены аккумулятора квадрокоптер автоматически начинает съемку с той точки, где остановился. Затем, по завершении аэрофотосъемки, производится обработка результатов вылета. В результате мы получаем геопривязанную модель в глобальных координатах или сразу в местной системе координат, если известны параметры преобразования. Точность построения модели контролируется путём сравнения координат контрольных точек, измеренных инструментально ГНСС-приёмником или тахеометром, и координат этих же точек, вычисленных по полученной модели (табл. 1).

Контрольные точки	X измеренная	Y измеренная	Z измеренная	X вычисленная	Y вычисленная	Z вычисленная	ΔX, мм	ΔY, мм	ΔZ, мм	ΔXY, мм
c1	80212,127	68743,955	545,875	80212,195	68743,945	545,809	68	10	66	69
c2	80247,378	68987,754	543,446	80247,473	68987,815	543,341	95	61	105	113
c3	80186,371	69292,456	479,748	80186,296	69292,499	479,728	25	43	20	50
c4	80627,719	69616,090	356,542	80627,748	69616,077	356,476	29	13	66	32
c5	80067,905	69656,780	402,330	80067,952	69656,788	402,279	47	8	51	48
Среднее	-	-	-	-	-	-	49	31	60	61

Табл. 1. Проверка точности построения модели по контрольным точкам (в локальной системе координат)

Разница в определении точек координат инструментальным способом и вычисленным по модели. Видим, что точность у нас не превышает величины 6 см в плане и 6 см — по высоте.

Площадь этого отснятого участка составила почти 2 км2. Время на съемку с установкой базовой станции — около 1,5 часов. Компьютерная обработка — около 1 часа.

Итого: за 2,5–3 часа имеем точную детализированную модель участка, цифровую модель рельефа участка горных работ площадью около 2 км².

Чтобы проверить точность построения модели по контрольным точкам (в локальной системе координат), с разницей в три недели была выполнена съемка одного и того же участка открытых горных работ.

Здесь применялся другой принцип — находились характерные точки и сравнивались координаты этих точек по двум съемкам, произведенным с разницей в 3 недели.

Снимался один и тот же участок горных работ и сравнивались координаты этих точек на одной и другой модели. В табл. 2 приведена разница. Она составляет не более 3–4 см как в плане, так и по высоте.

Контрольные точки	Координаты точек 08.09.2020			Координаты точек 29.09.2021			ΔX, мм	ΔY, мм	ΔZ, мм	ΔXY, мм
	X	Y	H	X	Y	H
ct1	495734,359	6007488,401	176,651	495734,434	6007488,436	176,672	75	35	21	83
ct2	495512,726	6006775,801	190,577	495512,718	6006775,815	190,625	8	14	48	16
ct3	495525,264	6006772,530	187,857	495525,253	6006772,539	187,876	11	9	19	14
Среднее	-	-	-	-	-	-	31	19	29	38

Табл. 2. Проверка точности совпадения моделей по характерным точкам (в системе координат UTM)

Такая точность геопривязки позволяет точно рассчитать объем выработок. Для этого в программе Pix4D mapper был вычислен объем работ относительно условного горизонта по данным на 8 и 29 число месяца. Разница между двумя этими объёмами составила объем вывезенной породы за этот период. Эти данные точно совпали с расчётами маркшейдера, выполненными по традиционной технологии.

Преимущества:

• малое время на создание точной детализированной модели участка, цифровой модели рельефа участка горных работ любой площади; 
• высокая точность модели, доступность к тем зонам, к которым невозможно пройти; 
• безопасность работ. 

Точность построения модели с помощью этого программного комплекса (DJI Phantom 4 RTK + Pix4D mapper) очень высока. Соответственно, применение беспилотных решений в горнорудной промышленности — это залог эффективности и оптимизации анализа и моделирования участков горных работ.

Опубликовано в журнале «Золото и технологии», № 2 (52)/июнь 2021 г.