Integrated perception, decision, and control for tricone blasthole drilling: System development and field validation
تقدم هذه الورقة نظام تحكم ذكي يدمج بين الإدراك التكويني، واتخاذ القرار، والتحكم في عمليات الحفر ثلاثي المخاريط، مما أظهر من خلال التجارب الميدانية زيادة بنسبة 33.6% في معدل الاختراق، وانخفاضًا بنسبة 45.3% في استهلاك الطاقة، وكشفًا فعالًا للحالات غير الطبيعية.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
في أعماق المناجم المفتوحة التي تغذي طاقة العالم، تقوم آلة ضخمة تُعرف باسم منصة الحفر الدوار (rotary drill rig) بحفر ثقوب في الأرض. هذه الثقوب، التي تُسمى "ثقوب التفجير" (blastholes)، هي نقطة البداية لتفجير الصخور لاستخراج الفحم أو المعادن. وتحدد جودة هذه الثقوب مدى كفاءة تفتت الصخور لاحقاً، مما يؤثر بشكل مباشر على سلامة وإنتاجية المنجم بأكمده. لعقود من الزمن، اعتمد نجاح هذه العملية بشكل كبير على مهارة وحدس المشغل البشري الجالس في مقصورة القيادة. فبينما تتحرك لقمة المثقاب من التربة الناعمة إلى الصخر الصلب، أو تصطدم بصدع خفي، يجب على المشغل أن يخمن باستمرار كيفية ضبط سرعة الآلة وضغطها. وإذا كان التخمين خاطئاً، فقد يتوقف المثقاب، أو تنكسر اللقمة، أو يتم حفر الثقب ببطء شديد، مما يهدر الوقت والطاقة. كان التحدي دائماً يكمن في أن الصخور تحت الأرض غير متوقعة، واستجابة الآلة لها معقدة، مما يجعل من الصعب أتمتتها دون نظام يمكنه حقاً "الشعور" بالأرض والاستجابة الفورية لها.
لقد طور فريق من الباحثين من معهد CCTEG Xi'an للبحوث وجامعة الصين للتعدين طريقة جديدة لحل هذه المشكلة. فقد ابتكروا نظام تحكم ذكي يعمل بمثابة عقل موحد لمنصة الحفر، حيث يربط بين ثلاث وظائف حيوية: استشعار الصخور، واتخاذ القرار، والتحكم في حركات الآلة. وخلافاً للأنظمة القديمة التي كانت تعامل هذه المهام بشكل منفصل، يربط هذا النهج الجديد بينها في حلقة مستمرة. يراقب النظام باستمرار إشارات متعددة من المثقاب، مثل سرعة دوران اللقمة، ومقدار القوة التي تضغط لأسفل، وكمية الطاقة التي تستهلكها المحركات. ويستخدم هذا النظام البيانات لتحديد نوع الصخر الذي يحفره حالياً وتقدير مدى سهولة أو صعوبة تفتيت هذا الصخر. وبناءً على هذا الفهم، يختار النظام تلقائياً أفضل إعدادات السرعة والضغط، ثم يأمر الآلة باتباع هذه الإعدادات بدقة، حتى مع تغير ظروف الأرض تحت اللقمة.
ولاختبار هذا النظام، ذهب الباحثون به إلى منجم فحم مفتوح حقيقي واختبروه بكل قوة على منصة حفر من طراز ZY250E. لم يكتفوا بتشغيل الآلة في محاكاة حاسوبية، بل قاموا بحفر 322 ثقب تفجير فعلي، غطت مسافة إجمالية تزيد عن 5,400 متر. كانت البيئة قاسية، حيث انخفضت درجات الحرارة إلى 25 درجة تحت الصفر مع رياح قوية، مما شكل اختباراً صارماً لهذه التكنولوجيا. وأظهرت النتائج أن النظام يمكنه تحديد نوع الصخر بدقة تزيد عن 85 بالمائة. والأهم من ذلك، أنه استطاع اكتشاف اقتراب المثقاب من التعثر — وهو وضع خطير يُعرف باسم "تعثر المثقاب" (drill sticking) — من خلال ملاحظة تغيرات طفيفة في سلوك الآلة قبل أن تصبح المشكلة حرجة. وعندما استشعر النظام حدوث حالة تعثر، استجاب في غضون ثانيتين تقريباً، حيث أصدر إنذاراً وأوقف الحفر لمنع وقوع أضرار.
كان التأثير على الكفاءة كبيراً. ففي عمليات المحاكاة التي شملت الصخور الصلبة، أدت الإعدادات الموصى بها من النظام إلى زيادة سرعة تقدم الحفر بنسبة 33.6 بالمائة مقارنة بالتشغيل اليدوي من قبل مشغل بشري. وفي الوقت نفسه، انخفضت الطاقة المستخدمة لحفر كل متر واحد بنسبة 45.3 بالمائة. وفي الاختبارات الميدانية، وصل متوسط سرعة الحفر إلى 35 متراً في الساعة، وهو أعلى من هدف التصميم القياسي للمنصة. وبالنسبة لثقب نموذجي بعمق 18 متراً، أنهت الآلة المهمة في وقت أقل بنحو 13 دقيقة مما كان عليه الحال سابقاً، مما يمثل مكسباً في الكفاءة يتجاوز 30 بالمائة. كما كانت الثقوب التي حفرها النظام دقيقة، حيث ظل قطرها ضمن نطاق 3 مليمترات من الهدف، وتفاوت العمق بنسبة أقل من 1 بالمائة.
كما أظهر الباحثون أن النظام يمكنه التعامل مع الظروف غير المتوقعة. فعندما واجه المثقاب تغيراً مفاجئاً في الصخر، قام النظام بتعديل توصياته فوراً. فإذا أصبح الصخر أكثر صلابة، أبطأ الجهاز دورانه وزاد الضغط لأسفل للحفاظ على الاستقرار. وإذا أصبح الصخر أكثر ليونة، زاد سرعته لتحقيق أقصى قدر من التقدم. حدث هذا التنسيق تلقائياً، دون الحاجة لتدخل المشغل. كما حافظ النظام أيضاً على مراقبة سلامة منفصلة تعمل بشكل مستقل عن ضوابط الحفر العادية. حيث راقب فرع السلامة هذا الآلة بحثاً عن علامات الخطر، مثل الانخفاض المفاجئ في السرعة أو الارتفاع الحاد في عزم دوران المحرك، وهي تحذيرات مبكرة لتعثر المثقاب. وعند ظهور هذه العلامات، تدخل النظام فوراً، مما أثبت قدرته على حماية المعدات والمشغل من الأذى في الظروف الواقعية.
وعلى الرغم من أن الدراسة كانت محدودة بنوع واحد من منصات الحفر ومنجم واحد، إلا أن النتائج تشير إلى أن دمج الإدراك واتخاذ القرار والتحكم في نظام واحد هو مسار قابل للتطبيق نحو أتمتة التعدين. لقد أثبت النظام أنه من الممكن الانتقال لما وراء الأتمتة البسيطة، حيث تتبع الآلة مجرد مجموعة ثابتة من القواعد، إلى نهج أكثر ذكاءً حيث تفهم الآلة بيئتها وتتكيف معها. ومن خلال الجمع بين القدرة على تحديد أنواع الصخور، واختيار الإعدادات الصحيحة، والاستجابة للخطر، أظهر الباحثون أنه يمكن جعل عملية الحفر أسرع وأكثر أماناً وكفاءة. ويؤكد هذا العمل أنه مع التكنولوجيا المناسبة، يمكن إدارة عدم اليقين في عالم ما تحت الأرض بمستوى من الدقة لا يمكن للمشغلين البشر وحدهم تحقيقه باستمرار.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.