Theo một bài báo gần đây được đăng trên tạp chí Công nghệ, các nhà nghiên cứu đã phát triển các kỹ thuật mới nhằm tăng cường sự an toàn và bền vững của quản lý chất thải mỏ. Dự án tập trung vào việc sử dụng các công nghệ tiên tiến, chẳng hạn như máy bay không người lái và cảm biến mặt đất, để giám sát các khu vực mỏ hiệu quả hơn. Đồng thời, điểm mới của dự án là tìm cách áp dụng các công nghệ đo điện từ vào khai thác mỏ.

Đột phá trong quản lý chất thải mỏ hứa hẹn khai thác xanh hơn, an toàn hơn. Ảnh: ArtbyPixel / Shutterstock.com

Bối cảnh

Quản lý chất thải mỏ hiệu quả là một trong những thách thức môi trường quan trọng nhất đối với ngành khai thác mỏ hiện nay. Khi nhu cầu toàn cầu về khoáng sản như niken, đồng và coban tăng lên do nhu cầu sử dụng chúng trong các công nghệ năng lượng tái tạo ngày càng lớn, khối lượng chất thải mỏ dự báo sẽ tăng theo đáng kể.

Các kỹ thuật giám sát hiện nay, chẳng hạn như khoan, rất tốn kém và thường cung cấp dữ liệu không đáng tin cậy, gây khó khăn cho việc quản lý chất thải hiệu quả cũng như đảm bảo an toàn cho hoạt động khai thác. Với ưu điểm cung cấp giám sát chính xác và hiệu quả hơn về chi phí, các kỹ thuật tiên tiến đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện an toàn mỏ, bảo vệ môi trường và phục hồi đất.

Nhu cầu về những tiến bộ này ngày càng cấp bách khi nhu cầu toàn cầu về khoáng sản quan trọng tiếp tục tăng, thúc đẩy các hoạt động khai thác quy mô rộng hơn và do đó, chất thải mỏ nhiều hơn. Tích hợp dữ liệu địa hóa từ chất thải mỏ với các phép đo điện từ mang lại tiềm năng giám sát thời gian thực, chính xác hơn về điều kiện đất, nước và đá tại các khu mỏ.

Nghiên cứu hiện tại

Bài viết trên tạp chí Công nghệ đề cập đến các khía cạnh lý thuyết cốt lõi của cảm biến 3D, xử lý đám mây điểm, hình ảnh toàn cảnh từ trên cao (Bird's Eye View) và phiên bản mới nhất trong loạt thuật toán phát hiện đối tượng theo thời gian thực YOLO - thuật toán YOLO v8. Các công nghệ như LiDAR - công nghệ cảm biến từ xa sử dụng tia laser để đo khoảng cách và xây dựng bản đồ 3D trên vật thể, 3D Time-of-Flight (ToF) - công nghệ đo khoảng cách bằng cách sử dụng ánh sáng, và máy ảnh âm thanh nổi thường được sử dụng cho nhận thức 3D, vì chúng thu thập dữ liệu có độ phân giải cao một cách hiệu quả trong môi trường phức tạp.

Các đám mây điểm đại diện cho dữ liệu không gian 3D dưới dạng tập hợp các điểm, mỗi điểm có tọa độ (X, Y, Z) và các thuộc tính như ID màu hoặc phân đoạn. Những đám mây điểm vô định hình này gây khó khăn trong quá trình xử lý, nhưng các kỹ thuật phổ biến như lấy mẫu xuống, đăng ký và Đồng thuận mẫu ngẫu nhiên (RANSAC) được sử dụng để giải quyết các vấn đề này.

Đăng ký đám mây điểm giữ vai trò rất quan trọng để tái tạo các đối tượng 3D từ các góc nhìn khác nhau. Thuật toán Iterative Nearest Point (ICP) thường được sử dụng để căn chỉnh. RANSAC, một thuật toán ước lượng mô hình mạnh mẽ, xác định và sử dụng các điểm dữ liệu nằm trong phân bố chung của các giá trị quan sát được đồng thời bỏ qua các điểm dữ liệu khác biệt, đảm bảo kết quả đáng tin cậy ngay cả khi dữ liệu bị nhiễu.

Hệ thống định vị trung tâm đá được thiết kế theo ba giai đoạn: lắp ráp, thu thập dữ liệu và xử lý dữ liệu. Các cảm biến được định vị chiến lược để thu thập dữ liệu tối đa từ đá mục tiêu và máy ảnh Basler Blaze-101 3D ToF được sử dụng do có độ chính xác và độ bền trong môi trường trong nhà và ngoài trời.

Máy ảnh cung cấp hình ảnh chất lượng cao lý tưởng cho các ứng dụng khai thác. Mặc dù LiDAR được sử dụng rộng rãi trong cảm biến 3D, độ phân giải và mật độ điểm thấp hơn khiến nó ít phù hợp hơn để phát hiện đá chi tiết, đặc biệt là trong môi trường đá chồng chéo hoặc xếp chồng lên nhau. Ngược lại, máy ảnh Basler Blaze-101 cung cấp bản đồ độ sâu, độ phân giải và dữ liệu kết cấu vượt trội. Hệ thống này kết hợp các tính năng mạnh mẽ như xử lý thời gian thực và camera dự phòng nhằm ngăn ngừa trường hợp mất dữ liệu, đảm bảo hoạt động đáng tin cậy.

Kết quả và thảo luận

Hệ thống định vị trọng tâm đá đạt được kết quả tuyệt vời, với hiệu suất mạnh mẽ trong nhiều tình huống khai thác mỏ đầy thách thức. Sử dụng thuật toán YOLO v8x-Seg, phân đoạn của hệ thống đã chứng tỏ độ chính xác cao, đạt được chỉ số IoU (diện tích giao/ diện tích hợp) trên 93% trong các môi trường chồng chéo và không chồng chéo. Phân tích độ nhạy cho thấy khả năng phục hồi của hệ thống đối với các nhiễu loạn hình ảnh như thay đổi độ sáng và độ tương phản, mặc dù hiệu suất giảm nhẹ khi quay. Kết quả định vị trọng tâm đá cho thấy độ chính xác cao, đặc biệt là trong mặt phẳng XY, với sai số tối thiểu và độ chính xác nhất quán trong các tình huống khác nhau. Mặc dù trục Z cho thấy biên độ lỗi cao hơn (lên đến 22%), nhưng nó không ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất tổng thể. 

Phân tích đồ họa về phân đoạn và định vị trọng tâm đá xác nhận hiệu quả của hệ thống, ngay cả trong các điều kiện đầy thách thức như ánh sáng chồng chéo và thay đổi. Khả năng thời gian thực của hệ thống, với thời gian thu thập và xử lý dữ liệu nhanh chóng, làm cho nó phù hợp với các ứng dụng khai thác thực tế.

Nghiên cứu đã xác định những cải tiến tiềm năng, chẳng hạn như phản ứng tổng hợp cảm biến với máy ảnh nhiệt, để giải quyết sự suy giảm hiệu suất do các hạt lơ lửng gây ra. Nhìn chung, hệ thống thể hiện khả năng thích ứng cao với các cảm biến và môi trường khác nhau, trong đó, nhấn mạnh tiềm năng đối với các hoạt động phá đá tự hành trong khai thác mỏ.

Kết luận

Tóm lại, đây là một hệ thống định vị trọng tâm đá hiệu quả được thiết kế cho các ứng dụng robot khai thác mỏ, đặc biệt là búa phá đá. Nó duy trì hiệu suất ổn định trong các điều kiện ánh sáng khác nhau và với các hạt lơ lửng, là những yếu tố quan trọng trong khai thác mỏ.

Phân tích độ nhạy xác nhận tính năng mạnh mẽ của hệ thống này, mặc dù còn vài lỗ hổng đối với nhiễu loạn quay. Tuy nhiên, tốc độ xử lý nhanh chóng của hệ thống chỉ trong khoảng 5 giây làm cho nó phù hợp với các ứng dụng thời gian thực.

Những cải tiến trong tương lai sẽ tập trung vào việc tinh chỉnh các kỹ thuật tiền xử lý, tăng cường khả năng thích ứng độ phân giải đầu vào và khám phá các phương pháp hợp nhất hình ảnh để xử lý các môi trường đa dạng hiệu quả hơn. Tích hợp các công nghệ mới, chẳng hạn như kỹ thuật siêu phân giải và hợp nhất dữ liệu đa phương thức, sẽ nâng cao khả năng thích ứng và hiệu suất của hệ thống, từ đó, góp phần giúp các công ty khai thác mỏ giảm tác động môi trường, chủ động phòng ngừa ô nhiễm và cải tiến liên tục hệ thống quản lý môi trường của mình./.