استخدام الاستخدام الأمثل المتعدد الجوانب للتقليل إلى أدنى حد من الأثر البيئي لعمليات التعدين

إن عمليات التعدين ضرورية لاستخراج المعادن والموارد القيمة التي تدعم الحياة الحديثة، بدءا من النحاس في الأسلاك الكهربائية إلى الليثيوم في البطاريات، ومع ذلك، يمكن لهذه الأنشطة أن تلحق ضررا كبيرا بالبيئة، بما في ذلك تدمير الموئل، وتلوث المياه، وتدهور التربة، وتدهور نوعية الهواء، مما يؤدي إلى زيادة الطلب على المواد الخام مع الحاجة الملحة إلى الإدارة البيئية، ويتجه الباحثون والمهنيون في مجال الصناعة بشكل متزايد إلى تحقيق أهداف متطورة في مجال صنع القرار.

ما هو التفعيل الأمثل المتعدد الجوانب؟

فالاستخراج المتعدد الأغراض هو فرع من فروع الاستخدام الأمثل لالرياضيات يعالج المشاكل التي تنطوي على هدفين أو أكثر من الأهداف المتضاربة في آن واحد، وخلافاً للتفاؤل ذي الهدف الواحد، الذي يسعى إلى إيجاد حل واحد أفضل، تولد وزارة الزراعة مجموعة من الحلول المبادئة المعروفة باسم جبهة باريتو، وكثيراً ما يمثل كل حل على هذه الجبهة سيناريو لا يمكن فيه تحسين أي هدف من أهداف التعدين دون أن يؤدي إلى تفاقم حالة الاضطرابات الأخرى.

ومن بين المفاهيم الأساسية لهذه المنظمة الهيمنة والمثل الأمثل والحدود في باريتو، ويقال إن الحل هو السيطرة على الآخر إذا كان على الأقل جيدا في جميع الأهداف وأفضل من ذلك على الأقل، فمجموعة الحلول غير المهيمنة تشكل واجهة باريتو.

التأثيرات البيئية الرئيسية في التعدين

وقبل تطبيق نظام الرصد، من المهم فهم مجموعة الآثار البيئية التي يمكن أن تحدثها عمليات التعدين، وهذه الآثار عادة متعددة الأبعاد ومترابطة في كثير من الأحيان، مما يجعلها مرشحة مثالية للتحليل المتعدد الجوانب.

تدهور الأراضي وفقدان الموئل

ويمكن للتعدين على الهواء الطلق، والتعدين على الطرق، وإزالة الجبال أن يغيرا جذريا المناظر الطبيعية، وأن يزيلا الغطاء النباتي والتربة والصخور المغمورة، ويدمر هذا الموائل البرية، ويمكن أن يؤدي إلى تآكل وتلقين المجاري المائية وفقدان التنوع البيولوجي، ولا تشمل آثار عمليات التعدين الحفر نفسها فحسب، بل تشمل أيضا نفايات مدافن الصخور، وقطع الخنادق، والطرقات.

استنفاد الموارد المائية والتلوث

وكثيرا ما يتطلب التعدين كميات كبيرة من المياه من أجل قمع الغبار وتجهيز الركاز ونقل البلور، وفي مناطق نسر المياه، يمكن أن يستنفد هذا المستودعات المائية المحلية ويؤثر على المجتمعات المحلية المحيطة، وعلاوة على ذلك، يمكن لتصريف الألغام الحمضية من معادن الكبريتيدات المعرضة أن يفرج عن المعادن الثقيلة في المجاري المائية، مما يتسبب في أضرار إيكولوجية طويلة الأجل، ويمكن أن يؤدي الاستخدام الأمثل المتعدد الأبعاد إلى تحقيق كفاءة استهلاك المياه، وإلى الحد الأمثل من استراتيجيات التلوث.

Air Quality and Greenhouse Gas Emissions

ويساهم الغبار الناجم عن عمليات الإنفجار والهروب والسحق في تلوث المواد الجسيمية، الذي يشكل مخاطر صحية للعمال والسكان القريبين، بالإضافة إلى أن معدات التعدين والنقل والتجهيز الكثيف للطاقة تولد انبعاثات كبيرة من غازات الدفيئة، وباستخدام هذه العمليات يمكن للشركات أن تحقق التوازن بين الأهداف مثل تقليل انبعاثات الغبار، وخفض استهلاك الوقود، وتخفيض البصمة الكربونية مع الحفاظ على معدلات الإنتاج.

التنوع البيولوجي وخدمات النظم الإيكولوجية

ويمكن للتعدين أن يعطل النظم الإيكولوجية والخدمات التي تقدمها مثل التلوث، وتنقية المياه، وعزل الكربون، وتتزايد حاجة الأطر التنظيمية إلى الشركات لتقييم الآثار على التنوع البيولوجي وتخفيفها، ويمكن لوزارة الزراعة أن تدمج مؤشرات التنوع البيولوجي، مثل ثراء الأنواع أو الربط بين الموئل، كهدفين ينبغي تحقيقهما إلى أقصى حد مع كفاءة الإنتاج.

How Multi-objective Optimization works in Mining

ويشمل تنفيذ عمليات التشغيل المتعددة الأبعاد في مجال التعدين عملية منهجية تربط جمع البيانات، والنمذجة، والتعظيم، واتخاذ القرارات، وترسم الخطوات التالية مسارا نموذجيا للعمل.

الخطوة 1: تحديد الأهداف والمقتضيات

وتتمثل الخطوة الأولى في تحديد الأهداف التي سيعالجها تحقيق الاستخدام الأمثل تحديدا واضحا، ويجب أن تكون قابلة للقياس الكمي وكثيرا ما تكون متضاربة، وتشمل الأهداف المشتركة في مجال التعدين المستدام ما يلي:

• تحقيق أقصى قيمة صافية من القيمة الحالية [NPV] ] أو استرداد كامل للمعادن.
• Minimize land disturbance] (مثلاً، المنطقة المتأثرة بالتعدين).
• Minimize water consumption] or water pollution potential.
• Minimize GHG emissions] and energy use.
• ] تحقيق أقصى مؤشرات التنوع البيولوجي في المناطق التي استُلمت.

وقد تشمل القيود القيود القانونية على الانبعاثات، وحقوق المياه المتاحة، والاستقرار الجيوتقني، والحدود القصوى للميزانية، والمواعيد النهائية للإنتاج.

الخطوة 2: جمع البيانات وإدماجها

ويعتمد نظام رصد الأوزون على بيانات المدخلات العالية الجودة، ويشمل ذلك، بالنسبة لتطبيقات التعدين، نماذج جيولوجية (من نوع الصخور، العمق)، وخطوط الأساس البيئية (مستويات جداول المياه، وقوائم جرد الأنواع، ورصد نوعية الهواء)، والعوامل الاقتصادية (أسعار السلع، وتكاليف التشغيل، والنفقات الرأسمالية).

الخطوة 3: اختيار أقصر طريقة ممكنة

ويتوقف اختيار الخوارزمية على حجم المشكلة، وطبيعة الأهداف، والميزانية الحسابية، وتشمل الخوارزميات الشعبية المتعلقة بالتعدين

• NSGA-II]: خوارزمية وراثية تستخدم بسرعة فرز غير مهيمن وقطعة مزدحمة للحفاظ على التنوع، وتستخدم على نطاق واسع في المشاكل التي تصل إلى بضع مئات من المتغيرات.
• MOPSO ]: استنادا إلى التفسير الأمثل للجزيء، يمكن لهذه الخوارزمية أن تعالج المتغيرات المستمرة بكفاءة، وغالبا ما تكون أسرع من الخوارزميات الجينية لأنواع معينة من المشاكل.
• Bayesian optimization]: Useful when function assessments are expensive (e.g., running a complex simulation), as it builds a probabilistic surrogate model to guide the search.

كما أن النهج الهجينة التي تجمع بين الاستخدام الأمثل والمحاكاة (مثلاً، محاكاة الأحداث المتفرقة لتحديد مواعيدها) تكتسب أيضاً زخماً.

الخطوة 4: إيجاد حلل لجبهة بريتو

وبعد إدارة الخوارزمية المثلى، فإن النتيجة هي مجموعة من الحلول غير المهيمنة التي تشكل جبهة باريتو، وكل نقطة على الجبهة تمثل مبادلات مختلفة بين الأهداف، ويمكن لصانعي القرار بعد ذلك أن يدرسوا الجبهة لفهم تكلفة تحسين هدف من حيث هدف آخر، وعلى سبيل المثال، قد يقررون أن تخفيضا صغيرا في المواد النووية غير المكتملة يمكن أن يساعد أصحاب المصلحة في عمليات التناظر في هذه.

الخطوة 5: اختيار وتنفيذ حل

وكثيرا ما ينطوي اختيار حل نهائي على تقنيات تحليل القرارات المتعددة المعايير، مثل عملية التسلسل الهرمي التحليلي أو التقنيات المتعلقة بأفضلية النظام بالتشابه مع الحل المثالي، وتشمل هذه الأساليب أفضليات أصحاب المصلحة (مثل الأهمية النسبية للأهداف البيئية مقابل الأهداف الاقتصادية) لترتيب حلول " باريتو -وبتيمال " ، وتتحقق خطة الرصد المختارة بعد ذلك من الأداء المتوقع.

فوائد استخدام الاستخدام الأمثل المتعدد الجوانب في التعدين

ويمكن لاعتماد نظام رصد الأوزون أن يحقق فوائد تحولية لعمليات التعدين، مما يساعد الشركات على تجاوز الامتثال إلى الاستدامة الحقيقية.

تحسين صنع القرار من خلال تحليل التجارة

وتوفر وزارة الخارجية نظرة كمية واضحة للحلول التوفيقية التي تنطوي عليها أي خطة للتعدين، وبدلا من الاعتماد على الحدس أو على المستوى الأمثل غير المتكافئ، يمكن للمديرين أن يروا بالضبط مقدار الضرر البيئي الناجم عن زيادة هامشية في الإنتاج، وتدعم هذه الشفافية قرارات أكثر استنارة وقابلية للدفاع.

خفض التكاليف عن طريق الكفاءة في استخدام الموارد

وكثيرا ما يكشف تحقيق الأهداف المتعددة على النحو الأمثل عن سيناريوهات مربحة تتناقص فيها التكاليف والآثار البيئية، وعلى سبيل المثال، فإن خفض عمليات إزالة الأحراق الزائدة غير الضرورية يقلل من تكاليف الاضطرابات في الأراضي والهجرة، وبالمثل، فإن إعادة تدوير المياه على النحو الأمثل يمكن أن تخفض نفقات شراء المياه مع الحد من الاحتياجات إلى معالجة مياه الصرف.

تعزيز الامتثال التنظيمي والترخيص الاجتماعي

وقد أصبحت الأنظمة البيئية أكثر صرامة في جميع أنحاء العالم، وتساعد وزارة الزراعة شركات التعدين على أن تنظر بصورة منهجية في جميع البدائل الممكنة للتقليل من الضرر إلى أدنى حد، مما يمكن أن ييسر السماح بالغرامات أو التقاضي ويقلل من خطره، وعلاوة على ذلك، فإن الالتزام العام بتحقيق الاستخدام الأمثل المتعدد الجوانب يمكن أن يعزز العلاقات مع المجتمعات المحلية والمنظمات غير الحكومية، ويسهم في الحصول على ترخيص اجتماعي من الشركة.

دعم الأهداف الطويلة الأجل للاستدامة

وقد وضعت شركات تعدين عديدة أهدافا طموحة في مجالات البيئة والاجتماعية والحوكمة، مثل الانبعاثات الصافية الصفرية بحلول عام 2050 أو صفر من صافي فقدان التنوع البيولوجي، وتوفر وزارة الزراعة إطارا صارما للتخطيط للكيفية التي يمكن بها تحقيق هذه الأهداف مع البقاء اقتصاديا، ويمكن للشركات، من خلال إدماج أهداف الاستدامة مباشرة في تحقيق الاستخدام الأمثل، أن تصمم عمليات تتماشى مع الأطر العالمية مثل أهداف الأمم المتحدة للتنمية المستدامة.

التطبيقات العالمية الحقيقية ودراسات الحالات الإفرادية

وقد أظهرت عدة عمليات تعدين ومشاريع بحثية فعالية عمليات التشغيل المتعددة الجنسيات في الممارسة العملية.

منجم النحاس في شيلي: تحقيق التوازن بين استخدام المياه وإنتاجها

In therid Atacama region, a major copper mine used MOO to reduce freshwater consumption without sacrificing output. The objectives were to minimize water extraction from local layers and maximize copper recovery. The optimization considered different ore ore routes, and recycling rates. The chosen Pareto-optimal solution reduced water use by 18% while only diminish NPV study by 2%, a trade-off deemed acceptable by management 2020

Gold Mine in Ghana: Integrating Community and Environmental Objectives

وقد طُبق إطار متعدد الجوانب على منطقة تعدين الذهب الحرفي والصغير النطاق في غانا، وشملت الأهداف زيادة كفاءة استرداد الذهب إلى أقصى حد، وتقليل التلوث بالزئبق، وحماية صحة المجتمعات المحلية المجاورة، ومن خلال استخدام برنامج العمل الوطني الثاني لتحسين أساليب التجهيز ووضع المواقع، وجدت الدراسة حلولاً تقلل من تلوث الزئبق بنسبة 35 في المائة مع الحفاظ على مستويات دخل عمال المناجم، وتبرز هذه الدراسة كيف يمكن تكييف نظام الرصد مع سياق التعدين غير الرسمي.

Coal Mining in Australia: Reducing GHG Emissions

(أ) استخدام منجم الفحم المفتوح في كوينزلاند لتصميم جدول أسطول السحب الخاص به من أجل تقليل استهلاك الوقود وتوقيت الانتظار إلى أدنى حد، واستخدمت شركة " ريميت " خوارزمية قائمة على أساس " باريتو " ، واعتبرت قيوداً مثل ساعات النوبات، وفترات الصيانة، ومقياس الحُفر، وأدى ذلك إلى خفض استخدام الوقود بنسبة 8 في المائة وخفض انبعاثات ثاني أكسيد الكربون بمقدار عدة آلاف طن في السنة، دون حدوث فقدان في الإنتاجية.

التحديات والحدود

ورغم وعدها، فإن تطبيق أسلوب العمل في التعدين ليس بدون عقبات، إذ إن الاعتراف بهذه التحديات يساعد الممارسين على وضع توقعات واقعية وخطة للتخفيف من آثاره.

توافر البيانات ونوعيتها

وتتطلب وزارة الخارجية بيانات شاملة ودقيقة عن المتغيرات الجيولوجية والبيئية والاقتصادية، وقد تكون هذه البيانات في العديد من عمليات التعدين، ولا سيما في البلدان النامية، متفرقة أو غير موثوقة، وقد تكون سجلات الرصد البيئي التاريخية غير كاملة، ويمكن أن تكون بيانات التكلفة مأمونة، ويمكن أن تؤدي المدخلات غير الدقيقة إلى تضليل الجبهات المتجهة إلى الطريق وإلى القرارات السيئة، ومن أجل معالجة هذه البيانات، تحليل الحساسية، وتقنيات التفاؤل القوية التي تُستخدم على نحو متزايد.

التعقيد الحاسوبي

ويمكن أن تنطوي مشاكل التعدين في العالم الحقيقي على مئات المتغيرات والقيود، مما يجعل الاستخدام الأمثل للحساب مكثفا، وقد يستغرق تشغيل جهاز تصوير متحرك كامل ساعات أو أيام، حتى مع الحواسيب القوية، مما قد يحد من استخدامه في البيئات الدينامية التي يجب اتخاذ القرارات فيها بسرعة، وتساعد التطورات في الحساب الموازي والموارد السحابية والنماذج البديلة على تقليص أوقات الحساب.

المُتَحَقِّم

وقد تكون لدى مختلف أصحاب المصلحة - بما في ذلك شركات التعدين، والجهات التنظيمية، والجماعات البيئية، والمجتمعات المحلية - أولويات متباينة، وقد يكون تحويل هذه الأولويات إلى أهداف رياضية أمراً صعباً، مثلاً، كيف يمكن أن يُحدِّد كمّ القيمة الثقافية للموقع المقدس؟ ويمكن لتحليل القرارات المتعددة المعايير أن يشمل الأفضليات النوعية، ولكن العملية يمكن أن تستغرق وقتاً طويلاً وقد لا تستوعب جميع الشواغل.

التكامل مع النظم القائمة

وتستخدم شركات تعدين عديدة برامجيات تخطيطية ثابتة لتصميم الألغام وتحديد مواعيدها وإدارتها البيئية، ويمكن أن يتطلب إدماج أدوات وزارة العمل مع هذه النظم القديمة تطويراً وتدريباً كبيراً في مجال البرامجيات، وقد بدأ البائعون في تقديم نماذج من وزارة الأعمال داخل البرامج التجارية، مثل تلك التي لا تزال موجودة في Dassault Systèmes و

الاتجاهات المستقبلية والاتجاهات الناشئة

ويتطور ميدان الاستخدام الأمثل المتعدد الجوانب في التعدين بسرعة، مدفوعاً بالتطورات التكنولوجية وتزايد الضغط من أجل الاستدامة.

إدماج الاستخبارات الفنية والتعلم الآتي

ويمكن لنماذج التعلم في مجال الآلات أن تتنبأ بالآثار البيئية (مثلاً، تفكك الغبار، وتغيرات نوعية المياه) أسرع وأرخص من المحاكاة التقليدية القائمة على الفيزياء، وبإدماج هذه النماذج البديلة في خوارزميات وزارة الزراعة، يصبح من الممكن استكشاف مساحة أكبر بكثير من الحلول في وقت أقل، كما يجري استكشاف سبل تعزيز التخطيط للتكيف مع الألغام التي يمكن أن تستجيب للظروف المتغيرة في الوقت الحقيقي.

التفعيل الفعلي للزمن الرقمي

والتوائم الرقمي هو نسخة طبق الأصل من عملية التعدين التي تتلقى باستمرار بيانات من أجهزة الاستشعار، وعندما يقترن ذلك بأجهزة الاستشعار المتعددة، يمكن للتوائم الرقمي أن يعيد التشغيل الدينامي للعمليات القائمة على الظروف الراهنة، مثل التغير المفاجئ في درجة ركاز أو نقص المياه، مما يتيح اتخاذ قرارات متفرقة توازن بين أهداف متعددة على الذبابة، وقد أثبت المعتمدون المبكرون في صناعة النفط والغاز بالفعل إمكانية وجود نظم للتعدين.

إدماج أهداف الاقتصاد الاجتماعي والعلماني

ومن المرجح أن تتضمن أطر العمل المقبلة المتعلقة بمكافحة الاحتكارات أهدافا بيئية فحسب، بل أيضا أهدافا اجتماعية، مثل خلق فرص العمل، والصحة المجتمعية، وحقوق السكان الأصليين، بالإضافة إلى ذلك، فإن منظور الاقتصاد الدائر - تصميم عمليات التعدين للتقليل إلى أدنى حد من النفايات وتمكين استرداد المواد في نهاية العمر - سيضيف أهدافا جديدة مثل إعادة التدوير واستخراج الموارد الثانوية، وسيزيد هذا التوسع من قوة المنظمة كأداة لتقييم الاستدامة الشاملة.

توحيد المعايير وأدوات الباب المفتوح

ومع تزايد انتشار ظاهرة الذخائر، هناك دفعة نحو قياسات موحدة ومكتبات لتعظيم الموارد المفتوحة، كما أن أدوات مثل ]pymoo ] (مكتبة بيتون لتحقيق الاستخدام الأمثل المتعدد الجوانب) تقلل من الحاجز أمام دخول الباحثين ومشغلي التعدين الصغار، كما أن المنابر التعاونية آخذة في الظهور حيث يمكن للشركات أن تتقاسم بيانات مغفلة لتحسين الدقة النموذجية.

خاتمة

فالاستخدام المتعدد الجوانب يوفر مسارا صارما ومحركا للبيانات لصناعة التعدين من أجل التوفيق بين التوتر المتأصل بين استخراج الموارد وحماية البيئة، ومن خلال تصور وتقييم التداول الكمي، فإن المنظمة ستمكن صناع القرار من اختيار استراتيجيات تقلل من الضرر الإيكولوجي مع الحفاظ على القدرة الاقتصادية على البقاء، وعلى الرغم من أن التحديات ما زالت قائمة في نوعية البيانات، والمطالب الحسابية، ومواءمة أصحاب المصلحة، والتقدم الجاري في مجال التعدين، والتوائم الرقمي، والأدوات المفتوحة المصدر.