استخدام الطائرات العمودية للتفتيش والصيانة في مرافق الطاقة الكبيرة

مقدمة

وقد أعاد إدماج المركبات الجوية غير المأهولة في العمليات الصناعية تشكيل كيفية اقتراب مرافق الطاقة الواسعة النطاق من التفتيش والصيانة، وما كان يتطلبه من أفرقة من العمال الذين أوقفوا عن العمل، والطائرات العمودية التي ترتد على ارتفاعات منخفضة، أو عمليات الإغلاق التي استمرت أياما واحدة يمكن الآن إنجازها برحلة واحدة بدون طيار، وتقوم محطات توليد الطاقة الكهربائية، وممرات النقل، ومنشآت الطاقة المتجددة باعتماد تكنولوجيا الطائرات بدون طيار بغية تقليل تكاليف الصيانة الحالية وتحسين نوعية البيانات.

من الوصول إلى الاستشعار عن بعد

وقد اعتمدت أساليب التفتيش التقليدية للهياكل الأساسية للطاقة على اليد العاملة اليدوية والمعدات الثقيلة، وتسلق العمال أبراجهم، وقطعها الممزقة، أو خفضت بحبالهم لدراسة المكونات الحيوية، ووفرت دوريات طائرات الهليكوبتر بديلا أسرع، ولكنها أدخلت على ارتفاع التكاليف، والضوضاء، وشواغل السلامة، ووفرت أجهزة التصوير الحراري الأرضية والمجسّسات ذات الدوافع الشعيرة بعض التحسن، ولم تتمكن من كشف الآراء الشاملة اللازمة لإجراء تقييمات دقيقة.

أوجه القصور في عمليات التفتيش التي تجرى على أساس الطائرة

تحسين سلامة الموظفين

فالسلامة تظل المحرك الرئيسي لاعتماد الطائرات بدون طيار في مرافق الطاقة، إذ إن العمل في ارتفاع على أبراج النقل أو داخل الأماكن المحصورة مثل أبراج التبريد ووحدات الغلاية ينطوي على مخاطر متأصلة، فالأجزاء والاتصالات الكهربائية وإخفاقات المعدات قد تشكل تهديدات خطيرة لمفتشي البشر، فالطائرات التي تستخدم طائرات الهليكوبتر تزيل أو تقلل من هذه التعرضات عن طريق القيام بنفس الملاحظات من مسافة آمنة، وفي حالات فرعية، يمكن للطائرات الآلية أن تقترب من المعدات المتحركة بعيدا عن ذلك.

خفض التكاليف والكفاءة التشغيلية

وتتضح الفوائد المالية لعمليات التفتيش بالطائرات بدون طيار عند مقارنة تكاليف الأساليب التقليدية، ويمكن أن تكلف دوريات طائرات الهليكوبتر لخطوط النقل آلاف الدولارات لكل ساعة طيران، بينما تتكبد عملية الطائرات بدون طيار نصيبا من ذلك المبلغ، وتخفض تكاليف عمليات التفتيش على الحبال وتستأجرها من أجل عمليات التفتيش على المرافق الفرعية أو التوليدية، وتزيد تكاليفها على نحو كبير، ولا سيما عندما يتطلب الوصول إلى هذه المركبات من حيث التكلفة أو إلى الخارج.

قدرات السرعة والتغطية

ويمكن أن تغطي طائرة بدون طيار أميال من خط النقل في رحلة واحدة، فتفتيش عشرات الأبراج والزوارق بينها، كما أن المهمة نفسها التي تقوم بها أطقم الأرض تتطلب أياما من السفر والإقامة، وبالنسبة للمزارع الشمسية التي تغطي مئات الفدان، يمكن للطائرات بدون طيار المجهزة بالكاميرات الحرارية أن تحدد الألواح المعطلة في مرور واحد، بينما سيكون التفتيش اليدوي غير عملي.

نوعية البيانات ودقتها التحليلية

وتلتقط أجهزة الاستشعار الحديثة للطائرات بدون طيار بيانات تتجاوز ما يمكن أن تكتشفه العين البشرية، وتكشف الكاميرات الحرارية عن بقع ساخنة في وصلات كهربائية قبل أن تصبح فاشلة، وتولد الـ ليدار نماذج دقيقة من الهياكل الأساسية لتحليل التطهير ورصد التشهير، كما أن الكاميرات البصرية العالية الاستبانة ذات القدرات على إحداث التكبير تسمح للمفتشين بفحص الشقوقات المسببة للإصابة بالصدمات والكشف والتسلل إلى جانب الأعلامات.

ألف - التطبيقات المتعلقة بالهياكل الأساسية في جميع أنحاء الدولة

عمليات التفتيش على خط النقل والتوزيع

وتشكل خطوط نقل المركبات العمودية العمودية للشبكات الكهربائية، وتمتد على مئات الأميال عبر مختلف التضاريس، وتُحدد الطائرات المجهزة بكاميرات بصرية وحرارية على طول هذه الممرات، وتفتيش الموصلات، والعزلات، والأجهزة، وطرق توزيع الطائرات المتحركة، وتُستخدم الآن دوريات مكملة للفولاذات، وتُستخدم فيها أجهزة التنظيف المتطورة.

رصد الأرض والتغليف الحراري

وتركيز المواد الفرعية على معدات ذات نفوذ عال في مناطق مدمجة، مما يجعلها أهدافا عالية المخاطر وذات قيمة عالية لعمليات التفتيش التي تقوم بها الطائرات بدون طيار، والتصوير الحراري هو التطبيق الأولي، وتطير الطائرات العمودية طرقا مبرمجة مسبقا على الحانات، وكسر الدوائر، والمحولات، ومفاتيح تبديل الاتصالات، وتستقطب البيانات الحرارية التي تحدد الروابط المخففة، أو العناصر التي لا تزال غير مجهزة.

التفتيش على السدود والمستودعات

وتطرح المرافق الكهرمائية تحديات فريدة في مجال التفتيش بسبب حجمها وضرورة فحص هياكل مثل السكك الحديدية والبنود والوجه السد، كما أن الطائرات العمودية توفر إمكانية الوصول إلى المناطق التي يصعب الوصول إليها أو التي تنطوي على خطورة، مثل الوجه الأعلى للسد، أو داخل الخزينة، أو حرق مسار، كما أن المصارف ذات القدرة العالية على الاستبانة والشبكة الدولية للطاقة الشمسية يمكنها أن تكتشف عمليات التشقق أو التآكل أو التحلل المستمر.

صيانة الأرنب الريح وزراعة المزرعة الشمسية

وتحتاج منشآت الطاقة المتجددة إلى أجهزة اعتماد رئيسية لتكنولوجيا التفتيش بالطائرات بدون طيار، وتحتاج التربينات الشتوية إلى تفتيش منتظم للبراعات والأبراج والناكسات، وتكشف الأضرار الناجمة عن الإضراب، أو التآكل المؤدي إلى ارتفاع في مستويات التآكل، أو التخصيب الهيكلي، مع وجود كاميرات عالية الاستبانة ومجسدات حرارية، ويمكن للطائرات العمودية أن تفتش عن وجود توربينات في أقل من 30 دقيقة.

برج التبريد وتفتيش شيمني

وتحتاج أبراج التبريد في محطات توليد الطاقة الحرارية إلى إجراء تفتيشات داخلية منتظمة لتقييم المواد المملة والمصابين بالشلالات العائمة والعناصر الهيكلية، وتشمل الأساليب التقليدية إغلاق البرج، وتصريف المياه، وإرسال مفتشين داخل مرافق الحماية والتنفس، ويمكن للطائرات ذات المعاطف الواقية من المياه وحراس الحماية أن تطير داخل أبراج التبريد العاملة، وتلقي الفيديو، والبيانات السائلية دون انقطاع الخدمات.

القدرات التقنية وحمولات الاستشعار

الكاميرات البصرية ذات الصلة بالتجديد

إن أكثر الحمولة شيوعاً من الطائرات بدون طيار لعمليات التفتيش في مرافق الطاقة هي كاميرا بصرية عالية الاستبانة ذات زوم بصري واستقرار، وتلتقط هذه الكاميرات صوراً ذات تفاصيل كافية لتحديد شباكات خط الشعر، وحفر التآكل، وارتداء الأجهزة، وقدرة المفتشين على تحديد نوعية الصور، مع الحفاظ على جودة الصور، تتيح للمفتشين فحص المكونات من مسافة آمنة، ويوفر بث الفيديو في الوقت الحقيقي تغذية فورية أثناء الرحلة، ويمكن الاطلاع على الصور العالية.

أجهزة الاستشعار الحرارية ذات الأشعة تحت الحمراء

وتكشف الكاميرات الحرارية عن الإشعاعات تحت الحمراء، وتكشف عن اختلافات في درجات الحرارة تشير إلى وجود مشاكل كهربائية أو ميكانيكية، وفي مرافق الطاقة، تحدد عمليات التفتيش الحراري وجود وصلات غير متوازنة، وقضايا نظام التبريد، وانهيار العزل، وتتيح الكاميرات الحرارية التي تُعد على وحدات يدوية مزايا على أنها يمكن أن تلتقط كامل الشبهات أو المزارع الشمسية في رحلة واحدة، مما يتيح مقارنة بين خرائط درجة الحرارة الحرارية.

LiDAR and 3D Mapping

وتولد أجهزة الاستشعار الخاصة بأجهزة الاستشعار عن طريق الدي آر على الطائرات بدون طيار سحابات دقيقة من الهياكل الأساسية ذات النقاط الثلاث الأبعاد، وبالنسبة لممرات النقل، تدعم بيانات ليدار إدارة الغطاء النباتي بتصنيف النباتي بالقرب من الموصلات وحساب مسافات التطهير، وبالنسبة لمرافق الجيل، ينشئ المكتب توأم رقمي من المعدات والهياكل لكشف الاصطدام أثناء تخطيط الصيانة، كما تدعم البيانات رصد التحلل، حيث تُعددُدُدُ نظم الإبلاغ عن التحلل.

Gas Detection and Corona Discharge Sensors

وتمتد أجهزة الاستشعار المتخصصة إلى قدرات الطائرات بدون طيار إلى ما يتجاوز التفتيش البصري والحراري، إذ يمكن لأجهزة الكشف عن الغاز المثبتة على الطائرات المسيرة أن تشمّع على تسربات سداسي فلوريد الكبريت (SF6) من أجهزة الكسر في الدوائر ومفاتيح التبديل المزودة بالغاز.

التحديات التشغيلية واستراتيجيات التخفيف

القيود التنظيمية على الامتثال والفضاء الجوي

ويجب أن تمتثل العمليات التي تتم على متن طائرات في مرافق الطاقة لنظم الطيران التي تفرضها السلطات الوطنية مثل إدارة الطيران الاتحادية في الولايات المتحدة أو وكالة سلامة الطيران التابعة للاتحاد الأوروبي في أوروبا، وأن تُنظم هذه القواعد على ارتفاعات الطيران، وعلى خط البصر، وعلى إصدار شهادات تجريبية، وعلى أذون للمجال الجوي، كما أن المرافق الموجودة بالقرب من المطارات أو المناطق العسكرية أو أجزاء مكافئة من المجال الجوي قد تتطلب تنازلات إضافية أو تنسيقا مع ذلك.

Battery Life and Flight Endurance

وتقييد الوقت الضئيل إلى أي مدى يمكن أن تغطيه طائرة واحدة بدون طيار، ومعظم الطائرات التجارية بدون طيار تحمل بطارية بين 20 و 40 دقيقة، تبعا لوزن الحمولة وظروف الطقس، وبالنسبة لممرات النقل الكبيرة أو المزارع الشمسية، يلزم القيام برحلات متعددة ومبادلات للبطارية لإكمال عملية تفتيش، وتزيد من فترات التأجيل في تكنولوجيا البطاريات، بما في ذلك خلايا الليثيوم العالي الكثيوم وخلاياطات الوقود الهيدروجين، فترات الاستيتار.

إدارة البيانات وتحليل سير العمل

ويمكن أن يؤدي التفتيش الوحيد على منشأة كبيرة إلى إحداث حركات من الصور والبيانات الحرارية وسحب النقاط المرجعية للشركة، ويصبح إدارة وتخزين وتحليل هذه البيانات تحديا كبيرا، وتحتاج المرافق إلى نظم منظمة لإدارة البيانات تربط نتائج التفتيش بأصول محددة، وتتتبع النتائج على مر الزمن، وتصدر قرارات الصيانة القائمة على الظروف.

Weather and Environmental Constraints

فالطائرات العمودية حساسة للظروف البيئية، إذ أن الرياح العالية والأمطار والضباب ودرجات الحرارة القصوى تحد من عمليات الطيران، وفي المناطق الشمالية، يشكل تراكم الجليد على أجهزة الطائر بدون طيار مخاطر إضافية، وتواجه مرافق الطاقة في المناطق الساحلية رذاذ الملح الذي يمكن أن يؤثر على الأجهزة الإلكترونية والمجسات التي تستخدم طائرات بدون طيار، ويجب على المشغلين أن يخططوا للرحلات الجوية حول التنبؤات الجوية وأن يضعوا الحد الأدنى من الظروف اللازمة للعمليات الآمنة، ويستخدمون أجهزة التحكم في أجهزة القياس داخل المباني التي تستخدم فيها أجهزة الحماية.

التكامل مع تدفقات أعمال الصيانة

ولا تعمل برامج الطائرات بدون طيار بنجاح في عزلة، بل يجب أن تدمج مع تدفقات العمل الحالية في الصيانة لتحقيق القيمة، وهذا يعني ربط بيانات التفتيش بنظم إدارة الصيانة المحوسبة، وتوليد أوامر العمل، وعمليات تحديد الجدولة، وعندما يحدد التفتيش على الطائرات بدون طيار عيبا، ينبغي أن تُصدر المعلومات أمراً بالعمل بالنسبة للطاقم المناسب، مع وجود صور وبيانات موقعية مرفقة بها.

الاتجاهات المستقبلية والتكنولوجيات الناشئة

محطات التدوير المستقلة وعمليات BVLOS

وتتجاوز الحدود التالية لعمليات التفتيش بالطائرات بدون طيار خط الرؤية البصري، حيث تطير الطائرات بدون طيار خارج نطاق الرؤية المباشرة للطيار.

AI and Machine Learning for Defect Detection

وتُحوّل المعلومات الاستخبارية الاصطناعية إلى كيفية تحليل بيانات التفتيش، إذ يمكن لنماذج التعلم الماكنة التي تم تدريبها على آلاف الصور المسمّاة أن تكتشف وجود شذوذ في البيانات البصرية والحرارية وبيانات الـ " ليدار " بدقة أكبر من تطابق الخبراء البشريين أو تجاوزهم، أما بالنسبة للمزارع الشمسية، فإن نماذج " آي " تحدد تلقائياً الألواح المعطلة من مقاييس الحرارية.

التوائم الرقمية والصيانة الافتراضية

وتخلق التكنولوجيا الرقمية المزدوجة نسخة افتراضية من الأصول المادية تستكمل مع بيانات في الوقت الحقيقي، وتوفر الطائرات العمودية البيانات البصرية والحرارية العالية اللازمة لإبقاء التوأم الرقمي على حاله، وعندما تقترن البيانات العملية من أجهزة الاستشعار على المعدات، فإن التوأم الرقمي يتيح إجراء محاكاة للسيناريات اللصيانة، وتحليل أنماط الفشل، وتحديد مواعيد التفتيش على الوجه الأمثل.

عمليات الأسلحة الخفيفة لتغطية تكاليف المركبات الكبيرة الحجم

وتسمح تكنولوجيا الأسلحة الصغيرة باستخدام طائرات متعددة بدون طيار للعمل بصورة تعاونية، وتقسيم منطقة تفتيش كبيرة وتنسيق رحلاتها الجوية لتجنب الاصطدامات والتغطية القصوى، أما بالنسبة للمزارع الشمسية التي تغطي آلاف الفدان أو شبكات النقل الواسعة النطاق، فإن الأذرع يمكن أن تكمل عمليات التفتيش في ساعات بدلا من أيام، وتعتمد التكنولوجيا على بروتوكولات الاتصالات القوية وأجهزة التلاشي التي تتيح للطائرات بدون طيار أن تعمل في أماكن قريبة جدا.

خاتمة

وقد تجاوزت الطائرات العمودية الاستخدام التجريبي في مرافق الطاقة لتصبح أدوات موحدة للتفتيش والصيانة، وقدرتها على تحسين السلامة، وخفض التكاليف، وتوفير بيانات عالية الجودة، دفعت إلى الاعتماد عبر عمليات النقل والتوليد والإخضاع وعمليات الطاقة المتجددة، وسيستمر التكامل المستمر بين مرفق الطاقة المتقدمة، والعمليات المستقلة، والتكنولوجيا الرقمية المزدوجة، في زيادة دورها، كما أن المرافق التي تستثمر في برامج الطائرات بدون طيار مع إدارة بيانات منظمة، والامتثال التنظيمي، والتكامل مع وضعية أكثر أمانا في الصيانة.