تصميم نظم دعم القرارات الآلية للهياكل الأساسية الهندسية المدنية

مقدمة: التعقيد المتزايد لقرارات الهياكل الأساسية المدنية

وتسير الهندسة المدنية الحديثة في بيئة تتسم بالتعقيد المتزايد، أما مشاريع البنية التحتية - سواء كان ممراً جديداً للمرور العابر في المناطق الحضرية أو نظاماً للقفز الساحلي أو جسراً طويلاً - يضم آلاف المتغيرات، وأصحاب المصلحة المتعددين، والميزانيات الصارمة، وأنظمة السلامة الصارمة، فقد تطورت نظم دعم القرار من أدوات جدولية بسيطة إلى منابر متطورة تدمج البيانات والنماذج وتفاعل المستعملين لمساعدة المهندسين على تقييم النتائج.

ما هو نظام دعم القرار في الهندسة المدنية؟

ونظام دعم القرارات هو نظام معلومات حاسوبي يدعم أنشطة صنع القرار من خلال الجمع بين البيانات والنماذج التحليلية وتفاعل المستعملين، وفي سياق الهندسة المدنية، تشمل تطبيقات خدمات الدعم الميداني دورة حياة الهياكل الأساسية بأكملها: من دراسات الجدوى المبكرة، ومن خلال تحديد مواعيد البناء ومراقبة التكاليف، إلى تخطيط الصيانة وإدارة الأصول، مثلا، قد توصي نماذج لتصليح المخاطر القائمة على الطرق السريعة، ثم تستخدم نماذج للتغيرات المناخية.

ويتمثل التمييز الأساسي بين نظام خدمات الدعم الميداني وأداة التحليل العامة في تركيزه على القرارات شبه الهيكلية أو غير الهيكلية التي يمكن فيها وضع نماذج الرياضيات لبعض الجوانب بينما تتطلب جوانب أخرى حكماً إنسانياً، مما يجعل واجهة المستخدمين وشفافية النظام حرجة كحلول الغوارزمية الأساسية.

العناصر الأساسية لجهاز إدارة الدعم الميداني الآلي

ويتطلب بناء نظام لدعم القرارات يمكن الوثوق به في قرارات الهياكل الأساسية ذات المتناول العالي اهتماما دقيقا لأربعة عناصر رئيسية هي: إدارة البيانات، والنمذجة والتحليل، والتفاعل بين المستعملين، والمرونة، وتوسّع الفروع الواردة أدناه كل عنصر بأمثلة ملموسة من الممارسة الهندسية المدنية.

إدارة البيانات: مؤسسة أي نظام من أشكال الدعم الميداني

فبدون بيانات عالية الجودة، حتى أكثر النماذج تطوراً تنتج نواتج لا معنى لها، ففي الهندسة المدنية، يمكن أن تكون البيانات اللازمة غير متجانسة: سجلات الآبار الجيوتيكية، والدراسات الاستقصائية لسجلات المرور، ونتائج الاختبارات المادية، وسجلات الرصد البيئي، وقواعد البيانات المتعلقة بالتكلفة المالية، ويجب أن يكون لنظم البيانات نظامية مستنسخة تكفل الدقة والقابلية للتتبع، وهذا يعني في كثير من الأحيان التكامل مع قواعد بيانات بيانات الوسم الجغرافي.

ومن الأمثلة على ذلك في مجال إدارة الجسور: يستخدم إطار بونتيس التابع للإدارة الاتحادية للطرق السريعة (وهو الآن جزء من نظام إدارة جسر الرابطة) بيانات التفتيش على مستوى العناصر المرتبطة بنماذج التكاليف، كما سيجمع نظام فرعي للبيانات حسن التصميم على البيانات الوصفية بشأن أساليب التفتيش، ومؤهلات المفتشين، ومواعيد معايرة الاستشعار لدعم إمكانية مراجعة الحسابات، وقد تنطوي التحسينات المقبلة على إجراء فحص آلي للجودة باستخدام نظام مراقبة العمليات الرقمية.

النموذج والتحليل: ترجمة البيانات إلى بصير

أما النماذج فهي محرك نظام إدارة الدعم الميداني، وهي تحفيز سلوك النظم المادية في إطار سيناريوهات مختلفة، وتقسيم حجم المبادلات بين التكلفة والسلامة والاستدامة، وفي الهندسة المدنية، تشمل الأنواع النموذجية المشتركة نماذج محددة للاستجابة الهيكلية، والنماذج الهيدرولوية والهيدروليكية لتصميم مسارات الفيضانات، ونماذج تكاليف دورة الحياة لإدارة الأصول، ونماذج المخاطر المتكررة التي تُعِد عدم اليقين من متغيرات إلى الأداء المكثف.

ومن المهم أن يجسد النظام أفضل الممارسات في مجال التحقق من صحة النماذج - مثل مقارنة التنبؤات بالبيانات التاريخية، وإجراء تحليلات للحساسية، وافتراضات توثيقها، وينبغي أن يكون المستخدم قادراً على استكشاف تركيبات نموذجية بديلة (مثلاً، خطي ضد منحنىات تدهور غير خطي) وأن يرى مدى قوة القرارات الموصى بها في مختلف الخيارات النموذجية.

المستعملون: المهندسون الممتحنون والحواسيب

ولا جدوى من البيانات أو النماذج القوية، إذا لم يتمكن المهندسون من التفاعل معها بفعالية، ويجب أن يلبي الوصل بين المستعملين مجموعة من الخلفيات التقنية - من كبار مديري المشاريع الذين يريدون لوحات مختصرة عالية المستوى إلى المحللين المبتدئين الذين يحتاجون إلى الحفر في البيانات الأولية والبارامترات النموذجية.

• Visual analytics:] maps, charts, and Gantt timelines that reveal patterns and trade —offs.
• Scenario management:] the ability to duplicate, modify, and comparison multiple “-whatif” cases side by side.
• Explanation features:] clear textual or graphical traces showing how a recommended decision was derived from data and models.
• Export and interoperability:] integration with common engineering tools such as AutoCAD, Revit, Excel, and GIS platforms.

ومن الضروري أن تتجنب أساليب التصميم المصممة على أساس مستعمل - التحريات غير المباشرة، والاختبارات المكررة، واختبار القابلية للإستخدام مع المهندسين المدنيين الفعليين - إنشاء نظام رائع تقنيا ولكنه متجاهل عمليا.

المرونة والقابلية للتقسيم: الإعداد لمشاكل الغد

ويمكن أن تمتد مشاريع البنية التحتية إلى عقود، حيث لا بد من تغيير مصادر البيانات ومعايير الأداء والأولويات التنظيمية، ويجب تصميم نظام محكم لخدمات الدعم بحيث يستوعب أنواعا جديدة من البيانات )مثلا، الصور المبثقة عن الطائرات بدون طيار، وبيانات حركة المرور عن طريق الحشد(، ونماذج تحليلية إضافية )مثلا الصيانة التنبؤية القائمة على الطرق المتقدمة(، ونطاقات جغرافية أوسع دون الحاجة إلى إعادة بناء كاملة، مما يعني استخدام تصميم برامجيات مبسطة، ووصلات محددة جيدا في البرمجة التطبيقية )ال(.

كما أن قابلية التصعيد تنطبق على قاعدة المستخدمين والحمولة المكمّلة، ففي حالة الطوارئ مثل الزلزال الكبير، يمكن لمئات المهندسين أن يطلعوا في الوقت نفسه على خدمات الدعم الميداني لتقييم الأضرار وتحديد أولويات الإصلاحات، وينبغي للنظام أن يعالج ارتفاع الطلب من خلال موارد السحابية المرنة أو التجهيز الموزع.

مبادئ تصميم لمقاومة المتلازمة

وإلى جانب العناصر الفردية، تسترشد عدة مبادئ شاملة بتصميم نظم دعم القرارات التي يمكن الاعتماد عليها في القرارات الهندسية المدنية الحاسمة.

الموثوقية: الأداء المتماسك تحت الضغط

فالاعتماد يعني أن النظام يحقق نتائج صحيحة ويظل يعمل على مدى فترات مطولة، حتى عندما تكون المدخلات مزعجة أو غير كاملة، وتشمل التقنيات الرامية إلى تعزيز الموثوقية تخزين البيانات الزائدة عن الحاجة، واختبار الانحدار الآلي بعد أي تحديث نموذجي، ومعالجة الأخطاء القائمة على أساس مناولة هذه التحللات بشكل معقول (مثل استخدام نماذج أبسط عندما تكون البيانات متاحة حاليا).

وقد تترتب على فشل الموثوقية عواقب وخيمة، ففي عام 2013، أدى خطأ في تكامل البيانات في نظام أوروبي لأجهزة الأمن العام فيما يتعلق بعمليات الخزان إلى عدم صحة أوامر بوابة الإطلاق، مما أدى إلى حدوث الفيضانات في أسفل المجرى، مما يؤكد ضرورة وجود بوابات للتحقق من صحة البيانات وإجراء عمليات مستقلة للتدقيق في جميع الجوانب داخل النظام.

الشفافية: بناء الثقة من خلال التفسير

ويتعين على المهندسين والوكالات العامة فهم كيفية وصول نظام خدمات الدعم الانمائي إلى توصياته، فالشفافية تتجاوز ناتج " الصندوق الأسود " ، وينبغي أن يعرض النظام الافتراضات الرئيسية، ومصادر البيانات، والمعادلات النموذجية، ومواقف عدم التيقن المستخدمة في كل قرار، وهذا أمر مهم بصفة خاصة عندما تستخدم نواتج خدمات الدعم الانمائي لتبرير الإنفاق العام أو الموافقة التنظيمية.

• نتائج مشروحة تربط بين القياسات المستشعرة الأساسية أو عمليات المحاكاة.
• سجلات مراجعة الحسابات التي تسجل كل تفاعل للمستعملين وتنفيذ النماذج.
• مؤشرات الثقة (مثلاً، 90 في المائة من فترات التنبؤ) بدلاً من تقديرات نقطة واحدة.

كما تيسر الشفافية استعراض الأقران وتسمح لخبراء المجالات بالتحدي في الافتراضات غير الصحيحة، مما يؤدي إلى عملية أكثر دقة وديمقراطية لاتخاذ القرارات.

التكامل: الربط بين النظام الإيكولوجي

ولا يوجد مشروع هندسة مدنية في عزلة، إذ يجب أن تدمج دائرة خدمات الدعم الميداني مع النظام الإيكولوجي الرقمي الأوسع لمؤسسة التصميم أو وكالة المالك، ويشمل ذلك نظم تخطيط موارد المؤسسة من أجل بيانات الميزانية، وبرامج إدارة المشاريع مثل مشروع بريمفيرا أو مشروع نظام الرصد المتعدد الوسائط، وبرامج نموذج المعلومات المتعلقة ببناء نماذج المعلومات، وقواعد البيانات التنظيمية التي تتضمن شروطاً تسمح بها أو قيوداً بيئية، ويخفض التكامل من قفل البيانات ويكفل الاتساق، ويتيح للمؤسسة استخدام المعارف المؤسسية القائمة.

التكيف: التطور مع التغيير

ويمكن تعديل النظام دون بذل جهد كبير لإعادة التطوير، ويشمل هذا المبدأ التصميم القابلية للتكيف التقني (الوحدات المتعددة الأطراف والملفات الخاصة بالتشكيلات التي تخضع للرقابة) والقدرة على التكيف التنظيمي (تدفقات العمل التي تستوعب بروتوكولات أو أنظمة جديدة لصنع القرار) فعلى سبيل المثال، بعد اعتماد مدونة جديدة للبناء السيزمي، ينبغي أن تتيح إدارة الدعم الميداني للمهندسين تحديث عوامل التحميل القائمة على التخلف، وفئات المخاطر دون تكييف نظام حاسوبي.

التحديات التي تواجه بناء مرافق الدعم الميداني الآلية في مجال الهياكل الأساسية

ورغم الفوائد الواضحة، فإن العديد من التحديات المستمرة تعوق اعتماد نظم دعم القرارات في مجال الهندسة المدنية وفعاليتها على نطاق واسع.

نوعية البيانات ومدى توافرها

وهناك العديد من نظم البنية التحتية التي تفتقر إلى بيانات الرصد غير العادية والمتسقة اللازمة لتحديد النماذج والتحقق منها، إذ لم تكن الجسور القديمة، وخطوط الأنابيب، والطرق مجهزة بمعدات الاستشعار، ولذلك فإن عمليات تقييم الحالات تعتمد على عمليات التفتيش البصري غير المتكررة، وحتى عندما توجد بيانات، فإنها قد تكون في أشكال مختلفة عبر تقارير متعددة الوكالات - قوات الدفاع الشعبي، وصحائف النشر، وسجلات الدمج القديمة في قواعد البيانات، يجب على مصممي نظم التشغيل الاستخلاص الآلي.

تعقيد النظام وقبول المستعملين

ويزيد التعقيد أيضاً من خطر الحشرات ويجعل التدريب مرهقاً، ويتخذ تصميماً متأنياً، ويبدأ بنظام قابل للتطبيق على نحو لا يفي بمشاكل القرار الأكثر إلحاحاً، ويضيف أيضاً سمات عندما تبرره بحوث المستعملين، ولا يؤدي إشراك المستعملين النهائيين في جميع دورات التنمية المتكررة إلى الحد الأدنى من احتمالات بناء الثقة.

التعاون المتعدد التخصصات

ويتطلب تطوير نظام معزز لخدمات الدعم التعاون بين المهندسين المدنيين، وعلماء البيانات، ومطوري البرامجيات، والخبراء المؤثرين في البشر، وأصحاب المصلحة، وكثيرا ما تتكلم هذه الأفرقة لغات تقنية مختلفة ولديها أولويات متضاربة (مثلا، الدقة النموذجية مقابل الأداء في فترات السنتين). ويتطلب التعاون الفعال وجود إدارة مشتركة، ووثائق واضحة للاحتياجات، والاستعداد للنموذج الأولي والفشل السريع، وتقوم المنظمات التي تنجح في بناء نظام خدمات الدعم الميداني عادة بتعيين " مهندس مقرر " يسد الفجوة بين خبراء البرامجيات.

الاتجاهات المستقبلية: AI, Digital Twins, and Real-Time Analytics

وسيقود الجيل القادم من نظم دعم القرارات المتعلقة بالهندسة المدنية ثلاثة اتجاهات تكنولوجية.

الاستخبارات الفنية والتعلم الآتي

ويمكن أن تزيد نماذج التعليم الفيزيائي التقليدية بطرق عدة، ويمكن لنماذج التعلم الماكنة أن تتنبأ بتدهور المواد من بيانات الاستشعار بسرعة أكبر من محاكاة العناصر المحددة، وأن تتيح التعرف على النمط في صور التفتيش (مثل الكشف عن الشق في الخرسانة)، وأن تعجل جداول الصيانة القائمة على التواؤم عبر شبكة من الأصول، غير أن النماذج البحتة القائمة على البيانات تفتقر إلى الشفافية والفيزياء اللازمة لاتخاذ قرارات تتعلق بالسلامة.

ومن الأمثلة على ذلك استخدام التعلُّم في مجال تعزيز مراقبة إشارات المرور أثناء عمليات الإجلاء الطارئة، حيث يتعلم النظام استراتيجيات التوقيت المثلى التي تقلل من وقت السفر الكلي مع تحديد أولويات المركبات في حالات الطوارئ، وللاطلاع على مزيد من القراءة، انظر هذه الدراسة في يومية الحاسوب في الهندسة المدنية ] بشأن نظام الخدمات الإدارية المتكامل المعزز لإدارة الجسور.

التوائم الرقمية لدعم القرارات المستمرة

(أ) إذا طُبقت على البنية التحتية، فإن التوأم الرقمي يتيح ما يُحدث في الظروف الفعلية، مثلاً، تقييم أثر الحفر القريب على تسوية مبنى تاريخي، ويمكن أن تنتقل شبكة الـ دي إس إس التي تُبنى على منابر رقمية متبادلة من التحليلات الدورية (مثل تقرير سنوي عن البنية التحتية) إلى حد قريب من الدعم المتوالى في اتخاذ القرارات.

تحليل البيانات في الوقت الحقيقي والحساب الإلكتروني

فمع انتشار أجهزة الاستشعار المنخفضة التكلفة والأجهزة المتفجرة، يمكن أن يحدث دعم القرارات في الوقت الحقيقي، فعلى سبيل المثال، يمكن أن يقوم جهاز الأمن العام بتحليل القراءات التي تُعرض على أجهزة الاستنفار، كل دقيقة، وأن يقارنها بحواجز الأمان، وأن يخطر تلقائياً مشغلي الاضطرابات المحتملة قبل حدوث فشل كارثي.

الاستنتاج: توفير الدعم لاتخاذ القرارات في دورة حياة الهياكل الأساسية

(أ) تصميم نظم قوية لدعم القرارات في مجال الهياكل الأساسية للهندسة المدنية هو مسعى متعدد التخصصات يتطلب اهتماماً دقيقاً لنوعية البيانات، والشفافية النموذجية، وتفاعل المستعملين، والقدرة على التكيف في الأجل الطويل، حيث إن البنية التحتية تنمو أكثر فأكثر وأكثر تشدداً على ذلك من خلال تغير المناخ والتحضر، فإن القدرة على اتخاذ قرارات مستنيرة وقابلة للإثبات تصبح أكثر أهمية، وذلك بتطبيق المبادئ المحددة هنا لتعزيز كل عنصر أساسي، وتعزيز الشفافية، وإضفاء الطابع المؤسسي على التكنولوجيات الناشئة مثل المرفق الثاني والثالث والرقمي