ويُعد وصول الجيل الخامس من التكنولوجيا اللاسلكية، المعروفة عموما باسم 5 زاي، خطوة هامة إلى الأمام بالنسبة للصناعات التي تعتمد على تبادل البيانات شبه الثابت بالنسبة للهندسة، حيث تكون نقل البيانات والوصول إلى الشبكة في الوقت الحقيقي أمرا حاسما للرصد والمراقبة والتعاون، ويستحدث فريق التكنولوجيا القدرات التي كانت مقيدة سابقا بالقيود المفروضة على 4G و Wi-Fi.() وتستكشف هذه المادة كيف يُحسِّن 5G تحديداً التطبيقات الهندسية الحقيقية، ويُحَلُها.

فهم القدرات الأساسية للبيانات الهندسية

وقبل التخلّص من حالات استخدام هندسية محددة، من الضروري فهم ما يجعل 5G مختلفة اختلافاً جوهرياً عن سابقيها، وتُبنى التكنولوجيا على ثلاثة أعمدة أساسية: تعزيز النطاق العريض (eMB)، والاتصالات المنخفضة الموثوقة للغاية، والاتصالات الضخمة من النوع الآلي (MMTC)، ويعالج كل منها مباشرة نقاط ألم طويلة الأمد في نقل البيانات الهندسية.

وكثيرا ما تنطوي المشاريع الهندسية على نقل ملفات كبيرة - مثل نماذج السحب من الأشعة الليدائية، أو السحب من المسح الضوئي لليدار، أو سجلات الاستشعار ذات الاستبانة العالية - بين المواقع الميدانية ومكاتب التصميم ومرافق التصنيع، حيث يمكن أن يستغرق رفع ملف متعدد الأطراف دقائق، مما يؤدي إلى اختناقات في دورات التصميم المكرر.

المفاعل: المفاعل الحاسم لمراقبة الزمن الحقيقي

وفي حين أن السحب السريع للخطوط الرئيسية، فإن التساهل أكثر أهمية بالنسبة للتطبيقات الهندسية في الوقت الحقيقي.() وتظهر شبكات من طراز 4G عادة حالات متأخرة في المرحلتين ذهابا وإيابا تبلغ 30 إلى 50 مليمترا، وهذا التأخير، وإن كان مقبولا بالنسبة للتعبئة على شبكة الإنترنت، يصبح إشكاليا بالنسبة للتحكم عن بعد في الآلات، أو التشغيل عن بعد لنظم التغذية المرتدة من بعد.

كما أن انخفاض درجة الحرارة يحسن نوعية الوصول إلى الشبكة في الوقت الحقيقي لأغراض الهندسة، فالتطبيقات التي تبث بثاً مباشراً من الطائرات بدون طيار أو كاميرات التفتيش يمكن أن تقدم الآن فيديو سلساً وخفيض المستوى، مما يجعل عمليات التفتيش البصري عن بعد عملية أكثر بكثير مما كانت عليه في السابق.

توزيع الشبكات والأداء المحدد

وثمة ابتكار هام آخر هو قطع الشبكة. ويتيح 5 زاي للمشغلين إنشاء شبكات افتراضية متعددة على بنية أساسية مادية واحدة، ويعني ذلك بالنسبة لشركة هندسية أن بيانات الرقابة الحرجة يمكن أن تخصص لقطعة مخصصة ذات مرونة عالية وموثوقية عالية، في حين أن البيانات الأقل مراعاة للوقت (مثل تحديثات خطوط الأساس أو السجلات الروتينية) يمكن أن تسافر على شريحة موحدة.

الأثر على نقل البيانات الهندسية في الوقت الحقيقي

وتترجم القدرات التقنية لـ 5G مباشرة إلى تحسينات قابلة للقياس في كيفية نقل البيانات الهندسية وتجهيزها واتخاذ إجراءات بشأنها، فيما يلي المجالات الرئيسية للتأثير.

نقل البيانات الضخمة بشكل غير ثابت

ويعتمد المهندسون على ملفات البيانات الثقيلة ويستخدم المهندسون المدنيون توأم رقمي من 3D يمكن أن يكون عدة غيغابايت؛ ويتقاسم المهندسون الميكانيكيون نتائج تحليل العناصر المحددة التي تحتوي على ملايين نقاط البيانات، ويمكن تحميل هذه الملفات من الميدان إلى السحابة أو إلى خادم مركزي في ثوان، مما يتيح وضع نموذج جديد لـ من حيث سرعة تكامل الموقع [LFT].

أشعة الشمس و الأيوت

كما أن النظم الهندسية الحديثة تكثف مع أجهزة الاستشعار، وقد يكون للمصنع الذكي آلاف درجات الحرارة، والاهتزاز، والضغط، والمجسات القريبة التي تغذي البيانات في نظام المراقبة المركزي. وكثيرا ما تكافح شبكات الغازات الأربع لمعالجة الروابط المتزامنة ومنافذ إنتاج البيانات المطلوبة.

انخفاض الخسائر في الكواليس وإعادة النقل

وفي نقل البيانات اللاسلكية، تؤدي الخسائر في الحزم إلى إعادة نقلها، مما يؤدي إلى التقلب والتأخير. ويستخدم الفريق العامل التقنيات المتقدمة لتصحيح الأخطاء وتقنيات التضخيم للحفاظ على معدلات منخفضة جداً لخطأ الحزم، أما بالنسبة للتطبيقات الهندسية التي تتسم فيها سلامة البيانات بأهمية حاسمة - مثل نقل القياس عن بعد من مركبة مستقلة أو بيانات صحية هيكلية من جسر - فإن موثوقية الـ 5G تقلل من الحاجة إلى التحقق من البيانات اليدوية وتضمن أن المعلومات التي تصل إلى مركز المراقبة دقيقة ومناسبة التوقيت.

Transforming Web Access for Engineering Teams

وبالإضافة إلى نقل البيانات الخام، يقوم 5G بإعادة تشكيل كيفية وصول المهندسين والتقنيين إلى الأدوات القائمة على شبكة الإنترنت، ولوحات الرماية، ومنابر التعاون من المواقع النائية.

Remote Access to Engineering Applications

وكثيرا ما يحتاج المهندسون إلى الحصول على تطبيقات كثيفة الموارد مثل برامجيات البرمجيات التي تستخدمها الهيئة الحكومية الدولية المعنية بالتنمية/البرنامج الوطني الصيني (]، أو منابر نظام المعلومات الجغرافية، أو بيئات المحاكاة من المواقع الميدانية، وكان ذلك يتطلب إما بيانات عن التقاط الصور محليا أو التعامل مع تجارب البرمجيات المكتبية المتذبة على مدى 4 زاي.

تعزيز التعاون عن طريق الفيديو العالي المولدات ورابطة الحقوقيين

ولا يتعلق الوصول إلى الشبكة بالبيانات فحسب، بل يتعلق بالاتصالات. فالمجموعة تتيح توزيع الفيديو على أشرطة عالية التعريف، ومتعددة الأطراف حتى في المواقع ذات الهياكل الأساسية المحدودة اللاسلكية، والأهم من ذلك أنها تجعل من الواقع المحظور (AR) ، غير عملي للحصول على مساعدة عن بعد، مثلا، يمكن لأخصائي تقني ميداني يرتدى نظارات عن طريق البحث عن معلومات عن مسارات عمل جديدة أن يتلقى توجيهات عن طريق موقع عمل.

التكامل الحاسوبي

5G networks are tightly integrated with multi-access edge computing (MEC)].() By placing computing resources at the network edge, close to where data is generated, MEC reduces the round-trip time for web-based applications.() For an engineer monitoring a remote pump station via a web dashboard, the sensor data can be processed at the

التطبيقات الهندسية الرئيسية التي حوّلها 5G

والجمع بين السرعة العالية، والضعف، والربط الهائل، والحوسبة الحادة، يتيح تدفقا جديدا ومحسنا للعمل الهندسي عبر قطاعات متعددة.

Smart Factories and Industry 4.0

وقد تحركت هندسة التصنيع نحو عمليات آلية تماماً ومحركة البيانات. ويعمل هذا المشروع على أساس العمود الفقري اللاسلكي للصناعة 4.0 في مصنع ذكي، ويتواصل مع بعض الروبوتات المتنقلة المستقلة، ويقارن جهاز التحكم المركزي بوصلات كثافة منخفضة تبلغ 5 جي، مما يسمح للمصنع بإعادة تشكيل خطوط الإنتاج بصورة دينامية استجابة للتغيرات في نظم التحكم في جودة الكابلات.

رصد الصحة الهيكلية

وتزداد صقلات الجسور والسدود والأنفاق والمباني بواسطة أجهزة الاستشعار التي تقيس السلالات والثدي والهتز والدرجات الحرارية، وتسجل هذه البيانات محلياً وتُحمَّل بصورة دورية، مما يؤخر الكشف عن الشذوذ، حيث يمكن لنظم الرصد الهيكلي، التي تبلغ مساحتها 5 جي، أن تبث البيانات في الوقت الحقيقي إلى منصة مركزية للتحليلات، إذا ما اكتسبت الجسور نشاطات حيوية بعد ثواني.

المركبات المستقلة ذاتيا والمتصلة

وتعتمد هندسة المركبات المستقلة على التبادل المستمر للبيانات بين المركبة وبيئتها. ويمكن أن يكون الاتصال بين المركبات ذات الشق الثاني البالغ الصغر والمركبات ذات الحركة المنخفضة الحجم، أي أقل من عشر مركبات، أن يتبادل البيانات القابلة للاعتراض مع بعضها البعض ومع هياكل المرور الأساسية.

Remote Robotics and Hazardous Environment Operations

وفي حالات التوقف عن العمل النووي، أو التفتيش تحت الماء، أو التعدين، كثيرا ما يقوم المهندسون بنشر روبوتات لأداء مهام في ظروف خطرة جدا بالنسبة للبشر. ويتيح هذا الرقم مستوى من التموين عن بعد كان مستحيلا في السابق على الروابط اللاسلكية، حيث أن المتأخرات في المرحلتين تحت ٥ ملي من الثانية، يشعر المشغل بأنه رغم أنها تسيطر مباشرة على الروبوتات، كما يمكن أن تتكامل نظم التغذية المرتدة الهباتية حيث تقوم قوة المعلومات عن طريق أجهزة آلي.

التوائم الرقمية والحياكة

فالتوأم الرقمي هو نسخة طبق الأصل من نظام مادي يجري تحديثه في الوقت الحقيقي مع بيانات الاستشعار، ويستخدم المهندسون التوأم الرقمي لتحفيز الأداء، والتنبؤ بالفشل، والارتقاء بالعمليات على النحو الأمثل.

التحديات في نشر 5 زاي في قضايا الاستخدام الهندسي

وفي حين أن الفوائد كبيرة، هناك عقبات عملية يتعين على المنظمات أن تتصدى لها عند اعتماد 5 زاي لنقل البيانات الهندسية.

كثافة التغطية وقلة النشر

وتعطي فرق الترددات العالية ٥ زاي أعلى سرعة ولكن لها نطاق محدود وتسرب ضعيف من خلال العقبات، وبالنسبة لموقع صناعي كبير مثل مصنع أو مصفاة، يتطلب نشر شبكة خاصة شاملة من ٥ زاي وضعا دقيقا للخلايا الصغيرة.

التكلفة والتعقيد

(ب) إنشاء شبكة خاصة من الفئة 5 زاي يتطلب الاستثمار في رخص الطيف، ومحطات الأساس، والهياكل الأساسية للشبكة، والتكامل مع النظم القائمة لتكنولوجيا المعلومات/الفوائد، وقد تكون التكلفة الأولية بالنسبة للشركات الهندسية الصغيرة والمتوسطة باهظة، غير أن ظهور شبكة من شركات النقل العام وتوافر حلول مكرّسة للمؤسسة 5 زاي (مثل تلك التي تُستمد من .

الأمن وسيادة البيانات

ومع وجود المزيد من الأجهزة الموصلة وزيادة البيانات التي تتدفق على الروابط اللاسلكية، يتسع نطاق سطح الهجوم، ويجب حماية النظم الهندسية التي تتحكم في العمليات المادية من التهديدات الإلكترونية.() ويشمل هذا الرقم خصائص أمنية مبنية مثل خصوصية هوية المشتركين وعزلة الشبكة، ولكن على المنظمات أيضا أن تنفذ التشفير النهائي، والجهاز الآمن على متن السفن، والمراجعات الأمنية المنتظمة، علاوة على أن البيانات التي تُنتج في إحدى الولايات القضائية قد تخضع لقوانين تخزين البيانات المحلية.

المستقبل: 5G-Advanced and 6G Outlook

وتوجد بالفعل هيئات معنية بالمعايير تعمل في 5G-Advanced (3GPP Release 18 and beyond)، مما سيحقق مزيدا من التحسينات في دقة الموقع وكفاءة الطاقة ودعم إقامة شبكات مراعية للوقت (TSN).

وفي المستقبل، تقوم 6G ببحث ترددات تيراهرتز والاستشعار المتكامل والاتصال، والهدف هو تحقيق معدلات الارتطام والبيانات في المئات من الغبارات في المنطقة دون الإقليمية، وبالنسبة للمهندسين، يمكن لهذه القدرات أن تتيح التعاون الهولوغرافي في الوقت الحقيقي، حيث يظهر نموذج ثلاثي الأبعاد في حيز معزز مشترك، أو توأم رقمي فوري حقاً يتوقع حدوث إخفاقات قبل حدوثها.

وكما هو الحال بالنسبة لأي تكنولوجيا تحولية، فإن اعتماد 5G في مجال الهندسة يتطلب نهجا استراتيجيا، فالشركات التي تستثمر في الهياكل الأساسية اللازمة، وترفع مستوى قوة العمل لديها، والشريك في تقديم خدمات الاتصالات السلكية واللاسلكية والبائعين في مجال التكنولوجيا، ستكون في أفضل وضع للاستفادة من القفزة في نقل البيانات في الوقت الحقيقي والوصول إلى الشبكة.

For further reading on technical standards and industrial applications, refer to resources from the National Institute of Standards and Technology (NIST)] and the ]IEE Future Networks Initiative].

خاتمة

ولا يشكل وصول 5G مجرد تحسين تدريجي في التكنولوجيا اللاسلكية؛ فهو عامل تمكين أساسي للجيل القادم من النظم الهندسية، إذ أنه يوفر سرعة تقضي على اختناقات نقل الملفات، والتأخر في العمل على التحكم عن بعد والتعاون في الوقت الحقيقي، والقدرة على ربط صفائف أجهزة الاستشعار النضج، فإن 5G تعالج مباشرة التحديات الأساسية في نقل البيانات الهندسية والوصول إلى الشبكة العالمية.