Table of Contents

وقد أعادت التكنولوجيا الرقمية المزدوجة تشكيل الطريقة التي تتبع بها الصناعات تحليل المخاطر ورصد السلامة، ومن خلال إنشاء نماذج افتراضية دقيقة للنظم المادية، يمكن للمنظمات أن تحاكي وتحلل وتتوقع المخاطر المحتملة بدقة غير مسبوقة، وهذه الاستراتيجية الاستباقية تقلل المخاطر وتخفض التكاليف وتعزز إدارة السلامة العامة.

Understanding Digital Twin Technology

والتوأم الرقمي هو تمثيل افتراضي دينامي ومحرك للبيانات لموجودات أو عمليات أو نظام مادي، خلافا للنماذج الثابتة 3D، يتزامن التوأم الرقمي باستمرار مع نظرائهم في العالم الحقيقي من خلال أجهزة الاستشعار، والأجهزة المتفجرة، والحساب الحاشف، ويتيح هذا التكامل للبيانات الحية للتوائم أن يجسد الظروف الراهنة، والولايات التشغيلية، ومقاييس الأداء في وقت قريب من الوقت الحقيقي.

ويعتمد التوأم الرقمي على ثلاثة عناصر أساسية: الأصول المادية المجهزة بقدرات الاستشعار؛ والهياكل الأساسية للاتصالات التي تتدفق البيانات إلى قاعدة سحابية أو على أساس افتراضي؛ ونموذج حاسوبي يستخدم المحاكاة الفيزيائية أو التعلم الآلي أو التحليل الإحصائي لتفسير البيانات؛ ونتيجة لذلك، يكون نموذجا حيا يتطور مع عصر الأصول أو ارتدائه أو يواجه ظروفا بيئية جديدة.

وقد انبثقت هذه الفكرة بسرعة إلى الطاقة والبناء والرعاية الصحية واللوجستيات، ووفقا لتقرير صدر في عام 2023 عن Gartner ]، فإن أكثر من 60 في المائة من المنظمات الصناعية الكبيرة تخطط لنشر التوأم الرقمي في غضون السنتين القادمتين، ويغذي هذا النمو انخفاض تكاليف أجهزة الاستشعار، وتحسين حساب السحب، والحاجة الملحة إلى عمليات أكثر أمانا وأكثر مرونة.

دور التوائم الرقمية في تحليل المخاطر

ويعتمد تحليل المخاطر تقليديا على البيانات التاريخية، وعلى حكم الخبراء، وعمليات التفتيش الدورية، وفي حين أن هذه الأساليب فعالة، فإنها كثيرا ما تفوت المخاطر الناشئة التي تظهر بين عمليات التفتيش.() ويملأ التوأم الرقمي هذه الفجوة بتقديم تعريف مستمر للمخاطر يستند إلى سيناريوهات معينة، ويمكن لأفرقة السلامة أن تجري محاكاات " ما إذا كانت " تشدد على النظام بطرق قد تكون خطرة أو باهظة الثمن لاختبار الأصول المادية.

محاكاة السيناريو

ومن شأن تبسيط مجموعة واسعة من السيناريوهات التشغيلية أن يساعد الأفرقة على فهم كيفية التصرف في نظام ما في ظل ظروف غير عادية، مثلا، يمكن أن يؤدي التوأم الرقمي من منصة نفطية بحرية إلى حدوث انخفاض مفاجئ في الضغط، أو صمام أمان مُغلق، أو ظروف عواصف شديدة، ويتوقع التوأم ارتفاع درجات الحرارة، والإجهاد في المعدات، ومسارات التسرب المحتملة، مما يتيح للمهندسين تصميم تدابير مضادة قبل حدوث السيناريو الحقيقي.

وفي دراسة أجريت على شبكة " FLT:0 " للناسا، استخدمت التوأم الرقمي من هياكل الطائرات في محاكاة الشقوق البدينة والتآكل على مدى عمر الأسطول، مما مكّن الوكالة من تحقيق أقصى درجات التفتيش وتجنب الفشل الكارثي، وينطبق نفس المبدأ على النباتات الصناعية وشبكات الطاقة والمركبات المستقلة.

تقييم المخاطر وتحديد الأولويات

ويوفر التوأم الرقمي طريقة منظمة لقياس المخاطر، إذ يمكن للتوائم، من خلال الجمع بين بيانات الاستشعار في الوقت الحقيقي وبين مكتبات نمط الفشل، أن يخصصوا درجات الاحتمال لكل خطر محتمل، ثم يقوم محللو السلامة بتحديد أولويات تدابير التخفيف استنادا إلى الاحتمالات والدرجة، بدلا من الاعتماد فقط على الحدس.

فعلى سبيل المثال، يمكن أن يُعلّم التوأم الرقمي لمصنع المعالجة الكيميائية مضخة تحمل ارتفاعاً أعلى من درجة حرارته العادية، ويحسب النظام خطر الفشل في الختم، ويقارنه بالمواد القابلة للاشتعال القريبة، ويوصي بالنفقة الفورية أو القيود التشغيلية، ويحدّد هذا النهج المستهدف من البقع العمياء ويمنع تصعيد القضايا الثانوية إلى حوادث رئيسية.

عدم وجود طريقة وتحليل للآثار

ويعزز التوأم الرقمي البيانات التقليدية المتعلقة بالأمومة والصغيرة والمتوسطة الحجم بتوفير البيانات التجريبية بدلا من الافتراضات النظرية، وبدلا من تقدير معدلات الفشل من الجداول المنشورة، يستخدم التوأم اليقظة الحية، والثغرة الحرارية، والبيانات الصوتية لتحديث درجات المخاطر بصورة دينامية، وهذه الحلقة المستمرة من التغذية المرتدة تحسن الدقة وتساعد الأفرقة على اكتشاف أنماط الفشل الجديدة التي لم تكن موثقة أصلا.

تعزيز رصد السلامة باستخدام بيانات الزمن الحقيقي

ولا يمكن أن يستمر رصد المخاطر إلا نصف عملية رصد المعادلة - السلامة طوال دورة حياة الأصول، فالتوأم الرقمية تتفوق هنا لأنها تبث بيانات من مئات أو آلاف أجهزة الاستشعار وتطبق التحليلات لتحديد الشذوذ فورا.

الصيانة الافتراضية

فالالصيانة الافتراضية هي أحد أكثر التطبيقات نضجاً في مجال رصد السلامة الرقمية المزدوجة، ومن خلال تتبع البارامترات مثل الاهتزاز، ودرجة الحرارة، والسحب الحالي، ونوعية التشحيم، يمكن للتوائم التنبؤ بمواد الفشل التي يرجح أن يتحول فيها عنصر من الصيانة إلى " الاستجابة " أو الوقاية (تتم تحديد الجدول الزمني) إلى نظام قائم على الظروف، ونتيجة لذلك تقل معدلات التجاوز غير المخططة، وظروف العمل الأكثر أماناً بالنسبة لطاقم الخطرة التي لا تحتاج إلى الصيانة.

ويأتي مثال للعالم الحقيقي من اللصوص ]، الذي يستخدم التوأم الرقمي لرصد توربينات الغاز في محطات توليد الطاقة، ويتوقع التوأم ارتداء اللبوم وعدم استقرار الاحتراق، مما يسمح للمشغلين بتحديد مواعيد الصيانة خلال فترات متدنية وتجنب حالات الإغلاق الطارئة التي يمكن أن تعرض التقنيين إلى حرارة شديدة أو غازات سامة.

السلامة البيئية وكشف الحالة الخطرة

فالرصد البيئي أمر حاسم في صناعات مثل التعدين، والصناعة الكيميائية، وبناء النفق، ويمكن للتوائم الرقمية جمع البيانات من كاشفات الغاز، ومجسات درجة الحرارة، ومسمار الرطوبة، ومراقبي التدفق الجوي لخلق صورة مركبة للسلامة، وإذا كشف التوأم عن ارتفاع بطيء في مستويات كبريتيد الهيدروجين، فإنه يمكن أن يؤدي إلى إجراء تعديلات في التهوية، وأن يخطر العمال القريبين كلهم قبل أن يصل التركيز إلى عتبة خطرة.

وفي مجال السلامة في المباني، يقوم التوأم الرقمي من الهياكل الذكية برصد الإنذارات بالحريق ونظم الرشاشات والمخارج الطارئة في الوقت الحقيقي، وفي أثناء حادث فعلي، يمكن للتوائم أن يرشد المستجيبين الأولين عن طريق تحفيز انتشار الدخان أو الحرارة، وتوفير طرق الإجلاء الخالية من المخاطر.

الاستجابة للحوادث والإنعاش

وعندما تقع حادثة ما، يصبح التوأم الرقمي أداة للطب الشرعي بعد وقوع الأحداث، ويمكن لمحققي السلامة أن يعيدوا صياغة الأحداث، وأن يقارنوا القراءات الحساسية الفعلية بالتنبؤات المحاكاة، وأن يحددوا الأسباب الجذرية بمزيد من الدقة، مما يعجل بالتعلم ويساعد على تنفيذ إجراءات تصحيحية تمنع تكرارها.

فعلى سبيل المثال، بعد حفر محطات توليد الطاقة النووية، يمكن للتوائم الرقمي أن يبين بالضبط كيف تطورت الضغوط الاحتواءية، حيث تم تفعيل نظم الأمان، وما إذا كانت ردود المشغلين متوافقة مع الإجراءات، وهذه الأفكار تحسن التدريب وتصميم الإجراءات دون تعريض أي شخص للإشعاع الحقيقي.

تطبيقات الصناعة على السلامة الرقمية

ولا تقتصر التكنولوجيا الرقمية على قطاع واحد، بل إن مرونته تجعله قيماً حيثما توجد مخاطر.

التصنيع والتأهيل الصناعي

وتحتوي طابقات المصانع على أسلحة روبوتية، وموصلات، ومطابع، وحمامات كيميائية، ويقوم التوأم الرقمي بتحفيز خطوط الإنتاج لتحديد نقاط الصنوبر، والمخاطر الحرارية، ومخاطر مناولة المواد، كما يرصدون قرب المشغل باستخدام أجهزة التصوير والمجسات القابلة للارتطام، مما يؤدي إلى تباطؤ تلقائي إذا دخل العامل منطقة الخطر، وتستخدم شركة فورد موتور، على سبيل المثال، توأم رقمية في مواجهة مخاطر التآكلة.

النفط والغاز

وتواجه العمليات في المراحل الأولى والمتوسطة والخلفية مخاطر متفجرة وضغوط عالية ومواد سامة، وتواجه التوأم الرقمي من معدلات التآكل النموذجية للأنابيب، وعمليات الضغط، وتكاثر التسرب، وفي المصافي، يُفضّل التوأم إلى حد التعرض للمركبات المتطايرة، وتستخدم منابر الشاطىء التوأم لتحفيز طرق الإجلاء في حالات الطوارئ في ظل ظروف قائمة، بما يكفل وصول قوارب النجاة إلى حد ما يلحق الضرر باله.

التشييد والهياكل الأساسية

ومواقع البناء خطرة بشكل ملحوظ، مع مخاطر من الأجهزة الثقيلة، والسقوط، والهيكلات التصادمية، ويتتبع التوأم الرقمي لمشاريع البناء مواقع العمال، وحمولات الرافعات، وفترات التعالج الملموسة، ويمكنهم أن يلموا إذا كان هناك ضغط زائد أو إذا كان العامل ثابتا بالقرب من سطح ساخن لفترة طويلة جدا، وبعد البناء يصبح التوأم جزءا من دليل عمليات المبنى، مما يُبلغ عن خطط السلامة أو يُلغي الانطلاق.

الرعاية الصحية وسلامة المختبرات

وتستخدم المستشفيات التوأم الرقمي لرصد البيئات المعقمة، والتدفق الجوي في غرف العزل، والتخزين الكيميائي في المختبرات، وتساعد المحاكاة على تخطيط مخططات تقلل من التلوث عبر الحدود وتضمن اختبار نظم الطاقة في حالات الطوارئ على النحو المناسب، وفي صناعة المستحضرات الصيدلانية، يؤكد التوأم أن مستويات ضغط غرف النظافة لا تزال متوافقة مع ذلك، مما يحول دون تلوث العقاقير البيولوجية.

النظم المستقلة والمدن الذكية

وتعتمد المركبات الآلية والطائرات الآلية على التوأم الرقمي لاختبار سيناريوهات الحواف بأمان، ويمكن لتوائم من نظام حركة المرور في المدينة أن يحفز أثر سيارة ذاتية الدفع تعاني من إخفاق في الاستشعار، ثم يقترح تخفيفاً من قبيل المناطق البطيئة التي تتفاخر أو تتحول إلى مناطق تباطؤ في التقلبات الأرضية.

تحديات التنفيذ والحلول

ورغم الفوائد الواضحة، فإن نشر تكنولوجيا التوأم الرقمية لتحليل المخاطر يأتي مع العقبات التي يجب على المنظمات أن تبحر.

التكاليف الأولية المرتفعة ومبررات روي

ويتطلب بناء توأم رقمي الاستثمار في أجهزة الاستشعار، والربط، وتخزين البيانات، والخبرة في مجال النماذج، وقد لا تتحقق العودة إلى الاستثمار لشهور أو سنوات، لا سيما عندما يصعب قياس الفوائد المتعلقة بالسلامة كميا، وفي معالجة هذا الأمر، كثيرا ما تبدأ الشركات بمشروع تجريبي يركز على أصل حاسم واحد، ثم تضخم بعد إثبات القيمة، كما يمكن أن تؤدي اتحادات الصناعة التعاونية والمنح الحكومية إلى الحد من العبء الأمامي.

تكامل البيانات وإمكانية التشغيل المتبادل

وكثيرا ما تعيش بيانات الأصول في سلوس - سادا، ودائرة إدارة الشركات، ونظام تخطيط الموارد في المؤسسة، ومنابر إيوت، حيث إن إدماج هذه البيانات في نموذج واحد يتطلب معايير موحدة لإدارة الموارد البشرية، وإدارة البيانات، والإطار المتوسط، واعتماد معايير مفتوحة مثل هيكل إدارة الأصول، أو إطار اتحاد التوأم الرقمية، يسهل التكامل، ويوفِّر كثير من البائعين الآن وصلات سابقة للبناء للبروتوكولات الصناعية المشتركة.

أمن الفضاء الحاسوبي وخصوصية البيانات

فالتوأم الرقمي الذي يعكس نظام مراقبة النبات هو هدف جذاب للمهاجمين، وإذا ما تعرض للضرر، يمكن استخدام التوأم في التخطيط للتخريب البدني أو لإطعام بيانات زائفة للمشغلين، وتشمل التخفيف تقسيم الشبكة، وتبريد البيانات في العبور وفي الراحة، والضوابط الصارمة على الدخول، واختبار التغل بانتظام، وتختار بعض المنظمات الاحتفاظ بنماذج مزدوجة في بيئة سحابية معزولة.

ألعاب المهارات والتغيير التنظيمي

ويتطلب التوأم الرقمي مهارات تدمج الخبرة في مجال السلامة مع علوم البيانات، والمحاكاة، وتكنولوجيا المعلومات، ومعظم أفرقة السلامة تفتقر إلى هذه القدرات في البداية، ويساعد تحسين مهارات الموظفين الحاليين من خلال برامج التدريب، ويوظف أخصائيين في الهندسة الرقمية التوأم على سد الفجوة، كما أن إدارة التغيير مهمة بنفس القدر، ويجب على العاملين أن يثقوا بتوصيات التوائم وأن يفهموا أنها تزيد من أحكامهم بدلاً من أن تحل محلها.

الاتجاهات المستقبلية في رصد السلامة الرقمية

ويتطور الميدان بسرعة، مدفوعاً بتطورات في الاستخبارات الاصطناعية، والحوسبة الحادة، والربط.

التحليل الافتراضي المدفوع بـ AI-Powered

ويمكن الآن أن تكشف نماذج التعلم من الآلات التي تُضمّنها التوأم الرقمي عن وجود سلائف خاطفة للأخطار التي قد تُفقدها البشر أو العتبات البسيطة، ويمكن للتعلم العميق على البيانات الصوتية أن يحدد العوامل التي تُحدّد من عدم وجود أنماط ضوضاء، ويمكن للتعلم من أجل تعزيز القدرة على تحقيق الحد الأمثل لمواقع صمامات الأمان أثناء حالة من الاضطرابات، حيث ينضج التوائم سيصبحون مستقلين بشكل متزايد في التوصية بإجراءات السلامة أو الشروع فيها.

التوائم الرقمية للعمال البشريين

فالأجهزة والرؤية الحاسوبية المستقرة تسمح بإنشاء " توأم رقمي بشري " يتتبع علم الفيزيولوجيا والزمن والموقع، وهذه النماذج تحذر المشرفين عندما يظهر العامل علامات الإجهاد الحراري أو يقترب من منطقة محظورة، وفي المستقبل، يمكن وضع بروتوكولات الأمان الشخصية استنادا إلى بيانات الصحة في الوقت الحقيقي للفرد.

وضع المعايير التنظيمية

وبدأ منظمو مثل مكتب تنسيق الشؤون الإنسانية، ووكالة الفضاء الأوروبية، والاتحاد الأوروبي في الاعتراف بالتوأم الرقمي كأدوات صالحة لإثبات الامتثال، وتبرز المعايير حول التثبت من صحة البيانات، ودورات تحديث النماذج، وقد تستفيد الشركات التي تعتمد توأم رقمي في وقت مبكر من تبسيط عمليات مراجعة الحسابات وتخفيض المسؤولية.

التكامل مع الخيوط الرقمية و PLM

والتوائم الرقمي هو جزء من خيط رقمي أكبر يربط بين التصميم والتصنيع والعمليات ووقف التشغيل، وبربط تحليل المخاطر من مرحلة التصميم إلى مرحلة التقاعد، يمكن للشركات أن تغلق حلقة الأمان، فعلى سبيل المثال، يمكن لتغيير التصميم الذي يتم في نظام CAD أن يستكمل تلقائيا التوأم، الذي يعيد إجراء محاكاة المخاطر قبل تعديل الأصول المادية.

خاتمة

وقد انتقلت التكنولوجيا الرقمية المزدوجة من أداة هندسية متقدمة إلى عنصر أساسي من التحليل الحديث للمخاطر ورصد السلامة، وقدرتها على محاكاة السيناريوهات التي لا تحصى، وكشف أوجه الشذوذ في الوقت الحقيقي، والتنبؤ بالفشل قبل حدوثها، يعطي المهنيين العاملين في مجال السلامة مستوى من الرؤية كان سابقا غير قابل للاستدامة، وقدرة الصناعات التحويلية إلى الرعاية الصحية على جني الفوائد في الحوادث المخفضة، والتكاليف الأقل، والعمليات الأكثر كفاءة.

ويتطلب التنفيذ تخطيطاً متأنياً، واستثماراً، وتغييراً ثقافياً، ولكن الدفعات في مجال الحد من المخاطر كبيرة، إذ أن التوائم الرقمية، والوصلية، ستظل تتحسن، لن تزداد القدرة على الاستجابة، ولا يمكن الوصول إليها، ولن تمتثل المنظمات التي تعمل الآن لمعايير السلامة المتطورة فحسب، بل تضع أيضاً معياراً تنافسياً للامتياز التشغيلي، وينبغي أن يقيم قادة الأمان أي أصولهم الحيوية التي يمكن أن تستفيد منها استفادة أكبر من التوأمة وأن يبدأوا في تقليد نموذج الانتشار الفعلي، وذلك عندما يتحول إلى حد بعيد،