استخدام تكنولوجيا التوأم الرقمية في نظام السكك الحديدية الخفيف

العناصر الأساسية لتركيب رقمي للسكك الحديدية الخفيف

ويرتكز التوأم الرقمي القوي للسكك الحديدية الخفيفة على ثلاث طبقات أساسية: اقتناء البيانات، والتكامل، والنمذجة، والمحللين، والتصوير.

الحصول على البيانات عن طريق أجهزة الاستشعار عن طريق الساتل آيوت

ويُعد النظام المادي مجهزاً بمئات إلى آلاف أجهزة الاستشعار عن طريق شبكة الإنترنت، وهي تقيس على أجزاء السكك الحديدية، ودرجة حرارة محركات الارتباك، وتبديل الترددات في المواقع، وأرقام دورة الأبواب، وأرقام الركاب عن طريق كاميرات المراقبة الجوية أو شبكة الإنترنت، وحتى ظروف الطقس.

منابر التكامل والنمذجة

وتُجمع البيانات في مجرى سحابي أو على منصة توأم رقمي، وتشمل الحلول الرائدة شركة Siemens Xcelerator, Microsoft Azure Digital Twins, and Bentley Systems iTwin, these platforms create a semantic model-often using open standards like DTDL (Digital Twins Definition Language) - التي تربط بين الأصول والنظم والتاريخ المادي وعمليات الصيانة.

التحليلات والتصوير

وتُستخدم نماذج التلميذات والفيزياء على رأس البيانات المتكاملة للتنبؤ بالفشل، وتعظيم الجداول، وكشف حالات الشذوذ، وتتيح لوحات الدافئة والوصلات البينية لأجهزة الصرف الصحي/العمليات المزودة بالأشعة فوق البنفسجية للمشغلين رؤية الشبكة بأكملها في 4 دال (3 دال زائداً من الزمن)، أو حفرها في مظلة فرعية محددة، أو تنفيذ سيناريوهات من قبيل: ما يحدث لاستهلاك الطاقة إذا خفضنا بنسبة 10 في المائة

التطبيقات الرئيسية في مجال تحقيق الاستخدام الأمثل للسكك الحديدية الخفيفة

الصيانة الافتراضية للموجودات الحرجة

واحد من أكثر الاستخدامات تأثيراً للتكنولوجيا الرقمية التوأم هو الصيانة المتوقعة بدلاً من استبدال أجزاء من فترات ثابتة التي تُنفق فيها النفايات أو تُلحق بفشل في التشغيل متأخر جداً يمكن أن تحدد الصيانة بالضبط عند الحاجة، وبالنسبة للسكك الحديدية الخفيفة، والأسلاك المموَّلة، وأجهزة التصفير المتحركة، ونظم المكابح، فإن النماذج الرقمية المزدوجة ترتدى أنماطاً قائمة على الاستخدام، ودرجة الحرارة، ونسبة الحمل.

التشغيل والكفاءة في استخدام الطاقة

وكثيرا ما يواجه مشغلو السكك الحديدية الخفيفة أهدافا متضاربة: تقليل فترات انتظار الركاب إلى أدنى حد مع الحد من ذروة الطاقة وتجنب الازدحام، ويمكن للتوائم الرقمي أن يحفز آلاف من فترات التدفئة الزمنية في دقائق، ويُعدّ نموذجا لتدريب منحنى التسارع، والطاقة المتجددة، وعوامل تحميل الركاب، وزمن الإقامة في محطات، ويُعد الناتج جدولا زمنيا مُثليا يُوازن بين مستويات التراكمة، واسته، واسته، ومتوسطة، ومتوسطة، ومتوسطة، ومتوسطة، ومتوسطة، ومتوسطة، ومتوسطة، ومتوسطة، ومتوسطة، ومتوسطة، ومتوسطة، ومتوسطة، ومتوسطة، ومتوسطة، ومتوسطة، ومتوسطة، ومتوسطة، ومتوسطة، ومتوسطة، ومتوسطة، ومتوسطة، ومتوسطة، ومتوسطة، ومتوسطة، ومتوسطة، ومتوسطة، ومتوسطة، ومتوسطة، ومتوسطة، ومتوسطة، ومتوسطة، ومتوسطة، ومتوسطة، ومتوسطة، ومتوسطة، ومتوسط

سلامة التوقيت الحقيقي والاستجابة للحوادث

وتمتد عمليات تعزيز السلامة إلى ما يتجاوز نظم تجنب الاصطدام، ويدمج التوأم الرقمي البيانات المستمدة من أجهزة استشعار المعابر من الدرجة، وأبواب حافة المنصات، وأجهزة إنذار السائقين، وعندما يتم اكتشاف إعاقة محتملة، يحذر المشغلان التوأم ويحسبان أكثر أجهزة التكفير أمنا، وفي حالة الطوارئ مثل جهاز تعقب المسار، يمكن للتوائم الرقمي أن يعيد تلقائيا تشغيل أجهزة الإنذار في جميع المعابر القريبة، ويرسل خدمات الطوارئ ذات التنفيذ الدقيق البالغ عددها 20 ساعة.

خبرة المسافرين وتصميم المحطة

كما أن التوأم الرقمي يحسن رحلة الركاب، إذ يقوم بعض النظم بتحليل أنماط سقوط الأقدام من بوابات التذاكر وأجهزة تسجيل الواي فاي، وبتحسين وضع العلامات على الوجه الأمثل، وتوجه المصعد خلال ساعات الذروة، ومناطق تكييف الهواء في المحطات، بل إن بعض النظم تدفع معلومات مزدحمة في السيارات في الوقت الحقيقي إلى أجهزة متنقلة بحيث يمكن للركاب اختيار نقل أقل انشغالاً.

الفوائد الكمية للتكامل الرقمي

إن عائد الاستثمار في التكنولوجيا الرقمية التوائم في السكك الحديدية الخفيفة هو أمر ملح، وإن كانت الأرقام الدقيقة تختلف بحجم الشبكة ونضجها، وتشير الدراسات وتقارير المشغلين إلى ما يلي:

• 20-30 في المائة من التخفيض في تكاليف الصيانة بسبب الخدمات القائمة على ظروف معينة بدلاً من تقديم خدمات قائمة على أساس الوقت.
• 10-15 في المائة من التحسن في الأداء في الوقت الحاضر من خلال تعديلات دينامية في الجدول الزمني.
• 8-12٪ انخفاض في استهلاك الطاقة من التسريع الأمثل والتكفير التجددي.
• 25% faster incident response] via real-time situational awareness.
• 5-10٪ من الإنفاق الرأسمالي المنخفض بالنسبة للخطوط الجديدة عن طريق التحقق من التصميمات في التوأم الرقمي قبل البناء.

كما أن مكاسب الكفاءة هذه تدعم الأهداف البيئية، فالسكك الحديدية الخفيفة هي بالفعل إحدى وسائل النقل الحضري الأقل انبعاثات، ولكن التواؤم الرقمي يمكن أن يزيد من تخفيض أثر الكربون عن طريق الحد من سرعة النفايات ووقفها.

تحديات التنفيذ

ورغم المزايا الواضحة، فإن نشر التوأم الرقمي على نطاق واسع يشكل عقبات عديدة.

الاستثمار في المقام الأول والتكامل في مجال الجلود

ويمكن أن يتطلب تجهيز نظم السكك الحديدية الخفيفة القديمة بمستشعرات إيوت ملايين كبيرة من الدولارات لشبكة متوسطة الحجم، ولكثير من النظم نظم مراقبة ملكية أو عصرية لا تدعم بروتوكولات البيانات الحديثة، وتتطلب إعادة المعالجة تخطيطا دقيقا، وكثيرا ما يتم تنفيذها تدريجيا لتجنب تعطيل الخدمات.

أمن الفضاء الحاسوبي وخصوصية البيانات

ويأتي التوائم الرقمي المُعرَّض للخطر، مع وجود المزيد من أجهزة الاستشعار والربط، سطحاً أكبر للهجوم، ويمكن أن يؤدي إلى تنبيهات كاذبة أو جداول متلاعبة، أو حتى حوادث أمان، ويجب على المشغلين أن يعتمدوا أطراً لأمن الفضاء الإلكتروني مثل إطار أمن الفضاء الإلكتروني التابع للشبكة الدولية للشبكة الدولية للكهرباء أو المعايير الدولية للتحكم الصناعي، كما يجب أن تمتثل بيانات الراكبين (مثل الناتج المحلي الإجمالي، والموقع من أنظمة التذاكرة).

Skills Gap and Organizational Change

وتتطلب برامج التوأم الرقمية خبرة متعددة التخصصات: هندسة البيانات، والمعرفة بالسكك الحديدية، والتعلم الآلي، وتصميم التبصر، كما أن توظيف أو زيادة المهارات يشكل عائقا أمام سلطات المرور العابر الأصغر حجما، علاوة على أن التحول من التفاعل إلى الصيانة المتوقعة يتطلب تغيير سير العمل في العقود القديمة، والحصول على شراء من النقابات وأطقم الصيانة.

نوعية البيانات ونموذجها

فالتوأم الرقمي لا يضاهي بياناته، إذ أن عدم الاتساق في معايرة أجهزة الاستشعار، أو المدخلات المفقودة، أو عدم القدرة على التحلّل في التنبؤات، ويجب أن يتم التحقق باستمرار من النماذج ضد نتائج العالم الحقيقي لضمان بقائها دقيقة، وهذا يتطلب الاستثمار المستمر في دورات إدارة البيانات والمقاييس.

التوقعات المستقبلية: العمليات المستقلة ذاتياً

وسيشمل التطور المقبل للتكنولوجيا الرقمية التوأمة تعميق التكامل مع المعلومات الاستخبارية الصناعية والتعلم الآلاتي، إذ تستخدم بعض النظم بالفعل التعلم في مجال تعزيز القدرة على التكيف تلقائيا مع تواتر القطارات استجابة للطلبات التي تقدم في الوقت الحقيقي للمسافرين، دون تدخل بشري، وفي المستقبل، يمكن للتوأمانات الرقمية أن تمكن من إجراء عمليات مستقلة تماما للسكك الحديدية الخفيفة حيث يقرر القطارات الطرق والسرعة ووقف فترات الاستناد إلى نماذج توأم وظروف معيشية.

وثمة حدود أخرى هي " التوأم الرقمي للمدن " الذي يربط نظم المرور العابر بأضواء المرور، وخدمات الطوارئ، وبث الطقس، والجدول الزمني للحدث، وهذا الرأي الكلي يسمح بالاستجابات المنسقة - على سبيل المثال، نشر مسارات إضافية تلقائياً عندما تنتهي الأحداث الرياضية، وتزامن إشارات المرور مع مسارات الحافلات السريعة، وإعادة توجيه الطاقة لتجنب انقطاع الكهرباء.