Table of Contents

وقد أعاد التوسع السريع لشبكات السكك الحديدية العالية السرعة عبر القارات تحديد السفر البعيد المدى، مما يتيح السرعة التي تتجاوز 300 كيلومتر/ساعة مع الحفاظ على معايير الأمان العالية، غير أن تعقيد الحفاظ على هذه الهياكل الأساسية المتقدمة يتطلب رقابة مستمرة وواقعية، وقد برزت شبكة الإنترنت للأشياء كقوة تحول في هذا المجال، مما مكّن الجهات الفاعلة من رصد المسارات، والجسور، ونظم الصيانة اللامعية، وتدفق المخزون من السلع ذات الرسامات غير المسبوطة.

تحديد الـ (أيوت) في سياق السكك الحديدية العالية السرعة

ويشير الاتحاد إلى شبكة من أجهزة الاستشعار المادية والمصنوعات والمواقف والأجهزة الحافة التي تجمع وتتبادل البيانات على الشبكة الدولية، وفي البنية التحتية للسكك الحديدية العالية السرعة، يشمل الاتحاد التركيبية هيكلاً مطبقاً، وفي طبقة التصورات، تقيس أجهزة الاستشعار البارامترات مثل اليقظة، والإجهاد، ودرجة الحرارة، والانبعاثات الصوتية، والتشريد.

وعلى عكس عمليات التفتيش الدورية التقليدية التي قد تفوتها أخطاء متقطعة، يقدم الاتحاد الدولي للاتصالات السلكية واللاسلكية ردود فعل شبه ثابتة، مثلاً، يمكن اكتشاف مسار صغير في صليب السكك الحديدية من خلال أجهزة استشعار الانبعاثات الصوتية قبل أن يصبح واضحاً بفترة طويلة، وهذا التحول من الاسترداد إلى الصيانة الاستباقية هو عرض القيمة الأساسية لليوت في السكك الحديدية العالية السرعة.

How IoT Differs from Conventional Monitoring Approaches

وكثيرا ما يعتمد الرصد التقليدي على السير اليدوي، وعمليات التفتيش البصري، وأعمال الصيانة المقررة على فترات ثابتة، وهذه الأساليب هي أساليب كثيفة العمالة، وذاتية، وغير ملائمة لكشف الأخطاء التي تتطور بين عمليات التفتيش، أما الرصد القائم على أساس التحلل الضوئي، فيمكن، على النقيض من ذلك، استخدام مجموعة من أجهزة الاستشعار الكثيفة التي تلتقط البيانات باستمرار.

التطبيقات الأساسية للمتفجرات من مادة اليوت في البنية التحتية للسكك الحديدية العالية السرعة

رصد المسارات في الوقت الحقيقي

أجهزة الاستشعار التي تستخدم في المقياس الرأسي والجانبي، وأجهزة قياس الباليه، وأجهزة الباليه تجهز كميات كبيرة من العجلات، وأجهزة الاستشعار التي تستخدم في المقياس الأمامي والخلفي، وأجهزة قياس الباليه، وقطع الأثقال السطحي للسككك الحديدية، على سبيل المثال، أجهزة القياس الملصقة بضغط الكشافة على السكك الحديدية،

كما أن تقلبات الحرارة تؤثر على سلامة السكك الحديدية، وترصد أجهزة الاستشعار الحرارية التي تستخدم التلويث درجة حرارة السكك الحديدية وتقارنها بعتبات الترسب، وعندما تتجاوز درجة الحرارة الحدود الآمنة، يصدر النظام تلقائيا أوامر بطيئة أو يحذر أطقم الصيانة، وهذه القدرة حاسمة بصفة خاصة بالنسبة للسكك الحديدية التي لا تزال ملطخة، والتي يمكن أن تُثبت في الحرارة القصوى.

مراقبة الصحة في إطار الجسر والهياكل الأساسية

ويجب أن تحتفظ الجسور والقنابل على خطوط عالية السرعة بحدود صارمة للتشهير والاهتزاز لضمان راحة الركاب والسلامة الهيكلية، كما أن أجهزة الاستشعار التي تستخدم فيها أجهزة الاستشعار الضوئية مثل أجهزة القياس، ومنتجات التشريد، وقياسات الإجهاد الضوئي تُركَّب على عناصر هيكلية حرجة، وتكشف هذه أجهزة الاستشعار عن علامات التبكير في الإرهاق أو التآكل أو التسوية الأساسية.

في السكك الحديدية العالية السرعة، تجري اختبارات التحميل الحي باستخدام القطارات المجهزة شبكات التوحيد القياسي يمكن أن تتزامن البيانات من أجهزة استشعار القطار على متن القطار مع وحدات من الجانب التتبعي لخلق صورة شاملة عن الحمولة، وهذا التثبت المستمر يساعد مديري البنية التحتية على توسيع نطاق الحياة في مجال الخدمة بأمان.

الإشارة ونزاهة الاتصال

يعتمد ارتفاع سرعة السكك الحديدية على نظم الإشارات المتطورة مثل النظام الأوروبي لمراقبة القطارات أو مركز الصين للأشعة السينية 3، ويرصد جهاز الاستشعار الصوتي صحة البليسات، وأجهزة قياس الأوكسجين، ومصابيح الإشارة، وأجهزة التعقّب، على سبيل المثال، أجهزة الاستشعار الحالية على أجهزة كشف الكابلات التي تكشف عن انخفاضات في حجمها قد تشير إلى وجود نقص جزئي أو تدهور في أجهزة التحكم.

كما يدعم الاتحاد المفهوم الناشئ للجمعيات الافتراضية، حيث يتواصل القطارات في الوقت الحقيقي للحفاظ على المسافات الآمنة دون إشارات مناظرة مادية، وتراقب سلامة هذه الروابط اللاسلكية من قبل شركات إيوت على طول المسار، بما يكفل بقاء حالات الطوارئ وخسارة الحزم في ظل تسامح شديد.

رصد الحالة البيئية والطبيعية

وتعاني محطات الطقس التي تعمل على طول الممر من سرعة الرياح والأمطار والثلوج ودرجات الحرارة القصوى، وتقيس محطات الطقس المتطاولة على طول الممر سرعة الرياح واتجاهها، وكثافة التهطال، والوضوح، ودرجة الحرارة، وتغذي هذه البيانات في نظم دعم القرار التي توصي بالقيود السريعة أو إغلاق خطوطها عند تجاوز العتبات، وعلى سبيل المثال تستخدم شبكة السكك الحديدية الألمانية نماذج جوية مجهزة بشبكة IoT لإصدار إنذارات دقيقة للتداول.

وبالإضافة إلى ذلك، ترصد أجهزة الاستشعار التابعة لأجهزة إيوت مخاطر الفيضانات: إذ تُطلق أجهزة استشعار مستوى المياه عند نقاط التفاف وقنوات الصرف إنذارات عند اقتراب المستويات من ارتفاع مستوى السرير، وهذا النهج الاستباقي يحول دون وقوع حوادث مماثلة للانحراف السريع الذي تسببه الغسيل في جنوب فرنسا في عام 2015.

التدريب والتدفق

أجهزة الاستشعار على متن الطائرة تراقب صحة النظم الفرعية الحيوية للقطارات: ربطات العجلات، وصناديق الأكسل، ونظم التفاخر، وأجهزة التفريغ، وأجهزة التأشيرات، وأجهزة التدقيق التي تعمل بالعجلات، وتتبع مسارات متعددة المصدر، وأجهزة الاستشعار التي تستخدم لقياس الحرارة على أطقم التنبيه قبل أن تؤدي إلى ضبط العجلات.

فوائد تنفيذ مادة آيوت في السكك الحديدية العالية السرعة

تعزيز السلامة من خلال الكشف المبكر عن الخزنة

وتتمثل أهم الفوائد الملموسة في منع حدوث حالات الفشل الكارثية، ويمكن لنظم التوحيد القياسي أن تكتشف سكة حديدية متصدعة أو عطل في جسر في غضون ثوان، مما يؤدي إلى فرض قيود أو إغلاقات فورية على السرعة، ففي عام 2018، حدد جهاز استشعار عن طريق التوحيد على شبكة شينكانسن اليابانية نزوحاً جانبياً يبلغ 2 ملم في جسر يحمل معدّاً يسمح لطاقم الصيانة بالاستعاضة عن ذلك أثناء نافذة مُقرّة، بدلاً من المخاطرة بأن تصبح خطوطاً من تنهاراً.

خفض تكاليف صيانة دورة الحياة

فالعمليات الجاهزة، التي مكّنتها شركة إيوت، تُحوّل نموذج الصيانة من نظام التوقيت إلى نظام قائم على الظروف، ويتجنب المشغلون استبدال المكونات التي لا تزال صالحة للحياة، بينما يصابون بالعيوب قبل أن يتطلبوا إصلاحاً طارئاً باهظاً، وتُبلغ شركة السككك الحديدية الصينية أن الصيانة التنبؤية القائمة على التون تخفض تكاليف الصيانة السنوية لتتبع المسار بنسبة 30 في المائة على مدى خمس سنوات، وبالمثل، تستخدم خطاً عالياً للكمبيئياً.

تحسين الموثوقية وقابلية الخدمات

ويساعد الرصد في الوقت الحقيقي على الحد من وقت التعطل غير المخطط له، وبكشف المشاكل وتشخيصها عن بعد، يمكن للمشغلين إرسال طاقم إصلاح بالمعدات وقطع الغيار الصحيحة، وتقليل وقت الحيازة على المسارات، كما يتيح ذلك تخفيض عدد الأخطاء المتقطعة التي تختفي قبل وصول مفتش ما، ويلغي التسجيل المستمر معدلات التخمين، ونتيجة لذلك، تحقق نسبة عالية من الوقت باستخدام خطوط الأداء الأولى.

التخطيط الاستراتيجي

وتدعم ثروة البيانات التي جمعت من أجهزة الاستشعار التابعة للشركة التخطيط الطويل الأجل للهياكل الأساسية، ويمكن للمخططين أن يحددوا جدولاً زمنياً أكثر تواتراً للطحن أو إعادة التطوير، على سبيل المثال، إذا تبين من بيانات الشركة أن المنحنى في قسم معين لها معدل أعلى من إرتداء السكك الحديدية، فإن هذا النهج القائم على الأدلة يحل محل الأحكام الكمية.

التحديات التي تواجه انتشار ظاهرة التبني على أساس الأشعة دون البنفسجية في السكك الحديدية العالية السرعة

مخاطر الأمن السيبرى

ومع زيادة الربط بين شبكات السكك الحديدية، فإنها تصبح عرضة للهجمات الإلكترونية، إذ يمكن للمهاجم الذي يكسب الوصول إلى شبكة أجهزة الاستشعار التابعة للشركة أن يُسجّل البيانات، مما يتسبب في فرض قيود سريعة لا داعي لها أو يخفي أخطاء حقيقية، وفي عام 2020، أثبت الباحثون أن جهاز الاستشعار من جانب المسار المهين يمكن أن يُجبر القطار على التفاخر دون داع، وتتطلب أجهزة كشف الارتداد بقوة من أجهزة الاستطلاع، ومصممة على الشبكة.

إدارة البيانات وإمكانية التصعيد

ويمكن أن يولد خط واحد عالي السرعة تضاريس من بيانات الاستشعار يوميا، ويستلزم تخزين هذه البيانات وتجهيزها وتحليلها وجود هياكل أساسية حاسوبية كبيرة أو حافة، وتقتضي قيودا على درجة الحرارة إجراء بعض التحليلات بالقرب من أجهزة الاستشعار (الحسابات القديمة) للتمكين من إجراء تنبيهات في الوقت الحقيقي، بينما يجري التحليل التاريخي في السحابة، ويظل وضع معايير موحدة للبيانات عبر مختلف أنواع أجهزة الاستشعار والمصنعين يشكل تحديا.

تكاليف النشر الأولية المرتفعة

إن تركيب شبكات أجهزة الاستشعار الكثيفة على آلاف الكيلومترات من المسارات هو كثيف رأس المال، وتشمل التكاليف أجهزة الاستشعار، والبوابات، ولوازم الطاقة )البطارية أو جمع الطاقة(، والتكامل مع نظم المراقبة القائمة، غير أن المدخرات الطويلة الأجل كثيرا ما تبرر الاستثمار، ويؤدي نشر العديد من المشغلين في مراحل مع الأقسام ذات المخاطر العالية )العمليات، والجسور، والأنفاق( ويتوسع في نطاق توافر الطاقة الشمسية تدريجيا.

Environmental Resilience of Sensors

إن بيئات السكك الحديدية العالية السرعة شديدة: إذ يجب أن يتحمل المستشعرون درجات الحرارة القصوى، والرطوبة، والهتزازات، والتدخل الكهرومغناطيسي، ويحتاج الانجراف الحساس والفشل إلى معايرة واستبدال دوريين، ويقوم الباحثون بتطوير أجهزة استشعار ذاتية تجنيب الطاقة من الاهتزازات المتتابعة أو الخانات الحرارية، مما يقلل من احتياجات الصيانة.

التوقعات المستقبلية والاتجاهات الناشئة

التوائم الرقمية والحياكة

وتغذي بيانات الأيوت في التواؤم الرقمية - الارتدادات الفيزيائية للبنية الأساسية للسكك الحديدية التي تحاكي السلوك في الوقت الحقيقي، ويمكن للمهندسين أن يروا سيناريوهات " ماذا لو " ، مثل أثر قطار يمتد على جسر طوله 200 كيلومتر/ساعة ويقطع جسراً معدلاً من الكسر دون مخاطر، وقد استخدمت التوأم الرقمية بالفعل على خط الطاقة المرتفع المتسارع في بيجينغها من أجل تحقيق الحد الأمثل من الكمال في خطط الصيانة والتدريب.

5 زاي و الاتصالات المنخفضة الأجر

ويعود بدء تشغيل شبكات من طراز 5G على طول ممرات السكك الحديدية بالاتصالات المنخفضة الموثوقة جداً للبيانات المتعلقة باللوت، مما يتيح عقد حلقات مراقبة في الوقت الحقيقي، مثل التفاخر الآلي القائم على أجهزة الاستشعار، ويدعم أجهزة الاستشعار ذات التردد العالي مثل كاميرات الفيديو للتفتيش على المسارات، وقد أظهرت المحاكمات التي أجريت على شبكة آي إي سي إيه أن 5 جي يمكن أن تقلل من تطبيقات السلامة النهائية إلى النهاية.

الصيانة الافتراضية

وقد أصبحت خوارزميات التعلم الماكنة أكثر ازدهاراً في التمييز بين الشذوذ الحسن والخسائر الحقيقية، ويمكن أن تُتوقع نماذج التعلم العميق التي تم تدريبها على مجموعات بيانات واسعة من الإخفاقات التاريخية أن تستمر الحياة المفيدة بالنسبة للعناصر، فعلى سبيل المثال، فإن شبكة الإنذار بالتشغيل الآلي (الذاكرة القصيرة الأجل) التي تحلل بيانات اليقظة من مفاصل السك الحديدية يمكن أن تُحد من وجود نظم مضللة.

التكامل مع عمليات التدريب المستقلة

والهدف النهائي لكثير من الشبكات العالية السرعة هو التشغيل بدون سائق، حيث يوفر نظام إيوت العمود الفقري الحسي لعملية تدريب غير مجهزة بالكامل، حيث سيصدق المستشعرون على أن المسار واضح وأن المفاتيح جاهزة تماماً وأن البنية التحتية ستكون آمنة قبل مغادرة القطارات، وأن نظام شنغهاي ماغلوف وخط باريس المتوسط العالي التشغيل الآلي.

الاستدامة ورصد الطاقة

كما تتعقب أجهزة الاستشعار التي تستخدم في استخدام الطاقة من القطارات والإضاءة في البنية التحتية والتدفئة والتهوية، عن طريق الاستخدام الأمثل للطاقة استناداً إلى الحمولة في الوقت الحقيقي وظروف الطقس، يقلل المشغلون من آثار الكربون، ويمكن للشبكات الذكية المدمجة مع إيوت أن تسحب الطاقة التراكمية من القطارات وتغذيتها إلى الشبكة، مما يقلل الطلب العام، وهذا يتوافق مع أهداف الاستدامة العالمية للسكك الحديدية، مثل

الموارد الخارجية لمواصلة القراءة

خاتمة

إن استخدام مادة إيوت في رصد الهياكل الأساسية للسكك الحديدية في الوقت الحقيقي يمثل تحولاً في النموذج الذي يتم به إدارة وصيانة وتأمين شبكات السكك الحديدية، ومن خلال نشر شبكات من أجهزة الاستشعار على طول المسارات، والجسور، وفي نظم الاشارات، والقطارات الموجودة على متنها، يكتسب المشغلون رؤية مستمرة وقابلة للتطبيق في صحة أصولهم، ويخلقون فوائد في مجال السلامة، وخفض التكاليف، ويتجاوزون بالفعل توثيقاً أكثر من خلال الشبكات الآسيوية.