استقصاءات استخدام الطائرات العمودية لتقييم الأصول المفصَّلة في البنية التحتية المدنية

وقد اعتمد تقييم أصول الهياكل الأساسية المدنية - الخناق والسدود والطرق السريعة والأنفاق وشبكات الطاقة - تاريخيا على عمليات التفتيش اليدوية، وعمليات الاختراق، والمناقل الجوية، وهذه الأساليب، وإن كانت فعالة، هي أدوات كثيفة التوقيت، ومكلفة، وتعرض العمال لمخاطر أمنية كبيرة، وقد ظهرت على مدى العقد الماضي مركبات جوية غير مأهولة، معروفة باسم الطائرات الآلية، كبديل أساسي غير مسبوق.

أهم جوانب التفتيش على الهياكل الأساسية التي تستخدم الطائرات العمودية

فالطائرات التي تستخدم طائرات بدون طيار تجلب مزيجا فريدا من القدرة على التنقل، والقدرة على تحميل أجهزة الاستشعار، والتشغيل الآلي إلى ميدان التفتيش الهيكلي، وتتجاوز مزاياها بكثير المراقبة البصرية البسيطة، وتتغير أساسا في كيفية جمع البيانات المتعلقة بالظروف وتجهيزها.

تحسين سلامة موظفي التفتيش

وكثيرا ما تتطلب عمليات التفتيش التقليدية من العمال العمل من شاحنات الدلو أو من كرسي البوسون أو الاختراق في مرتفعات كبيرة أو العمل بالقرب من حركة المرور الحية والآلات الثقيلة، وتقضي الطائرات على الحاجة إلى وصول الموظفين إلى هذه المواقع الخطرة جسديا، ومن ذلك مثلا تفتيش سطح سطح جسر مرتفع أو مواجهة سد يمكن إنجازه من موقع بعيد آمن، مما يقلل بدرجة كبيرة من خطر حدوث تحسن في الطرق، والحجججججج على الطريق.

التكلفة والكفاءة الزمنية

ويمكن نشر استقصاءات للطائرات العمودية بسرعة، بحيث تستكمل في كثير من الأحيان في ساعات ما يستغرق أياما أو أسابيع مع الأساليب التقليدية، وتوازي ذلك وفورات في التكاليف، وقد يكلف التفتيش العادي للجسر باستخدام شاحنة دلو وطاقم من ثلاثة آلاف دولار في اليوم، ويمكن أن يقوم فريق من شخصين بإجراء مسح للطائرات بدون طيار بنفس الهيكل في جزء من الوقت، مع انخفاض التكاليف الإجمالية في كثير من الأحيان بنسبة 50 في المائة إلى 70 في المائة.

مرتفعات الاستصلاح، مجموعة البيانات المتعددة التخصصات

وتتحمل الطائرات الآلية للتفتيش الحديث حمولات متقدمة تتجاوز كثيراً كاميرات درجة الاستهلاك، وتلتقط أجهزة الاستشعار ذات الاستبانة العالية صوراً في قرارات تتجاوز 20 ميغابايكليس، وتكشف عن الشقوق، والرش، والتآكل، وتصفيف العيوب دون المستوى، وتُحدِّد أجهزة قياس الأحشاء الحرارية التي تكشف عن وجود رطوبة في الجسم، وتُحدث إخفاقات في قياس الأحجار السحابية.

النشر السريع وإعادة التكرار

ويمكن إطلاق الطائرات بدون طيار من أي موقع تقريبا، مما يتطلب الحد الأدنى من التجهيز، وهذا الاندفاع لا يقدر بثمن بالنسبة لعمليات تقييم حالات الطوارئ التي تلي الكوارث الطبيعية - الكوارث والفيضانات والانهيالات الأرضية - حيث تكون بيانات الأحوال السريعة ذات أهمية حاسمة في تحديد أولويات الاستجابة، وعلاوة على ذلك، يمكن برمجة مسارات الرحلات الجوية وتكرارها بدقة بمرور الوقت، مما يتيح الرصد الطويل الأجل للتغيرات الهيكلية، وتُنتج الدراسات الاستقصائية عن تغيرات تُبرز عيوب جديدة، أو استراتيجيات الصيانة التدريجية، أو الفعالية.

تطبيقات عبر أنواع البنية التحتية الرئيسية

ويجري نشر دراسات استقصائية عن الطائرات العمودية عبر كامل نطاق البنية التحتية المدنية، مع وضع تدفقات عمل مصممة خصيصا لكل فئة من فئات الأصول.

الجسر والتفتيش فوق الحدود

وقد تكون الجسور من بين أكثر الهياكل صعوبة في التفتيش بسبب ارتفاعها وطولها ومكانها على المياه أو حركة المرور، وقد تكون الطائرات المجهزة بكاميرات عالية الحدائق ومجسات العقبات التي يمكن أن تطير تحت سطح السفينة، وحول الغرز، وعبر الكابلات، وتلتقط صورا مفصلة للوصلات، ومفاصلات التوسع، ووصلات الصلب، وأسطح محددة، وقد تقوم وكالات مثل إدارة الطرق الرئيسية الاتحادية بكشف المبادئ التوجيهية عن مدى الحياة.

رصد السدود والأعباء

وتحتاج السدود إلى تفتيش منتظم للطرق المسدودة والبوابات والزهور والوجهات التي تقع في المجرى المائي، ويمكن للطائرات العمودية أن تقترب بأمان من وجوه ملموسة وتفتش المناطق القريبة من تدفقات المياه السريعة، كما أن أجهزة الاستشعار الحرارية لها قيمة خاصة في كشف مسارات النباتات وطرق الفشل في التحات الداخلي لسدود المنحدرات.

استقصاءات بشأن أحوال الطرق والموجات

وبالنسبة للمسارات السريعة والمطارات، يمكن للطائرات بدون طيار المجهزة بكاميرات منخفضة الارتفاع، وشركة ليدار أن تمسح بسرعة حالة الرصيف، وباستخدام التجهيز التصويري، ينتج النظام صوراً ذات دقة على مستوى المسافات الوسطى، مع إظهار الكسر، والتغوط، والحفر، والثقوب، ويمكن لبرمجيات كشف الضبط الآلي أن تصنف العيوب على نحو أسرع وفقاً للبروتوكولات القياسية مثل نظام ASTM D64.

التفتيش على السكك الحديدية والنفقات

وتستفيد ممرات السكك الحديدية من استقصاءات الطائرات بدون طيار للطرق، والإشارات، والأسلاك المكشوفة، والمنحدرات المتاخمة، ويمكن للطائرات العمودية أن تفتش مئات الكيلومترات في يوم واحد، وتحدد تعديات النباتات، ومسائل الصرف، وتتابع الشذوذات الدقيقة للمواءمة، وفي الأنفاق، يمكن للطائرات الآلية المتخصصة ذات الأقفاص الواقية، وتكنولوجيا النفق الجاهزة أن تطير على طول الخالي.

اقتناء البيانات وتجهيز سير العمل

وينطوي نشر الطائرات بدون طيار لأغراض التفتيش على الهياكل الأساسية على تدفق عمل منهجي يحول بيانات الاستشعار الخام إلى معلومات هندسية عملية.

تخطيط الرحلات الجوية والترخيص

وتبدأ العملية بإجراء مسح للمواقع لتحديد المخاطر والقيود المفروضة على المجال الجوي ونقاط الإطلاق المثلى، وتوضع خطط للطيران باستخدام برامجيات تخطيط البعثات التي تتضمن نقاطا للوقود، والارتفاع، وزوايا الكاميرا، والنسب المئوية للتداخل المطلوبة للمسح التصويري، وفي الولايات المتحدة، يتعين على المشغلين الامتثال للجزء 107 من الأنظمة التي تشمل الإعفاءات من العمليات التي تتجاوز خط البصر البصري أو على الأشخاص عند الضرورة.

جمع البيانات ومراقبة الجودة

وأثناء الرحلة، تلتقط الطائرة بدون طيار الصور، والفيديو، والتسلسل الحراري، أو المسح اللدائي للخروط، وفقاً للبعثة المخطط لها، ويضمن المرور المكرر التغطية الكاملة، ولا سيما للهياكل المعقدة التي تنطوي على تجاوزات أو إعادة، وكثيراً ما يجري استعراض مراقبة الجودة في الموقع باستخدام أقراص تموين جميع المناطق المطلوبة بما يكفي من الحلول ودون وجود ثغرات في البيانات.

ما بعد التجهيز والتحليل

وتتم معالجة البيانات الخام باستخدام مجموعات البرمجيات المتخصصة، وقد تُصنف برمجيات التصوير الضوئي (مثل " أغيسوفت ميتشاب " أو " بيك 4D " ) صوراً متداخلة لإنتاج 3D نماذج، وأجهزة تقويم العظام، والنماذج الرقمية السطحية، وتُصنف الغيوم المحتوي على نقاط الارتداد الجغرافي، وتُدرج البيانات الحرارية في الشعارات اليدوية التي تُبرز عيوب في البنية التحتية.

التحديات واستراتيجيات التخفيف

وفي حين أن فوائد الدراسات الاستقصائية للطائرات بدون طيار واضحة، يجب على الممارسين أن يُسيّروا عدة تحديات عملية لضمان تحقيق نتائج موثوقة والامتثال التنظيمي.

الامتثال التنظيمي وإدارة الفضاء الجوي

وكثيرا ما تنطوي الطائرات الآلية العاملة بالقرب من الهياكل الأساسية الحيوية على تقييد المجال الجوي بالقرب من المطارات أو المناطق العسكرية أو على المرافق الحساسة، كما أن تأمين الإعفاءات من الرحلات الجوية التي تقوم بها شركة BVLOS أو العمليات التي تتم على الناس أو الطيران الليلي يمكن أن يستغرق وقتا طويلا، ويجب على المشغلين أن يظلوا على حالهم مع الأنظمة المتطورة من وكالات مثل وكالة الطيران الاتحادية أو وكالة الفضاء الأوروبية أو استراتيجيات التحول إلى وكالة الطيران المدني الدولية.

Weather and Environmental Constraints

ولا تزال الطائرات ذات العجلات شديدة الحساسية إزاء الرياح والتهطال ودرجة الحرارة القصوى، إذ يمكن للرياح العالية أن تزعزع استقرار الرحلات الجوية، وتخفض حدة الصورة، وبطاريات الصرف، وتضعف الرؤية والضبابية، ويمكن أن تلحق أضرارا بالالكترونيات غير المحظورة بالمياه، ومن أجل التخفيف من هذه المسائل، يعتمد المشغلون على توقعات الطقس الجزئي الخاصة بموقع المسح، ويضعون حدودا للريحة محافظة (من الناحية التقليدية 20 إلى 25 مترا).

حجم البيانات وإدارتها

ويمكن أن تولّد دراسة استقصائية واحدة عن الطائرات بدون طيار جيغابايت من بيانات الصور العالية الاستبانة والسجلات الجاهزة، وتتطلب إدارة هذا الحجم وتخزينه وتجهيزه بنية أساسية قوية لتكنولوجيا المعلومات، وتوفر خدمات التجهيز القائمة على التزود بالأجهزة حلولاً قابلة للتصعيد، ولكن الملفات الكبيرة يمكن أن تضغط على نطاق الترددات، وتشمل أفضل الممارسات استخدام الخزن على متنها مع سرعة النقل، واستخدام مسح حافة لتحديد البيانات الأولية، واعتماد منابر لإدارة البيانات التي تصدرها.

Accuracy and Calibration

وبالنسبة لتقييم الحالة، يجب في كثير من الأحيان التحقق من الدقة المكانية المطلقة للبيانات التي تستخدم الطائرات بدون طيار مقارنة بنقاط المراقبة الأرضية أو دمجها مع معايير المسح الموجودة مسبقاً، كما أن عدم وجود معايير مناسبة للاحتفاظ بالطابع المميز أو قياسات الاختراق أو تقييمات التشوهات قد لا يمكن الاعتماد عليها، وينبغي للمشغلين أن يقوموا برحلات اختبارية مع أجهزة استقبال للأجهزة اللاسلكية العالمية أو التصويب/التصويب على أساس المقياس المقياس، وذلك لتحقيق الدقة في مقياس.

الاتجاهات المستقبلية في تكنولوجيا المسح العازل

ويتطور مجال التفتيش على الهياكل الأساسية القائمة على الطائرات بدون طيار بسرعة، ويقوده التقدم في الاستقلال الذاتي، واندماج أجهزة الاستشعار، وتحليل البيانات.

الاستخبارات الفنية وكشف الأثر الآلي

ويجري تدريب نماذج التعلم من الآلات على مجموعات البيانات الكبيرة من صور البنية التحتية لتحديد وتصنيف العيوب بصورة تلقائية، وهذه التكنولوجيا تعد بتقليص الوقت الذي يقضيه المفتشون في استعراض التوابع من البيانات، مما يتيح لهم التركيز على الشواذ ذات الأولوية العالية، ويمكن للشبكات العصبية ذات التطويع ذات الدقة مقارنة بالخبراء البشريين، بينما تصبح نماذج التجزؤ التي تقارب مع نماذج التواريخ، كما أنها تتحول إلى مناطق متناهز.

ما بعد الخط البصري لعمليات البصر

وتقتضي القيود التنظيمية الحالية عادة أن يحافظ طيار الطائرات بدون طيار على الاتصال البصري غير المدعوم بالطائرة، وأن يقصر نطاق الدراسة الاستقصائية على المسافة التي يمكن أن تغطيها، وأن تكون التنازلات عن هذه المركبات أكثر شيوعاً مع وجود نظم للكشف عن التقدم التكنولوجي وربط البيانات الزائد، وتكامل الحركة الجوية تسمح برحلات جوية آمنة بعيدة المدى، وبالنسبة للبنية التحتية الخيطية مثل خطوط الأنابيب، وخطوط الكهرباء، وقطع السكك الحديدية، يمكن لعمليات شركة BVLOS Canada أن تمسح مئات الأميال في إطار واحد.

عمليات التفتيش على أجهزة الاستشعار وعمليات التفتيش المتعددة الوسائط

وسيتضمن حمولات الطائرات المسيرة في المستقبل أجهزة الاستشعار المتعددة - البصرية، الحرارية، المقياس المقياسي للغاز، وحتى أجهزة التتبع الأرضي - في مجموعة واحدة من الوزن الخفيف، وهذا النهج المتعدد الوسائط يمكن من الكشف المتزامن عن العيوب السطحية، وباطلة سطحية، وخطارات الرطوبة، وتغيرات التركيبة المادية، وعندما يقترن هذا النظام بمؤشرات قياسية أكبر من المقاييس الكلية.

العمليات المستقلة للتشكيك والتسليح

وستتيح محطات الشحن التي تضع أصولاً للهياكل الأساسية كجسور أو أبراج النقل تشغيل الطائرات بدون طيار باستمرار على مدى فترات ممتدة، ويمكن لتكنولوجيا السواحل، حيث تقوم طائرات متعددة صغيرة بلا طيار بتنسيق مسارات طيرانها، أن تفتش هياكل كبيرة مثل سقف الملعب أو السدود بأكملها في جزء من الوقت الذي تحتاجه طائرة واحدة، وسيخضع هذا التحليل المستقل لتحليلات ذاتية واحدة، ويخضع لمناهج بيانات مستقلة تماماً.

خاتمة

وقد تجاوزت الدراسات الاستقصائية للطائرات العازلة مرحلة الرواية لتصبح حجر الزاوية في تقييم أصول البنية التحتية المدنية الحديثة، إذ إن قدرتها على توفير بيانات آمنة وفعالة من حيث التكلفة وذات قدرة عالية على الاستبانة عبر مجموعة واسعة من الأصول - سد، وطرق، وأنفاق، وسككك الحديد - ستؤدي إلى إعادة تشكيل كيفية قيام الوكالات والمالكين الخاصين باستثماراتهم، وفي حين أن التحديات التي تدور حول التنظيم، والطقس، وإدارة البيانات، فإنها تتغلب باستمرار على الابتكار التقني وتطور السياسة العامة.

For further reading on regulatory frameworks, see the FAA UAS regulations. Technical guidance on using drones for bridge inspections is available from the Federal Highway Administration. For information on commercial drone inspection services and software, explore [JLT:4]Pix4D[FT