الابتكارات في نظم إشارات المرور ذاتية الاستخدام للطاقة المتجددة

وتعاني نظم النقل الحضري في جميع أنحاء العالم من ضغوط متزايدة، وتواجه المدن تزايد الاكتظاظ، والبنى التحتية الناشئة، وارتفاع الطلب على الطاقة، وفي الوقت نفسه، تُدفع الضرورات المناخية نحو الانتقال السريع بعيدا عن الوقود الأحفوري، وتتطلع المهندسون والمخططون الحضريون إلى الطاقة المتجددة كمصدر للطاقة الكهربائية لنظم إشارات المرور، بل وتُبقي الطاقة الشمسية والريحية ذات الذكاء الاصطناعي والتحكم المستقل، وتُحدث نظما جديدة من حيث تُصُدُدُلُ حركة المرور.

الحاجة إلى الطاقة المتجددة في إدارة حركة المرور

وتستمد إشارات المرور التقليدية الطاقة من الشبكة الكهربائية البلدية، وفي مناطق كثيرة، تأتي الكهرباء من الفحم أو الغاز الطبيعي أو مصادر أخرى غير قابلة للتجديد، وتنتج عن ذلك آثار كربونية كبيرة من شبكة تعمل على مدار الساعة، ووفقا لوزارة الطاقة في الولايات المتحدة، تستهلك إشارات المرور في الولايات المتحدة ما يقدر ب ٣ بلايين كيلوت في السنة من الكهرباء، وهو ما يعادل الناتج السنوي لعدة محطات متوسطة الحجم.

وتعالج مسألة إدماج الطاقة المتجددة في نظم إشارات المرور بصورة مباشرة الشواغل البيئية والتشغيلية، ويمكن أن تولد الألواح الشمسية والاضطرابات الريحية الصغيرة الكهرباء عند نقطة الاستخدام، وتلغي خسائر النقل، وتخفض الطلب على محطات الطاقة المركزية، ويمكن أن تعمل حلول تخزين الطاقة، مثل البطاريات المتطورة لليثيوم أو المكثفات الخارقة، على أن تُستخدم الإشارات في الليل أو خلال فترات توليد الطاقة المتجددة المنخفضة، مما يزيد من قدرة النظام الموزع على التكيف.

فبعد القدرة على التكيف، تتواءم الإشارات المتجددة مع أهداف الاستدامة البلدية الأوسع نطاقاً، وقد تعهدت مدن كثيرة بتخفيض انبعاثات غازات الدفيئة بنسبة 50 في المائة أو أكثر خلال العقد القادم، وتشكل البنية التحتية للنقل العابر للطاقة المتجددة خطوة واضحة وقابلة للقياس نحو تلك الأهداف، وهي تضع مثالاً للمقيمين والأعمال التجارية ويمكن أن تقلل من الإنفاق العام الطويل الأجل على الكهرباء، وعلى مدى دورة العمر العادية لإشارة المرور التي تبلغ 20 عاماً، يمكن أن توفر الطاقة المتجددة المحلية عشرات الآلاف من الدولارات لكل تقاطع.

نظم إشارات المرور ذاتية الديموقراطية: الابتكارات الرئيسية

وتستخدم نظم إشارات المرور ذاتية البيانات والاستخبارات الصناعية في الوقت الحقيقي لتكييف توقيتات الإشارة دون تدخل بشري، وعندما تكون الطاقة المتجددة قادرة على تكوين نظام إيكولوجي مغلق: فإن أجهزة الاستشعار والتحكم تسحب الحد الأدنى من الطاقة، وتوفر الطاقة الشمسية والريحية، وتكفل منظمة العفو الدولية الاستخدام الأكثر كفاءة للطاقة والقدرة على التقاطع، وتكون الابتكارات التالية في صميم هذا التحول.

أضواء المرور ذات الطاقة الشمسية

وقد حققت تكنولوجيا الفوتاتيك تقدما سريعا، حيث تحقق الألواح الشمسية الحديثة كفاءة التحويل فوق ٢٢ في المائة، وتلتقط وحدات جديدة ذات وجه الضوء من الجانبين، وعندما تدمج مع إشارات المرور، فإن الألواح التي تُقام على أفران القطب أو على أجهزة نسخ مكر َّسة يمكن أن تولد ما يكفي من الكهرباء لتشغيل أجهزة الإشارة المزودة بالأجهزة اللاسلكية، والتحكم، ومعدات الاتصال، ويحتاج التقاطع النموذجي إلى ما يتراوح بين ٠٠٣ و٠٠ و٠٠٥ واط من الطاقة الكهربائية المستمرة.

وقد أصبح التركيب أبسط، إذ يقدم العديد من المصنعين وحدات من كل الوحدات التي يُدمج فيها الفريق الشمسي والبطاريات والتحكم في الهواء بصورة مسبقة، ويمكن لهذه النظم أن تحل محل خزانات الإشارة التقليدية لحركة المرور المعدنية بأقصر الحدود، وقد قامت مدن مثل سان دييغو ولوس أنجلوس بتركيب مئات الإشارات ذات الطاقة الشمسية، وأبلغت عن وفورات سنوية في الطاقة تصل إلى 000 1 دولار لكل تقاطع.

إشارات المرور ذات الدفعات الرياح

وفي حين تهيمن الطاقة الشمسية على سوق إشارات المرور المتجددة، فإن الطاقة الريحية توفر حلا تكميليا في المناطق ذات الرياح المتسقة، فالاضطرابات الريحية الرأسية الصغيرة تناسب البيئات الحضرية بشكل خاص، وهي تعمل بسرعة الرياح المنخفضة (2.5 إلى 3.5 متر/م) أكثر هدوءا من التوربينات الأفقية، ويمكن أن تتواكب مع أنماط الرياح المضطربة المشتركة بين المباني.

ومن الأمثلة البارزة على ذلك مفهوم القطب الذكي الذي طوره اتحاد في هولندا، وهذه الأعمدة تدمج في نظام VAWT، وجهاز شمسي بطول 300 واط، وبطارية، ومتحكم في الطاقة، وأثناء الرياح العالية، يمكن للتربين أن يولد طاقة فائضة إما مخزنة أو مغذية في مجهرية محلية، وقد أظهرت التجارب المبكرة أن نظام الهجين هذا قد حقق الاكتفاء الذاتي في الطاقة بنسبة 95 في المائة.

ولا تزال هناك تحديات قائمة، فالأنماط الحضرية للريح متغيرة للغاية، وتحتاج التربينات إلى صيانة منتظمة لمنع الارتطام بالألبسة وتلف الاهتزاز، ولكن يجب إدارة النواة في المناطق السكنية، ومع ذلك، بالنسبة للمدن ذات الموارد الريحية القوية والمطردة - مثل المدن الساحلية أو المدن ذات الكفاءات العالية - تشكل الإشارات ذات القدرة الريحية إضافة صالحة لمجموعة الأدوات المتجددة.

AI Algorithms

أما أدمغة إشارات المرور ذاتية الحركة فتتمثل في الذكاء الاصطناعي، ونماذج التعلم الماكنة، ولا سيما وكلاء التعاضد العميق، والبيانات التي تُعالج باستمرار من أجهزة كشف المركبات، والكاميرات، والبث الموصل للمركبات، ويتعلم هؤلاء الوكلاء سياسات توقيت الإشارات المثلى من خلال التجربة والخطأ في المحاكاة، ثم نشرهم في العالم الحقيقي، خلافاً للنظم الرياضية الثابتة والمصنوعة، يمكن للنظم القائمة على أساس التقريب أن تعالج سيناريوهات المفاجئة من الازغة.

وتستخدم عمليات التنفيذ الحديثة شبكات عصبية خفيفة الوزن تعمل على أجهزة حاسوبية حافة، وهذا يهم بالنسبة للإشارات المتجددة ذات الطاقة الكهربائية لأن الحوسبة تستهلك طاقة أقل بكثير من نقل جميع البيانات إلى خادوم السحاب، فمثلاً، يسحب نظام يستخدم وحدة معلوماتية عن النيتروجين من طراز NVIDIA Jetson حوالي 10-15 واط، مقارنة برأس إشارة من طراز LED، مقترنا بشبكة اتصالات واسعة النطاق تعمل بالشبكة اتصالات (Lo)

كما أنَّ استخدام الطاقة المخزنة هو الاستخدام الأمثل، فعندما تكون مستويات البطاريات منخفضة، يمكن للخوارزمية أن تزيد من " الوقت الأقصى " في نُهج أقل تذبذباً، أو أن تُحدِّد إشارات التخصيب قليلاً (تُبقي في نطاق معايير السطو التنظيمي) أو أن تحد من الصور غير الأساسية، وهذا التكيُّف القائم على التوعية يضمن عدم انقطاع التقاطع عن السلطة خلال ساعات حرجة.

شبكات الاستشعار المتكاملة

وتعتمد النظم ذات التوجه الذاتي على مجموعة غنية من أجهزة الاستشعار لجمع بيانات المرور، ولا تزال أجهزة الكشف عن الثغرات المستخدمة شائعة، ولكن المنشآت الجديدة تستخدم أجهزة المغناطيس اللاسلكية العاملة بالطاقة الشمسية والمنبثقة في الرصيف، ووحدات الرادار، و 360 آلة تصوير من الدرجة الواحدة برؤية حاسوبية على متنها، وتصنف هذه أجهزة الاستشعار المركبات، وأجهزة التدوير، والآسيات، وتقدّر أوقات النواد وطول.

إن تصاعد الحس - يجمع بين البيانات من عدة أنواع من أجهزة الاستشعار - يحسن الدقة ويقلل من المكالمات الزائفة، فعلى سبيل المثال، قد تكتشف وحدة رادار مركبة توقفت عند الضوء الأحمر، بينما تؤكد الكاميرا أن السيارة حافلة وينبغي أن تحظى بالأولوية، ثم يقرر جهاز المراقبة التابع للشركة تمديد الإشارة الخضراء أو تقصير مرحلة النزاع، وكل ذلك يحدث في دورات دون الثانية، وتكاليف تجهيز الطاقة للمجسات والمجسات.

تخزين الطاقة وإدارة الطاقة

وتتوقف الطاقة المتجددة عن الإنتاج ليلاً، وقد تعطل التوربينات الريحية أثناء الطقس الهادئ، ولذلك تتطلب إشارات المرور ذاتية الموثوقة تخزيناً قوياً للطاقة، وينتقل معيار الصناعة من البطاريات التقليدية التي تستخدم في الرصاص إلى كيميائيات الليثيومبيات - الفوسفات (LFP) التي تحتوي على كميات أكبر من البطاريات التي تُستخدم في إطار التعقب والتي تزيد على 000 6 دورة،

كما يجري إدماج المكثفات في نظم التخزين الهجينة، ويمكنها أن تولد طلقات سريعة من الطاقة من أجل الحمولات المفاجئة، مثل عندما يؤدي طلب استباق المركبات في حالات الطوارئ إلى إحداث تغيير فوري في المرحلة، ومن خلال معالجة الحمولات القصوى، يخفف الأطقم الخارقة من الضغط على البطارية ويمد نطاقها، كما تقوم وحدات إدارة الطاقة بإرسال الطاقة الذكية بين المصفوفة الشمسية، وأجهزة التحكم في الريح، والبطارية.

التنفيذ العالمي الحقيقي ودراسات الحالات الإفرادية

ويجري الآن إثبات الفوائد النظرية للإشارة ذاتية الدفع المتجددة في مدن حول العالم.

شيناي، الهند

وقد نشرت شيناي أكثر من 200 إشارة مرور تعمل بالطاقة الشمسية مع التحكم في أجهزة الاستنشاق المكيفة، وتعمل الإشارات على شبكة مشرقة، وتتقاسم البيانات عن مستويات الازدحام والطاقة، وتشير التقارير المبكرة إلى انخفاض متوسط تأخير المركبات بنسبة 30 في المائة خلال ساعات الذروة، وقطع الانبعاثات ذات الصلة بالقطع المتقاطعة بنسبة 15 في المائة، وتوضع الألواح والبطاريات الشمسية في خزانات مضادة للمركبات، مما يقلل من السرقة والأضرار.

أوستن، تكساس، الولايات المتحدة الأمريكية

وقد أعاد برنامج " تقاطعات الذكاء " التابع لأوستين إلى 50 تقاطعا مع الألواح الشمسية وبطاريات LFP وأجهزة التحكم في التعاضد، حيث أفادت المدينة بحدوث انخفاض بنسبة 20 في المائة في استهلاك الطاقة عموما لإشارة المرور، وخلال العاصفة الشتوية أوري في عام 2021، التي تسببت في انقطاع الكهرباء على نطاق واسع، استمرت عمليات التقاطع بالطاقة الشمسية في العمل عادة في حين كانت الإشارات المعتمدة على الشبكات تسود.

أمستردام، هولندا

ويدير أمستردام نموذجاً من الإشارات الهجينة ذات الريح العازلة عند 12 تقاطعاً بالقرب من ميناءه، وتوضع التربينات على مواقد الإضاءة القائمة، وتنتج الشبكة، مع مصرف بطارية، فائضاً من الطاقة يباع إلى الشبكة، وقد شهدت المدينة انخفاضاً بنسبة 40 في المائة في تكاليف الكهرباء السنوية لتلك التقاطعات، وبالإضافة إلى ذلك، يبرمج متحكمون في الطاقة لتكوين الدراجات وتركيبها.

فوائد الإشارات ذاتية الدرّاجة ذاتية الطاقة المتجددة

وتتجاوز المزايا المدخرات البسيطة في مجال الطاقة.

Environmental impact:] By displacing grid electricity from fossil fuels, each solar —powered intersection can prevent roughly 2 to 4 metric tons of CO_]2] per year. multiplied across thousands of intersections citywide, the reduction is significant.

Operational cost reduction:] Once installed, solar —powered signals incur almost no electricity cost.

]Resilience and reliable:]))(

(ب) إن الجمع بين الطاقة المتجددة والمراقبة التي تحركها الوكالة الدولية للطاقة الذرية يؤدي إلى سائل، وإدارة حركة المرور التكييفية، وتقضي المركبات وقتاً أقل في التكهن، مما يقلل من استهلاك الوقود وانبعاثات النسيج، وتظهر الدراسات المتعلقة بنظم مراقبة الإشارات التكييفية متوسط التخفيضات في وقت السفر بنسبة 10 في المائة وأقل من المكاسب، وذلك من أجل تخفيف الأخصائيين الفنيين ومشغلي الادخار الحقيقيين.

(ب) إنّ الإشارات المتجددة ذات الطاقة المتجددة هي إشارات نموذجية، ويمكن أن تبدأ المدينة بحفنة من التقاطعات التجريبية وتتوسع استناداً إلى بيانات الأداء، وتتناسب التكنولوجيا مع التقاطعات الريفية حيث يكون توسيع الشبكة مكلفاً، وكذلك بالنسبة لنظم المدن الكثيفة، كما أنّ الطبيعة الذاتية المحتوية على الطرق تسمح بالبناء السهل.

التحديات والنظر في المسألة

وعلى الرغم من الوعد، يجب التصدي لعدة حواجز من أجل اعتمادها على نطاق واسع.

التكاليف الرأسمالية الأولية

ويمكن أن يزيد تركيب الألواح الشمسية والبطاريات والمتحكمين المتقدمين تكلفة ما بين ضعفين وثلاثة أضعاف عن تركيب إشارات المرور التقليدية، وقد يتراوح العائد النموذجي بين 000 10 دولار و 000 25 دولار لكل تقاطع، تبعا لحجم المجموعة الشمسية وتعقيد نظام المعلومات المسبقة عن البضائع، غير أنه مع قياس صافي، ووفورات الطاقة، والمنح المتاحة للهياكل الأساسية للطاقة النظيفة، يمكن أن تكون فترة السداد أقل من خمس إلى سبع سنوات.

التغير الطفيف والجغرافي

فالنظم ذات الطاقة الشمسية أقل موثوقية في المناطق التي ترتفع فيها سماء الرحل أو أيام الشتاء القصيرة، ويمكن للتشكيلات الهجينة التي تحتوي على توربينات الرياح أو مصارف البطاريات الكبيرة أن تخفف من ذلك، ولكن هذه التكاليف تزيد، ويمكن للزبائن الحضرية والمباني الطويلة أن تلقي الظل على الألواح الشمسية، وتخفض الجيل، كما أن الدراسات الاستقصائية التفصيلية للمواقع، ونماذج الطاقة، هي عناصر أساسية قبل النشر.

الصيانة والخبرة التقنية

وتحتاج الإشارات المتجددة ذات الطاقة المتجددة إلى معرفة متخصصة: تنظيف الألواح الشمسية، ورصد صحة البطاريات، والتفتيش على التربينات، وتحديث برامجيات AI، إذ يفتقر العديد من إدارات المرور البلدية إلى هذه الخبرة، وقد استجاب المصانعون بتقديم عقود خدمات ولوحات رصد عن بعد، تكون الشذوذات العَلَم، ومع ذلك، فإن بناء القدرات الداخلية أو إقامة شراكات مع الشركات الخاصة أمر ضروري للحفاظ على توافرها.

أمن الفضاء الحاسوبي وخصوصية البيانات

إذ أن إشارات المرور التي يقودها المعهد الدولي للطاقة تشكل جزءا من شبكة المعلومات، فهي تتصل عبر شبكات لاسلكية وقد تكون عرضة للهجمات الإلكترونية، ويمكن أن يتلاعب فاعل مخادع بتوقيتات الإشارة أو يعطل نظام إدارة الطاقة، فالتشفير والتوثيق المستند إلى الشهادات والمراجعات الأمنية المنتظمة إلزامية، بالإضافة إلى أن أجهزة الاستشعار القائمة على الكاميرا تثير شواغل تتعلق بالخصوصية.

توحيد المعايير وإمكانية التشغيل المتبادل

وقد تم تجزؤ سوق أجهزة مراقبة الإشارات ذاتية الدفع، حيث يستخدم مختلف البائعين بروتوكولات الملكية، مما يجعل من الصعب إدماج المعدات من جهات التصنيع المتعددة، وقد قامت الرابطة الوطنية للمصانع الكهربائية واللجنة الأوروبية لتوحيد المقاييس بنشر مبادئ توجيهية، ولكن الامتثال طوعي، وبدون معايير قابلة للتطبيق المتبادل، قد تخاطر المدن بقفل البائعين وارتفاع تكاليف الترقيات.

التوقعات المستقبلية

إن المسار واضح، فبحلول عام ٢٠٣٠، ستتضمن حصة كبيرة من منشآت الإشارة الجديدة إلى حركة المرور في البلدان الصناعية الطاقة المتجددة والتشغيل الآلي القائم على أساس الذرة، كما أن تكاليف الألواح الشمسية وبطاريات الليثيوم لا تزال تهبط، بينما ترتفع الكفاءة، كما أن تكنولوجيات توليد الطاقة - مثل بلاطات التصفيق الفائقة التي تولد الكهرباء من وزن المركبات - قد تكمل الطاقة في المستقبل.

وسيزداد تطور المعلومات الاستخبارية الأثرية، وسيستخدم الجيل القادم من المتحكمين في الجيل الجديد شبكات الأشعة للشبكات التجارية لنموذج شبكات المرور على نطاق المدينة بأكملها، وتنسيق مئات التقاطعات في آن واحد، وسيتيح الاتصال بالمركبات من أجل البنية التحتية نقل مساراتها المقصودة، مما يتيح توقيتاً شبه مناسب، وبما أن شبكات الطاقة المتجددة تصبح ثنائية الاتجاه، فإن إشارات المرور يمكن أن تصبح مشاركاً نشطاً في برامج الاستجابة للطلبات،

ولا تزال هناك تحديات، ولكن تقارب الطاقة الخضراء، والحوسبة المنخفضة القوة، والاستخبارات الآلية قد خلقت فرصة حقيقية، إذ إن إشارات المرور ذاتية الدفع والمتجددة ليس مفهوماً مؤثراً - فهي موجودة بالفعل في الشوارع من شيناي إلى أوستن، ومع التخطيط والاستثمار الدقيقين، فإنها ستصبح القاعدة، مما يجعل المدن أكثر ذكاءً بل أكثر نظافة وأكثر أماناً وأكثر عدلاً.

إن الانتقال إلى نظم إدارة حركة المرور الذاتية الاصطدام هو أحد الثورات الهادئة في الهياكل الأساسية الحضرية، وهو يلمس كل سائق ودوائر وعربية، وبتسخير الشمس والريح والخرغاريتمات الذكية، يمكننا أن نبقي مدننا تتحرك دون المساس بمستقبل الكوكب.