التكنولوجيات الناشئة لرصد النظام الأساسي عن بعد

وفي السنوات الأخيرة، تحولت أوجه التقدم في التكنولوجيا الرقمية بصورة أساسية في كيفية قيام الصناعات برصد وإدارة نظمها الأولية من المواقع النائية، وهذه التكنولوجيات الناشئة التي تشمل شبكة المعلومات عن الأشياء، والاستخبارات الاصطناعية، والحساب الحازم، وشبكات الاستشعار اللاسلكية، لم تعد تمثل تحسينات اختيارية، بل عناصر أساسية في الاستراتيجية التشغيلية الحديثة، ومن خلال تمكين جمع البيانات في الوقت الحقيقي، والتنبؤات التحليلية، واتباع كفاءة اتخاذ القرارات بصورة آلية.

The Internet of things: Real-Time Data at Scale

وتشكل شبكة الإنترنت للأشياء أساس الرصد عن بعد الحديث، وتُجمع أجهزة الاستشعار المدمجة في الآلات، أو الأنابيب، أو الشبكات الكهربائية، وغيرها من الهياكل الأساسية باستمرار بيانات عن درجة الحرارة، والهتز، والضغط، والتدفق، وعشرات البارامترات التشغيلية الأخرى، وتُنقل هذه الأجهزة البيانات عبر الخلايا، أو السواتل، أو شبكات المناطق الواسعة النطاق ذات الطاقة المنخفضة إلى منابر السحاب المركزية، مما يمكِّن الجهات الفاعلة من مراقبة صحة وأداء كل موجودات.

نشرة موسوعة للاستشعار

وقد أصبحت أجهزة الاستشعار بالأشعة فوق البنفسجية أصغر وأرخص وأكثر كفاءة في استخدام الطاقة، مما يسمح للمنظمات بأن تصغِّل أجزاء من نظمها غير المرصدة سابقا، فعلى سبيل المثال، يمكن لمشغل خطوط الأنابيب الطبيعية أن يضع الآن آلافا من الضغط اللاسلكي وأجهزة الاستشعار التآكل على طول مئات الأميال من خطوط الأنابيب، واكتشاف خطوط الدفع الصغرى قبل أن تتصاعد إلى إخفاقات كارثية.

الإنذار الفوري وكشف حالة الشذوذ

وتكمن القوة الحقيقية لليووت في قدرتها على إصدار إنذارات فورية، وعندما تتجاوز قراءة أجهزة الاستشعار عتبة محددة مسبقا، يمكن للنظام تلقائيا أن يخطر المشغلين عن طريق النص أو البريد الإلكتروني أو الاندماج في برامجيات غرفة المراقبة القائمة، وهذا يقلل من ساعات أو أيام إلى ثوان، مثلا، يمكن أن يؤدي الارتفاع المفاجئ في التيار المتحرك في محطة معالجة مياه الصرف إلى وقف الضخ لمنع الفيضانات، بينما يؤدي انخفاض الضغط النفطي في حالة الطوارئ.

External link example: For a deep look at IoT applications in industrial settings, see IBM’s Industrial IoT overview].

استخبارات فنية وتعلم الآلات: التنبؤ بالغير المنظور

وفي حين يقدم معهد التعليم العالي البيانات الخام، فإن المعلومات الاستخبارية القابلة للتداول عن طريق أجهزة الاستنشاق والتعلم الآلي، وهذه الخوارزميات تحلل البيانات التاريخية والبيانات عن الوقت الحقيقي لتحديد الأنماط، والتنبؤ بإخفاقات المعدات، وتحقيق الأداء الأمثل، ودعم اتخاذ القرارات المستنيرة، وفي الرصد عن بعد بواسطة النظام الأولي، تستخدم الوكالة الدولية للطاقة الذرية في الصيانة المتوقعة والتحليلات التمهيدية.

نماذج الصيانة الافتراضية

ويمكن أن تُتوقع نماذج مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياسي تُدرَّب على سنوات من بيانات الاستشعار عندما يُحتمل أن يفشل عنصر ما، أي قبل أسبوع أو حتى يوم محدد، مما يسمح لأفرقة الصيانة بالجدول الزمني لعمليات الإصلاح أثناء فترات التعطل المخطط لها، مما يقلل من تكاليف التدخلات الطارئة، فعلى سبيل المثال، يمكن لمشغل المزارع الريحية استخدام نظام تنبؤات بحجم المعدات قبل الكشف عن التغيرات الارتفاع 30 إلى 40 في المائة.

كشف الشذوذ في النظم المعقدة

وتبرز شبكات التعلم العميقة في الكشف عن الشذوذ الذي قد يفتقده المشغلون البشريون، ولا سيما في البيئات المتعددة الأحواض، ويمكن للشبكة الجديدة التي تبث الوجبات من أجل التغذوية التي ترصد مفاعلا كيميائيا أن تحلل في الوقت نفسه درجة الحرارة والضغط ومعدل التدفق والحمض، وتراكمات الرماية التي تسبق حالة خطرة، وتصبح هذه النظم أكثر دقة، مع مرور الوقت، مما يقلل من الإنذارات المزيفة بينما تلحق قضايا أكثر صدقا.

التحليلات الوصفية والتعظيم

ويمكن أن توصي منظمة العفو الدولية، فيما عدا التنبؤ، بارامترات تشغيلية مثلى، فعلى سبيل المثال، قد يُعدّل نظام رصد المياه في البلديات سرعة الضخ ومواقع الصمامات للتقليل إلى أدنى حد من استهلاك الطاقة مع الحفاظ على الضغط الكافي في المنطقة بأسرها، وهذه المراقبة المغلقة قيمة خاصة في النظم التي تكون فيها التعديلات اليدوية بطيئة أو غير عملية.

مثال للربط الخارجي: تعلم المزيد عن آي في الصيانة المتوقعة في صفحة التحليل الصناعي لـ جي ديجي

الحوسبة: تخفيض درجة الاحتراز للقرارات الحرجة

وكثيراً ما ينطوي الرصد عن بعد في النظام الأساسي على عمليات مراعية للوقت - مثل إغلاق حالات الطوارئ، وتنظيم الفولط، أو الكشف عن تسرب الأنابيب - حيث يُعدّ ملي ثانيات، ويُقدّم إرسال جميع البيانات إلى سحابة بعيدة لتجهيزها إلى درجة غير مقبولة، ويعالج ذلك عن طريق إجراء تحليل البيانات عن الأجهزة المحلية، مثل أجهزة التحكم المنطقي القابلة للبرمجة أو البوابات الحافة، بالقرب من مصدر الجيل.

هيكل تجهيز الوثائق

وفي هيكل حاسوبي حاف، تنقل أجهزة الاستشعار التابعة للشركة بيانات إلى موكب حافة مجاور بدلا من أن تنقل مباشرة إلى السحابة، وتدير نواة الحافة نماذج للوزن الخفيف لتقييم الظروف، وتثير الإنذارات المحلية، وترسل فقط بيانات مجمعة أو غير عادية إلى المنبر المركزي، مما يقلل تكاليف عرض النطاق الترددي وازدحام الشبكات مع وقف الاستجابات شبه الثابتة.

النشر في البيئات النائية

ويُعد حساب السن أمراً قيماً بوجه خاص في الأصول النائية أو المتنقلة حيث لا يمكن ضمان الربط السحابي الموثوق به، إذ أن أنابيب النفط والغاز التي تجتاز الصحراء، والرياح البحرية، ومركبات التعدين تستفيد جميعها من التجهيز على متن السفن، وحتى عندما تكون القدرة على الاتصال متقطعة، فإن أجهزة الحواف تواصل الرصد وتسجيلها والإنذار بها محلياً، ثم تتزامن البيانات مع السحابة عندما تُعاد وصلة.

External link example: For a technical introduction to edge computing in industrial control, see Microsoft’s Azure IoT Edge resources].

شبكات الاستشعار اللاسلكية: المرونة بدون نظام " ويرز "

:: وجود شبكات لاسلكية للاستشعار عن بعد، تقوم برصد حر من قيود التكتل المادي، مما يتيح نشر أجهزة الاستشعار على مناطق كبيرة أو مسدودة أو خطرة، وتتألف من أجهزة استشعار مستقلة موزعة جغرافياً وتتواصل فيما بينها ومع بوابة مركزية تستخدم بروتوكولات مثل زغبي أو لو راوا أو إن بي أو تي أو 5 جي.

Mesh Topologies for Redundancy

ويستخدم العديد من أجهزة الاستشعار العالمية شبكة الميكنة حيث يمكن لكل جهاز استشعار أن ينقل بيانات لجيرانه، مما ينشئ شبكة اتصال ذاتية التعافي: إذا فشل أحد المعاجم، فإن البيانات تُمر تلقائيا عبر مسار آخر، فعلى سبيل المثال، يمكن لشبكة ترصد مزرعة شمسية كبيرة أن تحافظ على الاتصال حتى بعد أن تلحق العاصفة أضراراً بعدد من وحدات الاستشعار، بما يكفل تدفق البيانات المستمر لتتبع الأداء.

خيارات طويلة الأجل

(ب) تسمح تكنولوجيات مثل شبكة منطقة نهر لونغ الكبرى للمستشعرات بالاتصال على مسافات تصل إلى 15 كيلومتراً بينما تستهلك طاقة ضئيلة جداً، مما يتيح للوحدات العاملة بالبطارية أن تعمل لسنوات، وهذا مثالي لرصد الأصول مثل محطات مضخات المياه النائية أو محولات الإحلال التي لا يمكن فيها إجراء تغييرات متكررة في البطاريات، وفي الزراعة، تقوم الشبكة برصد نظم الري وظروف التربة المثلى عبر ميادين واسعة النطاق.

الفوائد الملموسة عبر الصناعات

ويسفر اعتماد هذه التكنولوجيات عن تحسينات كبيرة وقابلة للقياس، وفي حين أن الفئات العامة - السلامة، ووفورات التكاليف، والكفاءة التشغيلية، ودقة البيانات - معروفة جيدا، فإن التفاصيل تختلف حسب القطاع والنظام.

تعزيز السلامة في البيئات الخطرة

وفي مصافي النفط والنباتات الكيميائية، يقلل الرصد عن بعد من الحاجة إلى دخول العمال إلى مناطق خطرة لإجراء عمليات تفتيش روتينية، ويمكن لأجهزة الكشف عن الغاز، إلى جانب نظم الإنذار اللاسلكية، أن تؤدي تلقائيا إلى تحذيرات الإجلاء وضوابط التهوية، وفي التعدين، تتعقب أجهزة الاستشعار عن طريق التلويث حركة الأرض ونوعية الهواء، وتوفر الإنذار المبكر بالهواء أو تكديس الغازات السامة، مما يؤدي إلى انخفاض كبير في خطر الإصابة والوفاة.

وفورات في التكاليف الأساسية من خلال الصيانة الافتراضية

ويمثل التعطل غير المخطط له أحد أكبر النفقات في الصناعة الثقيلة، إذ يقدر أن تكلف 50 بليون دولار سنويا في قطاع الصناعة وحده، ويمكن أن تخفض الصيانة الافتراضية التي مكّنت من تنفيذها منظمة العفو الدولية وشركة إيوت بنسبة تصل إلى 40 في المائة، فعلى سبيل المثال، خفضت مطحنة الورق التي اعتمدت رصدا لاسلكيا على محركات مصافحتها بنسبة 60 في المائة في السنة الأولى، مما وفر مبلغ 2.5 مليون دولار في تكاليف الإنتاج المفقودة وإصلاح الطوارئ.

الكفاءة التشغيلية والتألق

ويقضي جمع البيانات آليا على القراءات اليدوية للمقاييس والسجلات، وتحرير الموظفين للقيام بمهام ذات قيمة أعلى، كما يمكن لعملية تجهيز السلع أن تؤدي إلى اتخاذ إجراءات مراقبة روتينية آلية، مثل تعديل تدفق المياه المبردة على أساس درجة حرارة المعدات في الوقت الحقيقي، دون تدخل بشري، مما يبسط سير العمل ويقلل من احتمال وقوع خطأ بشري.

تحسين دقة البيانات ودرجة جدرانها

وتعطي أجهزة الاستشعار الحديثة معدلات عالية الدقة وأخذ العينات من العمليات اليدوية التقليدية، حيث حلت أجهزة نقل الضغط الرقمي بنسبة 0.1 في المائة من الدقة محل قياسات الأشعة التي اندلعت بمرور الوقت، ومع استمرار قطع الأشجار، يحصل المشغلون على صورة كاملة لسلوك النظام، بما في ذلك الأحداث العابرة التي ستفتقدها عمليات التفتيش الدوري، وتغذي هذه البيانات العضلية نماذج أفضل وقرارات أكثر ثقة.

التغلب على تحديات التنفيذ

وعلى الرغم من الفوائد الجبارة، فإن نشر هذه التكنولوجيات على نطاق واسع يشكل عقبات عديدة، ويجب على المنظمات أن تبحر في مخاطر أمن الفضاء الإلكتروني، وتعقيد إدارة البيانات، وارتفاع التكاليف الأولية، والاندماج في الهياكل الأساسية القديمة.

أمن الفضاء الحاسوبي في مجال الرصد عن بعد

ويعرض توسيع نطاق سطح الهجوم بألاف الأجهزة المترابطة مواطن ضعف جديدة، وكثيرا ما تفتقر أجهزة الاستشعار والبوابات الصناعية إلى قدرات تشفير أو توثيق قوية، ويمكن استخدام جهاز استشعار متضرر لتسلل شبكة المراقبة الأوسع نطاقا، مما قد يسبب ضررا ماديا، وتشمل استراتيجيات التخفيف تقسيم الشبكة، وشهادات على مستوى الأجهزة، وتحديثات منتظمة للموجات الثابتة، وتركيبات للصناديق الصفرية.

إدارة البيانات: المجلد، فاريتي، وفيلوسيتي

ويمكن لمحرك طائرة واحدة أن يولد أكثر من 10 جي بي من البيانات لكل رحلة، كما أن شبكة ذكية تضم ملايين المتر تنتج التهابات كل سنة، وتخزن وتجهيز وتحلل هذه البيانات الضخمة تتطلب بنية أساسية قوية، وكثيرا ما تكون تكاليف التخزين فعالة من حيث التكلفة، ولكن تكاليف النقل والشواغل المتعلقة بالبطء تدفع بعض النماذج الهجينة التي تستخدم الخزن الحاف للبيانات الخام والسحب من أجل النظرة الجماعية للضجيج الفاسدة.

الاستثمار الأولي وتبرير حقوق الملكية

ويمكن أن تكون التكاليف الأولية لنشر أجهزة الاستشعار عن طريق شبكة " إيوت " ، والهياكل الأساسية للشبكة، ومعدات الحواف، وبرامجيات التحليل ذات أهمية خاصة بالنسبة للشركات التي لديها أصول عديدة متراثة، ومن الضروري وجود حالة تجارية واضحة، والمشاريع الرائدة التي تركز على مناطق العودة العالية مثل المضخات الحرجة أو المكثفات - المساعدة تدل على قيمة قبل التوسع، وتتناقص التكاليف: جهاز استشعار صناعي لليوتات السلكية واللاسلكية تكلفته قبل ذلك بعشر سنوات قد تبلغ الآن ٥٠ دولارا.

التكامل مع نظم الرقابة القائمة

وكثيرا ما يتطلب نقل أجهزة حديثة للمراقبة الملكية (مودبوس، وبروبوس، وDNP3) أو أجهزة التحكم المنطقية القديمة القابلة للبرمجة، وربط أجهزة إيوت بهذه النظم محولات للبروتوكولات أو متوسطة، ويجب الحرص على تجنب التدخل في حلقات المراقبة الدقيقة.

External link example: For guidance on OT cybersecurity, see the CISA Control Systems Security page].

مستقبل رصد النظام الأساسي عن بعد

ومع نضج هذه التكنولوجيات وترابطها، سيجلب العقد القادم المزيد من القدرات القوية، وهناك اتجاهات عديدة ترسم بالفعل الطريق المؤدي إلى المستقبل.

5G and Private LTE Networks

وسيمكن الاتصال غير الموثوق به من المستوى المنخفض من 5G من التحكم عن بعد في النظم التي تحتاج حاليا إلى وصلات سلكية ورصد هذه النظم، فعلى سبيل المثال، يمكن لـ 5G أن تدعم الفيديو في الوقت الحقيقي من الطائرات بدون طيار التي تفتش خطوط البث ذات الحركة العالية أو تسمح للمشغل عن بعد بمراقبة معدات التعدين مع التغذية المرتدة بالترددات الهباتية، وتوفر شبكات خاصة لاستقبال التغطية المخصصة داخل المرافق الصناعية، وتتجنب التدخل وتضمن الترددات اللازمة للرصد الحرج.

التوائم الرقمية والحياكة

فالتوأم الرقمي هو نسخة طبق الأصل من نظام أساسي مادي يتلقى بيانات الاستشعار في الوقت الحقيقي ويحاكي سلوكه، ويمكن للمشغلين أن يُجريوا سيناريوهات " ما إذا " دون المخاطرة بالأصول الفعلية، فعلى سبيل المثال، قد تستخدم شبكة المياه توأم رقمي من شبكة التوزيع للتنبؤ بكيفية تأثير الكسر الرئيسي على الضغوط في مختلف المقاطعات، ثم تُحسن مواءمة الصمامات بصورة استباقية.

نظم الرصد الذاتي والتعافي الذاتي

والهدف النهائي من الرصد عن بعد هو إنشاء نظم يمكن أن تكتشف وتكشف وتكشف وتصلح نفسها دون تدخل بشري، وتتقدم البحوث في النظم الصناعية المستقلة، وتشهد تجارب في شبكات أجهزة الاستشعار الذاتية والآليات التي يمكن أن تؤدي مهام الصيانة البسيطة، وفي حين أن الاستقلال الذاتي الكامل لا يزال بعيدا عن معظم التطبيقات، فإن النظم شبه المستقلة التي تتصاعد إلا في ظروف غير عادية لخبراء البشر تعمل بالفعل في مجال النفط والغاز، حيث تقوم إدارة منصة الإنتاج غير المأه.

وجود ترابط بين تكنولوجيا المعلومات وفووت

فالحدود بين تكنولوجيا المعلومات والتكنولوجيا التشغيلية غير واضحة، وقد كانت نظم تكنولوجيا المعلومات، التي كانت معزولة من شبكات الشركات في الماضي، ولكن الرصد عن بعد الحديث يتطلب أن تكون متاحة، وهذا التقارب يحقق مكاسب في الكفاءة، ولكنه يتطلب أيضا نماذج جديدة للإدارة، والتدريب الشامل للموظفين، والسياسات الأمنية التي تشمل كلا المجالين، وستكون المنظمات التي تدير هذا التكامل في أفضل وضع يمكنها من الاستفادة من التكنولوجيات الناشئة بشكل كامل.

خاتمة

إن التكنولوجيات الناشئة من أجل الرصد عن بعد للنظام الأساسي - أيوتي، وأجهزة الاستعلام، وأجهزة الاستشعار اللاسلكية، التي تنتقل من التجارب إلى الجوهر، وهي تمكن الصناعات من العمل بأمان أكثر كفاءة، وبثقة أكبر من حيث البيانات، وفي حين أن التحديات في مجال أمن الفضاء الإلكتروني، وإدارة البيانات، والتكاليف، والتكامل، فإن المسار واضح: فمستقبل إدارة النظام الأساسي هو أيضاً خطر بعيد، ومبتكر في بناء، ولا يؤدي إلى زيادة الاستقلالية في مجال الابتكار.

وللمزيد من القراءة بشأن تنفيذ هذه التكنولوجيات في منظمتكم، النظر في الموارد من معايير المنظمة الدولية للتوحيد القياسي للصناعة والتخصيب ] أو التشاور مع دراسات الحالات الإفرادية من كبار مربيي النظام.