وتمثل المحركات الذكية قفزة عميقة إلى الأمام في تصميم نظام الدفع، مما يتيح رصد الأداء غير المتناظر في الوقت الحقيقي من خلال الإدماج السلس لصفائف الاستشعار المتقدمة، ومن خلال التغذية المستمرة للبيانات التشغيلية لنظم التحكم الذكية، تتيح هذه المحركات للمشغلين تحقيق الكفاءة في استخدام الوقود، والتنبؤ باحتياجات الصيانة، وتعزيز السلامة بعيدا عن ما يمكن أن تقدمه محركات الدفع التقليدية الثابتة الأداء، وهذه التكنولوجيا تتسم بأهمية متزايدة في قطاعات الفضاء الجوي والبحار.

ما هي (سمارت ثروستر)؟

والعامل الذكي هو وحدة الدفع التي تدمج أجهزة الاستشعار المتعددة، أو جهاز محلي للمراقبين الجزئيين أو وحدة اقتناء البيانات، وواجهة اتصال قادرة على نقل القياس عن بعد في الوقت الحقيقي إلى نظام مراقبة مركزي أو إلى منصة تحليلية قائمة على الغيوم، وخلافاً للأجهزة المستخدمة في الدفعات التقليدية التي تعمل على منحنىات مسبقة وتحتاج إلى فحص يدوي دوري، يمكن للأجهزة الدافعة الفورية الذكية أن تعدل أداءها الدينامية استناداً إلى ظروف مقاس.

ويستند هذا المفهوم إلى عقود من التقليل من أجهزة الاستشعار وتطور شبكة الإنترنت الصناعية للأشياء (اللووت) وفي التطبيقات البحرية، تستخدم أجهزة الدفع الذكية في نظم المواقع الدينامية على السفن البحرية، والسفن السياحية، والمنصات البحرية، وهي في الفضاء الجوي، أساسية لمراقبة المواقع الساتلية، والمناورة المركبة الفضائية، والمركبات الجوية غير المأهولة ذات التردد العالي (UAVs).

تكنولوجيات الاستشعار في صمامات الذكاء

إن استخبارات الدافع الذكي تنبع مباشرة من تنوع ونوعية أجهزة الاستشعار التابعة لها، وفيما يلي، ندرس أنواع الاستشعار الرئيسية وأدوارها المحددة.

أجهزة الاستشعار

وتوضع أجهزة الكشف عن الحرارة، وأجهزة الكشف عن درجة الحرارة المقاومة، وأجهزة الاستشعار شبه القائمة على الموصلات في نقاط حرجة: وهي تقترب من الملامح، وأجهزة الرياح (في محركات الكهرباء)، وغرف الاحتراق (في محركات الاضطرابات الغازية)، والمرور المبردة، وتمنع المراقبة المستمرة لدرجات الحرارة من الإفراط في التسخين، وتسمح بتعطيل القوى العاملة على أساس التكييف.

أجهزة الاستشعار عن بعد

كما أن أجهزة الدفع الذكي والمجسات السريعة تكتشف وجود تشوهات ميكانيكية مثل الخلل، وسوء الترتيب، والارتطام، والثدي، والثديث، وكثيرا ما تستخدم أجهزة الدفع الذكي الاصطناعي الاصطناعي ثلاثي الأبعاد، وأخذ عينات في عدة كيلوهرتز لاستخلاص الاضطرابات المنخفضة التردد، والتوقيعات ذات التردد العالي.

أجهزة الاستشعار

وتقيس محركات الضغط الهيدروليكي والضغط الناموسومي ضغط السوائل أو الغاز في مواقع متعددة: تفريغ الضخ، وموانئ الصمامات، ومجالات زيوت التشحيم، وتشير قراءات الضغط المختلفة عبر المرشّحات ومبادلات الحرارة إلى التخثر، بينما يساعد الضغط المطلق في صبغ الدافع على حساب ناتج الدافع الدقيق.

أجهزة الاستشعار المتدفقة

وتتتبع أجهزة القياس المتدفقة )مثلاً، التربين، أو الأشعة فوق البنفسجية، أو أنواع كوريوليس( معدل تدفق المبردات ومواد التشحيم والزواحف، وأي انحراف عن خط الأساس مثل هبوط في الزهرة المبردة - يمكن أن يؤدي إلى إنذار فوري قبل حدوث الضرر الحراري، وفي أجهزة الدفع الكهربائية للسواتل، تقوم أجهزة الاستشعار بالتدفق برصد الاستهلاك الدقيق المتبقي )أي نوع(

أجهزة الاستشعار الحالية والفولطية

أما بالنسبة للأجهزة الكهربائية والمختلطة، والمجسات المحتوية على أجهزة الهالوفل، والقطع المقاومة، فتقوم قياس التيار المحركات وفولط الحافلات، وتحسب عوامل القوة، والتشوه الهارموني، والكفاءة الكهربائية في الوقت الحقيقي، وقد يشير ارتفاع مفاجئ في الارتفاع إلى نقص في الهواء، بينما يشير انخفاض تدريجي في حجم البطاريات إلى تدهور في مجرى هذه البيانات تغذي مباشرة في خوارزمات إدارة الطاقة، ولا سيما في حالة حرجة.

الأنواع الإضافية من أجهزة الاستشعار

Beyond the core set,elli pushers increasingly incorporate acous emission sensors] to detect incipient cracks or seal leaks, strain gauges] to measure structural loads on pusher mounts and nozzle assemblies,

اقتناء البيانات وتجهيزها

وتتمتع بيانات الاستشعار بحد ذاتها بقيمة محدودة؛ فهي عملية التجهيز والاندماج والتفسير التي تحول القياسات الخام إلى أفكار عملية.

التطبيب عن بعد

وتُرسل محركات التعبئة الذكية بيانات بمعدلات تحديث تتراوح بين 1 هرتز لرصد الحالة العامة إلى 1 كيلوهرتز لمراقبة الغلق، وفي المواقع الدينامية البحرية، تُرسل القياسات عن بعد عادة عن طريق حافلة ميدانية (مثلاً، كانوبين، إيثرك) إلى نظام مراقبة الدفع المركزي، وفي الفضاء الجوي، تُعنى حافلات المركبات الفضائية المتعددة الأبعاد والممتدة إلى 1553، أو حافلات الفضاء التي تُعالج تصميم بيانات التدفق العالي.

Edge vs. Cloud Processing

ولتقليل متطلبات التعلم من حيث التساهل والعرض، يقوم العديد من المحركات الذكية بإجراء حساب حافة محلية، ويدير المتحكم في الميكروفونات الخوارزمية التشخيصية، مثل التحولات السريعة من أربعة مستويات لتحليل اليقظة أو تصنيف الشبكات العصبية للكشف عن الأخطاء، ويرسلون الآن إنذارات أو ملخصات مكررة للسحابة، وهذا النهج له قيمة خاصة في البيئات التي تتسم فيها البيانات السحابية أو البصرية

نظام جمع البيانات

ويمكن أن تكون القراءات المشعرة الفردية مزعجة أو غامضة، فتقنيات الصمامات مثل مرشحات كالمان والشبكات البيزيزية - درجة الحرارة، والاهتزاز، والضغط، والبيانات الكهربائية، تتيح تكوين صورة قوية لصحة الدافع، فعلى سبيل المثال، فإن الارتفاع الطفيف في كل من درجات الحرارة وكميات الارتعاش يدل على عدم الدقة في كشفها مقارنة بمستوى التصلب المزيف.

استحقاقات تتجاوز الرصد الأساسي

ويفتح دمج أجهزة الاستشعار والتجهيز الذكية مجموعة من الفوائد التحويلية التي تتجاوز بكثير الرصد البسيط.

تحسين الأداء والرقابة التأديبية

فالبيانات الحالية تتيح مقاييس للدفع التكييفية التي تُفضي باستمرار إلى نقطة تشغيل الدافع، فعلى سبيل المثال، يمكن للمدافع البحري أن يعدل سرعة الوصل والتناوب للحفاظ على الطلب المستمر على الدفع مع تقليل استهلاك الوقود إلى أدنى حد مع تغيرات الحالة البحرية، وفي الفضاء، يمكن أن تُغيّر أجهزة الدفع الكهربائي التي تعمل بها في الوقت الراهن وتتسارعها بحيث تضاهي مراحل الاد القصوى في عمليات النقل المداري.

الصيانة الافتراضية والتقدير المستمر للحياة المفيدة

ويتحول رصد الحالة المستمرة من الصيانة من نموذج " اللافين " إلى نموذج " الجاهز والقابل للتنبؤ " ، ومن خلال تتبع اتجاهات التدهور، مثل ارتفاع مستويات الاهتزاز، وزيادة درجة الحرارة، أو تراكم التشويه الوئامي - يمكن للنظام تقدير العمر النافع المتبقي لكل عنصر، وقد ثبتت هذه القدرة في منشآت العالم الحقيقي:

تحسين السلامة والتسامح الافتراضي

ويمكن أن يكشف المدافعون الذكية عن الهالات بعد بدء التشغيل ويتخذون تلقائياً قوة مدرة للاجراءات، ويستخدمون نظماً احتياطية، أو يشعلون إغلاقاً منظماً، وفي عمليات تحديد المواقع الدينامية، يمكن التعويض تلقائياً عن فقدان أحد القاذفات عن طريق إعادة توزيع الحمولة على الوحدات المتبقية، ومنع الانجراف والتصادم، وتستفيد التطبيقات الفضائية الجوية من عمليات التفكك الصحي في وقتها أثناء إطلاقها وتصريف فيها.

بيانات عن قرارات وتحليلات الأسطول

وتوفر بيانات الاستشعار المتراكمة من أسطول كامل مجموعة بيانات غنية لتحليل دورة الحياة ويمكن للمهندسين تحديد نقاط الضعف في التصميم النظامي، ومقارنة الأداء في مختلف ظروف التشغيل، والتحقق من إجراءات الصيانة، وعلى سبيل المثال، تستخدم شركات الشحن هذه البصيرة لتوحيد تشكيلات الدفع عبر السفن، وتقليص تكاليف التدريب وتعقيد جزء من الجسم، وفي صناعة السواتل، يمكن قياس الدافع من المركبات الفضائية المتعددة من تحسين نماذج الدفع ومد ميزانيات البعثات على نحو أدق.

التحديات

ورغم وعدها، تواجه تكنولوجيا الدفع الذكي عدة عقبات حقيقية في العالم يجب التغلب عليها من أجل اعتمادها على نطاق واسع.

Environmental Durability

وتمارس المحارم في ظروف شديدة تضغط على أجهزة الاستشعار في حدودها، وتخضع المدافع البحرية لضغط مائي مرتفع (مئات الغلاف الجوي في عمق)، ومياه البحر التآكل، والتوليد الأحيائي، وتواجه محركات القاذورات في الفضاء الجوي تدورا حراريا سريعا، وتهتز بشدة أثناء الإطلاق، وتحتاج بيئات مشعة عالية في الفضاء، ويجب أن تُزدَّدَّد أجهزة الاستشعار، وتُحمَّد، وتُدَّد، في كثير من الضغ، وتُصَّل، وتُصَّل، وتُصَّدَّدَّدَّدَّدَّدَّدَّدَّدَّدَدَّدَّدَدَّدَّدَّدَّدَّدَّدَّدَّدَّدَّدَّد، وتُت، وتُت، وتُتْغَت، وتُدَّدَّدَّدَّدَّدَّدَّدَّدَّدَّدَّدَّدَّدَّدَّدَّدَّدَّدَّدَتْتْتْ في المائة، وتُ في كثير من المدافعُها،

أمن البيانات والمخاطر الكيميائية السيبرانية

وقد يؤدي تدفق البيانات المسببة للحساسية إلى تزويد المتحكم بمعلومات كاذبة، مما يؤدي إلى مناورات خطرة، وبالمثل، فإن المهاجم الذي يكتسب إمكانية الوصول إلى وصلة القياس عن بعد قد يكون قادرا على إصدار أوامر وقفية متنازعة، فالعمليات المتعلقة بالتشفير، والأحذية، والآليات الاستئمانية القائمة من الأجهزة، هي أمور أساسية، كما أن الصناعة البحرية، التي تسترشد بقرار المنظمة البحرية الدولية MSC.428(98) تعمل على نقل التكنولوجيا.

التكامل مع نظم الإرث

ومن الناحية التقنية، فإن إعادة استخدام أجهزة الاستشعار الذكية في برامج الدفع الحالية أمر صعب لأن كثيرا من المحركات القديمة لم تكن مصممة لاستيعاب وحدات إضافية للأسلاك أو وحدات التجهيز أو وصلات البيانات، ويجب أن يضيف المهندسون في كثير من الأحيان أجهزة الاستشعار الخارجية، وأن يستعملوا الوصلات البينية الهدرائية أو الكهربائية الموجودة، وأن يوضعوا صندوقا مستقلا لاقتناء البيانات، ويجب أن تشمل عمليات التجهيز والتثبت بدقة تجنبا للتداخل مع السلامة.

التكلفة والتدريب

أما التكلفة الإضافية لأجهزة استشعار ومجهز وموصلات وبرامجيات ذكية، فتزيد بنسبة تتراوح بين 15 و30 في المائة إلى سعر الوحدة التقليدية، وبالنسبة للسفن الصغيرة أو البعثات التي تخضع لضوابط الميزانية، فإن هذه العلاوة تشكل حاجزا كبيرا، وعلاوة على ذلك، يحتاج المشغلون وأطقم الصيانة إلى التدريب على تفسير بيانات أجهزة الاستشعار، وتنبيهات المكون، والعمل على توسيع نطاق التوصيات التشخيصية، وقد تغلب العديد من مديري الأسطول على ذلك بالبدء في تركيبة التجريبية على سفينة واحدة.

الاتجاهات المستقبلية

إن تطور المحركات الذكية أبعد ما يكون عن الاكتمال، إذ أن العديد من التكنولوجيات الناشئة ستزيد من توسيع قدراتها وتخفض الحواجز أمام التبني.

الاستخبارات الفنية والتعلم الآتي

وتستخدم نظم التشخيص الحالية العتبات القائمة على القواعد أو خطوط الاتجاهات البسيطة، وستستخدم نظم الجيل القادم نماذج للتعلم العميق تتعلم السلوك المميز بالتوجهات من التشغيل العادي وحتى الانحرافات الخفية في العلم، ويمكن لهذه النماذج أيضا التنبؤ بمسارات التحلل التي تتسم بقدر أكبر من الدقة في الاستقراء الخطي، مما يتيح تحديد الجدول الأمثل للمعالجات، وقد أظهرت البحوث التي أجريت في جامعة ساوثامبتون أن شبكات الوصلات المتفاوتية التي تغذي بها الكائنات الفية.

التوائم الرقمية

كما أن هناك محاكاة رقمية عالية الجودة للمدافع الفيزيائي تعكس مشغليها الذين يجهلون البيانات في الوقت الحقيقي لتشغيل سيناريوهات " ما - إن " ، واستراتيجيات مراقبة الاختبار، وإجراءات الصيانة دون التدخل في العمليات الفعلية، ويجري بالفعل نشر التوأم الرقمي لنظم الدفع البحري الكبيرة، مما يوفر صندوقا رملا لتعظيم استهلاك الوقود وتخفيض الانبعاثات.

العمليات المستقلة

إن محركات القاذفات الذكية هي تكنولوجيا أساسية للسفن والمركبات الفضائية المتمتعة بالحكم الذاتي الكامل، إذ يمكن للسفن، من خلال الجمع بين بيانات الاستشعار وتخطيط البعثات القائمة على أساس الإنشاءات، أن تعدل تلقائياً قوة الدفع للحفاظ على المسار، وتتجنب العقبات، وتستجيب للطقس دون تدخل بشري، وفي عام 2023، فإن سفينة الشحن المستقلة Yara Birkeland قد أظهرت عمليات متطورة تستخدم في إطار مراقبة من الفضاء.

شبكة الاستشعار اللاسلكية وتعبئة الطاقة

إن تشغيل الأسلاك إلى أجهزة الاستشعار داخل تجمع محركات متناوبة أمر صعب ويزيد من التعقيد الميكانيكي، وستعتمد التصميمات المستقبلية على أجهزة الاستشعار اللاسلكية التي تعمل بالطاقة الكهربائية الصغيرة في محصول الطاقة - الإضاءة، أو الحرارة، أو التدفق - مثل جهاز محصول الفك الحديدية الذي يُقام على جهاز الدفع - يمكن أن يحول اليقظة إلى أجهزة نقل طاقة صغيرة، بما يكفي لتشغيل سلك منخفض(10).

التوحيد والقابلية للتشغيل المتبادل

وكثيرا ما تكون النظم الإيكولوجية الحفازة الذكية اليوم مجهزة بممتلكات، ومشغلة ربط بمورد واحد، وتعمل مجموعات الصناعة، مثل الرابطة الدولية للمتعاقدين البحريين وجمعية الهندسة البحرية، على وضع نماذج موحدة للبيانات وتصنيفات الاستشعار ومقاييس الأداء، وستمكن التوحيد من الاعتماد المتبادل بين النظم الإيكولوجية البحرية المتعددة الأطراف في عام ٢٠٠٠، وتشجع على التعجيل بعملية الاعتماد الالكتروني للمناطق البحرية.

خاتمة

ومع أن المحركات الذكية المجهزة بمستشعرات متكاملة وتجهيز البيانات الذكية لم تعد فضول مختبري - فهي تمثل حلا عمليا عالي القيمة للمشغلين الذين يسعون إلى تحقيق أقصى قدر من الأداء والسلامة والموثوقية، مع التقليل إلى أدنى حد من التكلفة الكلية للملكية، فإن التقارب بين أجهزة الاستشعار ذات التكلفة المنخفضة، والتحكم القوي في التركيبات، والتحسينات المتقدمة تؤدي إلى الانتشار السريع في جميع القطاعات البحرية والفضائية.