تحديات توسيع نطاق الحلول ذات الصلة بالتحكم الأمثل في النظم الهندسية الكبيرة

فهم المراقبة الأمثل في النظم الهندسية الكبيرة

كما أن نظرية المراقبة المثلى توفر إطارا صارما لتصميم سياسات الرقابة التي تقلل أو تزيد إلى أقصى حد وظيفة محددة من حيث التكلفة على مر الزمن، وفي التطبيقات الهندسية، كثيرا ما تمثل هذه الوظيفة استهلاك الطاقة، أو خطأ المسار، أو الإجهاد الحراري، أو تذبذب النظم، وتعتمد الأسس الرياضية على البرمجة الدينامية وعلى الحد الأدنى من متغيرات تواتر العرض في الولايات، التي ترتبط بالمعادلات التفاضلية.

التحديات الرئيسية في مجال زيادة الرقابة على المستوى الأمثل

التعقيد الحاسوبي للمشاكل العالية الديموقراطية

وتشتمل لعنة البُعد على أهم العوائق الأساسية، إذ أن البرمجة الدينامية الكلاسيكية تتطلب تخزين وظيفة قيمة على كامل مساحة الدولة، مما يزيد بشكل مطرد من عدد الدول، كما أن التلاعب الآلي الذي يحتوي على عشرة مفاصل له مساحة متوسطة من البعد 20 (الرسومات والسرعة) ويُضفي على كل بعد في 100 فترة من فترات التقارب على نحو مباشر().

النموذج فيدليتي فيرسوس

وقد يؤدي قانون الرقابة المستمد من نموذج خطي مبسط إلى أداء ضعيف عندما يطبق على النظام الحقيقي غير الخطي، وعلى العكس من ذلك، فإن إدراج كل التفاصيل المادية - الاحتكاك، والهيستير، والارتهان الحراري، والديناميات السوائل - قد يؤدي إلى نموذج معادلة بين مئات الدول ومعادلات مختلفة، وقد يؤدي حل مشكلة المراقبة القصوى لمثل هذا النموذج إلى عدم التقريب في حدود زمنية مقبولة.

التأخير في استخدام الحاسوب والاتصالات في الوقت الحقيقي

فثمة نظم هندسية كبيرة تتطلب إجراءات مراقبة تُحسب وتُطبق بمعدلات مضاعفات الألف ثانية إلى ثوان، ويجب أن تعدل مزرعة الرياح التي تضم مئات من التوربينات السائلة وتُستخدم في مواجهة أنماط الرياح المتغيرة؛ ويجب أن يعيد تشكيل الطائرات الآلية المستقلة مساراتها كعقبات، وعندما يتعين على المتحكم أن يحل مشكلة قياسية كبيرة في كل خطوة، كثيرا ما يتجاوز الوقت المخصص للرقابة على العينة ما يكون منطلقا.

عدم اليقين والسطو في سكال

إن الحلول المناسبة للتحكم تستمد عادة باستخدام نموذج محدد، فالنظم الحقيقية ذات النطاق الواسع تخضع للاضطرابات - الضوضاء المستشعرة، والارتداء المفاجئ، والأخطاء غير المتوقعة، والتفاوتات البيئية، وجهاز التحكم الذي هو أمثل نموذج للنموذج الاسمي قد يكون هشا عندما تكون هذه الشكوك موجودة، ولتحديد أجهزة التحكم المثلى (مثلا، استخدام أجهزة التحكم الآلي في الدقة أو التركيبات الحافظة) يزيد من العبء المضافي.

استراتيجيات التغلب على الحواجز الناشئة

النماذج النموذجية للخفض والاستبدال

ويمكن أن تحل أساليب الخفض النموذجية محل نموذج عالي التكوين، مع وجود تقريب بين المناطق الأقل تنوعاً، يُحتفظ بالديناميات السائدة، ويُستخدم على نطاق واسع في نظم التحكم في الارتحالات المتأصلة في التدفقات، حيث يستخرج أكثر الأساليب نشاطاً من مجموعة من المقتطفات والمشاريع التي تُحدِّد معادلة الكائنات الحية في منطقة المحيط المتجمد في موقع فرعي منخفض.

Distributed and Decentralized Control

وبدلا من حل أفضلية كبيرة، يتم تقسيم النظام إلى نظم فرعية أصغر، وكل منها متحكم محلي، وتكفل آليات التنسيق تحقيق الأهداف العامة تقريبا، كما أن الرقابة التوقعية النموذجية ذات الاستخدام الأمثل قد طبقت بنجاح على بناء مراقبة المناخ وشبكات المرور وشبكات الكهرباء، وفي نظام تعاوني موزع على نطاق متعدد، حل كل جهاز فرعي مشكلة التقارب المحلية، ثم يقوم بالاتصال بمجموعة صغيرة من المزاد.

البرمجة الدينامية التقريبية والتعلم في مجال تعزيز القدرات

ويستخدم التخطيط الدينامي التقريبي للبرمجة الفعالة لمهام الأخصائيين (الشبكات العزلة، ووظائف الأساس) لتمثيل وظيفة أو سياسة القيمة، وتلافي الحاجة إلى وضع برامج دينامية واضحة تستند إلى الشبكة، ويمكن أن تقوم الخوارزميات المتقدمة العاملة في مجال التحليل على تحليل البيانات المحاكاة، ثم تُحسن على شبكة الإنترنت.

حاسوب موازي وبرمجيات متخصصة

كما أن إمكانية الوصول إلى نظام حاسوبي متطور من حيث الأداء يتيح حل مشاكل المراقبة المثلى على نطاق واسع بتوازي المقياس الأمثل، إذ يمكن مثلاً تسريع حل مشكلة التخصيب المباشر عن طريق توزيع تقييم مجموعة الجاكوبيين والهيسين على وحدات متعددة من وحدات الضبط العام.

المراقبة الهرمية والمتعددة النطاق

وكثيرا ما تظهر نظم كبيرة دينامية على مستويات زمنية متعددة، ويخصص هيكل للتحكم الهرمي حلقات محلية سريعة لمعالجة الاضطرابات العالية التردد، بينما تؤدي طبقة أعلى درجة تخطيطا أمثل، ويقلل هذا الفصل من البعد الذي يتسم به كل طبقة من الطبقات المتناهية الصغر، ففي مجموعة صغيرة من أجهزة مراقبة الدروود المحلية تستقر الفولط والتواتر على النطاق الثاني، بينما يُرسل جهازا مبسطا لمراقبة البطاريات.

دراسات حالات إفرادية وتطبيقات

ألف - تحقيق الاستخدام الأمثل في المسار الفضائي الجوي

(ب) أن تكون أجهزة الفضاء قد واجهت صعوبات كبيرة في الحد الأمثل من مركبات الإطلاق ومركبات الهبوط الكواكبي، ويشمل هبوط القمر نموذجاً غير خطي من نوع ستة درجات من حيث العزلة مع قيود على الثوران والجمجمجمدة والتضاريس، وتحتاج أساليب التصويب المباشرة التقليدية إلى حل برنامج غير خطي كبير، وذلك باستخدام نموذج خفض (مثلاً، إهمال أساليب الجسم المرنة أثناء مرحلة الترجمة التحريرية) وتوزيع أفضل

Smart Grid Frequency Control

ومع تزايد تغلغل الطاقة المتجددة، فإن عدم وجود نظام الطاقة الكهربائية ينخفض، مما يجعل تنظيم الترددات أكثر صعوبة، فالتحكم الأمثل في العديد من موارد الطاقة الموزعة (البعثات، واللافتات الشمسية، والاستجابة للطلب) مشكلة واسعة النطاق، وقد تم اختبار أساليب التلقيم المغنطيسي الموزعة في مشاريع تجريبية: فكل من مراقبي الأسر المعيشية يدير بطارية خاصة به بينما يتبادل التواتر الصافي للطاقة مع دور الجار.

أسطول المركبات المستقل

(ج) يتطلب تنسيق أسطول من السيارات المستقلة التي تبحر عبر مدينة حل آلاف المشاكل المتعلقة بالتحكم الأمثل (يقرر كل مركبة التعجيل في وقت السفر وتوجيهه إلى أدنى حد مع تجنب الاصطدامات) ولا يزال هناك حل مركزي، بل تم توزيع مركبات متعددة المبيدات مع وجود قيود على الاختراق، وتقوم كل مركبة بإبلاغ مسارها المقصود على أفق قصير (مثلاً، ثوانياً)

الاتجاهات الناشئة والاتجاهات المستقبلية

:: مراقبة التلميذات على المستوى الأمثل

وتُستخدم الأساليب القائمة على البيانات بشكل متزايد لتعلم ديناميات النظم، ونماذج عدم اليقين، بل وقوانين الرقابة المثلى مباشرة من البيانات، وتوفر نماذج عملية غاوسيان التنبؤات المحتملة التي يمكن إدراجها في نظام تقييم الأداء لتبيان عدم اليقين النموذجي، وتُقدّم نماذج متبقية مستفادة صحيحة للاحتكاك غير المُدلى به أو التأثيرات الهوائية، مما يتيح لنفس المتحكم الأمثل العمل في مختلف الظروف.

حواسيب السحاب والدخل لمراقبة التأشيرات

ويسمح التقارب بين الحوسبة السحابية والاتصالات بين المجموعات الخمسية بإجراء بعض عمليات المراقبة المثلى عن بعد، بينما تتولى أجهزة الحواف مهام منخفضة التردد، وبالنسبة لمزرعة الرياح الكبيرة، يمكن للسحابة أن تُدير عملية تحقيق الاستخدام الأمثل في المزارع كل بضع دقائق، بينما يقوم كل جهاز مراقبة محلي في التربين بتنفيذ أوامر القذف الصاروخية في 10 هرتز استنادا إلى آخر نقطة متطورة، وهذا التقسيم يقلل من تكاليف الأجهزة المتطورة ويتيح إمكانية الاتصال.

الطرائق الرسمية وضمانات السلامة

كما أن زيادة المراقبة المثلى يعني زيادة التحقق من أن المتحكم يتصرف بأمان في جميع الظروف المعقولة، وأن تحليل القابلية للتواصل، ووظائف الحاجز الرقابي، وبرمجة ملخّصات الزوايا توفر مجموعة أدوات للاعتقاد بأن سياسة الرقابة ستتجنب الدول غير الآمنة، وبالنسبة للنظم الكبيرة، تصبح هذه الأساليب باهظة التكلفة، ولكن التقدم الذي أحرز مؤخرا في التعليل التكوين - كسر دليل الأمان في الأدلة الأقل حجما - يظهر الوعود.

خاتمة

إن توسيع الحلول المثلى للضوابط على النظم الهندسية الكبيرة يظل تحديا هائلا، مدفوعا بالتعقيدات الحاسوبية، والمبادلات القائمة على النماذج، والقيود على الوقت الحقيقي، وعدم اليقين، ومع ذلك فإن المجال يمضي قدما بسرعة من خلال مزيج من التخفيضات النموذجية، والهيكلات الموزعة، والبرمجة الدينامية التقريبية، والحساب الموازي، والتحكم الهرمي، ويظهر النجاحات التي تحققت في عالم الواقع في الفضاء الجوي، ونظم الطاقة، والتحكم الآلي أن هذه الاستراتيجيات يمكن أن تحقق الكفاءة.