تحقيق الاستخدام الأمثل المتعدد الجوانب لتطوير أجهزة الاستشعار الذكية في الهندسة الهيكلية

تحقيق الاستخدام الأمثل المتعدد الجوانب لتطوير أجهزة الاستشعار الذكية في الهندسة الهيكلية

وقد أصبح الرصد الهيكلي للصحة حجر الزاوية في الهندسة المدنية الحديثة، مما يتيح إجراء تقييم مستمر للجسور والمباني والأنهار وغيرها من الهياكل الأساسية الحيوية، حيث أن أفضل تطبيقات الاستشعار الذكية - التي يمكن استنباطها - معالجة - نقل البيانات - تحويلها من عمليات التفتيش الدورية إلى صنع القرار في الوقت الحقيقي - على أن تكون منهجية متجانسة.

أساسيات الاستخدام الأمثل المتعدد الجوانب

والتفاؤل المتعدد الجوانب هو فرع من فروع الاستخدام الأمثل لالرياضيات يعالج المشاكل التي تنطوي على أكثر من وظيفة موضوعية يتعين التقليل منها إلى أدنى حد أو تعظيمها في نفس الوقت، وخلافاً للتفاؤل الوحيد الذي يسعى إلى إيجاد حل واحد " أفضل " ، تعترف منظمة رصد الأوزون بأن الأهداف غالباً ما تكون في حالة من حالات النزاع، مما يؤدي إلى تفاقم حالة أخرى، وعلى سبيل المثال، فإن زيادة معدل أخذ العينات في الاعتبار (الارتقاء الدقة المثلى).

فرص النجاح

ويقال إن الحل هو " بريتو " الأمثل (أو غير المهيمن) إذا لم يوجد حل آخر يمكن أن يحسن هدفاً واحداً دون أن يهين هدف آخر على الأقل، فجمع جميع هذه الحلول غير المهيمنة يشكل واجهة باريتو، ويمكن لصانعي القرار بعد ذلك أن يدرسوا المفاضلات على طول الجبهة ويختاروا التصميم الذي يتوافق على أفضل وجه مع أولويات المشاريع، على سبيل المثال، اختيار جهاز استشعار يقل قليلاً عن دقة، ولكنه أقل تكلفة بالنسبة لنشره بدرجة كبيرة.

النُهج والمقاييس المشتركة

وقد تم تطوير عدة خوارزميات لتوليد واجهات من طراز باريتو بكفاءة، ومن بين أكثرها استخداماً مقاييس تطورية مثل نم أ - 2 (الرمزي الثاني المهيمن على النورتين) ونموذج MEA/D (الرمز التمويني - القذف الاصطناعي) تشمل أساليب الانتقاء الاختراقية المصغرة التي تُستخدم في الآونة الأخيرة.

الأهداف الرئيسية في تطوير الاستشعار الذكي

إن تطوير جهاز استشعار ذكي للهندسة الهيكلية ينطوي على تحقيق الحد الأمثل لمجموعة من مقاييس الأداء، وفي حين أن الأهمية النسبية لهذه القياسات تختلف حسب التطبيق، فإن الأهداف التالية تكاد تكون موجودة دائما:

الدقة والدقة

ويجب أن يقيّم جهاز الاستشعار بصورة موثوقة الكميات المادية - التسريع والتشريد ودرجة الحرارة والتآكل - مع عدم اليقين المعروف، ويؤثر الاستحقاق بشكل مباشر على موثوقية بيانات الإدارة المستدامة للأراضي والقرارات اللاحقة (مثل إصدار إنذار أو صيانة الجدول الزمني).

التكلفة

وتشمل التكاليف مصروفات التصنيع الأولية، وعمالة التركيب، والصيانة، والاستعاضة في نهاية المطاف عن بعضها البعض، وبالنسبة لعمليات النشر الواسعة النطاق - مثل جسر يحتوي على مئات من أجهزة الاستشعار - التكلفة لكل جهاز استشعار، هو عامل حاسم، وتساعد وزارة الخارجية في تحديد التصميمات المنخفضة التكلفة التي لا تزال تستوفي الحد الأدنى من الدقة والقابلية للاستمرار، وقد ينطوي ذلك على مقايضة مثل استخدام عناصر أقل درجة تعوض عن ذلك بأجهزة قياسية متقدمة لتجهيز الإشارات، أو اختيار الحماية البيئية أقل تكلفة.

دال - القابلية للاستمرار والقابلية للاعتماد

ويجب أن تصمد الحساسات المنتشرة على البنية التحتية في ظروف قاسية: درجات الحرارة القصوى، الرطوبة، الاهتزاز، التعرض للأشعة فوق البنفسجية، والهجوم الكيميائي، وأحيانا الغواصة، ويقاس مدى الدوام بمتوسط فترة الفشل بين الفشل وفترة الحياة، وتزيد نظم حرق الطاقة، وضوابط التآكل، ومكونات الحجم الزائدة عن التكاليف.

كفاءة الطاقة

فالكثير من أجهزة الاستشعار الذكية تعمل بالبطارية أو تعتمد على جمع الطاقة )العزل، والاهتزاز، والحرارية( - يحدد استهلاك الطاقة فترة الصيانة لاستبدال البطاريات أو إعادة شحنها، وهو أمر بالغ الأهمية بالنسبة للمستشعرين الذين يتم تركيبهم في مواقع نائية أو غير قابلة للنفاذ، وكثيرا ما تكون البيانات الإلكترونية ذات القدرة المنخفضة، وسجلات الاتصالات اللاسلكية الفعالة )مثلا، معدل تكيف نظام " لوروا " ، و " إيواتو " (.

الأهداف الإضافية

ورهناً بالتطبيق، يمكن أن تشمل الأهداف الأخرى ما يلي:

• Size and Weight]: For retrofit applications or embedding in concrete, compact form factors are necessary.
• Bandwidth and Latency: يتطلب الرصد في الوقت الحقيقي نقل بيانات منخفضة الدقة؛ ويتطلب رصد الاهتزاز العالي التردد ارتفاعا في عرض النطاق الترددي.
• Interoperability]: Sensors must integrate with existing SHM platforms and communication standards (e.g., MQTT, REST APIs).
• Scalability]: ينبغي أن يكون التصميم قابلاً للصنع في الحجم ومن السهل نشره في شبكات كبيرة.

تطبيق الاستخدام الأمثل المتعدد الجوانب لتصميم أجهزة الاستشعار

وتأتي عملية استخدام الذخائر غير المنفجرة في تطوير أجهزة الاستشعار الذكية في أعقاب تدفق عمل منظم:

1. Define Objectives and Constraints: يتعاون المهندسون مع أصحاب المصلحة لتحديد مقاييس الأداء الأولية (مثل تقليل التكلفة إلى أقصى حد، وزيادة الدقة، وتحقيق أقصى حد من العمر) كما تحدد القيود مثل الوزن الأقصى، والحد الأدنى لمعدل أخذ العينات، أو معايير التصديق.
2. Model the Sensor System]: وضع نموذج رياضي أو محاكاة يتصل بمتغيرات التصميم (مثل نوع الاستشعار، ومعدل أخذ العينات، والاختيار المادي، وأطبوغرافية الدوائر) للأهداف، ويمكن أن يكون هذا النموذج تحليلياً، ومحدد العناصر، أو محركاً للبيانات.
3. Run Optimization]: يجري تنفيذ خوارزمية من طراز MOO لاستكشاف حيز التصميم وإنتاج مجموعة من الحلول غير المهيمن عليها، وقد ينطوي ذلك على آلاف أو ملايين التقييمات، تبعاً للتعقيد النموذجي.
4. ]Trade-off Analysis]: يُنظر إلى جبهة باريتو )مثل قطع قطع قطع الغيار، والإحداثيات الموازية( لفهم الحلول الوسطية، ويطبق صناع القرار الأفضليات - على سبيل المثال، درجة دقتها المقبولة على الأقل - حتى يصفوا الجبهة.
5. Validation and Refinement]: A small number of promising designs are prototyped and tested. The model is calibrated with empirical data, and the optimization cycle may be repeated.

مثال: تركيب أجهزة الاستشعار المتعددة الأبعاد

ومن بين التطبيقات التقليدية التي تستخدمها هيئة الاستشعار على شكل معين، تحديد المواقع المثلى لعدد محدود من أجهزة الاستشعار، وهي تهدف إلى زيادة المعلومات التي تكتسب عن صحة الهيكل إلى أقصى حد (مثلاً، كشف الأضرار التي تنطوي على أعلى الاحتمالات) مع تقليل عدد أجهزة الاستشعار (التكلفة) وضمان التغطية الكافية.

مثال: اختيار المواد والمكونات

وعند تصميم جهاز استشعار لاسلكي للاهتزاز، يجب على المهندس أن يختار متغيرات التكتل، والبطارية، والوحدة اللاسلكية، والضميمة، وكل خيار من هذه العناصر يؤثر على التكلفة، واستهلاك الطاقة، والدقة، والحجم، ومن خلال تكريس هذه الخيارات المتباينة كمتغيرات للتصميم، وبدء عملية متعددة الأبعاد للتصميمات، قد تكشف عن وجود مقياس للكهرباء يدويا مقترنات مقترنة مقترنة أكثر تكلفة.

دراسات الحالة وتطبيقات العالم الحقيقي

وقد طُبق نظام الرصد والتقييم بنجاح لتطوير أجهزة استشعار ذكية لعدة مشاريع بنية أساسية بارزة، وتوضح الأمثلة التالية قيمته العملية:

:: رصد الصحة عن طريق شبكات الاستشعار اللاسلكية

شبكة واسعة النطاق من أجهزة الاستشعار اللاسلكية التي تم تركيبها على جسر البوابة الذهبية تستخدم استخداماً أمثل من حيث التعددية الأبعاد لموازنة الكثافة المستشعرة بموثوقية نقل البيانات، حيث اعتبر أن معدل الحساسية في البطارية (كفاءة الطاقة) والتغطية المكانية (الضمان) وتكاليف التركيب، مما أدى إلى قيام مهندسين مرشدين في جبهة باريتو بنشر شبكة من 120 نقطة كشف، مما يتراكم على أجهزة اتصال لا تحمل تكاليف

أجهزة الاستشعار الخاصة بالطاقة من أجل الهياكل الأساسية عن بعد

وفي نظام لرصد النفق في النرويج، استخدم الباحثون نظام رصد النفق في تصميم جهاز استشعار ذاتي القدرة على جمع الطاقة من اليقظة المرنة، وكانت الأهداف هي زيادة الطاقة المحصولة إلى أقصى حد، وتقليل حجم العقد، وزيادة موثوقية نقل البيانات في إطار حمولات مختلفة من حركة المرور، ومن خلال تطبيق نظام متعدد الجوانب للتصميم الجيني، حددوا تصميماً لم يتوصل إلا إلى حلول متناهز 1.2 ملليمتر - مستخلصة للطاقة - 15 دقيقة

الرصد المتكامل للهياكل الأساسية والبيئة

وكثيراً ما تجمع أجهزة الاستشعار الحديثة الذكية بين طرائق الاستشعار المتعددة (التحانات، ودرجة الحرارة، والرطوبة، والتآكل) في مجموعة واحدة، وتساعد وزارة الزراعة في تحديد الاستراتيجية المتعددة المثلى وخوارزمية دمج البيانات لتحقيق أقصى قدر من جودة المعلومات عموماً مع التقليل إلى أدنى حد من حجم الطاقة والبيانات، فعلى سبيل المثال، استخدم نهج متعدد الجوانب لتصميم جهاز استشعار لرصد مفاصلات التصاميم العالية(و)

التحديات والاتجاهات المستقبلية

وفي حين أن وزارة الخارجية توفر أدوات قوية لتصميم أجهزة الاستشعار، لا تزال هناك عدة تحديات:

التعقيد الحاسوبي

ويمكن أن تكون نماذج التكوين العالية (مثلاً محاكاة العناصر المحددة لسلوك ميكانيكي للمستشعر) بطيئة للغاية في الاستخدام المباشر في الاستخدام الأمثل التطوري، وتستخدم نماذج الاستجمام (السطح المستجيب والعمليات الغامضة) ونهج متعددة الصفات لخفض التكلفة الحسابية، ولكنها تستحدث أخطاء في التقريب.

عدم اليقين والروبوت

إن الظروف الحقيقية غير مؤكدة: فالخصائص المادية تختلف، والحمولات البيئية شديدة الارتباك، وتسود التسامح في مجال الصناعة التحويلية، وقد تؤدي هذه الحركة إلى واجهة من قبيلة بريتو تتسم بالهشاشة عندما تُحسب هذه الشكوك، فالتأهيلات الناجعة المتعددة الجوانب والتصميم القائم على الموثوقية هي ميادين ناشئة تدمج عدم اليقين في الوظائف الموضوعية، وتنتج تصميمات لا تُمثل في الممارسات الورقية فحسب.

التكامل مع نظام IoT وحساب إدج

ومع أن أجهزة الاستشعار أصبحت أكثر ذكاء وأكثر صلة، فإن مشكلة التعظيم تتوسع إلى أبعد من جهاز الاستشعار المادي لتشمل تجهيز البيانات والاتصالات والهيكل السحابي، مثلا، قد يكون أحد الأهداف هو تقليل مجموع الطاقة التي يستهلكها نظام أجهزة الاستشعار - الصوت بأكمله، بينما يتمثل هدف آخر في التقليل إلى أدنى حد من رسائل الإنذار، وهذا يتطلب أطرا جديدة للتعظيم تشمل المعدات الحاسوبية، والبرمجيات الثابتة، والشبكات المثلى.

دعم المستعملين

ويمكن أن تتضمن جبهة بريتو مئات أو آلاف الحلول، إذ أن عرض هذه المبادلات على المهندسين وصانعي القرار بطريقة واضحة وغير ملائمة لا يزال يشكل تحدياً، إذ يجري توسيع نطاق أدوات التبصر التفاعلي، وتقنيات تحديد الأفضليات، واختيار الحلول الآلية استناداً إلى منطق غامض، وهي أدوات من قبيل استعراضات تصميم نظام إدارة المحتوى في المؤسسة ()

خاتمة

إن الاستخدام الأمثل المتعدد الجوانب ليس مجرد عملية أكاديمية؛ بل هو منهجية هندسية عملية تعالج مباشرة المطالب المتضاربة لتطوير أجهزة الاستشعار الذكية الحديثة في الهندسة الهيكلية، ومن خلال إضفاء الطابع الرسمي على عمليات التبادل بين الدقة، والتكاليف، والقدرة على الاستمرار، وكفاءة الطاقة، وغير ذلك من القياسات الرئيسية، فإن المنظمة ستتيح إنشاء أجهزة استشعار مصممة بدقة لاحتياجات كل مشروع من مشاريع البنية التحتية.