تزايد أهمية نظم التشغيل المتخصصة في البنية التحتية لزراعة النجوم

ويستلزم تطور نظم الطاقة الكهربائية من شبكات التوزيع السلبية إلى الشبكات الذكية النشطة ذات الاتجاهين إعادة التفكير الأساسي في البرامجيات التي تتحكم فيها، وفي جوهر هذا التحول، نظم تشغيلية مصممة خصيصا لبيئة ذكية - مزودة بشبكات يجب أن تنسق آلاف موارد الطاقة الموزعة، وتدير تدفقات البيانات في الوقت الحقيقي، وتفرض مواقف أمنية صارمة في آن واحد، بخلاف نظم التشغيل العامة الغرض المصممة لنظم التشغيل المزودة بالحواسيب المكتبية أو أجهزة القياس(99).

فالاحتياطات عالية، إذ يمكن أن يصطدم فشل البرامجيات في نظام تشغيلي للشبكة الذكية باضطرابات واسعة النطاق أو أضرار في المعدات أو انتهاكات أمنية تمس البنية التحتية الوطنية الحيوية، وهذا الواقع يدفع إلى فلسفة تصميم تعطي الأولوية للقابلية للتنبؤ والعزلة والقدرة على التكيف فوق الأداء الخام أو الغنى الخاص، وبما أن المرافق ومشغلي الشبكات يُحدِّثون هياكلهم الأساسية، ويفهمون المبادئ المعمارية، والآليات الأمنية، والقدرات التشغيلية لهذه النظم المتخصصة، تصبح أساسية بالنسبة للمهندسين،

المتطلبات الرئيسية للمحفوظات لنظم التشغيل الخاصة بنظم تشغيل نظام الخضر

ويتطلب بناء نظام تشغيلي للهياكل الأساسية للشبكات الذكية معالجة عدة متطلبات أساسية تميزه عن نظم التشغيل التقليدية المدمجة أو المؤسسية، وهذه الاحتياجات نابعة من الخصائص التشغيلية الفريدة لشبكات الطاقة: التوافر المستمر، والوقت المحدد للاستجابة، وإدماج المعدات القديمة في التكنولوجيات الرقمية المتطورة.

اقتناء البيانات في الوقت الحقيقي وتجهيزها

ويجب أن تُجمع نظم تشغيل الشبكة الذكية بيانات من آلاف أجهزة الاستشعار ووحدات القياس الفائقة، والأجهزة الإلكترونية الذكية ذات الدقة على المستوى الثاني الجزئي، وهذه القدرة لا تؤثر مباشرة على قدرة الشبكة على كشف الأخطاء، وحسابات قياس السلاسل، ومنع الفشل في جمع البيانات، وتزيد عمليات التسلسل التدريجي من سرعة التشغيل على أساس الأولوية، وتضمن على مدار الساعة.

Deterministic Scheduling and Latency Control

وعلى عكس نظم التشغيل العامة الغرض التي تُفضي إلى متوسط حجم الإنتاج، تستخدم نظم التشغيل الشبكية الذكية مقاييس الجدول الزمني في الوقت الحقيقي مثل عمليات البرمجيات المتحركة أو في المراحل النهائية الأولى لضمان أن تفي المهام المحددة المدة بمواعيدها النهائية، ويجب أن يعالج الجدول الزمني أعباء العمل ذات الأهمية القصوى، حيث تؤدي وظائف الحماية (العمليات المتعلقة بغسل الأموال) إلى تقليص فترات زمنية محددة.

تصميم نظامي ومصغر

وتعتمد نظم التشغيل الحديثة للشبكات الذكية على نحو متزايد هياكل الخدمات الصغرى لتحسين القدرة على الصيانة، ولتمكين المستجدات التدريجية دون انقطاع على نطاق المنظومة، وكل نظام من هذه الخدمات الصغيرة مثل اقتناء البيانات، وتحويل المراسم، ورصد الأمن، أو تحليلات العمليات، كعملية معزولة ذات وصلات وصلات بينية محددة جيداً، وهذه الوحدة تتيح للمرافق استبدال أو رفع مستوى المكونات الفردية دون اشتراط إعادة تشغيل نظام كامل.

الأمن والقدرة على التكيف في نظم التشغيل الخاصة بزجاج الذكاء

ويدخل تقارب التكنولوجيا التشغيلية وتكنولوجيا المعلومات في الشبكات الذكية سطح هجوم لم تواجهه نظم الرقابة الصناعية التقليدية، ويجب أن تدمج نظم تشغيل الشبكة الذكية الأمن كمبدأ تصميمي من الدرجة الأولى وليس بعد ذلك، وتتجاوز عواقب نظام التشغيل المهين فقدان البيانات إلى الضرر المادي الذي لحق بالمعدات الحاسوبية والمخاطر المحتملة للسلامة العامة.

مجمّعات صفر - صدأ

ولا يمكن أن يُثق في أي نموذج أمني من نوع الصفر أو أي جزء من أجزاء الشبكة، وهذا يعني أن كل اتصال بين المكونات حتى في إطار نفس الغرض لا يمكن التحقق منه أو الإذن به أو التشفير فيه، ويفرض نظام التشغيل ضوابط إلزامية على مستوى الوصلات الإلكترونية، ويقيّد ما يمكن أن تُقرأه كل عملية من عمليات الفرز أو الكتابة أو التنفيذ فيما بعد.

آليات التسامح والتأهيل الذاتي

:: تصميم نظم تشغيل الشبكة الذكية للحفاظ على الأداء على الرغم من فشل المعدات أو تعطيل الاتصالات أو أخطاء البرامجيات، ويتم إعادة التوحيد على مستويات متعددة: إمدادات الطاقة الزائدة، والتخزين المرموق، والمجهزات الاحتياطية، ومسارات الشبكة المزدوجة، ويشمل نظام التشغيل أجهزة مراقبة تعمل على كشف شنق العمليات، وتعيد تشغيل المكونات بصورة تلقائية، وتطبق نظم أكثر تقدما إعادة التدوير في أجهزة الدولة، حيث لا توجد خطوط مراقبة حرجة في آن واحد.

بروتوكول التعامل مع قابلية التشغيل البيني والاتصالات

وتشمل بيئات الشبكات الذكية معدات من عشرات البائعين، ويحتمل أن يستخدم كل منها بروتوكولات مختلفة للاتصالات ونماذج بيانات، ويجب أن يربط نظام تشغيل الشبكة الذكية الفعالة هذه الاختلافات دون فرض بوابات أو مكيفات للممتلكات لكل مجموعة، وهذا التحدي المتمثل في قابلية التشغيل المتبادل هو أحد أكثر الجوانب تعقيدا في تصميم نظم تشغيل الشبكات الذكية.

المراسم

ويمكن أن تطبق نظم التشغيل الحديثة للشبكات الذكية طبقات للبروتوكولات التي تلغي منطق التطبيق من تفاصيل بروتوكولات الاتصال، وتسمح بروتوكولات الشبكة الذكية المشتركة مثل IEC 61850, DNP3, Modbus, and IEE C37.118 بأن تُعالج بواسطة عوامل محركية للبروتوكولات النموذجية تترجم بين أشكال البروتوكولات المحلية ونموذج بيانات داخلية موحدة، وتدير بروتوكولات نظام التشغيل الموحدة إنشاء الدورات، وتضيف الأخطاء.

التكامل الحاسوبي

:: وظائف شبكة ذكية حساسة للارتفاع - مثل الكشف عن الأخطاء ومنع التسويق - تنفيذ على الحافة، بالقرب من المكان الذي تولد فيه البيانات، وتدعم نظم تشغيل الشبكة الذكية الحوسبة بتوفير فترات تشغيل خفيفة الوزن يمكن أن تدار على أجهزة مجهزة بالموارد مثل وحدات المحطات الطرفية النائية ومراقبي التشغيل الآلي، وتنظم هذه الشارات بيانات الإنذار المسبق، وتنظم تزامنات للتحكم في أجهزة الدفع المحلية، وتدير ملخصات.

إدارة البيانات والتحليلات في سكال

وتولد شبكات الذكاء بيانات عن مجموعات زمنية سنوية من ملايين أجهزة الاستشعار، ويجب أن توفر نظم تشغيل الشبكة الذكية قدرات فعالة لإدارة البيانات توازن بين تكاليف التخزين، وأداء الاستفسارات، ومتطلبات الوصول في الوقت الحقيقي، ويؤثر هيكل مناولة بيانات نظام التشغيل تأثيرا مباشرا على قدرة مشغل الشبكة على رصد الظروف، وتحليل الاتجاهات، والاستجابة للأحداث.

معالجة البيانات

كما أن قواعد البيانات المتخصصة في إطار مجموعات زمنية أفضل من المعدلات العالية، وضغط فعال هي مكونات محلية لنظم التشغيل الذكية للشبكات، وهذه قواعد البيانات تخزن قياسات متزامنة من وحدات الإزالة، وأجهزة القياس الذكية، وأجهزة الاستشعار الجوية، ويدير نظام التشغيل سياسات الاحتفاظ بالبيانات، ويحفظ تلقائيا البيانات التاريخية إلى التخزين الفعال من حيث التكلفة، ويحتفظ في الوقت نفسه ببيانات حديثة عن التخزين المحلي السريع للاستفسارات في الوقت الحقيقي(20).

التحليلات الافتراضية

وتتزايد نظم تشغيل الشبكة الذكية التي تدمج محركات التلقيم الآلي التي تعمل مباشرة على المنصة، وتستهلك هذه المحركات مجاري البيانات في الوقت الحقيقي وتوقعات النواتج المتعلقة بصحة المعدات وأنماط الحمل وتقلبات توليد الطاقة المتجددة، ويدير نظام التشغيل دورة حياة نماذج التنبؤ بتحميل النماذج وتحديثها وصقلها دون انقطاع وظائف الرقابة الحرجة، ويعامل الاستدلال النموذجي على أنه عمل غير متقن في الوقت الحقيقي يكفل توافر ضمانات جيدة للتكامل.

دور الاستخبارات الفنية والتعلم الآتي

وتحوّل المعلومات الاستخبارية والتعلم الآلاتي من نظم تشغيل الشبكات الذكية من منابر الرقابة التفاعلية إلى نظم إدارة مستقلة تتسم بالاستباقية، وهذه التكنولوجيات تتيح القدرات التي كانت غير عملية في السابق بسبب تعقيد وحجم شبكات الطاقة.

Autonomous Grid Management

إن نظم تشغيل الشبكة الذكية المعززة للشبكة يمكن أن تعيد تشكيلها تلقائياً استجابة للأخطاء أو الأحداث الجوية أو تغيرات الطلب، فعمليات إعادة تعزيز نظم التعلم التي تم تدريبها على سلوك الشبكة التاريخية تشير إلى أن التحول الأمثل للعمليات إلى عزل الأخطاء مع التقليل إلى أدنى حد من انقطاع العملاء، وينفذ نظام التشغيل إطار " الإنسان في مواقع العمل " يسمح باتخاذ إجراءات مستقلة في حدود الأمان المحددة مسبقاً مع تصعيد الأوضاع غير العادية.

تعزيز كشف التهديدات

وتحلل نماذج التعلم من الآلات التي تجري داخل نظام التشغيل أنماط حركة الشبكات، وتسلسلات المكالمات، وسلوك الأجهزة لكشف حالات الشذوذ التي قد تشير إلى حدوث عطل في استخدام الحواسيب أو المعدات، وخلافاً لنظم الكشف القائمة على التوقيع التي لا تعترف إلا بالتهديدات المعروفة، يمكن للكشف عن الشذوذ أن يكشف عن أنماط هجومية جديدة عن طريق كشف الانحرافات عن خطوط الأساس التشغيلية العادية، ويربط نظام التشغيل التنبيهات الإيجابية عبر شبكات متعددة.

الاتجاهات المستقبلية والتحديات الناشئة

وسيحتاج الجيل القادم من نظم تشغيل الشبكات الذكية إلى معالجة عدة اتجاهات وتحديات ناشئة لم تُحل بالكامل في التصميمات الحالية، وتشمل هذه الاتجاهات دمج موارد الطاقة الموزعة على نطاق غير مسبوق، والانتقال إلى 5 زاي وما بعد الاتصالات الشبكية، والاحتياجات التنظيمية المتطورة لأمن الفضاء الإلكتروني وخصوصية البيانات.

التشفير كمي المقاومة

ومع التقدم الكمي في الحساب، فإن المعايير الحالية لمسح الرفات العام المستخدمة في تأمين الاتصالات والتوثيق المثبت للموجات الاصطناعية ستصبح ضعيفة، ويجب أن تبدأ نظم تشغيل الشبكة الذكية في الانتقال إلى الخوارزميات الفوقية الكميّة، مثل التوقيعات القائمة على التذاكر أو المثبتة على أساس التهاب، وهذه الهجرة تحد بوجه خاص بالنسبة للأجهزة الميدانية التي لها موارد حاسبية محدودة وعمر تشغيلي طويل (20).

التوائم الرقمية والتكامل المحاكاة

إن التواؤم الرقمية - الارتداد الافتراضي لأصول الشبكة المادية - أصبحت جزءا لا يتجزأ من عمليات الشبكة الذكية، ويجب أن تدعم نظم التشغيل الشبكية الذكية التزامن في الوقت الحقيقي بين الأجهزة المادية ونظائرها الرقمية، وتغذي البيانات التشغيلية لتهيئة بيئات المحاكاة، وتتلقى أوامر تقديرية على النحو الأمثل، ويدير نظام التشغيل تدفق البيانات ذات الاتجاهين، ويعالج أوجه التباين بين عمليات التكامل المادي والعالم المحاكاة، ويكفل احترام إجراءات المراقبة الناشئة عن عمليات الصيانة المادية.

بناء مؤسسة شبكات الطاقة في الجو

إن تصميم نظم تشغيل الهياكل الأساسية الحيوية لهندسة الشبكات هو تخصص متخصص يجمع بين الحواسيب في الوقت الحقيقي، وأمن الفضاء الحاسوبي، وهندسة نظم الطاقة، وعلوم البيانات، وتشكل هذه النظم العمود الفقري غير المرئي الذي يتيح توزيع الطاقة بشكل موثوق ومأمون وفعال في عصر يزداد فيه التعقيد والتغيير، ومع تزايد تغلغل الطاقة المتجددة، والتعجيل بتبني المركبات الكهربائية، واتباع أنماط الطقس بشكل أكثر تغيرا، فإن الطلبات على نظم تشغيل الشبكات الذكية لن تتفاقم.

وستكون التصميمات الناجحة هي تلك التي تشمل نظام الوحدات، وتفرض الأمن عن طريق التصميم، وتدعم المعلومات الاستخبارية الحادة، وتظل قابلة للتكيف مع التحولات التكنولوجية، وتضع المرافق والموجهات التي تستثمر في هيكل النظام الذكي لتشغيل الشبكات اليوم الأساس لمستقبل أكثر مرونة واستدامة للطاقة، وتضع الخيارات التي يتم اختيارها على سياسات تصميم النظام التشغيلي، والحدود العزلة، ودعم المراسم، والنماذج الأمنية في العقود المقبلة.