تطوير مركبات التشييد المستقلة ذاتيا

شبكات الاتصالات

(أ) تبادل البيانات الموثوق به بين المركبات ومراكز المراقبة هو تحد كبير، لا سيما تحت الماء حيث ترتفع الترددات الراديوية بشدة، وتشكل النماذج الصوتية الوسيلة الرئيسية للاتصال دون سطحي، ولكنها توفر نطاقاً محدوداً (العشرات من أجهزة الاتصال اللاسلكية القصيرة النطاق في الثانية) وتعاني من ارتفاع معدلات التردد والتدخل المتعدد الأشكال.

ويؤدي حساب الحوسبة إلى دور حيوي: إذ تعمل المركبات على تجهيز معظم بيانات الاستشعار محلياً لتقليل النطاق الترددي اللازم للانتقال إلى السطح، ولا ترسل سوى تقارير موجزة، وتنبيهات حرجة، وصور مضغطة إلى القمة، مما يتيح للمشغلين الإشراف على مركبات متعددة ذات درجة حرارة ضئيلة.

نظم الطاقة وإدارة الطاقة

ويجب أن تعمل المركبات البحرية المستقلة ذاتيا لفترات طويلة أو أسابيع دون تدخل بشري، وقد تقدمت تكنولوجيا البطارية بسرعة، حيث تتحول السفن ذات الطاقة العالية إلى مركبات ذاتية عالية الكثافة، وتصبح العبوات الفوسفاتية الليثيومية ذاتية المستوى العادي، وتدمج بعض المركبات الأكبر خلايا الوقود الهيدروجينية من أجل زيادة تحملها، وترصد نظم إدارة الطاقة المتطورة محطات الشحن ذات السرعة القصوى.

الطلبات وحالات الاستخدام

المسح الفرعي ورسم الخرائط

أما المركبات المستقلة فهي الآن الأداة الموحدة لرسم الخرائط في قاع البحار العالية الاستبانة، ويمكنها تغطية مساحات شاسعة في بعثة واحدة، وجمع بيانات قياس الأعماق، وصور السونار الجانبية، وقراءات الملامح دون المدارية، وهذه المعلومات حاسمة في تخطيط مسار خطوط الأنابيب، والكابلات، والهياكل الفرعية، مثلا، قبل تركيب مزرعة للريح، يمكن لمحطة كهرباء الاتحاد الأفريقي أن تمسح أسس المستودعات.

النفط والغاز في الخارج

ويعد قطاع النفط والغاز من أوائل المبتليين، إذ تقوم المركبات المستقلة بالتفتيش الروتيني للارتفاعات والزهور والرؤوس، والكشف عن التآكل أو الشقوق أو النمو البحري، كما يمكنها القيام بمهام التدخل الخفيف، مثل التنظيف باستخدام طائرات المياه أو الفرش، وفتح الصمامات وإغلاقها، بل إن الاستيلاء على هذه الوظائف المتكررة والخطرة، يقلل من وتيرة إرسال السفن والأصناف المتنوعة.

الطاقة المتجددة - الرياح البحرية وتيدال

ومع توسع مزارع الرياح البحرية إلى المياه العميقة، فإن المركبات المستقلة ذاتيا ضرورية للتركيب والصيانة، ويمكنها أن تساعد في زرع وتركيب التربينات العائمة، ووضع ودفن الكابلات التصديرية، والقيام بعمليات تفتيش مستقلة في الجو، وتفتيش في إطار المياه الجوفية على أسس التربين والأنماط التي تدور حول الأورام، بينما تقوم الطائرات بدون طيار (التي تعمل بشكل مستقل عن أمة سطحية) بدراسة الوصلات الأرضية.

تركيب الهياكل الأساسية في منطقة البحر الفرعي

ولا تزال مهام البناء الثقيلة، مثل وضع خطوط الأنابيب وتركيب نماذج تحت سطح البحر، تتطلب سفناً خاضعة لسيطرة الإنسان، ولكن المركبات المستقلة تضطلع بأدوار داعمة، ويمكنها توجيه الأطر الأقل قابلية للتأثر، ونقل العناصر الصغيرة بين مواقع العمل، وإجراء المواءمة النهائية قبل اللحام، بينما يجري تطوير أجهزة الحفر المستقلة ذاتياً لإعداد قاع البحار، أو تحديد مستويات التركيب لرسوم المؤسسة أو رفعها بصورة كاملة.

الرصد البيئي والبحث العلمي

وفيما عدا التطبيقات التجارية، تعتبر المركبات المستقلة ذات قيمة بالنسبة للبحوث الأوقيانوغرافية والرصد البيئي، فهي تقيس معايير جودة المياه (التسمية، والملوحة، والH، والأكسجين المذوب)، وتتتبع انتشار الملوثات، وترصد صحة الشعاب المرجانية والنظم الإيكولوجية البحرية، ويمكن نشرها بسرعة، أثناء الانسكابات النفطية، لتحديد مدى التلوث وتوجيه عمليات التنظيف، كما يستخدم العلماء دراسات مستقلة عن الكائنات الحية، واضطرابات ناجمة عن الوقود.

الدفاع والأمن

وتستخدم وكالات الملاحة والأمن مركبات مستقلة تحت سطح الماء ومركبات سطحية لأغراض التدابير المضادة للألغام، ومراقبة المرافئ، والحرب المضادة للطائرات، نفس التكنولوجيات التي تفيد الإنشاءات المدنية، والاعتراف بالهدف القائم على أساس آي، والتنفيذ المستقل للبعثة - قابلة للنقل مباشرة إلى تطبيقات الدفاع، كما أن التقدم المزدوج في الاستخدام يعجل بخطى الابتكار في جميع القطاعات.

الاستحقاقات والأثر

تعزيز السلامة

وتتمثل أهم ميزة لمركبات البناء البحرية المستقلة في إزالة البشر من البيئات الخطرة، وتشمل عمليات المياه العميقة ضغوطاً محطمة، ودرجات حرارة متجمدة، وعدم وضوح الرؤية، إذ أن الشركات، بدلاً من طياري الغواصات أو الرافعات، لا تزال تقلل بدرجة كبيرة من خطر الإصابة بمرض الكساد، والاغتصاب، والحوادث القاتلة، كما أن النظم المستقلة يمكن أن تعمل في ظروف جوية متطرفة تسمح باستمرار وجود السفن المأهولة.

الكفاءة التشغيلية وخفض التكاليف

ولا تتطلب المركبات المستقلة مركبات دعم الطاقم أو قاعات الطعام أو تغيير التحول، ويمكنها تشغيل 24/7 أيام أو أسابيع دون أن تُشَدَّد، وتنجز المهام في جزء من الوقت، وهذا يترجم مباشرة إلى انخفاض التكاليف التشغيلية، فعلى سبيل المثال، يمكن لإحدى المركبات التابعة للاتحاد الأفريقي أن تمسح مساحة قدرها 100 كيلومتر مربع في 24 ساعة، وهي وظيفة ستتخذ سفينة مسح مخصصة لها طاقم يبلغ 30 أسبوعا لإنجازها.

الدقة والتكرار

وتتابع النظم المستقلة مسارات مبرمجة سلفاً، وتُجرى حلقات تفاعلية مُستشعرة بدقة دقيقة، ويمكنها العودة إلى نفس الموقع بعد سنوات على وجه الدقة، وذلك لإجراء قياسات متكررة، مما يتيح رصد التغيرات في قاع البحار في الوقت المناسب، أو تحركات الأنابيب، أو تراكم النمو البحري، وهذا المستوى من الدقة يصعب تحقيقه مع الرفوف المُوجَّه نحو الإنسان، ولا سيما في تيارات قوية.

المنافع البيئية

ومن خلال تقليل الحاجة إلى سفن دعم كبيرة، تقوم المركبات المستقلة بخفض انبعاثات غازات الدفيئة وتقليل الاضطرابات الصوتية والفيزيائية إلى الحياة البحرية إلى أدنى حد، كما أن عملياتها الفعالة تعني عددا أقل من الرحلات وأقل من الوقود المحروق لكل وحدة من وحدات العمل المنجزة، علاوة على أن المركبات المستقلة تتيح إجراء دراسات أساسية بيئية أكثر شمولا ومواصلة الرصد، مما يساعد المشغلين على فهم الآثار الإيكولوجية المترتبة عليهم والتخفيف منها.

التحديات والحدود

الاتصالات والارتباط

ولا يزال الاتصال الموثوق به والمرتفع النطاق الترددي يشكل أكبر اختناقات، فالإشارة الصوتية لها سرعة بطيئة في المياه (حوالي 500 1 متر)، مما يخلق حالة من عدم الاستقرار يمكن أن تكون ذاتية بالنسبة للمراقبة في الوقت الحقيقي، وفي حين أن الاستقلال الذاتي يقلل من الحاجة إلى مدخلات مستمرة من المشغلين، وما زالت هناك حاجة إلى تحديثات دقيقة في البعثات، وإلى إشارات تجاوزات في حالات الطوارئ، ومعالجة مسائل الطقس المهتربة، والتدخل من مصادر أخرى غير سليمة.

السلطة والتحمل

وتحسن تكنولوجيا البطارية ولكنها لا تزال تحد من مدة البعثة، إذ يمكن أن يعمل مكتب مراقبة الأسلحة النارية المعتاد لمدة ٢٤-٧٢ ساعة على شحنة واحدة، ثم يعود إلى سفينة دعم أو محطة للحجز لإعادة الشحن، وبالنسبة للمهام الطويلة الأجل مثل التفتيش على خطوط الأنابيب عبر المحيطية، فإن ذلك يتطلب انقطاعاً متكرراً، وتوفر خلايا وقود الهيدروجين كثافة أعلى للطاقة، ولكنها تزيد من تعقيدها وتكلفتها.

Environmental Robustness

فالبيئات الخارجية غير متوقعة بشكل ملحوظ، فالتيارات القوية والموجات ودرجات الحرارة الباردة والضغط الأحيائي والضغوط العالية تختبر السلامة الميكانيكية والإلكترونية للمركبات المستقلة، ويمكن أن تُستنسخ أجهزة الاستشعار بالرواسب، ويمكن للكاميرات أن تفقد الرؤية في المياه الغامضة، ويمكن للأختام أن تفشل بعمق، ويجب على المهندسين تصميم نظم للموثوقية القصوى، وكثيرا ما تستخدم مكونات الفرز الروتينية الزائدة.

المسائل التنظيمية ومسائل المسؤولية

ويثير تشغيل مركبة مستقلة في المياه الدولية أو داخل المناطق الاقتصادية الخالصة أسئلة قانونية وتنظيمية، ومن المسؤول إذا ما تصادمت مركبة مع سفينة أو ألحقت أضراراً بخطوط الأنابيب أو ألحقت ضرراً بالبيئة؟ وقد كتبت القوانين البحرية القائمة للسفن المأهولة؛ ولا تعالج بوضوح إجراءات النظم المستقلة؛ وتقوم مجتمعات التصنيف (مثل DNsum وسجل لويد) بوضع قواعد جديدة للسفن المستقلة، ولكن لا بد أن يتطور الإطار.

أمن الفضاء الإلكتروني

ومع زيادة ارتباط المركبات بالشبكات الساتلية ومراكز المراقبة القائمة على الشاطئ، فإنها تصبح عرضة للهجمات الإلكترونية، ويمكن أن يرسل فاعل مخادع بيانات ملاحية مزيفة، أو يسيطر على مركبة، أو يعطل نظمها، ويجب أن تتضمن المركبات البحرية المستقلة ذاتياً تشفيراً قوياً، وتأمين التوثيق، ونظم كشف الاقتحام، وتتعلم الصناعة من قطاعي الطيران والدفاع، ولكن أمن الفضاء الإلكتروني هو سباق تسلح مستمر.

قوة العمل الانتقالية

ولا بد من أن يؤثر اعتماد التكنولوجيا المستقلة على الوظائف في صناعة النقل البحري، إذ يتعين على طياري الروبوت وغطاء السفن وطاقم السفن إعادة تأهيلهم في أدوار مثل المشرفين على النظام، ومحللي البيانات، ومهندسي المركبات المستقلين، ويجب على المنظمات الاستثمار في التدريب ونقل المعارف لضمان الانتقال السلس، وفي حين ستُلغى بعض الوظائف، فإن وظائف جديدة مثل مديري مراكز العمليات النائية ومدربي شركة آي - ويول ستنشأ.

التوقعات المستقبلية والاتجاهات الناشئة

زيادة مستويات الاستقلال الذاتي

والمسار هو نحو الاستقلال الذاتي الكامل (المستوى 5) حيث يمكن للمركبات أن تعالج أي حالة دون تدخل بشري، وسنرى أن هناك قدرة أكبر على التعليل بشأن الأجسام المجهولة واتخاذ قرارات أخلاقية، مثلاً، سواء ألغى بعثة لحماية حيوان بحري أو مواصلته، وسيكون من المهم للغاية بناء الثقة مع المشغلين والمنظمين.

أجهزة التسليح والتعاون

وبدلا من أن تكون هناك مركبة واحدة، ستنشر العمليات المقبلة أفران من المركبات المستقلة - تحت الماء، السطح، والعمل الجوي معا كفريق منسق، ويمكن للسواحل أن تفتش الأصول الكبيرة بسرعة أكبر، وتغطي مساحة أكبر، وتوفر فائضا، ويمكن التوسط في الاتصال بين أعضاء القاذورات من خلال شبكات الأنهار الصوتية أو عن طريق وجود مركبات تهبط بصورة دورية على بيانات التكاثر.

التوائم الرقمية والتحليل الافتراضي

وكل مركبة مستقلة وموجودات فرعية ذاتية سيكون لها توأم ديجيال ] - تكرار افتراضي في الوقت الحقيقي يحفز سلوكها وصحتها وتفاعلاتها البيئية، وتغذي البيانات المستمدة من المركبة التوأم الذي يمكن أن يتوقّع الفشل قبل حدوثه، ويضع جداول الصيانة على النحو الأمثل، ويدير ما هو مقترن بمشكلة الصيانة الآلية، والآلات التصوير الذاتي.

التكامل مع المحطات الصناعية المفلورة

وقد ينطوي البناء في الخارج مستقبلا على محطات صناعية عائمة مستقلة تعمل كقواعد للعمليات، ويمكن لهذه المحطات أن تطلق وتسترد وتعيد شحن مركبات متعددة، وتجهز البيانات التي تجمع، بل وتؤدّي النسيج الخفيف، فالمصانع المستقلة ذاتيا على نطاق كامل في البحر هي هدف بعيد، ولكن لبنات البناء يجري اختبارها الآن.

شبكات الرصد المستقلة بيئيا

وستستخدم شبكات الرصد البيئي الطويلة الأجل مجموعات من المبردات والمستشعرات ذاتية تحت الماء لتوفير بيانات آنية عن صحة المحيطات، مما سيساعد الحكومات والشركات على تحقيق أهداف الاستدامة والاستجابة بسرعة للحوادث مثل الانسكابات النفطية أو المزهرة الطحالب الضارة.

خاتمة

إن تطوير مركبات البناء البحرية المستقلة ليس مجرد تحسين تدريجي، بل هو تحول نموذجي للصناعة البحرية، وبزيادة التقدم في مجال تكنولوجيا الاستشعار والاتصالات ونظم الطاقة، فإن هذه الآلات تجعل العمليات البحرية أكثر أمانا وأرخص وأكثر مسؤولية بيئيا، وفي حين أن التحديات لا تزال قائمة بصفة خاصة في مجالات الاتصال والطاقة والتنظيم - فإن سرعة تطور أدوات البناء في المحيطات ستتحول إلى عوامل أساسية.

For further reading on specific technologies and industry leaders, see the Marine Technology Reporter] for ongoing coverage, or explore research from the ] Ifremer — oceanographic institute. The Ocean Infinity