تطوير مركبات ومعدات البناء المستقلة

وقد تعلمت صناعة البناء من هذه التطبيقات التعدينية وبدأت في تكييف تكنولوجيات مماثلة لمواقع البناء الأصغر حجماً وأكثر دينامية، وبحلول أواخر عام 2010، استحدثت عدة شركات صناعية مفترسة شبه مستقلة قادرة على القيام بدورات حفر وتحميل متكررة بأقل قدر من التدخل البشري، وزاد وباء COVID-19 من تسارع الاهتمام بالحلول المستقلة، حيث سعت شركات البناء إلى إيجاد سبل للحفاظ على العمليات مع التقليل إلى أدنى حد من كثافة القوة العاملة في الموقع.

التكنولوجيات الرئيسية في معدات البناء المستقلة

تعتمد معدات البناء المستقلة على مجموعة متطورة من التكنولوجيات التي تعمل معاً على تصور البيئة واتخاذ القرارات وتنفيذ الإجراءات بدقة، فهم هذه التكنولوجيات الأساسية أمر أساسي لفهم كيفية عمل الأجهزة المستقلة وكيفية استمرار تحسينها.

LiDAR and Radar Sensors

ويشكِّل نظام ليدار (Light Detection and Ranging) ونظم الرادار طبقة التصور الأولي لمركبات البناء المستقلة، ويستخدم نظام ليدار نبضات الليزر لخلق خرائط عالية الاستبانة للبيئة المحيطة، مما يتيح للمركبات اكتشاف العقبات والتغيرات في التضاريس وغيرها من المعدات ذات الدقة في المستويات المئوية، ويكمل الرادار موقع ليدار عن طريق توفير كشف موثوق به للأجسام في الظروف الجوية الضارة مثل التراب والفوري والمطرف والمطر والثلج.

وكثيرا ما تحقق النظم المتقدمة للسجلات الفوقية في معدات البناء حدودا تتجاوز 200 متر ويمكن أن تولد سحابات من النقاط تحتوي على ملايين نقاط البيانات في الثانية، وتجهز هذه البيانات لتحديد خصائص مثل حواف الحفر، ومخزونات المواد، وموقع العمال والمعدات الأخرى، وقد طورت شركات مثل فيلودين وأستر وحدات مرنة مصممة خصيصا لتحمل درجات الحرارة، والغبار، والبيئة.

المواقع الجغرافية والشبكة العالمية لسواتل الملاحة

فالوضع الدقيق ضروري لمعدات البناء المستقلة لأداء مهام مثل التخرج والحفر والتمهل بدقة، وتتيح النظم العالمية لسواتل الملاحة، بما في ذلك النظام العالمي لتحديد المواقع، ونظام غاليليو، وبيانو، وبيانو، وبيانات الموقع التي يمكن أن تحقق الدقة في حدود ما بين 1 و 2 سنتيمتر، عند الجمع بين مخططات الاختبار النهائية.

وبالإضافة إلى تحديد مواقع السواتل، تضم نظم التشييد المستقلة الكثير من وحدات القياس غير المباشر ومحطات المراجع المحلية للحفاظ على الدقة في البيئات التي يمكن فيها تدهور إشارات النظم العالمية لسواتل الملاحة، مثل القنوات الحضرية أو الحفر العميقة، ويتيح إدماج هذه التكنولوجيات تحديد المواقع للمعدات تتبع تحركاتها باستمرار وتعديل عملياتها استنادا إلى بيانات دقيقة عن الموقع.

الاستخبارات الفنية والتعلم الآتي

والاستخبارات الفنية هي المحرك الإدراكي الذي يتيح لمعدات البناء المستقلة اتخاذ القرارات والتكيف مع الظروف المتغيرة، كما أن نظام " آي " يُستشعر البيانات المتعلقة بفحص الأنماط وتحديد العقبات واختيار الإجراءات المناسبة من مجموعة من المناورات الممكنة، فعلى سبيل المثال، يجب على المستكشف المستقل أن يقرر كيفية وضع دله من أجل البحث الأمثل، وتعديل نهجه القائم على ظروف التربة، وتفادي تحطيم المرافق الجوفية أو غيرها من العقبات المدفونة.

ويؤدي التعلم في مجال الآلات دوراً رئيسياً في تحسين أداء المعدات المستقلة على مر الزمن، ومن خلال تحليل البيانات المستمدة من آلاف دورات التشغيل، يمكن لنماذج التعلم الآلات أن تحدد أنماطاً فرعية تبين متى تكون الصيانة مستقلة، أو عندما يُعدل نهج معين نتائج أفضل، وهذا النهج المستمر يعني أن المعدات المستقلة تصبح أكثر كفاءة وموثوقية بقدر ما تتراكم من الخبرة التشغيلية.

رؤية الحاسوب

وتسمح تكنولوجيات الرؤية الحاسوبية بمعدات البناء المستقلة بتفسير المعلومات البصرية من الكاميرات المثبتة على المركبة، وهذه القدرة أساسية للاعتراف بأشياء مثل العمال الذين يرتدون سترات الأمان، وقطع المرور، وعلامات الإنذار، وغيرها من المعدات، كما يمكن لنظم الرؤية الحاسوبية أن تكتشف التغيرات في البيئة، مثل المواد المستخرجة حديثا أو الهياكل الحديثة العهد، وأن تعدل سلوك الآلة تبعا لذلك.

ويمكن أن تميز الخوارزميات المتقدمة للرؤية الحاسوبية بين العقبات الثابتة، مثل الحاويات أو الحاويات المخزنية، والعقبات الدينامية، مثل العمال المتحركين أو المركبات الأخرى، وهذا التمييز أمر حاسم الأهمية بالنسبة لعملية مستقلة آمنة، حيث قد تختلف الاستجابة لكل نوع من العقبات، فعلى سبيل المثال، قد تتوقف مركبة مستقلة عن السير على طريق عامل عبر مسارها ولكنها تبحر حول جسم ثابت بينما تحافظ على طريقها.

نظم الرقابة والمنشطات

إن تصورات المعدات المستقلة وقدرات صنع القرار لن تكون مجدية بدون نظم مراقبة دقيقة لتنفيذ الأوامر، وتستخدم مركبات البناء المستقلة الحديثة أنظمة التحكم الكهرومغناطيسي التي يمكن أن تتلاعب بالمحاضرين بدقة وسرعة عالية، وتترجم هذه النظم الأوامر الرقمية من جهاز التحكم في الآلة إلى تحركات مادية لمكونات الآلة، مثل الازدهار، الذراع، وسمك القاذف أو النسيج.

وتسمح خوارزميات الرقابة المتقدمة، مثل الرقابة التنبؤية النموذجية والرقابة التكييفية، بالمعدات المستقلة للتعويض عن التباينات في ظروف التربة، والارتداء الآلي، وغيرها من العوامل التي يمكن أن تؤثر على الأداء، وهذه الخوارزميات تُعدل باستمرار إشارات المراقبة للحفاظ على التشغيل الأمثل، بما يكفل إنجاز المهام بدقة وكفاءة حتى مع تغير الظروف.

رسوم مركبات التشييد المستقلة

ويتيح اعتماد معدات البناء المستقلة فوائد قاهرة تمتد عبر أبعاد السلامة والإنتاجية والتكاليف والجودة، وهذه المزايا تدفع الاستثمار وتعتمدها شركات البناء بجميع الأحجام.

زيادة السلامة

ومواقع البناء هي في جوهرها بيئات خطرة، ذات آلات ثقيلة، ومركبات متنقلة، وتضاريس غير متكافئة، ووجود عمال على مقربة من المعدات بصورة دائمة، وتزيل المركبات المستقلة المشغل من أكثر المواقع خطورة، وتخفض من خطر الإصابة أو الوفاة بسبب التفشي، والحوادث الساحقة، والتصادم، والحوادث الأخرى، وقد أظهرت الدراسات أن عمليات التعدين المستقلة قد حققت تخفيضات كبيرة في حوادث السلامة، حيث أفادت بعض العمليات بعدم وقوع إصابات خلال فترات طويلة.

بالإضافة إلى إزالة المشغلين من طريق الضرر، يمكن للمعدات المستقلة أن تتضمن سمات أمان يصعب تنفيذها في آلات التشغيل البشري، مثل التكفير التلقائي في حالات الطوارئ، والتنقية الجيولوجية التي تحد من المعدات إلى مناطق معينة، والسرعة التي تحد من قرب العمال أو العقبات، وهذه السمات تخلق مستويات متعددة من الحماية يمكن أن تمنع وقوع الحوادث قبل وقوعها.

تعزيز الإنتاجية

ويمكن لمعدات البناء المستقلة أن تعمل باستمرار بأقل قدر من التوقف، وأن تزيد كثيرا من وقت العمل المثمر، ويحتاج المشغلون البشريون إلى فترات توقف، وتغييرات في فترات الراحة، ويمكن أن يتباين أداؤهم طوال اليوم بسبب الإهمال أو الإهتمام أو عدم الاتساق في التكنولوجيا، وتحافظ الأجهزة المستقلة على أداء متسق على مدار الساعة، مما يمكِّن المشاريع من التقدم بسرعة أكبر وأكثر قابلية للتنبؤ.

وبالإضافة إلى استمرار التشغيل، يمكن للمعدات المستقلة أن تُحدّد أنماط عملها على أساس ظروف العمل في الوقت الحقيقي، فعلى سبيل المثال، يمكن لشاحنة الحوافظ المستقلة أن تختار أكثر الطرق كفاءة، وأن تعدل سرعة عملها على أساس التحميل والتضاريس، وأن تنسق مع المركبات المستقلة الأخرى للتقليل إلى أدنى حد ممكن من الاكتظاظ وتعظيم الناتج، وهذه المركبات تُركّز على مسار المشروع، مما يؤدي إلى وفورات كبيرة وتحسين الأطر الزمنية للمشروع.

الوفورات في التكاليف

بينما الاستثمار الأولي في المعدات المستقلة كبير، يمكن أن تكون وفورات التكاليف طويلة الأجل كبيرة، انخفاض تكاليف العمل عامل أساسي، حيث يمكن للآلات المستقلة أن تحل محل مشغلي البشر المتعددين على دورة حياة المعدات، بالإضافة إلى أن العمليات المستقلة تؤدي إلى خفض استهلاك الوقود من خلال أنماط القيادة المثلى وتزيل الحوادث الباهظة التكلفة التي يمكن أن تلحق الضرر بالمعدات، والعاملين المصابين، وتأخير جداول المشاريع.

كما أن المعدات المستقلة تتيح إدارة أفضل للموارد عن طريق توفير بيانات مفصلة عن استخدام الآلات واستهلاك الوقود واحتياجات الصيانة، وتتيح هذه البيانات لمديري الأسطول أن يتوصلوا إلى أفضل قدر من قرارات النشر، وأن يحددوا أماكن الصيانة الوقائية على نحو أكثر فعالية، وأن يحددوا الفرص المتاحة لإجراء تحسينات تشغيلية، مما يؤدي إلى انخفاض التكلفة الإجمالية للملكية وتحسين العائد على الاستثمار لشركات التشييد.

الدقة والجودة

ويمكن لمعدات البناء المستقلة أن تحقق مستويات دقيقة يصعب على المشغلين البشريين أن يتطابقوا باستمرار، ومن خلال متابعة خطط التصميم الرقمي بدقة قياسية، يمكن للآلات المستقلة أن تنفذ عمليات التخرج والحفر وتمهد المهام التي تلبي المواصفات الصارمة بأقل قدر من إعادة العمل، وتترجم هذه الدقة مباشرة إلى نتائج عالية الجودة لمشاريع البنية التحتية، ومؤسسات البناء، وإعداد المواقع.

كما أن اتساق العمليات المستقلة يقلل من التباين في نوعية العمل، وقد يؤدي المشغلون البشريون أداء مختلفاً حسب مستوى مهاراتهم وخبرتهم وارتباطهم، مما يؤدي إلى عدم الاتساق في العمل المنجز، وتطبق الأجهزة المستقلة ذات المستوى نفسه من الدقة والتقنية في جميع عملياتها، بما يكفل أن تستوفي كل تمريرة نفس المستوى العالي بصرف النظر عن الوقت أو الظروف.

التحديات التي تواجه معدات البناء المستقلة

وعلى الرغم من التقدم الكبير والمنافع الجبارة، يجب التصدي للعديد من التحديات قبل أن تحقق معدات البناء المستقلة اعتمادا واسع النطاق في جميع أنحاء الصناعة.

تكاليف الاستثمار الأولية المرتفعة

إن أجهزة الاستشعار المتقدمة، والأجهزة الحاسوبية، ونظم المراقبة اللازمة للعمليات المستقلة، تضيف تكلفة كبيرة إلى معدات البناء، ويمكن أن تكلف شاحنة حفر مستقلة تماما أكثر من نظيرها التقليدي، مما يخلق حاجزا أمام دخول العديد من شركات البناء، ولا سيما المشاريع الصغيرة والمتوسطة الحجم، وتتوقف حالة الأعمال المتعلقة بالمعدات المستقلة على تحقيق الاستخدام الكافي ووفورات في التكاليف على دورة حياة المعدات لتبرير القسط، مما قد يتطلب مشاريع كبيرة تستغرق ساعات عمل طويلة.

ولمواجهة هذا التحدي، يقوم بعض المصنعين باستكشاف نماذج تجارية بديلة، مثل عمليات الأسطول التي تتم في مرحلة ما قبل الخدمة أو عمليات الأسطول المستقل، حيث يمكن لشركات البناء أن تحصل على قدرات مستقلة دون الاستثمار الرأسمالي الكامل، وقد تعجل هذه النماذج بالتبني عن طريق خفض الحاجز المالي والسماح للشركات بمضاهاة التكاليف بشكل أوثق مع إيرادات المشاريع.

البيئات المعقدة والملاحية الدينامية

إن مواقع البناء هي من بين أكثر البيئات تحدياً بالنسبة للنظم المستقلة، وعلى عكس البيئات المهيكلة نسبياً للمصانع أو المستودعات، فإن مواقع البناء تتغير باستمرار مع تقدم العمل، وتظهر عقبات جديدة، وتتطور تغيرات في التضاريس، وتتطور عملية تصميم الموقع بمرور الوقت، ويجب أن تكون المعدات المستقلة قادرة على التكيف مع هذه التغيرات دينامية، مما يتطلب نظماً قوية للتصورات ومقاييس مرنة لصنع القرار.

كما أن تقلب الأوضاع في مواقع البناء يطرح تحديات أمام التشغيل المستقل، إذ أن ظروف التربة والطقس والإضاءة ووجود عمال ومعدات أخرى يمكن أن تؤثر جميعها على كيفية أداء الأجهزة المستقلة، ولا يزال تطوير نظم قادرة على معالجة كامل نطاق الظروف التي تصادفها مواقع البناء الحقيقية يشكل تحديا هنديا مستمرا يتطلب إجراء اختبارات واسعة والتحقق من صحتها.

العقبات التنظيمية والقانونية

ويثير تشغيل المركبات المستقلة في مواقع البناء مسائل تنظيمية تختلف حسب الولاية القضائية، وفي حين أن بلدانا كثيرة قد وضعت أطراً للمركبات المستقلة على الطرق العامة، فإن تنظيم المعدات المستقلة خارج الطرق في مواقع البناء أقل تحديداً، ولا تزال معايير السلامة، ومتطلبات التأمين، وأطر المسؤولية المتعلقة بمعدات البناء المستقلة آخذة في التطور، مما يخلق عدم يقين لدى الشركات التي تنظر في التبني.

فالمسؤولية مسألة معقدة بوجه خاص مع المعدات المستقلة، وإذا تسببت آلة مستقلة في حدوث ضرر أو إصابة، فإن تحديد المسؤولية يمكن أن يكون صعبا، فهل يكون الصانع مسؤولا عن عيب في نظام الحكم الذاتي؟ هل شركة التشييد مسؤولة عن نشر المعدات في ظروف غير ملائمة؟ أم أن مالك المشروع مسؤول عن تحديد استخدام المعدات المستقلة؟ وستكون الأطر القانونية الواضحة أساسية لاعتماد معدات البناء المستقلة على نطاق واسع.

الانتقال والتأثير الاجتماعي

ولاعتماد المعدات المستقلة آثار هامة على قوة العمل في مجال البناء، وفي حين أن الأجهزة المستقلة يمكنها معالجة حالات نقص اليد العاملة والحد من العمل الخطير، فإنها تملك أيضاً القدرة على تشريد العمال الذين يعملون حالياً في مجال معدات البناء، وإدارة هذا الانتقال بطريقة مسؤولة اجتماعياً أمر أساسي للحفاظ على معنويات القوة العاملة والدعم المجتمعي للتشغيل الآلي.

وبدلا من مجرد إزالة الوظائف، فإن الانتقال إلى المعدات المستقلة من المرجح أن يغير طبيعة أعمال البناء، وقد ينتقل المشغلون إلى أدوار إشرافية، ويشرفون على آلات مستقلة متعددة من مركز المراقبة، وستنشأ أدوار جديدة في إدارة الأسطول، وتحليل البيانات، وصيانة النظم، وسيتعين على شركات البناء الاستثمار في برامج التدريب وإعادة المهارات لمساعدة العمال على تنمية المهارات اللازمة لهذه الأدوار الجديدة.

التوقعات والاتجاهات المستقبلية

ويشير مسار معدات البناء المستقلة إلى زيادة القدرة، والتبني الأوسع، والإدماج الأعمق في تكنولوجيات البناء الذكية الأخرى، وهناك اتجاهات عديدة ترسم مستقبل هذا الميدان.

التكامل مع نماذج المعلومات المتعلقة بالبناء

وستصبح معدات البناء المستقلة ذاتياً مدمجة بصورة متزايدة مع نظم نماذج معلومات البناء، حيث توفر إدارة المباني التمثيل الرقمي للخصائص المادية والوظيفية لمشروع التشييد، بما في ذلك المواصفات التفصيلية للتصميم والمواد وتسلسل التشييد، ويمكن للمعدات المستقلة استخدام بيانات شركة BIM لتخطيط أعمالها وتنفيذ المهام بدقة وتقديم تعليقات على حالة الإنجاز، مما يخلق حلقة مغلقة بين التصميم والتشييد، ويتيح إجراء تعديلات في الوقت الحقيقي والتحقق.

ومع استمرار نمو اعتماد نظام إدارة المباني في قطاع البناء، فإن المعدات المستقلة التي يمكن أن تنفذ مباشرة تعليمات العمل التي يقودها نظام إدارة المباني ستصبح أكثر قيمة، وهذا التكامل يدعم الاتجاه الأوسع نحو التوأم الرقمي في البناء، حيث يجري تحديث النماذج الرقمية للأصول في الوقت الحقيقي استنادا إلى البيانات المستمدة من أجهزة الاستشعار والمعدات المستقلة.

التنسيق المتعدد المعالم وعلم النفس

ويمتد مستقبل البناء المستقل إلى ما يتجاوز فرادى الآلات إلى الأساطيل المنسقة من المعدات التي تعمل معا، ويتيح التنسيق المتعدد المعالم للمنتجات للمستنكفين المستقلين، وشاحنات الهال، ومحمّلات، والدروع التعاون في مهام معقدة، مثل عمليات نقل الأرض، دون تدخل بشري، ويفضي الخوارزميات التنسيقية إلى تسلسل العمليات وتوقيتها إلى أقصى حد ممكن من الإنتاجية وإلى التقليل من الوقت العصيب.

كما أن الاستقلال الذاتي للأسطول يتيح اتباع نهج جديدة في تخطيط البناء، فبدلا من نشر مجموعة ثابتة من المعدات لمشروع ما، يمكن تخصيص الأسطول المستقل بصورة دينامية استنادا إلى الاحتياجات المتغيرة، مع نقل المعدات بين المواقع حسب الاقتضاء، وهذه المرونة يمكن أن تؤدي إلى تحسين استخدام المعدات بشكل كبير، وأن تقلل من الحجم الإجمالي اللازم للمشاريع المتعددة.

5 زاي وحساب إدج

وتسمح أوجه التقدم في مجال الاتصال، ولا سيما شبكات الـ 5 زاي، بإتاحة قدرات جديدة لمعدات البناء المستقلة. وتوفر شركة 5G الترددات المنخفضة، وشبكة النطاق الترددي العالية، والوصلات الموثوقة اللازمة للرصد والمراقبة عن بعد في الوقت الحقيقي للآلات المستقلة، وتقترن هذه العملية بحسابات حافة، التي تعمل على إعداد البيانات، وتتيح شركة 5G معدات مستقلة للقيام بمهام مكثفة في مجال التحميل، مع الحفاظ على الرقابة المستجيبة.