Table of Contents
The growingwing threat of Urban Flooding in a Changing Climate
وتواجه المراكز الحضرية في جميع أنحاء العالم مخاطر متزايدة من الفيضانات اللامعة التي تنجم عن أحداث تهطالية أكثر كثافة وارتباكا، وقد أدى تغير المناخ إلى تحول أنماط سقوط الأمطار، مما أدى إلى سقوط كميات كبيرة من المياه في فترات قصيرة، وإلى وجود هياكل أساسية ضخمة للصرف الزراعي مصممة أصلا لظروف أقل حدة، وهذه النتائج خطيرة: فقد أدى النقل المعطل، والإمدادات المائية الملوثة، وتكبد خسائر في الممتلكات سنويا، وإلى خسائر مأساوية في الأرواح.
وتعتمد النُهج التقليدية للإنذار بالفيضانات على الرادار الإقليمي، وسجلات التهطال التاريخية، وقراءات القياس اليدوية، وهي أساليب تُحدث قدرا كبيرا من الرطوبة بين بداية حدث الأمطار وإصدار إنذار، وفي بيئات مكتظة يمكن أن ترتفع فيها المياه في دقائق، كل ثانية من فترات التأخير، تخفض من نافذة الإجلاء والعمل الوقائي، وقد أوجدت الفجوة بين سرعة العواصف الحديثة وقابلية الاستجابة للفيضانات التقليدية حاجة ملحة.
وتتيح تكنولوجيا الإنترنت للأمور مسارا مباشرا لسد هذه الفجوة، إذ إن نشر شبكات أجهزة الاستشعار المنخفضة التكلفة والمترابطة في جميع مستجمعات المياه وشبكات الصرف الصحي والشوارع يمكن للمدن أن تلتقط بيانات التهطال فوق الصوتي ومستوى المياه في وقت قريب من الوقت الحقيقي، وتغذي هذه البيانات في منابر تحليلية تقيِّم المخاطر على مستوى الكتل وتشعل الإنذارات الآلية إلى السكان ومديري الطوارئ ومشغلي عمليات التحذير من الفيضانات.
(و) تختلف نظم الإنذار المزودة بالمعلومات الاستطلاعية عن الاستشارات الإقليمية الواسعة النطاق، حيث أنها تستخدم قياسات سقوط الأمطار في مواقع محددة لدفع العتبات المحلية، وبدلا من إصدار ساعة فيضانات على نطاق المدينة على بعد أميال من محطة الطقس، يمكن لهذه النظم أن تكشف أن كمية معينة من المصيد قد تجاوزت قدرتها وتصدر إنذارا موجها إلى الناس الذين يصابون فعلا بأذى.
How IoT Technology Enables Hyperlocal Flood Intelligence
ويحول نظام الإنذار بالفيضانات يقوم على أساس التلوث الأوتوماتيكي الرصد السلبي إلى محرك قرار نشط ودافعه البيانات، ويتألف الهيكل الأساسي من ثلاث طبقات: الاستشعار والاتصال والتحليل، ويجب تصميم كل طبقة على أن تعمل بشكل موثوق في الظروف القاسية التي تسود أحداث الفيضانات، بما في ذلك فقدان الطاقة، والتدخل في الإشارات، وتأثير الحطام المادي.
الاستشعار في الوقت الحقيقي على مستوى الشارع
وتشمل طبقة الاستشعار مجموعة متنوعة من الأجهزة المنتشرة في مواقع يتم اختيارها استراتيجياً على أساس التضاريس، وأنماط الصرف، ونقاط الفيضان التاريخية.
إن كثافة الاستشعار هي بارامتر تصميم حرج، وتشير البحوث إلى أن رصد الفيضانات الحضرية الفعال يتطلب كثافة قياسية لا تقل عن جهاز استشعار تهطالي واحد لكل 10 كيلومترات مربعة، وأجهزة استشعار من مستوى المياه في كل تقاطعات أو شلالات مائية معروفة، وقد نشرت المدن في آسيا، حيث تولد سرعة التحضر ومناخات مونسون الفيضانات مزمنة، شبكات تتجاوز 500 جهاز استشعار في جميع المناطق الحضرية المتاخمة.
شبكات الاتصالات التي بنيت من أجل المرونة
ويجب أن تصل البيانات المستمدة من أجهزة الاستشعار الميدانية إلى منصة التحليل بسرعة وبصورة موثوقة، حتى عندما يتم التشديد على البنية التحتية. Low Wide Area Network (LPWAN)() مثل شبكة لوروافين (LRaWAN) وشبكة النقل الجوي (Narrowband IoT) أصبحت العمود الفقري لنظم الفيضانات في المناطق الحضرية لأنها توفر المدى الطويل، وقلة استهلاك الطاقة الكهربائية
وفي الحالات التي لا يمكن فيها الاعتماد على التغطية الخلوية خلال العواصف، توفر شبكة الميوشات وشبكة التتبع الخلفية خيارات للتراجع، وتشمل بعض النظم [(FLT:0]] القدرة على إعادة تصميم المواهب : تستمر أجهزة الاستشعار في تسجيل البيانات محليا إذا فقدت القدرة على الاتصال وتحوّل الأعمال المتأخرة عندما تسترد الشبكة، ويضمن هذا النهج عدم فقدان أي بيانات أثناء ساعات العمل الأولى من وجود طبقة من العواصف.
منصة التحليل: تحويل البيانات الخام إلى تنبيهات قابلة للتنفيذ
إن قلب نظام الإنذار المسبق هو منصة البرامجيات التي تغريها وعملياتها وتصور بيانات الاستشعار، ويجب أن يتناول هذا المنبر مسارات البيانات العالية التردد من آلاف أجهزة الاستشعار المحتملة، وأن يطبق مرشحات مراقبة الجودة على قراءات العيوب العلمية، وأن يقارن القياسات الحالية بالقياس إلى العتبات المحددة مسبقاً، وأن تكون المنابر الحديثة مصممة على البنية التحتية السحابية، وأن تستخدم محركات تجهيز الجداول التراكمة.
ويُحدد المعالم من خلال مجموعة من النماذج الهيدروليكية والتحليل التاريخي، مثلاً، الشعار الذي يُدعم عندما يتجاوز سقوط الأمطار 20 ميلليمتر في الساعة، يُحدث إنذاراً بـ " موحّداً " ، بينما يُحدث 35 ميليميتر في الساعة إنذاراً بـ " الإجلاء " بالنسبة للممتلكات في المجرى.
المكونات الأساسية لنظام الإنذار بالفيضانات القائم على التلوث
ويتطلب بناء نظام يؤدي بشكل موثوق في ظل ظروف العواصف الحقيقية تكاملا دقيقا للمعدات والبرامجيات والبروتوكولات التشغيلية، وتشكل العناصر التالية أساس أي نشر خطير.
أجهزة الاستشعار التهوية وقياسات الأمطار
ويعد قياس الأمطار الدقيق المدخل الرئيسي لأي نظام مهيمن للمعلومات.
ويجب أن تُعزى قرارات الضبط إلى اضطراب الرياح، وآثار الارتطام، والظلام من المباني والأشجار، وتتبع الممارسات الموحدة المبادئ التوجيهية للمنظمة العالمية للأرصاد الجوية: يتم تركيب أجهزة قياس على الأقل بحجم 1.5 متر فوق الأرض، وقطع مسافة دنيا عن العقبات التي تعادل ضعف مستوى إعاقة المباني، وفي الكانتونات الحضرية التي يجعل فيها القرب من المباني أمرا صعبا، تجرى دراسات مقارنة للمواقع المشتركة لتطوير عوامل تصحيح لكل موقع مصغر.
أجهزة رصد المياه والتدفق
ويُعد القياس المباشر لعمق المياه في القنوات والهياكل الأساسية للتصريف الحق في معرفة الأرض بالنسبة لنماذج الفيضانات، ويؤكد ما إذا كان سقوط الأمطار يتحول إلى بركة فعلية. ]
ويزداد الرصد المتدفق تعقيدا ولكنه يوفر معلومات حاسمة لفهم قدرة النظام، إذ يقيس جهاز الاستشعار في وقت العبور وسرعة دوبلر سرعة تدفق المياه ويجمع بينه وبين منطقة القناة المشتركة بين القطاعات لحصر التصريف، وتنشر هذه أجهزة الاستشعار في نقاط المراقبة الرئيسية مثل المخارج الرئيسية، ومحطات المضخات، والفيضانات، وعندما يتم دمجها مع بيانات التهطال، يمكن قياسات التدفق أن تؤدي إلى التثبت الفعلي من العوامل المتجانسية.
الهياكل الأساسية للاتصالات وبروتوكولاتها
ويستلزم اختيار تكنولوجيا الاتصالات مباشرة تكلفة النظام، وقابليته للتقسيم، وموثوقيته. LoRaWAN [FLscription:1]] قد برز كبروتوكول رئيسي لرصد الفيضانات الحضرية لأنه يوازن بين النطاق واستهلاك الطاقة والبيانات من خلال الناتج.
وبالنسبة للمستشعرات الموجودة في السرداب، أو الخزنات الجوفية، أو في أعماق مياه الأمطار، قد لا تخترق الإشارات الموحدة لشبكة LPWAN، وفي هذه السيناريوهات، يصبح جهاز الاسترجاع الآلي أو النسيج الضوئي من بوابة تقع فوق الأرض، أو تكون أجهزة الاستشعار نفسها مجهزة بشبكة خارجية للشبكة ذات الصلة بالشبكة.
منصة إدماج البيانات وتنبيهها
ويجب أن يتناول المنبر استنباط وتخزين وتجهيز وتصوير بيانات عن السلاسل الزمنية من أجهزة الاستشعار المتباينة. وتطبق قواعد بيانات في إطار نظام " FLT:0 " () قواعد بيانات في إطار نظام " FLT: 1) " ، مثل نظام " إنفلوكس دي بي " أو " تايم دي بي " ، على نحو يتسم بالكفاءة.
ويستلزم نشر الإنذار الاندماج في خدمات الإخطار الخارجي، ويرسل المنبر رسائل عبر نظام الرصد المباشر، والإخطار بالدفع، والبريد الإلكتروني، ولكنه يربط أيضاً بين نظم الطوارئ البلدية مثل صفارات الإنذار، ومجالس الرسائل الإلكترونية، ومحفزات البث الإذاعي. Geo-fencing])
تحديد عتبات الإنذار المسبق المُستنَبرة
تحديد متى إصدار إنذار هو قرار اجتماعي وعملي بقدر ما هو تقني، ويجب أن يوازن الحواجز بين الحساسية من التحديد للحفاظ على الثقة في النظام، ويولد تحديد البار المنخفض جدا تحذيرات متكررة من الذئب الصارخ، ويتعلم السكان تجاهلها، ويضعون إنذارات عالية جدا حتى يتأخر الإجلاء، ويكمن الحل في إطار إنذار مترابطة يسترشد به في القياسات الحالية والهيدرائية المحلية.
عتبات التأمل - الحساسية
(د) إن كثافة الأمطار القصيرة الأجل هي المؤشر الوحيد الأكثر تنبؤاً لإمكانية حدوث الفيضانات الوشيكة، ويحسب النظام المتوسطات المتجددة على مدى 15 و30 و60 دقيقة ويقارنها بمستوى معدلات الارتفاع في معدلات الارتداد عند فترة الطول إلى الحدة والمتواترة المستمدة من علم المناخ المحلي.
وتظهر البحوث التي نشرت مؤخرا في مجلة الهيدرولوجيا أن الجمع بين عتبات كثافة الأمطار المتراكمة على مدى الـ 24 ساعة السابقة يحسن كثيرا من دقة التنبؤ، ويحقق نظام يعتبر كلا المترتين انخفاضا بنسبة 35 في المائة في الإنذارات الكاذبة مقارنة بالنهج القائمة على كثافة الجرعات فقط، ولهذا السبب، فإن المنبر يحسب درجة مخاطر مركبة ترجح كثافة وسرعتها الحالية.
العتبات على مستوى المياه والمنطق القائم على معدل الأزمة
وتتأكد القياسات المباشرة لمستوى المياه في قنوات الصرف وحواسب الاستبقاء من أن سقوط الأمطار يُنتج فيضانا فعليا، ويتتبع النظام العمق المطلق ومعدل الأزمات، ويصبح معدل النزوح 0.5 مترا في الساعة في قناة تصريف رئيسية إنذارا على مستوى المراقبة، بينما يُحدث 1 مترا في الساعة تحذيرا، وتُعادل هذه المعدلات إلى خصائص مركبية مائية متداخلة محددة تستخدم فيها كل سوائل متحكمة.
ويجمع منطق القرار المتعدد الشمول بين البيانات المتسرعة وبيانات مستوى المياه للتقليل إلى أدنى حد من الإنذارات الكاذبة، ولا يُرسل إنذار إلا إلى الجمهور إذا تجاوز كل من المستشعرين حدود تحذيرهم، وإذا تبين فقط تجاوز المجس المسبق، يُستهل التحقق من ذلك: ويلوث النظام أجهزة الاستشعار الأخرى القريبة لتأكيد الحدث قبل التصاعد، وهذا المنطق يتطلب أن تشمل شبكة الاستشعار تداخلا كافيا لتوفير تغطية مستقلة.
نشر العالم الحقيقي والدروس التنفيذية
وقد نشرت عشرات المدن في جميع أنحاء آسيا وأوروبا والأمريكتين نظماً للإنذار بالفيضانات تستند إلى مادة إيوت، وتوفر تجاربهما إرشادات قيمة للتنفيذات الجديدة.
شبكة تقييم المياه الذكية لـ(سينغابور) (SWAN) ) تدمج أكثر من 200 جهاز استشعار عبر شبكة تصريف مياه المدينة، ويستخدم النظام مزيجاً من البرمجيات الخفيضة للشبكة، وجهاز التتبع الخلوي، لتقديم البيانات إلى منصة مركزية تديرها وكالة المياه الوطنية،
(ب) نشر نظام تجريبي في عام 2022 يركز على منطقة معرضة للفيضانات بالقرب من نهر فور، ويستخدم النظام 30 جهاز استشعار يقيس كل من سقوط الأمطار والمرحلة النهرية، مع بيانات نقلت على شبكة الإنذار الحالية للمدينة، وتُسلَّم أجهزة الإنذار عن طريق نظام الرصد الذاتي وشبكة الإنذار المجتمعية التي تُنتج عن ارتفاع متوسط القيمة التي يُديرها السكان المحليون في الفيضانات.
(جاكارتا)، (إندونيسيا) تعمل أحد أكبر نظم رصد الفيضانات في جنوب شرق آسيا، حيث يتم نشر أكثر من 500 جهاز استشعار في منطقة العاصمة، ويغذي النظام البيانات في نظام الإنذار المبكر بالفيضانات في (جاكارتا)، الذي يُصدر إنذارات عن طريق جهاز متنقل مخصص، ومتوسط ظروف الصيانة العامة في القرى المعرضة للفيضانات.
التصدي للتحديات الحاسمة التي تواجه الاستدامة الطويلة الأجل
وفي حين أن فوائد نظم الإنذار بالفيضانات القائمة على تكنولوجيا المعلومات واضحة، فإن النجاح المستمر يتوقف على التغلب على مجموعة من التحديات التشغيلية والتقنية الموثقة توثيقا جيدا.
إدارة الطاقة وصيانة أجهزة الاستشعار
معظم أجهزة الاستشعار بالبطارية مجهزة بالبطارية، وحياة البطاريات تتأثر مباشرة بتواتر الإرسال وحجم الحمولة ودرجة الحرارة البيئية، والوزعات النموذجية تحقق حياة البطاريات من سنتين إلى خمس سنوات باستخدام خلايا الكلوريد الليثيوم في مقترنة بأجهزة التحكم بالكهرباء في لوروانز، غير أن أجهزة الاستشعار في المواقع التي كثيرا ما تغرق في الفيضان تواجه هجرة إضافية من أجهزة التدفئة المضادة للقاذفات ونظم الضخ.
أمن البيانات وسلامة النظام
(ب) نظم الإنذار بالزئبق هي جزء من البنية التحتية الحيوية ويجب حمايتها من الهجمات الإلكترونية التي يمكن أن تعطل التحذيرات أو تحقن البيانات الكاذبة، وتشمل التدابير الأمنية الموحدة تشفير بيانات الاستشعار التي تستخدم نظام AES-128 أو أكثر، وتقسيم الشبكة بين شبكة إيوت وشبكات المؤسسات، ومراقبة الدخول القائمة على الدور للمنبر، كما يتم تقديم معلومات مستكملة عن أجهزة الاستشعار التي تستخدم مجموعات من العلامات الجوية لمنع حدوث التحديثات.
بناء الثقة العامة والمشاركة المستدامة
ولا يكون نظام الإنذار بالفيضانات فعالا إلا إذا كان الجمهور يعمل في تنبيهاته، فالاستئمان يتم من خلال الإنذار الدقيق وفي الوقت المناسب والمشاركة المجتمعية المستمرة، فالمدن التي نشرت نظما ناجحة تستثمر في حملات تثقيفية عامة قبل وبعد التركيب، وتشرح كيفية عمل النظام، وما يعنيه اختلاف مستويات الإنذار، وما هي الإجراءات التي ينبغي أن يتخذها السكان.
الاتجاهات المستقبلية: الذكاء الاصطناعي، والتوأم الرقمي، والنماذج التنبؤية
وسيؤدي الجيل القادم من نظم الإنذار بالفيضانات المزودة بالمعلومات المسبقة إلى تجاوز الرصد في الوقت الحقيقي إلى التنبؤات المحتملة باستخدام تكنولوجيا التلقيم الآلي والتكنولوجيا الرقمية التوأم، ويجري تدريب الشبكات العصبية القائمة على الثورة ونماذج الذاكرة القصيرة الأجل الطويلة الأجل على بيانات الاستشعار التاريخي والتنبؤات الجوية للتنبؤ بمدى الفيضانات وتوقيتها مع فترات زمنية تصل إلى ست ساعات، ويمكن لهذه النماذج أن تنتج أحدث الرادارات الآن، والتنبؤات المتعلقة بأخطار الناجمة عن الاحترار العالمي، والفيضانات.
(الـ (إف تي) (الـ (الـ (إف إل تي (الـ (الـ (إف تي))) (الـ (الـ (إف تي))) (الـ (إف تي
كما أن الحوسبة الحوسبة الناشئة آخذة في الظهور كقدرة تحولية، إذ يمكن للنظم، من خلال تطبيق منطق التنبيه المباشر على أجهزة الاستشعار الذكية أو البوابات القريبة، أن تصدر تحذيرات حتى عندما تفقد القدرة على الاتصال بالشبكة الدولية، وهذا الهيكل يقلل من درجة الارتداد إلى الألف ثانية ويزيل نقاط الفشل الوحيدة، وبما أن أجهزة الحوافات تصبح أكثر قوة وكلفة، يتوقع أن ترى نظم إنذار محلية مستقلة تماما تعمل بشكل مستقل عن الهياكل الأساسية السحابية.
خاتمة
إن تطوير نظم الإنذار بالفيضانات الحضرية المزودة بالمعلومات المسبقة باستخدام تكنولوجيا إيوت يمثل تطورا ضروريا في كيفية حماية المدن لسكانها من التهديد المتزايد بالفيضانات الفادحة، إذ أن الجمع بين شبكات الاستشعار الكثيفة، وبروتوكولات الاتصال المرنة، ومنطق الإنذار الذكي، تقدم هذه النظم إنذارات شديدة الدقة في التوقيت يمكن أن تحدث الفرق بين السلامة والكوارث، وتظهر الأدلة المستمدة من فترات الوزع الحقيقية في سنغافورة، ومدينة بريستا،
ويتطلب المسار إلى الأمام مواصلة الاستثمار في الموثوقية في مجال الاستشعار وأمن الفضاء الحاسوبي والتطور التحليلي، إذ أن المدن التي تلتزم ببناء هذه النظم لن تخفض فقط من الأضرار التي تلحق بالفيضانات وتنقذ الأرواح فحسب، بل ستنشئ أيضاً أساساً للاستخبارات في الهياكل الأساسية يمكن توسيعها لتشمل تحديات أخرى في مجال الرصد البيئي، وهذه التكنولوجيا موجودة اليوم، ولا بد من نشرها على نطاق واسع، والتعلم من الخبرة التشغيلية، وعدم وقف تحسين النظم القائمة بين المجتمعات الحضرية والمياه المتزايدة للمناخ المتغير.