The Convergence of IoT and eVTOL for Real-Time Flight Monitoring and maintenance

ويشهد قطاع التنقل الجوي الحضري تحولا في النموذج حيث تنتقل الطائرات العمودية الكهربائية والهبوط من المفهوم إلى الواقع التجاري، وتتعهد هذه الطائرات بإعادة تشكيل النقل في المدن عن طريق توفير السفر السريع بين النقاط الذي يتجاوز الازدحام الأرضي، غير أن المطالب التشغيلية للبيئات الحضرية تتطلب مستوى من السلامة والموثوقية لا يمكن أن تُنجز فيه النهج التقليدية لصيانة الطيران.

فهم النظام الإيكولوجي للشبكة الإلكترونية

وتمثل الطائرات الإلكترونية فئة جديدة من مركبات الطيران المصممة لبعثات حضرية قصيرة إلى متوسطة المدى، وخلافا للطائرات العمودية التقليدية، فإن استخدام هذه الطائرات يوزع نظما للدفع الكهربائي، وكثيرا ما يكون ذلك مع عدة مروحيات أو تشكيلات لطيور الطائرات، لتحقيق الرفع الرأسي والرحلة الأمامية، وتستحدث الطاقة الكهربائية متطلبات رصد فريدة، ولا سيما فيما يتعلق بصحة البطاريات، والأداء الحرفي، ويعتمد كل تصميم للمجال الجوي الفوقية على شبكة معقدة من أنواع التنسيق الفرعية.

وتُتيح تكنولوجيا التوحيد المغناطيسي القدرة على صقل هذه النظم الفرعية بطائفة كثيفة من أجهزة الاستشعار التي تلتقط الفولط والحرارة والهتز والسرعة التناوبية والضغط وعشرات البارامترات الأخرى، ويصبح كل جهاز استشعار بمثابة عقد بيانات في شبكة رصد أكبر تُغطي كامل الأسطول، وتتدفق هذه البيانات إلى مراكز العمليات الأرضية حيث تقوم محركات الطيران بتصنيفها في وقت مستمر تقريبا.

ما هي التدابير التي اتخذتها الطائرات الإلكترونية

نظام البطاريات

وتخزن البطاريات أهم العناصر وأكثرها حساسية في أي طائرة من طائرات الإي فيتو إل، وتخزن الطاقة اللازمة للإقلاع والرحلات البحرية والهبوط والهوامش الاحتياطية، وتُقيِّم أجهزة الاستشعار التي تُجسَّد في مجموعات البطاريات، وتُقيِّم مستويات الاستبدال في البطاريات، وتُغفل درجة الحرارة الداخلية عن ارتفاع الدقة، وتتوقف الوقاية من الارتداد الحراري للكهرباء على كشف ارتفاع درجات الحرارة.

رصد الطوابق والمنافذ

وتشغل المركبات الكهربائية في طائرات الإي في تي تي تي إل في إطار حمولات دينامية شديدة، لا سيما أثناء المراحل الانتقالية بين الهوفر والرحلة الأمامية، وتظهر أجهزة الاستشعار التي تعمل بالهواء على درجة حرارة الريح المتحركة، بينما تقوم أجهزة الاستشعار التي تعمل بالعجلات والمصابيح بالهلال برصد سرعة تشغيل الطائرات وتهوية المركبات، وتظهر الخلايا المغناطيسية، وانهيار الهواء الريحية، جميع أنماط اليقظة التي يمكن أن تحددها نماذج الصيانة التقليدية.

رصد الصحة الهيكلية

كما أن سلامة الطائرات هي مجال آخر يمكن أن تضيف فيه أجهزة الاستشعار باليوت قيمة كبيرة، إذ أن قياسات القذارة، وأجهزة الاستشعار الضوئية للألياف، وأجهزة كشف الانبعاثات الصوتية التي توضع في نقاط الإجهاد على المايكروكسترات الدقيقة للأجهزة الجوية، والتطهير في الهياكل المركبة، أو تكديس الدهون، وتغذي هذه أجهزة الاستشعار بيانات في نظم رصد الصحة الهيكلية التي تتعقب الأضرار التراكمية التي تصيب كل طائرة على مدى حياتها التشغيلية.

الهندسة المعمارية لرصد الرحلات الجوية في الوقت الحقيقي

ويتألف الهيكل الذي يدعم رصد الرحلات الجوية في الوقت الحقيقي لأساطيل المركبات الإلكترونية من عدة طبقات مترابطة، وتقوم وحدات اقتناء البيانات على متنها بجمع قراءات الاستشعار الخام بمعدلات أخذ العينات تتراوح بين 10 هرتز لبيانات درجة الحرارة وأكثر من 1 كيلوهرتز لإشارات الإهتزازات.

وتشمل الهياكل الأساسية الجانبية خطوط أنابيب ابتلاع البيانات، وقواعد بيانات عن السلسلة الزمنية، ومنابر التحليل التي تجمع المعلومات عبر الأسطول بأكمله، وتظهر مراكز العمليات لوحات متحركة حية تبين حالة كل طائرة عاملة، مع تنبيهات مرمزة بالألوان لأية مواصفات خارج النطاقات العادية، ويمكن لمراقبي الرحلات أن يعيدوا توجيه الطائرات، أو يعدلوا بيانات الأداء، أو يوجّهوا الطائرات إلى الهبوط في موانئ محددة على أساس أرقام دقيقة.

الاتصالات

فالربط الموثوق به هو العمود الفقري لأي نظام رصد يقوم على أساس التوحيد في عمليات الشبكة الإلكترونية (EoT)، إذ أن الطائرات في المجال الجوي الحضري تنتقل عبر بيئات ذات خصائص متغيرة في نشر الإشارات، كما أن المباني المطوّرة والجسور وغيرها من الهياكل الأساسية يمكن أن تحجب أو تعكس الإشارات اللاسلكية، مما يؤدي إلى الربط المتقطع، وكثيرا ما تستخدم نظم رصد الشبكة الإلكترونية مسارات اتصال متعددة في آن واحد.

الصيانة الافتراضية التي تستخدمها بيانات إيوت

وتمثل الصيانة الافتراضية أعلى قيمة في تطبيق بيانات تكنولوجيا المعلومات في إدارة أسطول المركبات الإلكترونية، وتتبع الصيانة التقليدية للطيران نهجاً شاقة أو في مرحلة التكيُّف، وتتطلب الصيانة في أوقات الدوام الحاد استبدال عنصر في فترات ثابتة بصرف النظر عن اللبس الفعلي، وتعتمد الصيانة عند التسليم على عمليات التفتيش الدورية لتحديد ما إذا كان العنصر يفي بمعايير الخدمة، وكلتا النهجين هما أنماط التخلف التفاعلي أو القائمة على الجدول الزمني وليس نظاماً موحّداً.

وبالنسبة لعمليات الشبكة، فإن الصيانة المتوقعة تقلل من خطرين بالغين هما: عدم تحديد مواعيد العمل غير المقررة في وقت النزول والعطل غير المقرر، عندما تُعاقب الطائرة على نحو غير متوقع بسبب عنصر فشل في التفتيش المقرر، وفي التنقل الجوي في المناطق الحضرية، حيث يجب أن تكون الطائرات متاحة عند الطلب لتلبية توقعات الركاب، ويؤثر عدم جدولة الوقت على الإيرادات والترضية من جانب العملاء، بينما يُعزى ذلك إلى وجود نماذج غير مقبولة في مجال الصيانة الحضرية.

التدريب النموذجي للتعلم

وتتوقف فعالية الصيانة المتوقعة على نوعية وكمية بيانات التدريب، وتولد نظم إيوت على طائرات الإي في تي تي تي تي تي تي تي تي تي تي تي تي تي تي تي تي تي تي تي تي تي تي تي تي تي تي تي تي تي تي تي تي تي تي تي تي تي تي تي تي تي تي تي تي تي تي تي تي تي تي تي تي تي تي تي تي تي تي تي تي تي تي تي تي تي تي تي تي تي تي تي تي تي بيانات عن مجموعات زمنية خلال العمليات العادية، ويجب أن تصنف مع أحداث الصيانة، وفشل العناصر المكويسة، ونتائج التفتيش المكو، ونتائج التفتيش، وتتحقق نتائج التفتيش، وتخلق بيانات دقيقة عن التوقعية، وتضعيفة، وتضع نماذج إضافية في حدا في طور التوليد البيانات، وتضع نماذج المقاييس للتنبؤات في حدا في مستوى الفشل في جمعها، وتحسنت في جمعها، وتسمح تقنيات التعلم، مع نماذج المقاييس، مع نماذج الصيانة، وتحسنة، وتسمح بمعرفة التحويل، بما يسمح بتطويرها، بما أن تنمو من حيث تنمو من حيث تنمو من حيث تضاؤل، مع وجود أنواع أخرى، وتزيد من حيث تضاؤل، وتزيد من حيث أن تنمو، وتزيد

الدمج في مسار العمل

يجب أن تدمج التنبؤات التي تولدها مادة إيوت مع نظم إدارة الصيانة القائمة من أجل دفع العمل، وعندما يصل العنصر إلى احتمال الفشل المحدد مسبقاً في إطار نافذة تشغيلية معينة، يستحدث النظام تلقائياً نظام عمل للنفقة، وقطع الغيار اللازمة للاحتياطيات، والجدول الزمني لتقديم الخدمات في الرواسب المناسبة، ويتلقى فنيو الصيانة أجهزة تنبيهية تحتوي على تشخيص مفصل من أجهزة الاستشعار الخاصة بالطائرة، مما يعني تماماً ما يلزم من معايير للتصليح.

تحديات أمن الفضاء الحاسوبي ونزاهة البيانات

ويعرض إدماج الطائرات المروحية في شبكة الإنترنت مخاطر أمنية إلكترونية يجب التصدي لها على المستوى المعماري، ويمكن للمهاجم الذي يكتسب إمكانية الوصول إلى مجرى بيانات إيوت أن يقوم بتصوير حساس زائف أو يخفي أخطاء حقيقية أو يعطل وصلة الاتصالات بين الطائرات والنظم الأرضية، وبالنسبة لنظم الطيران الحساسة من حيث السلامة، فإن عواقب هذه الهجمات تتجاوز فقدان البيانات إلى احتمال فقدان الحياة.

ومن شأن الجذور القائمة على البرمجيات ذات البرمجيات ذات الصبغة الصلبة أن تكفل فقط تشغيل أجهزة الاستشعار التابعة للشركة والبرمجيات المرخص لها، وقد يحدد تشفير جميع بيانات القياس عن بعد باستخدام معايير التبريد التي تستخدم في الطيران الخرسانية، وجود نظم للتصنيف والتصنيف التجاري، وقد تحدد بروتوكولات التوثيق هوية الطائرات والنظم الأرضية قبل حدوث أي تبادل للبيانات، وترصد نظم الكشف عن الأضرار التي يحتمل أن تصيب شبكة النقل الجوي.

القدرة على الإنتاج التنظيمي والمصادقة

وتقوم سلطات الطيران في جميع أنحاء العالم بوضع معايير لإصدار شهادات لطائرات الشبكة الإلكترونية للطائرات الإلكترونية ونظم الدعم الخاصة بها، وقد نشرت إدارة الطيران الاتحادية في الولايات المتحدة ووكالة سلامة الطيران التابعة للاتحاد الأوروبي أطرا مقترحة تعالج نهج الصيانة القائمة على تكنولوجيا المعلومات والاتصالات، وتتطلب عملية التصديق على نظم الرصد القائمة على تكنولوجيا المعلومات أن أجهزة الاستشعار وتجهيز البيانات وأجهزة اتخاذ القرارات تستوفي معايير الموثوقية والنزاهة التي تكافئ نظم الطيران التقليدية.

ويجب على المشغلين الذين يلتمسون الموافقة على الصيانة التنبؤية التي يقودها آيوت أن يتأكدوا من أن نماذجهم تنتج توقعات دقيقة بمستويات الثقة القابلة للقياس الكمي، وتشمل عملية التصديق عادة إجراء اختبارات واسعة النطاق للرحلات الجوية مع الطائرات المجهزة، ومقارنة التنبؤات باليوتات بالمركبات الفعلية التي تقاس من خلال تحليلات تدميرية للدموع، وبيان سلوك النظام في ظل ظروف خاطئة، وفي حين أن مسار التصديق لا يزال يتطور، فإن المشاركة المبكرة مع سلطات الطيران والمشاركة في الأفرقة العاملة الصناعية يمكن أن تساعد على وضع معايير السلامة.

تحقيق الاستخدام الأمثل على مستوى الأسطول من خلال تجميع بيانات IoT

وتوفر عمليات رصد الطائرات الفردية فوائد مباشرة في مجال السلامة والصيانة، ولكن القوة الحقيقية للشركة تبرز عندما تجمع البيانات عبر أسطول كامل، وتكشف التحليلات على مستوى الأسطول عن أنماط غير مرئية على مستوى المركبات الوحيدة، مثلا، قد تظهر معدلات فشل أعلى في العمليات المناخية الساخنة مقارنة بالمناطق المعتدلة، وتشمل منحنىات تدهور البطاريات من مئات الطائرات بيانات ذات بصيرة أعلى من الناحية الإحصائية من أجل تحسين دورات إدارة الإجهاد.

كما أن تجميع البيانات يتيح وضع معايير مرجعية على مختلف نماذج الطائرات ومقدمي الصيانة وظروف التشغيل، ويمكن لمشغلي الأسطول أن يقارنوا الوقت بين الإخفاقات في عناصر محددة، وتكاليف الصيانة في ساعة الطيران، ومعدلات توافر الطائرات في جميع أنحاء أسطولهم، مما يدفع برامج التحسين المستمر التي تقلل تكاليف التشغيل وزيادة الموثوقية بمرور الوقت، وتصبح البنية التحتية للماء التي تجمع بيانات الاستشعار الخام الأساس لنظام تعلمي يسهم فيه كل رحلة في عمليات أكثر أمانا وأكثر كفاءة.

التطبيقات العالمية الحقيقية والبرامج الرائدة

وقد أطلق العديد من شركات صناعة ومشغلي الشبكة برامج تجريبية تبين الرصد القائم على أساس التحلل الضوئي في البيئات التشغيلية، وتبدأ هذه البرامج عادة بطائرات اختبار مجهزة تحمل أجهزة استشعار واسعة النطاق تتجاوز ما ستشمله طائرات الإنتاج، وتبني البيانات التي يتم جمعها أثناء اختبارات الرحلات الجوية للحملات الجوية ورحلات التبريد المبكِّرة مجموعات البيانات الأساسية اللازمة لنماذج الصيانة المتوقعة.

ومن الأمثلة على ذلك وجود مصنع رئيسي للمركبات الإلكترونية (EVTOL) ينشر أجهزة الاستشعار بالويتر في كل نقطة اتصال خلايا البطاريات، ويبث بيانات خلايا فردية إلى منصة تحليلية قائمة على الغيوم، ويكتشف النظام اختلالات الخلايا التي تشير إلى نمو المقاومة الداخلية، وكمية فقدان القدرة، وفشلها في نهاية المطاف، وتتلقى أفرقة الصيانة إنذارات عندما تتجاوز أي خلية عتبة محددة، مما يتيح استبدال الخلايا المستهدفة بدلا من تكاليف صيانة البطاريات العالية.

التحديات التي تواجه التبني على نطاق واسع

وعلى الرغم من الفوائد الواضحة، فإن العديد من الحواجز تبطئ اعتماد الرصد الذي يمكن أن يُستخدم في استخدام تكنولوجيا المعلومات والاتصالات لأساطيل المركبات الإلكترونية، أولا، أن تكلفة أجهزة التأشير ذات أجهزة استشعار عالية الجودة، ومجهزات الحواف، ونظم الاتصالات تضيف إلى منصة باهظة التكلفة، ويجب على المصانع أن توازن بين قيمة البيانات الإضافية وبين وزن المعدات الحاسوبية وتكاليفها وتعقيدها، وثانيا، أن الافتقار إلى نماذج موحدة للبيانات المصنّعة مختلطة.

ثالثا، لا يزال الجدول الزمني لإصدار الشهادات للنظم القائمة على تكنولوجيا المعلومات غير مؤكد، ولا تزال سلطات الطيران تضع توجيهات للموافقة على نماذج التنبؤ القائمة على التعلم الآلي، التي قد تتطلب بيانات مثبتة واسعة النطاق تفيد بأن أساطيل المراحل المبكرة لا تمتلكها بعد، رابعا، تبرز شواغل تتعلق بملكية البيانات وخصوصيتها عندما يكون أصحاب المصلحة المتعددين، بمن فيهم المصانع والمشغلون ومقدمو الصيانة والمنظمون، جميعهم مصالح مشروعة في البيانات التي تنتج عن كل رحلة.

وأخيرا، فإن الهياكل الأساسية للاتصالات في العديد من المناطق الحضرية ليست جاهزة بعد لدعم احتياجات النطاق الترددي والراحة من استمرار تدفق أيوت من أسطول كبير من طائرات الإنترنت، وفي حين أن 5 جي من الشبكات توفر الوعود، فإن الثغرات في التغطية وازدحام الشبكات لا تزال تثير القلق، وقد يلزم تخصيص حصص طيف الطيران وشبكات الاتصالات الأرضية المصممة خصيصا للتنقل الجوي في المناطق الحضرية لضمان الربط الموثوق به مع نمو أحجام الأسطول.

الاتجاهات المستقبلية والتكنولوجيات الناشئة

وستزيد عدة تكنولوجيات ناشئة من تعزيز تقاطع عمليات التوحيد القياسي والتلوث الإلكتروني، وتخلق التكنولوجيا الرقمية التوأم نماذج افتراضية لكل طائرة مادية تتلقى بيانات عن التلويث في الوقت الحقيقي لتعكس الحالة الراهنة للطائرة، ويمكن للمهندسين إجراء محاكاة على التوأم الرقمي للتنبؤ بكيفية استجابة الطائرة لظروف التشغيل المختلفة، أو تدخلات الصيانة، أو التعديلات دون التأثير على الطائرة الحقيقية، مما يؤدي إلى تسريع وتيرة حدوث المشاكل وتقليلها.

إن الذكاء الاصطناعي هو مجال آخر من مجالات التطور السريع، فبدلا من نقل جميع بيانات الاستشعار إلى الأرض لتجهيزها، يمكن أن تؤدي رقائق العجلات المتقدمة على الطائرة إلى وضع نماذج للكشف والتشخيص على نحو معقد محليا، مما يقلل من متطلبات النطاق الترددي للاتصالات ويكفل استمرار التحليلات الحيوية حتى أثناء انقطاع الاتصال، مع تزايد قدرة أجهزة آي آي على التحمل وكفاءة الطاقة، والخط الفاصل بين الرصد على متن السفن واللاط الأرضي.

وتتيح تكنولوجيات دفتر الأستاذ والسجلات الموزعة حلولاً ممكنة لنزاهة البيانات وتقاسم البيانات بين أصحاب المصلحة المتعددين، وتوفر كل عملية قراءة ونفقة للمستشعرين مسجلة على سلسلة من البيانات أثراً قابلاً للتعديل يمكن أن يثق به المنظمون دون الحاجة إلى مستودعات مركزية للبيانات، ويمكن أن تؤدي العقود الذكية إلى إجراءات صيانة السيارات، وترتيب الأجزاء، وتحديث سجل الخدمات استنادا إلى عوامل البيانات المتعلقة بالشبكة الدولية للسواتل.

خاتمة

إن تقاطع تكنولوجيا IoT و eVTOL يمثل تقاربا بين اتجاهين متغيرين في النقل الحديث، حيث أن تكنولوجيا النقل الجوي التي يقودها الاتحاد الدولي للاتصالات السلكية واللاسلكية توفر القدرة على الاستشعار والاتصال والتحليل اللازمة لرصد الطائرات الكهربائية المعقدة في الوقت الحقيقي، بينما يؤدي نظام eVTO إلى تهيئة السياق التشغيلي الذي تحقق فيه البيانات في الوقت الحقيقي فوائد ملموسة في مجال السلامة والكفاءة، ويتيح الجمع استراتيجيات الصيانة الاستباقية التي تقلل من وقت العمل وتخفض فيها تكاليف الصيانة، ويحسن ثقة المسافرين في خدمات النقل الجوي الناشئة.