وقد ظلت المجهزات الصغيرة تعمل منذ فترة طويلة كنظام عصبي مركزي للنظم الحديثة المستقلة، ولكن دورها في المركبات البحرية يمثل تحديات فريدة من نوعها، إذ أن منافذ الشحن السطحية غير المأهولة التي تقطع مسارات الشحن المشغولة إلى مركبات خاضعة للإدارة الذاتية، ورسم خرائط لقاع البحر، وكل قرار وكل قراءة استشعارية، وكل حركة من عمليات التحكم في المحركات المتطورة من خلال جهاز أو أكثر.

التحديات الأساسية في المركبات البحرية المستقلة

وعلى عكس الروبوتات البرية أو الطائرات المسيرة، تعمل المركبات البحرية في بيئة معادية بشكل فريد، حيث يمكن أن يؤدي تآكل مياه الأمطار، وتقلبات الحرارة الشديدة، والرطوبة العالية، والصدمة البدنية للموجات إلى ضغوط هائلة على المكونات الإلكترونية، ولكن إلى جانب القدرة على التكيف البيئي، فإن الطلبات الحاسوبية تقاس بنفس القدر، ويجب أن يزود نظام قياسي بحري ببيانات من أجهزة الاستشعار المتباينة - الرادار، والليدار، والسونار، والكاميرات، في آن واحد.

معدلات ارتياد الاستشعار والبيانات

ويمكن أن يحمل جهاز رصد مركب نموذجي متطلعاً على شكل سونار ينتج شعاعات متعددة يتراوح بين 50 و100 هرتز، ومسح راداري يبلغ 360 درجة عند 5-30 رنماً، وكاميرات ستريو تنتج 1080ب فيديو في 30 فراء، وجهازاً للمسح المغناطيسي يولد مئات الآلاف من النقاط في الثانية.

متطلبات تجهيز الوقت الحقيقي

إن الملاحة الذاتية مشكلة مراقبة في الوقت الحقيقي، إذ يمكن أن تغطي السفينة التي تسافر على بعد ١٠ عقدات )حوالي ٥ مترات( ٥ مترات في ثانية واحدة، كما أن مناورة تفاعلية لتجنب إعاقة مفاجئة يجب أن تُحسب جيداً في تلك النافذة، ولذلك فإن المعالجات الدقيقة لنظم المراقبة البحرية مصممة بمسارات التنفيذ المحدد: يجب أن تكون عمليات وقف الإنتاج في إطار مواضع مصغرة من حيث التوقيت، كما يجب أن تكون أسوأ عمليات التنفيذ

إدارة الطاقة والحرارة

إن وجود ملامح محيطية طويلة المدى قد يحتاج إلى العمل لأسابيع على شحنة واحدة، بحيث تستهلك أقل من 10 واط من مجموع أجهزةها الإلكترونية، كما أن المصانع الكبيرة ذات الأداء الجزئي التي تستهلك 50 و5 و4 و5 و4 و5 من غير المؤثرات، هي عوامل غير عملية بالنسبة لهذه المنصات.

المصانع الصغيرة للتلقائية البحرية

ويتوقف اختيار هيكل التجهيزات الدقيقة على حجم السفينة، وموجزها الوظيفي، ومستوى استقلالها الذاتي، ولا توجد رقاقة واحدة تناسب جميع السيناريوهات؛ بل تخلط نظم المرشدين وتطابق التكنولوجيات من أجل تحقيق التوازن بين الأداء والطاقة والتكلفة والموثوقية، كما أن هذه الهياكل هي أبرز البنى المستخدمة في المركبات البحرية المستقلة الحالية.

وحدات التجهيز المركزي

وتوفِّر وحدات الاحتباس الحراري ذات الأغراض العامة، من أجهزة التحكم الدقيقة في المركبات العاملة في إطار آلية إدارة الموارد البحرية إلى أجهزة تجهيز عالية التردد X86، الأساس لنظم الرقابة البحرية، وتعالج النواة المنخفضة القدرة في مجال فرز أجهزة الاستشعار، والقيادات الموكِّلة، وبروتوكولات الاتصال، وهي أكثر قدرة على تشغيل مجموعات البرمجيات المكوَّنة من مجموعة كورتيكس - أو حتى أجهزة تجهيز المعلومات الكترونية - أكوام ذات المستوى الأعلى من المميزات المكثفة

وحدات تجهيز الرسوم البيانية للمعاينة

وقد أصبحت وحدات الاتصال العالمية في عمليات مصفوفة موازية، مما يجعلها مثالية لنماذج التعلم العميق المستخدمة في كشف الأجسام وتجزئتها وفهم مواقعها، وأصبحت أسرة جيتسون جيتسون (مثل جيتسون أورين) معيارا فعليا للمرافق البحرية ذاتيا، حيث تقدم ما يصل إلى 275 جهازا من أجهزة التجميل (عمليات الاختراق في الثانية) في مجموعة من 15 إلى 75 درجة غربا، وتشمل هذه النماذج برامج الكشف عن الصور المصورة للأشعة العالمية.

التكامل على نطاق المنظومة

وتتزايد وحدات التجهيز البحري الحديثة في سوCs التي تجمع بين وحدة المنافسة النباتية ووحدة النقل العالمي ووحدة دعم البرامج الوطنية ووحدة التجهيز العصبية، ووحدة التجهيز الداخلي المتخصصة التابعة للمنظمة الدولية للمرحلة الواحدة، وهذا التكامل يقلل من حجم اللوحات واستهلاك الطاقة والارتباط بين النظم الفرعية، ومن الأمثلة على ذلك سلسلة " أكسيلينكس " (مع محركات AI) وسلسلة " أورين " (NVIDIA) " ، و " لاكس " (Le) " .

أجهزة تصوير ذات برمجة ميدانية

وتُعرض هذه المبادئ التوجيهية على مستوى الأجهزة المحددة والمرونة القصوى لمهام تجهيز الإشارات مثل التلاعب في السونار أو ضغط النبض بالرادار أو الاستيلاء على الكاميرا ذات السرعة العالية، وهي قابلة لإعادة التشكيل، مما يتيح تحديث الخوارزميات دون استبدال الأجهزة، وفي المركبات البحرية، تستخدم هذه النماذج كأجهزة تصنيع مشتركة لتحميل الخلايا التراكمية من البرمجيات المكثفة.

المعايير الجمركية لتولي مهام متخصصة

وعلى أعلى مستويات الأداء والحجم، تتضمن بعض برامج الاستقلال الذاتي البحري دوائر متكاملة مخصصة للتطبيقات، وهذه الشرائح مصممة لغرض واحد، مثل تجهيز نماذج البيانات الصوتية تحت الماء، وتجهيز إشارات الصور، أو استخدام شبكة الأشعة العصبية المكرّسة، وتقديم أفضل كفاءة في استخدام الطاقة، والارتباط، غير أن ارتفاع تكلفة الهندسة غير المتكررة يجعل من الممكن تطبيق هذه المركبات في معظم البرامج البحرية.

السلف في مجال تكنولوجيا التجهيزات الدقيقة

وتترجم سرعة الابتكار في مجال التجهيزات الدقيقة مباشرة إلى قدرات جديدة للسفن غير المأهولة، وتبرز ثلاثة اتجاهات هي: المعجلات المتخصصة في مجال التنفيذ، والتحسينات الكبيرة في كفاءة الطاقة، والهيكلات المصممة للسلامة الوظيفية والتكرار.

وحدات المعجِّلات والتجهيز العصبي

ويمكن أن تستهلك وحدات الحماية العامة قوة كبيرة، إذ أن وحدات النقل الوطنية المخصصة - مقرونة بذاكرة، وتُستخدم على النحو الأمثل في عمليات التحويل والتحويل - يمكن أن تحقق أداء مماثلا في جزء من الطاقة، وعلى سبيل المثال، فإن وحدات النقل البحري ذات النطاق المحدود التي تستخدمها شركة " إيفيدا " (NVIDIA Jetson AGX Orin) التي تبلغ من العمر 2048 إلى المستوى المتوسط، تستكمل بجهاز لتعجيل تصوير فيديو " " .

كفاءة الطاقة والبعثة

وقد يتيح هذا البرمجيات الحديثة ذات الكفاءة في استخدام المواد الكيميائية، وثانيها ٥ ميغا متر، وخارج نطاق الترددات الدقيقة، القيام بمزيد من العمليات لكل واط، وقد يتيح التوسيع النموذجي للاستخدام البحري ضعف أداء سلفه في نفس ميزانية الطاقة، ويوسع هذا مباشرة نطاق البعثة، سواء بالنسبة لبرمجيات ذات قدرة شمسية، تتجاوز المحيط الهادئ أو لمسارات مقفلة ذات تردد عال، وهي تنفق على مدار الساعة، وذلك بالإضافة إلى ذلك،

إعادة التوحيد والتصميم الحرج

ويجب أن تعمل المركبات البحرية المستقلة بأمان حول السفن والهياكل الأساسية المأهولة، وتدمج الآن مواصفات معدات الكشف عن الأخطاء، وتصحيح الأخطاء، والعزلة، كما أن هذه المركبات المتحركة المزودة بأجهزة كهرباء، أو تجهيز القفل في نظم موثوقية عالية، التي تُدمج في مجهزات ثاني أكسيد الكربون، مثلاً بعض نواة الأشعة فوق البنفسجية التي تعمل بنظام كورتكس - رات، يمكن أن تُضِعَها في أزواج.

الآثار العملية: تجنب الملاحة والاصطدام

وتخدم جميع أوجه التقدم في تكنولوجيا التجهيزات الدقيقة في نهاية المطاف أحد المتطلبات الأساسية: الملاحة المأمونة والفعالة، وتعالج الطريقة التي يتعامل بها المجهزون مع عملية ضخ أجهزة الاستشعار، واتخاذ القرارات، والسيطرة بشكل مباشر على كيفية تفاعل سفينة مستقلة مع بيئتها، وهناك مجالان هما: الامتثال للنظام الدولي لمنع التلوث في البحر، والتخطيط الدينامي للطرق.

COLREGS Compliance

ويحدد نظام " كوليغس " كيف ينبغي للسفن أن تتجنب الاصطدامات، على أساس الوضوح، وزوايا العبور، وأصناف السفن، ويجب على المجهزين بالطرق الدقيقة أن يقيّموا باستمرار حالة المرور الحالية، وأن يحددوا القاعدة المنطبقة )مثلا، الإفراط في الأداء، والوضع المباشر، والارتقاء بمستوى المعبر(، وأن يحسبوا إجراء آمنا في غضون ثوان، وهذا لا يتطلب بيانات الاستشعار فحسب، بل أيضا تمثيل للسفن الأخرى التي تستخدم فيها قواعد محددة.

تخطيط الطرق الديناميكية

وبالإضافة إلى تجنب الاصطدام الفوري، فإن أجهزة التجهيز الجزئي تدير أيضاً خوارزميات للتخطيط للمسارات تُفضي إلى تحقيق الكفاءة في استخدام الوقود، وتُقلل إلى أدنى حد من الأثر البيئي، وتتجنب المخاطر الناجمة عن الطقس، وتستخدم هذه المخططات بيانات من خدمات تحديد مسارات الطقس، والنماذج الحالية للمحيطات، والرسوم الجليدية، إلى جانب التغذية المرتدة في الوقت الحقيقي، ويمكن للمعالجة المعاصرة أن تدير جهازاً آلياً متطوراًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاً في الوقت نفسه.

المستقبل

ومع انتقال المركبات البحرية المستقلة من النماذج الأولية التجريبية إلى الأساطيل التجارية والدفاعية، ستستمر تكنولوجيا التجهيزات الدقيقة في التطور، وهناك ثلاثة مجالات ناشئة يمكن أن تعيد تشكيل الصناعة: حاسبة الحافة باستخدام 5G، وعمليات الحزام، ونضج الأطر التنظيمية.

حاسبة الحواسب و 5G

ولن تعمل السفن المستقلة في المستقبل بمعزل عن بعضها البعض، وستتيح وصلات الاتصال ذات النطاق المنخفض، حيثما توافرت، للمجهزات الدقيقة على متنها، نقل التجهيز الثقيل إلى خواديم السحاب القائمة على الشاطئ مع الحفاظ على المهام ذات التوقيت الحقيقي على الصعيد المحلي.

عمليات الأسلحة الخفيفة

فالأساطيل المنسقة من المركبات البحرية الصغيرة أو مركبات المركبات ذات الدفع الرباعي، التي تعمل كحزام، تتطلب الاتصال بين المركبات، وتوزع عملية صنع القرار، ويجب أن يدير كل جهاز من أجهزة التجهيز الجزئي التابعة للأجهزة اللاسلكية، خوارزمية لا مركزية (مثلاً، لأغراض تجنب الاصطدام أو مراقبة التكوين) مع الحفاظ على الوعي بالوضع، كما أن المجهزين المزودين بأجهزة استخباراتية مكرونة ووحدات أمنية تعمل على تجهيز أجهزة الحاسوب.

تطوير الهياكل الأساسية والتنظيمية

وتقوم الحكومات وجمعيات التصنيف بوضع مبادئ توجيهية لإصدار شهادات مستقلة للمركبات، وستحدد هذه الأنظمة مستويات معينة من الموثوقية، والتسامح إزاء الأخطاء، وأمن الفضاء الإلكتروني للمجهزين على متنها بالمضادات الدقيقة، وعلى سبيل المثال، تعمل المنظمة البحرية الدولية على وضع مدونة قواعد الملاحة البحرية ذاتية التشغيل، التي يتوقع أن توضع في صيغتها النهائية بحلول عام 2028، وسيجبر المصممون على إدراج أجهزة التحكم في أجهزة الصنادل، والشحنات المأمونة، والبنى التحتية المجهزة.

ولا تقتصر المجهزات الدقيقة على مكونات داخل المركبات البحرية المستقلة؛ فهي عوامل التمكين الأساسية للتحول في كيفية تفاعل البشرية مع المحيط، ومن أصغر سفن المحيط الأفريقي التي تستكشف مركبا بحريا إلى ناقلات ذاتية ذاتية ذاتية طولها 200 متر، وتعبر المحيط، ويبدأ كل قرار بدائرة من السليكون، وتنفذ بلايين التعليمات في الثانية، ويواصل التقدم في تصميم شبه الموصلات، ويحقق التكامل بين السفن، ويدفع بالهندسة الآمنة الحدود الأكثر أمانا.