Table of Contents
فهم النظم البرمجية في المركبات الحديثة
وقد كانت النظم المضغوطة التي تستخدم الهواء المضغوط لنقل الطاقة، تشكل أداة أساسية في التشغيل الآلي الصناعي منذ عقود، وفي سياق السيارات، ترتبط أكثر من غيرها بالمكابح الجوية على الشاحنات والحافلات الثقيلة، فضلا عن نظم تعليق الهواء في المركبات الكمالية، ومع ذلك، فإن دور صناعة النقل يتجه نحو الاستقلال الذاتي، فإن دور المواد البينية يتطور من عنصر التكنولوجيا الكيمائية إلى جيل أساسي محتمل من عناصر المركبات.
وعلى عكس النظم الهيدروليكية التي تعتمد على السوائل غير القابلة للضغط، تستخدم النظم البينيومية هواءاً قابلاً للضغط، وهذا الفرق الأساسي يعطي خصائص فريدة من نوعها: فهي في جوهرها أخف، تعمل بأقل تلويثاً للحرارة، ويمكن تصميمها على الفشل في أساليب أكثر أماناً، أما بالنسبة للمركبات المستقلة، حيث يؤثر كل جرام من الوزن على المدى وكل ثانية من أوقات الاستجابة في السلامة، فإن هذه السمات تزداد جاذبية.
وتشمل المكونات الأساسية لأي نظام آلي للسيارات مضغطاً للهواء، وخزاناً للتخزين (مستودع)، والصمامات، والملاجئ (المحلات أو المجارير)، والإلكترونيات للمراقبة، ويضغط المضغوط الهواء عادة إلى ما بين 100 و150 بيس، ويخزنه في صهريج، وعندما تكون هناك حاجة إلى وظيفة، يُفتح الصمامات الوحيدة التي تُفتح لضَعْب الميكانيكية أمام أجهزة التحكم.
لماذا النظم المصورة هي ميزة طبيعية للمركبات المستقلة
وتتطلب المركبات المستقلة مستوى من الموثوقية والتكرار يتجاوز المركبات التقليدية التي تعمل بالسائقين، وتوفر النظم البينوماتية عدة مزايا متأصلة تتوافق مع هذه المتطلبات، أولا، يمكن تخزين الهواء المضغوط واستخدامه حتى عندما يفشل النظام الكهربائي الرئيسي، مما يوفر مصدرا مستقلا للطاقة الكهربائية للمهام الحيوية مثل التفاخر، وهذا التكرار حيوي لتحقيق مستويات التصديق على السلامة المطلوبة للاستقلال من المستوى 4 والمستوى 5.
ثانياً، لدى المصابيح المتحركة نسبة عالية من الطاقة إلى الوزن، ويمكن أن يولد الأسطوانة المتحركة المدمجة قوى مماثلة لسطوانة هيدروليكية ذات حجم مماثل، ولكن بجزء من الوزن، وفي مركبة كهربائية، يترجم خفض الوزن مباشرة إلى زيادة النطاق، مما يجعل من المكوِّنات خياراً جذاباً بالنسبة لعناصر الوزن الخفيف مثل مفترق الأبواب، ومرفعات الجذع، ونظم تعليق قابلة للتعديل.
ثالثا، توفر النظم المتطورة أوقات الاستجابة السريعة، ويمكن للجو المكثف أن يسافر عبر خطوط بسرعة قريبة من الشمس، كما أن الصمامات الحديثة ذات التدفق العالي جدا يمكن أن تفتح وتغلق في أقل من 10 مليمترات، وبالنسبة لنظم التكفير، يعني ذلك أن تقطع المسافات قصيرة؛ وبالنسبة لنظم التعليق، يعني تعديلا شبه ثابت لظروف الطرق، وتحتاج منابر القيادة الذاتية إلى أجهزة استشعار ومجهزة صغيرة.
رابعا، النظم المحتوية على مواهب نظيفة، ولا يوجد سوائل هدروليكية للتسرب، ولا خطر التلوث من الانسكابات النفطية، ولا حاجة إلى التخلص من السوائل، وهذا التبسيط يقلل من الصيانة ويجعل من المصابين بالهيوميات أكثر ملاءمة للبيئة، وهو اعتبار هام لمشغلي الأسطول الذين يديرون سيارات أجرة مستقلة ومركبات تسليم.
عملية إعادة التفرغ والفشل
وفي النظم المستقلة، لا ينبغي أن يؤدي فشل عنصر واحد إلى حدوث كارثة، ويمكن تصميم نظم مائية بدوائر مزدوجة، وخزانات جوية منفصلة، ومحركات ميكانيكية لقلب الربيع، مثلا، يشمل نظاما نموذجيا للعجلات الجوية على شاحنة ثقيلة مصباحا للسيارات يبيع تلقائيا ويطبق مكابح السيارات إذا انخفضت الضغوط الجوية إلى ما دون عتبة.
ويقوم المهندسون باستكشاف استخدام صهاريج الهواء المضغوطة التي توزع حول المركبة لضمان استمرار المحركات في العمل لعدد من الدورات الخاضعة للرقابة بعد فقدان الإمداد الجوي الرئيسي، وهذا النهج يعكس التجاوزات التي وجدت في نظم الطائرات ويصبح هدفاً تصميمياً لمنصات المركبات المستقلة.
التكامل مع الهياكل الأساسية للمركبات على أساس كل مركبة على حدة
ويتزايد اعتماد المركبات المستقلة الحديثة للسيارات على أساس كل مركبة، حيث يتم استبدال الروابط الميكانيكية بين السائق والعجلات بإشارة إلكترونية، فالنظم الصبغة التي تناسب هذه النموذج بطبيعة الحال، ويرسل السائق (أو المراقب المستقل) قيادة إلكترونية إلى صمام وحيد، ثم يوجه الهواء إلى المشغل، وليس هناك حاجة إلى دواسة أو كابل مادي.
ويقوم موردون رئيسيون مثل Bosch] و]ZF[F]] بتطوير نظم مكابحية ذاتية للسيارات الآلية، وتجمع هذه النظم بين مراقبة الاستقرار الإلكتروني والتعبئة من الضغط الجوي لتوفير مكابح سلسة يمكن التنبؤ بها يمكن أن تُحسم بواسطة برمجيات خام.
التطبيقات الرئيسية: ما بعد براكيس والتعليق
وفي حين أن التفاؤل والتعليق هما أكثر التطبيقات المتطورة، فإن الاستخدامات المحتملة في المركبات المستقلة تزيد كثيرا، وهنا توجد عدة مناطق يمكن أن تضيف فيها المناورات قيمة.
أجهزة التشغيل الآلي ونظم الوصول
(ب) يمكن للملجئين أن يفتحوا الأبواب بسلاسة وصمت، ويمكنهم أن يدفعوهم إلى إغلاقها بما يكفي لضمان وجود ختم سليم حتى في ظروف غير آمنة، خلافاً للمحركات الكهربائية، لا يتطلب الإسطوانات المضغوطة معدات يمكن أن تلبس أو تُشغل.()
Cargo and Parcel Lockers
وسيحتاج الأمر إلى فتح مقصورات مفتوحة بشكل آمن عندما يكون المتلقي موجودا، ويمكن حرق الأقفال البينوية والقبعات بسرعة ويمكن أن تغلق بشكل آمن مع ضغط الربيع، والطاقة المطلوبة ضئيلة، ويسهل تبسيط خطوط الهواء اختراقها ضد الطقس مقارنة بالمصابيح الكهربائية في البيئات المرتفعة الرطوبة.
وقف العمل بنشاط في مجال التجمعات البرية
وسيعطي المركبات المستقلة الأولوية لراحة الركاب على خطوبة السائقين، ويمكن تكييف نظم تعليق الهواء، التي كانت شائعة بالفعل في السيارات والحافلات العالية، بحيث توفر الرطوبة النشطة، ومن خلال تعديل ضغط الربيع الجوي في الوقت الحقيقي استنادا إلى بيانات استعراض الطريق من الكاميرات والليدار، يمكن أن يستوعب التعليق الصدمات قبل وصولها إلى المقصورة، وتدمج الشركات مثل نظم التنبّؤ الذاتي .]
تخطي الإبراز والابتدائية في حالات الطوارئ
وفي مركبة مستقلة تماما، إذا فشل نظام المكابح الأولي، يجب أن يتولى النظام الثانوي، ويمكن للمتراكمين من الطرازات أن يوفروا الطاقة اللازمة للضغط في حالات الطوارئ دون اعتماد على البطارية الكهربائية الرئيسية، وبالمثل، يمكن للمحاضرين التوجيهيين المتحركين أن يقدموا تجاوزا ميكانيكيا إذا فشل المحرك التوجيهي للكهرباء، وهذا الازدواج المزدوج هو شرط أساسي لمستويات السلامة الآلية (26 في I).
كفاءة الطاقة وتكنولوجيا الضغط
ومن الانتقادات التاريخية للنظم المتطورة كفاءة الطاقة فيها، حيث إن الضغط الجوي أقل كفاءة من تحويل الطاقة الكهربائية إلى حركة ميكانيكية بواسطة محرك، غير أن التقدم في تصميم الضغط واستعادة الطاقة يضيق الفجوة.
شركات كهربائية سريعة التغير
وتستخدم النظم التقليدية للتصوير النباتي أجهزة ضغط ثابتة السرعة تعمل بشكل متقطع للحفاظ على ضغط الدبابات، ويمكن لضغطات جديدة من البلدان النامية التي لا تعمل على سرعة متغيرة أن تضاهي الناتج من الطلب، وتخفض نفايات الطاقة، وعندما تكون مدمجة مع القوة الرئيسية للمركبات، فإنها لا تستطيع العمل إلا عندما تكون المركبة متجهة نحو السواحل أو إعادة توليد الطاقة، مما يجعل الهواء المضغوط منتجا فرعيا للتباهير.
استعادة الطاقة من الإبراهين
فالتدخين التراكمي هو معيار في المركبات الكهربائية، ولكنه يستعيد الطاقة الحركية ككهرباء، وفي نظام متطور، يمكن للضغط التجددي أن يضغط الهواء مباشرة باستخدام ضغط من نوع بيستون يدفعه العجلة، مما يخزن الطاقة في صهريج هواء، ثم يطلقها للمساعدة على التعجيل أو على أجهزة الوصل الكهربية دون أن تستنفد البطارية الرئيسية.
إدارة الحرارة
فالعاملون يولدون الحرارة في مركبة مستقلة، ويجب أن تكون الإدارة الحرارية مسؤولة عن كل مصدر حراري لمنع التسخين المفرط للمستشعرات والإلكترونيات، وأن تُدرج في تصميمات الضغط الحديثة أجهزة التكلور والزوارق لمنع الحرارة بكفاءة، وبالإضافة إلى ذلك، يمكن استخدام الهواء المضغوط نفسه لتبريد الإلكترونيات عن طريق توسيع نطاقه من خلال مفهوم أنبوب دودة - وهو قيد التحقيق من جانب مهندسي فضائي وميكانيكي.
التكامل مع الإلكترونيات والبرامجيات
ولم تعد النظم الميكانيكية البحتة آلية بعد الآن، إذ تخضع لرقابة وحدات النقد الأوروبية التي تتلقى بيانات من الحاسوب المركزي للمركبات، وفي مركبة مستقلة، يدير هذا الحاسوب التصور والتخطيط والتحكم في الخوارزميات، ولكي تستجيب المواد الجاهزة، يجب أن يرسل نظام المراقبة أوامر بتوقيت دقيق وأن يرصد التعليقات الواردة من أجهزة الاستشعار الضغطية ومجسات المواقع على المُحاضرين.
المراقبة المغلقة
(أ) النظم الجاهزة للصوت (التي تطبق ببساطة ضغطاً كاملاً عندما يفتح الصمام) ليست دقيقة بما يكفي لمراقبة المركبات المستقلة.() وتُجري نظم الغلق باستمرار قياساً لموقع المُضيّق أو القوة وتعديل دورات العمل الصمامية للحفاظ على الدولة المنشودة، ويتطلب ذلك صمامات سريعة ومجسّسات ضغط عالية الاستبانة، وأجهزة فرز حراري قادرة على معالجة قابلية التصوّر في نماذج الهواء المتطورة.
كشف الخزنة وتشخيصها
ويجب أن تكون المركبات المستقلة ذاتياً وأن تكون ذاتياً، وأن تكون النظم التشخيصية مبسطة: معدلات انخفاض الضغط، وفترات التدوير الصمامي، ومعدلات التدفق يمكن رصدها باستمرار، ويمكن اكتشاف تباطؤ في خط أو صمام ملصق قبل أن يصبح فشلاً، ويمكن أن تحلل الخوارزميات التعليمية الآلات هذه لتنبؤ الفشل والجدول الزمني بصورة استباقية، مما يقلل من سرعة الأسطول.
بروتوكولات الاتصال
وتتواصل وحدات النقد الأوروبية الناموسية عبر عمود الحافلات أو شبكة الإثيرنيت في المركبة، ويجري اعتماد بروتوكولات موحدة مثل كانوبين للعناصر المنوية، مما يتيح للمستنقين والمحاضرين من مختلف المصنعين التعاونيين، وهذا قابلية التشغيل المتبادل أمر أساسي لمنابر المركبات المستقلة التي تدمج عناصر من موردين متعددين.
اتجاهات السوق وتبني الصناعة
ولم يُستفد بعد من اعتماد نظم ذاتية في المركبات المستقلة، ولكن هناك مؤشرات عديدة تشير إلى النمو، ومن المتوقع أن تنمو سوق نظام مكابح الهواء بالسيارات العالمية عند مستوى زهاء 5 في المائة حتى عام 2030، وهو ما يُدفع بالشاحنات الثقيلة، وفي قطاع سيارات الركاب، أصبح التعليق الجوي أكثر شيوعا، ومع ارتفاع مستوى الروبوتات والأب المتحركة والمقابس بدأت تظهر في مركبات مفاهيمية.
(ب) بدأت مثل [(FLT:0] Aiways و]Plus] نشرت براءات اختراع تتضمن مُلَكَّمات ذاتية لوظائف القيادة المستقلة، وفي الوقت نفسه، أنشأت شركات تصنيع مكونة ذاتية مثل شركة SMC T] و[6]
كما تولي الهيئات التنظيمية اهتماما، وقد أدرجت الإدارة الوطنية لسلامة المرور في الطرق الرئيسية معايير مكابح متحركة في مبادئها التوجيهية المتعلقة بالمركبات التجارية الآلية، وتقتضي لائحة الاتحاد الأوروبي العامة للسلامة نظما متطورة للتفاخر يمكن أن تدعمها المناورات.
التحديات والاتجاهات البحثية المستقبلية
وعلى الرغم من المزايا، لا تزال هناك عقبات كبيرة قبل أن تصبح النظم المتحركة معيارية في المركبات المستقلة.
كفاءة الطاقة في السوق الجزئية
وتختلف المضاعفات المضغوطة بدرجة كبيرة عند تشغيلها بالشحن الجزئي، وفي دورة قيادة نموذجية، يتباين الطلب على الهواء المضغوط تباينا كبيرا، وتركز البحوث المقبلة على مضغطي التشريد المتغيرين وعلى تخزين الطاقة على متن السفينة مما يتيح للضغط أن يعمل في أكثر مراكز التشغيل كفاءة، مع تقديم طلبات الذروة من التخزين، كما أن المواد المتقدمة، مثل خزانات الألياف الكربونية التي تقل وزنها وتزيد من ضغط التخزين، يمكن أن تحسن أيضا كفاءة النظام.
الضجة والتأشيرة
فالضغطات وصمامات العادم تنتج ضوضاء، ففي مركبة الركاب، لا سيما مركبة مستقلة يمكن أن يعمل فيها الركاب أو يستريحوا، يجب التقليل إلى أدنى حد من مستويات الضوضاء، ويقوم المهندسون بتطوير أجهزة الكشف عن الصوت، والصمامات العالية التردد التي تعمل فوق النطاق المجهول، ونظم العادم التي تلتقط وتعيد فتح الهواء بدلا من نماذج الإيقاف.
الوئام والتغليف
وتتم تعبئة المركبات المستقلة ذاتياً بمستشعرات وحواسيب وحزم بطارية، إضافة منافسات للضغط والدبابات والسباكة في الفضاء، كما أن تصغير المكونات المضغوطة هو مجال نشط من مجالات البحث، ويجري تطوير مُصنوعات صغيرة تستخدم أقل من لتر من الجلطة الهوائية، بالإضافة إلى ذلك، يجري إدماجها في المكونات الهيكلية مثل استخدام الأسلحة المعل َّقة كمستودعات للوزنات الجوية.
الأداء المستعار
ويحتوي الهواء المضغوط على بخار الماء، الذي يمكن أن يتجمد عند درجات حرارة تحت الصفر، ويحجب الصمامات والخطوط، وتستخدم النظم الآلية المجففة والمسخنات الهوائية لمنع تكوين الجليد، ولكن هذه المركبات تزيد من التعقيد واستهلاك الطاقة، وبالنسبة للمركبات المستقلة التي قد تعمل في المناطق النائية التي لا توجد فيها مرآبات خاضعة للرقابة المناخية، فإن الأداء القوي للأشعة الباردة أمر أساسي.
مقارنة التكاليف مع شركات الإنتاج الكهربائية الكاملة
وفي حين أن المناشير يمكن أن تكون فعالة من حيث التكلفة بالنسبة لتطبيقات العمل الشاق، فإن تكلفة إضافة نظام كامل للتصوير إلى سيارة الركاب قد تكون أعلى من استخدام محرك كهربائي مخصص لكل وظيفة، ولكن عند النظر في إعادة التكرار على مستوى النظام والقدرة على تقاسم مصدر للطاقة المشتركة (المطار) بين مضيفين متعددين، فإن التكلفة الإجمالية للملكية يمكن أن تكون تنافسية.
خاتمة
وتتجه النظم المتطورة إلى القيام بدور موسع في المركبات المستقلة، ليس كجديد، بل كحل عملي للتحول الحرج للسلامة، وبناء الوزن الخفيف، وعملية السلامة، والارتقاء، والتطور في الكفاءة المضغوطة، ومراقبة القاع المغلقة، والتقليل من المكوّنات إلى أدنى حد، حيث تتجه الصناعة نحو المستوى 4 والمستوى 5، والطلب على نظم النقل السريع والموثوقية.
وبالنسبة للمهندسين وصانعي القرار، فإن المأزق الرئيسي هو أنه لا ينبغي تجاهل المعالمية بوصفها تكنولوجيا قديمة، وفي سياق المركبات المستقلة، فإنها توفر مزيجا فريدا من القوة والسرعة والسلامة يكمل النظم الكهربائية والإلكترونية، ومن المرجح أن يشهد العقد القادم تطورا من دور داعم إلى عنصر أساسي في هيكل التنقل المستقل.