إن إدارة شبكات الطاقة الأساسية الحيوية وشبكات المياه ونظم النقل تقف عند نقطة تحول، وقد اعتمد العمل والصيانة على عمليات التفتيش اليدوية، والإصلاحات المقررة، وعمليات الإصلاح الرجعية، واليوم، فإن تقارب المعلومات الاستخبارية الاصطناعية، وشبكة المعلومات، والآلات، والمسح السحابي، إنما يحفز هذه النظم على الاستقلال الذاتي، ويقتصر تنفيذ النظام الأساسي المستقل، ويعود بالاستمرار على إعادة تشكيل هياكل أساسية أفضل.

ما هي الأنظمة الأولية المستقلة؟

وتشير النظم الأولية المستقلة إلى الهياكل الأساسية الواسعة النطاق التي يمكن أن ترصد وتراقب وتحسن وتحافظ على حدها الأدنى من التدخل البشري. " تشير " Primary " إلى الطابع الأساسي لشبكات الطاقة الكهربائية هذه، ومصانع معالجة المياه، وخطوط أنابيب الغاز الطبيعي، وممرات النقل التي تشكل العمود الفقري للمجتمع الحديث، بخلاف النظم التقليدية التي تعتمد على المشغلين في تفسير أجهزة الإنذار وطاقم الإرسال، ونظم الاستشعار الذاتي، تستخدم حلقة مغلقة.

فعلى سبيل المثال، يمكن لشبكة مستقلة للطاقة أن تكشف عن خطأ في خط انتقال وإعادة تدوير الكهرباء وإخطار طائرة بدون طيار، بل وأن تعدل مستويات الفولط للحفاظ على الاستقرار في غضون ثوان، وقد يستخدم مرفق معالجة المياه خوارزميات ناقلة من أجل تعديل الجرعات الكيميائية في الوقت الحقيقي استنادا إلى نوعية المياه الجديدة، بينما تقوم المضخات الذاتية بالبرمجة على نفقتها الخاصة.

وقد أمكن تحقيق هذا المستوى من الاستقلال الذاتي بفضل عدة تكنولوجيات تمكينية بلغت درجة كبيرة من النمو خلال العقد الماضي، ومن الضروري فهم هذه التكنولوجيات لمعرفة مدى تحول التشغيل والصيانة المستقلين إلى واقع بدلا من رؤية بعيدة.

التكنولوجيات الرئيسية

أجهزة الاستشعار وشبكة الانترنت

وعلى أساس أي نظام مستقل، القدرة على تصور بيئته، إذ يمكن نشر أجهزة الاستشعار المتقدمة - بما في ذلك أجهزة رصد الاهتزاز، والكاميرات الحرارية، ومنتجات الضغط، والبيانات ذات التسارع الكيميائي - التحلل الكيميائي من كل موجودات حرجة، وبتكاثر أجهزة التوحيد المغناطيسي، يمكن نشر هذه أجهزة الاستشعار بتكلفة منخفضة على المحولات والمضخات والصمامات، بل وعلى امتداد أشكال التنبؤ الواقعية.

وتسمح بروتوكولات الاتصال اللاسلكية (LoRaWAN, 5G, NB-IoT) للمجسات بنقل المعلومات إلى منابر مركزية أو مجهزات حواف، وفي بعض الحالات، يجمع الدمج بين البيانات المستمدة من مصادر متعددة لخلق صورة أغنى، وعلى سبيل المثال، يمكن لقراءة درجة الحرارة المصحوبة بمطياف الاحتباس الحراري أن تشير إلى ارتداء في المراحل المبكرة لا يمكن أن يكشف عنه أي جهاز استشعار بمفرده.

الاستخبارات الفنية والتعلم الآتي

ولا تعد بيانات الاستشعار الخام قيمة إلا إذا أمكن تفسيرها واتخاذ إجراءات بشأنها، فنموذج التعلم الآلاتي، ولا سيما التعلم العميق والتعزيزات، يُستخدم على نحو متزايد لتحليل البيانات التشغيلية، وكشف أوجه الشذوذ، والتنبؤ بالفشل، والتحكم الأمثل، ويمكن أن يُتوقع أن يؤدي عنصر ما إلى الفشل في الأيام أو الأسابيع التي يُحتمل فيها التدخل قبل أن يُحدث تجاوزاً في التكاليف.

كما تخول منظمة العفو الدولية نظماً للرؤية الحاسوبية تفتش الأصول من لقطات الطائرات بدون طيار أو أجهزة تصوير للكاميرات، ويمكن للشبكة العصبية التي تم تدريبها على آلاف الصور التي تحتوي على الأنابيب المتآكلة أن تكتشف صورة جديدة تتجاوز بدقة المفتشين البشريين، وقد استخدمت هذه القدرة بالفعل في عمليات تفتيش برج النقل والمراقبة الرئيسية للمياه.

الأجهزة الآلية والنظم المستقلة

وفي حين تتولى منظمة العفو الدولية التحليل واتخاذ القرارات، تقوم الآلية بتنفيذ المهام المادية، أما المركبات الجوية غير المأهولة (الطائرات) فتقوم بدوريات خطوط وخطوط أنابيب، وتتناول مسائل الإبلاغ، فتفتش الروبوتات داخل الأنابيب والنقائط، وتدير الأجهزة الآلية الفرعية هياكل للاستيلاء على المياه الجوفية، وبدأت الأسلحة البشرية أو الآلية المتقدمة في إجراء إصلاحات في بيئات خطرة، مثل مناطق التبديل ذات التأثير العالي أو الإشعاعات المشعة.

ويمكن للآليات المتنقلة المجهزة بقدرات التلاعب أن تحل محل أطقم الصيانة المباشرة، وأن تقلل من تعرض الإنسان للقوس الكهربائي، وقد تم بالفعل نشر المركبات الأرضية المستقلة في المزارع الشمسية في الألواح النظيفة، وأن تحسن إنتاج الطاقة بدون عمل يدوي.

حاسوب السحاب وحساب الطول

إن أحجام البيانات التي تنتجها النظم الأولية المستقلة ذاتيا هائلة، إذ توفر الحواسيب المركَّبة قدرة متطورة على التخزين والحساب بالنسبة للنماذج التدريبية وعمليات المحاكاة المعقدة، غير أن متطلبات الطوارئ كثيرا ما تتطلب تجهيزا أقرب إلى الأصول، ويضع حسابا للنظم العالمية للمناقصات ويضع منطقا للانتظار في الخواديم المحلية ويتحكم فيه، بل في أجهزة الاستشعار نفسها، على سبيل المثال، فإن اختراقا للجهاز السحابي في شكله السحابي يمكن أن يؤدي إلى إحداث تصاعد.

التوائم الرقمية

فالتوأم الرقمي هو نسخة طبق الأصل من نظام مادي يعكس حالته في الوقت الحقيقي، إذ يتيح التوأم الرقمي للمشغلين (أو وكلاء مستقلين) حفز سيناريوهات " ما - إن " واستراتيجيات مراقبة الاختبارات والتنبؤ بأثر التغييرات قبل تطبيقها في العالم الحقيقي، وفي سياق التشغيل والصيانة، يستخدم التوأم الرقمي أيضاً لتصويب أثر نماذج التحوّل على الشكل الأمثل من الأصول أو نتيجة الإغلاق.

تكنولوجيا أمن الفضاء

ومع تزايد استقلالية النظم وترابطها، تصبح أيضا أكثر عرضة للهجمات الإلكترونية، وتبرز عمليات التشفير المتقدمة، والكشف عن الشذوذ باستخدام أجهزة الاستخبارات الجوية، ووقف عمليات المراجعة الآمنة باعتبارها عناصر أساسية، وتدمج نظم مستقلة كثيرة حاليا " الأمن عن طريق التصميم " ، مع رصد مبني للقيادات غير المأذون بها، والعزل الآلي للشرائح المهق.

التطبيقات العالمية الحقيقية

Smart Electric Grids

وربما تكون الشبكة الكهربائية هي أبرز مرشحين للعمل المستقل، إذ تقوم المرافق مثل دوك للطاقة بنشر شبكات للتدفئة الذاتية يمكن أن تكشف تلقائياً عن الأخطاء، وعزل الأقسام المتضررة، وإعادة الطاقة إلى المناطق غير المتضررة، ففي الولايات المتحدة، على سبيل المثال، تقوم المرافق مثل ديوك للطاقة بتنفيذ نظم استخباراتية تقلل من مدة التصريف بنسبة 30 في المائة، وتدمج إدارة الشبكات المستقلة أيضاً مصادر الطاقة المتجددة:

معالجة المياه والمياه المستعملة

وتواجه مرافق المياه هياكل أساسية حديثة، وأنظمة أكثر صرامة، وقوة عاملة متقلصة، وتدير نظم المراقبة المستقلة الآن عمليات التنظيف الكيميائية، وغسل القاذورات، ورسم الجداول الزمنية للضخ، ومن الأمثلة البارزة استخدام التحليلات التنبؤية لمنع انفجارات المياه الجوفية: من خلال تحليل التدفق، والضغط، والبيانات الصوتية، يمكن أن تحدد المواد التسربات في المياة بنسبة 90 في المائة.

ممرات النقل المستقلة

وفي حين أن الكثير من الاهتمام يركز على المركبات المستقلة، فإن الهياكل الأساسية الداعمة تصبح مستقلة، وتستخدم نظم إدارة حركة المرور الذكية الكاميرات والرادارات وأجهزة الكشف عن الثغرات في وسائل تكييف توقيت الإشارة، والأكتاف المفتوحة، والاتصال بالسيارات، وفي ساو باولو، البرازيل، يقلل نظام مراقبة الحركة على نطاق المدينة من فترات السفر بنسبة 25 في المائة والحوادث بنسبة 15 في المائة، وبالنسبة للطرق البرية، تستخدم قطارات المستقلة مسارات الارتقاء والبصريات.

Oil and Gas Pipelines

وتستخدم شركات الأنابيب الطائرات الآلية ذاتياً والزواحف لتفتيش آلاف الكيلومترات من الحق في الوصول، وتحلل نماذج سماكة فوق الصوت للتنبؤ بمعدلات التآكل وصيانة الجدول الزمني، وفي حالة تسربها، لا يمكن لمراقبي الصمامات الآلية عزل القسم المتضرر في غضون ثوان، وتخفف من فقدان المنتجات والأضرار البيئية إلى أدنى حد.

مزايا العملية المستقلة والصيانة

تعزيز الموثوقية والارتقاء

فالرصد المستمر والصيانة المتوقعة يقللان كثيراً من وقت التعطل غير المخطط له، إذ تبين الدراسات أن الصيانة المتوقعة يمكن أن تقلل من إخفاقات المعدات بنسبة 50-70 في المائة وأن تزيد من حياة الأصول بنسبة 20-40 في المائة، كما أن النظم المستقلة تستجيب بسرعة لإعادة تشكيل شبكات الكهرباء في الفترة الفرعية الثانية، مثل منع حدوث مشاكل صغيرة من التكسير إلى حالات انقطاع الكهرباء.

الوفورات في التكاليف

وبالإضافة إلى ذلك، فإن العمليات المثلى تقلل من استهلاك الطاقة، والاستخدام الكيميائي، والنفايات المادية، ويمكن أن تحل دورية واحدة مستقلة ذاتيا دون طيار محل فريق من عشرة مفتشين، ويقدر المعهد العالمي لماكينزي أن الهياكل الأساسية المستقلة يمكن أن تقلل من نفقات التشغيل بنسبة 1530 في المائة في عدة صناعات.

تحسين السلامة

وهناك العديد من مهام النظام الأساسي التي تعرض البشر للخطر: العمل على خطوط الطاقة الحية، والغوص في مياه الخزانات المخروطية، وقطع ممرات خطوط الأنابيب المسدودة، وتزيل الروبوتات والمركبات المستقلة العمال من هذه البيئات الخطرة، ويمكن أن تنخفض معدلات الحوادث بالنسبة للأنشطة الشديدة الخطورة بنسبة 80 في المائة أو أكثر، وحتى عندما يظل التدخل البشري ضروريا، فإن النظم المستقلة يمكن أن توفر الوعي بالحالة التي تقلل من المخاطر.

الاستجابة السريعة والانتعاش

وتعمل النظم المستقلة ذاتياً على مدار الساعة، وتستجيب للأحداث في الوقت الحقيقي، وعندما تلحق العاصفة أضراراً بمحطة فرعية، يمكن أن يعيد الرد المنسق إعادة توجيه الطاقة، وأن يرسل طائرات بدون طيار لتقييم الأضرار، وأن يصلح الروبوتات كل ذلك دون انتظار تغيير النوبات أو جلسة إحاطة الصباح، ونتيجة لذلك تقلل فترات انقطاع الكهرباء وتسريع وتيرة استعادة الخدمات الحيوية.

القابلية للتسويق والاتساق

ويمكن، بمجرد إثبات الحلول المستقلة، تكرارها عبر مواقع متعددة ذات حد أدنى من التكييف، مما يسمح للمنظمات بمقياس أفضل الممارسات بسرعة، علاوة على أن الآلات لا تعاني من الإهتمام أو الإهتمام، بحيث تُوفّر ساعات أداء ثابتة بعد ساعة، وبالنسبة للمرافق المتعددة الجنسيات التي تعمل بمئات النباتات، فإن هذا الاتساق يترجم إلى جودة خدمات يمكن التنبؤ بها.

التحديات والنظر في المسألة

الخصومات الأمنية

فالنظم المستقلة ذاتياً محددة في البرامجيات، مما يستحدث أسطح هجومية جديدة، ويمكن أن يؤدي نجاح شبكة الإنترنت إلى وجود شبكة مستقلة للمساءلة، أو محطة للمياه لإطلاق مياه غير معالجة، أو خط أنابيب للتمزق، ويجب على المدافعين تنفيذ استراتيجيات دفاعية متعمقة، بما في ذلك تقسيم الشبكات، والرصد المستمر، وآليات الأحذية الآمنة، وتعالج الأطر التنظيمية مثل برنامج رصد البيئة في أمريكا الشمالية، وتتطور توجيهات الاتحاد الأوروبي بشأن نظم المعلومات.

التعقيد والتكامل التكنولوجيان

ولم تصمم الهياكل الأساسية للمغالاة من أجل الاستقلال الذاتي، إذ يمكن أن تكون إعادة استخدام أجهزة الاستشعار والمراقبة وشبكات الاتصال في المعدات التي تبلغ من العمر عقوداً صعبة من حيث التكلفة ومن الناحية التقنية، ولا تزال قابلية التشغيل المتبادل بين نظم البائعين تشكل عائقاً؛ ويعتمد العديد من السمات المستقلة على بروتوكولات الملكية التي تجعل التكامل أمراً صعباً.() وتعمل اتحادات الصناعة، مثل مبادرة " المفتوحةFMB " على توحيد نماذج البيانات والاتصالات، ولكن التقدم بطيء.

العقبات التنظيمية والمسؤولية

ومن المسؤول عن اتخاذ نظام مستقل لقرار خاطئ يؤدي إلى الضرر؟ إن الأنظمة الحالية تتطلب في كثير من الأحيان من مشغل بشري أن يكون " في حلقة " . وسيتطلب التحول إلى نموذج مستقل من المنظمين وضع معايير جديدة لاختبار الموثوقية، والتصديق، وتخصيص المسؤولية، مثلا إذا لم تستعيد شبكة التعافي الذاتي السلطة بعد العاصفة، فإن الفائدة قد لا تزال تواجه غرامات بموجب لوائح قائمة على الأداء.

الانتقال والثقة في مجال القوى العاملة

كما أن التشغيل الآلي يزيل الوظائف الروتينية، ولكنه يخلق أيضاً علماء جدد في البيانات، ومشغلين عن بعد، ومشرفين على النظام المستقل، ويجب على المنظمات أن تستثمر في برامج إعادة التأهيل وإدارة التغيير من أجل كسب الموظفين في الشراء، كما يتعين على الجمهور والمنظمين أن يثقوا بأن النظم المستقلة آمنة، ويستلزم بناء الثقة الشفافية، وشرح قرارات التنفيذ، وسجلاً معتمداً في التشغيل.

تكلفة النشر الأولي

وفي حين أن النظم المستقلة توفر الأموال بمرور الوقت، فإن الاستثمار المباشر يمكن أن يكون حاداً، فالأجهزة الاستشعار، والهياكل الأساسية الحاسوبية، والروبوتات، ورخص البرامجيات تتطلب رأس مال يفتقر إليه العديد من البلديات والمرافق الأصغر حجماً، والشراكات بين القطاعين العام والخاص، والمنح الحكومية (مثل قانون الاستثمار في الهياكل الأساسية والعمالة في الولايات المتحدة) بدأت في تمويل مشاريع تجريبية، ولكن الاعتماد الأوسع سيتوقف على خفض تكاليف التكنولوجيا.

ومن المرجح أن يشهد العقد المقبل عدة اتجاهات تعجل باعتماد نظام أساسي مستقل وتشغيل وصيانة.

أولاً، ستصبح نماذج الأنشطة المنفذة تنفيذاً مشتركاً أكثر وضوحاً وقوية، وسيتيح التقدم في مجال الأنشطة المتعلقة بالمعارف الأساسية والتعلم عن تعزيزات النظم أن تُسبب أسباباً وتأثيراً، وليس مجرد ارتباط، مما سيحسن صنع القرار في الحالات الحادة ويزيد من ثقة المشغلين.

ثانيا، سيوفر الاتصال بالشبكة الساتلية العاملة على نطاق الترددات المنخفضة والعالية الترددات اللازمة لتنسيق أعداد كبيرة من أجهزة الاستشعار والروبوت على المناطق الواسعة، وستصبح رقائق الادج آي أكثر قوة، مما سيمكن من إحداث تداخل معقد حتى في المواقع النائية دون إمكانية الوصول إلى السحب.

ثالثا، بدأت صناديق الرمل التنظيمية تظهر حيث يمكن للمرافق اختبار العمليات المستقلة بموجب الإعفاءات المؤقتة، ونظرا لأن هذه الطيارات تثبت سلامة وفعالية، فإن الجهات التنظيمية ستضع أطرا دائمة تيسر التوسع.

رابعاً، إن مفهوم " البنية التحتية للتدفئة الذاتية " سيمتد إلى ما وراء شبكات المياه وشبكات النقل، وعلى سبيل المثال، يمكن للطريق الذكي أن يكتشف ثقباً، ويعيد تلقائياً توجيه حركة المرور، ويرسل آلياً إصلاحياً ليملأه كله دون مشاركة إنسانية.

وأخيرا، يمكننا أن نتوقع زيادة تكامل النظم الأولية المستقلة ذاتيا مع منابر المدن الذكية، ويمكن ضخ البيانات المستمدة من شبكة الطاقة، وشبكة المياه، ونظام المرور من أجل تحقيق الحد الأمثل من الاستهلاك العام للموارد، وتحسين القدرة على التكيف، والحد من انبعاثات الكربون.

خاتمة

إن تشغيل وصيانة النظام الأساسي المستقل ليسا مفهوماً لا جدوى منه، بل يجري نشرهما بالفعل في جيوب في جميع أنحاء العالم، مما يحقق فوائد ملموسة في الموثوقية والتكلفة والسلامة، وقد تجاوزت تكنولوجيات أجهزة الاستشعار، وأجهزة الاستخبارات الآليين، والتوائم الرقمية العتبة من المختبرات إلى الميدان، ومع ذلك لا تزال هناك تحديات كبيرة، لا سيما في مجالات أمن الفضاء الإلكتروني، والتنظيم، والانتقال إلى القوة العاملة، والتكامل مع الأصول القديمة، وسيتطلب التغلب على هذه العقبات التعاون بين مقدمي التكنولوجيا والهياكل الأساسية.

والوعد كبير: الهياكل الأساسية التي يمكن أن تفكر وتتصرف وتتعلم من تلقاء نفسها، وتوفر خدمات أساسية أكثر كفاءة ومرونة، وبما أن القطع التقنية والمؤسسية قد وضعت، فإن النظم الأولية المستقلة ستصبح المعيار وليس الاستثناء، وسوف تكون المنظمات التي تستثمر الآن في بناء القدرات اللازمة للحكم الذاتي في موقع جيد يمكنها من قيادة الحقبة القادمة من إدارة الهياكل الأساسية.

For further reading on intelligence grid advancements, see the U.S. Department of Energy’s Grid Modernization Initiative. To explore the role of edge computing in infrastructure, refer to ] IBM’s Edge Computing resource. For cybersecurity best practices relevant to autonomous infrastructure, consult