توسيع الروبوتات تحت الماء جاهز للتسربات النفطية

بقلم خافيير جيلابيرت • 13 رجب 1439

أسطول المركبات غير المأهولة على سطح السفينة "Clara Campoamor" - 6 AUV؛ 1 USV ، 1 طائرة بدون طيار - في يونيو 2017 في كارتاخينا. (بإذن من الصورة: خافيير جيلابرت)

اثنان AUVs وواحد USV في مواقف وقوف السيارات على استعداد لبدء مهمة. (بإذن من الصورة: خافيير جيلابرت)

تعيين X8 UAV للاقلاع. (بإذن من الصورة: خافيير جيلابرت)

خمسة AUVs جاهزة للنشر. (بإذن من الصورة: خافيير جيلابرت)

نشر USV مع AUV في موقف السيارات. (بإذن من الصورة: خافيير جيلابرت)

X8 UAV تقلع من سطح السفينة. يتم إعداد الشبكة للهبوط. (بإذن من الصورة: خافيير جيلابرت)

"Neptus" مراقبة المركبات على الشاشة لمراقبة القيادة وتنفيذ المهام. (بإذن من الصورة: خافيير جيلابرت)

نشر ريموس 600 للانضمام إلى بقية الأسطول - 5 AUVs و 1 USV - لبدء مهمة تعاونية متعددة المركبات بدون طيار. (بإذن من الصورة: خافيير جيلابرت)

خافيير جيلابرت 1 ، جواو سوسا 2 ، زوران فوكوي 3 ، جورجيوس جورجيو 4 ، لورا دي لا توري 5 ، ديفيد ماكميلر 6 ، مارك اينال 6 ، جهان ارنيتس 8 ، مارتن لودفيغسن 9 ، مارك كاريراس 10 ، غابرييل اوليفر 11 ، ماريا جواو 2 ، انطونيو سيرجيو فيريرا 2 ، دان هايز 4 ، ندير كابيتانوفيتش 3 ، فرانسيسكو López-Castejón1، Milan Marković3، Miguel Massot11، Dula Nad3، Petter Norgren9، João Luís Pereira2، Núria Pujol12، Manuel António Ribeiro2، Carolina Rodríguez1، Paulo Sousa Dias2، Matt Toberman6، Dionisio Tudela1، Jüri Vain8، Emily Venables6.

1Universidad Politécnica de Cartagena (UPCT)، 2University of Porto، Underwater Systems and Technology Laboratory (LSTS)، 3University of Zagreb، Laboratory for Underwater Systems and Technologies (LABUST)، 4University of Cyprus، Oceanography Centre، 5SASEMAR، Spanish Maritime Safety Agency، 6Irish خفر السواحل ، 7 الرابطة الاسكتلندية للعلوم البحرية - SAMS ، 8Tallin University of Thechnology - TUT ، 9 جامعة Girona - UG ، 10 جامعة جزر البليار - UIB ، 11 Notges Teknisk-Naturvitenskatelige Universitet - NTNU، 12Marine Technology Unit CSIC.

إن تتبع انسكاب النفط داخل المياه قبل الوصول إلى السطح باستخدام تقنيات روبوتية جديدة ناشئة هو سد الفجوة بين التقنيات التقليدية الموجودة (النمذجة والأقمار الصناعية) كنظام لدعم القرار بالنسبة لصناع القرار. يمكن أن تأتي أعمدة الزيت تحت الماء من التسربات السفلية أو من البقع السطحية التي تشكل أعمدة تحت السطح كما تم إثباته مؤخرًا. إن الذكاء الموزع لهذه الأجهزة عبر التسرب جنبا إلى جنب مع النمذجة الهيدروديناميكية قادر على بناء صورة دقيقة وديناميكية للغاية للتسرب. ستسمح هذه التقنية الروبوتية المتعددة المتعاونة لنظام دعم القرار الرخيص والمرن والقابل للتوسيع والدقيق والسريع ، مما سيحسن القدرة على الاستجابة لهذه الأحداث.

توسيع الروبوتات تحت الماء الجاهزة للانسكابات النفطية (e-URready4OS) هو مشروع مشترك بتمويل الاتحاد الأوروبي (المديرية العامة - الحماية المدنية الأوروبية وعمليات المساعدة الإنسانية ، DG-ECHO) يهدف إلى توحيد الجهود لإتاحة أسطول من المركبات تحت الماء المستقلة ( AUVs) ، المركبات الجوية بدون طيار (UAVs) والمركبات السطحية غير المأهولة (USVs) مع القدرة التشغيلية للتدخل ضد تسرب النفط باستخدام تكنولوجيات الروبوتية التعاونية multivehicle (http://www.upct.es/urready4os).

يعتبر هذا المشروع امتدادًا طبيعيًا لمشروع URready4OS السابق الذي تم فيه إثبات مفهوم الأسطول التعاوني متعدد الأصناف من الأصول الآلية في اكتشاف ورصد زيت المياه.

يتطلب تحويل هذا المفهوم في أداة تنفيذية تحسين النظام القائم بالفعل ، وتوسيع الأسطول بأصول جديدة ونقل المعرفة إلى المستجيبين للتسرب النفطي. الأهداف الرئيسية والنتائج المتوقعة لهذا المشروع هي:

توسيع أسطول URready4OS الموجود بالفعل (من 5 إلى 12 من الأصول) القادر على اكتشاف النفط في الماء.
توفير التدريب للفرق الجديدة التي تنضم إلى الأسطول عن طريق إجراء التمارين.
تحسين النظام الحالي بتطويرات برمجية جديدة تشتمل على نسخة محددة من Neptus.
زيادة قدرة نموذج MEDSLIK-II المفتوح المصدر المتاح بحرية لتتبع الانسكابات صغيرة النطاق.
نقل المعرفة إلى وكالات السلامة البحرية (MSA) من خلال الدورات النظرية والعملية القصيرة.

وتشكل الشراكة أحد عشر مؤسسة وجامعة و MSAs من ثمانية بلدان في الاتحاد الأوروبي: Universidad Politécnica de Cartagena - UPCT (Coordinator)؛ مركز علوم المحيطات - جامعة قبرص - OC-UC، Universidade do Porto - UP، University of Zagreb - UZ، Sociedad Española de Salvamento y Seguridad Marítima - SASEMAR، Irish Coast Guard - ICG، The Scottish Association for Marine Science - SAMS، Tallin University of Thechnology - TUT، Universitat de Girona - UG، Universitat de les Illes Balears - UIB and the Norwegian University of Science and Technology - NTNU.

نظام e-URready 4OS هو أسطول من أصول متعددة ذات قدرات وخصائص مختلفة تشمل AUVs (المركبات المستقلة تحت الماء) ، USVs (المركبات السطحية غير المأهولة) و الطائرات بدون طيار (المركبات الجوية غير المأهولة) من ستة مصانع مختلفة يتم تنسيقها بواسطة برنامج مفتوح المصدر للتحكم والسيطرة (NEPTUS).

يضم أسطول AUVs ثلاثة LAUVs ، اثنان IVER2 ، اثنان Sparus وواحد Remus 600. يتم تصنيع المركبة الخفيفة ذاتية التحكم تحت الماء (LAUV) من قبل OceanScan MST (شركة spin-off من مختبر نظم وتكنولوجيا تحت الماء - LSTS - جامعة بورتو ، http://www.oceanscan-mst.com/) يستهدف عمليات مبتكرة قائمة بذاتها أو متصلة بالشبكات لإجراء دراسات استقصائية أوقيانوغرافية وهيدروغرافية وأمنية فعالة من حيث التكلفة. استنادًا إلى تصميم معياري ، تم تصميم النظام الأساسي ليكون قويًا وموثوقًا به. و IVER2 AUV هو AV صغيرة محمولة رجل محمولة المصنعة من قبل شركة Ocean Server Technology، Inc (http://www.ocean-server.com/). مع سجل حافل عبر آلاف البعثات ، فهو مثالي للتصوير والاستقصاءات البيئية ، بما في ذلك الأبحاث والتطوير والتطبيقات المعتمدة على تصنيع المعدات الأصلية. يسمح تصميم IVER2 بدمج المستشعرات والقدرات الجديدة. Sparus II AUV هي مركبة تحوم خفيفة الوزن متعددة الأغراض مع منطقة حمولة مهمة خاصة بالبعثة يتم تصنيعها من قبل IQUA (شركة spin-off من جامعة جيرونا ، http://iquarobotics.com/). يمكن تخصيص منطقة الحمولة بواسطة المستخدم النهائي ومع بنية برمجية مفتوحة ، تستند إلى ROS ، من أجل برمجة المهام. شركة Remus هي من إنتاج Hydroid (https://www.km.kongsberg.com/hydroid) ، وهي شركة فرعية مملوكة بالكامل لشركة Kongsberg Maritime الرائدة في تصنيع المركبات المستقلة والمبتكرة المستقلة تحت الماء والروبوتات البحرية لإجراء مسح ورسم الخرائط في أعماق البحار في جميع أنحاء العالم.

المكون السطحي للنظام هو مركبة سطحية غير مأهولة (USV) ، منصة سطحية ذاتية التشغيل (PlaDyPos) مع 4 دفعات. يمكّن هذا التكوين الحركة في المستوى الأفقي تحت أي اتجاه. تم تطوير المنصة في كلية الهندسة الكهربائية والحوسبة بجامعة زغرب ، المختبر لأنظمة وتكنولوجيات المياه (LABUST) لتتبع جهاز توجيه الاتصالات تحت الماء بين السطح والمساعدات البحرية تحت الماء.

مكونات الهواء هي نوعان من مركبات SKYWALKER X8 (مكونات منخفضة التكلفة بدون إيقاف تشغيل) غير مهيأة ، ويتم تعديلها في LSTS ، مما يسمح بمهام مراقبة سريعة الانتشار. إنها مركبة لا تنتظر اليد مثالية لسيناريوهات الاستطلاع على ارتفاعات منخفضة مع تغذية الفيديو الحية المستخدمة هنا كترحيل للإتصالات عند وصولها خارج النطاق.

يمكن إضافة أي أصول مفتوحة جديدة إلى الأسطول فقط لضبط الاتصالات والتكامل في برنامج Command and Control Neptus. Neptus هي البنية التحتية الموزعة للسيطرة والتحكم لتشغيل جميع أنواع المركبات غير المأهولة المطورة في LSTS (جامعة بورتو ، https://lsts.fe.up.pt/toolchain/neptus). وهو يدعم المراحل المختلفة لدورة حياة البعثة النموذجية: التخطيط ، والمحاكاة ، والتنفيذ ، والتحليل اللاحق للبعثات ، ويمكن تكييفه من قبل المشغلين ليتناسب مع المتطلبات الخاصة بالبعثات ويوسعها المطورين من خلال إطار شامل للمكونات الإضافية.

بعد نشر المركبات في الماء ، تجري سلسلة من التفاعلات بين الوكلاء والمشغلين. يتم نقل مواقف السيارات والمعلومات المسجلة من قبل AUVs ، إما عن طريق الجو أو تحت الماء للمشغلين. يمكن لـ AUVs نقل هذه المعلومات مباشرة إلى السفينة (أو محطة القاعدة الأرضية) تحت الماء عبر المودم الصوتي. يمكنهم أيضا نقل البيانات إلى USV تحت الماء من قبل النظام نفسه. يرسل USV بعد ذلك المعلومات عن طريق الجو ، عبر Wi-Fi ، إما إلى السفينة ، إذا كان في نطاق Wi-Fi ، أو إلى الطائرة بدون طيار. يمكن للطائرة بدون طيار الاتصال بالإشارة الجوية USV عن طريق الارتفاعات المنخفضة التي تحلق فوق المركبة السطحية. ومع ذلك ، يمكن لـ AUVs أيضًا تخزين المعلومات التي سيتم نقلها عن طريق الجو - عبر Wi-Fi - إما إلى USV أو الطائرة بدون طيار أو السفينة (إذا كانت داخل النطاق) عندما تكون على السطح. توفر الأنواع المختلفة من الاتصالات ونطاقات المسافات مرونة فائقة في تصميم العمليات.

تم تنفيذ ثلاثة تمارين تدريبية. الأولى في عام 2014 في سبليت ، بدعم من البحرية الكرواتية مع ثلاثة AUV ، واحد USV واثنين من الطائرات بدون طيار تعمل تحت نظام الاتصالات نفسه. تم تنفيذ التمرين الثاني على متن سفينة SASEMAR (الوكالة الإسبانية للسلامة البحرية) "Clara Campoamor" ، قاطرات بحرية متعددة الأغراض على المحيط ، وطولها 80 مترا ، قبالة كارتاخينا (SE إسبانيا) في البحر الأبيض المتوسط في عام 2015. وضع نفس الفريق إلى ممارسة استراتيجيات مختلفة لتحديد ورصد تسرب روثامينا WT أقل من 15 مترا. في عام 2017 ، جرت المناورة الثالثة على متن نفس المركب والموقع بثلاث قناتين جديدتين. تم تصميم كل بعثة من ستة طيارين (صناعات مختلفة) ، و USV (PlaDyPos) وواحدة من طرازات الطائرات بدون طيار (X8) من قبل قائد الطيار وتحميلها إلى المركبات. تم تصميم العديد من المهام لتحديد موقع وتوصيف ومراقبة اتجاهه وحجمه وحجمه.

ولتحديد اتجاه الانسكاب من أصل معروف ، تم استخدام نموذج نموذج شفرة MEDSLIK-II المفتوح المصدر المتاح بحرية (http://medslikii.bo.ingv.it/). داخل المحيط الذي تتبعه النموذج ، نفذ كل من AUV مهام منسقة في دوائر متحدة المركز على أعماق مختلفة وبالتالي اعتراض التسرب في اتجاه الإزاحة. وبمجرد التعرف على أصل التسرب يتم تتبع خط وهمي على طول العمود ويتم برمجة AUVs بشكل عمودي عبر هذا الخط في متقاطعات متساوية البعد. وأخيراً ، تم تنفيذ المهام في خطوط مستقيمة تتقاطع قطرياً مع عمود من زوايا مختلفة. مكنت مستشعرات الفلورومترية من قياس القياسات ، في حين أن القطع المائلة توفر خريطة امتداد الامتداد.

تم تطوير وتوصيل مكونات إضافية جديدة لبرنامج القيادة والتحكم NEPTUS في كل مركبة مما يسمح بدمج أفضل للأسطول. NEPTUS قادرة على تصميم مهمة لأي من الشركات المصنعة للمركبات ، وتظهر مساراتها والبيانات المسجلة في الوقت الحقيقي وكذلك تصور خرائط مسارات النفط التي تنبأت بها النماذج العددية. ومن ناحية أخرى ، فإن تنسيق الأسطول الموسع الذي يعمل في وقت واحد مع 6 سفن AUV و 1 USV و 1 AUV وساعتين مساعدتين أعطى نتائج مرضية. وبدأ تبادل المعلومات بين NEPTUS والجسر خلال هذا التمرين.

ومن المخطط التمرين التالي لعام 2018 على متن سفينة سلتيك فويجر التي ينظمها حرس السواحل الايرلندية.

من أجل نشر ونقل المعرفة المكتسبة خلال هذا المشروع ، تم تصميم دورة قصيرة على تتبع انسكاب النفط مع عوامل مستقلة (AUVs ، الطائرات بدون طيار ، USVs) وتم تصميم تكاملها مع التقنيات الموجودة الأخرى. أعطيت النسخة الأولى من هذه الدورة إلى الموظفين التقنيين للحماية المدنية في قبرص. المواد التي تم تطويرها للدورات التدريبية ، والتي سيتم تحسينها خلال الأحداث اللاحقة ، هي التوفر من خلال موقع المشروع. سوف تسمح هذه الدورة للمستخدمين النهائيين بفهم كيفية ومتى وأين نشر أسطول من AUVs والقدرات التشغيلية والقيود. إلى جانب الورقة البيضاء الخاصة بالمشروع ، ستشمل المبادئ التوجيهية والبروتوكولات والروتين لكل من الاتصالات بين المركبات ومحطة الأرض / السفينة بالإضافة إلى الإجراءات والمتطلبات اللازمة للانضمام إلى الأسطول لأي من سيارات الطرف الثالث المتاحة. وتركز الوثيقة التي تم إنتاجها على القضايا العملية بدلاً من النظرية ، بحيث يمكن استخدامها للمستخدمين النهائيين لتحديد متى وكيف يجب عليهم استخدام هذه التقنيات ، وكيفية تنزيل البرنامج وتثبيته ، وكيفية إعداد مركبات جديدة للانضمام إلى الأسطول ، هي متطلبات الاتصالات الجوية والبرنية على حد سواء ، وبروتوكولات الاتصالات المستخدمة ، إلخ.

إن تكامل الفرق الجديدة يمثل تحديًا كبيرًا من الناحية التكنولوجية والإنسانية. يهدف هذا المشروع إلى تسهيل وصول المستجيبين للتسرب النفطي إلى نظام لامركزي ، مرن ، قابل للتوسع ، سهل النقل ، منخفض التكلفة ، ونظام مفتوح. يعتمد مشروعنا على فكرة أنه كلما زاد عدد العاملين المدربين ، كلما كان النظام أكثر كفاءة ومتاحة ومفيدًا ورخيصًا.

المؤلف

الدكتور Javier Gilabert هو أستاذ في قسم الهندسة الكيميائية والبيئية - الجامعة التقنية في قرطاجنة (UPCT) - أسبانيا و PI لمشروع انسكاب الماء تحت الماء الجاهز للتسرب النفطي.

(كما نشرت في الطبعة MArch 2018 من مراسل تكنولوجيا البحرية )

أخبار المركبات, البحرية, الطاقة البحرية, المركبات غير المأهولة, إنقاذ, بيئي, تقنية الاقسام