مستقبل نظم لووب مغلقة كاملة

إعادة تحديد الاستقلال الذاتي: الجيل القادم من نظم التشغيل الآلي المغلقة الكاملة

إن مفهوم الآلة التي يمكن أن تُحسّ، وتقرّر، وتتصرف بدون رقابة إنسانية، هو المقدّس للهندسة، حيث أن النظم الآلية الكاملة التي تعمل بنظام مغلق - ذاتي التنظيم، والتي تستخدم التغذية المرتدة في الوقت الحقيقي للحفاظ على نماذج مختبرية، لا تكتفي بتشكيلها، بل إنها تدير الآن كل شيء من بناء المناخ والآلات الجراحية إلى العمليات الكيميائية المعقدة وأساطيل المركبات المستقلة.

Understanding the closed-Loop Control Paradigm

وفي جوهره، فإن نظام مغلق آلي بالكامل هو هيكل للمراقبة يقيس باستمرار متغير العمليات ويقارنه بنقطة محددة مستهدفة، ويضبط تلقائياً ملجأ لتقليل الفرق إلى أدنى حد، وتكرر دورة التغذية العكسية هذه إلى أجل غير مسمى، مما يتيح للنظام الحفاظ على الاستقرار حتى عندما تحدث الاضطرابات، وخلافاً لنظم فتحات مفتوحة تتبع تسلسلاً مبرمجاً مسبقاً دون استشعار النتيجة، تتكيف نظم مغلقة في الوقت الحقيقي.

وتشمل العناصر الأساسية ما يلي:

• Sensors that capture data such as temperature, pressure, position, or chemical concentration.
• المراقبون (عادة المجهزون الرقميون الذين يديرون الخوارزميات) الذين يحسبون الإجراء التصحيحي القائم على الخطأ.
• ] Actuators that physically adjust the system-like motors, valves, or heaters- to bring the process back toward the setpoint.

ويمكن أن يتراوح مستوى التشغيل الآلي بين متحكمين مختصين بالتكامل التناسبي وبين متحكمين متقدمين في النموذج، يحفزون الولايات المقبلة ويتخذون الإجراءات على النحو الأمثل، وفي نظام مغلق آلي تماما، يقتصر دور الإنسان على وضع أهداف رفيعة المستوى أو توفير الإشراف من حين لآخر، في حين يعالج النظام جميع التعديلات الروتينية والاستجابات للاضطرابات، وتشمل الأمثلة النموذجية:

• Automated insulin delivery systems] that continuously monitor glucose and manage insulin without patient intervention.
• Smart grid microcontrollers] that balance electricity supply and demand across distributed energy resources.
• Autonomous underwater vehicles] that maintain depth and heading using pusher adjustments based on inertial sensors.
• Industrial Robstrialroid] that adjust their grip force and path in real time based on visual and tactile feedback.

سائقو التكنولوجيا الحاليون

وتدين النظم الحديثة المغلقة بقدراتها الموسعة على تحقيق إنجازات في عدة ميادين مترابطة، وهذه التكنولوجيات تمكن النظم من معالجة التعقيد والحد من الرطوبة والتعلم من الخبرة.

الاستخبارات الفنية والتعلم الآتي

وقد تجاوز التعلم من الآلات مجرد الاعتراف بالنمط ليصبح عنصرا مباشرا في حلقات التحكم، ويتيح التعلُّم من جديد، على وجه الخصوص، للمراقبين اكتشاف السياسات المثلى من خلال التجارب والخطأ في البيئات المحاكاة، وعلى سبيل المثال، فإن التعلُّم في مجال التعزيزات في إطار نظام غوغل من أجل خفض استهلاك الطاقة في مراكز بياناتها بنسبة تصل إلى 40 في المائة، وتعديل أنماط التبريد والتهوية في الوقت الحقيقي استنادا إلى نماذج التنبؤ بالدم.

شبكة الإنترنت للأشياء (IoT) وحساب إدج

وقد غمرت موجة إيوت نظم التحكم ببيانات من آلاف أجهزة الاستشعار. فعمليات الحوسبة هذه البيانات محليا، مما قلل من وقت المرحلتين إلى خادم غيوم من ثوان إلى ثانية، وهذا أمر حاسم بالنسبة لتطبيقات ذات فتحات مغلقة يمكن أن يتسبب فيها التأخير في عدم الاستقرار، على سبيل المثال، في طائرات بدون طيار ذاتية لا بد أن تكون لها صدى سحابية أو عقبات في حدود عشرات من الثانية.

المركبات المستقلة ذاتياً كنظم مغلقة

(ب) إن السيارات ذاتية الدفع ربما هي أكثر التطبيقات احتياجاً للسيطرة على الأحواض المغلقة في أسواق المستهلكين، وتنظر المركبة إلى بيئتها من خلال جناح استشعار (الكارا، ورادار، وفوق الصوت)، وتضع هذه البيانات في نموذج من نماذج العالم، ثم تُعدّد الزوايا التوجيهية، وتسرعها، وقيادات التفاخر بمعدلات تتجاوز 100 هرتز.

الصناعة ٤,٠ وصناعة الذرة

وفي مجال التصنيع، تتيح نظم الغلق عمليات التكيف التي لا تصلح للارتداء، والتغيرات المادية، والتغيرات البيئية، مثلاً، يمكن لجهاز CNC مجهز بمجسات صوتية أن يكشف عن الدردشة ويخفض تلقائياً معدل التغذية أو السرعة العمودية للحفاظ على نوعية سطح الأرض.() وهذه الصيغ الرقمية - الافتراضية التي تعكس الأصول المادية في الواقع - المصنِّعة المنخفضة زمنياً - لاستراتيجيات مراقبة الاختبار قبل أن تُثبت طابقين.

التغلب على التحديات الخطيرة

Despite rapid progress, deploying fully automated closed-loop systems at scale introduces risks that must be carefully managed.

الخصومات الأمنية

ويمكن أن تؤدي نظم السحب المغلقة التي تتحكم في العمليات المادية إلى أهداف جذابة للمحتضنين، كما يمكن أن يؤدي النجاح في استخدام شبكة الإنترنت في مضخة إنسولين إلى تغيير الجرعات إلى مستويات خطرة؛ وقد يؤدي الهجوم على جهاز التحكم في شبكات الطاقة إلى انقطاع الكهرباء، ويجب أن يُدرج الأمن من طبقة المعدات إلى أعلى.() وتشمل أفضل الممارسات استخدام الاتصالات المشفرة بين أجهزة الاستشعار ومراقبي الضبط، وتنفيذ نظام متعدد العناصر في تحديث البرامجيات ونشرها

الموثوقية والتصميم على السلامة

وفي التطبيقات الحساسة من حيث السلامة، يمكن أن تترتب على الفشل الوحيد في حلقة المراقبة عواقب كارثية، إذ أن إعادة التوحيد هي أجهزة استشعار أساسية متعددة الأطراف تقيس نفس المتغير، والمكتظات الزائدة، ومراقبين احتياطيين يمكن أن يتحكموا في هذه المشكلة بحراً، كما أن التصميم المتسامح يشمل أيضاً تدهوراً سميناً: إذا لم يفشل جهاز الاستشعار، ينبغي للنظام أن يدخل في وضع نموذجي آمن أو يعتمد على معايير نموذجية)٢(.

الثغرات الأخلاقية والتنظيمية

وعندما يتخذ نظام مغلق قراراً يضر بشخص ما، هو المسؤول؟ الصانع؟ ومطور البرمجيات؟ وكثيراً ما تكون أطر المسؤولية الحالية غير واضحة، لا سيما بالنسبة للنظم التي تحركها منظمة العفو الدولية والتي تتعلم وتكيف بعد النشر، كما أن الهيئات التنظيمية مثل هيئة تنمية الحوافظ الصحية الوطنية، واللجنة الأوروبية تضع مبادئ توجيهية، ولكن سرعة تطبيق قواعد الابتكار قد تكون أقل وضوحاً، وتشمل الشواغل الأخلاقية أيضاً التحيز الطبي الناقد.

معالجة الـ "أونفورين"

ولا يمكن تدريب أو اختبار أي نظام مغلق على كل سيناريو ممكن، وقد تواجه مركبة مستقلة تشكيلة جديدة من الطرق؛ وقد يواجه متحكم العمليات رد فعل كيميائي غير متوقع، ويستكشف الباحثون أيضاً تقنيات مثل شبكات النزعة السخية لوضع سيناريوهات اختبارية صعبة، وتعلم إلكتروني يسمح للنظام بالتكيف على الرحل، وطرق القدرة على التنبؤ بالإنسان في المواقع التي يمكن فيها لمشغل البرمجيات عن بعد أن يتدخل.

الطريق: الاتجاهات الناشئة

وفي المستقبل، ستحدد عدة تطورات الجيل القادم من نظم مغلقة آلية تماما.

التوائم الرقمية من أجل الاستمرار في الاحترار

ويتطور التوأم الرقمي من أدوات التصميم إلى مرافق غير متفرغة، ويمكن لنظام مغلق أن يقارن قراءته في الوقت الحقيقي على تنبؤات التوأم وشذوذ العلم فوراً، ويمكن مع مرور الوقت تحديث التوأم مع البيانات المستمدة من النظام المادي، مما يتيح إمكانية فرز سلاسل الرؤوس الاصطناعية التنبؤية، مثلاً، قبل أن يُحدث التقلبات في التصفيق المستمر.

التعليم الموحد لتحسين الحفاظ على الخصوصية

وفي قطاعات مثل الرعاية الصحية والمالية، تمنع أنظمة خصوصية البيانات من إضفاء الطابع المركزي على المعلومات الحساسة، ويتيح التعليم الموحد وجود نظم متعددة مغلقة - يُقال، ويُضخ الأنسولين من مختلف المستشفيات - إلى التدريب التعاوني لنموذج مراقبة مشترك دون تبادل بيانات المرضى الخام، ويقارن كل جهاز آخر المستجدات المحلية ويرسل فقط الخواديم النموذجية إلى خادوم مركزي، ويحسن النموذج المجمّع أداء جميع المشاركين في الوقت الذي يُحدّد فيه من المخاطرة.

التكامل عبر الحدود والبروتوكولات الموحدة

وكثيرا ما تعمل نظم التشغيل المغلقة اليوم في هدوء، وسيشهد المستقبل تكاملا أشد صرامة عبر المجالات: يمكن لنظام HVAC الذكي أن ينسق مع جهاز التحكم في ترددات شبكة الكهرباء المحلية للحد من ذروة الشحن؛ ويمكن لآليات التوصيل المستقلة أن تسلم الطرود إلى المستودعات بدون طيار من خلال منصة مشتركة للتفتيش، ويتطلب تحقيق ذلك بروتوكولات اتصال موحدة (مثل نماذج MQTT Sparkplug أو منظمة حظر الأسلحة الكيميائية).

فريق التوثيق البشري

فبدلا من الاستعاضة عن البشر كليا، فإن العديد من التطبيقات ذات الاتساع الكبير ستعتمد نموذجا تعاونيا، ويعالج نظام التشغيل المغلقة العمليات الروتينية ويحذر المشغل البشري عندما يواجه حالة خارج عتبة الثقة، ويمكن للإنسان أن يتولى عندئذ مسؤولية أو يقدم التوجيه، ويمكن للنظام أن يتعلم من أعمال الإنسان، ويجري اختبار هذا النموذج في مراقبة الحركة الجوية، والآلات الميكانيكية، ومراكز القيادة العسكرية.

الرماية المجتمعية

ونظرا لأن هذه النظم أصبحت جزءا لا يتجزأ من الهياكل الأساسية والرعاية الصحية والنقل، فإن المجتمع سيحتاج إلى التكيف بأبعاد متعددة.

قوة العمل

وسينقص التلقائية بعض الأدوار - ولا سيما تلك التي تنطوي على رصد متكرر أو تعديلات يدوية - ولكنها ستخلق طلبا على المهارات الجديدة: مهندسو النظم، وعلماء البيانات، ومحللو الأمن السيبراني، وأخلاقيات منظمة العفو الدولية، كما أن برامج المهارات والشراكات بين الصناعة والمؤسسات التعليمية أساسية لإعداد العمال، وينبغي للحكومات أيضا أن تنظر في شبكات الأمان الاجتماعي والسياسات التي تدعم الانتقال العادل للمجتمعات المحلية المتضررة.

الأطر التنظيمية للمراقبة المستقلة

ولا يزال التثبت من نظم المراقبة القائمة على أساس التنفيذ يمثل ثغرة، إذ يتعين على الهيئات التنظيمية أن تحدد متطلبات واضحة للسلامة والأمن والعدالة، ويشمل ذلك عمليات الموافقة المسبقة عن طريق السوق، والمراقبة بعد السوق، وقواعد المسؤولية، وسيكون من المهم تحقيق المواءمة الدولية لتجنب وضع مجموعة من المعايير المتضاربة التي تعوق الانتشار العالمي، كما أن نهج الهيئة إزاء الأجهزة الطبية التي يمكن استخدامها في مجال مكافحة غسل الأموال، وقانون الاتحاد الأوروبي بشأن التنفيذ، هو نهج ضروري في وقت مبكر، ولكن أكثر من ذلك.

بناء الثقة العامة من خلال الشفافية

ولكي يقبل الجمهور النظم الآلية بالكامل، يجب أن يثق في أن هذه النظم آمنة وموثوق بها، وينبغي للشركات والجهات التنظيمية أن تكون شفافة بشأن كيفية اتخاذ القرارات، وما هي البيانات التي يتم جمعها، وكيف يتم التعامل مع أوجه الفشل، كما أن حملات التثقيف العام التي توضح فوائد وقيود تكنولوجيا الاتصال المغلقة يمكن أن تعزز الخطاب المستنير، كما أن عمليات المراجعة المستقلة وآليات الإبلاغ عن الحوادث ستساعد على بناء الثقة على مر الزمن.

إن النظم الآلية الكاملة للغلق الآلي تتحرك بسرعة من التطبيقات المتخصصة إلى القاعدة الرئيسية، مدفوعاً بتقدم أجهزة الاستشعار، وأجهزة الاستعلام، والربط، وبينما لا تزال التحديات في مجالات الأمن والموثوقية والأخلاقيات والتنظيم ذات أهمية، فإن إمكانية تحقيق كفاءة أكبر، وتحسين السلامة، وتحسين نوعية الحياة الهائلة، وبتصدي هذه التحديات، وتعزيز التعاون بين الصناعات والحكومات، يمكننا أن نشكل مستقبلاً تعمل فيه نظم الرقابة المستقلة إدارة آمنة.