By: Dr. Amin Abd Elraheem (Ph.D., Training Manager)
في السنوات الأخيرة، أحدث انتشار الطائرات بدون طيار تحولاً جذرياً في مجموعة واسعة من الصناعات بفضل قدراتها في مجالات الفحص والمراقبة. ومن بين التطبيقات التحويلية والواعدة مجال مراقبة البيئة. من بين التحديات البيئية المتنوعة، يُعد تلوث الهواء أحد أكثرها إلحاحاً، لما له من آثار وخيمة على صحة الإنسان والنظم البيئية والمناخ العالمي. وفي حين تعجز الطرق التقليدية لمراقبة الهواء، مثل أجهزة الاستشعار الأرضية ومحطات جودة الهواء الثابتة، عن توفير بيانات شاملة وآنية عبر مناطق شاسعة، برزت أنظمة الطائرات بدون طيار كأدوات فعّالة للكشف عن تلوث الهواء وتحليله. وبفضل تزويدها بمجموعة من أجهزة الاستشعار، بما في ذلك أجهزة الاستشعار الكهروكيميائية، وأجهزة استشعار الجسيمات الدقيقة، وأجهزة الكشف عن الغازات المتعددة، تُمكّن الطائرات بدون طيار العلماء والحكومات والمنظمات من مراقبة تلوث الهواء بمرونة ودقة وكفاءة غير مسبوقة.
يستكشف هذا المقال التطبيقات المختلفة للطائرات بدون طيار للكشف عن تلوث الهواء، ويُقدّم المستشعرات والتقنيات المستخدمة، مُركّزًا على أحدث التقنيات والحلول لأجهزة الكشف عن الغازات المتعددة. كما يُسلّط الضوء على الفوائد المُرتبطة باستخدام الطائرات بدون طيار في المراقبة البيئية.
تُوفّر الأنظمة القائمة على الطائرات بدون طيار طريقة سريعة ومرنة وفعّالة من حيث التكلفة لمراقبة تلوث الهواء في المناطق الشاسعة أو التي يصعب الوصول إليها. فهي مُزوّدة بأجهزة استشعار مُتقدّمة، وتُمكّنها من قياس الملوثات الرئيسية مثل PM (الجسيمات العالقة)، وثاني أكسيد النيتروجين (NO₂)، والمركبات العضوية المتطايرة (VOCs)، والميثان (CH₄)، وغيرها، على ارتفاعات ومواقع مُتعدّدة.
تُتيح هذه الأنظمة:
من خلال توفير بيانات عالية الدقة ومُحدَّدة جغرافيًا، تُمكِّن الطائرات بدون طيار الوكالات البيئية والباحثين وفرق الاستجابة الأولية من العمل بشكل أسرع وأذكى وأكثر أمانًا.
تُزوَّد الطائرات بدون طيار المُستخدمة في مراقبة تلوث الهواء بمجموعة متنوعة من أجهزة الاستشعار المُصمَّمة للكشف عن ملوثات مُحدَّدة. يوضح الجدول التالي بعض أجهزة الاستشعار الشائعة وخصائصها:
| سرعة الاستجابة | أفضل حالات الاستخدام | التقنية | الغازات/الملوثات القابلة للكشف | نوع المستشعر |
| سريعة (≤30 ثانية) | المراقبة في المواقع الحضرية، المواقع الصناعية | تفاعل كيميائي خاص بالغاز | CO، NO₂، SO₂، O₃، H₂S، Cl₂ | المستشعرات الكهروكيميائية |
| سريعة (~1–10 ثوانٍ) | مراقبة الميثان/ثاني أكسيد الكربون، مواقع النفايات | امتصاص الأشعة تحت الحمراء | CO₂، CH₄، بعض VOCs | مستشعرات NDIR |
| سريعة جدًا (<1 ثانية) | تفتيش الأنابيب، كشف تسربات النفط والغاز | امتصاص ليزر ديود قابل للضبط | CH₄، CO₂، NH₃ | TDLAS (تعتمد على الليزر) |
| سريعة جدًا (1–2 ثانية) | مراقبة المركبات العضوية في الصناعة، مناطق المواد الخطرة | التأين باستخدام الأشعة فوق البنفسجية | المركبات العضوية المتطايرة (مثل البنزين، التولوين) | PID (كاشف التأين الضوئي) |
| متوسطة (5–10 ثوانٍ) | جودة الهواء في المدن، دخان الحرائق، مصادر الغبار | تشتت الليزر | PM1.0، PM2.5، PM10 | مستشعرات الجسيمات البصرية (PM) |
| شبه فوري | كشف التسربات (نقاط ساخنة/باردة)، سلامة المصافي | التصوير الحراري بالأشعة تحت الحمراء | تسربات غاز غير مباشرة (أعمدة حرارية) | الكاميرات الحرارية |
| بطيئة (~10–60 ثانية) | الدراسات العلمية، المراقبة التنظيمية | التحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء | CO، NOx، SO₂، NH₃، VOCs (خليط معقد) | أنظمة FTIR |
| سريعة (لحظية) | مسوحات شاملة، الاستجابة للطوارئ | مزيج من الكهروكيميائية، NDIR، PM | CO، CO₂، NOx، SO₂، O₃، VOCs، H₂S، CH₄، Cl₂، PM | أنظمة متعددة الغازات |
كما هو موضح في الجدول السابق، تُعد أنظمة الكشف متعددة الغازات، المعتمدة على الطائرات بدون طيار، الأكثر تنوعًا وعملية. ومن بين هذه الأنظمة نظام Sniffer4D من Soarability، وهو حل متطور للكشف عن تلوث الهواء، يرتقي بمراقبة البيئة باستخدام الطائرات بدون طيار إلى مستوى جديد. يجمع هذا النظام بين أجهزة استشعار عالية الدقة، ومعالجة البيانات في الوقت الفعلي، وتحليلات متقدمة، لتوفير رؤية شاملة ومتعددة الأبعاد لجودة الهواء في بيئات متنوعة.
يجمع نظام Sniffer4D البيئي بين وحدة الكشف متعددة الغازات، التي تتكامل مع الطائرة بدون طيار، وبرنامج Sniffer4D Mapper، مما يساعد على تحليل التوزيع المكاني للجسيمات وملوثات الهواء، وتحديد مصادر تلوث الهواء وانتقاله.
يتمكن هذا النظام من قياس وتصوير توزيعات تركيز الغاز ثلاثية الأبعاد في الوقت الفعلي. من خلال توفير معلومات آنية وقابلة للتنفيذ، يُساعد Sniffer4D فرق الاستجابة الأولية، وقطاع النفط والغاز، والهيئات البيئية، والباحثين على تحسين كفاءة العمل، وتخفيف المخاطر، وخفض التكاليف.
يُمكّن Sniffer4D من الحصول على ما يصل إلى 9 توزيعات لتركيز الغاز في آن واحد. يُمكن للمستخدمين اختيار أو تعديل إعدادات المستشعرات بمرونة لتناسب تطبيقاتهم وميزانياتهم. أمثلة:
علاوة على ذلك، يمكن تحديد موقع كل غاز مُكتشف جغرافيًا على حدة، كما يمكن للمشغلين الحصول على بيانات درجة الحرارة والرطوبة لكل قسم من مجموعة البيانات.
أبرز خصائص نماذج Sniffer4D:
توفر نماذج Sniffer4D هذه مجموعة مرنة وقابلة للتطوير من الأدوات لمراقبة الغاز بدقة عالية وفي الوقت الفعلي لتلبية مختلف الاحتياجات التشغيلية، سواءً كانت مثبتة على طائرات بدون طيار أو مركبات أرضية أو محمولة يدويًا.
يلعب Sniffer4D دورًا متزايد الأهمية في إحداث ثورة في طريقة مراقبة تلوث الهواء، سواءً في المناطق الحضرية أو النائية. يسلط القسم التالي الضوء على قدرات Sniffer4D وتطبيقاته النموذجية، بالإضافة إلى حالات المستخدمين، ويوضح كيف يُعزز إمكانات الطائرات بدون طيار للكشف الشامل عن تلوث الهواء.
المراقبة البيئية المحلية الدقيقة المراقبة البيئية المحلية الدقيقة هي ممارسة مراقبة وتقييم الظروف البيئية عن كثب ضمن منطقة جغرافية صغيرة جدًا، مثل حي أو شارع. يوفر هذا النهج معلومات مفصلة وآنية حول مصادر تلوث محددة، وتأثيرات المناخ المحلية، وفعالية مبادرات الاستدامة على مستوى تفصيلي. يمكن نشر Sniffer4D على طائرات بدون طيار، ومسح المنطقة بسرعة للحصول على توزيع تلوث الهواء المحلي للغاية بشكل ثنائي أو ثلاثي الأبعاد. تُعد هذه البيانات بالغة الأهمية لتتبع آثار مصادر التلوث المحلية، مثل: انبعاثات المركبات وعوادم المصانع.
من خلال إجراء رحلات جوية منتظمة، يمكن للحكومات المحلية والباحثين ومخططي المدن جمع بيانات آنية لإنشاء خريطة مفصلة لمناطق التلوث الساخنة. يتيح ذلك تنفيذ تدخلات محددة، مثل تعديل تدفق حركة المرور، ونقل العمليات الصناعية، أو فرض لوائح انبعاثات أكثر صرامة. كما يوفر رؤىً حول التوزيع المكاني لملوثات الهواء، مما يساعد مسؤولي الصحة العامة على فهم كيفية تأثر مناطق محددة بالتلوث.
حالة مستخدم: كشف التلوث باستخدام طائرات بدون طيار
اشتكى سكان منطقة كثيفة السكان بالقرب من مجمع صناعي من شمهم روائح تُشبه رائحة البيض الفاسد وغاز الأمونيا، آملين أن تُعالج السلطات المحلية هذه المشكلة.
لمعالجة هذه المشكلة، استخدم فريق التفتيش طائرة بدون طيار حرارية مُركبة: وهي في هذه الحالة طائرة بدون طيار من طراز DJI M300 RTK، مُجهزة بجهاز Zenmuse H20T، بالإضافة إلى جهاز Sniffer4D V2، بالإضافة إلى تطبيقي DJI Terra وSniffer4D Mapper، وذلك لمسح انبعاثات التلوث فوق المجمع الصناعي بسرعة، والبحث عن فتحات التهوية المشبوهة من خلال الصور الحرارية بالأشعة تحت الحمراء.
ركز التحقيق على المناطق السكنية والمدارس الواقعة على بُعد 5 كيلومترات من المجمع الصناعي ومنطقته المُواجهة للريح. نقلت Sniffer4D تركيزات الجسيمات الدقيقة (PM2.5)، وPM10، وNO2، وSO2 إلى سطح الأرض، وكشفت عن ارتفاعها الشديد.
حلقت الوحدة فوق مبنى يتصاعد منه الدخان، وحددت بسرعة العديد من ملوثات الهواء، موفرةً رؤى آنية. لم تكتفِ الوحدة بكشف الغازات المختلفة، بل كشفت أيضًا عن مواقعها وتركيزها واتجاه انتشارها.
خلال التجربة، اكتشفت الوحدة العديد من الغازات/المواد، مثل ثاني أكسيد النيتروجين (NO2)، وأول أكسيد الكربون (CO)، والجسيمات PM2.5. يوضح الرسم البياني أدناه الشبكة ثنائية الأبعاد لأربعة من المواد المكتشفة، ويوضح كيف يمكن للمشغلين التبديل بينها للحصول على رؤى مهمة.
لاحظ كيف ينعكس تركيز كل مادة بقيم رقمية وألوان مختلفة. كما يمكن للمشغلين الحصول على مزيد من المعلومات بفضل إمكانية عرض النتائج كخطوط ثنائية الأبعاد أو خرائط ثلاثية الأبعاد.
٣. كشف التسربات
يُعد تحديد تسربات الغازات الخطرة أو الملوثات الأخرى أمرًا بالغ الأهمية للحد من الأضرار البيئية، وضمان السلامة العامة، والحفاظ على الامتثال للوائح التنظيمية. يتفوق نظام Sniffer4D في كشف التسربات من خلال توفيره حل مراقبة متنقلًا وفوريًا، يُمكّنه من تحديد المصدر الدقيق للانبعاثات بسرعة في المواقع التي يصعب الوصول إليها. يُعد هذا مفيدًا بشكل خاص في الصناعات التي قد تؤدي فيها حتى التسربات الصغيرة إلى عواقب وخيمة، مثل صناعة النفط والغاز.
عند دمجه مع الطائرات بدون طيار، يُمكن تحليق نظام Sniffer4D فوق خطوط الأنابيب، وخزانات التخزين، ومصافي الغاز، أو أي بنية تحتية أخرى معرضة لتسربات الغاز. يستطيع النظام اكتشاف مجموعة واسعة من الغازات مثل CH₄ وCO₂ وSO₂ والمركبات العضوية المتطايرة.
حالة مستخدم: Sniffer4D لفحص خطوط الأنابيب
في حالة هذا المستخدم، سلمت Soarability نظام Sniffer4D للكشف عن الغازات، مُثبت على طائرة بدون طيار، إلى إحدى مؤسسات مراقبة الجودة. صُمم النظام لفحص خطوط أنابيب النفط والغاز.
تُظهر الخريطة المُولدة ثلاث مناطق يكون فيها تركيز المركبات العضوية المتطايرة أعلى بكثير من تركيزها في الخلفية، مما يُشير إلى أن Sniffer4D يكتشف بسرعة ثلاث مناطق رئيسية، ويُعزز كفاءة الفحص.
أظهر استخدام نظام Sniffer4D للكشف عن الغازات، المُثبت على طائرة بدون طيار، في عمليات فحص خطوط الأنابيب مزايا عديدة تُقارن بالطرق اليدوية التقليدية، بما في ذلك المرونة، وقصر وقت التحضير، وجمع البيانات ونقلها في الوقت الفعلي، وإعداد التقارير المُحسّنة والآلية.
انبعاثات السفن ومراقبة محتوى الكبريت في الوقود (FSC)
يُعد الشحن البحري أحد أكبر العوامل المساهمة في تلوث الهواء، حيث تُطلق السفن كميات كبيرة من الملوثات مثل أكاسيد الكبريت (SOx) وغيرها. لمكافحة هذه الانبعاثات، وُضعت لوائح دولية، مثل “سقف الكبريت 2020” الصادر عن المنظمة البحرية الدولية (IMO)، بهدف تقليل محتوى الكبريت في الوقود البحري. ومع ذلك، لطالما كان مراقبة الامتثال لهذه اللوائح صعبًا، إذ يتطلب عمليات تفتيش متكررة للسفن في البحر.
تُقدم أنظمة Sniffer4D القائمة على الطائرات المسيرة حلاً يُمكّن من مراقبة انبعاثات السفن من خلال قياس انبعاثات الكبريت وأعمدة الدخان المنبعثة من مداخن عوادمها. تستطيع الطائرات المسيرة تتبع السفن عند دخولها الموانئ أو مغادرتها لها، وتقييم مدى امتثالها للحدود العالمية لانبعاثات الكبريت أو انتهاكها للمعايير البيئية.
يعمل نظام المراقبة القائم على الطائرات المسيرة بالتحليق فوق السفينة أو متابعتها عبر الممرات المائية، باستخدام بيانات آنية لتقييم الملوثات. وهذا يوفر:
التحقق من جودة الوقود: ضمان امتثال السفن للوائح البحرية، من خلال قياس محتوى الكبريت في الوقود (FSC).
تحديد السفن غير الملتزمة لتنبيه السلطات وتطبيق لوائح بحرية أكثر صرامة.
مثال على حالة استخدام:
مراقبة الموانئ: يمكن استخدام الطائرات بدون طيار المجهزة بنظام Sniffer4D لمراقبة السفن في الموانئ لضمان التزامها بحدود انبعاثات الكبريت. ويمكن نقل البيانات آنيًا إلى سلطات الموانئ لإصدار تحذيرات أو غرامات للسفن غير الملتزمة. يساعد هذا النظام على تطبيق المعايير البيئية الدولية والحد من التأثير السلبي للتلوث البحري على المناطق الساحلية المحيطة.
على الرغم من بعض التحديات، مثل ظروف الطقس والقيود التنظيمية، فإن دمج تقنية الطائرات بدون طيار في المراقبة البيئية يوفر فوائد جمة تتجاوز بكثير قدرات أنظمة الرصد الجوي التقليدية:
يمكن للطائرات بدون طيار الوصول بسهولة إلى المواقع النائية أو الخطرة أو التي يصعب الوصول إليها، مثل مداخن النفايات، والمناطق الجبلية، والمحيطات، والمناطق الصناعية، أو مواقع ما بعد الكوارث. هذه القدرة على التنقل تجعلها مثالية لحالات الطوارئ، وعمليات الفحص الروتينية، والدراسات البيئية المُستهدفة.
يمكن نشر الطائرات بدون طيار في بيئات شديدة الخطورة على المفتشين، مثل مناطق تسرب المواد الكيميائية، والمناطق المليئة بالدخان، أو بالقرب من الانبعاثات الصناعية النشطة. من خلال جمع البيانات عن بُعد، تُقلل هذه الطائرات من حاجة الأفراد لدخول المناطق الخطرة، مما يُقلل بشكل كبير من خطر التعرض للغازات السامة أو الحوادث أثناء عمليات التفتيش.
بخلاف محطات الرصد الثابتة، يُمكن للطائرات بدون طيار المُزوَّدة بأنظمة مُتعدِّدة الغازات، مثل Sniffer4D، إنشاء خرائط مكانية آنية، ثنائية أو ثلاثية الأبعاد، لتركيزات تلوث الهواء عبر مساحات شاسعة. تُمكِّن هذه البيانات عالية الدقة الباحثين والجهات المعنية من تحديد بؤر التلوث بدقة، وتتبع أنماط انتشار الملوثات، وتقييم الآثار البيئية في ظل ظروف متغيرة.
تُقلِّل الأنظمة القائمة على الطائرات بدون طيار الوقت والجهد والتكاليف المرتبطة بعمليات التفتيش اليدوية وحملات الرصد الأرضية. بفضل قدرات النشر السريع ومسارات الطيران الآلية، يُمكن لمهمة طائرة بدون طيار واحدة تغطية مساحات شاسعة في جزء بسيط من الوقت الذي تتطلبه الطرق التقليدية.
بفضل التصورات الآنية والبيانات المُحدَّدة جغرافيًا، تُوفِّر الطائرات بدون طيار رؤىً بالغة الأهمية تُثري عملية صنع السياسات، وإنفاذ اللوائح، والاستجابة للكوارث، والتخطيط الحضري، وتدخلات الصحة العامة. وهذا يُتيح إدارة بيئية أذكى وأسرع وأكثر تركيزاً.
أصبحت الطائرات بدون طيار المجهزة بأجهزة استشعار متطورة، مثل Sniffer4D، أداةً محوريةً في رصد تلوث الهواء. وتوفر قدرتها على توفير بيانات آنية وعالية الدقة عبر بيئات متنوعة يصعب الوصول إليها مزايا كبيرة مقارنةً بوسائل الرصد التقليدية. فمن خلال الكشف عن مجموعة واسعة من الملوثات، مثل الجسيمات الدقيقة (PM)، والمركبات العضوية المتطايرة (VOCs)، وثاني أكسيد النيتروجين (NO₂)، والميثان (CH₄)، تُمكّن الطائرات بدون طيار من رسم خرائط دقيقة لجودة الهواء في مساحات ثنائية وثلاثية الأبعاد، مما يُعزز دقة تقييمات التلوث.
كما تتيح سهولة تنقلها نشرها السريع في المناطق الحضرية والمواقع الصناعية وحالات الطوارئ، مما يُعزز السلامة من خلال تقليل تعرض البشر للبيئات الخطرة. كما تُحسّن الطائرات بدون طيار الكفاءة والفعالية من حيث التكلفة مقارنةً بأساليب الرصد التقليدية، حيث تُوفر بيانات آنية ومُحلَّلة مكانيًا، مما يدعم اتخاذ قرارات أكثر ذكاءً في الإدارة البيئية، وإنفاذ اللوائح، والاستجابة للكوارث.
مع تقدم تكنولوجيا الطائرات بدون طيار، فإن دمجها في أطر الإدارة البيئية من شأنه أن يعزز تتبع التلوث، وإنفاذ اللوائح، واتخاذ القرارات في الوقت الحقيقي، وبالتالي دعم التخفيف من مشاكل جودة الهواء بشكل أكثر فعالية والمساهمة في الصحة العامة والحفاظ على البيئة.
