نانوحسگرها؛ چشم هوشمند شبکه برق برای پیشگیری از خاموشی

باشگاه خبرنگاران جوان؛ پریزاد اقبالی - مجید میرزایی، عضو هیئت علمی گروه پژوهشی مواد غیر فلزی پژوهشگاه نیرو و معاون مرکز تخصصی نوآوری و توسعه فناوری نانو در حوزه توسعه فناوری‌های نوین و کاربرد فناوری در صنعت برق، در گفت‌و‌گو با خبرنگار علمی باشگاه خبرنگاران جوان اظهار کرد: بسیاری از خرابی‌های تجهیزات برق از لحظه‌ای که قابل مشاهده می‌شوند آغاز نشده‌اند و فرآیند تخریب ممکن است ماه‌ها پیش از خرابی نهایی شروع شده باشد؛ افزایش تدریجی دما، تغییرات مکانیکی، رطوبت، خوردگی و تخریب عایق از جمله نشانه‌هایی هستند که می‌توانند پیش از وقوع خرابی جدی ظاهر شوند.

وی افزود: مسئله اصلی این است که بتوانیم این نشانه‌های اولیه را به‌صورت مستمر و دقیق شناسایی کنیم. نانوحسگر‌های هوشمند با همین هدف مطرح شده‌اند تا وضعیت سلامت تجهیزات به شکل پیوسته پایش، داده‌ها جمع‌آوری و با استفاده از تحلیل داده و هوش مصنوعی، امکان تصمیم‌گیری و مداخله پیش از تبدیل یک نقص کوچک به خرابی بزرگ فراهم شود.

پایش برخط تجهیزات با نانوحسگر‌های هوشمند

عضو هیئت علمی پژوهشگاه نیرو درباره پارامتر‌های قابل اندازه‌گیری توسط نانوحسگر‌ها گفت: بسته به نوع طراحی، این حسگر‌ها می‌توانند پارامتر‌هایی مانند دما، جریان، کرنش و تنش مکانیکی، رطوبت، خوردگی، تخریب عایق و در برخی سامانه‌ها تخلیه جزئی را پایش کنند.

میرزایی ادامه داد: فناوری نانو در این حوزه صرفاً به معنای ایجاد یک حسگر جدید نیست، بلکه امکان ساخت حسگر‌های بسیار کوچک، حساس، کم‌مصرف و قابل یکپارچه‌سازی با ساختار تجهیزات را فراهم می‌کند. موادی مانند گرافن، نانولوله‌های کربنی، MXene ها، نانوساختار‌های فلزی و نانوکامپوزیت‌ها می‌توانند در برابر تغییرات دما، کرنش، رطوبت یا شرایط شیمیایی، پاسخ الکتریکی قابل اندازه‌گیری ایجاد کنند.

وی با اشاره به یکی از مزیت‌های مهم این فناوری گفت: امکان قرار دادن تعداد زیادی حسگر در نقاط مختلف تجهیز و ایجاد یک سامانه پایش توزیع‌شده و پیوسته، از مهم‌ترین مزیت‌های نانوحسگرهاست. این حسگر‌ها می‌توانند روی غلاف یا شیلد کابل نصب شوند و در نسل‌های پیشرفته‌تر حتی بخشی از ساختار کابل به عنصر حسگر تبدیل شود.

میرزایی تأکید کرد: البته نانوحسگر‌ها قرار نیست جایگزین تمام حسگر‌های متعارف شوند. برای اندازه‌گیری پارامتر‌های ساده‌ای مانند دما، ممکن است فناوری‌های متعارف همچنان اقتصادی‌تر و حتی عملکرد بهتری داشته باشند؛ مزیت اصلی نانوحسگر‌ها زمانی آشکار می‌شود که به کوچک‌سازی، پایش چندپارامتری، حسگر‌های توزیع‌شده و یکپارچه‌سازی با تجهیزات هوشمند نیاز داشته باشیم.

از تشخیص عیب تا پیش‌بینی خرابی با هوش مصنوعی

میرزایی در پاسخ به این پرسش که داده‌های نانوحسگر چگونه به پیش‌بینی خرابی تبدیل می‌شوند، اظهار کرد: نانوحسگر به‌تنهایی خرابی را پیش‌بینی نمی‌کند؛ حسگر داده تولید می‌کند و این داده‌ها در یک سامانه تحلیل هوشمند به پیش‌بینی تبدیل می‌شوند.

وی توضیح داد: برای نمونه، اگر یک کابل به‌صورت مستمر دما، جریان، رطوبت و برخی شاخص‌های سلامت خود را ثبت کند و طی چند ماه مشخص شود که در شرایط بار مشابه، دما افزایش یافته و همزمان سایر شاخص‌ها نیز از وضعیت عادی فاصله گرفته‌اند، این روند می‌تواند نشانه آغاز یک فرآیند تخریب باشد.

عضو هیئت علمی پژوهشگاه نیرو افزود: در این مرحله روش‌هایی مانند تشخیص ناهنجاری، تحلیل روند، یادگیری ماشین، مدل‌های سری زمانی، طبقه‌بندی الگو‌های خرابی و تخمین عمر باقی‌مانده تجهیز مورد استفاده قرار می‌گیرند و در مراحل پیشرفته‌تر می‌توان این اطلاعات را با دوقلوی دیجیتال ترکیب کرد تا مدل دیجیتالی تجهیز به‌طور مستمر با داده‌های واقعی به‌روزرسانی شود و رفتار آینده آن را پیش‌بینی کند.

میرزایی تأکید کرد: هوش مصنوعی بدون داده قابل اعتماد نمی‌تواند عملکرد مناسبی داشته باشد. برای پیش‌بینی دقیق خرابی، به داده‌های بلندمدت از تجهیزات سالم، تجهیزات دارای نقص و نمونه‌های واقعی خرابی نیاز داریم.

وی افزود: زنجیره ارزش این فناوری از اندازه‌گیری آغاز می‌شود و پس از جمع‌آوری داده، تحلیل، تشخیص ناهنجاری، پیش‌بینی خرابی و تعیین سطح ریسک، باید در نهایت به تصمیم تعمیراتی و عملیاتی منجر شود.

کاهش هزینه و افزایش عمر دارایی‌های صنعت برق

میرزایی با اشاره به آثار اقتصادی استفاده از نانوحسگر‌های هوشمند گفت: ارزش این فناوری صرفاً در کاهش هزینه ساخت یا نصب تجهیزات خلاصه نمی‌شود، بلکه کاهش تعمیرات غیرضروری، تشخیص زودهنگام عیب، افزایش عمر دارایی، کاهش توقف‌های برنامه‌ریزی‌نشده و بهبود تصمیم‌گیری‌های سرمایه‌ای از مهم‌ترین آثار مورد انتظار آن در مدیریت دارایی‌های صنعت برق است.

وی افزود: وقتی وضعیت سلامت یک تجهیز به‌صورت مستمر در اختیار بهره‌بردار باشد، تصمیم‌گیری درباره تعمیر، تعویض یا ادامه بهره‌برداری می‌تواند بر اساس داده واقعی انجام شود و از تعمیرات غیرضروری یا خروج زودهنگام تجهیزات از مدار جلوگیری شود.

فناوری نانوحسگر در مسیر پایلوت صنعتی

میرزایی درباره سطح بلوغ این فناوری گفت: نمی‌توان فناوری نانوحسگر را با یک عدد واحد از سطح آمادگی فناوری یا TRL توصیف کرد؛ زیرا فناوری‌ها و مواد مختلفی در این حوزه وجود دارند. برخی حسگر‌های مبتنی بر نانوساختار‌های کربنی و گرافن به بلوغ نسبتاً بالایی رسیده‌اند و در جهان نمونه‌های پایلوت صنعتی و کاربرد‌های نزدیک به تجاری‌سازی برای آنها وجود دارد، در حالی که فناوری‌هایی مانند MXene‌ها و برخی نانوکامپوزیت‌ها همچنان فاصله بیشتری تا تجاری‌سازی گسترده دارند.

وی تصریح کرد: باید میان بلوغ فناوری در جهان و آمادگی آن برای استقرار گسترده در شبکه برق ایران تفاوت قائل شد. کشور از ظرفیت علمی و صنعتی مناسبی برای توسعه این فناوری برخوردار است و توانمندی‌های موجود در حوزه فناوری نانو، صنعت سیم و کابل، دانشگاه‌ها، مراکز پژوهشی و شرکت‌های دانش‌بنیان می‌تواند زمینه شکل‌گیری زنجیره بومی توسعه این فناوری را فراهم کند.

میرزایی گفت: برای اینکه یک محصول واقعاً آماده استقرار در شبکه باشد، باید مسیر نمونه آزمایشگاهی، آزمون‌های استاندارد، ساخت نمونه مهندسی، اجرای پایلوت روی کابل واقعی، پایش بلندمدت، تأیید عملکرد و در نهایت تولید صنعتی را طی کند.

وی افزود: در شرایط فعلی، منطقی‌ترین مسیر اجرای پایلوت صنعتی روی چند تجهیز یا کابل واقعی است، نه ادعای آمادگی برای نصب گسترده در شبکه. معیار موفقیت نیز صرفاً کارکردن حسگر نیست؛ بلکه باید دقت اندازه‌گیری، نرخ تشخیص صحیح خرابی، میزان هشدار‌های کاذب، پایداری در شرایط واقعی و توانایی تشخیص زودهنگام خرابی نسبت به روش‌های موجود بررسی شود و مشخص شود که این فناوری در نهایت تا چه اندازه می‌تواند تعمیرات اضطراری و خاموشی را کاهش دهد.

پایداری؛ مهم‌ترین چالش نانوحسگر‌ها در شبکه فشار قوی

میرزایی پایداری و قابلیت اطمینان را مهم‌ترین چالش فنی نصب و بهره‌برداری بلندمدت از نانوحسگر‌ها در شبکه برق دانست و گفت: ممکن است یک حسگر در شرایط آزمایشگاهی حساسیت بسیار بالایی داشته باشد، اما تجهیزات فشار قوی در شرایط واقعی با تغییرات دما، رطوبت، ارتعاش، تنش‌های مکانیکی، میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی شدید و نویز‌های الکترومغناطیسی مواجه هستند.

وی افزود: باید اطمینان حاصل شود که حسگر پس از چند سال همچنان دقت اولیه خود را حفظ کرده و دچار افت حساسیت یا تغییر مشخصات نشود. از سوی دیگر، سازگاری حسگر با عایق و ساختار کابل اهمیت زیادی دارد و حسگر نباید موجب کاهش استقامت الکتریکی، ایجاد تمرکز میدان، افزایش تلفات یا ایجاد نقطه ضعف مکانیکی شود.

میرزایی ادامه داد: تداخل‌های الکترومغناطیسی نیز چالش جدی دیگری است؛ زیرا در شبکه‌های فشار قوی ممکن است سیگنال اندازه‌گیری بسیار کوچک باشد، در حالی که محیط اطراف دارای میدان‌ها و نویز‌های قابل توجهی است؛ بنابراین طراحی حسگر باید همزمان با طراحی الکترونیک، شیلدینگ، فیلتر، کالیبراسیون و روش انتقال داده انجام شود.

وی با اشاره به عمر بالای کابل‌ها و تجهیزات برق گفت: اگر یک کابل قرار است ۲۰ تا ۳۰ سال کار کند، نمی‌توان حسگری روی آن نصب کرد که عمر مؤثرش تنها چند سال باشد. به همین دلیل آزمون‌های پیرسازی، چرخه‌های حرارتی، رطوبت، تنش‌های مکانیکی، خوردگی و پایداری بلندمدت، بخش مهمی از مسیر توسعه صنعتی این فناوری خواهد بود.

مهم‌ترین مانع؛ یکپارچه‌سازی کل زنجیره فناوری

معاون مرکز تخصصی نوآوری و توسعه فناوری نانو با بیان اینکه مهم‌ترین مانع توسعه این فناوری در مقیاس شبکه، صرفاً ساخت خود حسگر نیست، گفت: در یک شبکه گسترده، مجموعه‌ای از فناوری‌ها باید همزمان و هماهنگ عمل کنند؛ از حسگر و تأمین انرژی گرفته تا بخش الکترونیک، ارتباطات، انتقال و ذخیره‌سازی داده، تحلیل اطلاعات، هوش مصنوعی، مدیریت دارایی و تصمیم‌گیری در بهره‌برداری.

وی افزود: ممکن است حسگر بسیار مناسبی داشته باشیم، اما اگر انرژی آن تأمین نشود، ارتباط آن در محیط فشار قوی پایدار نباشد یا داده‌های تولیدشده به سامانه مدیریت دارایی منتقل نشوند، ارزش عملیاتی فناوری محدود خواهد شد.

میرزایی تأمین انرژی حسگر‌های توزیع‌شده و بی‌سیم را نیز یکی از موضوعات مهم آینده دانست و گفت: در آینده می‌توان به سمت روش‌هایی مانند برداشت انرژی از میدان‌های الکترومغناطیسی اطراف هادی یا استفاده از اختلاف دما و منابع انرژی کم‌مصرف حرکت کرد، اما این بخش همچنان به طراحی و اعتبارسنجی جدی نیاز دارد.

وی خاطرنشان کرد: با اتصال هزاران حسگر به شبکه ارتباطی، استانداردسازی و امنیت سایبری نیز اهمیت ویژه‌ای پیدا می‌کند؛ چرا که علاوه بر اندازه‌گیری، صحت داده‌ها، امنیت اطلاعات و جلوگیری از دستکاری داده‌ها نیز باید مورد توجه قرار گیرد.

ضرورت تدوین استاندارد و ایجاد بانک داده ملی

میرزایی با تأکید بر ضرورت ایجاد زیرساخت‌های لازم برای توسعه این فناوری گفت: برای استقرار گسترده نانوحسگر‌ها در شبکه برق، علاوه بر توسعه خود فناوری، باید الزامات فنی سامانه‌های پایش برخط تدوین و استاندارد‌های لازم ایجاد شود.

وی افزود: ایجاد بانک داده ملی برای پایش سلامت کابل‌های قدرت نیز می‌تواند نقش مهمی در توسعه مدل‌های تحلیل داده و هوش مصنوعی داشته باشد؛ زیرا پیش‌بینی دقیق خرابی نیازمند داده‌های واقعی و بلندمدت از وضعیت تجهیزات سالم، معیوب و موارد واقعی خرابی است.

میرزایی ادامه داد: تقویت ارتباط میان مراکز پژوهشی، دانشگاه‌ها، صنعت و شرکت‌های دانش‌بنیان و حرکت به سمت تجاری‌سازی نیز از الزامات مهم توسعه این فناوری در کشور است.

فاصله نانوحسگر‌ها تا جلوگیری عملی از خاموشی

میرزایی درباره فاصله فناوری نانوحسگر تا تبدیل شدن به یک سامانه عملیاتی برای پیشگیری از خاموشی گفت: امروز فناوری حسگر و تحلیل داده به اندازه‌ای پیشرفت کرده‌اند که می‌توانند پایه یک سامانه پیش‌بینی خرابی را تشکیل دهند، اما برای جلوگیری واقعی از خاموشی باید چند مرحله دیگر طی شود.

وی ادامه داد: ابتدا باید بتوانیم نشانه اولیه خرابی را با اطمینان تشخیص دهیم، سپس ثابت کنیم که این نشانه واقعاً با خرابی آینده ارتباط دارد و صرفاً ناشی از تغییرات عادی شرایط بهره‌برداری نیست. پس از آن باید یک مدل پیش‌بینی ایجاد شود که افزایش احتمال خرابی تجهیز را مشخص کند و در مرحله بعد، زمان مناسب برای مداخله تعیین شود.

عضو هیئت علمی پژوهشگاه نیرو گفت: سامانه باید بتواند مشخص کند که آیا تجهیز باید فوراً از مدار خارج شود یا می‌تواند تا نخستین فرصت تعمیراتی به کار خود ادامه دهد. در نهایت نیز هشدار تولیدشده باید وارد فرآیند واقعی بهره‌برداری و مدیریت دارایی شود.

میرزایی در جمع‌بندی اظهار کرد: امروز پایش وضعیت و تشخیص تغییرات امکان‌پذیر است، گام بعدی اثبات قابلیت پیش‌بینی خرابی روی تجهیزات واقعی است و پس از آن باید پیش‌بینی به تصمیم تعمیراتی متصل شود تا در نهایت به استفاده گسترده و استانداردشده در شبکه برسیم.

وی خاطرنشان کرد: برای توسعه این فناوری در صنعت برق کشور، اجرای پروژه‌های پایلوت در شبکه، تدوین الزامات فنی برای سامانه‌های پایش برخط، ایجاد بانک داده ملی، توسعه سامانه‌های تحلیل داده و هوش مصنوعی و تقویت ارتباط میان پژوهش و صنعت باید به‌صورت همزمان دنبال شود.

میرزایی گفت: نانوحسگر به‌تنهایی مانع خاموشی نمی‌شود، بلکه اطلاعاتی زودتر از روش‌های سنتی درباره وضعیت تجهیز در اختیار ما قرار می‌دهد و این اطلاعات باید به یک تصمیم درست و به‌موقع تبدیل شود. اگر این زنجیره کامل شود، می‌توان انتظار داشت که فناوری نانوحسگر‌ها در کاهش خاموشی‌های ناخواسته، افزایش عمر تجهیزات و ارتقای قابلیت اطمینان و تاب‌آوری شبکه برق نقش مؤثری ایفا کند.

وی افزود: هدف نانوحسگر صرفاً انجام یک اندازه‌گیری دقیق نیست؛ هدف این است که تجهیزات شبکه برق از دارایی‌هایی که از وضعیت خود بی‌خبرند، به دارایی‌های هوشمندی تبدیل شوند که به‌صورت مستمر وضعیت سلامت خود را گزارش می‌کنند و با کمک تحلیل داده و هوش مصنوعی، پیش از تبدیل یک نقص کوچک به خرابی جدی، امکان مداخله را فراهم می‌کنند. فناوری اکنون در نقطه‌ای قرار گرفته که ارزش ورود جدی به آن وجود دارد، اما عبور از مرحله نمونه و پایلوت به استقرار گسترده، نیازمند آزمون‌های میدانی، تولید داده واقعی، استانداردسازی، تجاری‌سازی و یکپارچه‌سازی با سامانه‌های بهره‌برداری است.