مع تطور تقنيات أنظمة التعليق النشط (Active Suspension) والتوجيه الكهربائي (Steer-by-Wire) وبروز مفاهيم القيادة المتقدمة، واجه مهندسو السيارات تحدياً تقنياً:
كيف يمكن نقل الأوامر التي تتحكم في مسار المركبة وثباتها بسرعة نقل بيانات عالية وبموثوقية تدعم المتطلبات؟ بينما قدمت بروتوكولات مثل CAN و LIN أداءً جيداً للأنظمة السابقة، إلا أنها كانت تصل إلى حدودها القصوى مع هذه المتطلبات المتزايدة.
كانت الإجابة تتمثل في نظام FlexRay، والذي يمثل نهجاً متقدماً في التواصل داخل المركبة؛ حيث يتم جدولة النقل وفق فترات زمنية دقيقة لضمان وصول البيانات في اللحظة المحددة وبشكل يعتمد عليه للتطبيقات المتقدمة.
ما هو FlexRay ولماذا ظهرت الحاجة إليه؟
FlexRay هو بروتوكول اتصال عالي السرعة، يمتاز بموثوقية عالية، ومُصمم بشكل أساسي لدعم متطلبات أنظمة التحكم المتقدمة للقيادة والأمان (X-by-Wire) في المركبات.
تم تطوير البروتوكول من قبل تحالف يضم شركات كبرى مثل بي إم دبليو (BMW)، دايملر (Daimler)، فيليبس (Phillips)، وروبرت بوش (Robert Bosch) بين عامي 2000 و2009 ليكون حلاً تقنياً للقيود المتعلقة ببروتوكولات CAN السابقة في بعض التطبيقات.
بينما كان نظام CAN ملائماً للأنظمة التقليدية، تتطلب التقنيات الحديثة، مثل الفرامل الكهربائية (Brake-by-Wire)، استجابة فورية ونسبة موثوقية مرتفعة جداً نظراً لغياب الاتصال الميكانيكي المباشر.
أي تأخير غير محسوب في نقل حُزم البيانات قد ينتج عنه خلل في الاستجابة؛ ولذا برز FlexRay كعمود فقري موثوق يدعم تطور سيارات الجيل الحديث.
الجوانب الأساسية في تقنية FlexRay
يتميز FlexRay عن CAN من خلال تصميمه المبني على قواعد اتصال مختلفة، أبرزها:
- الاتصال المجدول زمنياً (Time-Triggered Communication)
- الناقل المزدوج للنسخ الاحتياطي (Dual-Channel for Redundancy)
- الجدولة، والدورة الزمنية والتوقيت (Communication Cycle & Precision)
وهذا يعتبر اختلافاً رئيسياً. في نظام CAN، تتنافس الوحدات المتصلة على الشبكة (Event-Triggered). أما في FlexRay، فيتم تحديد جداول زمنية دقيقة لعمليات الإرسال والاستقبال.
كل وحدة (Node) لديها لحظة محددة مخصصة لها لإرسال مسارات بياناتها ولتلقيها. يسهم ذلك في تفادي التداخل والتأخيرات المتغيرة وتوفير تجاوب مستقر (Deterministic Latency)، وهو أمر هام لأنظمة التحكم العالي.
يوفر FlexRay قناتين مستقلتين (Channel A & B) تمكنان استخدامه في أوضاع مختلفة:
• وضع التكرار (Redundant Mode): يتم إرسال نسخ من البيانات ذاتها على كلا القناتين بالتزامن لضمان وصولها بنجاح كإجراء احتياطي.
• وضع زيادة السرعة (Speed Mode): إرسال بيانات مختلفة عبر القناتين لزيادة معدلات نقل البيانات الإجمالية.
• وضع مختلط: توفر بعض الوحدات في الشبكة خيارات لنقل مكرر كدعم للحماية وتوظيف وحدات للسرعة.
يتم تنظيم الحركة ضمن فترات زمنية دقيقة ومنظمة وذات دورات متساوية. تتكون كل دورة من عدة أجزاء رئيسية للشبكة:
• النافذة الثابتة (Static Segment): تُخصص لتنظيم التكرار الزمني وتوزيع حركة الإشارات وفق الأهمية والجدولة.
• النافذة الديناميكية (Dynamic Segment): لتوزيع البيانات للأحداث والمهمات الإضافية بحسب توافر السعة المتبقية وضمن ترتيب متفق عليه.
• نافذة الرمز (Symbol Window): وتهتم بالإشارات المتعلقة بضبط الوظائف وبداية الحركة.
• وقت وتأخير الشبكة (Network Idle Time): المخصص لإجراء المزامنات وتأكيد الاستجابة للتوقيت للشبكة.
تدعم تقنية FlexRay مستويات عالية من تزامن التوقيت بين الوحدات المتصلة تصل لمستويات ميكروثانية دقيقة لتزامن الاستجابة بجميع جهات المركبة؛ مما يوفر قدرات متميزة لدعم أنظمة التوجيه كأنظمة ضبط العجلات للتعليق الفعال للمطبات.
مقارنة شاملة: بين FlexRay، و CAN وبروتوكولات الشبكات
يتيح الجدول المقارنة بين FlexRay مع أنظمة وشبكات متعددة لتوضيح الفروق المتعلقة بالقدرات والخصائص.
| المعيار / الميزة | LIN Bus (الشبكة البسيطة) | CAN Bus (العمود الفقري الأساسي) | FlexRay (للاتصال المتطور الفوري) | MOST Bus (لنظم الترفيه) | الاتصال إيثرنت (الشبكة المستقبلية) |
|---|---|---|---|---|---|
| السرعة القصوى التقريبية | حتى 20 كيلوبت/ثانية | من 1 ميجا بت/ث ويصل عبر FD لأكثر | 10 ميجابت/ثانية (لكل قناة) | 25 - 150 ميجابت/ثانية | من 100 ميجا بت أو بالجيجا بت |
| المبدأ والمنهج للتشغيل | رئيسي، وتكلفة واقتصاد للوظيفة. | مهام متعددة بالاعتماد لتسلسل أولوية للعموم. | مجدول بتوقيت واستخدام لدعم سلامة وأمان المنظومات الحرجة. | دعم لنقل متوازٍ وملائم للترفيه (الصوت والمرئيات). | دعم سعات اتصال كبيرة وتقنية مبنية ومطورة كـ IP. |
| أمان وقوة اتصالات الموثوقية | منخفض (للسلك الفردي للمهام). | اعتمادي متوسط ويحمل تقنيات استكشاف أعطال مقبولة. | مرتفع للغاية بوجود اتصالات مجدولة زمنياً ومضاعفة. | اعتماد متوسط ومحمل بأنظمة لتكوين الحلقات للحركة. | اعتمادي وموثوق ذو خيارات لأمان قوي وعالي البرمجيات المضافة. |
| عوامل التأخير (Latency) | معتدل للمهام الواطئة وليس ملزم. | متغير للتأخير كونه يختص بحركية المراجعة والتسلسل والأولويات. | أساسي وتوقيت ثابت يمكن ضمانه. | يعمل للترفيه ولا يستلزم موثوقية عالية للتقيد التشغيلي. | زمن ضئيل وسريع حسب الحاجة ويتطلب التوقيت بالميزات المدمجة (TSN). |
| حسابات التكلفة والاستثمار | اقتصادي ومبسط للغاية. | متوسط للتوسع للأنظمة المعقدة للمركبات. | مكلف ورفيع القدرات لضرورة تعقيد التقنيات. | مرتفع لمعدات الألياف لتوجيهات للترفيه. | اعتمادي متوسط للمعدات والاستثمارات بالمكونات مع تنافس السوق. |
| مجال التطبيقات للمركبات | وظائف تحكم بسيطة، المقعد والمرايا. | محرك وتحكم أساسي وفرامل للمانع للإنزلاق. | للتوجيه والتغيير الهجين والمرونة وأنظمة التحكم والأداء والمساعد لتلك العجلات ونواقل السرعة. | استعمال أجهزة فيديو وتتبع وحواسب وسائط عالية جودة للمستخدم. | أرتباط وموثوقية ADAS للتحديث عبر المنافذ وشبكات OTA وتقنيات العرض للمستشعر كاميرا ونحوها. |
الاستعمالات المخصصة: التطبيقات التي تتطلب FlexRay
بسبب الميزات المتقدمة للتصنيع والمتطلبات، يُوجه FlexRay للتطبيقات الفائقة التي تتطلب دقة عالية ونذكر أهمها:
- تحكم وموازنة التعليق النشط (Active Suspension / SABC): كما تتوظفه مركبات مرسيدس-مايباخ وأودي وغيرها؛ عبر تحديث وتحكم بيانات من مستشعرات التضاريس لتتواصل بوحدة الرد لرد وتكييف نظام المشغل الفعال للمساعد وتلطيف التمايل مع التفاف للراحة وتعديل كل عجلة من العجلات بمراقبة التوجيه.
- الوظائف لنظام التوجيه بدون الوصل (Steer-by-Wire): بالقيادة وتوجيه مقود القيادة للمركبات التكنولوجيا (بعض أنظمة وتقنيات إنفينيتي)، فلا يستخدم ميكانيك لتوجيه العامود والمقود، বরং توجيه وتحويل إشارة القيادة لديمومة إشارات تتواجه عبر FlexRay للموتور والموفر للحركة بموازنة لتشعرك بالأداء العضلي الأساسي كالأوتوماتيكي وبدقة لا تتهاون به.
- تكامل النقل لحركة الموديل الهجين وسلاسة نقل وتغيير الغيارات: تتفاعل شبكة الربط والسرعة لتقييم واستبقاء محركات ومواكبة التكييف الهجين واستخراج إرسالات موجه لناقل التروس في مركبات بورش و BMW (i8) لإنتاج أفضل دمج وحسبة وتوجيه.
- توظيف النقل وتدعيم نظم حماية وسلامة ثبات (Safety Control/ Brake-by Wire): كفرامل متقدمة وتحكم موزع (ESP) للمقود، لتوليد التوجيه ودعم إشارة الكتروني بأوقات منضبطة عبر الاستجابات العاجلة والمسيرة للنهايات والأوزان التي أفرزتها تلك البيانات المحددة بدقة والمسيرة لتقسيم العمل من قبل CAN للحالة التي تعتبر أكثر أداء.
تحتاج صيانة الأعطال أو التعامل لأداء تشخيص وتتبع لنطاق منظومة FlexRay لعناية تامة ومعرفة وتقنيات برمجية دقيقة للجدولة وتفصيل حركة الإشارات للإطارات. فتحديث أو الإبدال للمكون العشوائي سيشكل خلل أداء وموثوقية خطيرة ومؤثر للعمل التام لغيرها من النظم والمكونات.
التوقعات لأنظمة الاتصالات واستبدالات تقنيات الإيثرنت
صعدت التطورات الحديثة للإيثرنت ببيئة وتكنولوجيا المركبة (Automotive Ethernet) لقوة بالسرعات لتلبي وتتماشى مع نطاقات الجيجابت ومسارات واسعة بتكاليف مواتية وسهلة التطويع (لاشتهار وبروز كمعيار وتطبيقات مرنة ومتوسعة). وساهم بتغطية السحب والسعة للمساحات لنظم وتفعيل استجابة معدل التوافر لمعدات مساعدة وكاميرات المساعدة المتقدمة في القيادة (ADAS).
- عوامل دعم وميزات استبقاء FlexRay للأنظمة
- الواقع الفني وحالة الانتشار والاستقرار بالمستقبل
رغم المنافسة، ما زالت تحتفظ FlexRay للمجال بثبات بميزة واضحة قد يشق تقويم الإيثرنت بضعف متطلبات الدعم للتجهيز لها بيسر:
• حسم توقيت الاتصال (Determinism): تم الاعتماد والمقارعة وتفردها بتأمين نقل لحظي للتوقيتات ومصنوع لخصوص وتكامل زمني صارم وجدول لزمن الإشارة بعكس إيثرنت الذي يعتمد موجهات إضافية وإدارة خاصة لتوفيرها (TSN - Time-Sensitive Networking).
• تكامل الازدواج وبساطة المدمج الموثوق (Built-in Redundancy): بتشكيل وربط للقناتين واستخدام مباشر للتأمين والأمان المتضمن للكيان والعتاد بشكل معتمد وميسر للحماية.
يتم التركيز والتطوير والإفادة ومواكبة المورد والشركاء ضمن التوقعات بالاستخدام والتوسع كالآتي الاستراتيجية الموصي للشركات:
• الحفاظ والإفادة والموازنة وإرساء النظام في بنى وتقنية وبرامج عمل والمصادر الحالية والموثوقة دون تخطيها والاستبدال بالكامل والتي تتوافق للأنظمة القائمة والحساسة لجدوى الاستثمارات القبلية.
• توجيه واستعمال تقنيات وأنظمة السعات والحزم الترددية للمركبات من تقنية الإيثرنت (مع دعم وتوجيه التوقيت TSN) للأنظمة الإضافية والتواصل ونطاقات العمل الشاشية وأجهزة الكاميرا الحساسة للسرعة ولتسهيلات تحديث البث والرصد لنطاق وتقنيات القيادة المتقدمة.
بهذه العوامل يستلزم وجود ومساندة وتأثير لنظام FlexRay كحصة حيوية داعمة وموثوقة بالمواكبة للمشهد للسيارة ولأنواط المركبة الفاخرة للعديد من الأجيال، وإن كان قد يوفر بديلاً للاستخدام والاقتصاد للتقنيات والمنصات الاستهلاكية المدمجة للعديد للشركات مستقبلاً.
أسئلة حول تطبيقات واستعمالات نظام FlexRay
هل يستخدم وتعمل نظام FlexRay لمعظم المركبات المنتشرة؟
تم حصر استخدامه بشكل محدد كون التكلفة للإنتاج والعائد الموثق مرتبط لتعديه لبيئة وفئة خاصة للمستويات العليا للأداء أو التقني الفاره والذي يشمل نظام تعليق أو خصائص متطورة ولا يكاد ينتشر في المركبة القياسية الاقتصادية، فتظل خيارات الـ CAN والبروتوكول المقابل كافياً لها للاعتماد بالانتقال للبيانات.
لماذا يعد بروتوكول وتقنية Steer-by-Wire دافعاً لوجود وتطوير FlexRay؟
يعول بتكنولوجيا القيادة بدون التوصيل وفك النطاق المادي والميكانيكي لأعمدة الإدارة والتوجيه لمتلقيات وتفعيل من مستشعرات تقوم بمتابعة ورصد وتوضيح وقياس لمسار اليدوي لدورات العجلة للمقود للمركز والذي يتحول لنقل للبيانات المترجمة إلكترونياً لتباشر وتتلقاها موتورات بمناطق الإطارات عبر اتصال قوي ببروتوكولات FlexRay لنظير التوقيت والموثوقية المطلقة منعاً من تشوه وتأميم الفقد للحزمة مما سيحد أو يعيق سياسة السيطرة للتنقل للمركبة وسلامة مستخدمها.
هل الاعتماد والسرعات المتقدمة المعروضة لـ CAN FD يمكن أن تستعيض وتتجاهل تواجد وتوظيف للتقنية FlexRay؟
تدعم وتحسن خواص CAN FD مستويات وحساب الزمن والنقل، ولكن الاعتماد للعموم المعتمد على FlexRay يستلزم قدرات أوسع للحيلولة ومنع التوقيت للتأخير وحزم التوقيت، ولتأمين دعم ازدواجي لحوائج التطبيقات والتي تجعله يفوز ويربح بالتوظيف والتركيز كخيار أكثر أمناً لا تتدخل به مراتب للتحكيم والتوصيل كـ CAN المؤثرة للتوقيت الثابت للتفاعل المطلوب الحساس والنقي.
