Safety-Protected Formation–Containment Control for Nonlinear Multi-Agent Systems via Interval Type-2 Fuzzy Sliding Mode and Smooth-Switching Collision Avoidance

في خضم المساحات الشاسعة وغير المتوقعة للمحيط، يتحول مستقبل الملاحة البحرية من الأطقم البشرية إلى السفن ذاتية القيادة. صُممت هذه السفن ذاتية الإدارة للإبحار في المياه الخطرة، وتنفيذ مهام معقدة مع تقليل المخاطر على حياة البشر. ومع ذلك، فإن سفينة واحدة تعمل بمفردها نادراً ما تكون كافية للمهام واسعة النطاق مثل عمليات الدفاع أو المرافقة. وللتعامل مع هذه التحديات، يعمل المهندسون على تطوير أنظمة تعمل فيها عدة سفن معاً كفريق منسق. هذا المفهوم، المعروف باسم التحكم متعدد الوكلاء، يعتمد على تواصل السفن مع بعضها البعض لتبادل المعلومات والتحرك في انسجام. والهدف هو أن تحافظ مجموعة من السفن على شكل محدد، أو تشكيل، مع ضمان بقاء كل عضو ضمن الحدود الآمنة التي يحددها قادة المجموعة. ومع ذلك، فإن المحيط ليس بيئة ثابتة؛ فهو مليء بالعقبات المفاجئة، والتيارات المتغيرة، وتآكل مياه الملح الذي يمكن أن يربك مستشعرات السفينة. ويتمثل التحدي المركزي للباحثين في إنشاء نظام تحكم ليس ذكياً بما يكفي للحفاظ على تشكيل الأسطول فحسب، بل وقوياً أيضاً للاستجابة الفورية للخطر دون فقدان مسارها.

لقد عالج فريق من الباحثين من جامعات في تايوان والصين هذا التحدي من خلال تطوير طريقة تحكم جديدة لأنظمة السفن المتعددة ذاتية القيادة غير الخطية. يجمع نهجهم بين عدة تقنيات متقدمة لضمان قدرة أسطول مكون من عشر سفن على التحرك معاً بأمان، حتى عند مواجهة عقبات غير متوقعة واضاضابات بيئية. ركز الباحثون على مشكلة محددة: كيفية الحفاظ على مجموعة من السفن في تشكيل دقيق مع السماح لها بتجنب الاصطدام بالأجسام الأخرى أو ببعضها البعض. في النظام المقترح، تعمل أربع سفن كقادة، مهمتهم تحديد المسار والحفاظ على الشكل العام للمجموعة. أما السفن الست المتبقية فتعمل كأتباع، ويجب أن تظل داخل المنطقة التي يحددها القادة. هذا الترتيب، المسمى تنسيق التشكيل والاحتواء، يسمح للقادة بالتعامل مع مهام الملاحة المعقدة بينما يركز الأتباع على أدوارهم المحددة، مما يخلق تسلسلاً هرمياً يحسن الكفاءة والسلامة.

يكمن جوهر هذه الطريقة الجديدة في كيفية معالجة السفن للمعلومات واتخاذ القرارات. غالباً ما تعاني أنظمة التحكم التقليدية من عدم اليقين في البيئة البحرية، مثل التآكل التدريجي لهيكل السفينة أو قوة الرياح والأمواج غير المتوقعة. وللتغلب على ذلك، استخدم الباحثون إطاراً رياضياً يُعرف باسم نموذج النوع الثاني من المنطق الضبابي (interval type-2 fuzzy model). وخلافاً للنماذح الأبسط التي تعتمد على قواعد ثابتة، تم تصميم هذا النظام للتعامل مع الغموض وعدم اليقين بشكل أكثر فعالية. فهو يسمح لحاسوب السفينة بفهم أن قراءة المستشعر قد لا تكون قيمة واحدة دقيقة، بل نطاقاً من الاحتمالات. ومن خلال استخدام هذا النهج المرن، يمكن للنظام اتخاذ قرارات أكثر موثوقية حتى عندما تكون البيانات التي يتلقاها غير كاملة أو مشوشة. وهذا أمر بالغ الأهمية للحفاظ على الاستقرار عندما تتعرض السفن للاهتزاز العشوائي المستمر للمحيط.

ولضمان بقاء السفن على مسارها رغم هذه الاضطرابات، دمج الباحثون تقنية تسمى التحكم بالوضع الانزلاقي (sliding mode control). تعمل هذه الطريقة كقوة تصحيحية قوية، حيث تقوم باستمرار بتعديل محركات السفينة لمواجهة أي انحراف عن المسار المطلوب. وهي فعالة بشكل خاص في التعامل مع القوى الخارجية مثل هبات الرياح المفاجئة أو التيارات القوية. ومع ذلك، فإن مجرد البقاء على مسار مخطط مسبقاً ليس كافياً عندما يكون الاصطدام وشيكاً. فقد طور الباحثون خوارزمية جديدة لتجنب الاصطدام تعمل بالتوازي مع التحكم في التشكيل. تستخدم هذه الخوارزمية مفهوماً يُعرف باسم حقل الجهد الاصطناعي، والذي يخلق مشهداً افتراضياً حول السفينة. في هذا المشهد، تعمل العقبات كقوى طاردة، تدفع السفينة بعيداً، بينما يعمل الوجهة كقوة جاذبة، تسحبها للأمام.

ما يجعل هذه الخوارزمية الجديدة فريدة من نوعها هو قدرتها على الانتقال بسلاسة بين استراتيجيات التجنب المختلفة. لقد جمع الباحثون بين نوعين من القوى الافتراضية: قوة الدوامة التي توجه السفينة للدوران حول العقبة، وقوة المصدر التي تدفع السفينة بعيداً مباشرة. وباستخدام المنطق الضابي، يقيم النظام الموقف في الوقت الفعلي ويمزج بين هاتين القوتين معاً. وهذا يمنع السفينة من الوقوع في حالة من الجمود، وهو سيناريو قد تدور فيه السفينة حول عقبة إلى الأبد أو تتوقف مباشرة أمامها. بدلاً من ذلك، يمكن للسفينة التنقل حول الخطر ثم العودة بسلاسة إلى مسار التشكيل الأصلي. تضمن قدرة التبديل السلس هذه قدرة الأسطول بأكمله على الاستجابة لخطر مفاجئ دون كسر شكلهم المنسق أو إثارة الذعر بين الأتباع.

اختبر الباحثون نظامهم من خلال عمليات محاكاة حاسوبية مفصلة شملت أسطولاً من عشر سفن. في هذه السيناريوهات الافتراضية، كُلفت السفن الأربع القائدة بالحفاظ على تشكيل مثلثي أثناء الإبحار نحو وجهة معينة. كما طُلب من السفن الست التابعة البقاء ضمن الحدود التي رسمها القادة. أدخلت عمليات المحاكاة تحديات متنوعة، بما في ذلك اضطرابات عشوائية لمحاكاة آثار الرياح والأمواج، بالإضافة إلى الظهور المفاجئ للعقبات في مسارات السفن. أظهرت النتائج أن طريقة التحكم المقترحة نجحت في توجيه القادة لتتبع مساراتهم المستهدفة مع الحفاظ على التشكيل المثلثي. وعند ظهور العقبات، تمكن القادة من التبديل إلى وضع التجنب، والمناورة حول الخطر ثم العودة إلى مسارهم الأصلي. والأهم من ذلك، ظل الأتباع محتويين بأمان داخل تشكيل القادة طوال هذه المناورات، ولم يبتعدوا كثيراً أو يصطدموا بالعقبات.

كما سلطت الدراسة الضوء على أهمية الأدوات الرياضية المحددة المستخدمة. ومن خلال توسيع أساليب التحليل المصممة أصلاً للأنظمة الخطية لتشمل هذه الأنظمة الأكثر تعقيداً وغير الخطية، تمكن الباحثون من إثبات أن استراتيجية التحكم الخاصة بهم ستعمل دون الحاجة إلى افتراضات إضافية غير واقعية. وقد أظهروا أن النظام يمكنه بفعالية تخفيف آثار الاضطرابات، مما يضمن بقاء السفن مستقرة وعلى المسار الصحيح. إن دمج منطق تجنب الاصطدام مباشرة في متحكم التشكيل يعني أن السفن لا تحتاج إلى التبديل بين أوضاع التحكم المختلفة بطريقة مزعجة. بدلاً من ذلك، كان الانتقال من الملاحة العادية إلى تجنب العقبات انسيابياً ومستمراً، مما حافظ على سلامة الأسطول بأكمله.

يمثل هذا العمل خطوة كبيرة للأمام في تطوير الأنظمة البحرية ذاتية القيادة. فهو يتجاوز الإمكانية النظرية لعمل السفن معاً إلى إطار عملي يأخذ في الاعتبار الواقع الفوضوي وغير المستقر للمحيط. ومن خلال الجمع بين رفض الاضطرابات القوي وتجنب الاصطدام الذكي وسلس التبديل، قدم الباحثون مخططاً لكيفية عمل أساطيل السفن ذاتية القيادة مستقبلاً بأمان في المياه المزدحمة أو الخطرة. وتشير عمليات المحاكاة إلى أن هذا النهج قابل للتطبيق في العالم الحقيقي، مما يوفر وسيلة لإبقاء السفن منسقة وآمنة حتى عندما تحاول البيئة تفريقها. ومع استمرار نضوج التكنولوجيا ذاتية القيادة، ستكون أساليب مثل هذه ضرورية لنشر أساطيل يمكنها التعامل مع التعقيد الكامل للبحر المفتوح.