A Layered Spatial Graph Framework for Intelligent Multi-Floor Indoor Navigation

إن العثور على طريقك داخل مبنى ضخم متعدد الطوابق هو نوع مختلف من الألغاز مقارنة بالتنقل في شارع بالمدينة. ففي الخارج، يعمل نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) كدليل موثوق، حيث يرسل الإشارات عبر الأقمار الصناعية ليخبرنا بمكان وقوفنا بالضبط. لكن تلك الإشارات نفسها تواجه صعوبة في اختراق الجدران السميكة، والأسقف الخرسانية، والمواد الكثيفة في العمارة الحديثة. وبمجرد دخولك إلى حرم جامعي كبير، أو مستشفى، أو مركز تسوق، تضعف إشارة القمر الصناعي، مما يترك الناس يعتمدون على اللوحات الثابتة وذاكرتهم الخاصة. وهذا أمر صعب بشكل خاص في الهياكل المعقدة التي تحتوي على عشرات الغرف في مستويات متعددة، حيث يمكن أن يؤدي منعطف خاطئ عند الدرج إلى تأخير كبير قبل المحاضرة أو الاجتماع. وقد كان التحدي الذي واجهه العلماء والمهندسون هو إنشاء دليل رقمي يعمل دون الحاجة إلى أجهزة استشعار باهظة الثمن أو أجهزة متخصصة يتم تثبيتها في جميع أنحاء المبنى.

لقد عالج فريق من الباحثين في معهد فيلور للتكنولوجيا هذه المشكلة من خلال إنشاء نظام قائم على الويب يسمى INDOORNAV. وبدلاً من محاولة تتبع موقع الشخص باستخدام الموجات الراديوية أو منارات البلوتوث، يركز نهجهم على المبنى نفسه. إنهم يتعاملون مع مخططات الطوابق كخريطة رقمية يمكن للحاسوب قراءتها، حيث يحولون الغرف والممرات والسلالم إلى شبكة متصلة. ومن خلال استخدام طريقة معروفة لإيجاد أسرع مسار عبر الشبكة، يقوم النظام بحساب أقصر مسار بين أي نقطتين ويعرضه بوضوح على الشاشة. والنتيجة هي أداة يمكن لأي شخص الوصول إليها من خلال متصفح ويب قياسي، دون الحاجة إلى تحميل تطبيق، لإرشاده من غرفته التي يبدأ منها إلى وجهته، حتى لو كان ينتقل بين طوابق مختلفة.

يكمن جوهر هذا العمل في كيفية ترجمة الباحثين لمبنى مادي إلى لغة يفهمها الحاسوب. فقد بدأوا بمخططات معمارية عالية الدقة لمبنى مكون من ثلاثة طوابق يحتوي على أكثر من ثلاثين غرفة في كل طابق. وباستخدام أدوات رسم خرائط رقمية، قاموا بتتبع الخطوط العريضة لكل غرفة وممر وباب، محولين هذه الأشكال إلى تنسيق رقمي قياسي معروف باسم GeoJSON. يعمل هذا التنسيق كمترجم عالمي للبيانات الجغرافية، مما يسمح للحاسوب برؤية المبنى ليس مجرد صورة، بل كمجموعة من الأشكال والاتصالات. ومن هذا المخطط الرقمي، أنشأ الفريق رسماً بيانياً (Graph)، وهو في الأساس خريطة من الاتصالات حيث تمثل كل غرفة وتقاطع نقطة، وكل مسار صالح للمشي بينهما خطاً.

ولإيجاد أفضل مسار، يستخدم النظام طريقة بحث تسمى خوارزمية A*. تخيل أنك تقف عند مفترق طرق ومعك خريطة ووجهة في ذهنك؛ فأنت تبحث بشكل طبيعي عن المسار الذي يبدو أنه يؤدي مباشرة نحو هدفك. تقوم خوارمة A* بشيء مشابه ولكن بدقة رياضية؛ فهي تنظر إلى المسافة التي تم قطعها بالفعل وتقدر المسافة المتبقية للوصة، وتختار باستمرار المسار الذي يبدو أكثر كفاءة. يتيح ذلك للنظام تجاهل الطرق المسدودة والالتفافات غير الضرورية، وتحديد المسار الأمثل بسرعة. وعلى عكس الطرق القديمة التي قد تفحص كل مسار ممكن، فإن هذا النهج أسرع ويستهلك طاقة حوسبة أقل، مما يجعله مثالياً للاستخدام في الوقت الفعلي على الأجهزة القياسية.

لقد اختبر الباحثون نظامهم على نطاق واسع لضمان عمله بشكل موثوق. فقد أجروا مائتي سيناريو تنقل مختلف، بما في ذلك رحلات بقيت في طابق واحد، ورحلات تطلبت التنقل صعوداً أو هبوطاً بين الطوابق، وطرق طوارئ إلى أقرب مخرج. وفي كل اختبار، نجح النظام في حساب مسار صالح. وكانت سرعة الاستجابة سريعة بشكل ملحوظ، حيث وجد النظام المسارات في أقل من ميلي ثانية في المتوسط. أما بالنسبة لحالات الطوارئ، حيث كل ثانية لها قيمتها، فقد كان النظام أسرع حتى في إيجاد المسار إلى المخرج في حوالي ثلث ميلي ثانية تقريباً. كما أثبت النظام أنه خفيف جداً على الذاكرة، حيث يستخدم جزءاً ضئيلاً من مساحة التخزين المتاحة في الكمبيوتر النموذجي، مما يعني أنه يمكنه العمل بسلاسة على أي جهاز دون إبطائه.

أحد الميزات الأكثر عملية لهذا النظام هو قدرته على التعامل مع الحركة الرأسية. ففي العديد من محاولات الملاحة الداخلية، يعد التنقل بين الطوابق مشكلة معقدة، لكن هذا النظام يعامل السلالم والمصاعد كنقاط اتصال بسيطة بين طبقات المبنى المختلفة. فعندما يحتاج المستخدم للانتقال من غرفة في الطابق الأول إلى غرفة في الطابق الثالث، يحدد النظام تلقائياً أقرب سلم أو مصعد، ويحسب المسار إليه، ثم يكمل الحساب في الطابق التالي. هذا التكامل السلس يعني أن المستخدم لا يحتاج إلى تغيير الخرائط أو تغيير نهجه عند تغيير المستويات؛ إذ يتعامل النظام مع الرحلة بأكملها كمسار واحد مستمر.

كما يضع تصميم INDOORNAV الأولوية لإمكانية الوصول وسهولة الاستخدام. ولأن النظام يعمل بالكامل في متصفح الويب، فلا يحتاج المستخدمون إلى تحميل أو تثبيت أي برامج. ما عليهم سوى فتح موقع ويب، وكتابة غرفتهم التي يبدأون منها ووجهتهم، وسيقوم النظام بإنشاء خريطة واضحة ومظللة توضح المسار. يتم إنشاء هذه الخريطة فوراً ويمكن عرضها على هاتف ذكي أو جهاز لوحي أو حاسوب محمول. وقد أظهر الباحثون أن هذا النهج يعمل بفعالية لمبنى مكون من ثلاثة طوابق، ولكن الهيكل الأساسي مصمم ليكون قابلاً للتوسع. فإذا تمت إضافة جناح جديد للمبنى أو بناء طابق جديد، يمكن تحديث النظام ببساطة عن طريق إضافة مخطط الطابق الرقمي الجديد إلى الشبكة، دون الحاجة إلى إعادة بناء النظام بالكامل من الصفر.

بعيداً عن الملاحة اليومية، يتضمن النظام وضعاً خاصاً للإخلاء في حالات الطوارب. ففي الأزمات، مثل الحرائق، يكون العثور على أسرع طريق للخروج أمراً بالغ الأهمية. يتيح النظام للمستخدم إدخال كلمة "مخرج" (Exit) كوجهة، ويقوم فوراً بحساب أقصر مسار إلى أقرب باب طوارئ، متجاوزاً أي عوائق داخلية أو تخطيطات معقدة للغرف. هذه الميزة مدمجة في نفس الإطار المستخدم للملاحة اليومية، مما يضمن أن تعليمات السلامة متسقة وموثوقة. وقد وجد الباحثون أن توجيه الطوارئ هذا كان أسرع أنواع الحسابات التي قام بها النظام، مما يسلط الضوء على قيمته المحتملة في المواقف الحرجة حيث تكون السرعة هي الأهم.

إن نجاح هذا المشروع يثبت أن الملاحة الداخلية المعقدة لا تتطلب شبكة من أجهزة الاستشعار باهظة الثمن أو الأجهزة المتخصصة. فمن خلال الاستفادة من مخططات الطوابق الرقمية الموجودة وخوارزميات البحث عن المسار الفعالة، يمكن إنشاء نظام توجيه قوي ومنخفض التكلفة وسهل النشر. لقد أثبت النظام أن النهج القائم على الويب يمكنه التعامل مع تعقيدات المباني متعددة الطوابق، مما يوفر حلاً متاحاً للطلاب وأعضاء هيئة التدريس والزوار على حد سواء. وبينما تعمل النسخة الحالية على خريطة ثابتة، فقد حدد الباحثون إمكانيات مستقبلية، مثل دمج الأوامر الصوتية أو الواقع المعزز لجعل التجربة أكثر سهولة وبداهة. أما في الوقت الحالي، فإن النظام يقف كأداة وظيفية وموثوقة تحول ارتباك المباني الكبيرة وغير المألوفة إلى مسار واضح وموجه.