Optimizing Traffic Conflict Analysis at Signalized Intersections Using Multi-Scale Cellular Automata

في قلب مدينة صاخبة، يمثل التقاطع مكاناً للتفاوض المستمر. إنه حيث تلتقي الجداول الزمنية الصارمة لإشارات المرور مع الإيقاعات غير المتوقعة للحركة البشرية. لعقود من الزمن، حاول المهندسون ترويض هذه الفوضى، معتمدين غالباً على نماذج تعامل السيارات والمشاة كتدفقات مرورية منفصلة. ومع ذلك، في أجزاء كثيرة من العالم، ولا سيما في الهند، فإن الواقع أكثر تداخلاً بكثير. فالمشاة لا ينتظرون عند الرصيف فحسب؛ بل يتسللون عبر المركبات، ويجب على المركبات أن تتكيف باستمرار مع وجود الناس. ولفهم هذه الرقصة المعقدة بين السلامة والكفاءة، يلجأ الباحثون إلى طريقة تسمى "الخلايا ذاتية التشغيل" (cellular automata). تخيل شبكة شاسعة، مثل لوحة الشطرنج، حيث يمكن لكل مربع أن يكون فارغاً أو مشغولاً. في النسخ التقليدية لهذا النموذج، تكون جميع المربعات متساوية الحجم، وتكون قواعد الحركة بسيطة وموحدة. لكن الحياة الواقعية ليست موحدة؛ فخطوة واحدة يتخذها شخص تختلف عن المسحة الضخمة لشاحنة تنعطف، كما أن تدفق الحشد يتغير اعتماداً على مدى ازدحام الشارع. وهنا يأتي دور نهج أحدث وأكثر تطوراً، يسمح للشبكة نفسها بتغيير تركيزها، حيث تقرب النظر (zoom in) على الخطوات الفردية بينما تبتعد في الوقت نفسه (zoom out) لرؤية تدفق الشارع بأكم.

لقد طبق باحث في معهد SRM للعلوم والتكنولوجيا في الهند هذا التفكير المتقدم على مشكلة محددة: التفاعلات الخطيرة والمربكة غالباً بين السيارات والناس عند التقاطعات المنظمة بإشارات مرور. يركز عملهم، الذي نُشر في مقال بحثي، على تقاطع ثلاثي المسارات حيث تتقاطع مسارات المركبات والمشاة تحت توجيه إشارات المرور. قام الفريق ببناء محاكاة رقمية باستخدام ما يسمونه "الخلايا ذاتية التشغيل متعددة المقاييس" (Multi-Scale Cellular Automata). وخلافاً للنماذج القديمة التي قد تنظر إلى التقاطع بأكمله بعدسة واحدة ضبابية، يستخدم هذا النموذج الجديد شبكة هرمية. فهو يعمل بمستويات مختلفة من التفصيل في آن واحد؛ ففي المستوى الأصغر، يتتبع حركة شخص واحد يخطو في مساحة فارغة. وفي المستوى المتوسط، ينظر في كيفية تأثير كثافة الحشد على سرعة المشي. وفي المستوى الأكبر، يأخذ في الاعتبار إشارات المرور والتدفق العام للمركبات. ومن خلال دمج هذه المنظورات، أنشأ الباحث بيئة افتراضية تحاكي السلوك الفوضوي لشارع هندي مزدحم، حيث يعتبر المرور المختلط هو القاعدة.

ركزت المحاكاة على سيناريو محدد: تقاطع منظم بدورة ثابتة مدتها تسعون ثانية. وضمن هذه الدورة، يتم توقيت إشارات المرور للمركبات والمشاة بشكل مختلف. فإشارة المشاة، على سبيل المثال، تسمح بـ ثلاثين ثانية من الضوء الأخضر تليها ستون ثانية من الضوء الأحمر. الطريق المؤدي إلى هذا التقاطع هو شارع ذو اتجاهين بمسارين، ويمتد ممر المشاة نفسه بطول أربعة وعشرين متراً وعرض ثلاثة أمتار. ملأ الباحث هذا الفضاء الرقمي بمشاة ومركبات افتراضية. لقد برمجوا المشاة للوصول في فترات عشوائية، تماماً كما يفعل الناس في الواقع، وللتحرك بسرعات تختلف بناءً على مدى ازدحام ممر المشاة. إذا كان المسار أمامهم خالياً، فقد يتحرك المشاة الافتراضي بسرعة؛ وإذا كانت المساحة ضيقة، فإنهم يبطئون أو يتوقفون. كما تمت برمجة المركبات لتتبع منطقاً مماثلاً، حيث تتفاعل مع وجود الناس ومع لون إشارات المرور. تم تصميم النموذج ليكون مفتوحاً، مما يعني إمكانية دخول سيارات وأشخاص جدد إلى النظام والخروج منه، تماماً كما يحدث في مدينة حقيقية، بدلاً من أن يكونوا محاصرين في حلقة مغلقة.

كان جوهر الدراسة هو مراقبة كيفية تفاعل هؤلاء الوكلاء الافتراضيين وأين يحدث تصادمهم. حدد الباحث مناطق محددة يرجح فيها حدوث النزاعات. كانت إحدى نقاط التوتر الرئيسية هي حارة الانعطاف يساراً، حيث قد يقطع مركبة تنعطف يساراً مسار المشاة الذين لديهم ضوء أخضر. وشملت منطقة نزاع أخرى المركبات التي تسير في خط مستقيم والمشاة الذين يعبرون الشارع، خاصة عندما تسمح القواعد للمركبات بالمضي قدما بينما لا يزال المشاة في حالة عبور. تتبعت المحاكاة كل مرة يحاول فيها مركبة ومشاة احتلال نفس المساحة في نفس الوقت. كما قامت بقياس التأخير الناتج عن هذه التفاعلات، وحساب المدة التي اضطر المشاة للانتظار أو التوقف لتجنب الاصطدام. أظهرت النتائج أنه مع زيادة عدد المركبات، تزداد تأخيرات المشاة بشكل كبير. وكشف النموذج أن هذه التأخيرات لم تكن مجرد إضافة بسيطة للوقت؛ بل خلقت تأثيراً متسلسلاً (ripple effect). فعندما تصل كثافة السيارات إلى نقطة معينة، يتغير سلوك النظام بأكمله، مما يؤدي إلى زيادات مفاجئة في الازدحام والنزاعات.

ما يجعل هذه الدراسة متميزة هو كيفية التقاطها للطبيعة غير الخطية لهذه التفاعلات. في النماذج الأبسط، قد يعني إضافة المزيد من السيارات مجرد زيادة ثابتة في وقت الانتظار. أما في هذه المحاكاة متعددة المقلقبات، فقد لاحظ الباحث أن النظام يتصرف بشكل مختلف عند مستويات مختلفة من الازدحام. ففي الكثافات المنخفضة، يتحرك المشاة والسيارات بحرية نسبية. ولكن مع ازدياد حجم الحشد، تصبح التفاعلات أكثر تعقيداً، وتتصاعد التأخيرات بطرق يصعب التنبؤ بها باستخدام الطرق القديمة. وأظهر النموذج أن توقيت إشارات المرور يلعب دوراً حاسماً؛ فحتى بضع ثوانٍ من عدم التوافق بين إشارة المشاة وتدفق المركبات يمكن أن تؤدي إلى سلسلة من النزاعات. ووجد الباحث أنه عندما يُجبر المشاة على الانتظار لفترة طويلة جداً، فقد يبدأون في العبور عكس الإشارة الحمراء، وهو سلوك يزيد من تعقيد حركة المرور ويرفع مخاطر الحوادث. كما سلطت المحاكاة الضوء على أن عرض ممر المشاة ومعدل وصول المشاة هما عاملان حاسمان. فرغم أن ممر المشاة الأعرض قد يبدو حلاً بسيطاً، إلا أنه إذا لم يتم تعديل توقيت إشارة المرور ليتناسب مع التدفق، فقد لا يقلل من النزاعات كما هو متوقع.

تشير النتائج إلى أن تحسين هذه التقاطعات يتطلب النظر إلى المشكلة من زواหลาย جوانب في آن واحد. فلا يكفي مجرد تغيير طول الضوء الأخضر أو توسيع الطريق. لقد أثبت الباحث أن النموذج القادر على رؤية كل من الخطوة الفردية وحركة الحشد الإجمالية ضروري لفهم الديناميكيات الحقيقية لحركة المرور. ومن خلال استخدام هذا النهج متعدد المقاييس، تمكنوا من تحديد مكان وسبب حدوث النزاعات بدقة. ووجدوا أن اللحظات الأكثر خطورة تحدث غالباً عندما تكون قواعد الطريق غامضة، مثل السماح للمركبة بالانعطاف أثناء وجود الضوء الأحمر بينما يعبر المشاة الطريق. لا تدعي الدراسة أنها حلت مشكلة سلامة المرور، لكنها توفر أداة قوية لاختبار الحلول. ويقترح الباحث إمكانية استخدام نموذجه لتصميم إشارات مرور أفضل تتكيف مع التغير في كثافة الناس والسيارات في الوقت الفعلي. كما يقترحون أن العمل المستقبلي يمكن أن يشمل اختبار هذه النماذج مقابل بيانات واقعية من تقاطعات فعلية لمعرفة مدى صمود عمليات المحاكاة.

في نهاية المطاف، تقدم هذه الدراسة رؤية أوضح للقوى الخفية التي تحكم تنقلنا اليومي. إنها تتجاوز فكرة المرور كمجرد تدفق من المعدن والمطاط، وتدرك بدلاً من ذلك أنه نظام معقد من القرارات البشرية والقيود الفيزيائية. يعمل نموذج الخلايا ذاتية التشغيل متعدد المقاييس كنافذة على هذا النظام، مما يسمح للمهندسين بتجربة استراتيجيات مختلفة دون المخاطرة بأرواح حقيقية. ومن خلال فهم كيف يمكن لتردد مشاة واحد أن يمتد أثره ليؤثر على التقاطع بأكمله، يمكن لمخططي المدن تصميم مساحات ليست أكثر كفاءة فحسب، بل أكثر أماناً للجميع أيضاً. وتؤكد الدراسة على أهمية اعتبار المشاة ليس كعائق يجب إدارته، بل كجزء مركزي من النظام البيئي للمرور. ومع استمرار نمو المدن وازدياد ازدحامها، ستصبح القدرة على نمذجة هذه التفاعلات المعقدة أمراً حيوياً بشكل متزايد لإنشاء بيئات حضرية يمكن فيها للناس والمركبات التعايش دون صراع مستمر.