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

महासागर के विशाल और अप्रत्याशित विस्तार में, समुद्री यात्रा का भविष्य मानव चालक दल से स्वायत्त जहाजों (autonomous vessels) की ओर स्थानांतरित हो रहा है। ये स्व-शासित जहाज खतरनाक जलमार्गों में नेविगेट करने के लिए डिज़ाइन किए गए हैं, जो मानव जीवन के जोखिम को कम करते हुए जटिल मिशनों को पूरा करते हैं। हालाँकि, रक्षा या एस्कॉर्ट ऑपरेशनों जैसे बड़े पैमाने के कार्यों के लिए अकेले संचालित होने वाला एक एकल जहाज शायद ही कभी पर्याप्त होता है। इन चुनौतियों से निपटने के लिए, इंजीनियर ऐसे सिस्टम विकसित कर रहे हैं जहाँ कई जहाज एक समन्वित टीम के रूप में मिलकर काम करते हैं। यह अवधारणा, जिसे मल्टी-एजेंट कंट्रोल कहा जाता है, जहाजों के एक-दूसरे के साथ संवाद करने पर निर्भर करती है ताकि वे जानकारी साझा कर सकें और एक साथ चल सकें। लक्ष्य यह है कि जहाजों का एक समूह एक विशिष्ट आकार, या फॉर्मेशन बनाए रखे, जबकि यह सुनिश्चित करे कि प्रत्येक सदस्य समूह के लीडरों द्वारा परिभाषित सुरक्षित सीमाओं के भीतर रहे। फिर भी, महासागर एक स्थिर वातावरण नहीं है। यह अचानक आने वाली बाधाओं, बदलते प्रवाह और नमक के पानी के कारण होने वाली टूट-फूट से भरा है जो एक जहाज के सेंसर को भ्रमित कर सकते हैं। शोधकर्ताओं के लिए केंद्रीय चुनौती एक ऐसा नियंत्रण प्रणाली बनाना है जो न केवल बेड़े को फॉर्मेशन में रखने के लिए स्मार्ट हो, बल्कि खतरे के प्रति तुरंत प्रतिक्रिया देने के लिए भी पर्याप्त मजबूत हो ताकि वह अपना रास्ता न भटके।

ताइवान और चीन के विश्वविद्यालयों के शोधकर्ताओं की एक टीम ने एक नॉनलीनियर स्वायत्त मल्टी-शिप सिस्टम के लिए एक नई नियंत्रण विधि विकसित करके इस चुनौती का समाधान किया है। उनका दृष्टिकोण कई उन्नत तकनीकों को जोड़ता है ताकि यह सुनिश्चित किया जा सके कि दस जहाजों का एक बेड़ा सुरक्षित रूप से एक साथ चल सके, भले ही उन्हें अप्रत्याशpected बाधाओं और पर्यावरणीय गड़बड़ियों का सामना करना पड़े। शोधकर्ताओं ने एक विशिष्ट समस्या पर ध्यान केंद्रित किया: कैसे जहाजों के एक समूह को एक सटीक फॉर्मेशन में रखा जाए, जबकि उन्हें अन्य वस्तुओं या एक-दूसरे से टकराने से भी बचाया जा सके। उनके प्रस्तावित सिस्टम में, चार जहाज लीडर के रूप में कार्य करते हैं, जिनका कार्य पथ को परिभाषित करना और समूह के समग्र आकार को बनाए रखना है। शेष छह जहाज फॉलोअर्स के रूपक रूप में कार्य करते हैं, जिन्हें लीडरों द्वारा बनाई गई सीमा के भीतर रहना चाहिए। यह व्यवस्था, जिसे फॉर्मेशन-कंटेनमेंट कोऑर्डिनेशन कहा जाता है, लीडरों को जटिल नेविगेशन कार्यों को संभालने की अनुमति देती है जबकि फॉलोअर्स अपने विशिष्ट भूमिकाओं पर ध्यान केंद्रित करते हैं, जिससे एक पदानुक्रम बनता है जो दक्षता और सुरक्षा में सुधार करता है।

इस नई विधि का मूल आधार यह है कि जहाज जानकारी को कैसे संसाधित करते हैं और निर्णय लेते हैं। पारंपरिक नियंत्रण प्रणालियाँ अक्सर समुद्री वातावरण की अनिश्चितताओं, जैसे कि जहाज के हल (hull) का क्रमिक क्षरण या हवा और लहरों के अप्रत्याशित बल के साथ संघर्ष करती हैं। इसे दूर करने के लिए, शोधकर्ताओं ने एक गणितीय ढांचे का उपयोग किया जिसे इंटरवल टाइप-2 फजी मॉडल कहा जाता है। निश्चित नियमों पर निर्भर सरल मॉडलों के विपरीत, यह प्रणाली अस्पष्टता और अनिश्चितता को अधिक प्रभावी ढंग से संभालने के लिए डिज़ाइन की गई है। यह जहाज के कंप्यूटर को यह समझने की अनुमति देता है कि एक सेंसर रीडिंग एक एकल, सटीक मान नहीं बल्कि संभावनाओं की एक सीमा हो सकती है। इस लचीले दृष्टिकोण का उपयोग करके, सिस्टम अपूर्ण या शोर युक्त डेटा प्राप्त होने पर भी अधिक विश्वसनीय निर्णय ले सकता है। समुद्र के निरंतर, यादृच्छिक झटकों के संपर्क में आने पर स्थिरता बनाए रखने के लिए यह अत्यंत महत्वपूर्ण है।

जहाजों को इन गड़बड़ियों के बावजूद मार्ग पर बनाए रखने के लिए, शोधकर्ताओं ने स्लाइडिंग मोड कंट्रोल नामक तकनीक को एकीकृत किया। यह विधि एक शक्तिशाली सुधारात्मक बल के रूप में कार्य करती है, जो वांछित पथ से किसी भी विचलन को बेअसर करने के लिए जहाज के थ्रस्टर्स को लगातार समायोजित करती है। यह हवा के अचानक झोंकों या तेज धाराओं जैसे बाहरी बलों को संभालने में विशेष रूप से प्रभावी है। हालाँकि, जब टक्कर निकट हो तो केवल पूर्व-नियोजित पथ पर बने रहना पर्याप्त नहीं है। शोधकर्ताओं ने एक नया कोलिजन अवॉयडेंस एल्गोरिदम विकसित किया है जो फॉर्मेशन कंट्रोल के साथ मिलकर काम करता है। यह एल्गोरिदम आर्टिफिशियल पोटेंशियल फील्ड नामक अवधारणा का उपयोग करता है, जो जहाज के चारों ओर एक आभासी परिदृश्य (virtual landscape) बनाता है। इस परिदृश्य में, बाधाएं प्रतिकर्षक बलों (repulsive forces) की तरह कार्य करती हैं, जो जहाज को दूर धकेलती हैं, जबकि गंतव्य एक आकर्षक बल (attractive force) की तरह कार्य करता है, जो इसे आगे खींचता है।

यह एल्गोरिदम जो इसे अद्वितीय बनाता है वह विभिन्न बचाव रणनीतियों के बीच सुचारू रूप से स्विच करने की इसकी क्षमता है। शोधकर्ताओं ने दो प्रकार के आभासी बलों को जोड़ा: एक वोर्टेक्स फोर्स (vortex force) जो जहाज को बाधा के चारों ओर घूमने के लिए निर्देशित करता है, और एक सोर्स फोर्स (source force) जो जहाज को सीधे दूर धकेलता है। फजी लॉजिक का उपयोग करके, सिस्टम वास्तविक समय में स्थिति का मूल्यांकन करता है और इन दोनों बलों को आपस में मिला देता है। यह जहाज को डेडलॉक (deadlock) में फंसने से रोकता है, एक ऐसी स्थिति जहाँ वह किसी बाधा के चारों ओर अनंत काल तक घूम सकता है या उसके ठीक सामने रुक सकता है। इसके बजाय, जहाज खतरे के चारों ओर नेविगेट कर सकता है और फिर सहजता से अपने मूल फॉर्मेशन पथ पर लौट सकता है। यह सुचारू स्विचिंग क्षमता यह सुनिश्चित करती है कि पूरा बेड़ा अपने समन्वित आकार को तोड़े बिना या फॉलोअर्स के बीच घबराहट पैदा किए बिना अचानक आई किसी भी बाधा के प्रति प्रतिक्रिया दे सके।

शोधकर्ताओं ने दस जहाजों के बेड़े को शामिल करते हुए विस्तृत कंप्यूटर सिमुलेशन के माध्यम से अपने सिस्टम का परीक्षण किया। इन आभासी परिदृश्यों में, चार लीडर जहाजों को एक गंतव्य की ओर बढ़ते समय त्रिकोणीय फॉर्मेशन बनाए रखने का कार्य दिया गया था। छह फॉलोर जहाजों को लीडरों द्वारा बनाई गई सीमाओं के भीतर रहना आवश्यक था। सिमुलेशन में विभिन्न चुनौतियों को पेश किया गया, जिसमें हवा और लहरों के प्रभावों की नकल करने के लिए रैंडम डिस्टर्बेंस, और जहाजों के पथ में अचानक बाधाओं का आना शामिल था। परिणामों ने प्रदर्शित किया कि प्रस्तावित नियंत्रण पद्धति ने लीडरों को उनके लक्ष्य पथ का अनुसरण करने और त्रिकोणीय फॉर्मेशन बनाए रखने में सफलतापूर्वक मार्गदर्शन किया। जब बाधाएं आईं, तो लीडर बचाव मोड में स्विच करने, खतरे के चारों ओर कुशलता से नेविगेट करने और फिर अपने मूल पथ पर लौटने में सक्षम थे। महत्वपूर्ण रूप से, फॉलोर जहाज इन युद्धाभ्यास के दौरान लीडरों के फॉर्मेशन के भीतर सुरक्षित रहे, वे कभी भी बहुत दूर नहीं भटके या बाधाओं से नहीं टकराए।

अध्ययन ने उपयोग किए गए विशिष्ट गणितीय उपकरणों के महत्व पर भी प्रकाश डाला। इन अधिक जटिल नॉनलीनियर सिस्टम के लिए मूल रूप से लीनियर सिस्टम के लिए डिज़ाइन किए गए विश्लेषण तरीकों का विस्तार करके, शोधकर्ता यह सिद्ध करने में सक्षम रहे कि उनकी नियंत्रण रणनीति अतिरिक्त, अवास्तविक धारणाओं की आवश्यकता के बिना काम करेगी। उन्होंने दिखाया कि सिस्टम गड़बड़ियों के प्रभाव को प्रभावी ढंग से कम कर सकता है, जिससे यह सुनिश्चित होता है कि जहाज स्थिर और मार्ग पर बने रहें। कोलिजन अवॉयडेंस लॉजिक को सीधे फॉर्मेशन कंट्रोलर में एकीकृत करने का अर्थ था कि जहाजों को अलग-अलग नियंत्रण मोड के बीच झटकेदार तरीके से स्विच करने की आवश्यकता नहीं थी। इसके बजाय, सामान्य नेविगेशन से बाधा बचाव की ओर संक्रमण तरल और निरंतर था, जिससे पूरे बेड़े की अखंडता बनी रही।

यह कार्य स्वायत्त समुद्री प्रणालियों के विकास में एक महत्वपूर्ण कदम है। यह जहाजों के एक साथ काम करने की सैद्धांतिक संभावना से आगे बढ़कर एक व्यावहारिक ढांचे की ओर बढ़ता है जो महासागर की अस्त-व्यस्त, अनिश्चित वास्तविकता को ध्यान में रखता है। मजबूत डिस्टर्बेंस रिजेक्शन के साथ बुद्धिमान, स्मूथ-स्विचिंग कोलिजन अवॉयडेंस को जोड़कर, शोधकर्ताओं ने एक ब्लूप्रिंट प्रदान किया है कि कैसे भविष्य के स्वायत्त जहाजों के बेड़े भीड़भाड़ वाले या खतरनाक जलमार्गों में सुरक्षित रूप से संचालित हो सकते हैं। सिमुलेशन बताते हैं कि यह दृष्टिकोण वास्तविक दुनिया के अनुप्रयोगों के लिए व्यवहार्य है, जो जहाजों को समन्वित और सुरक्षित रखने का एक तरीका प्रदान करता है, भले ही वातावरण उन्हें अलग करने की कोशिश करे। जैसे-जैसे स्वायत्त तकनीक परिपक्व होती जा रही है, इस तरह की विधियाँ उन बेड़ों को तैनात करने के लिए आवश्यक होंगी जो खुले समुद्र की पूरी जटिलता को संभालने में सक्षम हों।