مُجدول متعدد الأهداف مُستوحى من الكم لتنسيق المهام القابل للتوسع في أنظمة سيبر-فيزيائية-اجتماعية مبنية على الحافة

حوسبة أكثر ذكاءً عند حافة الشبكة

من الساعات الذكية والسيارات المتصلة إلى شبكات المستشعرات على مستوى المدينة، تعتمد حياتنا اليومية بشكل متزايد على ملايين الأجهزة الصغيرة التي يجب أن تتفاعل في الوقت الحقيقي. تستكشف هذه الورقة كيف يمكن تنسيق كل تلك الأنشطة الرقمية بسرعة أكبر وتكلفة أقل وباستهلاك طاقة أقل من خلال إعادة التفكير في كيفية جدولة المهام على «الضباب» المكوّن من خوادم صغيرة تقع بين أجهزتنا ومراكز بيانات السحابة البعيدة.

لماذا لا تكفي السحابة وحدها

تمزج الأنظمة السيبر-فيزيائية-الاجتماعية الحديثة بين المستشعرات المادية والشبكات الحاسوبية والسلوك البشري. تشمل الأمثلة النقل الذكي، والمراقبة الصحية عن بُعد، والأتمتة الصناعية. في هذه البيئات، غالبًا ما يجب معالجة البيانات في غضون ميليثانية؛ الاعتماد فقط على خوادم سحابة بعيدة قد يسبب تأخيرات وازدحامًا وانقطاعات في الخدمة. تعالج الحوسبة الضبابية هذا الأمر عبر وضع عقد حوسبة أقرب إلى المستخدمين — على وحدات جانبية على الطرق، ومحطات القاعدة، والبوابات المحلية. ومع ذلك، فإن تحديد أي عقدة ضبابية ينبغي أن تتولى أي مهمة ليس بالأمر البسيط. كل قرار يؤثر على زمن انتظار المستخدمين، والتكاليف التي يتحملها مزودو الخدمة والغرامات المحتملة، ومقدار الكهرباء التي يستهلكها النظام ككل.

تحدي التوفيق بين الزمن والمال والطاقة

تعد جدولة المهام في بيئات الضباب مشكلة من نوع NP-hard: مع ازدياد عدد الأجهزة والوظائف، يتفجر عدد التعيينات الممكنة. يمكن للجدولة الحالية المعتمدة على ذكاء السرب أو التعلم المعزز أو الخوارزميات التطورية الكلاسيكية أن توفق بين هدفين، مثل الزمن والتكلفة، لكنها غالبًا ما تكافح عند إضافة عامل ثالث — كفاءة الطاقة — أو عندما تصل آلاف المهام من مستخدمين متنقلين واجتماعيًا. قد تتقارب هذه الأساليب ببطء، أو تعلق في أمثلية محلية، أو تنتج مجموعة محدودة من خيارات المقايضة، مما يصعّب تشغيل نشرات واسعة وواقعية.

استعارة أفكار من فيزياء الكم — دون كمبيوتر كمّي

يقترح المؤلفون إطارًا جديدًا للجدولة يُسمى FOG-QIEA، وهو «مستوحى من الكم» لكنه يعمل بالكامل على معالجات عادية. بدلاً من استخدام كيوبتات حقيقية، يقوم الخوارزم بترميز كل تعيين محتمل لمهمة إلى عقدة على شكل متجه احتمالي يُحاكي التراكب الكمّي: تُمثَّل إمكانيات عديدة في آن واحد. تعديلات مخصصة، يُشبهون بوابات الدوران والتشابك، تعدّل هذه الاحتمالات بشكل منسق، مما يساعد البحث على الاستكشاف الواسع في البداية ثم التركيز على مناطق واعدة من فضاء الحلول. استراتيجية الجوار تُكرّر مجموعات الحلول المرتبطة بحيث يقدم مجموعة نهائية من الجداول مقايضات متوازنة بين ثلاثة أهداف: إجمالي زمن التنفيذ، والتكلفة النقدية الكلية (بما في ذلك الغرامات عن فوات المواعيد النهائية)، وإجمالي استهلاك الطاقة عبر عقد الضباب.

اختبار المجدول الجديد

لتقييم FOG-QIEA، يحاكي المؤلفون سيناريوهات واقعية على طراز المدن الذكية باستخدام مجموعة أدوات iFogSim، مع نمذجة مئات إلى آلاف مهام إنترنت الأشياء تتدفق عبر بنية ذات ثلاث طبقات من الأجهزة الطرفية، وعقد الضباب، وخوادم السحابة. يقارنون نهجهم بخوارزميات تطورية معروفة مثل NSGA-II، ومجدلات أحدث قائمة على السرب أو التعلم، وتقنيات أخرى مستوحاة من الكم. عبر العديد من التشغيلات وأحجام المهام، يتقارب FOG-QIEA إلى حلول عالية الجودة أسرع بنسبة 20–35%، ويخفض استهلاك الطاقة بنحو 15–25%، ويقلل التكلفة الإجمالية وانتهاكات مستوى الخدمة مقارنة بالطرق المنافسة. كما يحافظ على «حد باريتو» أغنى — مجموعة أكثر تنوعًا من خيارات الحلول الوسط — حتى يتمكن مشغلو النظام من اختيار جداول تركز على السرعة أو التوفير أو الاستدامة حسب الحاجة.

ماذا يعني هذا لمجتمعات مترابطة مستقبلية

بالنسبة لغير المتخصصين، الرسالة الأساسية هي أن استعارة مفاهيم من ميكانيكا الكم يمكن أن تجعل الحواسيب الكلاسيكية اليوم تدير الشبكات المعقدة بذكاء أكبر. يوضح FOG-QIEA أنه من خلال تمثيل العديد من خيارات الجدولة في آن واحد وتحديثها بطريقة منسقة قائمة على الاحتمالات، يمكن لأنظمة الضباب خدمَة المزيد من المستخدمين بموثوقية أكبر أثناء استهلاك طاقة أقل. يجعل هذا خدمات المدن الذكية الواسعة النطاق والرعاية الصحية والنقل أكثر عملية وصديقة للبيئة اليوم، ويضع أساسًا لأنظمة هجينة مستقبلية قد تجمع يومًا ما بين مثل هذه الخوارزميات وعتاد كمّي حقيقي.

الاستشهاد: Hammouda, N.G., Shalaby, M., Alfilh, R.H.C. et al. A quantum-driven multi-objective scheduler for scalable task orchestration in fog-based cyber-physical-social systems. Sci Rep 16, 6874 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-025-33627-x

الكلمات المفتاحية: الحوسبة الضبابية, جدولة المهام, خوارزميات مستوحاة من الكم, المدن الذكية, حوسبة كفؤة في استهلاك الطاقة