خوارزمية عنقودية مُساعدة بالمركبات الجوية غير المأهولة مستوحاة من الطبيعة ومتعددة الأهداف وقابلة للتوسع في شبكات الطيران المؤقتة

قطعان طائرات أكثر ذكاءً في السماء

تخيل أساطيل من الطائرات من دون طيار تعمل معًا للبحث عن ناجين بعد زلزال، أو لرصد حرائق الغابات، أو لمراقبة المساحات الزراعية. لكي تقوم بذلك بكفاءة، يجب على مئات الروبوتات الطائرة أن تتواصل سريعًا دون استنزاف بطارياتها. تبحث هذه الورقة في كيفية تنظيم مثل هذه «قطعان الطائرات» بحيث تبقى مترابطة، وتستجيب بسرعة، وتطير لفترات أطول عبر اقتراض أفكار من مصدر غير متوقع: سلوك الصيد لدى طائر السكرتير.

لماذا من الصعب السيطرة على شبكات الطيران

يمكن للطائرات الحديثة تكوين ما يسميه المهندسون شبكات الطيران المؤقتة، أو FANETs — شبكات لاسلكية توجد فقط في الهواء. على عكس الشبكات الأرضية، تتحرك هذه الطائرات في ثلاثة أبعاد، وتغير اتجاهها بسرعة، وتعتمد على طاقة بطارية محدودة. إذا حاولت كل طائرة التواصل مباشرة مع كل طائرة أخرى، ستتصادم الإشارات، وتزداد التأخيرات، وتنفد البطاريات بسرعة. حل شائع هو تشكيل مجموعات عنقودية: مجموعات صغيرة من الطائرات يقودها «رئيس عنقود» ينسق الرسائل المحلية ويتواصل مع رؤساء العناقيد الآخرين. لكن اختيار أي الطائرات يجب أن تصبح قادة، ومتى يعاد توزيع هذه الأدوار مع تحرك القطيع، هو لغز متغير باستمرار.

اقتراض حيل من طائر مفترس

يلجأ المؤلفون إلى فكرة مستوحاة من الطبيعة تسمى خوارزمية تحسين طائر السكرتير (SBOA). يُعرف طائر السكرتير بمسحه مساحات واسعة، ثم الانقضاض وضرب فريسته بركلات دقيقة. تنسخ SBOA هذا النمط برمجيًا. تبدأ باستكشاف العديد من الطرق الممكنة لتعيين رؤساء العناقيد عبر القطيع، ثم تركز تدريجيًا على الخيارات الأكثر وعدًا. في كل خطوة، تطرح ثلاث أسئلة: هل الطائرات داخل كل عنقود متقاربة بما يكفي؟ هل لدى القادة المختارين طاقة بطارية كافية؟ وهل تُوزع الأحمال بشكل عادل بحيث لا يصبح قائد مُرهقًا بينما الآخرون خامدون؟ بمعاملة هذا التحدي كمسألة متعددة الأهداف، توازن الخوارزمية بين المسافة والطاقة والعدالة في آن واحد.

اختبار قطعان الطائرات في عوالم افتراضية

للاطمئنان إلى فاعلية استراتيجية الطائر المستوحاة من الطبيعة، بنى الفريق محاكيات حاسوبية مفصلة. أطلقوا ما بين 30 و160 طائرة في فضاءات ثلاثية الأبعاد بأحجام مختلفة، من كيلومتر مربع واحد وحتى صندوق واسع بمساحة 15×15 كيلومترًا، وجعلوها تطير بنموذج حركة بسيط. تفاوت مدى الاتصالات بين 100 و900 متر. لكل سيناريو، تنافست SBOA مع ثلاث بدائل متقدمة تحاكي أيضًا سلوكًا طبيعيًا: تحسين صقر النار (FHOA)، تحسين عنكبوت بورتيا (PSOA)، وطريقة متعددة الأهداف مستوحاة من تخصيب الحيوانات المنوية (MOSFP). راقب الباحثون عدد العناقيد المتكونة، ومدى سرعة ظهور بنية مستقرة، وعدالة توزيع مهام القادة، ومقدار «الملاءمة» التي حققتها الحلول، حيث يجمع هذا المقياس المسافة واستهلاك الطاقة والتوازن في نتيجة واحدة.

ما كشفت عنه المحاكيات

في معظم الاختبارات، خرجت SBOA متقدمة. حققت بانتظام ملاءمة أعلى تصل إلى 15% مقارنة بمنافسيها، مع عنقدة أكثر كفاءة بنحو 10% وتوازنًا في الأحمال بين القادة أفضل تقريبًا بنسبة 40%. في تجارب الزمن المحسوب، وصلت مقاربة طائر السكرتير إلى نمط عنقدة مستقر في إطارات محاكاة أقل، لا سيما مع زيادة عدد الطائرات. حتى في مناطق ثلاثية الأبعاد واسعة ومتباعدة حيث تكون الطائرات متباعدة، حافظت SBOA على أكثر من 85% من أفضل ملاءمة ممكنة، مما يدل على قدرتها على التكيف مع كل من القطعان الكثيفة والتشكيلات المبعثرة. وأكدت أدوات العرض البصري مثل مخططات السطح وخرائط t-SNE ومخططات الكمان أن SBOA أنتجت عناقيد أضيق وأكثر تمايزًا مع تباين أقل في أعباء القادة مقارنة بالطرق الأخرى.

من المحاكاة إلى المهمات الحقيقية

تخلص الدراسة إلى أن استراتيجية مستوحاة من طائر السكرتير تقدم وصفة قوية لإدارة قطعان الطائرات: تحافظ على تجمع الطائرات بكفاءة، وتوزع العمل بعدل بين القادة، وتستجيب بسلاسة لتغير الظروف. للقارئ العام، يعني هذا أن أساطيل الطائرات في مهمات الإنقاذ أو الزراعة أو المراقبة قد تبقى متصلة لفترات أطول، وتستهلك طاقة أقل، وتستجيب بمزيد من الاعتمادية، ببساطة عبر تنظيم أفضل لأنفسها. ويشير المؤلفون إلى أن عوامل العالم الحقيقي — مثل هبات الريح، أخطاء نظام تحديد المواقع، والتداخلات الراديوية — ما زالت بحاجة للاختبار، ويقترحون إضافة توقعات الحركة المعتمدة على التعلم وتوجيهًا أذكى كخطوات تالية. لكن كخطوة نحو شبكات هوائية قوية، تُظهر SBOA أن مراقبة كيفية صيد الطبيعة على السافانا يمكن أن تساعد في جعل مساعدينا الروبوتيين أكثر قدرة في السماء.

الاستشهاد: Aslam, Z., Rahman, T., Husnain, G. et al. An intelligent bio-inspired multi-objective and scalable UAV-assisted clustering algorithm in flying ad hoc networks. Sci Rep 16, 4870 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35196-z

الكلمات المفتاحية: قطعان الطائرات من دون طيار, الاتصالات اللاسلكية, خوارزميات مستوحاة من الطبيعة, شبكات موفرة للطاقة, شبكات الطيران المؤقتة