خوارزمية محسّنة PSO-ABC لتخطيط مسارات الطائرات بدون طيار بناءً على بناء طوبولوجيا المجال الجوي الحضري ببيانات GIS الفعلية

سماء أكثر أمانًا لطائرات المدن

تَعِد الطائرات المورِّدة والروبوتات التفقدية بتسليم طرود أسرع ومدن أذكى، لكن تحليقها فوق الشوارع المزدحمة والمباني الشاهقة يحمل مخاطر. تُظهر هذه الدراسة كيفية بناء «طرق سريعة غير مرئية» في السماء فوق مدينة صينية حقيقية، وكيف يمكن لخوارزمية حاسوبية جديدة أن توجه الطائرات دون طيار على مسارات آمنة للبشر على الأرض وفعالة للمركبة.

تحويل مدينة حقيقية إلى خريطة طيران ثلاثية الأبعاد

يبدأ المؤلفون ببيانات نظم المعلومات الجغرافية (GIS) التفصيلية لمنطقة بمساحة 5×5 كيلومتر في مقاطعة تشانغتشينغ في جينان، الصين، بما في ذلك المواقع الدقيقة وارتفاعات المباني. بدلاً من اعتبار الهواء فوق المدينة مساحة واحدة كبيرة، يقومون بتقسيمه إلى تسع طبقات ارتفاع رقيقة، كل منها بارتفاع 5 أمتار، من مستوى الأرض وحتى 40 مترًا. ضمن كل طبقة، يضعون شبكة من مربعات قياسها 100×100 متر. يؤدي تكديس هذه المربعات إلى إنشاء شبكة ثلاثية الأبعاد من الصناديق الصغيرة، أو voxels، يمثل كل منها رقعة محتملة من السماء يمكن أن تحتلها طائرة بدون طيار.

موازنة الهواء المفتوح مع الناس والممتلكات أدناه

لتحديد أيّ voxels قابلة للاستخدام فعليًا، يجمع الفريق بين فكرتين بسيطتين لكنّهما قويتان. أولًا، «توفر المجال الجوي» يقيس مدى سهولة حركة طائرة من مربع شبكي إلى آخر دون الاصطدام بالمباني أو العقبات الأخرى. إذا كان المربع يتصل بالعديد من المربعات الأخرى عبر ممرات مفتوحة، يحصل على درجة عالية. ثانيًا، «مخاطر الأرض» تقيس مدى الضرر الذي قد يسببه سقوط طائرة على الأرض، استنادًا إلى كثافة السكان المحلية، وحركة المرور، ووجود هياكل قيّمة. يميز النموذج بين الوفيات أو الإصابات للمشاة وركاب المركبات والأضرار للمباني والبنى التحتية.

فرز المدينة إلى مناطق طيران أفضل أو أسوأ

يحصل كل موقع في الشبكة على درجتين: واحدة لتوفر المجال الجوي وواحدة لمخاطر الأرض. ثم يستخدم المؤلفون مخططًا رباعيًّا لتجميع رقع الهواء إلى أربعة أنواع: توفر عالٍ ومخاطر منخفضة (المثالية)، توفر عالٍ ومخاطر مرتفعة (مراكز المدينة المزدحمة)، توفر منخفض ومخاطر منخفضة (قليل السكان لكن مع عقبات كثيرة)، وتوفر منخفض ومخاطر مرتفعة (الأسوأ في الحالتين). تحدد قيم العتبة ما يُعتبر «عالٍ» أو «منخفضًا». معظم المجال الجوي الذي دُرِس—حوالي 64 بالمئة—يقع في الفئة الأفضل، مع مساحة كافية للمناورة وخطورة نسبية أقل على الأشخاص والممتلكات. ثم يقوم خطوة أكثر تقدمًا تُسمى «فرز باريتو» بترتيب الخلايا الأفضل بالمفاضلة بين الانفتاح الأعلى والمخاطرة الأقل، مع الاحتفاظ بالنصف العلوي كشبكة مفضلة لممرات السماء الآمنة.

تعليم الطائرات اختيار مسارات أذكى

بمجرد بناء هذه الشبكة الثلاثية الأبعاد الآمنة، يكمن التحدي في إيجاد مسار محدد من نقطة انطلاق قريبة من الأرض إلى وجهة أعلى، مع الالتزام بقواعد صارمة: يجب على الطائرات تجنّب مناطق حظر الطيران المعلّمة فوق المباني، والبقاء ضمن نطاقات الارتفاع المسموح بها، وتقييد الصعود والهبوط الحاد، والحفاظ على مسافة أمان من التضاريس والبُنى. لتحقيق ذلك، يمزج المؤلفون تقنيتين بحثيتين معروفتين مستلهمتين من الطبيعة. تعمل طريقة تحسين سرب الجسيمات (PSO) كقافة طيور تستكشف المساحة بأكملها بحثًا عن مسارات واعدة، بينما تتصرف طريقة مستعمرة النحل الاصطناعية (ABC) كنحل يركز على تحسين أفضل مصادر الرحيق. يقوم PSO ببحث عالمي واسع، ثم يقوم ABC بضبط محلي دقيق حول أفضل المسارات المرشحة. أخيرًا، يُملَس تسلسل نقاط الطريق الخام باستخدام منحنى رياضي حتى تتمكن طائرة حقيقية من الطيران عليه بدون منعطفات حادة وغير واقعية.

مسارات مدنية أسرع وأكثر سلاسة وأمانًا

يختبر الباحثون نهج PSO-ABC المدمج مقابل ثلاث بدائل شائعة: خوارزمية جينية قياسية، وPSO بمفرده، وABC بمفرده. في محاكاة واقعية تستخدم التخطيط الفعلي لمباني تشانغتشينغ، يجد أسلوبهم باستمرار مسارات طيران أكثر سلاسة تتجنب جميع مناطق حظر الطيران والمناطق الأرضية المزدحمة. كما يتقارب نحو حلول جيدة بسرعة أكبر—باستخدام نحو نصف عدد التكرارات مقارنة بالطرق الأخرى—مما يقلل من وقت الحساب والطاقة المهدرة. بالنسبة لغير المتخصص، الخلاصة واضحة: من خلال نمذجة كل من السماء والمدينة أدناه بعناية، ومن خلال استخدام مزيج ذكي من استراتيجيات بحث تشبه الطيور والنحل، يقدم هذا العمل طريقة عملية لتوجيه الطائرات عبر بيئات حضرية معقدة مع الحفاظ على سلامة الناس والممتلكات.

الاستشهاد: Liu, Y., Dong, H., Liu, H. et al. An improved PSO-ABC path planning algorithm for UAVs based on a construction of urban airspace topology with actual GIS data. Sci Rep 16, 5048 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35958-9

الكلمات المفتاحية: توجيه الطائرات بدون طيار في المدن, تخطيط مسار الطائرات بدون طيار, سلامة المجال الجوي, التحسين الاستدلالي, المجال الجوي المستند إلى نظم المعلومات الجغرافية