دراسات وأبحاث
مقدمة في المركبات الذاتية القيادة
العدد 159 | حزيران (يونيو)-2021

بقلم بشار خليل
محاضر في الجامعة الافتراضية السورية

مقدمة في المركبات الذاتية القيادة
عندما تكون في زحمة سير خانقة وأنت في طريقك إلى المنزل، كيف تقضي وقتك؟
 
هل فكرت بأنك سوف تستطيع يومًا أن تستريح خلال هذا الوقت وترفع يديك عن عجلة القيادة؟ أو أنه يمكنك قراءة كتاب أو مشاهدة مقاطع الفيديو أثناء وجود سيارتك في فوضى الاختناقات المرورية؟
فلتعلم يا عزيزي القارئ أن هذا الاحتمال في قيد الإنجاز حاليًّا، وقد يصبح متاحًا في وقت قريب؛ إذ يُعَدُّ تطوير المركبات المستقلة أحدَ أكثر المشاريع إثارة للاهتمام في قطاع صناعة النقل.
لقد تطورت صناعة السيارات بشكل مطرد في السنوات السابقة، وتم دمج نظم أخرى في وحدة التحكم الإلكترونية. وفي الوقت الحاضر، هناك وحدات للتحكم في كل من: الوسادة الهوائية، ومكابح ABS، وثبات السيارة، فضلًا عن الطيار الآلي ومثبتات السرعة. وسوف تحقق وحدات التحكم الإلكترونية هذه قفزة هائلة في الجودة والكفاءة والسلامة في السيارات الذاتية القيادة.
 
 
عالم قيادة السيارات يصبح أفضل
تكمن النتيجة العظيمة للسيارات الذاتية القيادة بأثرها في السلامة المرورية، فحوادث السيارات هي السبب الثامن للوَفَيات على مستوى العالم، و95٪ من الحوادث المرورية ناجمة عن أخطاء بشرية. لذلك هناك توقع منطقي بأن تُحْدث أتمتةُ النقل انخفاضًا كبيرًا في عدد الحوادث المرورية، ومن ثَم في عدد الضحايا.
وكلما ارتفع مستوى أتمتة السيارة، زاد تأثير الذكاء الصنعي والحوسبة في مكوناتها. ويدفعنا الفضول المعرفي إلى معرفةِ منطق التجهيزات والبرامج الذي تقوم عليه هذه الآلات، وفهمِ البنية الإلكترونية والذكاء الصنعي في هذه المركبات الذاتية القيادة.
 
 
ما هي المركبات الذاتية القيادة؟
المركبات الذاتية القيادة هي مركبات (سيارات، شاحنات، حافلات...) لا يقودها سائقون بشر، بل يجري التحكم بها وقيادتها عن طريق الجمع بين أجهزة الاستشعار والحساسات والبرمجيات.
ولكي يُسمح للمركبات الذاتية القيادة بالتجول في الشوارع بأمان، يضيف صانعوها إليها تقنيات خاصة تدريجيًّا من أجل قيادة السيارة وصيانتها، مثل:
  • التحكم في السرعة.
  • المساعدة على القيادة والتوقف.
  • إدارة المكابح.
  • نظام كشف العوائق ومستعملي الطريق.
  • نظم التنبيه على اقتراب مركبات أخرى.
  • مراقبة ظروف التشغيل.
  • تعديل السرعة حسب المسار المتبع.
هذه بعض التقنيات الموجودة بالفعل في نماذج محددة. ولكي نفهم كيفية حدوث التكامل فيما بينها فهمًا أفضل، يَحسُن أن نلقي نظرة إلى التقنية الكامنة وراء أتمتة هذه المركبات.
لا توجد حاليًّا - على مستوى العالم - مركباتٌ مؤتمتة ومستقلة بالكامل في قيد التشغيل تحت مظلةٍ قانونية. ولكنْ توجد بعض المركبات ذاتية القيادة جزئيًّا؛ أي لها درجة معيَّنة من الأتمتة: كالقدرة على الكبح، وتغيير المسار، والرَّكن الذاتي في المواقف المخصصة، حتى إن لبعضها درجة معيَّنة من التوجيه التلقائي.
ومع أن تقنية القيادة الذاتية لا تزال في مهدها، إلا أنها أصبحت شائعة بدرجة متزايدة، ويمكن أن تغيِّر نظام النقل مستقبلًا تغييرًا جذريًّا.
 
ستة مستويات للتحكم الذاتي في المركبات الذاتية القيادة
تتوزع السيارات الذاتية القيادة على مستويات مختلفة وفق مقياس متدرج من 0 إلى 5. ويُعَدُّ فهمُ هذه المستويات ضروريًّا قبل الحديث عن التشغيل العملي لهذا النوع من السيارات.
كلما زادت تقنيات السيارة – ومن ثَم عدد الحساسات المستعملة فيها - زادت درجة الأتمتة. لذلك أنشأت جمعية مهندسي السيارات (SAE) تصنيفًا لتمييز المركبات وفقًا لدرجة أتمتتها، وذلك للتسهيل على المستهلكين ومحترفي الصيانة تحديدَ نموذج السيارة. وقد تم تحديد المستويات الستة الآتية:
المستوى 0: يتحكم الإنسان في جميع نظم السيارة المهمة.
المستوى 1: تتضمن السيارة نُظمًا محددة؛ مثل: مثبت السرعة، والفرملة الآلية، ويمكن للسيارة أن تتحكَّم فيها واحدًا تلو الآخر، كل منها على حدة.
المستوى 2: يتوفر في السيارة وظيفتان آليتان متزامنتان على الأقل؛ مثل: التسارع والتوجيه. ولكنَّ هذا المستوى يتطلب عنصرًا بشريًّا لكي يكون التشغيل آمنًا.
المستوى 3: يمكن إدارة جميع الوظائف الحيوية للسيارة وفق شروط معيَّنة، وعلى السائق تولي إدارتها عند حصول أي تنبيه أو إنذار.
المستوى 4: السيارة مستقلة تمامًا وذاتية القيادة في بعض السيناريوهات، وليس كلها.
المستوى 5: السيارة مستقلة تمامًا وذاتية القيادة في جميع المواقف والظروف.
 
 
وفي الوقت الذي يجري فيه إنتاج بعض الطُّرُز عمليًّا بمستوى معيَّن من الأتمتة، تقوم شركات صناعة السيارات وشركات التقانة بتطوير نماذج أولية أخرى أكثر تطورًا من قبل.
لذلك من الطبيعي أن يستعد الميكانيكيون وغيرهم من متخصصي الصيانة للمستقبل القريب الذي تشيع فيه المركبات الذاتية القيادة على اختلاف درجة استقلاليتها. ولا شك في أنها ستسهم في جعل حياتنا اليومية أكثر راحة وأمانًا.
فاستنادًا إلى تقدير شركات صناعة السيارات وتقديراتها التقنية، فإن السيارات المستقلة الذاتية القيادة من المستوى 4 سوف يبدأ بيعها عمليًّا بعد ثلاث سنوات.
 
كيف تعمل المركبات الذاتية القيادة عمليًّا؟
لقد بلغ تطور المركبات ذاتية القيادة مراحل متقدمة؛ إذ إن الذكاء الصنعي للسيارات أتاح استعمال الحاسوب وبعض التجهيزات الحديثة للتمييز بين مختلف أنواع عوائق الطرقات وحالاتها المختلفة، وللتفاعل معها وفقًا لمعايير محددة سلفًا.
تتبادل الحواسيب الموجودة في السيارات الذاتية القيادة المعلومات فيما بينها عن طريق نظم اتصال خاصة، ومن ثَم فإن حدوث أمر ما غير متوقع مع إحدى السيارات سيساعد بقية السيارات على تعلم كيفية التعامل مع هذا الأمر بظروف مشابهة. لذلك تحتاج السيارات الذاتية القيادة إلى نظم حاسوبية مركزية أكثر قوة من وحدات المعالجة الإلكترونية المستعملة حاليًّا، وتحتاج كذلك إلى نظم تشخيص خاصة.
 
 
تقوم معظم نظم القيادة الذاتية بإنشاء خريطة ذاتية خاصة بها لمحيطها الخاص بها بناءً على المعلومات التي تم الحصول عليها من مجموعة واسعة من أجهزة الاستشعار؛ كالرادار على سبيل المثال. وتَستعمل بعض المركبات الذاتية القيادة أشعةَ الليزر جنبًا إلى جنب مع أجهزة الاستشعار الأخرى لإنشاء خريطتها الذاتية، في حين يَستعمل بعضها الآخر الرادارَ والكَمِرات العالية الطاقة والكشف الصوتي والخرائط المحمَّلة في أنظمته.
 
تقوم برمجيات خاصة بمعالجة المعلومات التي تم الحصول عليها في الزمن الحقيقي، وتتبع المسار، وإرسال التعليمات لمحرك تشغيل السيارة الذي يتحكم في التسارع، والفرملة، والتوجيه. وتساعد القواعدُ والخوارزمياتُ الخاصةُ البرمجياتِ على اتباع قواعد المرور وتجاوز العقبات، وذلك لتجنُّب العقبات ونمذجة التنبؤ والتمييز بين الأشياء (كمعرفة الفرق بين الدراجة الهوائية والدراجة النارية).
قد تتطلب المركبات الذاتية القيادة جزئيًّا (أي التي من المستوى 0، أو 1، أو 2، أو 3، أو 4) تدخُّل السائق إذا واجه نظامُ القيادة فيها تعارضًا ما، على حين أن المركبات الذاتية القيادة والمستقلة بالكامل في المستقبل (أي التي من المستوى 5) قد لا توفر مقودًا في تصميمها.
يمكن تمييز المركبات الذاتية القيادة بحسب كونها متصلة أو غير متصلة؛ أي إذا كان بإمكانها التواصل مع المركبات الأخرى ومع البنية التحتية للمدينة، كالجيل التالي من إشارات المرور وإدارة حركة المرور في المدن.
 
 
 
تقنيات السيارات الذاتية القيادة؟
تكمن فكرة المركبات الذاتية القيادة في الوصول إلى النقطة التي يصبح فيها الاستغناء عن السائق أمرًا ممكنًا، لذلك يجب تطوير التقنيات الخاصة بهذه المركبات لترقى إلى مستوى أمان موثوق. ولجعل هذا السيناريو ممكنًا، جرى تطوير العديد من الابتكارات وتحسينها ودمجها في السيارات الذاتية القيادة؛ نستعرض فيما يلي بعضًا منها:
التجهيزات
وهي مسؤولة عن اكتشاف الخصائص البيئية وتمرير المعطيات الخاصة بها إلى حاسوب السيارة الذاتية القيادة. وأكثر هذه التجهيزات استعمالًا في الوقت الحالي: الكَمِرات، والرادارات، والكشف الصوتي، والليدار LIDAR (الذي يقوم بتحديد المدى عن طريق الضوء أو الليزر، وهي تقانة استشعار مرئية تَستعمل نبضاتٍ من الضوء - أشعة الليزر عادة - تُحسَب عن طريقها المسافاتُ وخصائصُ الأهداف المرصودة).
  • الكَمِرة المجسمة
وهي تجهيزة فيها عدستان أو أكثر لإنشاء لقطات من زوايا مختلفة. وبذلك يمكن الحصول على إحساس بالعمق يحاكي الرؤية البشرية (صورة ثلاثية الأبعاد).
  • كَمِرة الأشعة تحت الحمراء
تتيح الكَمِرة التي تعمل بالأشعة تحت الحمراء المشاهدةَ الدقيقةَ في المناطق ذات الإضاءة المنخفضة أو المعدومة الإضاءة، وبذلك يمكن تحديد الأشياء باستعمال حساساتٍ تعتمد على اختلاف درجة الحرارة عن طريق التقاط الأشعة تحت الحمراء الخاصة بها.
  • الرادار
يُصدر الرادار موجات راديوية في اتجاه معيَّن، فيرتد صداها عن العوائق التي تعترض طريقها. وبقياس سرعة الشعاع المنعكس وشدته، يمكن الحصول على معلومات عن حجم العائق والمسافة التي يبعد بها عن الرادار.
  • الكشف الصوتي
يعمل الكشف الصوتي بكيفية مشابهة لعمل الرادار، ولكنه يَستعمل الموجات الصوتية غير المسموعة للأذن البشرية بدلًا من موجات الراديو.
  • الليدار
يعمل الليدار بنفس منطق عمل الجهازين السابقين؛ فيَستعمل نبضات الليزر التي تكوِّن آلاف النقاط المضيئة لمسح البيئة المحيطة. وإضافة إلى أن الليدار يوفر إشارة أسرع، فإنه يشمل منطقة أوسع بزاوية قدرها 360 درجة وبدقة أكبر.
  • التحكم الإلكتروني بالثبات
وهو تقنية مستعملة في العديد من طُرُز السيارات الذاتية القيادة. وهذه التقنية مسؤولة عن حساب وإجراء التصحيحات في القيادة حسب سرعة كل عجلة ووفقًا لميل وانحراف السيارة.
  • فرامل المؤازرة الكهروميكانيكية الفراغية
يمكن أن تولد فرامل المؤازرة الكهروميكانيكية الفراغية iBooster ضغطًا على الفرامل بزمن قدره أقل من 120 ميللي ثانية. وهذا يعني أن سرعة فرامل المؤازرة أكبر بثلاث مرات من سرعة نظم الفرامل التقليدية، وهذا يجعل السيارة أكثر أمانًا في حالة الفرملة في حالات الطوارئ.
  • GPS وعداد السرعة وعداد المسافات
لكي تقود السيارةُ نفسَها في المدن، من الضروري تزويدها بالخرائط المحدثة والتحكم في موقعها. لذلك تُستعمل معدات GPS مدمجة مع عداد السرعة وعداد المسافات. وبذلك يتمكن الحاسوب من تحديد موقعه حتى في حالة عدم وجود القمر الصنعي.
 
 
البرمجيات
البرمجيات تشبه الدماغ الذي يعالج المعلومات التي توفرها البيئة المحيطة بالسيارة لمعرفة الإجراء الذي يجب اتخاذه، سواء في حالة القيادة أو التوقف أو الإبطاء. وثمة ثلاثة نظم برمجية للسيارات الذاتية القيادة: الإدراك، والتخطيط، والتحكم.
  • الإدراك
يعني نظام الإدراك في السيارات الذاتية القيادة قدرتها على الإحاطة بالمعلومات الضرورية بواسطة أجهزة الاستشعار. يساعد هذا النظام بواسطة الصور تحديد الجسم المقابل للسيارة؛ هل هو: سيارة، أو شخص، أو شيء آخر؟
تشبه هذه الآليةُ الطريقةَ التي تترجِم بها أدمغتُنا المعرفةَ إلى معنى عن طريق البصر. حيث تكتشف المستقبلات الضوئية للعين (أجهزة الاستشعار) موجات الضوء من الغلاف الجوي وتحول الموجات الضوئية إلى إشارات كهروكيميائية. وتنقل الشبكات العصبية هذه الإشارات الكهروكيميائية مرة أخرى إلى القشرة البصرية للدماغ، حيث يفهم دماغنا هذه الإشارات الكهروكيميائية، ويدرك من نمط الضوء الذي يصيب شبكية العين أن الجسم المشاهَد يمثل كرسيًّا أو نباتًا أو إنسانًا أو غير ذلك.
  • التخطيط
يعني نظام التخطيط في السيارة الذاتية القيادة قدرتها على اتخاذ قرارات معينة لتحقيق أهداف منطقية سليمة. فالسيارة الذاتية القيادة تعرف ما يجب فعله في موقف ما (كالتوقف المؤقت، أو التحرك، أو الإبطاء، إلخ).
يعمل نظام التخطيط عن طريق دمج المعلومات التي تم جمعها حول البيئة المحيطة من أجهزة الاستشعار مع سياسات وخبرات محددة عن كيفية التحرك في البيئة (على سبيل المثال عدم القيادة في الطريق المخصص للمشاة، أو الإبطاء عند الاقتراب من علامة توقف، إلخ)، حتى تتمكن السيارة من تحديد الإجراء الذي يجب اتخاذه (على سبيل المثال، تجاوز مركبة أخرى، وكيفية الوصول إلى الوجهة، وما إلى ذلك).
  • التحكم
يقوم نظام التحكم بترجمة أهداف نظام التخطيط وأولوياته وتحويلها إلى إجراءات؛ حيث تقوم إحدى وحدات نظام التحكم بإبلاغ تجهيزات معيَّنة في السيارة بالحركات المرغوب فيها.
على سبيل المثال، عندما تدرك السيارة الذاتية القيادة أن عليها أن تخفِّف السرعة قبيل الوصول إلى إشارة ضوئية حمراء، فإنها تحوِّل هذا الإدراك إلى فعل، وهو الضغط على المكابح.
تؤدي عمليات المخيخ وظيفة مماثلة عند البشر؛ فهو مسؤول عن وظائف التحكم الحركي الأساسية، فهو يدفعنا للمضغ عندما يكون الهدف تناول الطعام.
 
 
الذكاء الصنعي والاتصال الذاتي بين السيارات الذاتية القيادة
الذكاء الصنعي في السيارات الذاتية القيادة مسؤول عن جمع جميع إشارات أجهزة الاستشعار الداخلية والخارجية، وعن مراقبة القيادة، وعن إخطار المالك باحتياجات الصيانة، وعن إجراء تغييرات وتحسينات ولو كانت طفيفة، وعن التعلم من الأعطال السابقة.
وتساعد تقنيات الاتصال الذاتي بين السيارات الذاتية القيادة فيما بينها على تبادل الخبرات والحلول، وهي - فعليًّا - تجعل أتمتة المركبات أمرًا ممكنًا.
 
 
 
كيف ترى المركبات الذاتية القيادة العالم؟
قد يتوهم البعض أن المركبات الذاتية القيادة ترى محيطها بنفس طريقتنا نحن البشر، أي بالرؤية المجسمة لتقييم المواقع النسبية للعناصر المحيطة بنا. ولكن هذا ليس هو الحال؛ إذ غالبًا ما يتكون نظام الرؤية للمركبة الذاتية القيادة من عدة كَمِرات عالية الدقة تغطي مقدمة السيارة وجوانبها وخلفها. وعلى عكس الليدار، يمكن للكَمِرات اكتشاف اللون، وهو أمر مفيد في تحديد إشارات المرور وعلامات مناطق البناء وأضواء سيارات الطوارئ.
وقد صُمِّمت هذه الكَمِرات للعمل في ضوء النهار وفي حالات الإضاءة المنخفضة، ولكن كأي كَمِرة أخرى، سوف تنخفض الدقة مع انخفاض الإضاءة.
وعندما تبدأ السيارة رحلتها، تفسِّر البرمجياتُ داخل السيارة الذاتية القيادة مئات الأشياء بطرائق مختلفة، مثل راكبي الدراجات أو المشاة، وكذلك تقرأ إشارات المرور واللافتات على طول الطريق.
 
هل تتوقع السيارة الذاتية القيادة ما هو غير عادي؟
ماذا لو سقط شيء من شاحنة أمامك؟ 
ماذا لو ظهر فجأةً في الشارع راكب دراجة مختبئ بين سيارتين وكأنه خرج من العدم؟
 
 
تقول جوجل إنها تدرب السيارة الذاتية القيادة والمستقلة على التعامل مع المواقف غير المتوقعة. ففي مثل هذه الحالات، يكون قرار السيارة عمومًا هو الإبطاء والانتظار حتى يتم الحصول على مزيد من المعلومات حول بيئتها المحيطة.
 
ثورة القيادة الذاتية
من المتوقع أن تصبح المركبات المستقلة ذات المستوى الرابع أو الخامس (التحكم الذاتي الكامل) سوقًا عالمية أساسية في عام 2030، وسوف يبلغ حجم سوقها حوالي 60 مليار دولار وفقًا لمنصة المعطيات الإحصائية ستاتيستا Statista.
 
 
وبحلول عام 2035، من المفترض أن تكون حصة أمريكا الشمالية 29٪ من أسطول السيارات الذاتية القيادة في العالم، وأن تكون حصة الصين 24٪، أما حصة أوروبا الغربية فستكون 20٪ فقط.
إن تقنيات السيارات الذاتية القيادة معقدة للغاية. ففي المملكة المتحدة، من المتوقع أن تكون 73٪ من السيارات بمستوى قيادة ذاتية ما (المستوى الأول أو الثاني أو الثالث) قبل أن تبدأ السيارات الذاتية القيادة بشكل كامل في دخول السوق كما هو متوقع في عام 2025.
 
أحد أهم الأسباب الكامنة وراء ذلك هو عدم وجود اتصال ثابت وعالي السرعة بالإنترنت بحيث يسمح للسيارات الذاتية القيادة بالاتصال وجمع المعلومات حول ظروف القيادة والازدحام، أو حول العوائق المحتملة التي تعيق الطريق.
وثمة سبب آخر هو أن بعض المركبات تتطلب خرائط مفصلة جدًّا للتنقل بأمان.
يستثمر صانعو السيارات وشركات التقانة بكثافة في سوق السيارات الذاتية القيادة. وهذا أمر طبيعي إذ تشير الأبحاث إلى أن 85٪ من البالغين في الولايات المتحدة يشعرون بالأمان عند جلوسهم خلف مقود سيارة ذاتية القيادة.
 
الخاتمة
سيكون لهذا الجيل الجديد من السيارات تأثير هائل في حياتنا؛ إذ إنه بالفعل سوف يعيد تصميم آليات التنقل في حياتنا. 
تتضمن السيارات الذاتية القيادة عددًا لا يحصى من الأجهزة الإلكترونية، كأجهزة الاستشعار والرقائق الإلكترونية والرادارات ونقاط الاتصال والكَمِرات، إضافة إلى أنها تحتوي على جميع أنواع الخوارزميات.
وبعبارة أخرى، أصبحت السيارات الذاتية القيادة حواسيب مزودة بإطارات.
لقد كانت السيارات الذاتية القيادة لمدة طويلة جزءًا من خيالنا، وهي الآن تتحول إلى واقع ملموس.
إذا استطعنا أن نتخيل، فيمكننا تحويل الخيال إلى حقيقة.
يتخيل البعض أن المركباتِ المستقبليةَ ذكيةٌ بما يكفي لنقلنا إلى أي مكان نريد، بل أكثر من ذلك حيث قد يكون التنقل عن طريق الجو وليس فقط على الطرق.
لكن قبل ذلك، هناك تحدٍّ كبيرٌ يجب تحقيقه، وهو السيطرة على الجاذبية الأرضية، فلنواصل المحاولة. ويبدو أن الوقت قد حان.
 
المراجع
https://towardsdatascience.com/an-introduction-to-autonomous-vehicles-b39024788cd6
 
قد ترغب كذلك بقراءة
إمكانات الذكاء الصنعي في الرعاية الصحية
التحول نحو الاقتصاد الرقمي باستخدام تقنية التمويل اللامركزي
تعديل قاعدي رقمي جديد يسمح بالإرسال المتوازي