Flygrutterna för passagerarflygplan är i allmänhet väletablerade. I praktiken, oförutsedda faktorer, främst relaterat till vädret, tvingar ofta piloter att tillryggalägga fler kilometer än väntat. Ett polsk-colombianskt team av forskare och ingenjörer, inspirerad av beteendet hos insekter och fåglar, har utvecklat mjukvara som möjliggör rationell modifiering av flygrutter i realtid. Systemet visade på mätbara ekonomiska och miljömässiga fördelar.

Vilda djur har ofta tjänat som inspiration för forskare. Detta var fallet för forskare och ingenjörer från Institutet för fysikalisk kemi vid den polska vetenskapsakademin (IPC PAS) i Warszawa och Universidad Cooperativa de Colombia (UCC). Teamet använde sin tvärvetenskapliga kunskap för att optimera flygplanens flygvägar. Målet var att minska utsläppen av växthusgaser, minska buller och minska driftskostnaderna. Uppgiften utfördes med hjälp av algoritmer som speglar de karakteristiska egenskaperna hos bins och gökars beteende.

"I Warszawa, vi sysslar främst med katalys. Nyligen, metoder inspirerade av lösningar som finns i naturen användes i analysen av katalytiska frågor, " förklarar prof. Juan Carlos Colmenares, av IPC PAS. "Vi var intresserade av att se om vi kunde använda vår kunskap för att optimera bränsleförbränningen i flygplansmotorer. Med våra partners från Colombia, vi började arbeta med en modul, men programmet började snabbt växa till att omfatta fler, med hänsyn till andra faktorer som påverkar flygmönster."

Under utveckling i tre år, mjukvaran har förberetts för att ställa in optimala flygvägar för kortdistansflygplan utrustade med turbofläktmotorer med konstant förbränningsvolym. Inom denna grupp, varje typ av flygplan representeras av en lämplig uppsättning parametrar. I framtiden, forskare planerar att utöka programvaran med algoritmer och data med hänsyn till de specifika egenskaperna hos flygplan med motorer av andra typer. Programvaran innehåller redan en hel rad parametrar, inte bara relaterat till typen av bränsle som används, motorprestanda eller aerodynamik, men också till de ursprungligen antagna flygvägarna, klättrings- och nedstigningsprofiler, längden på flygplatsens landningsbanor och lokal topografi. Kemikalie- och bulleremissionsmoduler handlar om optimering av påverkan på miljön. Paketet uppfyller de säkerhetsstandarder som införts av International Civil Aviation Organisation (ICAO).

Hjärtat i mjukvaran är två algoritmer för att hitta potentiella flygvägar. Den grundläggande algoritmen använder principer som ses i naturen vid förflyttning av grupper av djur, speciellt i fiskstim eller binsvärmar. Varje individ i gruppen bestämmer sig för nästa rörelse baserat på den samlade kunskapen om de bästa platserna som den individen och andra i gruppen besökt; den tar också hänsyn till rörelsens tröghet.

I paketet som optimerar flygvägar, "bina" är olika punkter runt flygplanet, var och en av dem behandlas som en separat individ som navigerar i området. Algoritmen börjar arbeta från en svärm av punkter som rör sig runt planet. I nästa iterationer av algoritmen, "bina" börjar samlas runt den optimala platsen vid ett givet ögonblick, vilket anses vara nästa steg i flygbanan.

Den andra algoritmen för att söka efter nästa steg i flygningen imiterar gökens beteende, en fågel som lägger sina ägg i andra fåglars bon. Flygvägar utformade med hjälp av gökalgoritmen kännetecknas av långa, raka sektioner, snabbt vända 90 grader.

"Den stora fördelen med mjukvaran vi har utvecklat är att den fungerar i realtid. Som ett resultat av detta, flygledaren och piloten får tips regelbundet. Inte bara kan de fatta ett beslut snabbt utan också medvetet, när man väl väljer en lite mer riskabel väg, men en som är mer ekonomisk, vid andra tillfällen välja en maximalt säker väg, men det tar lite längre tid, säger Prof. Colmenares.

För att testa programvaran, forskarna analyserade effektiviteten av dess förutsägelser med avseende på det populära Airbus A320-flygplanet med CFM56-5-motorer, trafikerar rutter på cirka 350 km med typiska flygparametrar (marschhastighet 828 km/h, 39, 370 fot, etc.). Simuleringarna visar att i okonventionella situationer, de rutter som föreslogs av programvaran var, i genomsnitt, cirka 11 km kortare än de typiska alternativen, avgränsad på klassiskt sätt utifrån färdplanen. I sista hand, optimeringen gjorde att de totala driftskostnaderna för en maskin kunde minskas med 1,16 procent.

"Vinsten på en nivå som inte är mycket större än 1 procent ser inte särskilt bra ut. Våra simuleringar visar, dock, att i fallet med ett enda men ofta använt flygplan, besparingarna under ett år kan uppgå till hundratusentals dollar. Och ändå har vi bara börjat utöka vår programvara och den är ännu inte helt optimerad! Så, i framtiden, vi kan förvänta oss något högre besparingar än de som förutspås för närvarande... men vi bör inte förvänta oss mirakel", säger Dr Eng. Ramón Fernando Colmenares-Quintero, Prof. UCC.

Under de kommande åren, de enskilda delarna av paketet som optimerar flygrutter kommer att förbättras, och själva paketet kommer att utökas med nya moduler.