De vliegroutes van passagiersvliegtuigen zijn over het algemeen goed ingeburgerd. In praktijk, onvoorziene factoren, voornamelijk gerelateerd aan het weer, vaak dwingen piloten om meer kilometers af te leggen dan verwacht. Een Pools-Colombiaanse team van wetenschappers en ingenieurs, geïnspireerd door het gedrag van insecten en vogels, heeft software ontwikkeld die real-time rationele wijziging van vliegroutes mogelijk maakt. Het systeem liet meetbare financiële en milieuvoordelen zien.

Dieren in het wild hebben vaak als inspiratiebron gediend voor wetenschappers. Dit was het geval voor de wetenschappers en ingenieurs van het Instituut voor Fysische Chemie van de Poolse Academie van Wetenschappen (IPC PAS) in Warschau en de Universidad Cooperativa de Colombia (UCC). Het team gebruikte hun interdisciplinaire kennis om de vliegroutes van vliegtuigen te optimaliseren. Het doel was om de uitstoot van broeikasgassen te verminderen, geluidsoverlast verminderen en bedrijfskosten verlagen. De taak werd uitgevoerd met behulp van algoritmen die de karakteristieke kenmerken van het gedrag van bijen en koekoeken weerspiegelen.

"In Warschau, we houden ons voornamelijk bezig met katalyse. Onlangs, methoden geïnspireerd op in de natuur gevonden oplossingen werden toegepast bij de analyse van katalytische problemen, " legt prof. Juan Carlos Colmenares uit, van de IPC-PAS. "We waren geïnteresseerd om te zien of we onze kennis konden gebruiken om de brandstofverbranding in vliegtuigmotoren te optimaliseren. Met onze partners uit Colombia, we gingen aan de slag met één module, maar het programma begon snel te groeien met meer, rekening houdend met andere factoren die van invloed zijn op vluchtpatronen."

In ontwikkeling voor drie jaar, de software is voorbereid op het instellen van optimale vliegroutes voor korteafstandsvliegtuigen die zijn uitgerust met turboventilatormotoren met een constant verbrandingsvolume. Binnen deze groep is elk type vliegtuig wordt vertegenwoordigd door een passende set parameters. In de toekomst, onderzoekers zijn van plan de software uit te breiden met algoritmen en gegevens, rekening houdend met de specifieke kenmerken van vliegtuigen met motoren van andere typen. De software bevat al een hele reeks parameters, niet alleen betrekking op het type brandstof dat wordt gebruikt, motorprestaties of aerodynamica, maar ook naar de oorspronkelijk veronderstelde vliegroutes, klim- en daalprofielen, lengte van de start- en landingsbanen van luchthavens en lokale topografie. Chemische en geluidsemissiemodules zorgen voor optimalisatie van de impact op het milieu. Het pakket voldoet aan de veiligheidsnormen opgelegd door de International Civil Aviation Organization (ICAO).

Het hart van de software zijn twee algoritmen voor het vinden van potentiële vliegroutes. Het basisalgoritme gebruikt principes die in de natuur worden gezien in de beweging van groepen dieren, vooral in scholen vissen of zwermen bijen. Elk individu in de groep beslist over de volgende beweging op basis van de verzamelde kennis van de beste plaatsen die door dat individu en anderen van de groep worden bezocht; het houdt ook rekening met de traagheid van beweging.

In het pakket voor het optimaliseren van vliegroutes, de 'bijen' zijn verschillende punten rond het vliegtuig, elk van hen wordt behandeld als een afzonderlijk individu dat door het gebied navigeert. Het algoritme begint te werken vanuit een zwerm punten die rond het vliegtuig bewegen. In de volgende iteraties van het algoritme, de 'bijen' beginnen zich op een bepaald moment rond de optimale plaats te verzamelen, die wordt beschouwd als de volgende fase van de vliegroute.

Het tweede algoritme voor het zoeken naar de volgende fase van de vlucht imiteert het gedrag van de koekoek, een vogel die zijn eieren in de nesten van andere vogels legt. Vliegroutes ontworpen met behulp van het koekoeksalgoritme worden gekenmerkt door lange, rechte stukken, snel 90 graden draaien.

“Het grote voordeel van de door ons ontwikkelde software is dat deze realtime werkt. de vluchtleider en de piloot krijgen regelmatig hints. Ze kunnen niet alleen snel maar ook bewust een beslissing nemen, als je eenmaal een iets riskantere route hebt gekozen, maar een die zuiniger is, de andere keer kiezen voor een maximaal veilige route, maar het duurt wat langer, " zegt prof. Colmenares.

Om de software te testen, analyseerden de onderzoekers de effectiviteit van hun voorspellingen met betrekking tot het populaire Airbus A320-vliegtuig met CFM56-5-motoren, routes van ongeveer 350 km met typische vluchtparameters (kruissnelheid 828 km/u, 39, 370 voet, enzovoort.). De simulaties laten zien dat in onconventionele situaties, de door de software voorgestelde routes waren, gemiddeld, ongeveer 11 km korter dan de typische alternatieve, op de klassieke manier afgebakend op basis van het vliegplan. uiteindelijk, door de optimalisatie konden de totale bedrijfskosten van één machine met 1,16 procent worden verlaagd.

"Winst op een niveau dat niet veel groter is dan 1 procent ziet er niet bijzonder goed uit. Onze simulaties laten zien, echter, dat in het geval van een enkel maar vaak gebruikt vliegtuig, de besparingen over een jaar kunnen zelfs honderdduizenden dollars bedragen. En toch zijn we nog maar net begonnen met het uitbreiden van onze software en is deze nog niet volledig geoptimaliseerd! Dus, in de toekomst, we kunnen iets hogere besparingen verwachten dan momenteel voorspeld... maar we mogen geen wonderen verwachten", zegt Dr. Eng. Ramón Fernando Colmenares-Quintero, Prof. UCC.

In de komende jaren, de afzonderlijke onderdelen van het pakket die de routes van vluchten optimaliseren, zullen worden verbeterd, en het pakket zelf wordt uitgebreid met nieuwe modules.