Trasy samolotów pasażerskich są na ogół z góry ustalone, ale pogoda może pomieszać szyki i zmusić pilotów do zmiany trasy. Naukowcy z Instytutu Chemii Fizycznej PAN oraz Universidad Cooperativa de Colombia w nietypowy sposób postanowili zoptymalizować przeloty samolotów. Zrealizowali to dzięki algorytmom odwzorowującym charakterystyczne cechy zachowania… pszczół i kukułek. Opracowali oprogramowanie pozwalające w czasie rzeczywistym racjonalnie modyfikować trasy przelotów. W rezultacie udało się doprowadzić do wymiernych oszczędności, zarówno finansowych, jak i w zakresie ochrony środowiska.
Zweryfikowane przez miliony lat ewolucji cechy świata ożywionego już nie raz były inspiracją dla ludzi nauki. Nie inaczej było w tym przypadku.
– W Warszawie zajmujemy się przede wszystkim katalizą. Ostatnio się okazało, że w analizie zagadnień katalitycznych mogą znaleźć zastosowanie metody inspirowane rozwiązaniami spotykanymi w przyrodzie ożywionej – wyjaśnia dr hab. inż. Juan Carlos Colmenares, prof. IChF PAN (na fot.). – Zainteresowało nas, czy moglibyśmy użyć naszej wiedzy do zoptymalizowania spalania paliwa w silnikach samolotowych. Z partnerami z Kolumbii zaczęliśmy prace od jednego modułu, ale program zaczął się szybko rozrastać o kolejne, uwzględniające coraz to inne czynniki wpływające na kształt tras przelotów.
Rozwijane od trzech lat oprogramowanie przygotowano pod kątem wytyczania optymalnych tras przelotu dla krótkozasięgowych samolotów wyposażonych w silniki turbowentylatorowe o stałej objętości spalania. Badacze planują rozbudować oprogramowanie o algorytmy i dane uwzględniające specyficzne cechy samolotów z silnikami innych typów. Oprogramowanie już teraz uwzględnia cały szereg parametrów, związanych nie tylko z rodzajem stosowanego paliwa, wydajnością pracy silników czy aerodynamiką, ale także z pierwotnie zakładanymi kształtami tras przelotów, profilami wznoszenia i opadania, długością pasów startowych na lotniskach i lokalną topografią. Optymalizowaniem oddziaływania na środowisko zajmują się moduły dotyczące emisji zanieczyszczeń chemicznych i hałasu. Pakiet spełnia naturalnie normy bezpieczeństwa narzucane przez International Civil Aviation Organization (ICAO).
Sercem oprogramowania są dwa algorytmy wyszukiwania potencjalnych dróg przelotów. Podstawowy algorytm korzysta z zasad widocznych w przyrodzie, w stadnych ruchach zwierząt, zwłaszcza ławicach ryb czy rojach pszczół. Każdy osobnik w stadzie decyduje o kolejnym ruchu na podstawie dotychczasowej wiedzy o najlepszych miejscach odwiedzonych przez siebie oraz przez inne osobniki stada, uwzględnia także bezwładność swojego ruchu. W pakiecie optymalizującym trasy przelotów „pszczołami” są różne punkty w otoczeniu samolotu, przy czym każdy z nich jest traktowany jak odrębny osobnik penetrujący okolicę. Algorytm zaczyna pracę od „roju” punktów poruszających się w otoczeniu samolotu. W kolejnych iteracjach algorytmu „pszczoły” zaczynają grupować się wokół miejsca w danym momencie najbardziej optymalnego i to ono jest uznawane za kolejny etap trasy lotu. Drugi algorytm wyszukiwania następnego etapu lotu naśladuje zachowanie kukułki, ptaka podrzucającego swoje jaja do cudzych gniazd. Trasy zaprojektowane z użyciem algorytmu kukułki charakteryzują się długimi i prostymi odcinkami, gwałtownie zakręcającymi o 90 stopni.
– Ogromną zaletą opracowanego przez nas oprogramowania jest fakt, że pracuje ono w czasie rzeczywistym. W rezultacie kontroler lotu wraz z pilotem otrzymują podpowiedzi na bieżąco. Nie tylko mogą podjąć decyzję szybko, ale także świadomie, raz wybierając drogę nieco bardziej ryzykowną, za to oszczędniejszą, innym razem decydując się na trasę maksymalnie bezpieczną, lecz nieco dłuższą – podkreśla prof. Colmenares.
Z symulacji przeprowadzonych dla samolotów Airbus A320 z silnikami CFM56-5 wynika, że w sytuacjach niekonwencjonalnych trasy proponowane przez oprogramowanie były średnio o ok. 11 km krótsze od typowych alternatywnych, wytyczanych w klasyczny sposób na podstawie planu lotu. Ostatecznie optymalizacja pozwoliła zredukować łączne koszty operacyjne jednej maszyny o 1,16%.
To wydaje się niewiele jednorazowo, lecz jeśli pomnożymy to przez liczbę lotów wykonywanych przez te maszyny, oszczędności w skali roku mogą sięgać setek tysięcy dolarów. – A przecież nasze oprogramowanie dopiero się rozbudowuje i samo nie jest jeszcze w pełni zoptymalizowane! W przyszłości będzie więc można się spodziewać nieco większych oszczędności niż prognozowane obecnie, jednak nie należy oczekiwać cudów – mówi dr inż. Ramón Fernando Colmenares-Quintero, prof. UCC.
W najbliższych latach poszczególne części pakietu optymalizującego trasy przelotów samolotów będą udoskonalane, a sam pakiet zostanie rozbudowywany o kolejne moduły. Polsko-kolumbijskie prace badawcze są finansowane ze środków Universidad Cooperativa de Colombia przy wsparciu kolumbijskiego Instituto Tecnológico Metropolitano.
JK
(źródło: Instytut Chemii Fizycznej PAN)