ミツバチは巣作りに適した場所を探して巣を離れると、まず近くの木の枝などに巣をつくり、女王蜂の周りに群がります。その間に数十匹の偵察蜂が新たな巣を探しに出発します。それぞれの偵察蜂は巣に戻り、見つけた場所の方向と距離を示すように踊り始めます。興奮が高まるほど、より激しく踊り、他の蜂に巣を見に行くよう合図を送ります。最終的に、この群れとブンブンという音の中からお気に入りの場所が見つかり、一斉にそこへ飛び立ちます。
コンピュータサイエンスでは、この動作は粒子群最適化として知られています。粒子群最適化では、各粒子の動きは自身の位置だけでなく、他の適切な位置へと導かれ、他の粒子がより良い位置を見つけると、それらの位置もすべて更新されると考えられています。このプロセスは通常、粒子の集合全体を最良の結果へと導きます。
これが航空路線とどう関係するのか疑問に思うかもしれません。
旅客機の飛行経路は確立されています。しかし実際には、主に天候に関連する予期せぬ要因により、パイロットはしばしば航路変更を余儀なくされ、当初の予定よりも長い距離を飛行しなければなりません。これは時間と費用の浪費となり、燃料消費量の増加と二酸化炭素排出量の増加につながります。
地球の友によると、航空機は世界で最も急速に増加している温室効果ガス排出源です。航空機エンジンは熱、騒音、二酸化炭素に加え、一酸化炭素、窒素酸化物、硫黄酸化物、鉛、黒色炭素など、様々な汚染物質を排出します。
温室効果ガスの排出、騒音公害、運用コストの削減を目標に、ワルシャワのポーランド科学アカデミー物理化学研究所とコロンビア協同組合大学の科学者とエンジニアは、ミツバチとカッコウの行動に基づいた新しいアルゴリズムを設計して、短距離旅客機の飛行ルートを最適化することに着手しました。
「悪天候やその他の障害物がある場合、これらのアルゴリズムは燃料消費を最小限に抑え、大気への二酸化炭素排出量を削減する最適なルートを選択します」と、ポーランド科学アカデミーの科学者、フアン・カルロス・コルメナレス氏は述べています。「これにより航空会社の運航コストも削減され、ひいては航空券の価格も下がります。このソフトウェアの大きな利点は、リアルタイムで動作することです。フライトコントローラーとパイロットは定期的にヒントを受け取ります。」
アルゴリズムは自然界の原理を用いて適切な飛行経路を選択します。例えば、群がるミツバチの場合、群れの中の各ミツバチは、自身や他のミツバチが訪れた最適な場所の知識に基づいて、次の行動を決定します。ソフトウェアでは、「ミツバチ」は航空機周辺の様々な地点を表し、それぞれが個別の個体として扱われます。
「アルゴリズムは、飛行機の周りを移動する点の群れから動作を開始し、アルゴリズムの次の反復で、『ミツバチ』は特定の瞬間に最適な場所の周りに集まり始めます。これが飛行経路の次の段階と考えられています」とコルメナレス氏は説明した。
「飛行の次の段階を探すための2つ目のアルゴリズムは、カッコウの行動を模倣しています。カッコウは他の鳥の巣に卵を産み付け、他の鳥に子育てをさせるように仕向けます」と彼は続けた。「最良の『卵』、つまり解決策は誰にも気づかれずに生き残りますが、最悪の『卵』、つまり解決策は巣の所有者に発見される可能性があり、廃棄されます。」科学者たちは、この研究結果をCogent Engineering誌に掲載した論文で説明した。
研究者たちは、エアバスA320型機を模擬したソフトウェアをテストし、約220マイルのルートを時速約515マイルの巡航速度で飛行させた。シミュレーションの結果、ソフトウェアが提案した代替ルートは、一般的な代替ルートよりも平均で約7マイル短いことが示されたと研究者らは述べている。
最終的に、このソフトウェアの運用により、航空機1機の直接的な運用コストが1%以上削減されました。これは大した額ではないように思えるかもしれませんが、頻繁に使用される航空機1機の場合、年間で数十万ドルの節約につながる可能性があると研究者らは述べています。
「生物に着想を得たアルゴリズムは、燃料消費量、大気汚染物質の排出量、運航コスト、そして航空機の安全性に基づいて、パイロットや管制官の介入なしに自動的にルートを最適化します」とコルメナレス氏は述べた。「こうしたアルゴリズムは、予期せぬ状況への対応における意思決定プロセスを支援し、航空会社のコスト削減と環境への影響軽減に貢献するでしょう。」
マーリーン・シモンズは、気候、エネルギー、政策、芸術、文化を扱うシンジケートニュースワイヤーの Nexus Media に寄稿しています。
