大規模な意思決定の最適化:直感では対応できない領域での数学的アプローチの活用
AWS の記事は、直感や従来の機械学習では解決が困難な複雑な意思決定問題に対し、数学的最適化技術を用いて確定的で最適な解を提供するアプローチと、その実装事例を解説している。
キーポイント
最適化と機械学習の対比
機械学習が帰納的(パターンから予測)であるのに対し、数学的最適化は演繹的(制約条件下での最善解の導出)であり、記述・予測分析を超えて「何をすべきか」を指示するprescriptive analytics として位置づけられる。
複雑な意思決定への対応
配送ルートの最適化や工場内のロボット制御など、選択肢が膨大で人間や単純ルールでは最良解を見つけられない高リスク・高コストの課題に対し、数学的保証を持つ解決策を提供する。
AWS の専門チームとアプローチ
AWS 生成 AI イノベーションセンターが中心となり、AI、数理モデリング、量子コンピューティング、高性能計算の専門知識を統合して顧客の具体的なビジネス成果を実現している。
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影響分析
本記事は、AI 業界において「予測」だけでなく「実行可能な最善策の提示」という次の段階への移行を促す重要な示唆を含んでいます。企業にとって、複雑化する業務環境で意思決定の質とスピードを飛躍的に高めるための技術的基盤として、数学的最適化の重要性が再認識されるきっかけとなるでしょう。
編集コメント
本記事は、AI の活用領域が「予測」から「最適化された意思決定」へと拡大している現状を明確に示しており、実務レベルでの AI 導入戦略を考える上で重要な視点を提供しています。
*最適意思決定の科学 — そして主要企業がそれをどのように適用しているか。
すべての企業は、直感や手動での意思決定だけでは対応しきれないほど複雑な意思決定に直面しています。翌日の約束を満たしながらコストを最小化する配送ルートはどれでしょうか?衝突せずに工場内の床で数百台のロボットが動きを順序付けるにはどうすればよいのでしょうか?24 時間年中無休の医療運営を公平かつコンプライアンスに準拠し、効率的に人員配置するにはどうすればよいのでしょうか?
これらは、リスクが高く、選択肢がほぼ無限大であり、誤った選択が高額なコストを伴う問題です。また、共通する特徴として、可能な解決策の数があまりにも膨大であるため、人間も単純なルールも最適なものを確実に見つけることができないという点が挙げられます。
企業は「数学的根拠」に基づいて意思決定を行う AI が必要です。
主要な組織は、この複雑さを乗り越え、現状を測定可能な形で上回る答えを見つけるために、機械学習と補完的な役割を果たす AI の専門分野である数理最適化(mathematical optimization) increasingly に頼るようになっています。これを効果的に適用するには、深い科学的専門知識と、スケーラブルなインフラストラクチャが必要です。
AWS ジェネレーティブ AI イノベーションセンターの専門科学者チームは、まさにこの仕事を行っています。科学的イノベーションを通じて、顧客が直面する最も困難で影響力の高い問題を解決します。顧客のニーズから逆算して作業を進め、AI、数理モデリング、最適化、量子コンピューティング、高性能コンピューティングにおける専門知識を組み合わせ、AWS クラウドサービスによって支えられた測定可能なビジネス成果を提供しています。
本稿では、数理最適化を紹介し、それが広範な AI の風景の中でどのように位置づけられるかを説明するとともに、イノベーションセンターが顧客と連携して具体的な結果をもたらした実世界の成功事例をご紹介します。
最適化の AI 風景における位置付け
数理最適化とは、現実世界の制約条件の下で、膨大な選択肢の中から最良の意思決定を見つける科学です。その核心は「記述的(何が起きたか)や予測的(何が起きうるか)」を単に示すのではなく、「制約と目的を踏まえて、目標を達成するために何をすべきか」を示す*記述的*分析にあります。
機械学習が多くの例からパターンを学習して確率的な予測を行う帰納型 AI であるのに対し、数理最適化は演繹型 AI です。数学的原理を特定のビジネス問題に適用し、決定論的で証明可能な最適な意思決定を提供します。
数理最適化
機械学習
アプローチ
帰納的 AI:一般的な原則を特定の課題に適用する
帰納的 AI:多数の具体的な事例からパターンを学習する
出力
決定論的な最適意思決定
確率的予測
強み
厳格な制約と長期スパンにおける正確な推論
非構造化データにおけるパターン認識
**
*多くの企業向け AI は確率的であり、パターンを学習して「おそらく正解」の回答を提供します。パターン認識タスクにはこれが有効です。しかし、規制遵守や物理的な容量制限、時間枠といった厳格な制約を伴う運用上の意思決定では、自信を持った近似値ではなく、明確な答えが必要です。
最適化は、それらの制約内で数学的に最良の解を見つけ出します。「このルートはおそらく効率的だ」が、「システムのすべての制約を考慮した上で最適なルートである」となります。
The Fidelity Center for Applied Technology (FCAT®) はこのギャップを直接目の当たりにしました。チームの機械学習(ML)モデルは、投資判断やリスク管理においてすでに強力な予測性能を発揮していましたが、彼らはこれらのモデルが基礎的な精度だけでなく、解釈可能性も備えていることを確保したかったのです。FCAT はイノベーションセンターと協力し、事後にブラックボックスを説明しようとするのではなく、モデル構築の段階から説明可能性を組み込んだ最適化手法を開発しました。その結果、予測性能を犠牲にすることなくコンプライアンスを満たす AI と、継続的な開発のための再利用可能なフレームワークが実現されました。
数学的最適化と機械学習は競合するものではなく、強力な「予測→最適化」パイプラインを形成します。機械学習モデルが需要を予測したり故障を予知したりし、その予測結果をもとに最適化手法が最良の意思決定を行います。Amazon Bedrock Guardrails における自動推論が生成 AI を事実ベースの出力に制約するのと同様に、最適化は意思決定を証明可能な妥当な範囲内に制約します。
Amazon の EU ロジスティクスネットワーク Amazon's EU logistics network を考えてみてください:90 個の倉庫、34 箇所の仕分けセンター、242 箇所の配送ステーション、そして 11,000 本以上の経路が存在します。機械学習(ML)モデルはこのネットワーク全体で需要パターンを予測しますが、シフト、容量、間隔といった制約を満たしつつトラックの発車タイミングを決定するには、最適化(Optimization)が必要です。イノベーションセンターは、翌日のカバレッジ率を 20 から 50 ベーシスポイント改善し、ビジネス価値として数千万ドルに相当する成果をもたらす、2 つの相補的な最適化アプローチを開発しました。
数理最適化と機械学習(ML)はどちらもデータ上で動作し、クラウドコンピューティングやハードウェアの進歩から恩恵を受け、深い数学的基礎の上に成り立っています。これらを組み合わせることで、科学・データ・クラウドインフラストラクチャがどのように大規模なビジネス課題を解決するかを示しています。
仕組みについて
イノベーションセンターは、あらゆる最適化課題に対して、一貫した 4 つのステップからなるフレームワークで取り組んでいます:
- Discover — お客様と連携して、高いインパクトを持つ最適化の機会を特定し、既存のアプローチや最先端の方法を調査するとともに、明確な目標と測定可能な成功基準を定義します。
- Model — ビジネス課題の数値的表現を作成し、最適化する対象(何を最適化するか)、意思決定変数(何を変更可能か)、および制約条件(どのような制限が存在するか)を捉えます。適切に構築されたモデルは、あいまいなビジネスの課題を、精密で解決可能な定式化へと変換します。
- Solve — 問題の規模と構造に合わせて、適切なアルゴリズムアプローチを設計または設定します。これには、制約プログラミングや混合整数計画法(Mixed-Integer Programming)のような厳密解法から、遺伝的アルゴリズム(Genetic Algorithms)のようなメタヒューリスティクス、さらに特定の課題に特化したカスタムヒューリスティクスまでが含まれます。
- Architect — AWS のサービスを活用して、スケーラブルなクラウドインフラストラクチャを設計し、既存システムとの統合を実現するとともに、運用上の時間枠内で結果を提供できるようにします。

*Figure 1: The optimization workflow*
これを具体的にどう実現するか見てみましょう:BMW Group(https://aws.amazon.com/blogs/quantum-computing/optimization-of-robot-trajectory-planning-with-nature-inspired-and-hybrid-quantum-algorithms/)は、ドイツに本社を置く大手自動車メーカーであり、各工場では数百台のロボットを使用して、車体の継ぎ目にシーラントを塗布し、防水性と腐食防止を実現しています。各ロボットの経路における最適な順序(次にどの継ぎ目を処理するか、どの方向からアプローチするか、どの工具を使用するか)を決定するには、人間や単純なルールでは評価しきれないほどの組み合わせが存在します。
イノベーションセンターはこのフレームワークに従い、シーケンスのボトルネックを発見し、ロボット経路と工具変更における組合せ最適化問題としてモデル化し、問題構造に特化したカスタムアルゴリズムで解決し、BMW が製造プロセス全体のあらゆるシーケンス課題に応用可能な再利用可能なソリューションを設計しました。その結果、車体 1 台あたりのロボットサイクル時間を最大 10% 短縮することに成功しました。
個別の解決から再利用可能なソリューションへ
最良のソリューションとは、単発の結果ではなく、再利用可能な手法を生み出すものです。2 つの顧客課題は、特定の課題を適切に解決することが、より広範な価値をもたらすことを示しています。
Delivery Hero — 中距離物流。フードデリバリーおよびクイックコマースのリーダーである Delivery Hero は、混雑する都市環境において、配送センターから近隣の fulfillment center(補給拠点)へ毎日 50〜150 パレットの食料品を輸送しており、目的地は頻繁に変わり、厳格な時間枠が設定されています。この計画は従来手動で行われていました。イノベーションセンターは AWS を活用した自動車両ルート最適化ソリューションを構築し、複数のセクターにおいて中距離物流の計画コストで最大 24% の削減可能性を示すと同時に、補給の信頼性を向上させ、配送遅延を減少させる成果を上げました。
Australian Red Cross Lifeblood — 労働力スケジューリング。オーストラリア赤十字ライフブラッド(Lifeblood)は、2023 年に 160 万本以上の献血を集めたオーストラリアの非営利団体です(2022 年比で 60 万件増加)。約 100 のドナーセンターに点在する数千名の Lifeblood 看護師がいなければ、献血の収集は不可能でした。しかし、適切な数の看護師を配置し、必要な専門レベルを確保しつつ、その他の現実的な要因も考慮することは、困難な組み合わせ最適化問題です。イノベーションセンターはこの大規模産業用最適化問題を制約プログラミングモデルとして定式化し、最先端の CP-SAT ソルバー(Constraint Programming - Satisfiability)を使用するとともに合成データを用いて、理論上のコスト削減率 7% と、供給量を倍にした場合のコスト削減率 46% を実証しました。
これらのプロジェクトで実証された手法は、現在、新規顧客向けの加速ソリューションとして利用可能です。
- Route Optimization and Dispatch Solution (ROaDS): Delivery Hero の取り組みから生まれた、車両経路最適化、物流最適化、および現場サービス計画のための構成可能なフレームワークです。このソリューションは、実証済みの解決パターンをコンポーネントにエンコードし、価値実現までの期間を短縮します。
- Workforce Intelligence and Scheduling Engine (WISE): Lifeblood 手法に基づいて構築された、業界横断的な労働力スケジューリングおよびシフト編成のための構成可能な基盤です。各組織の固有の制約に合わせてカスタマイズできる、堅牢な出発点を提供します。
両方のソリューションは、顧客に完全な所有権と柔軟なカスタマイズの自由度を与え、生産までの期間を短縮しながら、各組織の特定の目標に対応します。
AWS 生成 AI イノベーションセンターとのパートナーシップ
数学的最適化は、複雑な運用上の意思決定を競争優位性へと転換します。具体的には、生産効率で 10% の向上、物流コストで 24% の削減、配送カバレッジの改善による数千万ドル規模の増収をもたらします。経路計画からスケジューリング、ネットワーク設計に至るまで、当チームは科学的な深みと AWS の専門知識を備え、実現へと導きます。最適化の最初のユースケースを検討中の方や、企業全体の機能を拡張しようとしている方は、AWS アカウントチームにお問い合わせいただき、ワークフロー、データ、ビジネス成果について議論を開始してください。
著者紹介
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Sri Elaprolu
Sri Elaproluは、人工知能(AI)、機械学習、ソフトウェア工学にまたがる 28 年以上の経験を持つ技術リーダーです。AWS ジェネレーティブ AI イノベーションセンターのディレクターとして、Sri は、ジェネレーティブ AI とエージェント型 AI の最新技術を応用し、商業企業や公共セクター組織が直面する複雑な課題を解決するために、グローバルに展開された AI 科学者、戦略家、エンジニアからなるチームと協力しています。現在、Sri はイノベーションセンター内で、AI ドメイン内の新興分野の加速を担うチームを率いています。具体的には、FM カスタマイズ、AI ガバナンス、GenAI セキュリティ、エージェント型 AI のスケーリング、物理的 AI(Physical AI)、エッジ技術などがその対象領域です。

Martin Schuetz
Martin Schuetz氏は、AWSジェネレーティブAIイノベーションセンターのシニアマネージャー(リサーチ担当)であり、Amazonアドバンスドソリューションラボのグローバルリーダーを務めています。同ラボは、高度な技術の顧客による理解と導入を加速させることを目的とした科学者からなる学際チームです。Martin氏は量子物理学で博士号を取得し、産業工学で修士号を有しています。元フルブライト奨学金受給者であり、ハーバード大学物理学准教授でもあり、ETHチューリッヒ、マックス・プランク量子光学研究所、ハーバード大学において、量子シミュレーションおよび量子光学に焦点を当てた学術研究者として数年間活動しました。現在、Martin氏は顧客と協力し、科学技術の革新を通じて最も困難な課題の解決を支援しており、AWS上で最先端のソリューションを設計・構築しています。
原文を表示
*The science of optimal decisions — and how leading organizations are applying it.*
Every enterprise faces decisions that are too complex for intuition or manual decision-making alone. Which delivery routes minimize cost while meeting next-day promises? How should hundreds of robots sequence movements across a factory floor without collision? How do you staff a 24/7 healthcare operation fairly, compliantly, and efficiently?
These are problems where the stakes are high, the options are near-infinite, and the wrong choice is expensive. They also share a common trait: the number of possible solutions is so vast that no human — and no simple rule — can reliably find the best one.
Enterprises need AI that decides with *mathematical certainty.*
Leading organizations are increasingly turning to mathematical optimization, a specialized subfield of AI complementary to machine learning, to navigate that complexity and find answers that measurably outperform the status quo. Applying it well requires deep scientific expertise — and infrastructure that scales.
A team of specialized scientists with the AWS Generative AI Innovation Center does exactly this work — solving customers’ most challenging, high-impact problems through scientific innovation. Working backwards from customer needs, the team combines expertise in AI, mathematical modeling, optimization, quantum computing, and high-performance computing to deliver measurable business outcomes, all powered by AWS cloud services.
In this post, we introduce mathematical optimization, explain how it fits within the broader AI landscape, and showcase real-world success stories where the Innovation Center has partnered with customers to deliver concrete results.
Where optimization fits in the AI landscape
Mathematical optimization is the science of finding the best possible decision from a vast set of alternatives, subject to real-world constraints. At its core, it’s *prescriptive *analytics — it doesn’t just tell you what happened (descriptive) or what might happen (predictive). It tells you what you should do to achieve your goals, given your constraints and objectives.
If machine learning is inductive AI — learning patterns from many examples to make probabilistic predictions — mathematical optimization is deductive AI. It applies mathematical principles to specific business problems and delivers definitive, provably optimal decisions.
Mathematical Optimization
Machine Learning
Approach
Deductive AI: Applies general principles to specific problems
Inductive AI: Learns patterns from many specific examples
Output
Definitive optimal decisions
Probabilistic predictions
Strength
Exact reasoning over hard constraints and long horizons
Pattern recognition in unstructured data
Most enterprise AI is probabilistic — it learns patterns and gives you a likely answer. For pattern recognition tasks, that works. But operational decisions with hard constraints — regulatory compliance, physical capacity limits, time windows — need definitive answers, not confident approximations.
Optimization finds the mathematically best solution within those constraints. “This route is probably efficient” becomes “this is the optimal route given every constraint in your system.”
The Fidelity Center for Applied Technology (FCAT®) saw this gap firsthand. The team’s ML models already delivered strong predictive performance for investment decisions and risk management, but they wanted to ensure that these models were interpretable in addition to their underlying accuracy. FCAT collaborated with the Innovation Center to build optimization techniques that incorporate explainability directly into model construction, rather than trying to explain a black box after the fact. The result: compliant AI with no sacrifice in predictive performance, plus reusable frameworks for ongoing development.
Rather than competing, mathematical optimization and ML form powerful predict-then-optimize pipelines: machine learning models forecast demand or predict failures, and optimization uses those predictions to make the best possible decisions. Just as automated reasoning in Amazon Bedrock Guardrails constrains generative AI to factual outputs, optimization constrains decision-making to provably valid ones.
Consider Amazon’s EU logistics network: 90 warehouses, 34 sort centers, 242 distribution stations, and over 11,000 paths. ML models predict demand patterns across this network. But deciding when trucks should depart — while satisfying shift, capacity, and spacing constraints — requires optimization. The Innovation Center developed two complementary optimization approaches that delivered +20 to +50 basis point improvements in next-day coverage, translating to tens of millions of dollars in business value.
Both mathematical optimization and ML run on data, benefit from advances in cloud computing and hardware, and are rooted in deep mathematics. Together, they represent how science, data, and cloud infrastructure solve complex business problems at scale.
How it works
The Innovation Center approaches every optimization challenge with a consistent four-step framework:
- Discover — Work with the customer to identify high-impact optimization opportunities, survey existing approaches and state-of-the-art methods, and define clear objectives and measurable success criteria.
- Model — Build a mathematical representation of the business problem, capturing objectives (what to optimize), decision variables (what can be controlled), and constraints (what limits exist). A well-constructed model transforms a vague business challenge into a precise, solvable formulation.
- Solve — Design or configure the right algorithmic approach for the problem’s size and structure — from exact methods like constraint programming and mixed-integer programming, to metaheuristics like genetic algorithms, to custom heuristics tailored to the specific problem.
- Architect — Leverage AWS services to design cloud infrastructure that scales, integrates with existing systems, and delivers results within operational time windows.

*Figure 1: The optimization workflow*
To see what this looks like in practice: BMW Group, a large automotive company headquartered in Germany, uses hundreds of robots per plant to apply sealant to car chassis seams for waterproofing and corrosion protection. Figuring out the optimal sequence for each robot’s path — which seam to hit next, in what direction, with which tool — has more possible combinations than any human or simple rule can evaluate.
The Innovation Center followed this framework to discover the sequencing bottleneck, model the problem as a combinatorial optimization over robot paths and tool changes, solve it with custom algorithms tuned to the problem’s structure, and architect a reusable solution BMW can now apply to any sequencing challenge across their manufacturing operations. The result: up to 10% improvement in robot cycle time per car body.
From problems solved to reusable solutions
The best solutions produce reusable methodology, not just one-time results. Two customer challenges illustrate how solving a specific problem well can yield something broader.
Delivery Hero — Middle-mile logistics. Delivery Hero, a leader in food delivery and quick commerce, moves 50–150 pallets of groceries daily from distribution centers to neighborhood fulfillment centers across dense urban environments, with shifting destinations and strict time windows. This was planned manually. The Innovation Center built an automated vehicle routing solution on AWS that demonstrated the potential for up to 24% savings in middle-mile planning costs across multiple sectors, while improving replenishment reliability and reducing delivery delays.
Australian Red Cross Lifeblood — Workforce scheduling. The Australian Red Cross Lifeblood (Lifeblood) is an Australian non-profit collecting more than 1.6 million blood donations in 2023 (up 600,000 from 2022). Collecting blood donations would not be possible without the thousands of Lifeblood nurses across about 100 donor centers. However, ensuring that the donor centers are staffed with the appropriate number of nurses with the right level of expertise while considering other real-world factors is a hard combinatorial optimization problem. The Innovation Center formulated the full industrial-scale optimization problem as a constraint programming model and then used the state-of-the-art CP-SAT solver and using synthetic data, demonstrated a theoretical cost reduction of 7% – and a cost reduction of 46% when doubling the supply.
The methodologies proven in these projects are now available as accelerated solutions to new customers:
- Route Optimization and Dispatch Solution (ROaDS): Born from the Delivery Hero work — a configurable framework for vehicle routing, logistics optimization, and field services planning. It encodes proven solution patterns into components that accelerate time-to-value.
- Workforce Intelligence and Scheduling Engine (WISE): Built on the Lifeblood methodology — a configurable foundation for workforce scheduling and rostering across industries. It provides a robust starting point that can be tailored to each organization’s unique constraints.
Both give customers full ownership and the flexibility to customize — reducing the path to production while addressing each organization’s specific objectives.
Partner with the AWS Generative AI Innovation Center
Mathematical optimization turns complex operational decisions into competitive advantages — 10% production efficiency gains, 24% logistics cost reductions, tens of millions in incremental revenue from improved delivery coverage. From routing to scheduling to network design, the team brings the scientific depth and AWS expertise to deliver. If you’re exploring your first optimization use case or scaling an enterprise-wide capability, contact your AWS account team to start a conversation about your workflows, your data, and your business outcomes.
About the authors

Sri Elaprolu
Sri Elaprolu is a technology leader with over 28 years of experience spanning artificial intelligence, machine learning, and software engineering. As Director of the AWS Generative AI Innovation Center, Sri works with a global team of AI scientists, strategists, and engineers applying the latest advances in generative AI and agentic AI to solve complex challenges for commercial enterprises and public sector organizations. Sri currently leads teams within the Innovation Center focused on accelerating emerging areas within the AI domain including FM customization, AI Governance, GenAI Security, Agentic AI scaling, Physical AI, and edge technologies.

Martin Schuetz
Martin Schuetz is a Sr. Manager, Research for the AWS Generative AI Innovation Center, and the global lead for the Amazon Advanced Solutions Lab — an interdisciplinary team of scientists dedicated to accelerating our customers’ understanding and adoption of advanced technologies. Martin holds a PhD in quantum physics and an M.Sc. in Industrial Engineering. He is a former Fulbright Scholar and Harvard Physics Associate, and worked for several years as an academic researcher with a focus on quantum simulation and quantum optics, at ETH Zurich, the Max Planck Institute for Quantum Optics, and Harvard University. Today, Martin works with customers to help solve some of their hardest problems through scientific innovation, designing and building cutting-edge solutions on AWS.
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