考虑飞机排放的滑行线路优化

考虑飞机排放的滑行线路优化（精选2篇）

考虑飞机排放的滑行线路优化 篇1

基于MILP的飞机滑行排序的优化

提出了飞机滑行排序的优化问题,目的是最大限度减少滑行时间,提高机场运行效率.根据飞机在机场地面的运动规律,基于确定的滑行路径,考虑滑行路线冲突,建立了该问题的`混合整数规划模型.讨论了该复杂优化问题的分解方法,给出了上海浦东机场地面网络的算例,验证了所做工作的实用性.

作 者：徐肖豪 臧志恒 XU Xiaohao ZANG Zhiheng  作者单位：中国民航大学,天津,300300 刊 名：交通与计算机  ISTIC英文刊名：COMPUTER AND COMMUNICATIONS 年，卷(期)：2007 25(2) 分类号：V351.11 关键词：飞机滑行排序   混合整数规划   滑行时间   优化  

考虑飞机排放的滑行线路优化 篇2

在机场规划与设计中需要考虑相关的环境要素, 本文主要考虑从优化飞机的滑行路线来考虑减少机场的排放, 这是一个减小机场排放的重要措施。机场的必要设施以及飞机的起降对滑行路线的设计有一定要求, 机场设计时可以兼顾环境专家的一些考虑的因素, 选取一个较为平衡的方案进行机场滑行路线优化设计。

针对不同类型不同规模的机场需要考虑的针对污染排放的滑行路线设计方法有所不同。本文选取了虹桥机场作为典型机场来进行飞机滑行路线的优化设计。

1 飞机排放的发展趋势及影响

根据美国联邦航空管理局的调查统计, 飞机运营量有大幅增长, 从1976年的1500万美元到2000年的近3000万元, 累积增长约105%。全世界来看, 飞机运营的次数 (定义为一个起降循环, LTO) 已经大幅度地上升。虽然由于更加严格的控制计划的实施, 大多数来源的排放都是正在下降的, 但空中旅行数量的增长以及飞机发动机持续缺少严格的控制程序导致了机场污染的增长。

飞机在滑行过程中, 向大气中排放碳氢化合物 (HC) 、一氧化氮 (CO) 、氮氧化合物 (NOX) 、二氧化硫 (SO2) 和微颗粒 (PM) 等有害成分。飞机在开启发动机的状态下, 在飞行区的等待、滑行时, 发动机处于空转的状态每分钟CO和HC的产生率远高于其他的飞行状态。再加上高峰时间的滑行时间较长, 总的排放量在一天内会达到相当的数量。

根据国际民航组织 (ICAO) 的调查统计, 飞机在一个起降循环 (LTO) 中, 每种模式的平均运行时间如下表所示。

由表1可知, 滑行的持续运行时间要远高于飞机在其他模式中的运行时间。因而, 有必要充分考虑滑行阶段的排放问题, 并进一步提出最优化的滑行线路, 为飞行区布局和运行组织提供技术依据。

机场的相关活动成为了空气污染的排放主体, 对公共健康和环境都是非常不利的。NOX和HC是地表大气层排放的先驱, 对人类健康和人类生态环境有着严重破坏。NOX很容易与大气中的其他化合物反应生成硝酸盐和酸雨, 能在大气中存在很长一段时间, 且具有很强的穿透力。人体长期置于含氮氧化合物的气体中, 会导致机体免疫功能下降, 极易感染上肺病和呼吸系统疾病。HC同样导致了对肺部的刺激, 并且令诸如哮喘病, 慢性支气管炎以及肺气肿等等种类的疾病加剧。微粒对心肺有着不利影响, 并且导致了区域性的环境问题, 比如烟霞和酸雨[1]。

2 飞机发动机排放模型与参数

对于不同机型 (发动机) 和不同的使用方式, 排放物的量及其成分分布变化较大。飞机发动机在低速时排放的主要污染物是CO和未燃的HC, 虽然NOX的排放量比飞行过程中低, 但仍是不可忽略的。本章中总结归纳了排放物的相关参数和指标, 借用发动机的排放模型 (TIM) , 计算出了飞机在滑行过程中的排放。

要研究飞机发动机的排放问题, 需要对不同机型及其发动机的相关知识进行了解和掌握, 选取建立合适的模型来计算发动机在不同状态下的排放量。

要计算一个机场指定时间内的排放量, 就需要知道不同机型, 不同的发动机型号在运行过程中的一些排放数据。

表2中列举了一写常见机型的发动机型号 (有些机型采用多种发动机, 下表中列出其最常见的两种) 。

飞机的一个起降循环中, 要经历几个不同的阶段, 当飞机接近地面时就要经历以下几个阶段:进近、滑行/空转、停止、起飞、爬升。每个阶段, 飞机发动机都是连续工作的。对于不同发动机的飞机总的排放量, 美国环保局 (EPA) 都作了统计。对于任意一种排放物, 都有三个因素影响其排放量:

A.单位油耗的排放指标 (每单位油耗的排放量) ;

B.油的消耗率;

C.运行阶段的持续时间。

飞机在开启发动机的状态下, 在飞行区的等待、滑行时, 飞机的发动机处于空转的状态 (7%的推进力) , 每分钟CO和HC的产生率是极高的, 远高于其他的飞行状态。当飞机发动机加大功率时, 这两项指标才会开始下降, 比如在起飞和爬升时, 由此可知, 在飞机滑行过程中, 我们主要考虑的指标应该是CO和HC两项。

飞机滑行过程中, HC和CO的单位排放量较大;而在起飞过程中, NOX的单位排放量相对较大, 但是这个阶段平均只持续0.7~2.2min。因此总的排放量与平均持续时间为20min的滑行阶段基本相当。

用模型来计算飞机发动机产生的排放是很重要的一个步骤, EPA给出了下述的一个公式 (统计时间模型———TIM) :

式中, TIMjk为j型飞机在k模式中所用的时间;FFjk为j型飞机在k模式中发动机的油耗;EIijk为j型飞机在k模式中产生的i种污染的单位油耗排放量;NEj为j型飞机的发动机个数。

由于本文只考虑飞机在滑行过程中的排放, 可以把上述模型中的k指标消除, 来用上述模型计算滑行过程中的总的排放量。模型可以被简化为:

用此模型来计算一个机场指定时间内的排放量, 就需要知道不同飞机, 不同发动机在运行过程中的一些排放知识, 此项内容在上文中已有说明。根据此模型, 计算出典型机型在空转模式时的单位时间排放量, 如表3。

3 典型飞行区构型及其网络化

滑行是飞机在机场运行过程中的重要组成部分。在飞机运行的一个循环中, 经过进近阶段, 飞机就从空中滑入跑道。当飞机着陆之后, 就开始从它所在的位置滑行入机坪。滑行道体系联结着停机坪和滑行道。每条跑道可能都有几个入口和出口, 而这些出入口就成为了滑行道和跑道之间的节点。有时准备起飞的飞机必须在进入跑道起飞之前等待, 这是就是停留在那些节点处。同样, 在飞机也有可能在沿着滑行道滑行时改变起飞的顺序, 但这并不常见。

机场的飞行区可以被抽象为一张G= (V, E) 的网络图, V为节点, E为边。V (节点) 代表滑行道体系的交叉口;E (边) 代表两个节点直接的滑行道。另外, 还要选取一个参数L (在正实数范围内) :代表E (边) 的长度。令A={1, …, n}作为所考虑的飞机。

以虹桥机场的滑行道体系为例, 将其抽象成网络图, 如图1所示。

图中, VMi表示跑道与滑行道之间的节点, 用

表示;VNi表示滑行道体系之间的节点, 用表示;VPi表示停机坪和滑行区之间的节点, 用表示;VQi表示停机坪的机位, 用表示。

上述网络中包括了起飞和降落飞机 (Adep、Aarr) 所有可能的节点与滑行路径, 为虹桥机场滑行道体系抽象出的物理网络。停机坪机位分为近机位与远机位两种, 本文只分析廊桥联通的近机位, 而远机位暂时不作考虑。另R={R1, R2, …, Rn}为所有可能的滑行路径, 其中R1为飞机i的滑行路径。一条滑行路径Ri是一系列节点 (u1i, u2i, u3i, …, uiki) , 其中uij∈V, j=1, …ki;而 (uji, uij+1) ∈E, 其中j=1, …ki-1。简单说来, 如果直线边 (u, v) 是飞机滑行路径i的一部分, 则节点 (u, v) ∈Ri也是其中的一部分。同理, 如果u∈Ri也代表节点u是飞机滑行路径的一部分。

4 考虑排放的滑行线路优化方法

如果飞机在滑行中的油耗效率较低, 会导致机场附近有很高的排放, 因此, 从环境的角度来考虑飞机的滑行路线是很有必要的。在大部分的机场里, 不同飞机的滑行路线是不同的。本章中提出了一种基于排放的飞机滑行路线优化设计方法。

飞机各个阶段的运行典型循环的全过程———到达、停靠、出发。这个任务也包括给飞机分配滑行路线, 这是本文考虑的重点。滑行过程依赖于飞机在机场循环全过程的其他阶段。这些阶段是滑行阶段的时间和路线分配的依据。考虑的时空范围为着陆飞机从脱离跑道到停靠机位或起飞飞机从停机位推出到跑道起飞, 不考虑飞机在跑道上的滑行。为了提高效率, 同样也为了减小排放, 滑行中的等待时间应减小到最小。

影响飞机滑行路线的因素有很多, 主要包括:跑道和脱离道的数量及其之间的夹角;机场地面滑行道的布局状况;停机坪/登机口的个数;与滑行道的结构关系及其能停放的飞机类型等[4]。

对机场的滑行路线进行优化设计, 需要建立合理的模型, 以此优化滑行飞机的交通流, 这样还能同时保持并提高现有的安全水平。整体优化的前提是每一架飞机有一条给定的滑行路线, 因此, 接下来要考虑的重点就是如何对不同飞机设计出不同的滑行路线, 使总的排放量尽可能小。根据飞机机型、发动机的不同, 选取波音 (Boeing) 、空客 (Airbus) 等公司的几种典型机型, 对其在不同类型的滑行道时的排放进行分析, 并建立模型进行滑行路线的优化设计。

根据各类飞机在不同滑行道的速度和单位时间排放量, 可以计算出各类飞机在不同滑行道上滑行时的总的排放量。

令平行于跑道的滑行道为LMi;快速出口滑行道为LNi;停机坪滑行道为LTi;滑行通道为LPi。可知, 飞机沿一条路径滑行时的排放量为:

式中, ERjk表示某条滑行路径上, 飞机j的k种污染物的总的排放量;ELkij表示飞机j在边i上的k种污染物的排放量, 可由式 (2) 计算得来;EVkij表示飞机j在节点i上的k种污染物的排放量。EAkij表示飞机j等待时间为t时的k种污染物的排放量, 可根据表3中数据计算得来。

各个节点的时间损失及产生排放可根据转弯半径的大小计算, 直角通过节点时间损失最大;钝角通过节点时间损失较小。如果沿直线方向通过节点而未发生转弯, 可近似认为节点处无时间损失。

实现飞机滑行路线的优化, 即要将排放量作为一项考虑参数, 使建立的滑行路线排放量最小。由此, 对具体某一给定机型, 可采用交通规划中的全有全无交通分配模型。全有全无交通分配法是根据最短路径来分配交通的。本文中将最短路径理解为排放量最小的路径。将飞机停靠点以及在进入跑道点之间的所有可能路径建立起网络图。

对机场滑行系统进行整体优化, 可以根据Wardrop第二原理, 交通量的系统最优模型进行设计。在整个滑行系统中, 使得所有飞机总的排放之和为最小, 即:

结合上述模型, 可以在给定飞机起飞着陆时间, 且能够确保所有飞机之间满足安全间隔要求的前提下, 确定各飞机的最优滑行路线, 又使总的排放最小, 整体效率最高。

参考文献

[1]Robert Ghisolfi, Arthur Marin, Marika Tatsutani et al.Controlling Airport-Related Air Pollution.US:Northeast States for Coordinated Air Use Management&Center for Clean Air Policy.June2003.

[2]Brian S.Levine, GRA.Aircraft Taxi-Out Emissions at Congested Hub Airports and the Implications for Aviation Emissions Reduction in the United States.CD of TRB2007Annual Meeting, 2007, 1.

[3]ICAO.Annex16To The Convention on International Civil Aviation, Environmental Protection Volume II, Aircraft Engine Emissions (Second Edjtion) .1993.