進(jìn)離場航線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境影響優(yōu)化研究進(jìn)展

田勇, 殷潤澤, 萬莉莉

(南京航空航天大學(xué) 民航學(xué)院， 江蘇 南京 210016)

進(jìn)離場航線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境影響優(yōu)化研究進(jìn)展

田勇, 殷潤澤, 萬莉莉

(南京航空航天大學(xué) 民航學(xué)院， 江蘇 南京 210016)

綜述航跡數(shù)據(jù)分析和航線規(guī)劃設(shè)計等對進(jìn)離場航線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境影響的研究方法.航線路徑設(shè)計規(guī)劃是在借鑒二維路徑規(guī)劃的基礎(chǔ)上，通過應(yīng)用不同的啟發(fā)式算法，搜索到滿足條件的最優(yōu)航線路徑；通過進(jìn)離場航線網(wǎng)絡(luò)的次序優(yōu)化原則，可實現(xiàn)航線網(wǎng)的全局優(yōu)化.最后，針對進(jìn)離場航線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境影響的研究現(xiàn)狀，提出應(yīng)增加對航空器飛行性能分析、考慮航空排放和航空噪聲對居民密集區(qū)的影響等幾點建議與展望. 關(guān)鍵詞： 進(jìn)離場航線網(wǎng)絡(luò)； 航跡數(shù)據(jù)分析； 航線規(guī)劃設(shè)計； 航空排放； 航空噪聲

終端區(qū)是機(jī)場飛行區(qū)和航路間的重要銜接區(qū)域，由于其具有交通流密集多變、航線結(jié)構(gòu)錯綜復(fù)雜、運(yùn)行模式多種并存的特點，導(dǎo)致空域擁堵或航班延誤，更造成了惡劣的環(huán)境影響，引起人們的高度重視.據(jù)聯(lián)合國政府間氣侯變化專門委員會統(tǒng)計，目前交通運(yùn)輸化石燃料消耗中13%是由航空運(yùn)輸所消耗的[1]，而航空運(yùn)輸排放的氧化氮(NOx)、一氧化碳(CO)和顆粒物(PM)等有毒物質(zhì)主要集中在航空器的起降階段[2].從中國民航飛機(jī)NOx排放分布中可以看出：垂直高度上1 000 m的NOx排放量最大[3].這些低空排放的有毒物質(zhì)嚴(yán)重威脅著人類健康.除此之外，航空噪聲也嚴(yán)重地干擾著終端區(qū)內(nèi)居民的正常生活.又因終端區(qū)進(jìn)離場航線往往經(jīng)過人口密集的城市上空，所以航空環(huán)境影響尤為凸出.航空運(yùn)輸業(yè)是交通運(yùn)輸業(yè)的核心，我國還會繼續(xù)擴(kuò)大民用機(jī)場的數(shù)量和規(guī)模，因此，對終端區(qū)環(huán)境影響的研究就顯得十分重要.本文綜述了近幾年國內(nèi)外對終端區(qū)進(jìn)離場航線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境影響的優(yōu)化研究方法和進(jìn)展.

1 航空環(huán)境影響的研究對象

終端區(qū)內(nèi)航空器環(huán)境影響主要考慮的是航空排放影響和航空噪聲影響，航空器環(huán)境影響與高度層的關(guān)系，如圖1所示.圖1中：h為高度.目前，航空排放和航空噪聲都有著一套成熟完備的測算體系，但是，針對航空環(huán)境影響的終端區(qū)進(jìn)離場航線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方法的研究卻處在起步階段.

圖1 航空器環(huán)境影響與高度層的關(guān)系Fig.1 Comparison of environmental impact under different flight level

1.1 航空排放

航空排放是指航空燃油在燃燒室與空氣混合燃燒后排出的各種物質(zhì).其中，終端區(qū)內(nèi)的航空排放物主要分為溫室效應(yīng)氣體二氧化碳(CO2)、水蒸氣(H2O)和有毒氣體氮氧化物(NOx)、物烴(HC)等.因為低空排放中的CO2多數(shù)被地面吸收，對環(huán)境影響不大.但是，NOx，SOx，HC等有毒物質(zhì)會對近地面空氣質(zhì)量產(chǎn)生影響，并損害周邊人群健康，所以研究它們的排放量和分布情況非常重要.

20世紀(jì)80年代，美國聯(lián)邦航空總署(FAA)開發(fā)了EDMS(emissions and dispersion modeling system)，并將系統(tǒng)中的排放模型和擴(kuò)散模型作為機(jī)場建設(shè)項目大氣環(huán)境影響的標(biāo)準(zhǔn)評價模型.2015年5月，EDMS由AEDT(aviation environmental design tool)系統(tǒng)代替.AEDT中的排放模型和擴(kuò)散模型是在原有模型上進(jìn)行了總結(jié)和補(bǔ)充，可以進(jìn)行飛行區(qū)域內(nèi)混合高度層下多個航空器的排放物質(zhì)計算和擴(kuò)散分布評估.目前，AEDT是FAA官方認(rèn)可關(guān)于航空排放和氣體擴(kuò)散的標(biāo)準(zhǔn)評估工具.

1.2 航空噪聲

噪聲是發(fā)聲體做無規(guī)則振動時發(fā)出的聲音，若長期作用于人的中樞神經(jīng)系統(tǒng)，容易導(dǎo)致精神錯亂，甚至死亡.航空噪聲主要具有以下特點：聲壓級高、低頻噪聲突出、影響范圍廣、噪聲影響時空間斷性大和累加性強(qiáng).國內(nèi)外普遍采用的基本噪聲評價模型有如下幾類：聲壓和聲壓級、A聲級和最大A聲級、聲暴露級SEL、感覺噪聲級PNL、有效感覺噪聲級EPNL和等效連續(xù)聲級.我國參照國際民航組織(ICAO)推薦的指標(biāo)計權(quán)等效連續(xù)感覺噪聲級(WECPNL)作為噪聲指標(biāo)，該指標(biāo)考慮了噪聲的頻譜特性和持續(xù)時間.

20世紀(jì)70年代，F(xiàn)AA結(jié)合SAE AIR 1845標(biāo)準(zhǔn)，開發(fā)了INM(integrated noise model)噪聲評估系統(tǒng).該系統(tǒng)通過使用NPD(noise-power-distance)數(shù)據(jù)進(jìn)行噪聲值評估.1998年，F(xiàn)AA開發(fā)了NIRS(noise integrated routing system)程序，用于評價航線或飛行程序的噪聲影響.隨后，AEDT總結(jié)了INM和NIRS中已有的噪聲評價方法，并補(bǔ)充了多個噪聲評價模型.FAA在2012年發(fā)出聲明，AEDT將取代NIRS進(jìn)行空域和飛行程序噪聲評估.在2015年5月，F(xiàn)AA宣布使用AEDT取代INM.

1.3 終端區(qū)進(jìn)離場航線網(wǎng)絡(luò)

終端區(qū)進(jìn)離場航線網(wǎng)絡(luò)是由終端區(qū)內(nèi)多條進(jìn)離場航線組成的網(wǎng)絡(luò)模型，其模型優(yōu)化的基礎(chǔ)是三維空間路徑規(guī)劃問題.結(jié)構(gòu)良好的終端區(qū)進(jìn)離場航線網(wǎng)絡(luò)可以從根本上減少飛行沖突、縮短飛行里程、降低排放、縮小噪聲影響范圍等，從而提高安全裕度、降低運(yùn)行成本和緩解航空器環(huán)境影響.在設(shè)計進(jìn)離場航線時，安全可靠是必須遵循的首要原則，經(jīng)濟(jì)合理是在安全基礎(chǔ)上力爭實現(xiàn)的原則，而降低環(huán)境影響是更高層次的追求.

終端區(qū)進(jìn)離場航線網(wǎng)絡(luò)研究首先是從飛行程序設(shè)計入手的，研究人員設(shè)計了連續(xù)下降進(jìn)近(CDA)、下降剖面優(yōu)化(OPD)、延遲下降進(jìn)近(DDA)、連續(xù)爬升(CCL)等飛行程序.隨后，通過借鑒二維路徑規(guī)劃方法，研究人員逐步實現(xiàn)了終端區(qū)空域內(nèi)的三維進(jìn)離場航線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃.目前研究中，不同的進(jìn)離場航線優(yōu)化方法間最主要的區(qū)別在于應(yīng)用不同啟發(fā)式算法，如蟻群算法、A*算法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等，以搜索滿足目標(biāo)條件的最優(yōu)航線路徑.為了進(jìn)一步提高進(jìn)離場航線路徑搜索效率，研究人員又提出了基于概略圖的路徑規(guī)劃方法、基于柵格的路徑規(guī)劃方法和基于類比的路徑規(guī)劃方法等.在單條航線路徑規(guī)劃的基礎(chǔ)上，通過航線優(yōu)先級劃分，以實現(xiàn)航線網(wǎng)絡(luò)全局優(yōu)化.

2 航空環(huán)境影響的研究方法

近年來，國內(nèi)外研究多集中在終端區(qū)進(jìn)離場航線網(wǎng)絡(luò)的研究方法上.研究方法主要包括歷史數(shù)據(jù)分析和規(guī)劃仿真評估.相比而言，航空排放和航空噪聲的研究較為成熟.AEDT是FAA提出用于評估航空排放和航空噪聲的標(biāo)準(zhǔn)工具.

2.1 航空排放研究方法

國內(nèi)外關(guān)于航空排放的研究方法歸納起來主要有模型分析、取樣分析和其他分析.模型分析是通過公式計算以獲取航空排放.取樣分析是通過實際取樣測量獲取航空排放，并與計算結(jié)果對比.其他分析則是對公式計算和實際測量間的誤差進(jìn)行分析.

2.1.1 模型分析 由于AEDT是FAA在2015年提出的航空環(huán)境分析評估標(biāo)準(zhǔn)工具，所以，之前研究航空排放時用得較多的模型仍是EDMS中的排放模型.

EDMS模型中航空器污染氣體排放量計算為

上式中：Ei，m為m工作模式下t時間內(nèi)的污染物i排放量;na為a類型航空器發(fā)動機(jī)數(shù)量;Fa,e,m為a類型航空器安裝e類型發(fā)動機(jī)時在m工作模式下的燃油消耗速率;Ee,m,i為e類型發(fā)動機(jī)在m工作模式下污染物i的排放指數(shù);tm,a為a類型航空器在m工作模式下的時間.

常用機(jī)型配備典型發(fā)動機(jī)的各氣體排放指數(shù),如表1所示.表1中：EIHC，EICO，EINOx為HC，CO，NOx的排放指數(shù).

表1 常用機(jī)型氣體排放指數(shù)

樊守彬等[2]研究發(fā)現(xiàn)，通過引入EDMS模型，CO和VOCs在滑行模式下排放量最大，NOx在起飛階段排放較多，而PM10的排放則主要集中在起飛和滑行階段.夏卿等[4]通過使用EDMS模型發(fā)現(xiàn)，我國飛機(jī)污染物排放主要集中在華東與中南地區(qū)占據(jù)了排放總量的60%.

2.1.2 取樣分析 研究人員一般在機(jī)場附近對污染物進(jìn)行取樣，從而更準(zhǔn)確地描述污染物擴(kuò)散和質(zhì)量濃度分布情況.由于世界各地氣候條件和氣象要素不同，加上各地飛機(jī)場使用的發(fā)動機(jī)類型各異，所以通過模擬輸出的結(jié)果與實際情況檢測出的結(jié)果會有所差別.例如，在實地取樣分析后，Schürmann等[5]發(fā)現(xiàn)有些引擎的排放清單比 ICAO 公布的數(shù)據(jù)高，而有些引擎的排放量則低于公布的排放清單.因此，各地想得到更準(zhǔn)確的排放量計算，還需要更精確的實地取樣數(shù)據(jù).

2.1.3 其他分析 排放物的分布和擴(kuò)散情況受環(huán)境氣象條件影響較大.例如，濕潤空氣會加速污染物的濕沉積，太陽輻射強(qiáng)度和風(fēng)速會改變空氣對流，從而影響污染物分布.所以，其他影響因素不可避免地會對污染物的分布和擴(kuò)散造成嚴(yán)重影響，造成模型計算和實際測量結(jié)果出現(xiàn)差異.

2.2 航空噪聲研究方法

國內(nèi)外關(guān)于航空噪聲的研究方法歸納起來主要有模型分析和取樣分析.模型分析是通過公式計算以獲取各點位的噪聲級.取樣分析是通過實際測量獲取航空噪聲級，并與計算結(jié)果對比.其他分析則是從觀感知上分析噪聲影響.

2.2.1 模型分析 AEDT是FAA在INM模型基礎(chǔ)上提出的航空環(huán)境分析評估標(biāo)準(zhǔn)工具，即噪聲測算模型.INM噪聲評估體系包含了多個噪聲評價指標(biāo)和計算公式，如表2所示.

表2 INM噪聲評估體系的噪聲指標(biāo)

周寧[6]采用WECPNL噪聲指標(biāo)，計算并繪制蕭山機(jī)場2005年噪聲等值線圖.

2.2.2 取樣分析 研究人員一般在機(jī)場附近或航線覆蓋區(qū)域內(nèi)安裝測噪儀，從而準(zhǔn)確地測量不同時間段內(nèi)的噪聲值.由于噪聲傳播中會受到物體阻礙，噪聲級會被削弱，因而測量結(jié)果也會有所差異.

2.2.3 其他分析 噪聲值可以通過測量工具進(jìn)行客觀評價，噪聲影響強(qiáng)度卻是受人體主觀感知判斷的.在綜合考慮機(jī)場航空噪聲客觀評價量和居民主觀反應(yīng)的基礎(chǔ)上，楊尚文[7]建立了機(jī)場航空噪聲對居民影響的二級模糊綜合評價模型.此外，我國城市區(qū)域環(huán)境噪聲評價量和室內(nèi)允許噪聲標(biāo)準(zhǔn)采用的是等效聲級Leq，所以應(yīng)同時考慮使用兩種噪聲評價模型.

2.3 終端區(qū)進(jìn)離場航線網(wǎng)絡(luò)研究方法

終端區(qū)進(jìn)離場航線大多是基于機(jī)場布局、導(dǎo)航設(shè)施和限制區(qū)進(jìn)行的人工設(shè)計，不但設(shè)計效率不高，且設(shè)計方案合理性缺乏科學(xué)驗證.對進(jìn)離場航線進(jìn)行三維空間的路徑規(guī)劃可以有效兼顧安全性、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性等設(shè)計目標(biāo)，并實現(xiàn)航線網(wǎng)絡(luò)的總體優(yōu)化.國內(nèi)外的研究方法歸納起來主要包括歷史航跡數(shù)據(jù)分析、終端區(qū)航線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，以及試飛檢驗.

2.3.1 航跡數(shù)據(jù)分析 我國仍非常缺乏基于實際運(yùn)行航跡數(shù)據(jù)的終端區(qū)航線分析評估研究，而國外針對歷史數(shù)據(jù)的分析研究開展較早.早期研究人員多聚焦于飛行程序優(yōu)化，Kershaw等[8]分析了希斯羅機(jī)場210架進(jìn)場航班的飛行剖面，結(jié)果表明：成功使用CDA程序可以有效降低航空排放和噪聲影響.Cao等[9]采用整數(shù)線性規(guī)劃方法求解無沖突CDA剖面，并選取紐約機(jī)場來驗證CDA程序相比階梯進(jìn)近的好處.為了獲得CDA程序的最佳下降頂點，Stell等[10]分析部分機(jī)型的下降軌跡數(shù)據(jù)，在給定的推力和阻力模型下，可以準(zhǔn)確計算出最佳下降頂點的位置.隨著導(dǎo)航精度逐漸提高，大型繁忙終端區(qū)內(nèi)配備了基于性能導(dǎo)航(PBN).為了驗證PBN程序?qū)娇窄h(huán)境影響的增益，Bronsvoort等[11]分析了里約熱內(nèi)盧國際機(jī)場在應(yīng)用PBN程序下的實際航跡數(shù)據(jù)，結(jié)果表明：PBN程序可減小噪聲影響區(qū)域，同時減少油耗和排放.另外，Muller等[12]以西雅圖機(jī)場為例進(jìn)行分析，結(jié)果表明：區(qū)域?qū)Ш?RNVA/RNP)程序相比傳統(tǒng)進(jìn)場程序最多可節(jié)省約40%的燃油消耗.Jean-Marie等[13]分析了在3.3 km以下，航空器以小推力/小阻力的方式進(jìn)近，結(jié)果表明:小推力進(jìn)近可降低碳排放約35%.為了對比不同地區(qū)應(yīng)用連續(xù)下降運(yùn)行(CDO)后不同的環(huán)境影響改善，Terry等[14]對巴黎和紐約進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：導(dǎo)致環(huán)境改善的因素是交通流密度和飛行路徑.因此，終端區(qū)內(nèi)的交通流密度和進(jìn)離場航線路徑是造成航空環(huán)境影響的關(guān)鍵因素.

圖2 終端區(qū)進(jìn)離場航線示意圖Fig.2 Arrival and departure routes network in terminal area

2.3.2 航線規(guī)劃仿真評估 終端區(qū)進(jìn)離場航線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的基礎(chǔ)是三維空間的路徑規(guī)劃問題示意圖，如圖2所示.早在本世紀(jì)初，張永芳等[15]在空射巡航導(dǎo)彈實時軌跡優(yōu)化，無人機(jī)回避危險航跡規(guī)劃[16-17]和機(jī)器人動態(tài)移動路徑規(guī)劃等諸多方面取得了豐碩的研究成果.通過使用模擬退火算法，Xue等18]對終端區(qū)二維航線網(wǎng)絡(luò)路徑進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，結(jié)果表明：優(yōu)化后的進(jìn)離場航線可以有效降低燃油消耗和航空排放.王超等[19]對西安咸陽機(jī)場05L跑道起降航線進(jìn)行研究時，提出了3D進(jìn)離場航線的優(yōu)化方法.在航線垂直剖面優(yōu)化時，提出了基于核密度估計的3D航線垂直剖面優(yōu)化方法，實現(xiàn)了基于路徑最短的進(jìn)離場航線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化.核密度估計法是通過分析歷史航跡數(shù)據(jù)而得到軌跡概率密度，以確定最優(yōu)的下降航跡垂直剖面.此后，王超等[20]還提出3種啟發(fā)式搜索規(guī)則，使用動態(tài)領(lǐng)域搜索方法來改進(jìn)Xue等所用的模擬退火算法，并設(shè)計了基于模糊理論的離場軌跡降噪優(yōu)化方法.賀超男等[21]也提出了基于A*算法的進(jìn)離場航線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃方法.在借鑒上述啟發(fā)式搜索規(guī)則的基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[22-23]設(shè)計危險天氣下的進(jìn)離場航線網(wǎng)絡(luò)多目標(biāo)優(yōu)化方案，采用可視圖理論，大幅度減小了終端區(qū)內(nèi)的搜索空域.相比之下，核密度估計法是通過分析歷史航跡數(shù)據(jù)而得到軌跡概率密度，并以此確定最優(yōu)的下降航跡垂直剖面.改進(jìn)后的蟻群算法、模擬退火算法和A*算法在水平和垂直剖面內(nèi)均采用空間搜索獲取最優(yōu)進(jìn)離場航線路徑.

此外，在優(yōu)化終端區(qū)與航路航線網(wǎng)絡(luò)銜接時，國外研究人員提出了構(gòu)建終端區(qū)內(nèi)智能化過渡區(qū)的策略.隨后，智能化終端過渡區(qū)策略逐步演變?yōu)閿U(kuò)展終端區(qū)策略，萬莉莉等[24]提出了一種擴(kuò)展終端區(qū)下的進(jìn)離場資源分配優(yōu)化策略，如圖2所示.通過分散延誤航班，該策略可有效提高終端區(qū)運(yùn)行效率，并減小燃油消耗和污染氣體排放.Sidiropoulos等[25]通過對終端區(qū)邊界進(jìn)離場點進(jìn)行聚類分析，明確了終端區(qū)邊界上最佳進(jìn)離場點.少數(shù)國外研究人員對優(yōu)化后的進(jìn)離場航線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了試飛驗證.

3 結(jié)論

近年來，終端區(qū)內(nèi)航空環(huán)境影響因其危害性較大而受到社會各界的廣泛關(guān)注.終端區(qū)航空環(huán)境影響主要包括了航空排放和航空噪聲，AEDT是目前準(zhǔn)確測算航空排放和航空噪聲影響的標(biāo)準(zhǔn)工具.AEDT對EDMS和INM系統(tǒng)進(jìn)行了總結(jié)和補(bǔ)充，可以進(jìn)行飛行區(qū)域內(nèi)混合高度層下多個航空器的排放物定量計算、噪聲影響范圍評估，以及空氣質(zhì)量評估.

優(yōu)化后的進(jìn)離場航線網(wǎng)絡(luò)可以有效降低環(huán)境影響，其研究方法主要包括航跡數(shù)據(jù)分析、終端區(qū)航線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計和試飛檢驗.在目前航線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中，研究人員提出了多種優(yōu)化進(jìn)離場航線路徑的智能算法.相比之下，改進(jìn)后的蟻群算法可以更加準(zhǔn)確、高效地搜索最優(yōu)進(jìn)離場航線路徑.但是，研究中缺乏對終端區(qū)居民密集區(qū)和氣象條件的考慮.進(jìn)離場航線優(yōu)先級劃分是解決多條進(jìn)離場航線交匯的有效方法，但是，其標(biāo)準(zhǔn)過于簡單.進(jìn)離場航線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方案中多以飛行路徑最短作為優(yōu)化目標(biāo)，少部分研究人員考慮了離場航線爬升階段的噪聲影響.因此，針對進(jìn)離場航線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境影響研究現(xiàn)狀，提出以下3點建議與展望.

1) 未來研究中應(yīng)以減少航空排放和航空噪聲影響范圍作為進(jìn)離場航線路徑優(yōu)化目標(biāo)，同時，考慮航空排放和航空噪聲對居民密集區(qū)的影響.降低航空環(huán)境影響是未來進(jìn)離場航線優(yōu)化研究的重點.

2) 應(yīng)補(bǔ)充終端區(qū)進(jìn)離場航線優(yōu)先級劃分標(biāo)準(zhǔn)，并使用層次分析法(AHP)對優(yōu)先級標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行權(quán)重決策分析，以提高決策的科學(xué)性.

3) 結(jié)合終端區(qū)與區(qū)域耦合運(yùn)行，深入分析終端區(qū)、航路等空域資源的分配優(yōu)化及終端區(qū)進(jìn)離場航線與跑道構(gòu)型間的關(guān)聯(lián).

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(責(zé)任編輯： 陳志賢 英文審校： 吳逢鐵)

Optimization Research Progress on Environmental Impact of Arrival and Departure Route Network

TIAN Yong， YIN Runze， WAN Lili

(College of Civil Aviation， Nanjing University of Aeronautics and Astronuatics， Nanjing 211106， China)

This paper summarized the research on environment influence of arrival and departure routes network in the methods of track data analysis and route planning and design. Basing on 2D route planning, the design of arrival and departure routes used different heuristic algorithms and searched for the optimal route path.Besides, the design can realize the global optimization of routes network, by the principle of the optimal orders. According to the recent researches about the influence of arrival and departure routes network to environment, this paper put forward some suggestions and prospects about the analysis of aircraft flight performance, the impact of aviation emissions and aviation noise on residential areas. Keywords： arrival and departure routers network; track data analysis; routes planning and design; air emissions; aviation noise

10.11830/ISSN.1000-5013.201702022

2017-02-14

田勇(1976-)，男，副教授，博士，主要從事空中交通管理的研究.E-mail:tianyong@nuaa.edu.cn.

國家自然科學(xué)基金資助項目(61671237); 南京航空航天大學(xué)研究生創(chuàng)新基地(實驗室)開放基金資助項目(KFJJ20160705)

V 355； X 506

A

1000-5013(2017)02-0251-06