基于節(jié)能降噪的飛行程序優(yōu)化

張佶鵬

摘 要：機(jī)場(chǎng)建設(shè)對(duì)帶動(dòng)周邊區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義，但同時(shí)飛機(jī)運(yùn)行也會(huì)帶來(lái)較大的航空噪聲，對(duì)生活工作影響較大。為實(shí)現(xiàn)節(jié)能降噪，需要從實(shí)際情況出發(fā)，對(duì)不同飛行程序航跡進(jìn)行聚類(lèi)分析，編制最為合理的優(yōu)化才方法，將噪聲最優(yōu)航跡作為依據(jù)對(duì)飛行程序進(jìn)行指導(dǎo)優(yōu)化，盡量避免經(jīng)過(guò)人口稠密區(qū)域，降低航空噪聲的影響。該文對(duì)飛行程序優(yōu)化方法進(jìn)行了分析，爭(zhēng)取實(shí)現(xiàn)節(jié)能降噪效果。

關(guān)鍵詞：節(jié)能降噪 飛行程序 噪聲最優(yōu)航跡

中圖分類(lèi)號(hào)：U231 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）03（a）-0006-02

近年來(lái)我國(guó)航空行業(yè)發(fā)展迅速，機(jī)場(chǎng)建設(shè)數(shù)量不斷增多，并且現(xiàn)存航空噪聲問(wèn)題比較嚴(yán)重，大部分未采取有效方法進(jìn)行解決?；诠?jié)能降噪理念，對(duì)飛行程序進(jìn)行分析，最大程度上來(lái)降低噪聲對(duì)周邊區(qū)域的影響。其中，航跡決定了航空噪聲分布模式，機(jī)場(chǎng)運(yùn)營(yíng)過(guò)程中每天均會(huì)產(chǎn)生大量的航跡數(shù)據(jù)，因?yàn)槊織l航跡均為執(zhí)行飛行程序得來(lái)，這樣便可以通過(guò)對(duì)航跡所執(zhí)行飛行程序聚類(lèi)分析，來(lái)達(dá)到節(jié)能減噪目的。

1 飛行程序特點(diǎn)分析

航空器從起飛到著陸整個(gè)飛行過(guò)程包括離場(chǎng)、巡航、進(jìn)場(chǎng)以及進(jìn)近四個(gè)階段，其中除巡航外，均為飛行程序內(nèi)容。

第一，離場(chǎng)程序。即按照需求提前規(guī)劃的離場(chǎng)航線，作為終端區(qū)與航路結(jié)構(gòu)的過(guò)渡。為航空器飛離機(jī)場(chǎng)提供一條線路，其中要能夠滿(mǎn)足最小凈爬升梯度，并避開(kāi)扇區(qū)。離場(chǎng)程序起點(diǎn)為跑道起飛末端，即公布的適用于起飛區(qū)域末端。并且因?yàn)轱w機(jī)離地點(diǎn)變化較大，一般按照飛機(jī)在DER標(biāo)高之上120 m開(kāi)始轉(zhuǎn)彎時(shí)不早于離跑到開(kāi)始端600 m方法設(shè)計(jì)[1]。離場(chǎng)程序的實(shí)現(xiàn)，需要沿著規(guī)定飛行航跡到達(dá)下一飛行階段允許最低高度/高的一點(diǎn)終止，則到等待點(diǎn)、爬升至航路最低安全高度以及飛至起始進(jìn)近定位點(diǎn)為三種終止點(diǎn)。

第二，進(jìn)場(chǎng)程序。即提前規(guī)劃的進(jìn)場(chǎng)航線，作為航路結(jié)構(gòu)與終端區(qū)內(nèi)一個(gè)定位點(diǎn)或航路點(diǎn)的過(guò)渡。其中，起點(diǎn)包括飛機(jī)離開(kāi)航路飛行開(kāi)始點(diǎn)與走廊口兩種；終止點(diǎn)包括等待點(diǎn)和起始進(jìn)近定位點(diǎn)兩種。

第三，進(jìn)近程序。即根據(jù)飛行儀表和對(duì)障礙物保持規(guī)定超障礙余度，提前預(yù)定一系列機(jī)動(dòng)飛行，需要從起始進(jìn)近定位點(diǎn)或從規(guī)定進(jìn)場(chǎng)航路開(kāi)始，到達(dá)著陸一點(diǎn)終止。假設(shè)如果不能順利著陸，則需要飛行到使用等待或航路飛行超障準(zhǔn)則位置。按照速度可以將進(jìn)近程序劃分為A、B、C、D、E五類(lèi)；按照導(dǎo)航設(shè)備可以將進(jìn)近程序劃分為NDB進(jìn)近、VOR進(jìn)近、NDB/DME進(jìn)近、ILS進(jìn)近、VOR/DME進(jìn)近以及區(qū)域?qū)Ш竭M(jìn)近等。

2 航跡聚類(lèi)分析確定最優(yōu)航跡

2.1 CURE航跡聚類(lèi)算法

空管部門(mén)通過(guò)雷達(dá)檢測(cè)設(shè)備來(lái)獲得飛行運(yùn)行中經(jīng)度、緯度、高度等數(shù)據(jù)，并將其整合成航跡數(shù)據(jù)，機(jī)場(chǎng)每天運(yùn)營(yíng)會(huì)產(chǎn)生大量航跡數(shù)據(jù)。對(duì)航跡數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類(lèi)分析，可以應(yīng)用航跡相似性度量方法，將執(zhí)行同一飛行程序的航跡聚為一類(lèi)。利用航跡點(diǎn)法向距離的方法來(lái)度量?jī)蓷l航跡間相似性，定義得到航跡間相似性矩陣Rr，如式（1）所示：

其中，dni表示第n條航跡與第i條航跡航跡點(diǎn)法向距離。因?yàn)镵-Means聚類(lèi)算法隨機(jī)初始化聚類(lèi)中心，會(huì)使得聚類(lèi)結(jié)果形成局部最優(yōu)，可選擇應(yīng)用基于層次CURE聚類(lèi)算法分析，以使用中心點(diǎn)和多個(gè)代表點(diǎn)表示聚類(lèi)。

2.2 飛行程序航跡噪聲差異分析

通過(guò)航跡聚類(lèi)分析后，將執(zhí)行同一飛行程序的航跡聚為一類(lèi)，但是在實(shí)際飛行中，受飛行員個(gè)人能力、天氣狀況、飛行性能等因素限制，最后不同飛機(jī)最終產(chǎn)生的噪聲也存在一定差異性，且呈現(xiàn)發(fā)散性特點(diǎn)。航跡決定了機(jī)場(chǎng)周?chē)肼暦植寄Ｊ剑瑢?duì)執(zhí)行同一飛行程序不同航跡噪聲差異性進(jìn)行研究，定義其存在的差異性評(píng)價(jià)指標(biāo)：

其中，ti與tj為執(zhí)行同一飛行程序航跡中，第i和第j個(gè)航班航跡；m∈{1，2，…，num}為噪聲敏感點(diǎn)編號(hào)，num為機(jī)場(chǎng)周?chē)肼暶舾悬c(diǎn)個(gè)數(shù)；Lm（ti）表示第i條航跡對(duì)第m個(gè)噪聲敏感點(diǎn)的噪聲影響值。式（2）表示同一飛行程序兩條運(yùn)行航跡產(chǎn)生存在明顯差異的機(jī)場(chǎng)噪聲，充要條件為機(jī)場(chǎng)周?chē)肼暶舾悬c(diǎn)內(nèi)至少存在一個(gè)噪聲敏感點(diǎn)導(dǎo)致同一飛行程序兩條航跡在此敏感點(diǎn)噪聲差值在5 dB以上。因?yàn)樵肼暡町惔笮?huì)受到多個(gè)因素影響，如生活噪聲、車(chē)輛噪聲、氣候噪聲等，5 dB以?xún)?nèi)認(rèn)為兩個(gè)航跡不存在噪聲差異，但是超過(guò)此數(shù)值便可確認(rèn)存在顯著差異。通過(guò)統(tǒng)計(jì)方法T-test檢驗(yàn)航跡噪聲差異性，確定執(zhí)行同一飛行程序的運(yùn)行航跡會(huì)存在明顯噪聲差異。

2.3 飛行程序最優(yōu)航跡

基于節(jié)能降耗理念，對(duì)飛行程序進(jìn)行優(yōu)化分析，需要確定最優(yōu)航跡，降低航空噪聲對(duì)周邊環(huán)境的影響。因?yàn)閳?zhí)行同一飛行程序不同航班航跡噪聲存在明顯差異，且具有發(fā)散性特點(diǎn)。需要確定一條最優(yōu)航跡，將機(jī)場(chǎng)周邊噪聲敏感點(diǎn)受到的噪聲影響降到最低，對(duì)其進(jìn)行量化計(jì)算，定義一條航跡綜合噪聲評(píng)價(jià)量為：

其中，num表示噪聲敏感點(diǎn)個(gè)數(shù)；Ej（ti），j∈（1，2，…，num）表示第i條航跡對(duì)第j個(gè)噪聲敏感點(diǎn)綜合噪聲影響，即：

其中，Lj（ti）表示第i條航跡在第j個(gè)噪聲敏感點(diǎn)產(chǎn)生的噪聲值，將其除以100（默認(rèn)最大噪聲值為100分貝）進(jìn)行數(shù)據(jù)歸一化操作；Nnm（Lj（ti）>70dB）和Arear（Li（ti）>70dB）分別表示Li（ti）>70dB人口數(shù)和區(qū)域面積；Totalj（Punm）與Totalj（arer）分別表示第j個(gè)噪聲敏感點(diǎn)總?cè)丝跀?shù)和總區(qū)域面積。航跡i在噪聲敏感點(diǎn)j處產(chǎn)生噪聲值、受噪聲影響人口數(shù)和區(qū)域面積均利用INM計(jì)算得到。

即對(duì)執(zhí)行同一飛行程序的所有航班航跡集合T={t1，t2，…，t3}，其中z為執(zhí)行同一飛行程序的航班總數(shù)，噪聲最優(yōu)航跡tbest為：

即某飛行程序噪聲最優(yōu)軌跡tbest為航跡集合T內(nèi)噪聲評(píng)價(jià)量最小的航跡，航空噪聲對(duì)周邊環(huán)境造成的影響最小。

3 基于節(jié)能降噪飛行程序優(yōu)化

基于節(jié)能降噪要求對(duì)飛行程序進(jìn)行優(yōu)化分析，需要對(duì)受機(jī)場(chǎng)噪音影響區(qū)域職能性進(jìn)行調(diào)整，形成現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、物流倉(cāng)儲(chǔ)、郊區(qū)綠化等噪聲敏感度較低用地。并確定降低噪聲對(duì)居民影響工作核心，盡量避免經(jīng)過(guò)居民區(qū)。將噪聲最優(yōu)航跡作為依據(jù)，對(duì)該航跡上距離飛行程序各航路點(diǎn)最近航跡點(diǎn)進(jìn)行精確計(jì)算，然后對(duì)飛行程序各航路點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化，有效避開(kāi)噪聲敏感點(diǎn)。即在飛行控制區(qū)域內(nèi)，不影響飛行安全的同時(shí)，降低噪聲敏感點(diǎn)綜合噪聲影響，達(dá)到降低機(jī)場(chǎng)周邊噪聲敏感點(diǎn)綜合噪聲影響目的。

4 結(jié)語(yǔ)

飛機(jī)運(yùn)行產(chǎn)生噪聲較大，對(duì)周邊環(huán)境影響十分嚴(yán)重，基于節(jié)能降耗理念對(duì)航空噪聲問(wèn)題進(jìn)行研究，需要確定飛行程序特點(diǎn)，經(jīng)過(guò)聚類(lèi)分析確定執(zhí)行同一飛行程序航班航跡噪聲差異性，選擇確定最優(yōu)航跡，然后將其作為飛行程序優(yōu)化指導(dǎo)，降低機(jī)場(chǎng)周?chē)肼暶舾悬c(diǎn)，達(dá)到綜合降噪目的。

參考文獻(xiàn)

[1] 錢(qián)戈.飛行程序優(yōu)化設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].南京航空航天大學(xué)，2015.