基于碳排放量的機(jī)型排班優(yōu)化

羅 軍,吳 迪

(中國民用航空飛行學(xué)院 空中交通管理學(xué)院,四川 廣漢 618307)

近年來,我國民航業(yè)得到巨大發(fā)展,2021年民航運(yùn)輸總周轉(zhuǎn)量相較于10年前增長48%,機(jī)隊規(guī)模擴(kuò)大近1.3倍。與此同時,民航業(yè)燃油消耗和碳排放量與日俱增,涉及民航業(yè)的碳排放量占比越來越大。2012—2019年,國內(nèi)航空公司碳排放量以年平均10%的速度向上遞增,至2019年,國內(nèi)的航空公司每年碳排放總量已達(dá)到7 500萬t[[1]。隨著航空運(yùn)輸需求的不斷增加,涉及民航業(yè)的碳排放量會處于越來越高的態(tài)勢。因此,涉及民航業(yè)的碳排放規(guī)劃和管理顯得愈發(fā)重要。

針對民航碳排放量不斷攀升的趨勢,國內(nèi)外許多學(xué)者開展了民航領(lǐng)域碳排放量的研究。Cui等[1]通過構(gòu)建國內(nèi)413條主要航線的數(shù)據(jù)庫,包括主要機(jī)型的碳排放強(qiáng)度、各航空公司和各航線的爬升/巡航/下降碳排放量以及直飛航班的估算排放量,計算了413條航線和40家航空公司的碳排放量和收入乘客公里數(shù)。Wang等[2]基于歷史航班時刻表和廣播式自動相關(guān)監(jiān)視(automatic dependent surveillance-broadcast,ADS-B)軌跡,結(jié)合國際民用航空組織的發(fā)動機(jī)排放數(shù)據(jù)庫和飛機(jī)數(shù)據(jù)庫,建立了完整航班運(yùn)行的燃油燃燒和碳排放計算方法。Baumeister[3]計算了短中長3類航線市場中特定航班的碳排放量,并分析了機(jī)型以及航班經(jīng)停對碳排放的影響。莊天璽等[4]基于kaya恒等式模型,采用廣義迪氏分解法將中國民航碳排放量分解為8個影響因素貢獻(xiàn)值之和,將8個影響因素分為強(qiáng)度效應(yīng)、規(guī)模效應(yīng)以及效率效應(yīng)進(jìn)行分析,分析結(jié)果表明,規(guī)模效應(yīng)有明顯的碳排放促進(jìn)作用,強(qiáng)度效應(yīng)總體上有明顯的碳排放抑制作用,效率效應(yīng)既有促進(jìn)作用,也有抑制作用。羅鳳娥等[5]以國內(nèi)某中等規(guī)模航空公司作為研究對象,通過設(shè)置不減碳情景、基礎(chǔ)減碳、快速減碳和理想減碳4個發(fā)展情景,使用蒙特卡洛模擬方法,以2021年為基準(zhǔn),對該航空公司2022—2035年的碳排放進(jìn)行仿真預(yù)測。結(jié)果顯示,由于公司的發(fā)展需求,4種情況下都無法完成碳排放總量達(dá)峰,但其每萬架次碳排放量明顯降低,表明碳減排措施的有效性。向小軍等[6]基于時間序列的方法建立了傳統(tǒng)的差分整合移動平均自回歸(autoregressive integrated moving average,ARIMA)模型以及優(yōu)化的長短期記憶網(wǎng)絡(luò)(long short term memory,LSTM)模型,對航空器碳排放量、碳排放強(qiáng)度以及噸公里碳排放量進(jìn)行了預(yù)測。通過鯨魚優(yōu)化算法(whale optimization algorithm,WOA)對LSTM中的學(xué)習(xí)率和隱藏節(jié)點數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。預(yù)測結(jié)果顯示,在當(dāng)前政策沒有較大變動的情況下,未來民航業(yè)碳排放將會持續(xù)上升,這將對我國在環(huán)境保護(hù)方面的總體規(guī)劃造成較大沖擊,為我國完成2030“碳達(dá)峰”目標(biāo)造成一定的困難。許績輝和王克[7]基于LEAP構(gòu)建自下而上的中國民航業(yè)能源系統(tǒng)模型,設(shè)置凍結(jié)、現(xiàn)有政策、力度、替代和革命5組情景,深入分析民航業(yè)的驅(qū)動因子和發(fā)展趨勢,探討中國民航業(yè)中長期低碳發(fā)展的技術(shù)路徑。

綜合以上涉及碳排放的研究文獻(xiàn)可發(fā)現(xiàn),涉及碳排放的研究大多以機(jī)場、航司為研究對象,多為宏觀研究層面,而在航空公司運(yùn)營過程中,基于碳排放量的微觀處理并未有所研究。因此,在保障航空公司正常運(yùn)營的同時,通過選擇合適的機(jī)型減少碳排放,優(yōu)化機(jī)型配置,最終實現(xiàn)減少碳排放量的目的。

1 研究方法和數(shù)據(jù)來源

1.1 研究方法

飛機(jī)從起飛機(jī)場撤輪檔到目的地機(jī)場擋輪檔視為一個完整的運(yùn)行周期。整個運(yùn)行周期可分為滑出、起飛、爬升、上升、巡航、下降、進(jìn)近、著陸、滑入9個階段。根據(jù)國際民航組織(International Civil Aviation Organization,ICAO)提出的碳排放計算公式[8-9],一次起飛降落周期碳排放量近似于起飛著陸階段(landing and take-off,LTO)、爬升巡航和下降階段(climb cruise and descend,CCD)之和。根據(jù)LTO和CCD兩個階段的運(yùn)行條件和計算公式,分別計算兩個階段的碳排放量,最后匯總得出整個航段的碳排放量。

LTO階段計算公式為

式中：ELTO為LTO階段內(nèi)的碳排放量,kg;i=1,2,3,4分別為起飛、爬升、進(jìn)近、滑行4個運(yùn)行階段;Ti為i運(yùn)行階段內(nèi)的時長,s;Fi為i運(yùn)行階段內(nèi)燃油流量,kg/s;N為發(fā)動機(jī)數(shù)量;C為航空煤油的碳排放系數(shù),一般規(guī)定為3.157 kg/kg。

CCD階段的計算公式為

ECCD=∑TCCDFCCDNC

(2)

式中：ECCD為飛機(jī)在CCD階段內(nèi)的碳排放量,kg;TCCD為飛機(jī)在CCD階段的運(yùn)行時長,s;FCCD為航空器在CCD階段的燃油流量,kg/s。

將LTO和CCD階段的碳排放量相加,可得到航空器在一個完整起降周期內(nèi)的碳排放量,即

ETOTAL=ELTO+ECCD

(3)

式中：ETOTAL為航空器一個起降周期內(nèi)的碳排放量,kg。

1.2 數(shù)據(jù)來源

研究所使用的數(shù)據(jù)主要包括發(fā)動機(jī)排放數(shù)據(jù)和航空公司的運(yùn)行數(shù)據(jù)。

1.2.1 發(fā)動機(jī)排放數(shù)據(jù)

發(fā)動機(jī)排放數(shù)據(jù)來自ICAO發(fā)動機(jī)排放數(shù)據(jù)庫(Engine Emissions Databank,ESBD)[10]。ESDB針對各種發(fā)動機(jī)型號列出了排放清單,根據(jù)不同的運(yùn)行階段,分別列出推力設(shè)置、使用時長和燃油流量等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。ICAO碳排放計算法根據(jù)飛行各個階段計算碳排量后相加匯總得出。下面分別介紹LCD和CCD階段的數(shù)據(jù)。

1.2.1.1 LTO階段

該航空公司的主力機(jī)型為A320和B737,因此以兩種機(jī)型作為研究對象。由于同一種機(jī)型之間發(fā)動機(jī)型號可以交叉使用,因此選取占比最大的發(fā)動機(jī)型號進(jìn)行計算。該航空公司A320機(jī)型發(fā)動機(jī)以國際航空發(fā)動機(jī)公司(International Aero Engines,IAE)生產(chǎn)的V2500型發(fā)動機(jī)和CFM國際公司生產(chǎn)的CFM56-5型發(fā)動機(jī)為主,數(shù)量比例約為1∶1。因此根據(jù)發(fā)動機(jī)排放庫數(shù)據(jù),選取兩類發(fā)動機(jī)的排放數(shù)據(jù)計算算術(shù)平均值,見表1。

表1 兩種發(fā)動機(jī)各個階段推力設(shè)置、使用時長及燃油流量的算術(shù)平均值

B737型號飛機(jī)主要以CFM國際公司生產(chǎn)的CFM56-7型發(fā)動機(jī)。選取CFM56-7發(fā)動機(jī)數(shù)據(jù),得到數(shù)據(jù)見2。

根據(jù)發(fā)動機(jī)排放數(shù)據(jù)庫規(guī)定,LTO各個階段使用時長為固定數(shù)值,如表2中起飛時間42 s、爬升時間132 s,但在滑行階段(i=4)的時間可以通過航空公司運(yùn)行數(shù)據(jù)的滑行時間進(jìn)行計算,從而得到更為精準(zhǔn)的碳排放量。計算方式如下：在起飛機(jī)場,滑行時間為起飛時刻與撤輪擋時刻的差值;在目的地機(jī)場,滑行時間為擋輪檔時間與著陸時間的差值。起降機(jī)場的滑行時間相加從而得出航班的實際滑行時間。

表2 CFM56-7發(fā)動機(jī)各個階段推力設(shè)置、使用時長及燃油流量

1.2.1.2 CCD階段

CCD階段的運(yùn)行時間無法通過計算多個階段時間之和得到。但因為總的飛行階段分為LTO和CCD兩個階段,因此可以粗略的估計TCCD的時長為總飛行時長TTFT減去TLTO時長,即

TCCD=TTFT-TLTO

(4)

同時,CCD階段包含多種運(yùn)行狀態(tài),爬升巡航、下降等階段會根據(jù)運(yùn)行條件使用不同的推力設(shè)置,因此燃油流量無法確定某一固定值。但根據(jù)Gaspar和Sousa[11]的研究,民航客機(jī)在巡航階段的推力約為82%,與爬升階段的推力設(shè)置非常接近。因此,為方便研究,設(shè)置巡航階段推力為85%。A320和B737的燃油流量分別為0.88 kg/s和0.902 kg/s。

1.2.2 航空公司運(yùn)行數(shù)據(jù)

根據(jù)某航司某月的運(yùn)行情況獲得航班運(yùn)行數(shù)據(jù),包括航線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)、起降機(jī)場、飛行時間、滑行時間、飛機(jī)型號等基礎(chǔ)信息。

2 機(jī)型碳排放量模型和運(yùn)算結(jié)果

考慮到航空公司的航線正常運(yùn)營,并且基于各個機(jī)場都有足夠數(shù)量的兩種飛機(jī)進(jìn)行選擇,且暫不考慮機(jī)型座位數(shù)、機(jī)務(wù)、地服等客觀因素影響。參考崔如玉[12]、邱明杰[13]提出的飛機(jī)排班公式,提出以下計算數(shù)學(xué)模型和求解算法。

定義a=1,2分別代表A320和B737機(jī)型。定義cab為兩種機(jī)型在第b條航線上的碳排放量。令xab=1,0 (b=1,2,…,m)(xab=1,第a類機(jī)型執(zhí)行第b段航線;xab=0,第a類機(jī)型不執(zhí)行第b段航線)。

整條航段最小碳排放量Emin的計算公式為

(5)

3 計算數(shù)據(jù)和優(yōu)化結(jié)果

3.1 樣本計算

選取航空公司航線網(wǎng)絡(luò)。選取航線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)量的原則：①航線數(shù)據(jù)足夠大,以當(dāng)月至少30次航班任務(wù)作為選取標(biāo)準(zhǔn);②某條航線上A320和B738兩種機(jī)型均有執(zhí)行航班任務(wù),同時任務(wù)數(shù)量約等于1∶1的比例;③選取航班數(shù)據(jù)后對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,計算飛行時長和滑行時長的算術(shù)平均值,實現(xiàn)碳排放量的計算。綜上,選取以下5條航線作為計算樣本,見表3。計算結(jié)果見表4～表8。

表3 航空公司航班計劃

表4 計劃1的分段、總和碳排放量

表5 計劃2的分段、總和碳排放量

表6 計劃3的分段、總和碳排放量

表7 計劃4的分段、總和碳排放量

表8 計劃5的分段、總和碳排放量

由表4～表8可知,各個航段兩種機(jī)型排放量相差較小,但總航段相加后B737的碳排放量多于A320機(jī)型,這與B737機(jī)型在CCD階段擁有更高耗油率有關(guān)。該數(shù)據(jù)為月平均值,若將計算換算成以月、年為單位,總體上B737比A320會排放更多的碳。

3.2 機(jī)型排班優(yōu)化

使用CPLEX軟件對上述計算數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化,得出優(yōu)化結(jié)果,見表9。

表9 航班計劃優(yōu)化后的選取機(jī)型和碳排放量

由表9可知,在機(jī)型選擇優(yōu)化結(jié)果上,計算軟件在被選擇的5條航線上都選擇了兩類機(jī)型交叉使用的方式,表現(xiàn)出來使用交叉機(jī)型的排班模式。例如,航班計劃1,廣州—杭州航段選擇 A320,杭州—深圳航段選擇B737,深圳—杭州航段選擇A320,優(yōu)化后整條航段碳排放量為51.329 t比全部使用A320機(jī)型節(jié)省約0.2%的碳排放量,比全部使用B737節(jié)省0.8%的碳排放量。

4 結(jié)論與建議

1)基于碳排放量角度考慮機(jī)型排班優(yōu)化,分別計算LTO和CCD兩階段的不同碳排放量,考慮了基于實際滑行時間的ICAO碳排放計算式,使用運(yùn)行公式計算航段最小碳排放量,使用運(yùn)算軟件進(jìn)行測算,得出最終優(yōu)化結(jié)果。根據(jù)最終優(yōu)化結(jié)果,得出航空公司可使用交叉機(jī)型的方式,使碳排放優(yōu)化比例為0.1%～2.9%,證明從減少碳排放量角度優(yōu)化機(jī)型選擇具備一定的現(xiàn)實意義和參考價值。

2)在實際運(yùn)行過程中,較少可能出現(xiàn)目的地機(jī)場有合適飛機(jī)續(xù)接下段飛行任務(wù)的情況。但這并不妨礙航班運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)排班過程中對節(jié)能的思考。由于該公司在某些航線一直使用單一機(jī)型,因此無法通過有效數(shù)據(jù)計算該航線上兩種機(jī)型的碳排放量大小。但在減少碳排放的背景下,若航空公司在該航線使用雙機(jī)型進(jìn)行驗證,則可以計算出更加適應(yīng)于該航線的機(jī)型,這將為航空公司的節(jié)約能源和減少碳排放量產(chǎn)生一定的積極作用。