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1、 基于碳排放量的机型排班优化 罗 军,吴 迪(中国民用航空飞行学院 空中交通管理学院,四川 广汉 618307)近年来,我国民航业得到巨大发展,2021年民航运输总周转量相较于10年前增长48%,机队规模扩大近1.3倍。与此同时,民航业燃油消耗和碳排放量与日俱增,涉及民航业的碳排放量占比越来越大。20122019年,国内航空公司碳排放量以年平均10%的速度向上递增,至2019年,国内的航空公司每年碳排放总量已达到7 500万t1。随着航空运输需求的不断增加,涉及民航业的碳排放量会处于越来越高的态势。因此,涉及民航业的碳排放规划和管理显得愈发重要。针对民航碳排放量不断攀升的趋势,国内外许多学者开
2、展了民航领域碳排放量的研究。Cui等1通过构建国内413条主要航线的数据库,包括主要机型的碳排放强度、各航空公司和各航线的爬升/巡航/下降碳排放量以及直飞航班的估算排放量,计算了413条航线和40家航空公司的碳排放量和收入乘客公里数。Wang等2基于历史航班时刻表和广播式自动相关监视(automatic dependent surveillance-broadcast,ADS-B)轨迹,结合国际民用航空组织的发动机排放数据库和飞机数据库,建立了完整航班运行的燃油燃烧和碳排放计算方法。Baumeister3计算了短中长3类航线市场中特定航班的碳排放量,并分析了机型以及航班经停对碳排放的影响。庄天
3、玺等4基于kaya恒等式模型,采用广义迪氏分解法将中国民航碳排放量分解为8个影响因素贡献值之和,将8个影响因素分为强度效应、规模效应以及效率效应进行分析,分析结果表明,规模效应有明显的碳排放促进作用,强度效应总体上有明显的碳排放抑制作用,效率效应既有促进作用,也有抑制作用。罗凤娥等5以国内某中等规模航空公司作为研究对象,通过设置不减碳情景、基础减碳、快速减碳和理想减碳4个发展情景,使用蒙特卡洛模拟方法,以2021年为基准,对该航空公司20222035年的碳排放进行仿真预测。结果显示,由于公司的发展需求,4种情况下都无法完成碳排放总量达峰,但其每万架次碳排放量明显降低,表明碳减排措施的有效性。向
4、小军等6基于时间序列的方法建立了传统的差分整合移动平均自回归(autoregressive integrated moving average,ARIMA)模型以及优化的长短期记忆网络(long short term memory,LSTM)模型,对航空器碳排放量、碳排放强度以及吨公里碳排放量进行了预测。通过鲸鱼优化算法(whale optimization algorithm,WOA)对LSTM中的学习率和隐藏节点数进行优化。预测结果显示,在当前政策没有较大变动的情况下,未来民航业碳排放将会持续上升,这将对我国在环境保护方面的总体规划造成较大冲击,为我国完成2030“碳达峰”目标造成一定的困
5、难。许绩辉和王克7基于LEAP构建自下而上的中国民航业能源系统模型,设置冻结、现有政策、力度、替代和革命5组情景,深入分析民航业的驱动因子和发展趋势,探讨中国民航业中长期低碳发展的技术路径。综合以上涉及碳排放的研究文献可发现,涉及碳排放的研究大多以机场、航司为研究对象,多为宏观研究层面,而在航空公司运营过程中,基于碳排放量的微观处理并未有所研究。因此,在保障航空公司正常运营的同时,通过选择合适的机型减少碳排放,优化机型配置,最终实现减少碳排放量的目的。1 研究方法和数据来源1.1 研究方法飞机从起飞机场撤轮档到目的地机场挡轮档视为一个完整的运行周期。整个运行周期可分为滑出、起飞、爬升、上升、巡
6、航、下降、进近、着陆、滑入9个阶段。根据国际民航组织(International Civil Aviation Organization,ICAO)提出的碳排放计算公式8-9,一次起飞降落周期碳排放量近似于起飞着陆阶段(landing and take-off,LTO)、爬升巡航和下降阶段(climb cruise and descend,CCD)之和。根据LTO和CCD两个阶段的运行条件和计算公式,分别计算两个阶段的碳排放量,最后汇总得出整个航段的碳排放量。LTO阶段计算公式为式中：ELTO为LTO阶段内的碳排放量,kg;i=1,2,3,4分别为起飞、爬升、进近、滑行4个运行阶段;Ti为i运
7、行阶段内的时长,s;Fi为i运行阶段内燃油流量,kg/s;N为发动机数量;C为航空煤油的碳排放系数,一般规定为3.157 kg/kg。CCD阶段的计算公式为ECCD=TCCDFCCDNC(2)式中：ECCD为飞机在CCD阶段内的碳排放量,kg;TCCD为飞机在CCD阶段的运行时长,s;FCCD为航空器在CCD阶段的燃油流量,kg/s。将LTO和CCD阶段的碳排放量相加,可得到航空器在一个完整起降周期内的碳排放量,即ETOTAL=ELTO+ECCD(3)式中：ETOTAL为航空器一个起降周期内的碳排放量,kg。1.2 数据来源研究所使用的数据主要包括发动机排放数据和航空公司的运行数据。1.2.1
8、 发动机排放数据发动机排放数据来自ICAO发动机排放数据库(Engine Emissions Databank,ESBD)10。ESDB针对各种发动机型号列出了排放清单,根据不同的运行阶段,分别列出推力设置、使用时长和燃油流量等基础数据。ICAO碳排放计算法根据飞行各个阶段计算碳排量后相加汇总得出。下面分别介绍LCD和CCD阶段的数据。1.2.1.1 LTO阶段该航空公司的主力机型为A320和B737,因此以两种机型作为研究对象。由于同一种机型之间发动机型号可以交叉使用,因此选取占比最大的发动机型号进行计算。该航空公司A320机型发动机以国际航空发动机公司(International Aero
9、 Engines,IAE)生产的V2500型发动机和CFM国际公司生产的CFM56-5型发动机为主,数量比例约为11。因此根据发动机排放库数据,选取两类发动机的排放数据计算算术平均值,见表1。表1 两种发动机各个阶段推力设置、使用时长及燃油流量的算术平均值B737型号飞机主要以CFM国际公司生产的CFM56-7型发动机。选取CFM56-7发动机数据,得到数据见2。根据发动机排放数据库规定,LTO各个阶段使用时长为固定数值,如表2中起飞时间42 s、爬升时间132 s,但在滑行阶段(i=4)的时间可以通过航空公司运行数据的滑行时间进行计算,从而得到更为精准的碳排放量。计算方式如下：在起飞机场,滑
10、行时间为起飞时刻与撤轮挡时刻的差值;在目的地机场,滑行时间为挡轮档时间与着陆时间的差值。起降机场的滑行时间相加从而得出航班的实际滑行时间。表2 CFM56-7发动机各个阶段推力设置、使用时长及燃油流量1.2.1.2 CCD阶段CCD阶段的运行时间无法通过计算多个阶段时间之和得到。但因为总的飞行阶段分为LTO和CCD两个阶段,因此可以粗略的估计TCCD的时长为总飞行时长TTFT减去TLTO时长,即TCCD=TTFT-TLTO(4)同时,CCD阶段包含多种运行状态,爬升巡航、下降等阶段会根据运行条件使用不同的推力设置,因此燃油流量无法确定某一固定值。但根据Gaspar和Sousa11的研究,民航客
11、机在巡航阶段的推力约为82%,与爬升阶段的推力设置非常接近。因此,为方便研究,设置巡航阶段推力为85%。A320和B737的燃油流量分别为0.88 kg/s和0.902 kg/s。1.2.2 航空公司运行数据根据某航司某月的运行情况获得航班运行数据,包括航线网络数据、起降机场、飞行时间、滑行时间、飞机型号等基础信息。2 机型碳排放量模型和运算结果考虑到航空公司的航线正常运营,并且基于各个机场都有足够数量的两种飞机进行选择,且暂不考虑机型座位数、机务、地服等客观因素影响。参考崔如玉12、邱明杰13提出的飞机排班公式,提出以下计算数学模型和求解算法。定义a=1,2分别代表A320和B737机型。定
12、义cab为两种机型在第b条航线上的碳排放量。令xab=1,0 (b=1,2,m)(xab=1,第a类机型执行第b段航线;xab=0,第a类机型不执行第b段航线)。整条航段最小碳排放量Emin的计算公式为(5)3 计算数据和优化结果3.1 样本计算选取航空公司航线网络。选取航线网络数据量的原则：航线数据足够大,以当月至少30次航班任务作为选取标准;某条航线上A320和B738两种机型均有执行航班任务,同时任务数量约等于11的比例;选取航班数据后对数据进行处理,计算飞行时长和滑行时长的算术平均值,实现碳排放量的计算。综上,选取以下5条航线作为计算样本,见表3。计算结果见表4表8。表3 航空公司航班
13、计划表4 计划1的分段、总和碳排放量表5 计划2的分段、总和碳排放量表6 计划3的分段、总和碳排放量表7 计划4的分段、总和碳排放量表8 计划5的分段、总和碳排放量由表4表8可知,各个航段两种机型排放量相差较小,但总航段相加后B737的碳排放量多于A320机型,这与B737机型在CCD阶段拥有更高耗油率有关。该数据为月平均值,若将计算换算成以月、年为单位,总体上B737比A320会排放更多的碳。3.2 机型排班优化使用CPLEX软件对上述计算数据进行优化,得出优化结果,见表9。表9 航班计划优化后的选取机型和碳排放量由表9可知,在机型选择优化结果上,计算软件在被选择的5条航线上都选择了两类机型
14、交叉使用的方式,表现出来使用交叉机型的排班模式。例如,航班计划1,广州杭州航段选择 A320,杭州深圳航段选择B737,深圳杭州航段选择A320,优化后整条航段碳排放量为51.329 t比全部使用A320机型节省约0.2%的碳排放量,比全部使用B737节省0.8%的碳排放量。4 结论与建议1)基于碳排放量角度考虑机型排班优化,分别计算LTO和CCD两阶段的不同碳排放量,考虑了基于实际滑行时间的ICAO碳排放计算式,使用运行公式计算航段最小碳排放量,使用运算软件进行测算,得出最终优化结果。根据最终优化结果,得出航空公司可使用交叉机型的方式,使碳排放优化比例为0.1%2.9%,证明从减少碳排放量角度优化机型选择具备一定的现实意义和参考价值。2)在实际运行过程中,较少可能出现目的地机场有合适飞机续接下段飞行任务的情况。但这并不妨碍航班运行网络排班过程中对节能的思考。由于该公司在某些航线一直使用单一机型,因此无法通过有效数据计算该航线上两种机型的碳排放量大小。但在减少碳排放的背景下,若航空公司在该航线使用双机型进行验证,则可以计算出更加适应于该航线的机型,这将为航空公司的节约能源和减少碳排放量产生一定的积极作用。 -全文完-
