進離場航線網絡環境影響優化研究進展

田勇, 殷潤澤, 萬莉莉

(南京航空航天大學 民航學院， 江蘇 南京 210016)

進離場航線網絡環境影響優化研究進展

田勇, 殷潤澤, 萬莉莉

(南京航空航天大學 民航學院， 江蘇 南京 210016)

綜述航跡數據分析和航線規劃設計等對進離場航線網絡環境影響的研究方法.航線路徑設計規劃是在借鑒二維路徑規劃的基礎上，通過應用不同的啟發式算法，搜索到滿足條件的最優航線路徑；通過進離場航線網絡的次序優化原則，可實現航線網的全局優化.最后，針對進離場航線網絡環境影響的研究現狀，提出應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的影響等幾點建議與展望. 關鍵詞： 進離場航線網絡； 航跡數據分析； 航線規劃設計； 航空排放； 航空噪聲

終端區是機場飛行區和航路間的重要銜接區域，由于其具有交通流密集多變、航線結構錯綜復雜、運行模式多種并存的特點，導致空域擁堵或航班延誤，更造成了惡劣的環境影響，引起人們的高度重視.據聯合國政府間氣侯變化專門委員會統計，目前交通運輸化石燃料消耗中13%是由航空運輸所消耗的[1]，而航空運輸排放的氧化氮(NOx)、一氧化碳(CO)和顆粒物(PM)等有毒物質主要集中在航空器的起降階段[2].從中國民航飛機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嚴重威脅著人類健康.除此之外，航空噪聲也嚴重地干擾著終端區內居民的正常生活.又因終端區進離場航線往往經過人口密集的城市上空，所以航空環境影響尤為凸出.航空運輸業是交通運輸業的核心，我國還會繼續擴大民用機場的數量和規模，因此，對終端區環境影響的研究就顯得十分重要.本文綜述了近幾年國內外對終端區進離場航線網絡環境影響的優化研究方法和進展.

1 航空環境影響的研究對象

終端區內航空器環境影響主要考慮的是航空排放影響和航空噪聲影響，航空器環境影響與高度層的關系，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，針對航空環境影響的終端區進離場航線網絡優化方法的研究卻處在起步階段.

圖1 航空器環境影響與高度層的關系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.其中，終端區內的航空排放物主要分為溫室效應氣體二氧化碳(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多數被地面吸收，對環境影響不大.但是，NOx，SOx，HC等有毒物質會對近地面空氣質量產生影響，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80年代，美國聯邦航空總署(FAA)開發了EDMS(emissions and dispersion modeling system)，并將系統中的排放模型和擴散模型作為機場建設項目大氣環境影響的標準評價模型.2015年5月，EDMS由AEDT(aviation environmental design tool)系統代替.AEDT中的排放模型和擴散模型是在原有模型上進行了總結和補充，可以進行飛行區域內混合高度層下多個航空器的排放物質計算和擴散分布評估.目前，AEDT是FAA官方認可關于航空排放和氣體擴散的標準評估工具.

1.2 航空噪聲

噪聲是發聲體做無規則振動時發出的聲音，若長期作用于人的中樞神經系統，容易導致精神錯亂，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.國內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和等效連續聲級.我國參照國際民航組織(ICAO)推薦的指標計權等效連續感覺噪聲級(WECPNL)作為噪聲指標，該指標考慮了噪聲的頻譜特性和持續時間.

20世紀70年代，FAA結合SAE AIR 1845標準，開發了INM(integrated noise model)噪聲評估系統.該系統通過使用NPD(noise-power-distance)數據進行噪聲值評估.1998年，FAA開發了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總結了INM和NIRS中已有的噪聲評價方法，并補充了多個噪聲評價模型.FAA在2012年發出聲明，AEDT將取代NIRS進行空域和飛行程序噪聲評估.在2015年5月，FAA宣布使用AEDT取代INM.

1.3 終端區進離場航線網絡

終端區進離場航線網絡是由終端區內多條進離場航線組成的網絡模型，其模型優化的基礎是三維空間路徑規劃問題.結構良好的終端區進離場航線網絡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、降低運行成本和緩解航空器環境影響.在設計進離場航線時，安全可靠是必須遵循的首要原則，經濟合理是在安全基礎上力爭實現的原則，而降低環境影響是更高層次的追求.

終端區進離場航線網絡研究首先是從飛行程序設計入手的，研究人員設計了連續下降進近(CDA)、下降剖面優化(OPD)、延遲下降進近(DDA)、連續爬升(CCL)等飛行程序.隨后，通過借鑒二維路徑規劃方法，研究人員逐步實現了終端區空域內的三維進離場航線網絡規劃.目前研究中，不同的進離場航線優化方法間最主要的區別在于應用不同啟發式算法，如蟻群算法、A*算法、人工神經網絡算法等，以搜索滿足目標條件的最優航線路徑.為了進一步提高進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劃方法、基于柵格的路徑規劃方法和基于類比的路徑規劃方法等.在單條航線路徑規劃的基礎上，通過航線優先級劃分，以實現航線網絡全局優化.

2 航空環境影響的研究方法

近年來，國內外研究多集中在終端區進離場航線網絡的研究方法上.研究方法主要包括歷史數據分析和規劃仿真評估.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準工具.

2.1 航空排放研究方法

國內外關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，并與計算結果對比.其他分析則是對公式計算和實際測量間的誤差進行分析.

2.1.1 模型分析 由于AEDT是FAA在2015年提出的航空環境分析評估標準工具，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時間內的污染物i排放量;na為a類型航空器發動機數量;Fa,e,m為a類型航空器安裝e類型發動機時在m工作模式下的燃油消耗速率;Ee,m,i為e類型發動機在m工作模式下污染物i的排放指數;tm,a為a類型航空器在m工作模式下的時間.

常用機型配備典型發動機的各氣體排放指數,如表1所示.表1中：EIHC，EICO，EINOx為HC，CO，NOx的排放指數.

表1 常用機型氣體排放指數

樊守彬等[2]研究發現，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模型發現，我國飛機污染物排放主要集中在華東與中南地區占據了排放總量的60%.

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

2.1.3 其他分析 排放物的分布和擴散情況受環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，太陽輻射強度和風速會改變空氣對流，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散造成嚴重影響，造成模型計算和實際測量結果出現差異.

2.2 航空噪聲研究方法

國內外關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模型基礎上提出的航空環境分析評估標準工具，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和計算公式，如表2所示.

表2 INM噪聲評估體系的噪聲指標

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

2.2.2 取樣分析 研究人員一般在機場附近或航線覆蓋區域內安裝測噪儀，從而準確地測量不同時間段內的噪聲值.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行客觀評價，噪聲影響強度卻是受人體主觀感知判斷的.在綜合考慮機場航空噪聲客觀評價量和居民主觀反應的基礎上，楊尚文[7]建立了機場航空噪聲對居民影響的二級模糊綜合評價模型.此外，我國城市區域環境噪聲評價量和室內允許噪聲標準采用的是等效聲級Leq，所以應同時考慮使用兩種噪聲評價模型.

2.3 終端區進離場航線網絡研究方法

終端區進離場航線大多是基于機場布局、導航設施和限制區進行的人工設計，不但設計效率不高，且設計方案合理性缺乏科學驗證.對進離場航線進行三維空間的路徑規劃可以有效兼顧安全性、經濟性和環保性等設計目標，并實現航線網絡的總體優化.國內外的研究方法歸納起來主要包括歷史航跡數據分析、終端區航線網絡設計，以及試飛檢驗.

2.3.1 航跡數據分析 我國仍非常缺乏基于實際運行航跡數據的終端區航線分析評估研究，而國外針對歷史數據的分析研究開展較早.早期研究人員多聚焦于飛行程序優化，Kershaw等[8]分析了希斯羅機場210架進場航班的飛行剖面，結果表明：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]采用整數線性規劃方法求解無沖突CDA剖面，并選取紐約機場來驗證CDA程序相比階梯進近的好處.為了獲得CDA程序的最佳下降頂點，Stell等[10]分析部分機型的下降軌跡數據，在給定的推力和阻力模型下，可以準確計算出最佳下降頂點的位置.隨著導航精度逐漸提高，大型繁忙終端區內配備了基于性能導航(PBN).為了驗證PBN程序對航空環境影響的增益，Bronsvoort等[11]分析了里約熱內盧國際機場在應用PBN程序下的實際航跡數據，結果表明：PBN程序可減小噪聲影響區域，同時減少油耗和排放.另外，Muller等[12]以西雅圖機場為例進行分析，結果表明：區域導航(RNVA/RNP)程序相比傳統進場程序最多可節省約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/小阻力的方式進近，結果表明:小推力進近可降低碳排放約35%.為了對比不同地區應用連續下降運行(CDO)后不同的環境影響改善，Terry等[14]對巴黎和紐約進行了分析，結果表明：導致環境改善的因素是交通流密度和飛行路徑.因此，終端區內的交通流密度和進離場航線路徑是造成航空環境影響的關鍵因素.

圖2 終端區進離場航線示意圖Fig.2 Arrival and departure routes network in terminal area

2.3.2 航線規劃仿真評估 終端區進離場航線網絡優化的基礎是三維空間的路徑規劃問題示意圖，如圖2所示.早在本世紀初，張永芳等[15]在空射巡航導彈實時軌跡優化，無人機回避危險航跡規劃[16-17]和機器人動態移動路徑規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]對終端區二維航線網絡路徑進行了優化設計，結果表明：優化后的進離場航線可以有效降低燃油消耗和航空排放.王超等[19]對西安咸陽機場05L跑道起降航線進行研究時，提出了3D進離場航線的優化方法.在航線垂直剖面優化時，提出了基于核密度估計的3D航線垂直剖面優化方法，實現了基于路徑最短的進離場航線網絡優化.核密度估計法是通過分析歷史航跡數據而得到軌跡概率密度，以確定最優的下降航跡垂直剖面.此后，王超等[20]還提出3種啟發式搜索規則，使用動態領域搜索方法來改進Xue等所用的模擬退火算法，并設計了基于模糊理論的離場軌跡降噪優化方法.賀超男等[21]也提出了基于A*算法的進離場航線網絡規劃方法.在借鑒上述啟發式搜索規則的基礎上，文獻[22-23]設計危險天氣下的進離場航線網絡多目標優化方案，采用可視圖理論，大幅度減小了終端區內的搜索空域.相比之下，核密度估計法是通過分析歷史航跡數據而得到軌跡概率密度，并以此確定最優的下降航跡垂直剖面.改進后的蟻群算法、模擬退火算法和A*算法在水平和垂直剖面內均采用空間搜索獲取最優進離場航線路徑.

此外，在優化終端區與航路航線網絡銜接時，國外研究人員提出了構建終端區內智能化過渡區的策略.隨后，智能化終端過渡區策略逐步演變為擴展終端區策略，萬莉莉等[24]提出了一種擴展終端區下的進離場資源分配優化策略，如圖2所示.通過分散延誤航班，該策略可有效提高終端區運行效率，并減小燃油消耗和污染氣體排放.Sidiropoulos等[25]通過對終端區邊界進離場點進行聚類分析，明確了終端區邊界上最佳進離場點.少數國外研究人員對優化后的進離場航線網絡進行了試飛驗證.

3 結論

近年來，終端區內航空環境影響因其危害性較大而受到社會各界的廣泛關注.終端區航空環境影響主要包括了航空排放和航空噪聲，AEDT是目前準確測算航空排放和航空噪聲影響的標準工具.AEDT對EDMS和INM系統進行了總結和補充，可以進行飛行區域內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，以及空氣質量評估.

優化后的進離場航線網絡可以有效降低環境影響，其研究方法主要包括航跡數據分析、終端區航線網絡設計和試飛檢驗.在目前航線網絡設計中，研究人員提出了多種優化進離場航線路徑的智能算法.相比之下，改進后的蟻群算法可以更加準確、高效地搜索最優進離場航線路徑.但是，研究中缺乏對終端區居民密集區和氣象條件的考慮.進離場航線優先級劃分是解決多條進離場航線交匯的有效方法，但是，其標準過于簡單.進離場航線網絡優化方案中多以飛行路徑最短作為優化目標，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，針對進離場航線網絡環境影響研究現狀，提出以下3點建議與展望.

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

2) 應補充終端區進離場航線優先級劃分標準，并使用層次分析法(AHP)對優先級標準進行權重決策分析，以提高決策的科學性.

3) 結合終端區與區域耦合運行，深入分析終端區、航路等空域資源的分配優化及終端區進離場航線與跑道構型間的關聯.

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(責任編輯： 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.

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

V 355； X 506

A

1000-5013(2017)02-0251-06