航空公司節油減排量測分析研究

高春燕　李鵬

摘? 要：隨著民航運輸的需求量日益增加，航空業的碳排放量也逐漸增多，由民航運輸引起的環境問題成為民航業各單位關注的重點。文章基于層次分析的方法深入分析發動機節油，飛機結構改裝節油，優化航路結構等多種節油減排相關技術的節油潛力。針對節油減排關鍵技術的部分指標，利用MATLAB語言編程制作一套基于數據分析的航空公司多部門節油減排量測界面，為航空公司節油減排的工作提供技術支撐。

關鍵詞：航空公司;節油減排;層次分析法;量測界面

中圖分類號：F561? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）29-0076-04

Abstract： With the increasing demand for civil aviation transportation， the carbon emissions of the aviation industry have gradually increased， and the environmental problems caused by civil aviation transportation have become the focus of the civil aviation industry. Through the analytic hierarchy process （AHP） method， this paper deeply analyzes the fuel saving potential of various fuel-saving and emission reduction technologies， such as engine fuel economy， aircraft structure modification，fuel economy， and optimization of route structure. Aiming at some indicators of key technologies for fuel economy and emission reduction， the MATLAB language is used to program a set of airline multi-sector fuel-saving emission reduction measurement interface based on data analysis， which provides technical support for airlines to save fuel and reduce emissions.

Keywords： airline; fuel-saving and emission reduction; analytic hierarchy process （AHP）; measurement interface

引言

中國民用航空領域迅速發展和壯大的背后是以持續增長的航空燃油消耗和航空碳排放量為代價的。各航空公司對節油減排工作的開展和管理不僅會直接影響航空運輸業的能耗水平，而且也和公司運行成本密切關聯。因此航空公司的內部調整，節油減排行動刻不容緩。

前期，部分學者基于數據分析的方法對民航領域節能減排進行建模預測，Balakrishnan H等[1]利用數據挖掘中的網絡物理系統統計對運行數據進行建模，進而深入研究飛機發動機的航空燃油消耗。Lawrance N R J等[2]基于近期的飛機歷史數據進行挖掘。采用了K-最近鄰模型，高斯過程回歸模型，簡單線性模型，及動力學模型對噴氣式飛機進行燃油預測;田乾乾[3]利用單因素分析法研究節能減排的指標及影響因素，使用數據挖掘中數據分類和回歸分析的算法，建立出噸公里油耗模型。用最小二乘法求解該模型的具體表達式，并對表達式進行標準化處理，比較模型中參數的貢獻率大小，最后構建出民航節能減排決策系統。鄒迎歡[4]利用數據挖掘中的人工神經網絡構建了油耗模型，基于QAR（Quick Access Recorder，快速存儲記錄器）空客320機型固定航段提出了節油方法并進行油耗預測。本文對航空公司節油減排的關鍵技術確立分析指標進行了數據分析，用MATLAB語言進行節油減排量測界面研究設計，完成了基于層次分析法確定節油貢獻度的節油減排量測界面的設計和功能的實現。

1 節油減排指標體系建立

1.1 指標體系的確立原則和流程

航空公司節油減排的關鍵指標必須在不影響航班運行安全和盡量提高效率等情況下通過分解，提煉，合并來綜合確定。因此，構建的指標要符合以下的原則：

（1）綜合能效性：要根據節油減排的要求或標準來出發去完成任務，基于航空公司的角度廣泛全面去探索了解所制定的節油技能，來明確所需監測指標應該采用的監測形式和要達到的目標，從而初步建立評估指標。

（2）可預測性：在征詢了航空公司領域的眾多專家的意見后，將理想化的未能實際運用在一線的和目前研究能力未能測量統計得到的指標排除在外。

（3）科學合理性：要根據指標自身所制定的指導原則和方案，對設計的評價指標進行界定和論證評估，使其具有一定的科學依據;形成一套在航空公司實際運行中合理有效，科學規范的指標體系。指標體系的建設過程如下。

a.通過查閱文獻，搜集國內目前航空公司節油減排的現狀，國內航空公司的發展現狀和指標評估方法等方面，分析和總結能夠反映出國內航空公司節油減排績效的指標，然后歸納概括出指標并確定指標的屬性。

b.反復分析考慮指標體系是否合理涵蓋了評估航空公司節油減排績效的幾個易分析又最實際有效方面。

c.咨詢航空公司性能領域專家獲取其意見和建議。

d.分析和論證專家們所給出的意見和建議，選擇可行性指標，量化定性指標，指標體系流程的創建如圖1所示。

1.2 航空公司節油減排指標

航空公司節油減排包括節油和減排兩部分內容，但是目前國內外航空領域對于節油減排的統計、研究和分析，主要是通過節油量數據來反映出二氧化碳的排放量。據相關研究顯示，通常航空公司使用的燃油，每消耗1噸，產生的二氧化碳量為3.15噸。所以確立的各個指標，后續主要以節油值為切入點，分析節油減排。

1.2.1 APU替代設施使用指標

APU屬于渦輪發動機，油耗和碳排放均處于較高水平。在飛行操作方面應盡可能縮短APU的工作時間，或選擇使用地面供電裝置代替飛機APU在航前航后地面上等待的時間。

飛機在航前航后期間主要通過使用地面空氣源車輛和供電車輛，提高基地現有GPU代替APU的使用率。航前機務人員使用橋載電源、電源車、氣源車為航班供應電源和氣源;航后機組人員下機后在規定時間內機務及時關閉APU，改用地面電源裝置供電，優化航線工作流程，從而在保障航線工作正常的基礎上降低地面耗油量，為公司節省燃油費用。

1.2.2 計劃落地剩油指標

由于工作經驗和其他條件的不同，各航空公司不同的簽派員對航班放行所需的額外燃油有不同的預測。航空公司應對每個航班放行人員的特點進行簡要分析，制定節省燃油的績效管理方案，鼓勵減少航班的額外燃油，培養簽派員節約燃油的意識。在做飛行計劃時，通過系統性解析航班數據，仔細研究天氣演變趨勢，提倡精細化放行，從而在安全順暢的基礎上合理降低航班的落地剩油，減少多加油帶來的燃油損耗，降低了公司的經營成本，提高了經營效率。

1.2.3 動態發動機水洗指標

各公司根據飛機的實時運行情況制定計劃，定期清理發動機的氣流通道，保持氣流容量，減輕發動機的性能衰減，定期清洗后發動機的燃油效率恢復約5%后，有效降低燃料消耗。具體計劃是發動機工程師根據經驗和當前實際情況發出EO（Engine Order，工程指令）控制發動機清洗間隔，生產計劃或相關部門將安排實施。通過每月統計和分析發動機清洗數據，計算實際飛行小時燃料節省率。并篩選出未按時清洗的飛機，通過每小時飛行燃油節省率評估發動機清洗的實施情況，尋找實施發動機清洗要求的未實現原因，以為公司節省燃料成本。

1.2.4 飛行距離優化指標

航空公司應積極與空中交通管制部門和空軍部門溝通，合理進行航線網絡的規劃設計，共同完成臨時路線的開辟，提高直飛率，縮短距離，減少油耗、飛行時間和航班延誤，節約航空燃油成本。

2 節油減排量測分析

根據確定貢獻度的需求，本文采用層次分析法來確定權重。

（1）建立層次結構模型：根據要求各指標貢獻度的目標，把準則層，即影響因素分為三個：節油操作難易程度，節油效率，公司規模。可優選的方案P1，P2，P3，P4分別為：飛行距離優化，APU替代設施，發動機水洗，計劃落地剩油。將決策的目標，考慮的因素和決策的對象按它們之間的相互聯系劃分成最高層，中間層及最底層，畫出層次結構圖，如圖2所示。

（2）構造成對比較（判斷）矩陣：判斷矩陣是將這一層中所有因素的對上層某一因素的相對重要性進行比較。一般每層不宜超過九個因素。判斷矩陣標度方法如表1所示。

通過專家打分結果構造準則層對于目標層的判斷矩陣Z，同理構造決策層對準則層的判斷矩陣A1，A2，A3。

（3）層次單排序及其一次性檢驗

對于成對比較矩陣Z，A1，A2，A3，先求出矩陣的相應特征向量W及最大特征根？姿max，隨即進行一致性檢驗：

其中，CI、CR、RI、n分別為：一致性指標、檢驗系數、平均隨機一致性指標、判斷矩陣階數。

當CR<0.1時，一般認為判斷矩陣通過一致性檢驗，一致性可以接受。

（4）層次總排序及其一次性檢驗

為了得到遞階層次結構中每層次中所有元素相對于目標層的相對權重，需要把前一步結果進行恰當組合，計算出總排序的相對權重，并進行層次總排序的一次性檢驗。如果分析結果通過了檢驗，便可以用于決策，否則需要重新調整判斷矩陣再進行分析。

3 量測分析界面的實現

由于本文中需處理的數據較多，且涉及矩陣計算，圖形用戶界面設計， GUI程序編寫，函數調用及繪圖的功能等需求，本文選擇MATLAB完成程序設計。

3.1 量測界面的功能分析

本文利用MATLAB GUI的菜單、按鈕、坐標軸、文本框等組件，編寫了各功能模塊的接口和回調過程，分析設計的總體思路如下：

（1）節油減排量測界面的功能主要分為兩部分：一部分是量測功能：對各項目指標進行數值和權重量化，得到相應的完成率和權重值;另一部分是查詢顯示功能：對處理后產生的數值結果進行文本框和圖像展示，最后根據查詢結果進行分析。

指標數值統計計算模塊包括幾個模塊：月報數據輸入模塊、數值對比量測模塊、完成率計算模塊，結果顯示模塊。程序運行流程如圖3所示。

（2）各項目指標的貢獻度計算模塊包括以下幾個步驟：輸入已經構造好的判斷矩陣，計算單向量排序，判斷一致性是否接受，計算總排序，判斷一致性是否接受，結果展示分析，比較權重大小排序。程序運行流程如圖4所示。

3.2 量測界面運行結果展示分析

（1）界面一：處于初始狀態時，界面如圖5所示。初始化界面的下拉按鈕下包含有四個可查詢項目：P1飛行距離優化;P2 APU替代設施;P3 發動機水洗;P4計劃落地剩油控制。文本框一中輸入具體的年月，要輸入六位數字，如201809，代表要查詢2018年9月的情況。二中輸出對應年月的實際值，目標值，完成比率。如需重新選擇查看的項目和日期，點擊清空即可。

（2）當輸入201810，選擇P1飛行距離優化時，點擊“加載數據”按鈕，再點擊“查詢”，界面運行如圖6所示。

對2018年10月的P1飛行距離優化項目進行分析的結果如下，由文本框輸出結果可知，當月的實際值高于目標值，完成比率超過100%，完成節油效果好，實現了當月的節油目標。同理，其他月份和其他項目的查詢也可以實現顯示，然后進行分析。

（3）界面二：此界面用與顯示權重部分內容及各項目的圖像功能。初始界面狀態如下，同樣有響應各功能的按鈕，圖形顯示區域，及輸出值文本框，如圖7所示。

（4）當選擇項目為P1飛行距離優化時，點擊“加載數據”按鈕，再點擊“實際值”按鈕，運行界面如圖8所示。

依據運行的結果，可以根據飛行距離、目標值和完成比率優化各項目實際值對應的圖像，以此可直觀明了地看出各個月份的項目節油趨勢。

（5）點擊“完成率剖面”，界面輸出如圖9所示：

圖9與圖8不同之處是，用戶可同時看出四個項目的節油情況，可以形成直觀的參考對比，全面了解各個節油項目的開展達標率。

（6）點擊“加載數據”，再點擊“各目標權重值”時，界面運行如圖10所示。

從此界面運行結果中，用戶可以得出各項目的權重值，并直觀看出各項目的權重值大小，根據以此得出決策層中四個項目的貢獻度大小，貢獻度最好的依次是P1 飛行距離優化，P4 計劃落地剩油，P2 APU替代設施，P3 發動機水洗。航空公司可根據貢獻度現狀來從各個方面對指標項目進行調整，優化節油減排措施。

4 結束語

本文提出了一種基于層次分析法確定節油貢獻度的研究方法，并應用MATLAB軟件實現了節油減排量測界面的設計。由于數據有限，本文數據分析上使用的方法有待深化補充，層次分析法有無法避免的主觀成分，未來可以繼續深入完善。

參考文獻：

[1]Chati Y S， Balakrishnan H. A Gaussian process regression approach to model aircraft engine fuel flow rate[C]//Acm/ieee International Conference on Cyber-physical Systems，2017.

[2]Lawrance N R J，Sukkarieh S，et al.Using High-Frequency Data for Predicting Fuel Use of Jet Transport Aircraft[J].Journal of Aircraft，2017：1-11.

[3]田乾乾.基于數據挖掘的民航節能減排決策支持系統的研究[D].中國民航大學，2012.

[4]鄒迎歡.基于QAR空客320固定航段油耗預測與節油方法研究[D].中國民航大學，2013.