航班計劃燃油消耗影響因素分析

許 廣，李倩茹，吳薇薇，張皓瑜

（1.中國民航信息網絡股份有限公司，北京101300；2.南京航空航天大學民航學院，江蘇 南京211100）

隨著民航業發展，隨之帶來的環境問題也逐漸受到人們的重視，氣候環保問題抗議活動在全球范圍內掀起熱潮。 據有關報告描述，在溫室氣體的排放總量中，約有14.3%的排放量來自于運輸業，而全球航空的二氧化碳排放量約占總量的2%～3%，是溫室氣體的重要來源之一。各國學者開始重視民航業發展的環境影響，但由于航空公司燃油消耗數據較少公開，學者往往采用國際民航組織（ICAO）、EEA 提出的通用模型進行估算。例如，采用ICAO 的標準起飛著陸循環（LTO）排放模型對機場起降階段的油耗或氣體污染物排放量進行估計[1-3]，結合EEA 公布算法得到了整個航班的油耗及氣體排放量，并對其與航線距離等因素間的關系進行分析[4-5]。 但通用模型得到的結果往往存在較大的誤差，為了解決該問題，Fan W 等[6]結合氣象數據對排放指數進行了修正；Baumeister S[7]則結合了實際的交通數據計算了短中長3 類航線市場中特定航班的碳排放量。 此外，也有部分學者從宏觀角度研究航空運輸業的燃油消耗量及污染物排放與經濟發展水平、人口規模等影響因素的關系。 例如，實證分析航空單位產出能耗或燃油效率與經濟、航線距離、機型、載運率等因素間的關系[8-9]。 石鈺婷等[10]在對我國航空業2000—2017 年碳排放總量估算的基礎上，實證分析了碳排放的影響因素，結果發現經濟發展規模、產業規模以及人口規模會促進碳排放的增長，能源強度以及運輸強度會抑制碳排放的增長。

綜上所述，盡管燃油消耗以及污染物排放一直是航空公司、民航部門重點關注的問題，但國內的相關研究依舊較少，根源在于數據的缺乏，因此大多數學者采用通用模型或者宏觀方法研究燃油消耗，缺乏對航班或航線等微觀層面的燃油消耗及污染物排放研究。本文基于兩家航空公司的航班數據庫構建了計劃燃油消耗量與航程、機型及載重等因素間的回歸模型，分析了各因素對計劃燃油消耗量的影響程度，并對比了全服務與低成本航空公司的燃油效率差異。

1 EEA 方法及計劃燃油消耗量

EEA 基于2015 年歐洲主要機場的實際數據并結合AEM 模型計算各航班的燃油消耗量， 并編制出EEA 燃油消耗及污染物排放計算器，用戶可通過輸入某航班的航線距離及機型信息，得到該航班的燃油消耗及污染物排放量。該程序列出了不同機型在不同“參考航線距離”下的常見飛行高度，燃油消耗量，以及二氧化碳、一氧化碳、PM 等排放物的排放量。對于列表中未列出的航線距離點，程序采用線性插值的方式得到其燃油消耗量及污染物排放量。圖1 列出了8 種機型燃油消耗量隨航線距離變化的情況，我們用D=（d1，…，dn）表示各“參考航線距離點”，某種機型飛機在各點的燃油消耗量分別為F=（F1，…，Fn）。 假設某架飛機的飛行距離為d，有dk＜d＜dk+1，采用線性插值方式得到其燃油消耗量為

污染物排放量的計算過程與燃油消耗相似。

本文采用2017 年12 月某兩家航空公司（包含一家全服務航空公司及一家低成本航空公司）的航班數據，數據庫中包含了航班的起訖機場、機型、座位數、計劃起飛時刻、計劃降落時刻、實際起飛時刻、實際降落時刻、騰空計劃存油、落地計劃存油、撤輪擋計劃存油、上輪擋計劃存油、貨郵行李重量等信息，可用于計算每趟航班的計劃燃油消耗量，本文將該數據庫得到的燃油消耗量與EEA 方法估算出的結果進行對比分析，結果如表1 所示。

表1 描述了XIY—PEK（932 km）、SYX—PEK（2 514 km）、AKL—CAN（9 294 km）3 條航線的主要執飛機型、座位數、航班頻率以及航空公司計劃燃油消耗量，并采用EEA 方法計算了3 條航線的燃油消耗量，與航空公司的計劃燃油消耗量進行對比。 結果表明，EEA 方法得到的燃油消耗量普遍低于航空公司的計劃燃油消耗量。

圖1 8 種機型燃油消耗隨航線距離的變化情況Fig.1 Fuel consumption changes with missions of distance of 8 aircraft types

表1 計劃燃油消耗量與EEA 估算結果對比Tab.1 Comparison of planned fuel consumption and EEA estimates

EEA 的估算程序是通過歐控噪聲和排放模型得到每種飛機/發動機組合在給定航線距離下的 “更省油”軌跡，然后使用歐控先進排放模型處理軌跡，得到燃油消耗及各污染物排放量的估算結果，該方法僅考慮了航線距離以及機型對燃油消耗的影響，且是在省油的理想狀況下計算燃油消耗量。 由于北京、廣州機場為繁忙的樞紐機場，運輸周轉量大，空域擁擠，其起飛延誤等狀況較為頻繁，航空公司在制定計劃燃油消耗時會考慮延誤因素的影響而適當放寬攜帶的燃油量，因而EEA 方法的估算結果總是低于計劃的燃油消耗量。 此外，EEA 方法是歐洲環境署根據2015 年歐洲機場的運營信息整理得出，并不能代表中國航班運營的狀況。

2 燃油消耗量的影響因素分析

在實際狀況下，即使兩航班的起訖點相同，由于受飛機載重、氣象條件等因素的影響，其消耗的燃油量也會有較大差異。 而本文所采用的航空公司計劃燃油消耗量雖然與真實情況有一定出入，但也是航空公司在考慮飛機載重、起降機場等因素對燃油消耗影響后得到的結果，與EEA 方法相比，在一定程度上更能反映燃油量的實際消耗狀況。 下面本文利用部分數據分別分析計劃燃油消耗數據與機型、載重、航線距離等因素之間的關系，并利用多元回歸方法擬合出了計劃燃油消耗量與三者之間的關系，說明計劃燃油消耗量的確定考慮了多種實際因素，在一定程度上能反映航班燃油消耗的變化規律。

由于數據庫中未列出起訖機場間的實際航線距離，本文以各機場間的大圓航線距離作為本文的航線距離。 圖2 描述了2017 年12 月1 日某全服務航空公司航班的計劃燃油消耗量與航線距離、航班載重（包括客貨行李重量）之間的關系。 從圖中可以看出，計劃燃油消耗量與航線距離具有明顯的線性關系，燃油消耗量隨航線距離的增加而增加，載重對燃油消耗量的影響也呈現出明顯的規律，載重量偏高的航班計劃燃油消耗量也偏高，這說明航空公司的計劃燃油消耗量不僅考慮了航線距離的影響，也考慮了航班載重量的影響。

除了航線距離與載重量，機型也是影響燃油消耗的一大重要因素，在實際情況下，航空公司會按照公司的需求安排飛機的艙位布局，同一機型的飛機會對應不同的艙位布局，因此本文采用座位數來表示飛機的尺寸。 圖3 為計劃燃油消耗量隨飛機座位數大小變化圖像，從圖中可以看出，燃油消耗量與飛機尺寸呈現明顯線性關系。

圖2 計劃燃油消耗量與航線距離、航班載重的關系Fig.2 Relationship between planned fuel consumption,distance and payloads

圖3 計劃燃油消耗量與機型座位數的關系Fig.3 Relationship between planned fuel consumption and number of seats

下面以計劃燃油消耗量為因變量，選取航線距離、客貨重量、飛機座位數為自變量，采用線性回歸方法，建立多元線性回歸方程，應用SPSS 軟件運行結果如表2 所示。

表2 多元回歸結果Tab.2 Multiple regression results

根據表2 可得到回歸模型如下：

根據SPSS 運行結果，該模型的復相關系數為R=0.946，樣本決定系數為R2=0.894，模型擬合度較好，且航線距離、座位數、客貨重量皆對燃油消耗具有顯著影響，其中，航線距離每增加1 km，將會增加6.650 kg 的燃油消耗量； 客貨重量增加1 kg， 燃油消耗量增加0.178 kg； 座位數增加1 個， 燃油消耗量增加42.595 kg。

綜上所述，本文所采用的計劃燃油消耗數據同時考慮了航班的客貨重量、執飛機型尺寸以及航線距離的影響，雖然不能完全代表飛機實際的燃油消耗數值，但可在一定程度上反映飛機燃油的實際消耗情況。

3 燃油效率差異

依據Park Y 等[5]對航線市場的劃分結果，本文將根據航線距離大小將航線劃分為3 類：短中長程航線市場，其中短程航線為航線距離＜1 000 km 的航線，中程航線的航線距離范圍為1 000 km≤d＜4 000 km，長程航線為航線距離≥4 000 km 的航線。

表3 描述了3 類航線下不同尺寸飛機的航班運營信息以及計劃燃油消耗情況。 總體來看，航線距離越長，航班載重量也越大，計劃燃油消耗量隨之增長，但從每噸公里燃油消耗量的角度來看，遠程航線整體上比短程航線更低，說明長途航班的燃油效率（即單位能耗產出，可用噸公里油耗的倒數表示）更高。這是因為巡航階段更為省油，而起降循環階段的燃油效率更低，在長途航班中，省油的巡航階段占據更大的比例，因此遠程航班的燃油效率更高。 其次，在同一類航線市場下，大機型的航班載重量更大，計劃燃油消耗量也更高，但大機型的每噸公里計劃燃油消耗量更低。一方面，大機型采用的發動機性能可能比一些老型的小飛機更加優越，環保性高；另一方面，大機型執飛的航線一般比小型飛機更遠，雖然飛機飛得更遠，載重更大，所要帶的油量也會增加，但飛機的油量消耗也存在著規模經濟性，當規模經濟性的影響大于油量增加帶來的負面效應時，分攤到每單位噸公里的燃油消耗反而會更小。特別注意的是，表格中也有個別例外并不符合前面總結的總體規律，這可能是因為相應樣本的數量不夠，或者跟航空公司的實際運營狀況有關，例如，航空公司可能會采用一些大機型執飛短程航線，其規模經濟性沒有得到很好的應用，也會導致其燃油效率不高。

表3 短中長航班的運營狀況及計劃燃油消耗量Tab.3 Operations and planned fuel consumption of short，medium and long flights

圖4 描述了單位噸公里計劃燃油消耗量隨航線距離的變化情況，該圖以1 000 km 為間隔對航線距離進行劃分。 從圖中可以看出，單位噸公里燃油消耗總體上是隨著航線距離的增加而降低的，當航線距離時≥4 000 km，燃油效率波動較小，基本保持不變。 隨著航線距離的增加，巡航階段在整個航程中占據更大的比例，燃油效率較低的起降循環階段對整個航程的影響就逐漸減小，因此單位噸公里燃油消耗也逐漸減小。 但由于執飛遠程航線的飛機一般載客載貨量更多，再加上飛行距離更遠，其所要攜帶的燃油也更多，飛機會為了攜帶更多的燃油而消耗一定的燃油，這就會造成飛機運營的燃油效率變低，這與前面提到的巡航階段占比增大而導致燃油效率變高的現象共同作用于飛機的燃油效率，因此，當航線距離增加到一定程度，燃油效率的降低程度減小，維持在一定水平上下小幅度波動。

4 全服務與低成本航空公司的燃油效率對比

4.1 總體描述

本文所采用的數據庫包含了兩家航空公司的航班信息及計劃燃油消耗情況， 一家為全服務型航空公司，另一家為低成本航空公司。表4 提供了兩家航空公司的航班運營信息及計劃燃油消耗情況，從表中可以看出，由于低成本航空公司的規模較小，其航班頻率、航線種類、機型種類、運輸周轉量以及計劃燃油消耗總量皆低于全服務航空公司。 低成本航空公司多采用單一的中小機型飛機，且提供的低票價機票使得其在市場上具有一定的競爭優勢，因此低成本航空公司的客座率會稍高于全服務航空公司，但兩家航空公司的平均座位數大致相等，全服務航空公司為168 座，而低成本航空公司為169 座。 全服務航空公司的機型種類更為豐富，其中不乏A330 和B77W 大機型，涉及的航線及服務領域也更加廣泛， 因而其貨郵行李重量、航線距離平均值、計劃存油及計劃油耗等數據也高于低成本航空公司。

圖4 每噸公里燃油消耗量隨航線距離的變化Fig.4 Planned fuel consumption per ton-km with flight distance changes

表4 全服務公司與低成本公司航班運營總體情況Tab.4 Flight operations of full-service airlines and low-cost airlines

將計劃燃油消耗分攤到每噸公里上，結果發現兩家航空公司的燃油效率具有一定的差距，全服務航空公司的每噸公里計劃燃油消耗為0.40 kg·t-1·km-1，稍低于低成本航空公司的0.43 kg·t-1·km-1。在計算整個航空公司的燃油效率時，由于全服務公司擁有更多的長航線和大機型，而低成本公司涉及到的長航線較少，多為中短程航班，其涉及的大機型種類和數量也較少，主要為A330 系列，因此從總體來看，全服務航空公司的燃油效率會稍高于低成本航空公司。

兩家航空公司共同運營的航線共有390 條， 全服務航空公司的共有航線單位噸公里計劃油耗為0.45 kg·t-1·km-1，低成本航空公司為0.40 kg·t-1·km-1，這說明在運營相同的航線時，低成本航空公司的燃油效率總體上是高于全服務航空公司。

4.2 航線對比

為了進一步理解兩家公司燃油效率的具體差異，有必要針對特定的航線范圍與機型進行對比。 表5 對比了全服務航空公司與低成本航空公司在共有航線上的運營信息及燃油消耗情況，該表以500 km 為間隔，將航線劃分為不同的距離帶。 從表中可以看出，除個別情況例外，在相同航線距離段下，全服務公司執飛機型的平均座位數、客座率以及載重量大多低于低成本航空公司，這是因為低成本航空公司一般提供較低的票價以提高其競爭優勢，因此需要充分利用其飛機的可用空間及可用業載，盡可能在有限的空間內安排更多的座位，在一趟航班內安排較多的旅客與貨物，以降低其運營成本。 但是，由于全服務航空公司的機型更加豐富，航班的客貨安排也不如低成本航空公司經濟，因而計劃燃油消耗普遍高于低成本公司，分攤到每噸公里的燃油消耗量也要高于低成本公司，這說明在運營相同航線時低成本航空公司的運營模式更加具有環保經濟性。

表5 全服務與低成本公司在共有航線上的燃油消耗差異Tab.5 Difference in fuel consumption between full-service airlines and low-cost airlines on the same routes

4.3 機型對比

圖5 對比了低成本公司與全服務公司幾種常用機型的噸公里燃油消耗，從圖中可以看出，全服務的噸公里燃油消耗明顯要高于低成本公司，采用同一機型情況下，低成本公司的載重率更高，而飛機的燃油消耗也具有規模經濟性，因此分攤到每噸公里的燃油消耗就更低。

圖5 兩家公司各機型的噸公里油耗差異Fig.5 Difference in fuel efficiency between the two types of airlines

5 結論

本文在闡述了EEA 估算方法的基礎上， 分析了計劃燃油消耗量與機型、 航線距離以及航班載重的關系，說明計劃燃油消耗量更加貼近航空公司的實際情況。 此外，本文將航線市場劃分為短中長3 類，分別分析各類航線的航班運營信息及燃油消耗情況，結果發現，燃油效率隨航線距離的增加而增加，同一航線市場下，飛機尺寸越大，燃油效率越高。 由于本文所采用的數據庫包含了一家全服務航空公司及一家低成本公司，因此對兩家公司的運營狀況進行了對比分析，結果得到，在運營相同航線時，全服務公司的燃油效率普遍低于低成本公司，采用同一執飛機型時，低成本公司的燃油效率也要高于全服務公司，說明低成本公司的運營模式不僅具有經濟效益，也具有環保效益。