基于飛行小時的航空碳核查方法

姚若霖， 劉家學

(中國民航大學電子信息與自動化學院， 天津 300300)

近年來，航空運輸業持續發展，節能減排的市場機制已為世人認可，中國航空運輸業進入碳交易市場已成定勢，作為碳交易中的技術性環節，碳核查的重要性日益凸顯。碳核查的工作內容是采用規范的溫室氣體排放監測手段及報告與核查制度，以確保溫室氣體排放數據的可靠性和可信度[1]。碳核查主要是數據方法的核查，通過對數據進行詳細測試來核查運營商或航空運營商報告中的數據[2]。航空公司以一定周期上報油耗量與航線運行次數、機型、飛行小時等相關數據，通過數據源交叉檢查或檢查相應數據的閾值，核查上報周期內數據合理性。

飛機作為一種復雜的移動排放源，直接精確檢測排放數據難以實現，因此使用碳排放計算器作為一種代替工具[3]，國際民航組織環保委員會(Committee on Aviation Environmental Protection，CEAP)為碳交易計算推出了航空器CO2排放量估算與報告工具[4]，是一種在機型條件下標準航段距離或輪檔小時的油耗線性估計基礎上的折標系數法,英國環境、食品和鄉村事務部(Department for Environment, Food and Rural Affairs，DEFRA)開發了碳排放計算器[5]，并發布了一系列的針對短途、中途和長途航程的二氧化碳排放因子用于估計不同航程航班的碳排放量。中國民航業與上述方法中使用的航空數據樣本存在差異，國際民用航空組織(International Civil Aviation Organization，ICAO)使用的油耗數據來自世界各地，表現出范圍廣、密集性強的分布特征，同時具有一定的時效性，適用性有限。

政府間氣候變化專門委員會(Intergovern-mental Panel on Climate Change，IPCC)針對航空碳排放核查提出了3種清單方法[6]，其中一種考慮了飛機的飛行階段特征，分為著陸/起飛(landing and take-off，LTO)和巡航(cruise)階段。清單將地面滑行、起飛、爬升、下降和滑入統稱為LTO階段，以3 000 ft(914 m)的飛行高度作為LTO階段與巡航階段區分的標志。清單中列出了國際上常用機型LTO階段的排放因子與各個階段的飛行小時，根據清單中賦予的定值以及上報周期內的LTO次數確定其總排放量。但清單沒有提供巡航階段的排放因子與巡航時間的計算方法。IPCC清單法對LTO與巡航階段的劃分比較直接，LTO內各階段飛行小時均賦予定值，但巡航階段的排放計算方法不明確，只能通過總油耗量估算。如果能細化各階段飛行小時數據，分析其特征，則能進一步提高估算準確性。

為此，提出一種基于飛行小時的碳核查方法，通過統計分析各個飛行階段的飛行小時分布特征，再通過飛機性能與數據庫得到其單位時間油耗，構建飛行小時的油耗估計模型，結合性能分析結果與航空碳核查時間周期特征，構建基于航線的碳核查方法。

1 基于飛行小時的航段油耗估計

1.1 輪檔小時的組成

輪檔小時又稱飛行小時，《民航綜合統計計劃制度表》定義為從飛機開始滑行前撤除輪檔至飛機降落后安放輪檔的全部時間，地面滑行時間包括飛機滑出滑入時間，以飛機進入與離開巡航高度層為標志，空中飛行時間分為爬升、巡航以及下降時間(圖1)。

圖1 輪檔小時的組成

1.2 不同飛行階段的飛行小時分布特征

選取A330在北京到上海航線的80余條與北京到廣州50余條航班記錄的機載快速存儲記錄器(quick access recorder，QAR)數據，QAR數據記錄的飛機飛行參數作為飛行階段的劃分依據，統計A330各個階段的飛行小時，其直方圖如圖2所示。

圖2 A330北京—上海航線飛行階段時間直方圖

其中各個階段數據的統計特征參數如表1所示。

(1)滑行階段包括離場和進場過程。離場過程飛機通過停機坪、滑行道到達指定跑道，進場過程反之，整個進離場的交通過程都在空中交通管制員的控制之下。如表1所示，兩航線均為北京首都國際機場出發，滑行時間十分接近。

表1 統計特征參數

(2)爬升階段為飛機離開地面后上升到巡航高度的過程，爬升階段飛機采用固定的推力等級設置，固定機型的發動機推力是確定的，由表1可知，A330作為固定機型的爬升時間十分相近。

(3)下降階段是飛機從巡航高度以重力漂降等方式逐漸接近降落機場的過程，下降過程可能受進場排隊序列流量控制的影響，如表1所示，即使同機型、同機場下降時間也會有所不同。

(4)巡航階段飛機在平流層保持高度不變，平穩按航線飛行到達目的地，為航班飛行過程的主要階段，對于同一航線而言，則其巡航時間相對穩定。對于不同航線的飛行小時，現以巡航時間與總飛行小時為樣本做回歸分析。

由圖3可知，飛機的巡航時間tcr和飛行小時T有明顯的線性關系，設k為回歸方程斜率，b為截距，則一元線性回歸方程如式(1)。

圖3 A330巡航時間與飛行小時的關系

tcr=kT+b+e

(1)

式(1)中：e為誤差項。

擬合參數如表2所示，式(1)中擬合平方相關系數R2=0.981。

表2 擬合參數

巡航時間與總飛行小時密切相關，隨著飛行小時增加，巡航時間逐漸增大，且比值趨近于1，可見巡航階段時間隨著總飛行小時同步增加，而其他飛行階段在不同航線下時間長度趨于定值。

1.3 各飛行階段的單位飛行小時油耗

1.3.1 起降階段耗油量

起降階段包括飛機航段的地面滑行、爬升和下降進近階段。對于某一特定機型的飛機，它所裝置的發動機在某一飛行階段的推力是相對固定的。根據ICAO設定標準[7]，發動機在起降階段發動機使用固定的工作狀態與推力設置，通過查詢國際民航組織飛機發動機排放數據庫(ICAO aircraft engine emissions databank)提供的機型發動機燃油流量參數[8]。結合飛機與發動機匹配資料，即可確定不同型號飛機在起降階段的具體單位時間燃油流量數據。部分常見主力機型信息如表3所示。

表3 燃油流量參數

1.3.2 巡航階段耗油量估計

BADA(base of aircraft data)數據庫是歐洲航行安全組織提出的一種航空器性能模型庫，主要應用于飛行仿真、航跡預測、排放評估及油耗計算等方面[9]。依據BADA，渦輪噴氣式發動機航空器單位時間內燃油消耗量為

(2)

式(2)中：燃油消耗系數Cf可通過查詢BADA數據庫中的.OFP文件獲得；根據機型巡航速度v與BADA數據庫中對應的機型參數信息即可確定其巡航階段的單位時間油耗。當一架飛機允許在最優燃油性能時的巡航速度下飛行，雖然可能比在飛機理論巡航速度時飛行節省燃油，但是會增加飛機總的飛行時間，降低了飛機性能[10]。從核查角度采用理論巡航速度作為標準，理論巡航速度是一定條件下，最大燃油里程對應的速度，即為最大航程速度(maximum range cruise, MRC)。但因該速度接近飛機的反常操作區，所以實際飛行通常采用最大燃油里程的99%所對應的速度，即為遠程巡航速度(long range cruise, LRC)其計算公式為[11]

(3)

式(3)中：MaL為LRC巡航速度；CLL為遠程巡航速度對應的升力系數；CD0為零升阻力系數；k1為飛機氣動常數，與機型有關；m為飛機質量；標準大氣壓P0=760 mmHg；k=1.4為空氣絕熱系數；δ為飛行高度大氣壓強與標準海平面壓強之比。LRC巡航速度只與mg/δ有關。

1.4 飛行小時的油耗區間估計

每個飛行階段的燃料消耗量E由燃料流量ffs(單位：kg/s)和飛行階段內花費的時間dts(單位：s)相乘確定，隨后通過將所有航段的相應燃料和排放值相加來計算，可表示為

(4)

式(4)中：E為航段燃油消耗量；t為飛行階段總飛行時間；sgr、scl、sde、scr分別是航段地面滑行、爬升、下降、巡航階段的飛行時間，其輪檔小時置信區間可由1.2得出；燃料流量ffs由1.3中的數據庫和性能參數決定。

根據飛行時間對50個A330航班數據進行油耗區間估計，如圖4所示。

圖4 飛行小時油耗區間估計

由圖4可見，輪檔小時與空中飛行小時的估計區間都有較好的效果，不過輪檔小時估計中有部分樣本油耗在同時間下明顯低于估計區間，經統計區間外樣本的地面滑行時間長度明顯異常。

2 基于航線的碳核查方法

地面滑行時間受起降機場擁堵情況影響，嚴重時會產生過長的滑行時間，對估計效果產生影響。同時不同季節旅客需求的不同對機場繁忙程度也會產生影響，根據地面滑行時間的特征，需要一種改進的估計方法。

2.1 地面滑行時間閾值

行程時間可靠性為衡量不同交通條件下在一個指定的時間段內完成一次出行的概率，用來描述行程在網絡波動、不確定性狀態下的抗干擾能力[12]。則滑行時間的可靠性是指飛機在可接受時間內完成滑行階段的概率(圖5)。

T為可接受的滑跑時間

評估路段和路徑行程時間可靠性時會給定一個可接受的閾值，如果超出這個閾值，行程時間就被認為是不可靠的，第95百分位行程時間常被用作閾值，它適用于任何運輸方式和網絡規模，可以被認為是通用指標[13]，以此消除過長滑行時間對核查的影響。

而對于過短的滑行時間，采用FAA定義的暢通滑行時間作為閾值，它指在不受機場地面擁擠、天氣等可能影響飛機滑行時間因素的干擾下，一架飛機的滑行時間[14]。FAA 的 ASPM(aviation system performance matrix)數據庫[15]統計了采用線性回歸模型建立地面起飛排隊飛機數、落地滑入飛機數同滑行時間關系的回歸模型，此時回歸模型的常數項即為暢通滑行時間。

2.2 飛行小時的季節特征

飛行小時受季節影響，繁忙的季節輪檔小時更長，機場的交通會更繁忙，空中飛行小時在一個較長的時間段內通常不會有太大變化，而地面滑行時間會隨著淡旺季帶來的客流量與航班次數變化而有所不同[16]。統計A330機型2013年每月80次航班數據，其淡季與旺季的平均地面滑行時間如表4所示。

表4 月度平均地面滑行時間

冬季為國內民航淡季，夏季為旺季，由表4可知旺季機場更加繁忙，地面滑行時間明顯增加。核查估計時需要考慮季節對飛行小時的影響。

2.3 基于航線飛行小時的碳核查方法

根據《民航航班正常統計辦法》[17]規定，航空企業需上報并記錄航班班次的相關時間點，與飛行時間有關的數據項如表5所示。

表5 飛行時間相關數據項

中國標準航段運行時間分為飛機滑行時間與空中飛行小時，對于特定航線來說，其起降機場滑行時間閾值已經確定，同時滑行時間受季節影響。現根據相關機構上報的飛行時間數據項，結合輪檔小時特征， 構造一種基于航線飛行小時的估算核查方法：根據航線、機型、季度不同對數據進行分類處理，再根據每條航線的上報時間數據得到該航線的滑行段時間與空中飛行時間數據，采用行程時間可靠性與FAA暢通滑行時間得到滑行階段時間閾值，由數據特征確定空中飛行時間的置信區間，相加后通過飛行小時的油耗區間估計方法確定該航線、機型下的油耗置信區間，再乘以該航線上報周期內該機型運行的總次數，得到總油耗估算區間，與上報的總燃油消耗量比較，如果上報數據落在估算模型的區間內，則證明其上報油耗數據合理。可作為確保排放數據合理性和可靠性的依據，從而完成碳核查的核算過程(圖6)。

圖6 航線時間碳核查方法流程圖

2.4 算例分析

選取1、7月內50余次A330客機北京至上海航線的歷史數據，根據流程圖分離滑行時間與空中飛行小時數據，其直方圖如圖7所示。

圖7 A330北京—上海航線1、7月飛行時間直方圖

如表6所示，根據滑行時間可靠性定義，1月北京至上海航線95%分位點為28.68 min，7月為57.21 min，首都國際機場的FAA暢通地面滑行時間為16.84 min，取區間內數據均值為航線滑行時間。空中飛行小時呈正態分布，結合以得到修正后1、7月北京—上海航線A330的輪檔小時置信區間，再通過飛行小時的區間估計方法估算其油耗置信區間，實現對上報數據的核查。

表6 北京—上海航線統計時間參數

3 結論

(1)提出了一種基于航段飛行小時分段分析的油耗估計方法，通過研究各個飛行階段的時間分布與油耗特征，最終得到不同飛行小時下對應的碳排放量區間估計方法。驗證其性能后提出了基于航線數據的改進碳核查方法，為碳核查機構提供了一種可行有效的航空碳排放核算方法，確保上報數據合理性，同時也能為航空公司評估自身能源效率提供借鑒。

(2)由于沒有飛機撤除/安裝輪檔的準確報告時間，所以使用的QAR數據時間可能與航空公司報告輪檔小時有所偏差，在結果分析中可能有些許誤差，需要在有準確輪檔小時情況下進一步研究。