结合QAR数据的全航段排放估算及其对飞行成本的影响研究

时间：2021年11月16日分类：科学技术论文次数：

摘要：随着排放对环境的影响日趋严重，排放成本被纳入飞行总成本的趋势已成为必然.在对基础飞行成本模型进行改进过程中，为了准确计算飞机排放量，依据机载QAR(QuickAccessRecorder，快速存取记录器)数据中表征发动机实际运行的诸多参数，准确获取排放量，进而利用改进

　　摘要：随着排放对环境的影响日趋严重，排放成本被纳入飞行总成本的趋势已成为必然.在对基础飞行成本模型进行改进过程中，为了准确计算飞机排放量，依据机载QAR(QuickAccessRecorder，快速存取记录器)数据中表征发动机实际运行的诸多参数，准确获取排放量，进而利用改进飞行总成本模型计算实际飞行成本.同时，讨论了燃油成本、时间成本及排放成本在综合成本中所占的比例.结果表明，燃油成本占比最大，约为41.63%;时间成本约占34.13%，排放成本占比达到24.24%，超过燃油成本的1/2.由此可见，排放成本对总成本影响很大，其影响不可忽视，多方面考虑计算排放量及排放成本，可为航空公司初步评估飞机运行成本提供有效依据.

　　关键词：环境污染;QAR数据;排放成本;综合成本

环境污染治疗

　　1引言(Introduction)

　　民用航空发动机排放污染物主要包含氮氧化物(NOx)、未燃碳氢(HC)、一氧化碳(CO)、二氧化硫(SO2)与颗粒污染物(PM)，其对环境危害主要分为两大类：机场区域环境空气质量和全球范围的气候变化(张弛等，2015).为控制逐年增加的污染物排放，减缓对环境的危害，欧盟已设立有关航空排放污染物的环境保护税，针对污染物排放实行明确定价(Cooketal.2008)，旨在通过经济手段来控制航空排放对环境的影响.为此，国内外学者已开始将污染物排放成本纳入飞行成本之中，开展考虑排放的飞行总成本及减少排放成本方面的研究(魏志强等，2016;Edwardsetal.2016).Cook等(2008)通过对不同污染物之间的权重问题进行研究，提出了包含排放成本的动态成本指数概念，用于对航班延误的分析。

　　Grewe等(2013)将航空排放成本首次引入到飞行成本之中，用以实现对飞行轨迹的优化研究;Wang等(2014)开展了降低飞机排放和成本的多目标化设计，通过改变重要的几何变量和飞行参数，对温室效应和飞机直接运行成本进行了近似敏感性分析和多目标化设计;Edwards等(2016)针对航空成本指数和航空碳排放的未来进行了详细研究，得出碳排放对环境的严重影响及未来的发展趋势;魏志强等(2016)建立了污染物排放量和排放成本计算模型，结合国际民航组织(InternationalCivilAviationOrganization，ICAO)排放数据库给定的飞行数据，改进飞行成本计算模型，考虑污染物排放对飞行成本优化的影响;Tian等(2019)针对优化巡航飞行性能以最大程度减少绿色直接运行成本，降低飞机运行对环境造成的严重影响.

　　上述研究提出了成本指数概念，实现了考虑排放成本的总成本计算与分析，但由于未结合实际飞行数据，不能通过实际污染物排放来分析排放各影响因素对飞行成本的影响.要完成对排放成本的分析，必须首先保证排放量计算的准确性和完整性.Pham等(2010)针对澳大利亚的基础航迹数据，建立了精度为1°×1°×1000ft(1ft=30.48cm)的四维排放数据库清单;Owen等(2010)估算了2050年全球航空活动所造成的污染物排放量;魏志强等(2010)依据ICAO排放数据库数据，对各个飞行阶段的污染物排放量进行了估算;韩博等(2017)针对一次航班全航段飞行全过程大气污染物排放特征进行了研究.

　　本课题组利用实际运行的QAR数据，结合ICAO提出的P3-T3方法，对污染物基准排放指数进行修正，完成了对飞机起降着陆循环(Landingandtake-off，LTO)阶段氮氧化物排放量的计算与分析(曹惠玲等，2019)，为进一步的排放成本计算打下了基础.航空排放污染物主要受到发动机燃油流量(FuelFlow，FF)、运行时间(TimeInMode，TIM)与排放指数(EmissionIndex，EI)的影响(ICAO，2011).实际运行中，燃油流量、运行时间与ICAO给定的基准值有所不同，而污染物排放指数也会随着实际飞行工况时刻变化.QAR数据包含飞机运行实时燃油流量、飞行时间及表征飞行操纵和发动机运行的诸多参数(曹惠玲等，2020).

　　基于QAR数据，本文针对GE90⁃115B型发动机单架次全航段污染物进行排放量计算，改进污染物排放成本模型，提出考虑燃油成本、时间成本、排放成本和固定成本的飞行总成本模型，重点分析排放对飞行成本的影响.以期能够真实评估执行具体飞行任务的具体航班全航段的飞行成本，为确立结合飞机实际运行状况的飞行总成本及讨论污染物排放对飞行成本的影响提供一定的理论依据.

　　2飞行成本模型(Flightcostmodel)

　　目前国内外各大航空公司都习惯于使用自己的成本细化计算方法，从财务管理的角度出发，把飞机运行成本划分为“固定成本”和“变动成本”两大类，其中，“变动成本”主要是指随着运输量(包含：飞行小时、起降次数、运输周转量或者乘客数量)变动的成本，“固定成本”则是指不会随着运输量变化的成本.

　　在针对飞行成本进行研究时，选择独立成本模块进行飞行综合成本研究，主要选取变动成本中的燃油成本、时间成本和排放成本进行计算分析.固定成本的细化方法，根据不同航空公司，有不同的划定标准.国内划定固定成本和变动成本，主要是根据飞机主要技术参数(飞机座位数或者商载、起飞和着陆重量、航程和相应的航油及航时、维护性和可靠性等)、航空公司的主要运行参数(机队规模、年利用率、上座率和航段距离等)、经济环境参数(飞机起降费用、地面操作费用和导航费的收费标准、维修劳务费率等)及其他综合管理成本等因素.

　　不同航空公司的运营环境和商业模式有所不同，同一款机型在不同的航空公司运营可能有不同的成本和收益.如果把与机型运行无关或者关系不大、但与运营环境和商业模式关系密切的这一类固定成本分离出去，形成更为直接的成本分析模型，此类成本模型将对于各类航空公司普遍适用，不局限于某种运营环境、商业模式甚至某种单一机型，可以更为清晰地反映出研究中所需要的结果，普适性更高.因此，本文针对固定成本进行研究时，根据表1中的分类，将其选为常数，不再进行具体计算讨论.

　　2.1飞行成本基础模型

　　污染物排放价格定义为：航空器每排放单位质量污染物须缴纳的费用.欧盟已设立有关航空排放污染物的环境保护税，通用飞机在运行中向大气环境排放气态及颗粒污染物，需要向环保部门缴纳相应的环境保护费用，以此来限制航空排放对环境的影响.目前国内在航空污染物排放价格方面理论研究较为匮乏，本文参照欧洲空管局(EuroControl)发布的年度运营成本报告中燃油及气态污染物排放价格进行成本计算(按照当下1€=7.8212元换算)(Cooketal.，2008)，颗粒污染物排放目前还未有价格研究，本文计算时应用经济学家詹恩·丁伯根提出的影子价格理论对颗粒污染物排放价格进行估算以作为参考计算值(梁丹青，2014).

　　2.2时间成本

　　时间成本主要包含机务维修成本中与时间相关的部分、飞行阶段客舱服务费和机组人员飞行小时费这3项基础费用，其他时间成本因素由于隶属航空公司的不同，无法进行统一度量，故而本文不进行讨论.时间成本计算按照威斯敏斯特大学运输研究小组提出的基于飞机类型、机组和乘务人员数量、飞行距离等因素划分低、中、高3种不同情况的研究方案(Koetseetal.，2009;Nygrenetal.，2009;Gelhausenetal.，2013)，根据Edwards等(2016)针对上述3种情况得到的计算方法，考虑中国航空公司成本细化情况，得到适用于本次航班的3种不同情况下的单位时间成本.

　　3污染物排放计算模型

　　(Pollutantemissioncalculationmodel)为了获得准确的排放成本，须先获得真实的污染物排放量.本文选择现役主流宽体机型B777⁃300ER的动力装置GE90⁃115B发动机作为研究机型，依据实际飞行QAR数据，首先进行航段划分，然后使用P3⁃T3方法和形成氧化法(FormationOxidationMethod，FOX)，利用相对应的发动机性能参数对每一瞬态的排放指数进行修正，结合实时燃油流量，经过时间积分得到完整航段的污染物排放量.

　　3.1气态污染物排放指数修正

　　发动机排放污染物中，SO2和CO2只与燃油消耗量成正比关系，与其他发动机性能参数无关，不需要对其排放指数修正(ICAO，2011).而NOx、HC和CO的排放与发动机性能相关，需要根据发动机实时运行状况和相关参数对排放数据库中基准状态下的数据进行修正，获得真实的排放指数.对排放指数进行修正之前，首先根据飞行高度、飞行马赫数、低压转子转速、油门杆解算器角度等参数对飞行阶段进行精准划分，据此可以确定飞机在不同航段中具体的飞行时间和燃油消耗量.依据ICAO排放数据库中对应的各分阶段基准排放指数，采用P3⁃T3方法对其进行修正，获得与实际飞行阶段相对应的实际排放指数.

　　4案例分析(Caseanalysis)

　　4.1飞机基本参数

　　选择从上海浦东国际机场(ICAO代码：ZSPD)飞往加拿大温哥华机场(ICAO代码：CYVR)某次航班，机型B777⁃300ER，发动机型号GE90⁃115B，飞行时间10.38h，飞行距离9031km.对机载QAR数据进行预处理：剔除野值、采用拉格朗日内插公式对转译遗漏数据进行补充，去除各方面干扰而造成的波动.

　　在完成预处理的QAR数据中提取所需要的发动机相关性能参数，采样时间间隔选择1s，采集到的实际飞行数据包括飞行高度、飞行马赫数、环境总温等参数.从ICAO组织公布数据库(ICAO，2013)和机场空气质量手册(ICAO，2011)中查得GE90⁃115B型发动机的基准燃油流量和排放数据，其数据是在基准条件下由车台实验数据获得.

　　4.2污染物排放量计算

　　4.2.1飞行阶段划分

　　将所选航班飞行全过程划分为滑行起飞爬升阶段、高空飞行阶段与进近着陆阶段，依据实际数据获取的各阶段飞行时间与飞行高度.其中，滑行起飞爬升阶段包含发动机启动之后的机场滑行、起飞、爬升3个阶段，主要指滑出停机位飞至1000m高空之内的出港活动;高空飞行阶段主要是1000m高空之后，继续爬升至稳态巡航高度，完成稳态巡航之后下降至1000m高空准备进港之前的飞行活动;进近着陆阶段主要是1000m高度以下，完成下降、进近、着陆的飞行活动.

　　4.2.2飞行全航段燃油消耗量

　　飞行过程中由于飞行状态不同，燃油流量和污染物排放指数时刻发生变化，导致各个阶段燃油消耗量和污染物排放量均不相同.各阶段航空发动机的燃油消耗量与发动机的推力呈正相关，通过对机载QAR数据中飞行阶段内每一时间帧下的燃油流量进行加和得到全航段燃油消耗总量为41302.76kg。

　　发动机排放污染物真实排放量与ICAO给定基准值之间存在较大差距，不仅与飞行时间、飞行状态相关，发动机自身的性能也受到外界环境条件、工作年限和维护状态等诸多因素影响;考虑到降低油耗和起飞噪声等，实际飞行过程中，飞行员也会被要求实行减推力等飞行操作，这也使得实际污染物排放量与给定基准值有较大差异.由此可见，排放数据库给定基准排放数据更适合用于针对固定机型的统计分析，为了更为准确地评估执行具体飞行任务的具体航班单架次飞行成本，应以结合实际飞行数据计算的污染物排放量作为成本计算基准.

　　4.3飞行成本计算

　　4.3.1燃油与排放成本

　　依据计算得到的各阶段排放量，结合其中燃油及污染物排放价格可得飞行全航段燃油成本及污染物排放成本，长航程排放污染物中NOx排放成本最高，占比高达69.34%，当局须高度重视减少NOx排放量的实施措施，进而减少其高昂的排放成本;目前CO2排放量最多，但由于碳排放价格较其他污染物低，排放成本次之，近乎少于NOx排放成本的1/2，占比约为25.09%;SO2的排放量较低，单价较高，排放成本也不可忽视，占比约为5.24%;HC、PM和CO的排放成本最低，占比分别约为0.18%、0.08%和0.07%.

　　4.3.2时间成本

　　鉴于所选航班飞行时间长、机组人员多、乘客数量庞大、飞行距离远等实际情况，选择2.3节中所述的高时间成本情况进行计算研究.由公式(4)结合其中实际飞行时间(622.93min)，得到全航段时间成本为206607.19元.

　　4.3.3成本综合

　　剔除视为常数的固定成本，燃油成本为综合成本中占比最大的一项，占比约为41.63%.时间成本占比次之，约为燃油成本的2/3，随着航程、机组人员等因素的增加，时间成本仍会继续增加，在本次航班飞行过程中，占比约为34.13%.一直未纳入成本计算的污染物排放成本在长航程成本占比中达到24.24%，多于燃油成本的1/2之上，愈加说明排放对飞行成本的重要影响.

　　5结论(Conclusions)

　　1)污染物排放指数经修正后纳入计算模型得到飞行全航段实际污染物排放量，与ICAO基准模型LTO阶段估算结果进行比对，实际飞行时间相较基准模型多20%;而因燃油流量小于基准数值，导致实际燃油消耗量较基准数值少5%，直接导致与燃油消耗量成正比的SO2和CO2排放量也较基准数值少5%;其它污染物排放量也较基准数值有所增减，其中，NOx和PM排放量多于基准值，其他污染物排放量均少于基准值.

　　2)对不同种类成本进行经济性量化，计算得出全航段飞行综合成本中，燃油成本占比最大，约为41.63%;时间成本占比达到了燃油成本的2/3，约为34.13%;基础模型中未纳入的排放成本占比达到24.24%，多于燃油成本的1/2.3)纳入污染物排放成本，完善了飞行成本计算模型，可更为真实地量化飞机运行的经济性成本，同时表明排放成本对飞行成本的影响不可或缺，为确立结合飞机实际运行状况的飞行总成本计算提供了参考依据.

　　参考文献(References)：

　　CookA，TannerG，WilliamsV，etal.2008.Dynamiccostindexingmanagingairlinedelaycosts[J].JournalofAirTransportManagement，15(1)：26⁃35

　　曹惠玲，李玉铭，汤鑫豪.2020.基于QAR数据的飞机全航段黑碳排放量计算与分析[J].环境科学学报，40(6)：1951⁃1957曹惠玲，汤鑫豪，苗佳禾.2019.

　　基于P3⁃T3方法的飞机LTO阶段氮氧化物排放量计算与分析[J].环境科学学报，39(12)：4235⁃4241EdwardsHA，Dixon⁃HardyD，WadudZ.2016.Aircraftcostindexandthefutureofcarbonemissionsfromairtravel[J].AppliedEnergy，164：553⁃562 GelhausenMC，BersterP，WilkenD.

　　2013.Doairportcapacityconstraintshaveaseriousimpactonthefuturedevelopmentofairtraffic[J].AirTranspManage，28：3⁃13GreweV，FrommingC，JockelP，etal.

　　2013.Climatecostfunctionsasabasisforclimateoptimizedflighttrajectories[C]//TenthUSA/EuropeAirTrafficManagementResearchandDevelopmentSeminar(ATM2013)韩博，刘雅婷，谭宏志，等.2017.

　　一次航班飞行全过程大气污染物排放特征[J].环境科学学报，37(12)：4492⁃4502ICAO.2011.Airportairqualitymanual[R].

　　Montreal：InternationalCivilAviationOrganizationICAO.2013.ICAOengineexhaustemissionsdatabank[R].Doc9646⁃AN/943

　　作者：曹惠玲，晏嘉伟∗，李玉铭

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