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空中交通管理的节能减排性能指标体系构建研究
来源:中国民航网2019-04-26 15:53:00

摘要:为了应对航空运输发展带来的温室气体排放快速增长问题,本文分析了在可持续发展世界潮流下航空运输关于减少温室气体,提高燃油效率的具体目标,解读了进一步深化民航改革工作中对空管节能减排的要求,阐述了开展空管节能减排指标体系研究的必要性,并结合我国民航空管当前实际情况,提出了空中交通管理中节能减排性能的关键领域(KPA)和指标(KPI)的测度方法,并设计了节能减排指标体系构建和验证的总体思路。

关键词:空中交通管理,节能减排,指标体系,碳排放,效率

一、研究背景

(一)空中交通发展带来严重的碳排放问题

全球空中交通活动保持持续快速增长,航空运输在便捷公众出行的同时,也对全球和地区的环境也造成了严重影响,主要表现在航空器飞行过程中排放的CO2和起降阶段对机场周边的噪声影响等方面。统计表明,民用航空运输飞行产生的碳排放量约占人类活动碳排放总量的2%[1],成为增长最快的温室气体排放者。随着航班量的进一步增长,温室气体排放总量仍有进一步增加的趋势。

2016年7月21日,世界气象组织(WorldMeteorologicalOrganization,WMO)发布《20161-6月全球气候打破新纪录》的公报称,全球气候指标再次刷新纪录。其中2016年大气中的CO2浓度超过具有象征意义的警示线(400ppm),一度高达到407ppm。有证据表明,地球生态系统和气候系统可能已经达到甚至突破了重要的临界点,可能导致不可逆转的变化,高温、大雾和强雷暴等极端天气频发。这些极端天气又造成大面积航班取消和延误,反过来又会影响和制约航空运输业的发展。

(二)可持续发展世界潮流对航空运输碳排放提出更严格要求

为了应对全球气候变暖导致对人类生存环境的破坏,1992年联合国召开地球问题首脑会议,达成《联合国气候变化框架公约》(《气候变化公约》),迈出了解决这个问题的第一步,随后提出《京都议定书》。2016年11月4日,《巴黎协定》已经正式生效。《巴黎协定》是人类历史上应对气候变化的第三个里程碑式的国际法律文本,形成2020年后的全球气候治理格局。包括中国在内的175个缔约方共同承诺,通过减少温室气体排放,把全球平均气温升幅控制在工业化前水平以上低于2°C之内[2]。《巴黎协定》制定了“只进不退”的棘齿锁定机制。各国提出的行动目标建立在不断进步的基础上,建立从2023年开始每5年对各国行动的效果进行定期评估的约束机制。

国际民航组织(InternationalCivilAviationOrganization,ICAO)在关于环境保护的综合声明中,要求各成员国通过对空中交通管理的优化来减轻环境影响。空中交通节能减排已在全球范围内达成广泛共识。2010年,ICAO在第37届国际民航组织大会上通过了提高飞行燃油效率保护环境的决议。到2050年,将实现每年提高航班燃油效率2%的远期目标,并提出从2020年起国际航空净排放量不再增长的中期目标[3]。2013年国际航空运输协会(InternationalAirTransportAssociation,IATA)通过碳中性增长方案。该方案提出航空运输业到2020年,年均燃油效率提高1.5%的目标[4]。2014年,欧盟确定了在2016年底前将欧洲经济区内部航段排放纳入其排放交易体系[5]。

(三)民航局关于进一步深化民航改革工作的具体要求

2016年5月,民航局正式发布了《关于进一步深化民航改革工作的意见》[5],提出了“一二三三四”的总体工作思路。其中,明确以“创新、协调、绿色、开放、共享”的发展理念为引领,阐明了降低环境影响是民航响应国家节能减排规划、履行社会责任及加强自身“量大质优”的重要发展理念。

“一二三三四”的总体工作思路体现了三个导向,即问题导向、目标导向和效果导向。其中,对于空管工作需要重点加强以效果为导向,进一步深化改革提升空管运行品质。通过积极推进国家空域使用改革的同时也要眼睛向内,通过建立空管运行效率和考核、激励机制,切实提高民航现有可用空域资源使用效率,转变发展方式。

二、空管节能减排性能指标体系研究的必要性

当前,降低空中交通对环境的影响的途径主要体现在三个方面:(1)改进和制造更环保的发动机和飞机气动外形;(2)使用生物替代燃油;(3)改进和优化空中交通运行质量。鉴于目前发动机和飞机气动设计技术已经相当成熟,加装翼尖小翼所带来的节油潜力已经挖掘殆尽。生物替代燃油原料和产量有限,不足以支撑航空运输大规模使用。因此,采用改进和优化空中交通管理运行质量,提高可用空域利用效率和飞行轨迹燃油效率在民航节能减排方面具有巨大的潜力。

民航局空管局在2015年制定的《民航空管系统节能减排专项规划》[6]提出以2015年为基准年,到2020年实现:ATM(ATM,AirTrafficManagement)运行效率提高1%,ATM相关的平均航班燃油减少3%,繁忙机场关舱门后平均航班延误时间减少3分钟,平均每年减少飞行二氧化碳排放约260万吨以及受大于《机场周围飞机噪声环境标准》中规定的噪声影响人数增幅不超过2%的目标。但并为提出系统性的量化指标体系及测算标准。

空管运行节能减排指标体系,是反映空管绿色发展的运行效率、效果的重要工具。一方面,可以科学、准确、客观地展示航空器不同飞行阶段燃油消耗总量、二氧化碳排放总量,明晰机场、航司、空管等原因导致的航班延误的关系界定及影响程度,也为行业公平考核与激励奠定基础。其次,可以精准反映民航空域的利用效率、空中交通管理的运行效率,以及对环境的影响效果,有助于空管发现短板,明确着力点,改进技术,精准发力。三是,有助于科学评估各项管理、技术改进对民航节能减排的贡献度。

三、空中交通管理节能减排关键性能领域及指标测度方法

通过大量调研,结合空管运行实际,本文将空中交通管理节能减排关键性能领域分为4个方面:碳排放量、环境效率、运行效率和噪声影响。所有指标的计算应以个体航班为基本研究对象,当需要以大量航班整体为评估对象时,可以将相关航班对应的指标测度值进行累加。

空管运行过程中不同运行系统记录了飞行航迹、飞行动态等大量的数据,空管节能减排指标测度应充分利用大数据分析和挖掘技术,节能减排指标具体测度方法如下:

(一)碳排放量

碳排放量是指航班运行过程中由于消耗燃油所产生的CO2。该指标与航班所消耗的燃油量直接相关。

依据文献[8]中的燃油与标准煤的换算关系,航空煤油的折标煤系数为1.4714,即消耗1吨航空燃油相当于消耗1.4714吨标准煤。平均消耗1吨标准煤产生3.15吨碳排放量。因此,碳排放量的测度方法见式(1)。

碳排放量=燃油消耗量*1.4714*3.15(1)

在计算该指标时,重点是计算航班运行所消耗的燃油。采集雷达航迹数据,将每个航迹点记录的真空速和高度信息作为参数,输入到BADA(BaseofAircraftData)性能模型中,计算每一个小时间段内(飞越两个航迹点之间)消耗的燃油流量,将飞行过程所有时间段的燃油流量累加起来,即得到某航班在一次飞行过程中所消耗的燃油量,进而计算出碳排放量。

(二)环境效率

环境效率用来描述航班实际飞行轨迹与最优飞行轨迹之间的差异性,通常是用消耗的燃油量来表征对环境的影响。

最优飞行轨迹是指航空器在最经济的高度和速度沿大圆航线飞行时产生的飞行轨迹,将此时燃油消耗量定义为最优油耗量,环境效率定义为100%。由于空域、天气和空管调配等原因,一般情况下航班无法总是按照最优轨迹运行,实际油耗量与最优油耗量必然存在差异,导致产生额外燃油消耗,对环境造成不利影响。由此构建环境效率指标的测度方法见式(2)。

环境效率=1-(实际油耗量-最优油耗量)/最优油耗量*100%(2)

在测度该指标时,实际油耗量同样采用雷达航迹数据计算获得。最优油耗量则通过仿真方法获取航班最优飞行轨迹,进而计算获得。

(三)运行效率

运行效率用来描述航班运行实际情况与计划之间的差异性,可以从时间效率和空间效率两方面分别进行度量。航班运行经历滑出滑行、离场、航路飞行、进场、滑入滑行等阶段,每一个阶段都可以用时间效率和空间效率来描述。本文以离场阶段为例进行说明。

1.时间效率

离场阶段时间效率是用离场延误时间来表示的,即航班实际起飞时刻与预计起飞时刻之差,如式(3)所示。其中,预计起飞时刻并不是航班时刻表时刻,而是根据协同放行(CDM)系统综合各方面因素计算出的起飞时刻(CTOT)。

时间效率=实际起飞时刻-系统计算的起飞时刻(CTOT)(3)

实际起飞时刻和预计起飞时刻可由CDM系统获得。CDM系统在计算CTOT时考虑了空域、跑道、旅客、天气等因素,已经涵盖了非开车状态下的地面延误时间,这段延误时间并未消耗燃油,并未对环境造成污染。因此,在CTOT基础上计算的延误时间才能真正反映开车状态下额外的延误时间,对节能减排才更具意义。

2.空间效率

空间效率主要是指实际水平飞行剖面与理想水平剖面的差异,一般用飞行距离来表征。离场阶段的理想水平剖面是指按照标准离场程序实施连续爬升离场所产生的水平剖面,此时的水平飞行距离称为理想水平距离。航班实际水平剖面会偏离理想水平剖面,产生额外的水平飞行距离,必然带来额外的燃油消耗。该指标通过额外水平飞行距离来反映对环境的影响,其测度方法如(4)所示。

空间效率=(实际水平距离-理想水平距离)/理想水平距离*100%(4)

实际水平距离可根据雷达航迹数据中的经纬度坐标计算得到。理想水平剖面需要结合航空器性能参数,利用仿真的方法得到,进而计算理想水平距离。

(四)噪声影响

根据《机场周围飞机噪声环境标准》(GB9660-88),普通生活区的计权等效连续感觉噪声级(WECPNL)应不大于75db。因此,噪声影响可以用暴露在显著噪声(大于75db)中的人群数量来描述。

四、节能减排性能指标体系构建与验证的总体思路

本文是以空管系统单位调研和国际文献研究为基础,理论研究与实际验证相结合的总体思路,构建的一套适用于我国民航空管当前实际情况,科学合理、简明有效、分类分级的节能减排指标体系。构建与验证的总体思路如图1所示:

c1.jpg

图1空管节能减排性能指标构建总体思路

在应用过程中,要将理论研究得到的通用的节能减排指标体系,结合空管单位实际运行数据对指标进行测算、验证和评价。一方面根据数据分析和实验结果对指标测度模型进行可行性、正确性验证,对指标体系进行完整性、重要性和重复性验证,进而得到科学完备、操作性强、可国际对比的空管运行节能减排指标体系。另一方面,通过科学量化评估空中交通管理为航空公司提供节能减排服务的数量和品质,可以更好的挖掘民航在提升空域利用率、优化飞行轨迹、减少二氧化碳排放等方面的潜力。

科学的指标体系是获得正确的统计分析结论的前提条件。因此要对初选后的指标进行验证。包括:(1)可行性测验。主要是进行单体指标数值计算数据可获取性检验,发现难以获取或者获取代价高昂的指标时要考虑采用其它方法给予弥补。(2)重要性测验。采用德尔菲法对节能减排指标初选体系中各指标的重要性进行测验,根据专家给出意见的集中程度、离散程度和协调程度保留重要指标,剔除对评价结果无关紧要的指标。(3)相关性检验。由于指标之间往往存在一定的相关关系,这是观测数据反映的信息有所重叠。如果指标体系中存在高度相关的指标,将会影响评价结果的客观性。因此,有必要利用相关系数法检验初选指标体系的所有指标是否都是必不可少,提出哪些冗余的指标。(4)定性分析验证,通过业内专家经验评审检验指标体系是否科学、全面地反映了空管运行节能减排的目标与任务。

五、结束语

航空运输已经成为全球温室气体排放增速最快的行业。空中交通产生的碳排放在造成全球气候变化的同时,也制约了航空运输的发展。为了实现空中交通可持续发展,国际社会和我国政府制定了积极节能减排的政策和措施。在改进发动机、生物替代燃油之后,空中交通管理的优化是挖掘民航节能减排的重要抓手。本文以发现空管运行短板和提高空管运行性能为出发点,提出了燃油消耗、燃油效率、运行效率和噪声影响等具体指标,并对节能减排指标体系的构建方法、数据来源、计算模型和验证评价进行了研究。

从提高空管运行效率的角度出发,进行空管运行节能减排指标体系的研究,进一步结合具体空管运行单位开展相关指标的实测和验证,不仅能有效改善空管运行质量,也能为航空公司带来良好的节能减排成效,更能从深层次促进民航空管运行考核激励机制建设。

参考文献:

[1]DvidJGriggs,JoyceEPenner,DavidHLister.Aviationandtheglobalatmosphere.[R]IntergovernmentalPanelonClimateChange,CambridgeUniversityPress,1999:384.

[2]《巴黎协定》引领全球“去碳化”发展.新华网[DB/OL]http://news.xinhuanet.com/fortune/2016-06/21/c_129078937.htm

[3]ICAO,ResolutionA37-19:ConsolidatedstatementofcontinuingICAOpoliciesandpracticesrelatedtoenvironmentalprotection-Climatechange[DB/OL]http://www.icao.int/environmental-protection/37thAssembly/A37_Res19_en.pdf

[4]IATA.IATAFuelReporting&EmissionsDatabase(FRED).[DB/OL]http://www-qa.iata.org/whatwedo/environment/Pages/fred.aspx

[5]民航局.《关于进一步深化民航改革工作的意见》.[S](民航发[2016]40号)

[6]民航局空管局.《民航空管系统节能减排专项规划》.[S](ECO-2015),16-17

[7]EuropeanComission,Reducingemissionsfromaviation,[DB/OL]http://ec.europa.eu/clima/policies/transport/aviation_en

[8]发改委、财政部.《节能项目节能量审核指南》.[S](发改环资[2008]704号)

(作者:中国民航网智库专家 刘芳子 刊载于第一辑《中国民航发展政策研究报告》(ISBN9787512804739))

责任编辑:zhangwei
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