基于節能降噪的飛行程序優化

張佶鵬

摘 要：機場建設對帶動周邊區域經濟發展具有重要意義，但同時飛機運行也會帶來較大的航空噪聲，對生活工作影響較大。為實現節能降噪，需要從實際情況出發，對不同飛行程序航跡進行聚類分析，編制最為合理的優化才方法，將噪聲最優航跡作為依據對飛行程序進行指導優化，盡量避免經過人口稠密區域，降低航空噪聲的影響。該文對飛行程序優化方法進行了分析，爭取實現節能降噪效果。

關鍵詞：節能降噪 飛行程序 噪聲最優航跡

中圖分類號：U231 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）03（a）-0006-02

近年來我國航空行業發展迅速，機場建設數量不斷增多，并且現存航空噪聲問題比較嚴重，大部分未采取有效方法進行解決。基于節能降噪理念，對飛行程序進行分析，最大程度上來降低噪聲對周邊區域的影響。其中，航跡決定了航空噪聲分布模式，機場運營過程中每天均會產生大量的航跡數據，因為每條航跡均為執行飛行程序得來，這樣便可以通過對航跡所執行飛行程序聚類分析，來達到節能減噪目的。

1 飛行程序特點分析

航空器從起飛到著陸整個飛行過程包括離場、巡航、進場以及進近四個階段，其中除巡航外，均為飛行程序內容。

第一，離場程序。即按照需求提前規劃的離場航線，作為終端區與航路結構的過渡。為航空器飛離機場提供一條線路，其中要能夠滿足最小凈爬升梯度，并避開扇區。離場程序起點為跑道起飛末端，即公布的適用于起飛區域末端。并且因為飛機離地點變化較大，一般按照飛機在DER標高之上120 m開始轉彎時不早于離跑到開始端600 m方法設計[1]。離場程序的實現，需要沿著規定飛行航跡到達下一飛行階段允許最低高度/高的一點終止，則到等待點、爬升至航路最低安全高度以及飛至起始進近定位點為三種終止點。

第二，進場程序。即提前規劃的進場航線，作為航路結構與終端區內一個定位點或航路點的過渡。其中，起點包括飛機離開航路飛行開始點與走廊口兩種；終止點包括等待點和起始進近定位點兩種。

第三，進近程序。即根據飛行儀表和對障礙物保持規定超障礙余度，提前預定一系列機動飛行，需要從起始進近定位點或從規定進場航路開始，到達著陸一點終止。假設如果不能順利著陸，則需要飛行到使用等待或航路飛行超障準則位置。按照速度可以將進近程序劃分為A、B、C、D、E五類；按照導航設備可以將進近程序劃分為NDB進近、VOR進近、NDB/DME進近、ILS進近、VOR/DME進近以及區域導航進近等。

2 航跡聚類分析確定最優航跡

2.1 CURE航跡聚類算法

空管部門通過雷達檢測設備來獲得飛行運行中經度、緯度、高度等數據，并將其整合成航跡數據，機場每天運營會產生大量航跡數據。對航跡數據進行聚類分析，可以應用航跡相似性度量方法，將執行同一飛行程序的航跡聚為一類。利用航跡點法向距離的方法來度量兩條航跡間相似性，定義得到航跡間相似性矩陣Rr，如式（1）所示：

其中，dni表示第n條航跡與第i條航跡航跡點法向距離。因為K-Means聚類算法隨機初始化聚類中心，會使得聚類結果形成局部最優，可選擇應用基于層次CURE聚類算法分析，以使用中心點和多個代表點表示聚類。

2.2 飛行程序航跡噪聲差異分析

通過航跡聚類分析后，將執行同一飛行程序的航跡聚為一類，但是在實際飛行中，受飛行員個人能力、天氣狀況、飛行性能等因素限制，最后不同飛機最終產生的噪聲也存在一定差異性，且呈現發散性特點。航跡決定了機場周圍噪聲分布模式，對執行同一飛行程序不同航跡噪聲差異性進行研究，定義其存在的差異性評價指標：

其中，ti與tj為執行同一飛行程序航跡中，第i和第j個航班航跡；m∈{1，2，…，num}為噪聲敏感點編號，num為機場周圍噪聲敏感點個數；Lm（ti）表示第i條航跡對第m個噪聲敏感點的噪聲影響值。式（2）表示同一飛行程序兩條運行航跡產生存在明顯差異的機場噪聲，充要條件為機場周圍噪聲敏感點內至少存在一個噪聲敏感點導致同一飛行程序兩條航跡在此敏感點噪聲差值在5 dB以上。因為噪聲差異大小會受到多個因素影響，如生活噪聲、車輛噪聲、氣候噪聲等，5 dB以內認為兩個航跡不存在噪聲差異，但是超過此數值便可確認存在顯著差異。通過統計方法T-test檢驗航跡噪聲差異性，確定執行同一飛行程序的運行航跡會存在明顯噪聲差異。

2.3 飛行程序最優航跡

基于節能降耗理念，對飛行程序進行優化分析，需要確定最優航跡，降低航空噪聲對周邊環境的影響。因為執行同一飛行程序不同航班航跡噪聲存在明顯差異，且具有發散性特點。需要確定一條最優航跡，將機場周邊噪聲敏感點受到的噪聲影響降到最低，對其進行量化計算，定義一條航跡綜合噪聲評價量為：

其中，num表示噪聲敏感點個數；Ej（ti），j∈（1，2，…，num）表示第i條航跡對第j個噪聲敏感點綜合噪聲影響，即：

其中，Lj（ti）表示第i條航跡在第j個噪聲敏感點產生的噪聲值，將其除以100（默認最大噪聲值為100分貝）進行數據歸一化操作；Nnm（Lj（ti）>70dB）和Arear（Li（ti）>70dB）分別表示Li（ti）>70dB人口數和區域面積；Totalj（Punm）與Totalj（arer）分別表示第j個噪聲敏感點總人口數和總區域面積。航跡i在噪聲敏感點j處產生噪聲值、受噪聲影響人口數和區域面積均利用INM計算得到。

即對執行同一飛行程序的所有航班航跡集合T={t1，t2，…，t3}，其中z為執行同一飛行程序的航班總數，噪聲最優航跡tbest為：

即某飛行程序噪聲最優軌跡tbest為航跡集合T內噪聲評價量最小的航跡，航空噪聲對周邊環境造成的影響最小。

3 基于節能降噪飛行程序優化

基于節能降噪要求對飛行程序進行優化分析，需要對受機場噪音影響區域職能性進行調整，形成現代農業、物流倉儲、郊區綠化等噪聲敏感度較低用地。并確定降低噪聲對居民影響工作核心，盡量避免經過居民區。將噪聲最優航跡作為依據，對該航跡上距離飛行程序各航路點最近航跡點進行精確計算，然后對飛行程序各航路點進行優化，有效避開噪聲敏感點。即在飛行控制區域內，不影響飛行安全的同時，降低噪聲敏感點綜合噪聲影響，達到降低機場周邊噪聲敏感點綜合噪聲影響目的。

4 結語

飛機運行產生噪聲較大，對周邊環境影響十分嚴重，基于節能降耗理念對航空噪聲問題進行研究，需要確定飛行程序特點，經過聚類分析確定執行同一飛行程序航班航跡噪聲差異性，選擇確定最優航跡，然后將其作為飛行程序優化指導，降低機場周圍噪聲敏感點，達到綜合降噪目的。

參考文獻

[1] 錢戈.飛行程序優化設計關鍵技術研究[D].南京航空航天大學，2015.