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(yè)持續(xù)發(fā)展，節(jié)能減排的市場機制已為世人認可，中國航空運輸業(yè)進入碳交易市場已成定勢，作為碳交易中的技術(shù)性環(huán)節(jié)，碳核查的重要性日益凸顯。碳核查的工作內(nèi)容是采用規(guī)范的溫室氣體排放監(jiān)測手段及報告與核查制度，以確保溫室氣體排放數(shù)據(jù)的可靠性和可信度[1]。碳核查主要是數(shù)據(jù)方法的核查，通過對數(shù)據(jù)進行詳細測試來核查運營商或航空運營商報告中的數(shù)據(jù)[2]。航空公司以一定周期上報油耗量與航線運行次數(shù)、機型、飛行小時等相關(guān)數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)源交叉檢查或檢查相應數(shù)據(jù)的閾值，核查上報周期內(nèi)數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)難以實現(xiàn)，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(huán)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(shù)法,英國環(huán)境、食品和鄉(xiāng)村事務部(Department for Environment, Food and Rural Affairs，DEFRA)開發(fā)了碳排放計算器[5]，并發(fā)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(yè)與上述方法中使用的航空數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)來自世界各地，表現(xiàn)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(tǒng)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(qū)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(jù)清單中賦予的定值以及上報周期內(nèi)的LTO次數(shù)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(nèi)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(shù)據(jù)，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(tǒng)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(shù)據(jù)庫得到其單位時間油耗，構(gòu)建飛行小時的油耗估計模型，結(jié)合性能分析結(jié)果與航空碳核查時間周期特征，構(gòu)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(tǒng)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(shù)據(jù)，QAR數(shù)據(jù)記錄的飛機飛行參數(shù)作為飛行階段的劃分依據(jù)，統(tǒng)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(shù)據(jù)的統(tǒng)計特征參數(shù)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(fā)，滑行時間十分接近。

表1 統(tǒng)計特征參數(shù)

(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(fā)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(wěn)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(wěn)定。對于不同航線的飛行小時，現(xiàn)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(guān)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(guān)系

tcr=kT+b+e

(1)

式(1)中：e為誤差項。

擬合參數(shù)如表2所示，式(1)中擬合平方相關(guān)系數(shù)R2=0.981。

表2 擬合參數(shù)

巡航時間與總飛行小時密切相關(guān)，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(fā)動機在某一飛行階段的推力是相對固定的。根據(jù)ICAO設定標準[7]，發(fā)動機在起降階段發(fā)動機使用固定的工作狀態(tài)與推力設置，通過查詢國際民航組織飛機發(fā)動機排放數(shù)據(jù)庫(ICAO aircraft engine emissions databank)提供的機型發(fā)動機燃油流量參數(shù)[8]。結(jié)合飛機與發(fā)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(shù)據(jù)。部分常見主力機型信息如表3所示。

表3 燃油流量參數(shù)

1.3.2 巡航階段耗油量估計

BADA(base of aircraft data)數(shù)據(jù)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(jù)BADA，渦輪噴氣式發(fā)動機航空器單位時間內(nèi)燃油消耗量為

(2)

式(2)中：燃油消耗系數(shù)Cf可通過查詢BADA數(shù)據(jù)庫中的.OFP文件獲得；根據(jù)機型巡航速度v與BADA數(shù)據(jù)庫中對應的機型參數(shù)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(yōu)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(jié)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(qū)，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(shù)；CD0為零升阻力系數(shù)；k1為飛機氣動常數(shù)，與機型有關(guān)；m為飛機質(zhì)量；標準大氣壓P0=760 mmHg；k=1.4為空氣絕熱系數(shù)；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(guān)。

1.4 飛行小時的油耗區(qū)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(nèi)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(qū)間可由1.2得出；燃料流量ffs由1.3中的數(shù)據(jù)庫和性能參數(shù)決定。

根據(jù)飛行時間對50個A330航班數(shù)據(jù)進行油耗區(qū)間估計，如圖4所示。

圖4 飛行小時油耗區(qū)間估計

由圖4可見，輪檔小時與空中飛行小時的估計區(qū)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(qū)間，經(jīng)統(tǒng)計區(qū)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(chǎn)生過長的滑行時間，對估計效果產(chǎn)生影響。同時不同季節(jié)旅客需求的不同對機場繁忙程度也會產(chǎn)生影響，根據(jù)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(nèi)完成一次出行的概率，用來描述行程在網(wǎng)絡波動、不確定性狀態(tài)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(nèi)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(wǎng)絡規(guī)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(shù)據(jù)庫[15]統(tǒng)計了采用線性回歸模型建立地面起飛排隊飛機數(shù)、落地滑入飛機數(shù)同滑行時間關(guān)系的回歸模型，此時回歸模型的常數(shù)項即為暢通滑行時間。

2.2 飛行小時的季節(jié)特征

飛行小時受季節(jié)影響，繁忙的季節(jié)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(nèi)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(shù)變化而有所不同[16]。統(tǒng)計A330機型2013年每月80次航班數(shù)據(jù)，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(nèi)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(jié)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(jù)《民航航班正常統(tǒng)計辦法》[17]規(guī)定，航空企業(yè)需上報并記錄航班班次的相關(guān)時間點，與飛行時間有關(guān)的數(shù)據(jù)項如表5所示。

表5 飛行時間相關(guān)數(shù)據(jù)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(jīng)確定，同時滑行時間受季節(jié)影響。現(xiàn)根據(jù)相關(guān)機構(gòu)上報的飛行時間數(shù)據(jù)項，結(jié)合輪檔小時特征， 構(gòu)造一種基于航線飛行小時的估算核查方法：根據(jù)航線、機型、季度不同對數(shù)據(jù)進行分類處理，再根據(jù)每條航線的上報時間數(shù)據(jù)得到該航線的滑行段時間與空中飛行時間數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)特征確定空中飛行時間的置信區(qū)間，相加后通過飛行小時的油耗區(qū)間估計方法確定該航線、機型下的油耗置信區(qū)間，再乘以該航線上報周期內(nèi)該機型運行的總次數(shù)，得到總油耗估算區(qū)間，與上報的總?cè)加拖牧勘容^，如果上報數(shù)據(jù)落在估算模型的區(qū)間內(nèi)，則證明其上報油耗數(shù)據(jù)合理。可作為確保排放數(shù)據(jù)合理性和可靠性的依據(jù)，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(nèi)50余次A330客機北京至上海航線的歷史數(shù)據(jù)，根據(jù)流程圖分離滑行時間與空中飛行小時數(shù)據(jù)，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(jù)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(qū)間內(nèi)數(shù)據(jù)均值為航線滑行時間。空中飛行小時呈正態(tài)分布，結(jié)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(qū)間，再通過飛行小時的區(qū)間估計方法估算其油耗置信區(qū)間，實現(xiàn)對上報數(shù)據(jù)的核查。

表6 北京—上海航線統(tǒng)計時間參數(shù)

3 結(jié)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(qū)間估計方法。驗證其性能后提出了基于航線數(shù)據(jù)的改進碳核查方法，為碳核查機構(gòu)提供了一種可行有效的航空碳排放核算方法，確保上報數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)時間可能與航空公司報告輪檔小時有所偏差，在結(jié)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。