民机DOC与气体排放综合优化方法研究

宗茜茜，吴海桥，王 琳

(南京航空航天大学，民航学院，南京 211100)



民机DOC与气体排放综合优化方法研究

宗茜茜，吴海桥，王 琳

(南京航空航天大学，民航学院，南京 211100)

低环境污染和低直接运营成本成为飞机概念设计阶段的两个相互影响的重要因素.为了完善飞机设计，需要对这两个因素之间的关系进行分析，找出关键影响参数进行研究.通过运用层次分析法研究飞机排放与直接运营成本，得出各个参数对飞机排放与直接运营成本的影响权重值.采用模糊数学综合评判方法对不同的设计方案进行客观的评价，实现民机DOC与气体排放的最优化.

飞机排放；直接运营成本；优化方法；层次分析；模糊综合评价法

随着交通行业的发展，交通运输工具产生的废气污染成为了空气污染的重要来源之一[1].而汽车、船舶和飞机作排出的氮氧化物(NOx)和碳氢化合物(HC)都会引发光化学烟雾[2].随着全球商用航空运输的发展和人们日益增长的环境保护意识，民机排放的污染气体已经成为一个十分严重的问题.飞机发动机对环境的影响主要表现在高空飞行过程中的温室效应.近些年由于经济提高以及对通用航空的大力发展，民机数量成指数上升，致使飞机发动机排放物对机场附近地面大气、高空臭氧以及环境和人类健康的影响越来越受到人们的关注.而另一方面，欧盟在2012年1月1日提出了排污交易权，条约指出所有飞经欧盟机场的航空公司都要收取碳排放费用[2-3].如果碳排放量超过其规定所允许的，必须从其他航空公司或者国家购买贸易信贷.因此飞机排放不仅对环境造成危害，还直接导致了飞机DOC的上升.低环境影响已成为飞机概念设计阶段所需考虑的一个的新要求.

飞机概念设计阶段还需要考虑另一个重要因素——成本.从经济角度去考虑，所有机身/发动机制造商和航空公司会尝试努力降低成本，从而保持市场的竞争力.因此对飞机运营成本和环境危害两者的优化研究成为飞机概念设计阶段的一个重要问题[4].

调查发现，民机运营成本和排放物对环境危害的研究涉及多种因素，所需考虑的参数和条件非常复杂[5].此外，排放物对环境的危害大小也难以定义评估.因此，本文将引入相应的指标对此问题进行描述评估，建立DOC与气体排放的多目标优化模型，并通过层次结构分析法对DOC与气体排放最优解问题的各层影响因素进行分析，寻找民机DOC与气体排放的最优解.

1 飞机DOC与气体排放的优化分析

本文的研究目标是实现飞机设计阶段DOC与气体排放的最优化.下面以一架162名乘客的窄体飞机为例进行DOC与气体排放的优化分析.其构型、载荷、宽度和性能需求类似于波音787-800，并且采用ICAO数据库中引擎CFM56-7B27和引擎V2533-A5的排放数据用于飞机排放估算.

1.1 指标选取

为了对研究对象的综合性能进行描述与评估，通常都会引入一些指标量，例如效率可以作为能源转换设备的一个性能指标.又如国内生产总值、全员劳动生产率等指标可以用来判断宏观经济运行的好坏.由于一些研究对象自身的复杂化与数量化，通常会使用几个主要指标来体现目标.本文的研究对象中存在DOC与气体排放两个目标，所以需要对这两个目标建立相应的指标[6].

1.1.1 飞机直接运营成本(DOC)

民机的运营成本分为直接运营成本(DOC)和间接运营成本(IOC).由于大部分的IOC并不受飞机设计的影响，所以飞机概念设计阶段只考虑DOC.DOC一般包括机组成本，燃油滑油成本，机身发动机维修成本，机场费，保险，折旧成本等等.计算时所选参数如下：民机使用寿命为20 a，油价为5.0元/kg，飞机有效年利用率为3 600 h，贷款期限为10 a，飞机和备件的残值为5%.

由于不同型号的飞机的座位数和里程不同，研究选取每座每千米的DOC_PR这一指标来衡量飞机DOC的大小.通过减小DOC_PR，从而达到优化飞机DOC的目标.在一定范围内，找到DOC_PR最小值，即为飞机DOC的最优解.

(1)

1.1.2 气体排放

飞机发动机排放的气体有二氧化碳，氮氧化合物，氰化物和水等等.国际民航组织(ICAO)提供了涡扇发动机飞机的排放预测模型，通过排放参数(EI)来计算飞机排量，即每燃烧一千克的燃油排放的气体质量，单位为g/kg.不同气体所对应的EI值也不一样，可以通过公式(2)，可计算出每种气体总排量.

E=EI*Wfuel

(2)

不同种类的排气造成的温室效应影响是不同的.在飞机概念设计阶段需要一个指标参数来测量总的环境影响.京都议定书采纳了全球温室潜势(GWP)这个概念来将所有排放的气体折合成二氧化碳对环境造成的影响，不同气体的GWP不一样.CO2的GWP值为1，NOx和H2O的GWP值会随着高度的变化而变化.为了使计算结果更加精确，根据飞行高度的不同，将飞机从起飞到着陆整个飞行过程分成多个阶段，分别计算其排放.最后通过式(3)可以计算出在规定任务剖面内总的温室效应潜势.

(3)

由于不同型号的飞机的座位数和里程不同，选取每座每千米的温室效应潜势TGWP_PR这一指标来衡量飞机气体排放对环境的影响大小.通过减小TGWP_PR，从而达到优化飞机排放污染的目标.在一定范围内，找到TGWP_PR最小值，即为飞机排放污染的最优解.

(4)

1.2 层次分析法

层次分析法是一种半定量的方法.该方法根据问题的性质和要达到的总目标，通过分析复杂系统的有关要素及其相互关系，形成一个多层次的递阶层次结构模型.通过两两相互比较的方式，从而确定层次中诸因素的相对重要性.通过综合判断确定最底层(供决策的方案，措施等)相对于最高层(总目标)的重要性权重，得出备选方案的相对重要性的总排序[7].

通过众多历史统计数据的研究可以发现，飞机的构型、性能、气动性会对飞机的直接运营成本和气体排放造成影响.进一步分析，在飞机概念设计阶段，飞机的构型与气动性设计所涉及的机翼面积、展弦比、根梢比、后掠角角度、机翼相对厚度这5个变量会对飞机排放和直接运营成本(DOC)产生较大的影响；而在飞机的性能参数中，巡航高度与巡航速度这2个变量会对飞机DOC和排放造成影响.

1.2.1 气体排放污染的层次性分析

1)画出层次结构模型

见图1.

2)利用AHP法确定影响系数(权重)

将各子层因素对上一层因素的重要程度进行成对比较，得出比较矩阵(又称判断矩阵)[7]. 见表1.

表1 气体排放污染影响因素的比较矩阵

A1-BB1B2B3B1131/3B2311/5B3351B1-CC1C2C3C4C5C113537C21/31335C31/51/311/33C41/31/3313C51/71/51/31/31B2-CC1C2C3C4C5C111557C211335C31/51/3113C41/51/3113C51/71/51/31/31B3-CC6C7C611/3C731

3)一致性判别

通过Matalb仿真，计算出矩阵A1、B1、B2的一致性指标如下：

CRA1=0.037 0；CRB1=0.056 8；CRB2=0.096 9(B3为2阶矩阵不进行一致性验证).由于均小于0.1，故3个判断矩阵的一致性均可以接受.

4)影响系数(权重)的确定

见表2.

表2 各变量对气体排放污染的影响权重

因素及权重B1B2B30.25830.10470.637层次C总排序权重(相对A层)C10.46630.50600.1734C20.25360.261700.0929C30.08590.081100.0307C40.14760.118500.0505C50.04670.032700.0155C6000.250.1593C7000.750.4778

由表可知，在机翼面积、展弦比、根梢比、后掠角角度、机翼相对厚度、巡航速度与巡航高度这7个变量中，巡航高度、巡航速度以及机翼面积对飞机气体排放污染大小的影响最大.

1.2.2 飞机DOC的层次性分析

重复上述流程对飞机DOC进行分析，先画出层次结构模型，然后构建比较矩阵进行一致性判别，最后同样得出展弦比、根梢比、后掠角角度、机翼相对厚度、巡航速度与巡航高度这6个变量对飞机DOC的权重系数.

表3 各变量对飞机DOC的影响权重

因素及权重B1B2B30.16340.2970.5396层次C总排序权重(相对A层)C10.51270.520500.2384C20.15040.20100.0843C30.26050.20100.1023C40.07640.077600.0355C5000.250.1349C6000.750.4047

由表可知，在展弦比、根梢比、后掠角角度、机翼相对厚度、巡航速度与巡航高度这6个变量中，巡航高度、巡航速度以及机翼展弦比对飞机直接运营成本大小的影响最大.

1.2.3 小 结

根据层次分析法可知巡航高度、巡航速度对飞机的DOC和TWGP都有着至关重要的影响.因此通过对巡航高度和巡航速度加以调节来优化飞机DOC和TWGP.但是，对ICAO数据库中的100组数据的调查后发现，这两个变量对DOC和TWGP的影响趋势是相反的.当其他条件不变时，巡航高度、巡航速度取最大值时，飞机DOC_PR即可取得最小值，即最优解，而TWGP_PR却取得了最大值，即最差解.同样地，机翼面积、展弦比、根梢比、后掠角角度、机翼相对厚度这5个参数对DOC和TWGP的影响趋势也各有不同，表4展示了各变量对优化TGWP或DOC的影响的正负性.“+”表示该变量越大对目标优化越有利，“-”则相反.

表4 因素影响表

TGWPDOC机翼面积+展弦比+-根梢比-+后掠角角度+-机翼相对厚度+巡航速度-+初始巡航高度-+

在给定数值界限内对巡航高度、巡航速度、机翼面积、展弦比、根梢比、后掠角角度、机翼相对厚度这七个变量分别取最优值和最差值，可以得到DOC_PR为最小0.172，最大为0.245；TGWP_PR最小为0.083，最大为0.092.可以看出无法同时获取最小DOC_PR和TGWP_PR，因此需要在两者之间有所折衷，于是选择采用模糊综合评价法进行处理.

2 模糊综合评价法选取最优方案

模糊综合评价法是一种基于模糊数学的综合评标方法.该综合评价法根据模糊数学的隶属度理论把定性评价转化为定量评价，即用模糊数学对受到多种因素制约的事物或对象做出一个总体的评价.它具有结果清晰，系统性强的特点，能较好地解决模糊的、难以量化的问题，适合各种非确定性问题的解决[8].

2.1 问题描述

由于不同航空公司或制造商对飞机DOC和气体排放的权衡有所不同，假设要求权重比DOC:TGWP=A:B，(A+B=1).由上述最优解里得到的DOC_PRD的最大值为0.245，最小值为0.172，将其分为ABC三个档次，计分为3，2，1；同理将TGWP也分为三个档次.总分按照公式(DOC_PR*A+TGWP_PR*B)计算，总分最大的即为最优方案.分配见表5.

表5 计分表

TGWP_PR值类别计分DOC_PR值类别计分0.083～0.086A30.172～0.197A30.086～0.089B20.197～0.222B20.089～0.092C10.222～0.245C1

2.2 实例分析

假设有三个设计方案见表6.

表6 方案表

参数方案1方案2方案3机翼面积/m2115110125展弦比8.09.09.5根梢比0.160.140.16后掠角角度/°272624机翼相对厚度0.1640.190.3巡航速度/Ma0.7880.710.72初始巡航高度/km1100090009500

通过计算，可以得出：方案1的DOC_PR为0.199 8，TGWP_PR为0.089 2；方案2的DOC_PR为0.223 2，TGWP_PR为0.085；方案3的DOC_PR为0.210 0，TGWP_PR为0.083 9.

首先对三个方案的DOC_PR进行评价，结果为：{2，1，2}.然后对三个方案的TGWP_PR进行评价，结果为：{1，3，3}.把它们合并成一个矩阵：

如果有一个制造商对飞机直接运营成本的要求较高，对气体排放的要求较次，假设这两方面的权系数：A=[0.6 0.4]

把它作归一化处理，因1.6+1.8+2.4=5.8

用5.8除B各项，得[0.28 0.31 0.41]，即对这三种方案得出评价，第三种方案的评价值为0.41最高，由此可知第三种方案为最优方案.

[1] 吴寿生. 飞机发动机排气污染控制[J]. 国际航空, 1994(9): 51-53.

[2] 张彦仲. 航空环境工程与科学[J]. 中国工程科学, 2001(7): 1-6.

[3] VOLDERS M, SLINGERLAND R. Environmental harm minimizationduring cruise for preliminary long-range aircraft design[C]//Colorado: AIAA’s 3rd aviation technology, integration and operations (ATIO) tech, 2003.

[4] 夏 卿, 左洪福, 杨军利. 中国民航机场飞机起飞着陆(LTO)循环排放量估算[J]. 环境科学学报, 2008, 28(7): 1470-1474.

[5] SCHWARTZ E, KROO M I. Aircarft design: trading cost and climate impact[C]//Florida: 47th aerospace science meeting and exhibit, 2009.

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[8] 杨为民, 阮 镰, 屠庆慈.可靠性系统工程_理论与实践[J]. 航空学报, 1995, 16(S1): 1-8.

Research on comprehensive optimization of civil aircraft DOC and gas emissions

ZONG Xi-xi, WU Hai-qiao, WANG Lin

(School of Civil Aviation, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China)

Low environmental pollution and low direct operating costs become the two important factors in the aircraft conceptual design phase. In order to improve the aircraft design, it is necessary to analyze the relationship between these two factors, finding out the key parameters. Using analytic hierarchy process (AHP), this paper focused on aircraft emissions and direct operating costs to calculate the weight value of various parameters on the aircraft emissions and direct operating costs. Based on the fuzzy mathematics comprehensive evaluation method, made objective evaluation of different design schemes, the optimization of DOC and gas emissions could finally be achieved.

aircraft emissions; direct operating cost; optimization method; analytic hierarchy; the fuzzy comprehensive evaluation method

2016-01-13.

民航科技项目(MHRD201210)

宗茜茜(1992-)，女，硕士，研究方向：交通运输.

U8

A

1672-0946(2016)06-0752-04