基于飞行小时的航空碳核查方法

姚若霖， 刘家学

(中国民航大学电子信息与自动化学院， 天津 300300)

近年来，航空运输业持续发展，节能减排的市场机制已为世人认可，中国航空运输业进入碳交易市场已成定势，作为碳交易中的技术性环节，碳核查的重要性日益凸显。碳核查的工作内容是采用规范的温室气体排放监测手段及报告与核查制度，以确保温室气体排放数据的可靠性和可信度[1]。碳核查主要是数据方法的核查，通过对数据进行详细测试来核查运营商或航空运营商报告中的数据[2]。航空公司以一定周期上报油耗量与航线运行次数、机型、飞行小时等相关数据，通过数据源交叉检查或检查相应数据的阈值，核查上报周期内数据合理性。

飞机作为一种复杂的移动排放源，直接精确检测排放数据难以实现，因此使用碳排放计算器作为一种代替工具[3]，国际民航组织环保委员会(Committee on Aviation Environmental Protection，CEAP)为碳交易计算推出了航空器CO2排放量估算与报告工具[4]，是一种在机型条件下标准航段距离或轮档小时的油耗线性估计基础上的折标系数法,英国环境、食品和乡村事务部(Department for Environment, Food and Rural Affairs，DEFRA)开发了碳排放计算器[5]，并发布了一系列的针对短途、中途和长途航程的二氧化碳排放因子用于估计不同航程航班的碳排放量。中国民航业与上述方法中使用的航空数据样本存在差异，国际民用航空组织(International Civil Aviation Organization，ICAO)使用的油耗数据来自世界各地，表现出范围广、密集性强的分布特征，同时具有一定的时效性，适用性有限。

政府间气候变化专门委员会(Intergovern-mental Panel on Climate Change，IPCC)针对航空碳排放核查提出了3种清单方法[6]，其中一种考虑了飞机的飞行阶段特征，分为着陆/起飞(landing and take-off，LTO)和巡航(cruise)阶段。清单将地面滑行、起飞、爬升、下降和滑入统称为LTO阶段，以3 000 ft(914 m)的飞行高度作为LTO阶段与巡航阶段区分的标志。清单中列出了国际上常用机型LTO阶段的排放因子与各个阶段的飞行小时，根据清单中赋予的定值以及上报周期内的LTO次数确定其总排放量。但清单没有提供巡航阶段的排放因子与巡航时间的计算方法。IPCC清单法对LTO与巡航阶段的划分比较直接，LTO内各阶段飞行小时均赋予定值，但巡航阶段的排放计算方法不明确，只能通过总油耗量估算。如果能细化各阶段飞行小时数据，分析其特征，则能进一步提高估算准确性。

为此，提出一种基于飞行小时的碳核查方法，通过统计分析各个飞行阶段的飞行小时分布特征，再通过飞机性能与数据库得到其单位时间油耗，构建飞行小时的油耗估计模型，结合性能分析结果与航空碳核查时间周期特征，构建基于航线的碳核查方法。

1 基于飞行小时的航段油耗估计

1.1 轮档小时的组成

轮档小时又称飞行小时，《民航综合统计计划制度表》定义为从飞机开始滑行前撤除轮档至飞机降落后安放轮档的全部时间，地面滑行时间包括飞机滑出滑入时间，以飞机进入与离开巡航高度层为标志，空中飞行时间分为爬升、巡航以及下降时间(图1)。

图1 轮档小时的组成

1.2 不同飞行阶段的飞行小时分布特征

选取A330在北京到上海航线的80余条与北京到广州50余条航班记录的机载快速存储记录器(quick access recorder，QAR)数据，QAR数据记录的飞机飞行参数作为飞行阶段的划分依据，统计A330各个阶段的飞行小时，其直方图如图2所示。

图2 A330北京—上海航线飞行阶段时间直方图

其中各个阶段数据的统计特征参数如表1所示。

(1)滑行阶段包括离场和进场过程。离场过程飞机通过停机坪、滑行道到达指定跑道，进场过程反之，整个进离场的交通过程都在空中交通管制员的控制之下。如表1所示，两航线均为北京首都国际机场出发，滑行时间十分接近。

表1 统计特征参数

(2)爬升阶段为飞机离开地面后上升到巡航高度的过程，爬升阶段飞机采用固定的推力等级设置，固定机型的发动机推力是确定的，由表1可知，A330作为固定机型的爬升时间十分相近。

(3)下降阶段是飞机从巡航高度以重力漂降等方式逐渐接近降落机场的过程，下降过程可能受进场排队序列流量控制的影响，如表1所示，即使同机型、同机场下降时间也会有所不同。

(4)巡航阶段飞机在平流层保持高度不变，平稳按航线飞行到达目的地，为航班飞行过程的主要阶段，对于同一航线而言，则其巡航时间相对稳定。对于不同航线的飞行小时，现以巡航时间与总飞行小时为样本做回归分析。

由图3可知，飞机的巡航时间tcr和飞行小时T有明显的线性关系，设k为回归方程斜率，b为截距，则一元线性回归方程如式(1)。

图3 A330巡航时间与飞行小时的关系

tcr=kT+b+e

(1)

式(1)中：e为误差项。

拟合参数如表2所示，式(1)中拟合平方相关系数R2=0.981。

表2 拟合参数

巡航时间与总飞行小时密切相关，随着飞行小时增加，巡航时间逐渐增大，且比值趋近于1，可见巡航阶段时间随着总飞行小时同步增加，而其他飞行阶段在不同航线下时间长度趋于定值。

1.3 各飞行阶段的单位飞行小时油耗

1.3.1 起降阶段耗油量

起降阶段包括飞机航段的地面滑行、爬升和下降进近阶段。对于某一特定机型的飞机，它所装置的发动机在某一飞行阶段的推力是相对固定的。根据ICAO设定标准[7]，发动机在起降阶段发动机使用固定的工作状态与推力设置，通过查询国际民航组织飞机发动机排放数据库(ICAO aircraft engine emissions databank)提供的机型发动机燃油流量参数[8]。结合飞机与发动机匹配资料，即可确定不同型号飞机在起降阶段的具体单位时间燃油流量数据。部分常见主力机型信息如表3所示。

表3 燃油流量参数

1.3.2 巡航阶段耗油量估计

BADA(base of aircraft data)数据库是欧洲航行安全组织提出的一种航空器性能模型库，主要应用于飞行仿真、航迹预测、排放评估及油耗计算等方面[9]。依据BADA，涡轮喷气式发动机航空器单位时间内燃油消耗量为

(2)

式(2)中：燃油消耗系数Cf可通过查询BADA数据库中的.OFP文件获得；根据机型巡航速度v与BADA数据库中对应的机型参数信息即可确定其巡航阶段的单位时间油耗。当一架飞机允许在最优燃油性能时的巡航速度下飞行，虽然可能比在飞机理论巡航速度时飞行节省燃油，但是会增加飞机总的飞行时间，降低了飞机性能[10]。从核查角度采用理论巡航速度作为标准，理论巡航速度是一定条件下，最大燃油里程对应的速度，即为最大航程速度(maximum range cruise, MRC)。但因该速度接近飞机的反常操作区，所以实际飞行通常采用最大燃油里程的99%所对应的速度，即为远程巡航速度(long range cruise, LRC)其计算公式为[11]

(3)

式(3)中：MaL为LRC巡航速度；CLL为远程巡航速度对应的升力系数；CD0为零升阻力系数；k1为飞机气动常数，与机型有关；m为飞机质量；标准大气压P0=760 mmHg；k=1.4为空气绝热系数；δ为飞行高度大气压强与标准海平面压强之比。LRC巡航速度只与mg/δ有关。

1.4 飞行小时的油耗区间估计

每个飞行阶段的燃料消耗量E由燃料流量ffs(单位：kg/s)和飞行阶段内花费的时间dts(单位：s)相乘确定，随后通过将所有航段的相应燃料和排放值相加来计算，可表示为

(4)

式(4)中：E为航段燃油消耗量；t为飞行阶段总飞行时间；sgr、scl、sde、scr分别是航段地面滑行、爬升、下降、巡航阶段的飞行时间，其轮档小时置信区间可由1.2得出；燃料流量ffs由1.3中的数据库和性能参数决定。

根据飞行时间对50个A330航班数据进行油耗区间估计，如图4所示。

图4 飞行小时油耗区间估计

由图4可见，轮档小时与空中飞行小时的估计区间都有较好的效果，不过轮档小时估计中有部分样本油耗在同时间下明显低于估计区间，经统计区间外样本的地面滑行时间长度明显异常。

2 基于航线的碳核查方法

地面滑行时间受起降机场拥堵情况影响，严重时会产生过长的滑行时间，对估计效果产生影响。同时不同季节旅客需求的不同对机场繁忙程度也会产生影响，根据地面滑行时间的特征，需要一种改进的估计方法。

2.1 地面滑行时间阈值

行程时间可靠性为衡量不同交通条件下在一个指定的时间段内完成一次出行的概率，用来描述行程在网络波动、不确定性状态下的抗干扰能力[12]。则滑行时间的可靠性是指飞机在可接受时间内完成滑行阶段的概率(图5)。

T为可接受的滑跑时间

评估路段和路径行程时间可靠性时会给定一个可接受的阈值，如果超出这个阈值，行程时间就被认为是不可靠的，第95百分位行程时间常被用作阈值，它适用于任何运输方式和网络规模，可以被认为是通用指标[13]，以此消除过长滑行时间对核查的影响。

而对于过短的滑行时间，采用FAA定义的畅通滑行时间作为阈值，它指在不受机场地面拥挤、天气等可能影响飞机滑行时间因素的干扰下，一架飞机的滑行时间[14]。FAA 的 ASPM(aviation system performance matrix)数据库[15]统计了采用线性回归模型建立地面起飞排队飞机数、落地滑入飞机数同滑行时间关系的回归模型，此时回归模型的常数项即为畅通滑行时间。

2.2 飞行小时的季节特征

飞行小时受季节影响，繁忙的季节轮档小时更长，机场的交通会更繁忙，空中飞行小时在一个较长的时间段内通常不会有太大变化，而地面滑行时间会随着淡旺季带来的客流量与航班次数变化而有所不同[16]。统计A330机型2013年每月80次航班数据，其淡季与旺季的平均地面滑行时间如表4所示。

表4 月度平均地面滑行时间

冬季为国内民航淡季，夏季为旺季，由表4可知旺季机场更加繁忙，地面滑行时间明显增加。核查估计时需要考虑季节对飞行小时的影响。

2.3 基于航线飞行小时的碳核查方法

根据《民航航班正常统计办法》[17]规定，航空企业需上报并记录航班班次的相关时间点，与飞行时间有关的数据项如表5所示。

表5 飞行时间相关数据项

中国标准航段运行时间分为飞机滑行时间与空中飞行小时，对于特定航线来说，其起降机场滑行时间阈值已经确定，同时滑行时间受季节影响。现根据相关机构上报的飞行时间数据项，结合轮档小时特征， 构造一种基于航线飞行小时的估算核查方法：根据航线、机型、季度不同对数据进行分类处理，再根据每条航线的上报时间数据得到该航线的滑行段时间与空中飞行时间数据，采用行程时间可靠性与FAA畅通滑行时间得到滑行阶段时间阈值，由数据特征确定空中飞行时间的置信区间，相加后通过飞行小时的油耗区间估计方法确定该航线、机型下的油耗置信区间，再乘以该航线上报周期内该机型运行的总次数，得到总油耗估算区间，与上报的总燃油消耗量比较，如果上报数据落在估算模型的区间内，则证明其上报油耗数据合理。可作为确保排放数据合理性和可靠性的依据，从而完成碳核查的核算过程(图6)。

图6 航线时间碳核查方法流程图

2.4 算例分析

选取1、7月内50余次A330客机北京至上海航线的历史数据，根据流程图分离滑行时间与空中飞行小时数据，其直方图如图7所示。

图7 A330北京—上海航线1、7月飞行时间直方图

如表6所示，根据滑行时间可靠性定义，1月北京至上海航线95%分位点为28.68 min，7月为57.21 min，首都国际机场的FAA畅通地面滑行时间为16.84 min，取区间内数据均值为航线滑行时间。空中飞行小时呈正态分布，结合以得到修正后1、7月北京—上海航线A330的轮档小时置信区间，再通过飞行小时的区间估计方法估算其油耗置信区间，实现对上报数据的核查。

表6 北京—上海航线统计时间参数

3 结论

(1)提出了一种基于航段飞行小时分段分析的油耗估计方法，通过研究各个飞行阶段的时间分布与油耗特征，最终得到不同飞行小时下对应的碳排放量区间估计方法。验证其性能后提出了基于航线数据的改进碳核查方法，为碳核查机构提供了一种可行有效的航空碳排放核算方法，确保上报数据合理性，同时也能为航空公司评估自身能源效率提供借鉴。

(2)由于没有飞机撤除/安装轮档的准确报告时间，所以使用的QAR数据时间可能与航空公司报告轮档小时有所偏差，在结果分析中可能有些许误差，需要在有准确轮档小时情况下进一步研究。