宗茜茜，吳海橋，王 琳

(南京航空航天大學(xué)，民航學(xué)院，南京 211100)

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民機(jī)DOC與氣體排放綜合優(yōu)化方法研究

宗茜茜，吳海橋，王 琳

(南京航空航天大學(xué)，民航學(xué)院，南京 211100)

低環(huán)境污染和低直接運(yùn)營成本成為飛機(jī)概念設(shè)計(jì)階段的兩個(gè)相互影響的重要因素.為了完善飛機(jī)設(shè)計(jì)，需要對這兩個(gè)因素之間的關(guān)系進(jìn)行分析，找出關(guān)鍵影響參數(shù)進(jìn)行研究.通過運(yùn)用層次分析法研究飛機(jī)排放與直接運(yùn)營成本，得出各個(gè)參數(shù)對飛機(jī)排放與直接運(yùn)營成本的影響權(quán)重值.采用模糊數(shù)學(xué)綜合評判方法對不同的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行客觀的評價(jià)，實(shí)現(xiàn)民機(jī)DOC與氣體排放的最優(yōu)化.

飛機(jī)排放；直接運(yùn)營成本；優(yōu)化方法；層次分析；模糊綜合評價(jià)法

隨著交通行業(yè)的發(fā)展，交通運(yùn)輸工具產(chǎn)生的廢氣污染成為了空氣污染的重要來源之一[1].而汽車、船舶和飛機(jī)作排出的氮氧化物(NOx)和碳?xì)浠衔?HC)都會(huì)引發(fā)光化學(xué)煙霧[2].隨著全球商用航空運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展和人們?nèi)找嬖鲩L的環(huán)境保護(hù)意識(shí)，民機(jī)排放的污染氣體已經(jīng)成為一個(gè)十分嚴(yán)重的問題.飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)對環(huán)境的影響主要表現(xiàn)在高空飛行過程中的溫室效應(yīng).近些年由于經(jīng)濟(jì)提高以及對通用航空的大力發(fā)展，民機(jī)數(shù)量成指數(shù)上升，致使飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)排放物對機(jī)場附近地面大氣、高空臭氧以及環(huán)境和人類健康的影響越來越受到人們的關(guān)注.而另一方面，歐盟在2012年1月1日提出了排污交易權(quán)，條約指出所有飛經(jīng)歐盟機(jī)場的航空公司都要收取碳排放費(fèi)用[2-3].如果碳排放量超過其規(guī)定所允許的，必須從其他航空公司或者國家購買貿(mào)易信貸.因此飛機(jī)排放不僅對環(huán)境造成危害，還直接導(dǎo)致了飛機(jī)DOC的上升.低環(huán)境影響已成為飛機(jī)概念設(shè)計(jì)階段所需考慮的一個(gè)的新要求.

飛機(jī)概念設(shè)計(jì)階段還需要考慮另一個(gè)重要因素——成本.從經(jīng)濟(jì)角度去考慮，所有機(jī)身/發(fā)動(dòng)機(jī)制造商和航空公司會(huì)嘗試努力降低成本，從而保持市場的競爭力.因此對飛機(jī)運(yùn)營成本和環(huán)境危害兩者的優(yōu)化研究成為飛機(jī)概念設(shè)計(jì)階段的一個(gè)重要問題[4].

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，民機(jī)運(yùn)營成本和排放物對環(huán)境危害的研究涉及多種因素，所需考慮的參數(shù)和條件非常復(fù)雜[5].此外，排放物對環(huán)境的危害大小也難以定義評估.因此，本文將引入相應(yīng)的指標(biāo)對此問題進(jìn)行描述評估，建立DOC與氣體排放的多目標(biāo)優(yōu)化模型，并通過層次結(jié)構(gòu)分析法對DOC與氣體排放最優(yōu)解問題的各層影響因素進(jìn)行分析，尋找民機(jī)DOC與氣體排放的最優(yōu)解.

1 飛機(jī)DOC與氣體排放的優(yōu)化分析

本文的研究目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)飛機(jī)設(shè)計(jì)階段DOC與氣體排放的最優(yōu)化.下面以一架162名乘客的窄體飛機(jī)為例進(jìn)行DOC與氣體排放的優(yōu)化分析.其構(gòu)型、載荷、寬度和性能需求類似于波音787-800，并且采用ICAO數(shù)據(jù)庫中引擎CFM56-7B27和引擎V2533-A5的排放數(shù)據(jù)用于飛機(jī)排放估算.

1.1 指標(biāo)選取

為了對研究對象的綜合性能進(jìn)行描述與評估，通常都會(huì)引入一些指標(biāo)量，例如效率可以作為能源轉(zhuǎn)換設(shè)備的一個(gè)性能指標(biāo).又如國內(nèi)生產(chǎn)總值、全員勞動(dòng)生產(chǎn)率等指標(biāo)可以用來判斷宏觀經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的好壞.由于一些研究對象自身的復(fù)雜化與數(shù)量化，通常會(huì)使用幾個(gè)主要指標(biāo)來體現(xiàn)目標(biāo).本文的研究對象中存在DOC與氣體排放兩個(gè)目標(biāo)，所以需要對這兩個(gè)目標(biāo)建立相應(yīng)的指標(biāo)[6].

1.1.1 飛機(jī)直接運(yùn)營成本(DOC)

民機(jī)的運(yùn)營成本分為直接運(yùn)營成本(DOC)和間接運(yùn)營成本(IOC).由于大部分的IOC并不受飛機(jī)設(shè)計(jì)的影響，所以飛機(jī)概念設(shè)計(jì)階段只考慮DOC.DOC一般包括機(jī)組成本，燃油滑油成本，機(jī)身發(fā)動(dòng)機(jī)維修成本，機(jī)場費(fèi)，保險(xiǎn)，折舊成本等等.計(jì)算時(shí)所選參數(shù)如下：民機(jī)使用壽命為20 a，油價(jià)為5.0元/kg，飛機(jī)有效年利用率為3 600 h，貸款期限為10 a，飛機(jī)和備件的殘值為5%.

由于不同型號的飛機(jī)的座位數(shù)和里程不同，研究選取每座每千米的DOC_PR這一指標(biāo)來衡量飛機(jī)DOC的大小.通過減小DOC_PR，從而達(dá)到優(yōu)化飛機(jī)DOC的目標(biāo).在一定范圍內(nèi)，找到DOC_PR最小值，即為飛機(jī)DOC的最優(yōu)解.

(1)

1.1.2 氣體排放

飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)排放的氣體有二氧化碳，氮氧化合物，氰化物和水等等.國際民航組織(ICAO)提供了渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)飛機(jī)的排放預(yù)測模型，通過排放參數(shù)(EI)來計(jì)算飛機(jī)排量，即每燃燒一千克的燃油排放的氣體質(zhì)量，單位為g/kg.不同氣體所對應(yīng)的EI值也不一樣，可以通過公式(2)，可計(jì)算出每種氣體總排量.

E=EI*Wfuel

(2)

不同種類的排氣造成的溫室效應(yīng)影響是不同的.在飛機(jī)概念設(shè)計(jì)階段需要一個(gè)指標(biāo)參數(shù)來測量總的環(huán)境影響.京都議定書采納了全球溫室潛勢(GWP)這個(gè)概念來將所有排放的氣體折合成二氧化碳對環(huán)境造成的影響，不同氣體的GWP不一樣.CO2的GWP值為1，NOx和H2O的GWP值會(huì)隨著高度的變化而變化.為了使計(jì)算結(jié)果更加精確，根據(jù)飛行高度的不同，將飛機(jī)從起飛到著陸整個(gè)飛行過程分成多個(gè)階段，分別計(jì)算其排放.最后通過式(3)可以計(jì)算出在規(guī)定任務(wù)剖面內(nèi)總的溫室效應(yīng)潛勢.

(3)

由于不同型號的飛機(jī)的座位數(shù)和里程不同，選取每座每千米的溫室效應(yīng)潛勢TGWP_PR這一指標(biāo)來衡量飛機(jī)氣體排放對環(huán)境的影響大小.通過減小TGWP_PR，從而達(dá)到優(yōu)化飛機(jī)排放污染的目標(biāo).在一定范圍內(nèi)，找到TGWP_PR最小值，即為飛機(jī)排放污染的最優(yōu)解.

(4)

1.2 層次分析法

層次分析法是一種半定量的方法.該方法根據(jù)問題的性質(zhì)和要達(dá)到的總目標(biāo)，通過分析復(fù)雜系統(tǒng)的有關(guān)要素及其相互關(guān)系，形成一個(gè)多層次的遞階層次結(jié)構(gòu)模型.通過兩兩相互比較的方式，從而確定層次中諸因素的相對重要性.通過綜合判斷確定最底層(供決策的方案，措施等)相對于最高層(總目標(biāo))的重要性權(quán)重，得出備選方案的相對重要性的總排序[7].

通過眾多歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的研究可以發(fā)現(xiàn)，飛機(jī)的構(gòu)型、性能、氣動(dòng)性會(huì)對飛機(jī)的直接運(yùn)營成本和氣體排放造成影響.進(jìn)一步分析，在飛機(jī)概念設(shè)計(jì)階段，飛機(jī)的構(gòu)型與氣動(dòng)性設(shè)計(jì)所涉及的機(jī)翼面積、展弦比、根梢比、后掠角角度、機(jī)翼相對厚度這5個(gè)變量會(huì)對飛機(jī)排放和直接運(yùn)營成本(DOC)產(chǎn)生較大的影響；而在飛機(jī)的性能參數(shù)中，巡航高度與巡航速度這2個(gè)變量會(huì)對飛機(jī)DOC和排放造成影響.

1.2.1 氣體排放污染的層次性分析

1)畫出層次結(jié)構(gòu)模型

見圖1.

2)利用AHP法確定影響系數(shù)(權(quán)重)

將各子層因素對上一層因素的重要程度進(jìn)行成對比較，得出比較矩陣(又稱判斷矩陣)[7]. 見表1.

表1 氣體排放污染影響因素的比較矩陣

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)一致性判別

通過Matalb仿真，計(jì)算出矩陣A1、B1、B2的一致性指標(biāo)如下：

CRA1=0.037 0；CRB1=0.056 8；CRB2=0.096 9(B3為2階矩陣不進(jìn)行一致性驗(yàn)證).由于均小于0.1，故3個(gè)判斷矩陣的一致性均可以接受.

4)影響系數(shù)(權(quán)重)的確定

見表2.

表2 各變量對氣體排放污染的影響權(quán)重

因素及權(quán)重B1B2B30.25830.10470.637層次C總排序權(quán)重(相對A層)C10.46630.50600.1734C20.25360.261700.0929C30.08590.081100.0307C40.14760.118500.0505C50.04670.032700.0155C6000.250.1593C7000.750.4778

由表可知，在機(jī)翼面積、展弦比、根梢比、后掠角角度、機(jī)翼相對厚度、巡航速度與巡航高度這7個(gè)變量中，巡航高度、巡航速度以及機(jī)翼面積對飛機(jī)氣體排放污染大小的影響最大.

1.2.2 飛機(jī)DOC的層次性分析

重復(fù)上述流程對飛機(jī)DOC進(jìn)行分析，先畫出層次結(jié)構(gòu)模型，然后構(gòu)建比較矩陣進(jìn)行一致性判別，最后同樣得出展弦比、根梢比、后掠角角度、機(jī)翼相對厚度、巡航速度與巡航高度這6個(gè)變量對飛機(jī)DOC的權(quán)重系數(shù).

表3 各變量對飛機(jī)DOC的影響權(quán)重

因素及權(quán)重B1B2B30.16340.2970.5396層次C總排序權(quán)重(相對A層)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、機(jī)翼相對厚度、巡航速度與巡航高度這6個(gè)變量中，巡航高度、巡航速度以及機(jī)翼展弦比對飛機(jī)直接運(yùn)營成本大小的影響最大.

1.2.3 小 結(jié)

根據(jù)層次分析法可知巡航高度、巡航速度對飛機(jī)的DOC和TWGP都有著至關(guān)重要的影響.因此通過對巡航高度和巡航速度加以調(diào)節(jié)來優(yōu)化飛機(jī)DOC和TWGP.但是，對ICAO數(shù)據(jù)庫中的100組數(shù)據(jù)的調(diào)查后發(fā)現(xiàn)，這兩個(gè)變量對DOC和TWGP的影響趨勢是相反的.當(dāng)其他條件不變時(shí)，巡航高度、巡航速度取最大值時(shí)，飛機(jī)DOC_PR即可取得最小值，即最優(yōu)解，而TWGP_PR卻取得了最大值，即最差解.同樣地，機(jī)翼面積、展弦比、根梢比、后掠角角度、機(jī)翼相對厚度這5個(gè)參數(shù)對DOC和TWGP的影響趨勢也各有不同，表4展示了各變量對優(yōu)化TGWP或DOC的影響的正負(fù)性.“+”表示該變量越大對目標(biāo)優(yōu)化越有利，“-”則相反.

表4 因素影響表

TGWPDOC機(jī)翼面積+展弦比+-根梢比-+后掠角角度+-機(jī)翼相對厚度+巡航速度-+初始巡航高度-+

在給定數(shù)值界限內(nèi)對巡航高度、巡航速度、機(jī)翼面積、展弦比、根梢比、后掠角角度、機(jī)翼相對厚度這七個(gè)變量分別取最優(yōu)值和最差值，可以得到DOC_PR為最小0.172，最大為0.245；TGWP_PR最小為0.083，最大為0.092.可以看出無法同時(shí)獲取最小DOC_PR和TGWP_PR，因此需要在兩者之間有所折衷，于是選擇采用模糊綜合評價(jià)法進(jìn)行處理.

2 模糊綜合評價(jià)法選取最優(yōu)方案

模糊綜合評價(jià)法是一種基于模糊數(shù)學(xué)的綜合評標(biāo)方法.該綜合評價(jià)法根據(jù)模糊數(shù)學(xué)的隸屬度理論把定性評價(jià)轉(zhuǎn)化為定量評價(jià)，即用模糊數(shù)學(xué)對受到多種因素制約的事物或?qū)ο笞龀鲆粋€(gè)總體的評價(jià).它具有結(jié)果清晰，系統(tǒng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，能較好地解決模糊的、難以量化的問題，適合各種非確定性問題的解決[8].

2.1 問題描述

由于不同航空公司或制造商對飛機(jī)DOC和氣體排放的權(quán)衡有所不同，假設(shè)要求權(quán)重比DOC:TGWP=A:B，(A+B=1).由上述最優(yōu)解里得到的DOC_PRD的最大值為0.245，最小值為0.172，將其分為ABC三個(gè)檔次，計(jì)分為3，2，1；同理將TGWP也分為三個(gè)檔次.總分按照公式(DOC_PR*A+TGWP_PR*B)計(jì)算，總分最大的即為最優(yōu)方案.分配見表5.

表5 計(jì)分表

TGWP_PR值類別計(jì)分DOC_PR值類別計(jì)分0.083～0.086A30.172～0.197A30.086～0.089B20.197～0.222B20.089～0.092C10.222～0.245C1

2.2 實(shí)例分析

假設(shè)有三個(gè)設(shè)計(jì)方案見表6.

表6 方案表

參數(shù)方案1方案2方案3機(jī)翼面積/m2115110125展弦比8.09.09.5根梢比0.160.140.16后掠角角度/°272624機(jī)翼相對厚度0.1640.190.3巡航速度/Ma0.7880.710.72初始巡航高度/km1100090009500

通過計(jì)算，可以得出：方案1的DOC_PR為0.199 8，TGWP_PR為0.089 2；方案2的DOC_PR為0.223 2，TGWP_PR為0.085；方案3的DOC_PR為0.210 0，TGWP_PR為0.083 9.

首先對三個(gè)方案的DOC_PR進(jìn)行評價(jià)，結(jié)果為：{2，1，2}.然后對三個(gè)方案的TGWP_PR進(jìn)行評價(jià)，結(jié)果為：{1，3，3}.把它們合并成一個(gè)矩陣：

如果有一個(gè)制造商對飛機(jī)直接運(yùn)營成本的要求較高，對氣體排放的要求較次，假設(shè)這兩方面的權(quán)系數(shù)：A=[0.6 0.4]

把它作歸一化處理，因1.6+1.8+2.4=5.8

用5.8除B各項(xiàng)，得[0.28 0.31 0.41]，即對這三種方案得出評價(jià)，第三種方案的評價(jià)值為0.41最高，由此可知第三種方案為最優(yōu)方案.

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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.

民航科技項(xiàng)目(MHRD201210)

宗茜茜(1992-)，女，碩士，研究方向：交通運(yùn)輸.

U8

A

1672-0946(2016)06-0752-04