航路飞行路径优化问题研究

发布时间：2020-10-29 12:55

　　 近年来空中运输的快速增长促进了国家的经济发展,然而日益增长的航空飞行消耗了大量的航空燃油,并且发动机排放物中含有大量的温室气体和污染物,这些排放物导致气候变化和大气环境的污染。飞机尾迹也被认为是航空诱发气候变化的因素之一。当危险天气影响计划的飞行航路时,航班总是被延误,这就意味着消耗更多的时间成本。为了解决这些问题,本文旨在考虑燃油消耗、环境影响、延误时间和飞行时间的前提下,选择最佳的飞行航路,研究提出两个模型,第一个模型针对危险天气影响航班预计飞行航路的情况下,采用多目标优化方法为航空器指派最佳的飞行路线和起飞时间,以达到最小化燃油消耗,飞行时间和延误时间的目的。A*算法被用于规划最短路径,在风速和风向相同的情况下,最短的飞行路径往往对应着最少的燃油消耗和最短的飞行时间。燃油消耗可以通过BADA数据库得出。在权重变化的情况下,通过灵敏度分析得到最佳的起飞时间。与传统的地面等待策略相比,本文所提出模型的结果不仅可以降低目标函数值,也可以得出飞行时间、延误时间和燃油消耗之间的交易权衡。在飞行高度和真空速变化的情况下,第二个模型考虑了飞机尾迹的产生和飞机尾迹与燃油消耗、飞行时间之间的关系。根据Schmidt-Appleman准则,飞机尾迹的产生与高度、相对湿度、压强和温度有关。基于飞机尾迹形成模型,本文提出的多目标优化模型,旨在最小化飞行时间、燃油消耗和飞机尾迹长度。从中国7个飞行情报区采集的探空数据被用于分析产生飞机尾迹区域的空间分布。根据优化问题所提出的实例分析量化飞行时间、燃油消耗和飞机尾迹之间的交易权衡。通过选择最佳的飞行高度和真空速,可以实现减少飞机尾迹长度和降低燃油消耗和飞行时间的目的,该优化结果为航路优化提供了有价值的比较基准。
【学位单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：V35
【部分图文】：

根据2016年5月25日民航局召开的“民航服务质量和航班正常工作会”上公布的权威数据显示，2015年，由于天气原因造成的航班延误数量占总延误数量的34.35%，而空管（流量）原因、公司原因以及军事活动原因造成的航班延误分别占26.52%，19.16%，13.53%（如图1.1）。糟糕的正常率，会使旅客渐渐失去对民航的耐心和信心，从而损失大量客源，并且每一次的航班延误都会给航空公司带来不小的经济损失；而天气也是造成航空事故的重要原因之一。总之，危险天气影响了航班的正常运行，造成了航班的延误，从而增加航空公司的经济损失，增加了管制员、飞行员的工作负荷，降低了旅客的民航出行体验以及出行欲望。因此，如何针对危险天气保障航班正常运行，使危险天气对航空运行的影响降到最低，是一个亟需完善和优化的问题。图 1.1 中国民航 2015 年航班正常性统计民航业中，对环境造成影响的最主要因素是飞机发动机的气体和颗粒物排放。联合国气候变化委员会已经建立飞行运行评估系统，其结果显示航空排放的 CO2是全球温室气体排放量的

其中一些排放物会以多种的方式改变了大气化学[2]。例如，氮氧化体甲烷和臭氧反应，恶化大气成分[3]。此外，航空排放也改变气候的辐射强迫，其中气溶胶和以飞机尾迹形式存在的云在其中起到重要作用[4]。温室气体的最显著的温度升高[5]。温度升高会导致空气的密度降低，这就会影响飞机的最大允许起飞重运输方式中，例如飞机、铁路、道路和水运，航空运输排放增长的速率最快，所排放是缓解气候变化和环境污染的有效途径[7]。外，飞机发动机排放的热尾气遇到周围冷空气将形成飞机尾迹，主要由水和冰晶体的尾气中有大量的水蒸气和未燃烧的固体颗粒，水蒸气在低温环境下迅速也化成燃烧的固体颗粒可用作水滴提供载体，并逐渐增长，最后形成冰晶。根据海拔高度，它们可能只有几秒钟或几分钟可见，或者可能持续数小时，并且扩展到几英机尾迹可以从地面和空中观测到，图 1.2 是观测到的飞机尾迹。飞机尾迹的作用一样，在不改变太阳对地球辐射的前提下，降低了地球向外太空的辐射，从而导暖。飞行产生的飞机尾迹所造成的温室效应已明显高于人们所熟知的 CO2对温室研究表明，飞机尾迹对环境的影响是其他排放物的三四倍[8]或者 10 倍以上[9]。航班飞行航路时，如何减少飞机尾迹产生，也是一个考虑的因素。

南京航空航天大学硕士学位论文新点和贡献如下：际气象数据和飞机尾迹产生模型，本文计算了在中国各地区并比较不同地区之间的差别，其结果显示飞机尾迹的产生为影响环境的因素之一，飞机尾迹逐渐引起关注。在航路因素之一，飞机可以通过改变飞行高度减少飞机尾迹的产析燃油消耗、飞行时间和环境影响之间交易权衡，本文提出素之间的关系。鉴于旅客，航空公司和环境的优先级，调整路。该方法具有极强的实用性，可以应用到其他不同的场据飞行员的驾驶偏好划设飞行限制区，利用 A*算法规划危于静态改航，本文提出的实时动态改航可以极大程度上减少飞行时间成本，增加对空域的利用率。构安排图如下。
【参考文献】

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1 曹铭栋;王占学;刘增文;张晓博;;民用飞机全航线排放预测[J];航空动力学报;2015年12期

2 张青;安梓琪;闫国华;周利敏;;飞机氮氧化物排放指数计算方法研究[J];工业安全与环保;2015年05期

3 孙石磊;盛铃佳;;飞机性能建模工具BADA研究[J];经营管理者;2015年06期

4 王飞;王红勇;;基于Maklink图和遗传算法的改航路径规划方法研究[J];交通运输系统工程与信息;2014年05期

5 王莉莉;周娟;;突发天气条件下航空器改变高度的改航模型和算法研究[J];中国安全科学学报;2014年07期

6 王兴隆;徐肖豪;李慧;;改航策略中雷暴飞行受限区划设方法[J];科学技术与工程;2013年10期

7 杨双双;田勇;万莉莉;;危险天气下航路改航策略[J];数学的实践与认识;2012年13期

8 吴金栋;魏志强;;航空器巡航状态下污染物排放量的计算[J];交通信息与安全;2011年05期

9 戴平;王峰云;;航空活动对全球气候影响研究综述[J];科技风;2011年17期

10 李雄;徐肖豪;;空中交通改航路径评估方法研究[J];飞行力学;2011年01期

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1 李雄;飞行危险天气下的航班改航路径规划研究[D];南京航空航天大学;2009年

2 崔松;时间成本研究[D];华中科技大学;2007年

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1 刘志恒;运用新航行技术降低航空器碳排放方法研究[D];中国民用航空飞行学院;2014年

2 赵凯;雷暴天气下西安管制区改航路径规划初探[D];中国民用航空飞行学院;2012年

3 刘婧;基于飞行数据分析的飞机燃油估计模型[D];南京航空航天大学;2010年

4 常茂军;机场终端区容量动态预测方法研究[D];南京航空航天大学;2007年

5 宋柯;空中交通流量管理改航策略初步研究[D];南京航空航天大学;2002年

本文编号：2860931