綠色空中交通管理是航空運輸業(yè)的現(xiàn)實所需和關鍵難題,也是我國由“民航大國”邁向“民航強國”的必由之路。本書對綠色空中交通管理技術進行了比較系統(tǒng)全面的介紹,主要內(nèi)容包括空中交通對環(huán)境的影響分析、機場環(huán)境容許空中交通量評估方法、面向環(huán)境保護的場面運行優(yōu)化方法、面向環(huán)境保護的終端區(qū)運行優(yōu)化方法、面向環(huán)境保護的區(qū)域運行優(yōu)化方法。
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交通運輸是國民經(jīng)濟構(gòu)成中的先行產(chǎn)業(yè)和基礎產(chǎn)業(yè),是社會生產(chǎn)、生活組織體系中不可缺少和不可替代的重要組成部分,包括空中交通、軌道交通、道路交通、水運交通、綜合交通運輸與智能交通等主要模式和方向。目前,環(huán)境問題已成為影響人類社會發(fā)展和全球政治經(jīng)濟格局的重大戰(zhàn)略課題。在能源緊張和環(huán)境惡化的雙重壓力下,必須加快發(fā)展方式的轉(zhuǎn)變,加快建立以低碳為特征的資源節(jié)約型、環(huán)境友好型交通運輸體系。
隨著民航運輸業(yè)的飛速增長,空中交通帶來的氣體污染、噪聲污染和溫室效應等環(huán)境影響問題日益嚴重,綠色發(fā)展已成為空中交通管理的現(xiàn)實所需和關鍵難題,這不僅是我國由“民航大國”向“民航強國”邁進的必由之路,亦是提升中國民航國際競爭力、增強全球碳排放交易市場話語權(quán)的重要支撐。
空中交通管理主要包括空域管理、空中交通服務和流量管理。一直以來,人們對空中交通管理的安全和效率方面進行了重點研究,但對可持續(xù)發(fā)展缺乏系統(tǒng)、深入的認識,也未形成完整、有效的綠色空中交通管理技術。本書所建立的綠色空中交通管理技術填補了這一空白,是對傳統(tǒng)空中交通管理技術研究的重要補充。
綠色空中交通管理技術涉及空氣動力學、航空氣象學、運籌學、信息工程技術和計算機仿真技術、航空排放與噪聲等多個不同的學科內(nèi)容,是一個適度超前、多學科融合的應用型研究方向。
本書共7章。第1章是緒論,簡要回顧了綠色空中交通管理技術的歷史發(fā)展,總結(jié)了有關方面的最新研究成果。第2章全面分析了空中交通對環(huán)境的影響,包括結(jié)合大氣特性、航空器飛行特性和發(fā)動機特性,研究在飛行剖面不同階段航空器運行對環(huán)境的影響,以及在場面運行、終端區(qū)飛行和區(qū)域飛行等飛行階段環(huán)境影響的主要緩解措施。第3章在機場服務能力評估中注入綠色理念和環(huán)境基因,創(chuàng)新性地提出機場環(huán)境容許空中交通量的定義和確定方法。第4~6章以減小環(huán)境影響為目標,針對機場場面、終端區(qū)和區(qū)域等不同空域單元建立相應的空中交通運行優(yōu)化模型。第4章介紹先進的綠色場面滑行理念,探討單發(fā)滑行和電子滑行與傳統(tǒng)的全發(fā)滑行在燃油消耗、排放、運行流程等方面的不同,并與場面路徑優(yōu)化技術相結(jié)合,建立以節(jié)能減排為目標的多場景場面運行優(yōu)化模型。第5章引入擴展終端區(qū)概念,聯(lián)合使用改航和進場點優(yōu)化分配手段以及CDA進場方式,建立了以節(jié)能、減排和降噪為目的的終端區(qū)資源優(yōu)化模型。第6章考慮區(qū)域運行中對環(huán)境影響較大的凝結(jié)尾現(xiàn)象,結(jié)合扇區(qū)飛行沖突探測與解脫策略,以減輕溫室效應、節(jié)能和減排為目的,建立區(qū)域扇區(qū)飛行調(diào)配優(yōu)化模型。第7章是本書的總結(jié),對綠色空中交通管理技術的未來發(fā)展趨勢進行了探討和展望。
感謝國家自然科學基金委員會、國家空管委辦公室、中國民用航空局、國際民用航空組織、中國民用航空局空中交通管理局、南京航空航天大學等單位,對本書編寫工作的大力支持。胡明華是作者的博士生導師,長期關心和支持作者的工作,對本書的撰寫提出了很多寶貴的意見。萬莉莉在飛行性能分析、葉博嘉在計算機仿真、王湛在算法優(yōu)化、李杰在氣象數(shù)據(jù)分析等方面開展了卓有成效的研究工作。感謝南京航空航天大學的領導和同事們給予的大力支持和幫助。在寫作過程中,我們還引用了大量參考文獻,在此一并表示誠摯的感謝!
總之,希望本書能對綠色空中交通管理技術進行比較全面系統(tǒng)的介紹。由于作者水平有限,書中難免有不足之處,敬請讀者諒解和批評指正。
目錄
前言
注釋表
縮略詞
第1章 緒論 1
1.1 背景和意義 1
1.1.1 背景 1
1.1.2 本書研究意義 5
1.2 國內(nèi)外研究與應用現(xiàn)狀 7
1.2.1 場面運行對環(huán)境的影響研究 7
1.2.2 終端區(qū)運行對環(huán)境的影響研究 8
1.2.3 區(qū)域運行對環(huán)境的影響研究 10
1.2.4 環(huán)境容許交通量研究 11
1.3 主要內(nèi)容和章節(jié)安排 12
1.3.1 研究內(nèi)容 12
1.3.2 章節(jié)安排 13
第2章 空中交通對環(huán)境的影響分析 15
2.1 大氣特性 15
2.1.1 大氣分層 15
2.1.2 溫室效應 16
2.2 航空器特性 17
2.2.1 飛行剖面 17
2.2.2 航空器飛行特性 17
2.2.3 發(fā)動機特性 19
2.3 航空器對環(huán)境的影響 22
2.3.1 航空排放 22
2.3.2 飛機噪聲 27
2.4 環(huán)境影響緩解措施 28
2.4.1 場面運行階段 29
2.4.2 終端區(qū)飛行階段 30
2.4.3 區(qū)域飛行階段 32
2.4.4 其他措施 33
2.5 本章小結(jié) 33
第3章 機場環(huán)境容許空中交通量評估方法 35
3.1 機場大氣污染物多源擴散模式 35
3.1.1 點源擴散模式 36
3.1.2 線源擴散模式 38
3.1.3 面源擴散模式 40
3.2 機場大氣污染物濃度評估 41
3.2.1 濃度評估模型 41
3.2.2 濃度評估實例 41
3.2.3 濃度影響機理 45
3.3 機場環(huán)境容許空中交通量 49
3.3.1 基本定義 49
3.3.2 評估實例 51
3.4 本章小結(jié) 57
第4章 面向環(huán)境保護的場面運行優(yōu)化方法 58
4.1 航空器滑行方式 58
4.1.1 全發(fā)滑行方式 58
4.1.2 單發(fā)滑行方式 60
4.1.3 電子滑行方式 61
4.2 航空器場面運行分析 63
4.2.1 滑行拓撲網(wǎng)絡 63
4.2.2 場面滑行沖突 63
4.3 考慮多場景環(huán)境影響的場面運行優(yōu)化方法 64
4.3.1 場景構(gòu)建 65
4.3.2 目標函數(shù) 65
4.3.3 約束條件 68
4.3.4 算法設計 69
4.4 場面運行優(yōu)化實例分析 72
4.4.1 基礎數(shù)據(jù) 72
4.4.2 燃油消耗分析 74
4.4.3 滑行時間分析 80
4.4.4 氣體排放分析 81
4.5 本章小結(jié) 84
第5章 面向環(huán)境保護的終端區(qū)運行優(yōu)化方法 86
5.1 擴展終端區(qū)的定義 86
5.2 終端區(qū)噪聲評估方法 87
5.2.1 噪聲計算方法 87
5.2.2 傳統(tǒng)進近程序噪聲評估 93
5.2.3 CDA程序噪聲評估 97
5.3 考慮環(huán)境影響的終端區(qū)運行優(yōu)化方法 98
5.3.1 優(yōu)化模型 98
5.3.2 算法設計 100
5.3.3 實例分析 101
5.4 基于CDA的終端區(qū)運行優(yōu)化方法 107
5.4.1 優(yōu)化模型 107
5.4.2 實例分析 107
5.5 本章小結(jié) 110
第6章 面向環(huán)境保護的區(qū)域運行優(yōu)化方法 111
6.1 凝結(jié)尾形成條件 111
6.2 區(qū)域扇區(qū)飛行沖突探測與解脫 113
6.2.1 飛機安全保護區(qū)模型 113
6.2.2 區(qū)域扇區(qū)飛行沖突類型 114
6.2.3 區(qū)域扇區(qū)飛行沖突解脫方法 115
6.3 考慮環(huán)境影響的區(qū)域扇區(qū)飛行調(diào)配優(yōu)化方法 117
6.3.1 目標函數(shù) 117
6.3.2 約束條件 121
6.3.3 算法設計 122
6.4 區(qū)域扇區(qū)飛行調(diào)配優(yōu)化實例分析 124
6.4.1 基礎數(shù)據(jù)分析 124
6.4.2 結(jié)果分析 127
6.5 本章小結(jié) 133
第7章 總結(jié)與展望 134
7.1 總結(jié) 134
7.2 展望 135
參考文獻 136
附錄一 APU燃油消耗率和排放指數(shù) 142
附錄二 飛機發(fā)動機型號 143
附錄三 CF567B的NPD數(shù)據(jù) 144
附錄四 環(huán)境標準 146
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