基于节能降噪的飞行程序优化

基于节能降噪的飞行程序优化
作者：张佶鹏
来源：《科技创新导报》2017年第07期
摘要：机场建设对带动周边区域经济发展具有重要意义，但同时飞机运行也会带来较大的航空噪声，对生活工作影响较大。

为实现节能降噪，需要从实际情况出发，对不同飞行程序航迹进行聚类分析，编制最为合理的优化才方法，将噪声最优航迹作为依据对飞行程序进行指导优化，尽量避免经过人口稠密区域，降低航空噪声的影响。

该文对飞行程序优化方法进行了分析，争取实现节能降噪效果。

关键词：节能降噪飞行程序噪声最优航迹
中图分类号：U231 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）03（a）-0006-02
近年来我国航空行业发展迅速，机场建设数量不断增多，并且现存航空噪声问题比较严重，大部分未采取有效方法进行解决。

基于节能降噪理念，对飞行程序进行分析，最大程度上来降低噪声对周边区域的影响。

其中，航迹决定了航空噪声分布模式，机场运营过程中每天均会产生大量的航迹数据，因为每条航迹均为执行飞行程序得来，这样便可以通过对航迹所执行飞行程序聚类分析，来达到节能减噪目的。

1 飞行程序特点分析
航空器从起飞到着陆整个飞行过程包括离场、巡航、进场以及进近四个阶段，其中除巡航外，均为飞行程序内容。

第一，离场程序。

即按照需求提前规划的离场航线，作为终端区与航路结构的过渡。

为航空器飞离机场提供一条线路，其中要能够满足最小净爬升梯度，并避开扇区。

离场程序起点为跑道起飞末端，即公布的适用于起飞区域末端。

并且因为飞机离地点变化较大，一般按照飞机在DER标高之上120 m开始转弯时不早于离跑到开始端600 m方法设计[1]。

离场程序的实现，需要沿着规定飞行航迹到达下一飞行阶段允许最低高度/高的一点终止，则到等待点、爬升至航路最低安全高度以及飞至起始进近定位点为三种终止点。

第二，进场程序。

即提前规划的进场航线，作为航路结构与终端区内一个定位点或航路点的过渡。

其中，起点包括飞机离开航路飞行开始点与走廊口两种；终止点包括等待点和起始进近定位点两种。

第三，进近程序。

即根据飞行仪表和对障碍物保持规定超障碍余度，提前预定一系列机动飞行，需要从起始进近定位点或从规定进场航路开始，到达着陆一点终止。

假设如果不能顺利着陆，则需要飞行到使用等待或航路飞行超障准则位置。

按照速度可以将进近程序划分为A、
B、C、D、E五类；按照导航设备可以将进近程序划分为NDB进近、VOR进近、NDB/DME 进近、ILS进近、VOR/DME进近以及区域导航进近等。

2 航迹聚类分析确定最优航迹
2.1 CURE航迹聚类算法
空管部门通过雷达检测设备来获得飞行运行中经度、纬度、高度等数据，并将其整合成航迹数据，机场每天运营会产生大量航迹数据。

对航迹数据进行聚类分析，可以应用航迹相似性度量方法，将执行同一飞行程序的航迹聚为一类。

利用航迹点法向距离的方法来度量两条航迹间相似性，定义得到航迹间相似性矩阵Rr，如式（1）所示：
其中，dni表示第n条航迹与第i条航迹航迹点法向距离。

因为K-Means聚类算法随机初始化聚类中心，会使得聚类结果形成局部最优，可选择应用基于层次CURE聚类算法分析，以使用中心点和多个代表点表示聚类。

2.2 飞行程序航迹噪声差异分析
通过航迹聚类分析后，将执行同一飞行程序的航迹聚为一类，但是在实际飞行中，受飞行员个人能力、天气状况、飞行性能等因素限制，最后不同飞机最终产生的噪声也存在一定差异性，且呈现发散性特点。

航迹决定了机场周围噪声分布模式，对执行同一飞行程序不同航迹噪声差异性进行研究，定义其存在的差异性评价指标：
其中，ti与tj为执行同一飞行程序航迹中，第i和第j个航班航迹；m∈{1，2，…，num}为噪声敏感点编号，num为机场周围噪声敏感点个数；Lm（ti）表示第i条航迹对第m个噪声敏感点的噪声影响值。

式（2）表示同一飞行程序两条运行航迹产生存在明显差异的机场噪声，充要条件为机场周围噪声敏感点内至少存在一个噪声敏感点导致同一飞行程序两条航迹在此敏感点噪声差值在5 dB以上。

因为噪声差异大小会受到多个因素影响，如生活噪声、车辆噪声、气候噪声等，5 dB以内认为两个航迹不存在噪声差异，但是超过此数值便可确认存在显著差异。

通过统计方法T-test检验航迹噪声差异性，确定执行同一飞行程序的运行航迹会存在明显噪声差异。

2.3 飞行程序最优航迹
基于节能降耗理念，对飞行程序进行优化分析，需要确定最优航迹，降低航空噪声对周边环境的影响。

因为执行同一飞行程序不同航班航迹噪声存在明显差异，且具有发散性特点。

需要确定一条最优航迹，将机场周边噪声敏感点受到的噪声影响降到最低，对其进行量化计算，定义一条航迹综合噪声评价量为：
其中，num表示噪声敏感点个数；Ej（ti），j∈（1，2，…，num）表示第i条航迹对第j 个噪声敏感点综合噪声影响，即：
其中，Lj（ti）表示第i条航迹在第j个噪声敏感点产生的噪声值，将其除以100（默认最大噪声值为100分贝）进行数据归一化操作；Nnm（Lj（ti）>70dB）和Arear（Li
（ti）>70dB）分别表示Li（ti）>70dB人口数和区域面积；Totalj（Punm）与Totalj（arer）分别表示第j个噪声敏感点总人口数和总区域面积。

航迹i在噪声敏感点j处产生噪声值、受噪声影响人口数和区域面积均利用INM计算得到。

即对执行同一飞行程序的所有航班航迹集合T={t1，t2，…，t3}，其中z为执行同一飞行程序的航班总数，噪声最优航迹tbest为：
即某飞行程序噪声最优轨迹tbest为航迹集合T内噪声评价量最小的航迹，航空噪声对周边环境造成的影响最小。

3 基于节能降噪飞行程序优化
基于节能降噪要求对飞行程序进行优化分析，需要对受机场噪音影响区域职能性进行调整，形成现代农业、物流仓储、郊区绿化等噪声敏感度较低用地。

并确定降低噪声对居民影响工作核心，尽量避免经过居民区。

将噪声最优航迹作为依据，对该航迹上距离飞行程序各航路点最近航迹点进行精确计算，然后对飞行程序各航路点进行优化，有效避开噪声敏感点。

即在飞行控制区域内，不影响飞行安全的同时，降低噪声敏感点综合噪声影响，达到降低机场周边噪声敏感点综合噪声影响目的。

4 结语
飞机运行产生噪声较大，对周边环境影响十分严重，基于节能降耗理念对航空噪声问题进行研究，需要确定飞行程序特点，经过聚类分析确定执行同一飞行程序航班航迹噪声差异性，选择确定最优航迹，然后将其作为飞行程序优化指导，降低机场周围噪声敏感点，达到综合降噪目的。

参考文献
[1] 钱戈.飞行程序优化设计关键技术研究[D].南京航空航天大学，2015.。