基于绿色航空模型的中枢辐射式航线网络优化设计方法

1.基于绿色航空模型的中枢辐射式航线网络优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1，中枢辐射式航线网络的枢纽机场选址；步骤S2，构建环境影响评估模型；步骤S201，建立航空器的排放和航空器的燃油消耗模型；步骤S202，评估计算航空器的燃油消耗和航空器的污染物排放情况；步骤S203，构建环境影响评估模型；步骤S3，将中枢辐射式航线网络与点对点式航线网络对比分析；步骤S301，根据环境影响评估模型，评估计算点对点式航线网络的环境影响；步骤S302，将点对点式航线网络与中枢辐射式航线网络进行对比分析，得到中枢辐射式航线网络和点对点式航线网络的环境影响情况；步骤S4，搭建基于绿色航空模型的中枢辐射式航线网络；步骤S401，建立中枢辐射式航线网络的成本模型；步骤S402，考虑机场气象数据，建立航空器的污染物排放评估模型；步骤S403，建立航空器的噪声影响模型；步骤S5，根据构建的多目标绿色航空模型，生成绿色中枢辐射式航线网络；步骤S6，中枢辐射式航线网络的灵敏度分析；步骤S601，对中枢辐射式航线网络中转运部分的折扣系数进行分析；步骤S602，分析噪声灵敏度对机队组成的影响；步骤S603，分析航空器的污染物排放对机队组成的影响；在所述步骤S5中，针对某个需要使得 个目标都最小化的优化问题，公式如下： （7），式中， 是 m 维决策变量； 为解空间， 包含所有的可行解；目标函数 Q(x) 表示 个由决策空间向目标空间映射的函数， 表示每个决策空间下所对应的目标函数；根据建立的最小化的污染物排放量、最小化的燃油消耗量和最小化的噪声影响的多目标优化模型，采用变邻域搜素算法进行求解，求解步骤如下：1）初始化阶段采用贪婪算法获得中枢辐射式航线网络的初始布局；根据各个代表城市中机场的旅客吞吐量以及各个机场之间的距离，对机场进行初始的重要度排序以加快搜索速度，得到初始的枢纽机场选址以及航线分配方案；2）将最短路算法加入到叉状分类算法中，将多目标问题转化成单目标问题，执行当前邻域结构，找到可行邻域有效解，即获得当前中枢辐射式航线网络的航线分配方案和枢纽机场选址的帕累托前沿面；3）利用变邻域算法对中枢辐射式航线网络中的枢纽机场选址以及航线分配方案进行迭代搜索；4）采用搜索算子shaking进行邻域动作，将枢纽节点和非枢纽节点进行交换，从而得到新的可行邻域解；5）基于新的可行邻域解得到理想点所构成的枢纽组合，判断枢纽组合是否具有较优的地位，如果枢纽组合不是具有较优的地位则表示还存在潜在的最优枢纽组合解，进行帕累托最优点的更新，设置总客流量运输成本的阈值、污染物总排放量的阈值和航空器噪声的阈值，较优的地位基于总客流量运输成本、污染物总排放量和航空器噪声值进行判断；6）找到最优的枢纽组合并将其加入到解集合中。 2.根据权利要求1所述的基于绿色航空模型的中枢辐射式航线网络优化设计方法，其特征在于，步骤S1包含以下步骤：步骤S101，选取代表城市；步骤S102，进行枢纽机场选址；步骤S103，构建初始的中枢辐射式航线网络。 3.根据权利要求2所述的基于绿色航空模型的中枢辐射式航线网络优化设计方法，其特征在于，在所述步骤S101中，对前两年的民航机场旅客吞吐量进行排序，选择旅客吞吐量排名前20位的机场所在的城市为代表城市，对其旅客吞吐量和航段距离数据进行收集汇总；在步骤S102中，忽略枢纽机场和航线的容量限制，对于枢纽机场的个数提前给定，枢纽机场限制在中枢辐射式航线网络的节点范围内，枢纽机场之间直接连接，非枢纽机场之间通过枢纽机场间接连接，非枢纽机场之间的客流经过枢纽机场进行中转，非枢纽机场与枢纽机场之间是多分配连接方式，以总客流量运输成本最低为目标，建立起中枢辐射式航线网络枢纽机场选址模型，求解出枢纽机场以及枢纽机场与非枢纽机场之间的航线分配方案，从而构建出初始的中枢辐射式航线网络。 4.根据权利要求1所述的基于绿色航空模型的中枢辐射式航线网络优化设计方法，其特征在于，在所述步骤S201中，基于航空器的污染物排放和航空器的燃油消耗模型对中枢辐射式航线网络进行评估，其中，污染物总排放量表示为： （1）其中， T j 是机型为 j 的航空器的运行时间； G j 表示机型为 j 的航空器的发动机数量； F j 表示机型为 j 的航空器在运行时间 T j 内的燃油流率； I j,p 表示机型为 j 的航空器关于 p 污染物的排放指数，污染物主要为CO、HC和NO x ；计算航空器的燃油消耗率： （2）， （3）， （4）， （5），公式（2）中， F c 表示爬升阶段的燃油流量， V t 表示真空速， C f1 表示第一单位推力的燃油消耗系数， C f2 表示第二单位推力的燃油消耗系数， K 是发动机推力；公式（3）中， F d 下降阶段的燃油流量， C f3 为第一下降阶段的燃油消耗系数， C f4 为第二下降阶段燃油流率；公式（4）中， F l 表示巡航阶段的燃油流量 ，C fr 表示巡航阶段的燃油流率； A 为飞行高度； U 为航空器的总燃油消耗量；在步骤S202中，根据步骤S201中构建好的航空器的排放和航空器的燃油消耗模型，对中枢辐射式航线网络的环境影响情况进行评估计算，得到整个中枢辐射式航线网络航空器的燃油消耗和航空器的污染物排放情况。 5.根据权利要求4所述的基于绿色航空模型的中枢辐射式航线网络优化设计方法，其特征在于，在所述步骤S301中，根据选定的代表城市的机场，将任意两个通航的机场之间连成一条航线，从而构建起点对点式的航线网络，根据构建好的环境影响评估模型来评估计算整个点对点式航线网络中航空器的燃油消耗以及航空器的污染物排放情况；在步骤S302中，根据航空器的环境影响评估模型，对航空器分别在中枢辐射式航线网络中的环境影响和点对点式航线网络中的环境影响进行评估计算并对比分析，根据公式（1）至（5），计算出航空器在航线网络中运行产生的燃油消耗量和污染物排放量。 6.根据权利要求1所述的基于绿色航空模型的中枢辐射式航线网络优化设计方法，其特征在于，在步骤S401中，建立中枢辐射式航线网络的成本模型：1）将每个起讫点之间的路径分为三个部分：汇运、转运和分运；2）定义汇运的成本系数为 、转运的成本系数为 和分运的成本系数为 ，由于在中枢辐射式航线网络的运营中枢纽机场之间的转运具有规模经济性，所以设置 ， ；3）由于旅客运输的特殊性，规定旅客经过枢纽机场周转的次数最多为两次；4）在各个枢纽机场之间采用座位数在200座以上的航空器进行运输，在非枢纽机场和枢纽机场之间采用座位数在151-200座的航空器进行运输；以航空运输的客流量运输总成本最小为目标函数，建立起中枢辐射式航线网络中的成本模型；在步骤S402中，基于机场气象数据，建立航空器的污染物排放评估模型：将航空器的污染物排放分为LTO循环阶段和巡航阶段，LTO循环阶段为航空器在3000feet以下的行驶阶段，巡航阶段为航空器在3000feet以上的爬升阶段、巡航阶段和下降阶段；1）在计算LTO循环阶段的污染物排放时，根据发动机机型排放数据库中给出的各个发动机机型在爬升阶段和下降阶段的飞行时间、发动机推力等级数据、基准燃油流率和污染物的排放指数来计算航空器的污染物排放量；2）由于航空器在飞行过程中会受到外界大气环境的影响，所以在LTO循环阶段时需要结合机场气象数据对发动机机型排放数据库中的污染物的排放指数进行修正；3）在计算巡航阶段的燃油消耗及污染物排放时，需要先确定出巡航阶段发动机的污染物排放指数，发动机在巡航阶段的推力与爬升阶段的推力等级相同，因此以爬升阶段的污染物的排放指数为基数对巡航阶段进行污染物排放量的计算；4）将燃油消耗和航空器的污染物排放加以考虑，建立最小化燃油消耗量和最小化污染物排放模型；基于最小化的航空器的燃油消耗量和最小化的航空器的污染物排放量，建立起中枢辐射式航线网络的污染物排放评估模型。 7.根据权利要求1所述的基于绿色航空模型的中枢辐射式航线网络优化设计方法，其特征在于，在步骤S403中，1）航空器噪声计算分为单一事件噪声值和累计事件噪声值；单一事件噪声值是指单次航空器运行产生的直接影响；累计事件噪声值是指在特定时间内，反应在该特定事件段内单一噪声值的累加；在计算航空器噪声时，使用分割法计算单一噪声值，然后计算累计事件噪声值；利用分割法计算噪声时，在航空器噪声性能数据库中获取NPD数据，并采用公式（6）进行计算： （6），其中， S j 表示第 j 架航空器运行的单一噪声事件的噪声值； M 表示在某个确定的时间段 内航空器的起降架次； 表示有效感觉噪声级；2）由于NPD数据是基于航空器在无限长的直线路径运行的假设条件下，因此计算出航空器轨迹正下方的地面噪声值时，使用航段分割法将航空器的飞行轨迹切割成若干航段，各个航段为无限长直线路径的组成部分；3）考虑航空器的起降架次，计算枢纽机场中航空器离场期间的有效感觉噪声值和航空器进场期间的有效感觉噪声值，计算非枢纽机场中航空器离场期间的有效感觉噪声值和航空器进场期间的有效感觉噪声值，并采用航段分割法对有效感觉噪声值进行修正，从而计算得到航空器在进场期间的噪声值和离场期间的噪声值；以在航空器在起降过程中最小化的噪声影响，建立起中枢辐射式航线网络中的噪声模型。 8.根据权利要求1所述的基于绿色航空模型的中枢辐射式航线网络优化设计方法，其特征在于，在所述步骤S601中，根据中枢辐射式航线网络的规模经济性，对中转运输的折扣系数进行分析，得出总客流量运输成本与枢纽机场个数之间的变化情况；在步骤S602中，结合每种机型的航空器噪声值以及每位旅客的单位飞行成本，分析每种机型的航空器噪声值和机队组成之间的关系；在步骤S603中，结合每位旅客的单位飞行成本以及航空器的某种污染物排放情况，考虑当该种污染物的变动处于某个范围时，分析该种污染物的排放情况与机队组成的变动情况。 9.根据权利要求1所述的基于绿色航空模型的中枢辐射式航线网络优化设计方法，其特征在于，机场气象数据包括温度比、压力比、相对湿度、湿度比、湿度系数、饱和水汽压、大气温度和大气压力。