基于Java語(yǔ)言編程計(jì)算機(jī)場(chǎng)污染物的排放量的研究

徐 沖， 陳志雄， 黃 成

(1 上海工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院， 上海 201620； 2 上海工程技術(shù)大學(xué) 航空運(yùn)輸學(xué)院， 上海 201620； 3 上海市環(huán)境科學(xué)研究院 國(guó)家環(huán)境保護(hù)城市大氣復(fù)合污染成因與防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 200233)

0 引 言

航空工業(yè)的快速發(fā)展，環(huán)境問(wèn)題日益突出。為了掌握民航飛機(jī)所產(chǎn)生的的污染物排放量，需要編制區(qū)域的民航污染物排放清單來(lái)了解所帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題。

目前，國(guó)外的一些部門，諸如：美國(guó)國(guó)家航空和航天局(National Aeronautics and Space Administration，NASA)、美國(guó)聯(lián)邦航空管理局(Federal Aviation Administration，F(xiàn)AA)和歐盟委員會(huì)(European Commission，EC)等開(kāi)發(fā)有航空排放計(jì)算模型繪制區(qū)域的排放清單。EuroControl實(shí)驗(yàn)中心開(kāi)發(fā)了飛機(jī)性能模型，用于計(jì)算所有飛機(jī)的性能參數(shù),覆蓋了典型飛機(jī)任務(wù)的各個(gè)階段[1]。Wasiuk等人[2]開(kāi)發(fā)了飛機(jī)性能模型實(shí)現(xiàn)(APMI)軟件，用于更新全球商用航空燃料燃燒和排放估算。Kim等人[3]開(kāi)發(fā)了航空全球排放評(píng)估系統(tǒng)(System for assessing Aviation's Global Emissions，SAGE)。SAGE是一種高保真的計(jì)算機(jī)模型，用于預(yù)測(cè)某一年全球所有商業(yè)航班的飛機(jī)燃料消耗和排放量。

時(shí)下，國(guó)內(nèi)暫未開(kāi)發(fā)相關(guān)類似的排放模型工具，本文擬利用已公開(kāi)的數(shù)據(jù)和方法對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化。研究中考慮到中國(guó)機(jī)場(chǎng)規(guī)模和機(jī)對(duì)數(shù)量的增加，因此基于Java語(yǔ)言編程[4]開(kāi)發(fā)一種計(jì)算機(jī)場(chǎng)污染物排放量的軟件模型，建立中國(guó)區(qū)域的排放清單。對(duì)此可展開(kāi)研究論述如下。

1 軟件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

軟件系統(tǒng)主要由3個(gè)部分組成，分別是：數(shù)據(jù)邏輯層、算法邏輯層和輸出邏輯層。軟件在Windows操作系統(tǒng)上執(zhí)行，是用Java語(yǔ)言編寫的，因?yàn)樵摲N語(yǔ)言的性能和易用性滿足了本文的數(shù)據(jù)處理需求，同時(shí)在數(shù)據(jù)加工時(shí)將會(huì)面臨大量的文件輸入/輸出過(guò)程，因此就需要快速地讀取和處理文本文件。接下來(lái)，對(duì)各個(gè)組件之間的關(guān)系將給出流程圖的表現(xiàn)形式，詳見(jiàn)圖1。

圖1 各模塊之間的流程圖

2 數(shù)據(jù)庫(kù)開(kāi)發(fā)

2.1 ICAO發(fā)動(dòng)機(jī)排放因子數(shù)據(jù)庫(kù)

ICAO排放數(shù)據(jù)庫(kù)[5]包含已投入使用的各種噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的認(rèn)證數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)是通過(guò)國(guó)際民航組織航空環(huán)境保護(hù)委員會(huì)(CAEP)的工作從制造商處收集得來(lái)的。收集未燃燒的HC、CO和NOx的排放標(biāo)準(zhǔn)，用于排放建模的主要數(shù)據(jù)是各種污染物的排放指數(shù)(EI)和相應(yīng)的燃料流量。

2.2 機(jī)型與發(fā)動(dòng)機(jī)匹配數(shù)據(jù)庫(kù)

根據(jù)航空公司和飛機(jī)類別編制發(fā)動(dòng)機(jī)計(jì)數(shù)分布，在每架飛機(jī)類別中，分?jǐn)?shù)比重總是相加為1，并表示引擎在該機(jī)型中的分布情況。歸納整理部分的發(fā)動(dòng)機(jī)分布數(shù)據(jù)庫(kù)[6]，見(jiàn)表1。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)的分布

2.3 飛機(jī)運(yùn)行時(shí)間模式

飛機(jī)在機(jī)場(chǎng)的全部活動(dòng)過(guò)程可以由起飛、爬升、進(jìn)近和滑行/慢車四個(gè)階段來(lái)描述，研究中標(biāo)定了各階段的標(biāo)準(zhǔn)工作時(shí)間[7],見(jiàn)表2。其中，滑行/慢車階段實(shí)際工作時(shí)間為 26 min,這里主要包括了進(jìn)港滑行7 min，出港滑行19 min。

表2 時(shí)間模式

2.4 商用飛機(jī)運(yùn)行情況數(shù)據(jù)庫(kù)

獲取的信息是：年份、月份、機(jī)場(chǎng)三字代碼、航空公司名稱、離港機(jī)場(chǎng)代碼、目的地機(jī)場(chǎng)代碼、航線、航程公里數(shù)、匹配的發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)等信息。通過(guò)SQL數(shù)據(jù)庫(kù)[8]進(jìn)行數(shù)據(jù)篩選中國(guó)區(qū)域2017年運(yùn)行的數(shù)據(jù)庫(kù)，部分?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)如圖2所示。

圖2 飛機(jī)運(yùn)行部分?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)

3 算法邏輯層

波音燃油流量方法2(Boeing Fuel Flow Method 2，BFFM2)[9-10]涉及使用國(guó)際民航組織數(shù)據(jù)庫(kù)中的排放指數(shù)和相應(yīng)的燃料流量來(lái)模擬CO、NOx和HC排放。為了明確起見(jiàn)，與高空條件相對(duì)應(yīng)的預(yù)測(cè)燃料流量和排放量將稱為“未校正”數(shù)值，而國(guó)際民航組織數(shù)據(jù)庫(kù)中的燃料流量和排放量將稱為“校正”，因?yàn)檫@些數(shù)值對(duì)應(yīng)于參考條件：海平面的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)大氣(ISA)。分別采用以下算法來(lái)完成排放計(jì)算。這里將闡釋分述如下。

3.1 燃油流量校正算法

步驟1民航組織修正的4種燃料流量根據(jù)安裝效果進(jìn)行了調(diào)整。也就是說(shuō)，每種燃料流量乘以一個(gè)調(diào)整(或校正)因子。經(jīng)由波音公司提供的一個(gè)修正系數(shù)是在沒(méi)有對(duì)應(yīng)于飛機(jī)上發(fā)動(dòng)機(jī)安裝的燃油流量值的情況下使用的。這些因素的量值關(guān)系可表示為：

Wf=Wfi×r,

(1)

其中，Wf是校正和調(diào)整(安裝效果)與參考條件相對(duì)應(yīng)的燃料流量(kg/s)；Wfi是修正但未經(jīng)調(diào)整的(安裝效果)與參考條件相對(duì)應(yīng)的國(guó)際民航組織數(shù)據(jù)庫(kù)的燃料流量(kg/s)；r是修正系數(shù)：起飛為1.01、爬升為1.013、漸進(jìn)為1.02和滑行為1.1，無(wú)量綱。

步驟2將發(fā)動(dòng)機(jī)安裝效果校正后的燃料流量與4種模式的排放因子建立了對(duì)數(shù)與對(duì)數(shù)圖形，如圖3所示。使用回歸線性擬合繪制了NOx曲線，而CO和HC擬合則基于雙線性方法。對(duì)于這種雙線性方法，在2個(gè)較低的功率設(shè)置點(diǎn)之間創(chuàng)建一條線。 第二行是水平的，位于較高功率設(shè)置的2個(gè)垂直位置的中間。 在此基礎(chǔ)上，將2條線簡(jiǎn)單地彼此相對(duì)延伸直到相交。 所有這些圖均使用指定的對(duì)數(shù)值和擬合參數(shù)以編程方式來(lái)建模。

(a) EI對(duì)NOx的燃料流量的對(duì)數(shù)-對(duì)數(shù)圖 (b) EI對(duì)CO、HC的燃料流量的對(duì)數(shù)-對(duì)數(shù)圖

(a) Log-log plot of EI for fuel flow of NOx (b) Log-log plot of EI for fuel flow of CO、HC

圖3 排放因子EI對(duì)NOx，CO和HC的燃料流量的對(duì)數(shù)-對(duì)數(shù)圖

Fig. 3 Log-log plot of emission factor EI for fuel flow of NOx, CO and HC

3.2 排放因子校正算法

步驟3使用規(guī)定的BFFM2方程將未校正的高空發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際燃料流量校正為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)大氣壓海平面條件下燃油流量，BFFM2方程式可寫為：

(2)

δamb=Pamb/14.696,

(3)

θamb=(Tamb+273.15)/273.15,

(4)

其中，WfAlt是發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際燃油流量率(kg/s)；WfSL是海平面條件下的燃油流量率(kg/s)；Pamb是高空大氣壓力(psia)；Tamb是高空大氣溫度(℃)。

步驟4涉及將使用校正后的燃油流量和對(duì)數(shù)-對(duì)數(shù)圖來(lái)確定相應(yīng)的排放因子EI值。將步驟 3得到的海平面條件下的燃油流量率代入到步驟 2中對(duì)數(shù)圖中分別得到相應(yīng)的NOx、CO和HC排放因子。這些算法以編程方式進(jìn)行的線性對(duì)數(shù)與對(duì)數(shù)擬合方程，而不是通過(guò)實(shí)際的圖形選擇的。

步驟5使用BFFM2規(guī)定的方程對(duì)未計(jì)算出的EI值進(jìn)行校正，以反映高空飛行條件，將步驟 4得到相應(yīng)的排放因子代入如下公式，運(yùn)算求得校正后的排放因子：

(5)

(6)

(7)

其中，x和y默認(rèn)值分別為1和0.5，H是濕度。

3.3 濕度校正算法

步驟6濕度校正。相應(yīng)的數(shù)學(xué)公式具體如下：

H=(-19)×(ω-0.006 3),

(8)

(9)

Psat=0.014 504×10(β),

(10)

其中，H是濕度修正系數(shù)，無(wú)量綱；RH是相對(duì)濕度，一般取0.6；Psat是飽和水氣壓(kpa)；ω是比濕度，無(wú)量綱；這里，β是按照Goff-Grattch公式根據(jù)外界溫度計(jì)算飽和水氣壓(Psat)，運(yùn)算時(shí)將用到如下數(shù)學(xué)公式：

(11)

步驟7燃料燃燒和校正的排放因子用于計(jì)算CO、HC和NOx的排放量。研究推出的數(shù)學(xué)公式為：

ENox=Wf×EINoxAlt×Ti，

(12)

ECO=Wf×EICOAlt×Ti，

(13)

EHC=Wf×EIHCAlt×Ti.

(14)

其中，ENox、ECO、EHC分別是Nox、CO、HC的排放量(g)，Ti是飛機(jī)運(yùn)行時(shí)間，詳見(jiàn)表2。

4 結(jié)束語(yǔ)

(1)Java 的編程模型是一種簡(jiǎn)化的分布式編程模型，也是一種高效的任務(wù)調(diào)度模型，應(yīng)用于大規(guī)模數(shù)據(jù)集的運(yùn)算。具有簡(jiǎn)單性、兼容性、安全性、動(dòng)態(tài)性等優(yōu)點(diǎn)。

(2)在Java下構(gòu)建SQL數(shù)據(jù)庫(kù)，構(gòu)建的數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)排放數(shù)據(jù)，為計(jì)算民用飛機(jī)污染物排放量的計(jì)算提供了靈活的仿真平臺(tái)。

(3)本文利用2017年中國(guó)商業(yè)飛機(jī)運(yùn)輸數(shù)據(jù)，通過(guò)該軟件計(jì)算出中國(guó)的污染物燃料燃燒產(chǎn)生的碳?xì)浠衔?HC)、一氧化碳(CO)、氮氧化合物(NOx)分別為3 753 t、49 789 t和95 205 t。