基于Java语言编程计算机场污染物的排放量的研究

徐 冲， 陈志雄， 黄 成

(1 上海工程技术大学 机械与汽车工程学院， 上海 201620； 2 上海工程技术大学 航空运输学院， 上海 201620； 3 上海市环境科学研究院 国家环境保护城市大气复合污染成因与防治重点实验室， 上海 200233)

0 引 言

航空工业的快速发展，环境问题日益突出。为了掌握民航飞机所产生的的污染物排放量，需要编制区域的民航污染物排放清单来了解所带来的环境问题。

目前，国外的一些部门，诸如：美国国家航空和航天局(National Aeronautics and Space Administration，NASA)、美国联邦航空管理局(Federal Aviation Administration，FAA)和欧盟委员会(European Commission，EC)等开发有航空排放计算模型绘制区域的排放清单。EuroControl实验中心开发了飞机性能模型，用于计算所有飞机的性能参数,覆盖了典型飞机任务的各个阶段[1]。Wasiuk等人[2]开发了飞机性能模型实现(APMI)软件，用于更新全球商用航空燃料燃烧和排放估算。Kim等人[3]开发了航空全球排放评估系统(System for assessing Aviation's Global Emissions，SAGE)。SAGE是一种高保真的计算机模型，用于预测某一年全球所有商业航班的飞机燃料消耗和排放量。

时下，国内暂未开发相关类似的排放模型工具，本文拟利用已公开的数据和方法对模型进行优化。研究中考虑到中国机场规模和机对数量的增加，因此基于Java语言编程[4]开发一种计算机场污染物排放量的软件模型，建立中国区域的排放清单。对此可展开研究论述如下。

1 软件系统开发

软件系统主要由3个部分组成，分别是：数据逻辑层、算法逻辑层和输出逻辑层。软件在Windows操作系统上执行，是用Java语言编写的，因为该种语言的性能和易用性满足了本文的数据处理需求，同时在数据加工时将会面临大量的文件输入/输出过程，因此就需要快速地读取和处理文本文件。接下来，对各个组件之间的关系将给出流程图的表现形式，详见图1。

图1 各模块之间的流程图

2 数据库开发

2.1 ICAO发动机排放因子数据库

ICAO排放数据库[5]包含已投入使用的各种喷气发动机的认证数据。数据是通过国际民航组织航空环境保护委员会(CAEP)的工作从制造商处收集得来的。收集未燃烧的HC、CO和NOx的排放标准，用于排放建模的主要数据是各种污染物的排放指数(EI)和相应的燃料流量。

2.2 机型与发动机匹配数据库

根据航空公司和飞机类别编制发动机计数分布，在每架飞机类别中，分数比重总是相加为1，并表示引擎在该机型中的分布情况。归纳整理部分的发动机分布数据库[6]，见表1。

表1 发动机的分布

2.3 飞机运行时间模式

飞机在机场的全部活动过程可以由起飞、爬升、进近和滑行/慢车四个阶段来描述，研究中标定了各阶段的标准工作时间[7],见表2。其中，滑行/慢车阶段实际工作时间为 26 min,这里主要包括了进港滑行7 min，出港滑行19 min。

表2 时间模式

2.4 商用飞机运行情况数据库

获取的信息是：年份、月份、机场三字代码、航空公司名称、离港机场代码、目的地机场代码、航线、航程公里数、匹配的发动机型号等信息。通过SQL数据库[8]进行数据筛选中国区域2017年运行的数据库，部分数据库如图2所示。

图2 飞机运行部分数据库

3 算法逻辑层

波音燃油流量方法2(Boeing Fuel Flow Method 2，BFFM2)[9-10]涉及使用国际民航组织数据库中的排放指数和相应的燃料流量来模拟CO、NOx和HC排放。为了明确起见，与高空条件相对应的预测燃料流量和排放量将称为“未校正”数值，而国际民航组织数据库中的燃料流量和排放量将称为“校正”，因为这些数值对应于参考条件：海平面的国际标准大气(ISA)。分别采用以下算法来完成排放计算。这里将阐释分述如下。

3.1 燃油流量校正算法

步骤1民航组织修正的4种燃料流量根据安装效果进行了调整。也就是说，每种燃料流量乘以一个调整(或校正)因子。经由波音公司提供的一个修正系数是在没有对应于飞机上发动机安装的燃油流量值的情况下使用的。这些因素的量值关系可表示为：

Wf=Wfi×r,

(1)

其中，Wf是校正和调整(安装效果)与参考条件相对应的燃料流量(kg/s)；Wfi是修正但未经调整的(安装效果)与参考条件相对应的国际民航组织数据库的燃料流量(kg/s)；r是修正系数：起飞为1.01、爬升为1.013、渐进为1.02和滑行为1.1，无量纲。

步骤2将发动机安装效果校正后的燃料流量与4种模式的排放因子建立了对数与对数图形，如图3所示。使用回归线性拟合绘制了NOx曲线，而CO和HC拟合则基于双线性方法。对于这种双线性方法，在2个较低的功率设置点之间创建一条线。 第二行是水平的，位于较高功率设置的2个垂直位置的中间。 在此基础上，将2条线简单地彼此相对延伸直到相交。 所有这些图均使用指定的对数值和拟合参数以编程方式来建模。

(a) EI对NOx的燃料流量的对数-对数图 (b) EI对CO、HC的燃料流量的对数-对数图

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

图3 排放因子EI对NOx，CO和HC的燃料流量的对数-对数图

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

步骤3使用规定的BFFM2方程将未校正的高空发动机实际燃料流量校正为国际标准大气压海平面条件下燃油流量，BFFM2方程式可写为：

(2)

δamb=Pamb/14.696,

(3)

θamb=(Tamb+273.15)/273.15,

(4)

其中，WfAlt是发动机实际燃油流量率(kg/s)；WfSL是海平面条件下的燃油流量率(kg/s)；Pamb是高空大气压力(psia)；Tamb是高空大气温度(℃)。

步骤4涉及将使用校正后的燃油流量和对数-对数图来确定相应的排放因子EI值。将步骤 3得到的海平面条件下的燃油流量率代入到步骤 2中对数图中分别得到相应的NOx、CO和HC排放因子。这些算法以编程方式进行的线性对数与对数拟合方程，而不是通过实际的图形选择的。

步骤5使用BFFM2规定的方程对未计算出的EI值进行校正，以反映高空飞行条件，将步骤 4得到相应的排放因子代入如下公式，运算求得校正后的排放因子：

(5)

(6)

(7)

其中，x和y默认值分别为1和0.5，H是湿度。

3.3 湿度校正算法

步骤6湿度校正。相应的数学公式具体如下：

H=(-19)×(ω-0.006 3),

(8)

(9)

Psat=0.014 504×10(β),

(10)

其中，H是湿度修正系数，无量纲；RH是相对湿度，一般取0.6；Psat是饱和水气压(kpa)；ω是比湿度，无量纲；这里，β是按照Goff-Grattch公式根据外界温度计算饱和水气压(Psat)，运算时将用到如下数学公式：

(11)

步骤7燃料燃烧和校正的排放因子用于计算CO、HC和NOx的排放量。研究推出的数学公式为：

ENox=Wf×EINoxAlt×Ti，

(12)

ECO=Wf×EICOAlt×Ti，

(13)

EHC=Wf×EIHCAlt×Ti.

(14)

其中，ENox、ECO、EHC分别是Nox、CO、HC的排放量(g)，Ti是飞机运行时间，详见表2。

4 结束语

(1)Java 的编程模型是一种简化的分布式编程模型，也是一种高效的任务调度模型，应用于大规模数据集的运算。具有简单性、兼容性、安全性、动态性等优点。

(2)在Java下构建SQL数据库，构建的数据库对应发动机排放数据，为计算民用飞机污染物排放量的计算提供了灵活的仿真平台。

(3)本文利用2017年中国商业飞机运输数据，通过该软件计算出中国的污染物燃料燃烧产生的碳氢化合物(HC)、一氧化碳(CO)、氮氧化合物(NOx)分别为3 753 t、49 789 t和95 205 t。