高春燕　李鵬

摘? 要：隨著民航運(yùn)輸?shù)男枨罅咳找嬖黾?，航空業(yè)的碳排放量也逐漸增多，由民航運(yùn)輸引起的環(huán)境問(wèn)題成為民航業(yè)各單位關(guān)注的重點(diǎn)。文章基于層次分析的方法深入分析發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)油，飛機(jī)結(jié)構(gòu)改裝節(jié)油，優(yōu)化航路結(jié)構(gòu)等多種節(jié)油減排相關(guān)技術(shù)的節(jié)油潛力。針對(duì)節(jié)油減排關(guān)鍵技術(shù)的部分指標(biāo)，利用MATLAB語(yǔ)言編程制作一套基于數(shù)據(jù)分析的航空公司多部門(mén)節(jié)油減排量測(cè)界面，為航空公司節(jié)油減排的工作提供技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：航空公司;節(jié)油減排;層次分析法;量測(cè)界面

中圖分類(lèi)號(hào)：F561? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2019）29-0076-04

Abstract： With the increasing demand for civil aviation transportation， the carbon emissions of the aviation industry have gradually increased， and the environmental problems caused by civil aviation transportation have become the focus of the civil aviation industry. Through the analytic hierarchy process （AHP） method， this paper deeply analyzes the fuel saving potential of various fuel-saving and emission reduction technologies， such as engine fuel economy， aircraft structure modification，fuel economy， and optimization of route structure. Aiming at some indicators of key technologies for fuel economy and emission reduction， the MATLAB language is used to program a set of airline multi-sector fuel-saving emission reduction measurement interface based on data analysis， which provides technical support for airlines to save fuel and reduce emissions.

Keywords： airline; fuel-saving and emission reduction; analytic hierarchy process （AHP）; measurement interface

引言

中國(guó)民用航空領(lǐng)域迅速發(fā)展和壯大的背后是以持續(xù)增長(zhǎng)的航空燃油消耗和航空碳排放量為代價(jià)的。各航空公司對(duì)節(jié)油減排工作的開(kāi)展和管理不僅會(huì)直接影響航空運(yùn)輸業(yè)的能耗水平，而且也和公司運(yùn)行成本密切關(guān)聯(lián)。因此航空公司的內(nèi)部調(diào)整，節(jié)油減排行動(dòng)刻不容緩。

前期，部分學(xué)者基于數(shù)據(jù)分析的方法對(duì)民航領(lǐng)域節(jié)能減排進(jìn)行建模預(yù)測(cè)，Balakrishnan H等[1]利用數(shù)據(jù)挖掘中的網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)對(duì)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，進(jìn)而深入研究飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的航空燃油消耗。Lawrance N R J等[2]基于近期的飛機(jī)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘。采用了K-最近鄰模型，高斯過(guò)程回歸模型，簡(jiǎn)單線(xiàn)性模型，及動(dòng)力學(xué)模型對(duì)噴氣式飛機(jī)進(jìn)行燃油預(yù)測(cè);田乾乾[3]利用單因素分析法研究節(jié)能減排的指標(biāo)及影響因素，使用數(shù)據(jù)挖掘中數(shù)據(jù)分類(lèi)和回歸分析的算法，建立出噸公里油耗模型。用最小二乘法求解該模型的具體表達(dá)式，并對(duì)表達(dá)式進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，比較模型中參數(shù)的貢獻(xiàn)率大小，最后構(gòu)建出民航節(jié)能減排決策系統(tǒng)。鄒迎歡[4]利用數(shù)據(jù)挖掘中的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建了油耗模型，基于QAR（Quick Access Recorder，快速存儲(chǔ)記錄器）空客320機(jī)型固定航段提出了節(jié)油方法并進(jìn)行油耗預(yù)測(cè)。本文對(duì)航空公司節(jié)油減排的關(guān)鍵技術(shù)確立分析指標(biāo)進(jìn)行了數(shù)據(jù)分析，用MATLAB語(yǔ)言進(jìn)行節(jié)油減排量測(cè)界面研究設(shè)計(jì)，完成了基于層次分析法確定節(jié)油貢獻(xiàn)度的節(jié)油減排量測(cè)界面的設(shè)計(jì)和功能的實(shí)現(xiàn)。

1 節(jié)油減排指標(biāo)體系建立

1.1 指標(biāo)體系的確立原則和流程

航空公司節(jié)油減排的關(guān)鍵指標(biāo)必須在不影響航班運(yùn)行安全和盡量提高效率等情況下通過(guò)分解，提煉，合并來(lái)綜合確定。因此，構(gòu)建的指標(biāo)要符合以下的原則：

（1）綜合能效性：要根據(jù)節(jié)油減排的要求或標(biāo)準(zhǔn)來(lái)出發(fā)去完成任務(wù)，基于航空公司的角度廣泛全面去探索了解所制定的節(jié)油技能，來(lái)明確所需監(jiān)測(cè)指標(biāo)應(yīng)該采用的監(jiān)測(cè)形式和要達(dá)到的目標(biāo)，從而初步建立評(píng)估指標(biāo)。

（2）可預(yù)測(cè)性：在征詢(xún)了航空公司領(lǐng)域的眾多專(zhuān)家的意見(jiàn)后，將理想化的未能實(shí)際運(yùn)用在一線(xiàn)的和目前研究能力未能測(cè)量統(tǒng)計(jì)得到的指標(biāo)排除在外。

（3）科學(xué)合理性：要根據(jù)指標(biāo)自身所制定的指導(dǎo)原則和方案，對(duì)設(shè)計(jì)的評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行界定和論證評(píng)估，使其具有一定的科學(xué)依據(jù);形成一套在航空公司實(shí)際運(yùn)行中合理有效，科學(xué)規(guī)范的指標(biāo)體系。指標(biāo)體系的建設(shè)過(guò)程如下。

a.通過(guò)查閱文獻(xiàn)，搜集國(guó)內(nèi)目前航空公司節(jié)油減排的現(xiàn)狀，國(guó)內(nèi)航空公司的發(fā)展現(xiàn)狀和指標(biāo)評(píng)估方法等方面，分析和總結(jié)能夠反映出國(guó)內(nèi)航空公司節(jié)油減排績(jī)效的指標(biāo)，然后歸納概括出指標(biāo)并確定指標(biāo)的屬性。

b.反復(fù)分析考慮指標(biāo)體系是否合理涵蓋了評(píng)估航空公司節(jié)油減排績(jī)效的幾個(gè)易分析又最實(shí)際有效方面。

c.咨詢(xún)航空公司性能領(lǐng)域?qū)＜耀@取其意見(jiàn)和建議。

d.分析和論證專(zhuān)家們所給出的意見(jiàn)和建議，選擇可行性指標(biāo)，量化定性指標(biāo)，指標(biāo)體系流程的創(chuàng)建如圖1所示。

1.2 航空公司節(jié)油減排指標(biāo)

航空公司節(jié)油減排包括節(jié)油和減排兩部分內(nèi)容，但是目前國(guó)內(nèi)外航空領(lǐng)域?qū)τ诠?jié)油減排的統(tǒng)計(jì)、研究和分析，主要是通過(guò)節(jié)油量數(shù)據(jù)來(lái)反映出二氧化碳的排放量。據(jù)相關(guān)研究顯示，通常航空公司使用的燃油，每消耗1噸，產(chǎn)生的二氧化碳量為3.15噸。所以確立的各個(gè)指標(biāo)，后續(xù)主要以節(jié)油值為切入點(diǎn)，分析節(jié)油減排。

1.2.1 APU替代設(shè)施使用指標(biāo)

APU屬于渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)，油耗和碳排放均處于較高水平。在飛行操作方面應(yīng)盡可能縮短APU的工作時(shí)間，或選擇使用地面供電裝置代替飛機(jī)APU在航前航后地面上等待的時(shí)間。

飛機(jī)在航前航后期間主要通過(guò)使用地面空氣源車(chē)輛和供電車(chē)輛，提高基地現(xiàn)有GPU代替APU的使用率。航前機(jī)務(wù)人員使用橋載電源、電源車(chē)、氣源車(chē)為航班供應(yīng)電源和氣源;航后機(jī)組人員下機(jī)后在規(guī)定時(shí)間內(nèi)機(jī)務(wù)及時(shí)關(guān)閉APU，改用地面電源裝置供電，優(yōu)化航線(xiàn)工作流程，從而在保障航線(xiàn)工作正常的基礎(chǔ)上降低地面耗油量，為公司節(jié)省燃油費(fèi)用。

1.2.2 計(jì)劃落地剩油指標(biāo)

由于工作經(jīng)驗(yàn)和其他條件的不同，各航空公司不同的簽派員對(duì)航班放行所需的額外燃油有不同的預(yù)測(cè)。航空公司應(yīng)對(duì)每個(gè)航班放行人員的特點(diǎn)進(jìn)行簡(jiǎn)要分析，制定節(jié)省燃油的績(jī)效管理方案，鼓勵(lì)減少航班的額外燃油，培養(yǎng)簽派員節(jié)約燃油的意識(shí)。在做飛行計(jì)劃時(shí)，通過(guò)系統(tǒng)性解析航班數(shù)據(jù)，仔細(xì)研究天氣演變趨勢(shì)，提倡精細(xì)化放行，從而在安全順暢的基礎(chǔ)上合理降低航班的落地剩油，減少多加油帶來(lái)的燃油損耗，降低了公司的經(jīng)營(yíng)成本，提高了經(jīng)營(yíng)效率。

1.2.3 動(dòng)態(tài)發(fā)動(dòng)機(jī)水洗指標(biāo)

各公司根據(jù)飛機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)行情況制定計(jì)劃，定期清理發(fā)動(dòng)機(jī)的氣流通道，保持氣流容量，減輕發(fā)動(dòng)機(jī)的性能衰減，定期清洗后發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油效率恢復(fù)約5%后，有效降低燃料消耗。具體計(jì)劃是發(fā)動(dòng)機(jī)工程師根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和當(dāng)前實(shí)際情況發(fā)出EO（Engine Order，工程指令）控制發(fā)動(dòng)機(jī)清洗間隔，生產(chǎn)計(jì)劃或相關(guān)部門(mén)將安排實(shí)施。通過(guò)每月統(tǒng)計(jì)和分析發(fā)動(dòng)機(jī)清洗數(shù)據(jù)，計(jì)算實(shí)際飛行小時(shí)燃料節(jié)省率。并篩選出未按時(shí)清洗的飛機(jī)，通過(guò)每小時(shí)飛行燃油節(jié)省率評(píng)估發(fā)動(dòng)機(jī)清洗的實(shí)施情況，尋找實(shí)施發(fā)動(dòng)機(jī)清洗要求的未實(shí)現(xiàn)原因，以為公司節(jié)省燃料成本。

1.2.4 飛行距離優(yōu)化指標(biāo)

航空公司應(yīng)積極與空中交通管制部門(mén)和空軍部門(mén)溝通，合理進(jìn)行航線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃設(shè)計(jì)，共同完成臨時(shí)路線(xiàn)的開(kāi)辟，提高直飛率，縮短距離，減少油耗、飛行時(shí)間和航班延誤，節(jié)約航空燃油成本。

2 節(jié)油減排量測(cè)分析

根據(jù)確定貢獻(xiàn)度的需求，本文采用層次分析法來(lái)確定權(quán)重。

（1）建立層次結(jié)構(gòu)模型：根據(jù)要求各指標(biāo)貢獻(xiàn)度的目標(biāo)，把準(zhǔn)則層，即影響因素分為三個(gè)：節(jié)油操作難易程度，節(jié)油效率，公司規(guī)模。可優(yōu)選的方案P1，P2，P3，P4分別為：飛行距離優(yōu)化，APU替代設(shè)施，發(fā)動(dòng)機(jī)水洗，計(jì)劃落地剩油。將決策的目標(biāo)，考慮的因素和決策的對(duì)象按它們之間的相互聯(lián)系劃分成最高層，中間層及最底層，畫(huà)出層次結(jié)構(gòu)圖，如圖2所示。

（2）構(gòu)造成對(duì)比較（判斷）矩陣：判斷矩陣是將這一層中所有因素的對(duì)上層某一因素的相對(duì)重要性進(jìn)行比較。一般每層不宜超過(guò)九個(gè)因素。判斷矩陣標(biāo)度方法如表1所示。

通過(guò)專(zhuān)家打分結(jié)果構(gòu)造準(zhǔn)則層對(duì)于目標(biāo)層的判斷矩陣Z，同理構(gòu)造決策層對(duì)準(zhǔn)則層的判斷矩陣A1，A2，A3。

（3）層次單排序及其一次性檢驗(yàn)

對(duì)于成對(duì)比較矩陣Z，A1，A2，A3，先求出矩陣的相應(yīng)特征向量W及最大特征根？姿max，隨即進(jìn)行一致性檢驗(yàn)：

其中，CI、CR、RI、n分別為：一致性指標(biāo)、檢驗(yàn)系數(shù)、平均隨機(jī)一致性指標(biāo)、判斷矩陣階數(shù)。

當(dāng)CR<0.1時(shí)，一般認(rèn)為判斷矩陣通過(guò)一致性檢驗(yàn)，一致性可以接受。

（4）層次總排序及其一次性檢驗(yàn)

為了得到遞階層次結(jié)構(gòu)中每層次中所有元素相對(duì)于目標(biāo)層的相對(duì)權(quán)重，需要把前一步結(jié)果進(jìn)行恰當(dāng)組合，計(jì)算出總排序的相對(duì)權(quán)重，并進(jìn)行層次總排序的一次性檢驗(yàn)。如果分析結(jié)果通過(guò)了檢驗(yàn)，便可以用于決策，否則需要重新調(diào)整判斷矩陣再進(jìn)行分析。

3 量測(cè)分析界面的實(shí)現(xiàn)

由于本文中需處理的數(shù)據(jù)較多，且涉及矩陣計(jì)算，圖形用戶(hù)界面設(shè)計(jì)， GUI程序編寫(xiě)，函數(shù)調(diào)用及繪圖的功能等需求，本文選擇MATLAB完成程序設(shè)計(jì)。

3.1 量測(cè)界面的功能分析

本文利用MATLAB GUI的菜單、按鈕、坐標(biāo)軸、文本框等組件，編寫(xiě)了各功能模塊的接口和回調(diào)過(guò)程，分析設(shè)計(jì)的總體思路如下：

（1）節(jié)油減排量測(cè)界面的功能主要分為兩部分：一部分是量測(cè)功能：對(duì)各項(xiàng)目指標(biāo)進(jìn)行數(shù)值和權(quán)重量化，得到相應(yīng)的完成率和權(quán)重值;另一部分是查詢(xún)顯示功能：對(duì)處理后產(chǎn)生的數(shù)值結(jié)果進(jìn)行文本框和圖像展示，最后根據(jù)查詢(xún)結(jié)果進(jìn)行分析。

指標(biāo)數(shù)值統(tǒng)計(jì)計(jì)算模塊包括幾個(gè)模塊：月報(bào)數(shù)據(jù)輸入模塊、數(shù)值對(duì)比量測(cè)模塊、完成率計(jì)算模塊，結(jié)果顯示模塊。程序運(yùn)行流程如圖3所示。

（2）各項(xiàng)目指標(biāo)的貢獻(xiàn)度計(jì)算模塊包括以下幾個(gè)步驟：輸入已經(jīng)構(gòu)造好的判斷矩陣，計(jì)算單向量排序，判斷一致性是否接受，計(jì)算總排序，判斷一致性是否接受，結(jié)果展示分析，比較權(quán)重大小排序。程序運(yùn)行流程如圖4所示。

3.2 量測(cè)界面運(yùn)行結(jié)果展示分析

（1）界面一：處于初始狀態(tài)時(shí)，界面如圖5所示。初始化界面的下拉按鈕下包含有四個(gè)可查詢(xún)項(xiàng)目：P1飛行距離優(yōu)化;P2 APU替代設(shè)施;P3 發(fā)動(dòng)機(jī)水洗;P4計(jì)劃落地剩油控制。文本框一中輸入具體的年月，要輸入六位數(shù)字，如201809，代表要查詢(xún)2018年9月的情況。二中輸出對(duì)應(yīng)年月的實(shí)際值，目標(biāo)值，完成比率。如需重新選擇查看的項(xiàng)目和日期，點(diǎn)擊清空即可。

（2）當(dāng)輸入201810，選擇P1飛行距離優(yōu)化時(shí)，點(diǎn)擊“加載數(shù)據(jù)”按鈕，再點(diǎn)擊“查詢(xún)”，界面運(yùn)行如圖6所示。

對(duì)2018年10月的P1飛行距離優(yōu)化項(xiàng)目進(jìn)行分析的結(jié)果如下，由文本框輸出結(jié)果可知，當(dāng)月的實(shí)際值高于目標(biāo)值，完成比率超過(guò)100%，完成節(jié)油效果好，實(shí)現(xiàn)了當(dāng)月的節(jié)油目標(biāo)。同理，其他月份和其他項(xiàng)目的查詢(xún)也可以實(shí)現(xiàn)顯示，然后進(jìn)行分析。

（3）界面二：此界面用與顯示權(quán)重部分內(nèi)容及各項(xiàng)目的圖像功能。初始界面狀態(tài)如下，同樣有響應(yīng)各功能的按鈕，圖形顯示區(qū)域，及輸出值文本框，如圖7所示。

（4）當(dāng)選擇項(xiàng)目為P1飛行距離優(yōu)化時(shí)，點(diǎn)擊“加載數(shù)據(jù)”按鈕，再點(diǎn)擊“實(shí)際值”按鈕，運(yùn)行界面如圖8所示。

依據(jù)運(yùn)行的結(jié)果，可以根據(jù)飛行距離、目標(biāo)值和完成比率優(yōu)化各項(xiàng)目實(shí)際值對(duì)應(yīng)的圖像，以此可直觀(guān)明了地看出各個(gè)月份的項(xiàng)目節(jié)油趨勢(shì)。

（5）點(diǎn)擊“完成率剖面”，界面輸出如圖9所示：

圖9與圖8不同之處是，用戶(hù)可同時(shí)看出四個(gè)項(xiàng)目的節(jié)油情況，可以形成直觀(guān)的參考對(duì)比，全面了解各個(gè)節(jié)油項(xiàng)目的開(kāi)展達(dá)標(biāo)率。

（6）點(diǎn)擊“加載數(shù)據(jù)”，再點(diǎn)擊“各目標(biāo)權(quán)重值”時(shí)，界面運(yùn)行如圖10所示。

從此界面運(yùn)行結(jié)果中，用戶(hù)可以得出各項(xiàng)目的權(quán)重值，并直觀(guān)看出各項(xiàng)目的權(quán)重值大小，根據(jù)以此得出決策層中四個(gè)項(xiàng)目的貢獻(xiàn)度大小，貢獻(xiàn)度最好的依次是P1 飛行距離優(yōu)化，P4 計(jì)劃落地剩油，P2 APU替代設(shè)施，P3 發(fā)動(dòng)機(jī)水洗。航空公司可根據(jù)貢獻(xiàn)度現(xiàn)狀來(lái)從各個(gè)方面對(duì)指標(biāo)項(xiàng)目進(jìn)行調(diào)整，優(yōu)化節(jié)油減排措施。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種基于層次分析法確定節(jié)油貢獻(xiàn)度的研究方法，并應(yīng)用MATLAB軟件實(shí)現(xiàn)了節(jié)油減排量測(cè)界面的設(shè)計(jì)。由于數(shù)據(jù)有限，本文數(shù)據(jù)分析上使用的方法有待深化補(bǔ)充，層次分析法有無(wú)法避免的主觀(guān)成分，未來(lái)可以繼續(xù)深入完善。

參考文獻(xiàn)：

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