摘要：隨著排放對環境的影響日趨嚴重，排放成本被納入飛行總成本的趨勢已成為必然.在對基礎飛行成本模型進行改進過程中，為了準確計算飛機排放量，依據機載QAR(QuickAccessRecorder，快速存取記錄器)數據中表征發動機實際運行的諸多參數，準確獲取排放量，進而利用改進飛行總成本模型計算實際飛行成本.同時，討論了燃油成本、時間成本及排放成本在綜合成本中所占的比例.結果表明，燃油成本占比最大，約為41.63%;時間成本約占34.13%，排放成本占比達到24.24%，超過燃油成本的1/2.由此可見，排放成本對總成本影響很大，其影響不可忽視，多方面考慮計算排放量及排放成本，可為航空公司初步評估飛機運行成本提供有效依據.

　　關鍵詞：環境污染;QAR數據;排放成本;綜合成本

　　1引言(Introduction)

　　民用航空發動機排放污染物主要包含氮氧化物(NOx)、未燃碳氫(HC)、一氧化碳(CO)、二氧化硫(SO2)與顆粒污染物(PM)，其對環境危害主要分為兩大類：機場區域環境空氣質量和全球范圍的氣候變化(張弛等，2015).為控制逐年增加的污染物排放，減緩對環境的危害，歐盟已設立有關航空排放污染物的環境保護稅，針對污染物排放實行明確定價(Cooketal.2008)，旨在通過經濟手段來控制航空排放對環境的影響.為此，國內外學者已開始將污染物排放成本納入飛行成本之中，開展考慮排放的飛行總成本及減少排放成本方面的研究(魏志強等，2016;Edwardsetal.2016).Cook等(2008)通過對不同污染物之間的權重問題進行研究，提出了包含排放成本的動態成本指數概念，用于對航班延誤的分析。

　　Grewe等(2013)將航空排放成本首次引入到飛行成本之中，用以實現對飛行軌跡的優化研究;Wang等(2014)開展了降低飛機排放和成本的多目標化設計，通過改變重要的幾何變量和飛行參數，對溫室效應和飛機直接運行成本進行了近似敏感性分析和多目標化設計;Edwards等(2016)針對航空成本指數和航空碳排放的未來進行了詳細研究，得出碳排放對環境的嚴重影響及未來的發展趨勢;魏志強等(2016)建立了污染物排放量和排放成本計算模型，結合國際民航組織(InternationalCivilAviationOrganization，ICAO)排放數據庫給定的飛行數據，改進飛行成本計算模型，考慮污染物排放對飛行成本優化的影響;Tian等(2019)針對優化巡航飛行性能以最大程度減少綠色直接運行成本，降低飛機運行對環境造成的嚴重影響.

　　上述研究提出了成本指數概念，實現了考慮排放成本的總成本計算與分析，但由于未結合實際飛行數據，不能通過實際污染物排放來分析排放各影響因素對飛行成本的影響.要完成對排放成本的分析，必須首先保證排放量計算的準確性和完整性.Pham等(2010)針對澳大利亞的基礎航跡數據，建立了精度為1°×1°×1000ft(1ft=30.48cm)的四維排放數據庫清單;Owen等(2010)估算了2050年全球航空活動所造成的污染物排放量;魏志強等(2010)依據ICAO排放數據庫數據，對各個飛行階段的污染物排放量進行了估算;韓博等(2017)針對一次航班全航段飛行全過程大氣污染物排放特征進行了研究.

　　本課題組利用實際運行的QAR數據，結合ICAO提出的P3-T3方法，對污染物基準排放指數進行修正，完成了對飛機起降著陸循環(Landingandtake-off，LTO)階段氮氧化物排放量的計算與分析(曹惠玲等，2019)，為進一步的排放成本計算打下了基礎.航空排放污染物主要受到發動機燃油流量(FuelFlow，FF)、運行時間(TimeInMode，TIM)與排放指數(EmissionIndex，EI)的影響(ICAO，2011).實際運行中，燃油流量、運行時間與ICAO給定的基準值有所不同，而污染物排放指數也會隨著實際飛行工況時刻變化.QAR數據包含飛機運行實時燃油流量、飛行時間及表征飛行操縱和發動機運行的諸多參數(曹惠玲等，2020).

　　基于QAR數據，本文針對GE90⁃115B型發動機單架次全航段污染物進行排放量計算，改進污染物排放成本模型，提出考慮燃油成本、時間成本、排放成本和固定成本的飛行總成本模型，重點分析排放對飛行成本的影響.以期能夠真實評估執行具體飛行任務的具體航班全航段的飛行成本，為確立結合飛機實際運行狀況的飛行總成本及討論污染物排放對飛行成本的影響提供一定的理論依據.

　　2飛行成本模型(Flightcostmodel)

　　目前國內外各大航空公司都習慣于使用自己的成本細化計算方法，從財務管理的角度出發，把飛機運行成本劃分為“固定成本”和“變動成本”兩大類，其中，“變動成本”主要是指隨著運輸量(包含：飛行小時、起降次數、運輸周轉量或者乘客數量)變動的成本，“固定成本”則是指不會隨著運輸量變化的成本.

　　在針對飛行成本進行研究時，選擇獨立成本模塊進行飛行綜合成本研究，主要選取變動成本中的燃油成本、時間成本和排放成本進行計算分析.固定成本的細化方法，根據不同航空公司，有不同的劃定標準.國內劃定固定成本和變動成本，主要是根據飛機主要技術參數(飛機座位數或者商載、起飛和著陸重量、航程和相應的航油及航時、維護性和可靠性等)、航空公司的主要運行參數(機隊規模、年利用率、上座率和航段距離等)、經濟環境參數(飛機起降費用、地面操作費用和導航費的收費標準、維修勞務費率等)及其他綜合管理成本等因素.

　　不同航空公司的運營環境和商業模式有所不同，同一款機型在不同的航空公司運營可能有不同的成本和收益.如果把與機型運行無關或者關系不大、但與運營環境和商業模式關系密切的這一類固定成本分離出去，形成更為直接的成本分析模型，此類成本模型將對于各類航空公司普遍適用，不局限于某種運營環境、商業模式甚至某種單一機型，可以更為清晰地反映出研究中所需要的結果，普適性更高.因此，本文針對固定成本進行研究時，根據表1中的分類，將其選為常數，不再進行具體計算討論.

　　2.1飛行成本基礎模型

　　污染物排放價格定義為：航空器每排放單位質量污染物須繳納的費用.歐盟已設立有關航空排放污染物的環境保護稅，通用飛機在運行中向大氣環境排放氣態及顆粒污染物，需要向環保部門繳納相應的環境保護費用，以此來限制航空排放對環境的影響.目前國內在航空污染物排放價格方面理論研究較為匱乏，本文參照歐洲空管局(EuroControl)發布的年度運營成本報告中燃油及氣態污染物排放價格進行成本計算(按照當下1��=7.8212元換算)(Cooketal.，2008)，顆粒污染物排放目前還未有價格研究，本文計算時應用經濟學家詹恩·丁伯根提出的影子價格理論對顆粒污染物排放價格進行估算以作為參考計算值(梁丹青，2014).

　　2.2時間成本

　　時間成本主要包含機務維修成本中與時間相關的部分、飛行階段客艙服務費和機組人員飛行小時費這3項基礎費用，其他時間成本因素由于隸屬航空公司的不同，無法進行統一度量，故而本文不進行討論.時間成本計算按照威斯敏斯特大學運輸研究小組提出的基于飛機類型、機組和乘務人員數量、飛行距離等因素劃分低、中、高3種不同情況的研究方案(Koetseetal.，2009;Nygrenetal.，2009;Gelhausenetal.，2013)，根據Edwards等(2016)針對上述3種情況得到的計算方法，考慮中國航空公司成本細化情況，得到適用于本次航班的3種不同情況下的單位時間成本.

　　3污染物排放計算模型

　　(Pollutantemissioncalculationmodel)為了獲得準確的排放成本，須先獲得真實的污染物排放量.本文選擇現役主流寬體機型B777⁃300ER的動力裝置GE90⁃115B發動機作為研究機型，依據實際飛行QAR數據，首先進行航段劃分，然后使用P3⁃T3方法和形成氧化法(FormationOxidationMethod，FOX)，利用相對應的發動機性能參數對每一瞬態的排放指數進行修正，結合實時燃油流量，經過時間積分得到完整航段的污染物排放量.

　　3.1氣態污染物排放指數修正

　　發動機排放污染物中，SO2和CO2只與燃油消耗量成正比關系，與其他發動機性能參數無關，不需要對其排放指數修正(ICAO，2011).而NOx、HC和CO的排放與發動機性能相關，需要根據發動機實時運行狀況和相關參數對排放數據庫中基準狀態下的數據進行修正，獲得真實的排放指數.對排放指數進行修正之前，首先根據飛行高度、飛行馬赫數、低壓轉子轉速、油門桿解算器角度等參數對飛行階段進行精準劃分，據此可以確定飛機在不同航段中具體的飛行時間和燃油消耗量.依據ICAO排放數據庫中對應的各分階段基準排放指數，采用P3⁃T3方法對其進行修正，獲得與實際飛行階段相對應的實際排放指數.

　　4案例分析(Caseanalysis)

　　4.1飛機基本參數

　　選擇從上海浦東國際機場(ICAO代碼：ZSPD)飛往加拿大溫哥華機場(ICAO代碼：CYVR)某次航班，機型B777⁃300ER，發動機型號GE90⁃115B，飛行時間10.38h，飛行距離9031km.對機載QAR數據進行預處理：剔除野值、采用拉格朗日內插公式對轉譯遺漏數據進行補充，去除各方面干擾而造成的波動.

　　在完成預處理的QAR數據中提取所需要的發動機相關性能參數，采樣時間間隔選擇1s，采集到的實際飛行數據包括飛行高度、飛行馬赫數、環境總溫等參數.從ICAO組織公布數據庫(ICAO，2013)和機場空氣質量手冊(ICAO，2011)中查得GE90⁃115B型發動機的基準燃油流量和排放數據，其數據是在基準條件下由車臺實驗數據獲得.

　　4.2污染物排放量計算

　　4.2.1飛行階段劃分

　　將所選航班飛行全過程劃分為滑行起飛爬升階段、高空飛行階段與進近著陸階段，依據實際數據獲取的各階段飛行時間與飛行高度.其中，滑行起飛爬升階段包含發動機啟動之后的機場滑行、起飛、爬升3個階段，主要指滑出停機位飛至1000m高空之內的出港活動;高空飛行階段主要是1000m高空之后，繼續爬升至穩態巡航高度，完成穩態巡航之后下降至1000m高空準備進港之前的飛行活動;進近著陸階段主要是1000m高度以下，完成下降、進近、著陸的飛行活動.

　　4.2.2飛行全航段燃油消耗量

　　飛行過程中由于飛行狀態不同，燃油流量和污染物排放指數時刻發生變化，導致各個階段燃油消耗量和污染物排放量均不相同.各階段航空發動機的燃油消耗量與發動機的推力呈正相關，通過對機載QAR數據中飛行階段內每一時間幀下的燃油流量進行加和得到全航段燃油消耗總量為41302.76kg。

　　發動機排放污染物真實排放量與ICAO給定基準值之間存在較大差距，不僅與飛行時間、飛行狀態相關，發動機自身的性能也受到外界環境條件、工作年限和維護狀態等諸多因素影響;考慮到降低油耗和起飛噪聲等，實際飛行過程中，飛行員也會被要求實行減推力等飛行操作，這也使得實際污染物排放量與給定基準值有較大差異.由此可見，排放數據庫給定基準排放數據更適合用于針對固定機型的統計分析，為了更為準確地評估執行具體飛行任務的具體航班單架次飛行成本，應以結合實際飛行數據計算的污染物排放量作為成本計算基準.

　　4.3飛行成本計算

　　4.3.1燃油與排放成本

　　依據計算得到的各階段排放量，結合其中燃油及污染物排放價格可得飛行全航段燃油成本及污染物排放成本，長航程排放污染物中NOx排放成本最高，占比高達69.34%，當局須高度重視減少NOx排放量的實施措施，進而減少其高昂的排放成本;目前CO2排放量最多，但由于碳排放價格較其他污染物低，排放成本次之，近乎少于NOx排放成本的1/2，占比約為25.09%;SO2的排放量較低，單價較高，排放成本也不可忽視，占比約為5.24%;HC、PM和CO的排放成本最低，占比分別約為0.18%、0.08%和0.07%.

　　4.3.2時間成本

　　鑒于所選航班飛行時間長、機組人員多、乘客數量龐大、飛行距離遠等實際情況，選擇2.3節中所述的高時間成本情況進行計算研究.由公式(4)結合其中實際飛行時間(622.93min)，得到全航段時間成本為206607.19元.

　　4.3.3成本綜合

　　剔除視為常數的固定成本，燃油成本為綜合成本中占比最大的一項，占比約為41.63%.時間成本占比次之，約為燃油成本的2/3，隨著航程、機組人員等因素的增加，時間成本仍會繼續增加，在本次航班飛行過程中，占比約為34.13%.一直未納入成本計算的污染物排放成本在長航程成本占比中達到24.24%，多于燃油成本的1/2之上，愈加說明排放對飛行成本的重要影響.

　　5結論(Conclusions)

　　1)污染物排放指數經修正后納入計算模型得到飛行全航段實際污染物排放量，與ICAO基準模型LTO階段估算結果進行比對，實際飛行時間相較基準模型多20%;而因燃油流量小于基準數值，導致實際燃油消耗量較基準數值少5%，直接導致與燃油消耗量成正比的SO2和CO2排放量也較基準數值少5%;其它污染物排放量也較基準數值有所增減，其中，NOx和PM排放量多于基準值，其他污染物排放量均少于基準值.

　　2)對不同種類成本進行經濟性量化，計算得出全航段飛行綜合成本中，燃油成本占比最大，約為41.63%;時間成本占比達到了燃油成本的2/3，約為34.13%;基礎模型中未納入的排放成本占比達到24.24%，多于燃油成本的1/2.3)納入污染物排放成本，完善了飛行成本計算模型，可更為真實地量化飛機運行的經濟性成本，同時表明排放成本對飛行成本的影響不可或缺，為確立結合飛機實際運行狀況的飛行總成本計算提供了參考依據.

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　　作者：曹惠玲，晏嘉偉∗，李玉銘