观点|绿色大滑梯超棒！CCO/CDO运行国内实践应用效果分析

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本文作者：马林南 张军峰 隋东 胡荣 刘鲁江

摘要：连续爬升与连续下降运行，作为节能减排降噪的新技术，在航空发达国家的枢纽机场广泛实施。

鉴于此，以建设绿色机场、节能减排降噪为目标，针对国内大型枢纽机场繁忙时段扩容增量和非繁忙时段节能减排的差异化需求，以机场、航司、空管和民众的现实需求为引导，以促进空管真情服务为契机，实现国内连续爬升与连续下降运行的实践应用。

本文从背景、研究、实施与总结四个角度梳理与展现了连续爬升与连续下降运行在国内机场的实践应用。

1. 连续爬升与连续下降运行背景

近年来，噪声、油耗与排放等环境问题日益凸显，如何在安全运行的前提下，尽可能地降低燃油消耗、缓解机场噪声、减少废气排放等以成为民航业关注的焦点。连续爬升运行（Continuous Climb Operations，CCO）与连续下降运行（Continuous Descent Operations，CDO）正是基于上述背景，由航空发达国家相继提出。

连续爬升运行是指通过设置最佳的速度、推力，以连续爬升的方式尽快获得初始巡航高度。连续下降运行是指飞行员或自动驾驶仪对航空器构型和油门管理，使得航空器尽可能以闲置推力、连续下降的方式进场、进近与着陆。随着CCO/CDO研究、验证与应用的不断深入，减少发动机损耗、降低机组工作负荷、缩短飞行时间等潜在优势也逐渐显现，被越来越多的国家所接受，其中CDO验证与应用情况如表1所示。

与此同时，《国务院关于促进民航业发展的若干意见》中确定“到2020年，我国初步形成安全、便捷、高效、绿色的现代化民用航空体系”；《中国民用航空发展第十三个五年规划》中要求“绿色发展深入推进。建成绿色民航标准体系，吨公里能耗和二氧化碳排放量五年平均比“十二五”下降4%以上”；冯正霖局长指出要进一步推进建设 “平安机场、绿色机场、智慧机场、人文机场”。总之，我国民航发展已站在新起点，面临新要求，必须发展新技术，采取新措施。鉴于此，国内实践应用连续爬升与连续下降运行势在必行。

表1 欧美国家机场连续下降运行验证与应用情况

时间

国家

机场

效果

2004

美国

Louisville International Airport

节约燃料400~500磅；

进近时的噪音峰值降低了3.9~6.5分贝；着陆过程中氮氧化物排放量减小了30%；

进近飞行时间最多减少了147秒。

2006

美国

Louisville International Airport

减少118-147秒的进近飞行时间；

减少5%-12%的燃油消耗；

减少12%-33%的航空噪声影响面积；

减少37-40%的氮氧化物的排放；

减少29%-40%的一氧化碳的排放；

减少29%-39%的碳氢化合物的排放。

2006

荷兰

Schiphol Airport

降低了6-12分贝的噪音；

节约了50-1000磅燃油（根据机型不同）。

2008

瑞典

Stockholm Airport

进行了4000次进近运行；

节约了240吨燃油；

减少了756吨二氧化碳的排放

减少了2.6吨氮氧化物的排放。

2009

土耳其

International Istanbul Airport

B757每次飞行节约40公斤燃油；

节省120秒飞行时间；

减少120公斤二氧化碳排放。

2. 连续爬升与连续下降运行研究

2.1 总体技术思路

面向“积极建设绿色民航”的发展需求，为保障连续爬升与连续下降运行在国内的顺利实践应用，采用如下的总体技术思路：

联合机场、空管局、航空公司、院校，共建多赢，融合共享，构建了“政产学研用”协同的新思想。

从程序设计、运行建模、模拟验证到试飞与试运行（图1-图3），提出了新技术从抽象到具体、从理念到应用的新方法。

针对运行前与运行后的不同特点，研究了CCO/CDO的燃油消耗、污染物排放、噪声影响以及人员负荷评估的新技术。

图1飞行模拟验证

图2 管制模拟验证

图3试飞验证

2.2

具体技术方案

2.2.1 基于四维航迹的CCO/CDO剖面设计

将航空器视作质点，以CCO/CDO的标称垂直剖面作为输入，利用各机型的性能参数，以及环境模型，基于航空器爬升与下降时的动力学及运动学模型，利用四阶龙格库塔法进行求解，获得各类机型的垂直剖面，并以此为依据设计CCO/CDO程序的高度与速度限制，具体技术方案如图4所示。

图4 基于航迹预测的程序设计技术方案示意图

2.2.2 基于蒙特卡洛模拟的CCO/CDO间隔分析

利用龙格库塔的正/反向积分，生成标称CCO/CDO航迹生成。考虑风、航空器速度、质量的不确定性对航空器运行的影响，生成四维航迹集。基于蒙特卡洛模拟，分析管制移交间隔对航空器安全运行的影响，具体技术方案如图5所示。

图5 基于蒙特卡洛模拟的间隔分析技术方案示意图

2.2.3 基于模型的CCO/CDO运行前评估

1）基于BADA的燃油消耗评估

项目一方面利用各型号发动机在起飞、爬升、进场和滑行典型工作状态下燃油流量，以及各工作状态下所耗时间，获得油耗总量；另一方面利用航空器模型或回归模型，拟合或估计航空器燃油消耗率，从而计算油耗总量。

2）基于LTO的废气排放评估

项目针对CCO/CDO的运行特点，采用国际民用航空组织发布的“Aircraft Engine Exhaust Emissions Data Bank”的污染物排放指数进行分析。找出影响高空排放指数的相关参数，推算并修正不同状态下的污染物排放指数，最终估算出实际状态下高空污染物的排放量。

3）基于NPD的噪音影响评估

项目利用Eurocontrol的噪音性能数据库（NPD，Noise Performance Database），基于发动机型号、推力大小、距离以及地形与气候特性，插值计算各类指标下的噪音大小与影响范围。

4）基于眼动仪的管制负荷评估

利用眼动仪评估管制负荷时，首先，设计管制模拟方案，包括模拟场景、飞行计划、人员分工、任务要求等；接着，安装和调试faceLAB系统，对被试进行建模，获取被试的眼部特征，设置场景参数；然后，启动眼动仪，模拟系统记录综合航迹数据和系统时间信息；实验结束后，眼动数据导出并存储、航迹数据导出并储存；最后，对航迹数据进行分析、对眼动数据进行分析。具体技术方案如图6所示。

图6 基于眼动仪的管制负荷评估技术方案示意图

2.2.4 基于数据的CCO/CDO运行后分析

1）基于QAR数据的运行分析

首先，由航空公司提供QAR数据；然后，由于数据庞大（波音机型的参数近1000项，空客机型的参数800余项，且每秒钟更新），利用Python工具将.csv格式的原始数据转化为规模较小的.json格式数据；接着，利用科学计算工具Matlab进行数据处理与数据可视化；最后，本着水平轨迹一致、飞机尾号一致、航班号一致的筛选原则，选取CCO/CDO实施前后的航班进行对比。具体技术方案如图7所示。

图7 基于QAR数据的运行分析技术方案示意图

2）基于雷达综合航迹数据的运行分析

由于航空器在爬升或下降过程中所获得的能量主要来源于发动机推力，而所产生的能量一部分转化为航空器的势能和动能，另一部分被阻力和风消耗。同时，根据2.2.3节中描述的燃油/排放/噪音评估的方法与流程可知，对于航空器的质量以及推力的估算是关键。因此，利用雷达综合航迹数据实现节能减排降噪评估的核心在于估算航空器的推力与质量。具体技术方案如图8所示。

图8 基于雷达综合航迹的运行分析技术方案示意图

3. 连续爬升与连续下降运行实施

3.1 CCO/CDO试点实施

广州试点：广州白云机场是亚洲第四个，也是国内首个应用该项新技术的大型国际机场。CCO/CDO设计运行方案涵盖了“两进两出”4条主要进离场飞行程序，实施时段为每日临晨2点至早7点。在4个月的试运行期间内，除去雷雨影响、春运保障和机型限制等客观影响因素，CCO/CDO执行航班共计447架次。其中，CCO执行航班 209架次，CDO 执行航班238架次，总体情况安全平稳，运行反馈顺畅良好并获得了一线飞行员和管制员的广泛认可。

北京试点：区别于广州白云机场CCO/CDO试点运行的“小滑梯”，北京首都机场试点是我国民航将该CCO/CDO技术延展至区域范围的首次尝试。经工作组历时7个月的深入调研、科学验证、仿真评估与积极筹备，不但在静态程序上进行了垂直方向剖面优化和水平方向截弯取直，还在动态调配操作上出台了既符合国际民航组织标准建议，又适用于北京首都机场航空运输特点的具体指导材料。试点从2018年3月1日至2019年3月1日，时段为每日凌晨2点至早6点，较广州试点范围更广、时间更长、惠及航班更多，将有效实现此项技术的效益最大化，真正做到了从巡航阶段到地面的“大滑梯”。

昆明试点：昆明长水机场CCO/CDO试点运行是我国第一次在高原机场运用该技术。 试点从2018年7月19日至2019年7月18日，时段为每日凌晨1点半至早7点半，方案涉及“两进两出”四个主要进离场方向。较广州和北京试点时间更长，距离更长，截弯取直效果更好，真正做到了节能减排的高原“绿色狂野大滑梯”。

3.1 CCO/CDO实施效果

2016年，广州白云机场CDO/CCO试点运行启动，并在节能减排、消音降噪、缩减通话、简化操作和提高乘机舒适度等方面成效较为显著。据统计，

节油方面，试点期间共节油26.814吨，节约成本合人民币约12.74万元。

降噪方面，试点期间降低5-10分贝的噪音峰值；

减排方面，执行CCO/CDO的航班平均每架次减排约290公斤，试点期间共减少碳排放1296.3吨；

减负方面，CCO/CDO运行较传统运行方式，陆空通话量减少近30%，机组工作负荷降低约50%。

在乘机舒适度方面，由于CDO与CCO技术的连续升降特性，可以确保航空器快速平滑地通过颠簸高度层和减少改平导致的耳压变化次数，进而更好地提升了旅客乘机的舒适度与满意度。

综上，广州白云机场CDO/CCO的新技术试点运行工作，在经济效益和社会效益两方面均取得了较好的成效，不仅用实际行动践行了国务院“绿色，低碳”的发展理念，也将为后续新技术的应用推广工作起到积极示范作用。

2017年底，北京首都机场CDO与CCO试点运行正式启动，区别于广州白云机场CDO与CCO试点运行的“小滑梯”，北京首都机场试点是我国民航将该连续下降与连续爬升运行技术延展至区域范围的首次尝试。经分析国航试运行第一个月数据（仅限国航部分机型），执行航班共计83架次。

程序优化方面，此次试点不但进行了垂直剖面优化，还实现了水平方向的截弯取直，VYK方向CDO较原程序缩短约49km；

节油方面，每架单程CCO出港航班平均节油82.5公斤（最高94.31kg），每架单程CDO进港航班平均节油1055.1 kg（最高2274.72kg）；

降噪方面，CCO离场地面70分贝以上噪音区域减少10平方公里，CDO进场地面70分贝以上噪音影响区域减少50平方公里；

减排方面，CCO航班平均每架次减少二氧化碳排放268.29公斤，CDO出港航班平均每架次减少二氧化碳排放3216.89公斤；

减负方面，CDO/ CCO运行较传统运行方式，陆空通话量减少40%，机组工作负荷降低50%。

试点运行期间，保守估计将惠及约7900架次航班，节省燃油消耗约4300多吨，节约成本合人民币约2107万元，减少二氧化碳排放约8600多吨，真正构建北京首都机场夜间绿色空中大滑梯。

2018年5月，昆明长水机场CDO与CCO试点运行正式实施，使长水机场成为我国第一个应用此项技术的高原机场。经分析东航云南公司试运行第一个月数据（仅限B738机型），

飞行时间方面，每架单程CCO出港航班在进近范围可减少飞行时间约2.4分钟（较当前运行方式缩短约12.34%），每架单程CDO进港航班在进近范围可减少飞行时间约3.3分钟（较当前运行方式缩短约23.26%）；

节油方面，每架单程CCO离场航班可节油约352.3公斤（较当前运行方式节省燃油约12.28%），每架单程CDO进港航班平均节油约324.03公斤（较当前运行方式节省燃油约55.47%）；

减排方面，CCO航班平均每架次可减少二氧化碳排放约1218.2公斤（较当前运行方式减排约12.21%），CDO进港航班平均每架次可减少二氧化碳排放约1014.71公斤（较当前运行方式减排约55.43%）；

减负方面，CDO/ CCO运行较传统运行方式，陆空通话量减少40%，机组工作负荷降低50%。

4. 连续爬升与连续下降运行总结

研究、设计、试点、推广“资源节约和环境友好型”的节能减排降噪的连续爬升与连续下降运行技术，取得的收获如下：

1) 针对运行前与运行后不同特点，提出了基于模型与基于数据的燃油消耗、污染物排放、噪声影响以及人员负荷的评估方法；

2) 建立了涵盖“设计—验证—使用”全周期、全员参与、具有反馈机制的飞行程序全过程管理机制，实现了飞行程序的闭环管理与持续优化；

3) 从程序设计、运行建模、模拟验证到试飞与试运行，探索新技术从抽象到具体、从理念到应用的方法；

4) 多家单位通力合作，融合共享，践行“政产学研用”协同，为推进绿色机场的建设奠定了重要的理论、技术与应用基础。

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