随着民航运输业的飞速增长,空中交通带来的气体污染、噪声污染和温室效应等环境影响问题日益严重,环境保护成为空中交通运行、管理和发展的热点议题。制定安全、环保、可行的空中交通运行策略是维持航空运输健康持续发展的关键手段。本文在综合分析了国内外研究现状的基础上,开展面向环境保护的空中交通运行优化方法研究。首先定性剖析了空中交通对环境的影响和相应的缓解措施,其次建立了机场环境容许空中交通量的评估方法,然后以减小环境影响为目标,针对机场场面、终端区和区域等不同空域单元建立相应的空中交通运行优化模型,最后对模型进行实证研究。本文主要研究内容和成果如下:(1)研究了空中交通运行与环境影响之间的关联性。通过深入分析大气特性及航空器运行特点,总结了航空器运行对环境的影响主要包括航空排放、温室效应、航空噪声等,依托航空器飞行剖面,剖析了在地面运行阶段、终端区飞行阶段和区域飞行阶段等空中交通对环境的影响,并定性地探讨了主要的环境影响缓解措施。(2)提出了机场环境容许空中交通量评估方法。本文分析了污染气体的多源扩散模式,建立了机场污染物浓度评估模型,利用典型机场实例数据定量分析了气象条件、航空器特性和空中交通流特性等因素对机场污染物浓度的影响机理。基于环境容量和空域容量的概念,以环境空气质量标准为准则,定义了机场环境容许空中交通量,同时给出了机场环境容许空中交通量的评估方法,并实例评估了典型机场在满足环境空气质量标准下的小时和日环境容许交通量,研究了在不同飞行流量增长率下当前运行模式的发展瓶颈时间。(3)建立了考虑环境影响场面运行优化方法。本文从绿色滑行角度出发,分析了使用不同滑行动力方式时,航空器各动力装置的使用时间分配,构建了全发滑行、单发滑行和电子滑行等不同滑行场景,综合考虑机场场面网络结构、交通流时空分布特性和航空器特性,建立了基于多场景环境影响的场面运行优化模型。实例验证结果表明,使用电子滑行和流量管理手段相结合的方式可显著降低航空器的燃油消耗和污染气体排放,并可明显提升机场场面运行效率。(4)建立了考虑环境影响的终端区运行优化方法。本文针对终端区运行瓶颈,建立扩展终端区概念,利用航路下降段的改航替代终端区进场点的等待来降低燃油消耗,建立考虑燃油消耗、进场点等待时间均衡、总延误时间等目标的终端区资源分配优化模型,实现进场点优化分配(AFA)。同时,本文还给出了机场终端区噪声计算方法,评估和对比研究了传统进场方式和CDA进场方式下的机场终端区噪声,并结合CDA和资源分配优化模型建立了终端区运行优化模型。实例验证结果表明,AFA策略可显著缓解进场点运行瓶颈问题,使用CDA方式后可进一步提升终端区运行效率,减小对环境的影响。(5)建立了考虑环境影响的区域运行优化方法。本文针对区域扇区运行特点,综合考虑大气特性、航空器特性和管制运行模式,建立了以最小化温室效应、燃油消耗和航班延误为目标的区域扇区飞行调配优化模型,分析了高度、速度和航向调配策略组合对区域扇区运行的影响。实例验证结果表明,飞行调配策略的优化使用可减小温室效应,并能达到节能和减排的目的,同时可提升区域扇区的运行效率。