Forecasts of future scenarios for airport noise based on collection and processing of web data

A jelen tanulmányban ismertetett megközelítés a Pretto et al. által bevezetett repülési eseményrekonstrukciós és zajszámítási eljáráson alapul. Ezt az eljárást itt kibővítettük, hogy i) figyelembe vegye a repülőtér területének topográfiáját, és ii) lehetővé tegye a repülőgépflotta összetételének és a légi forgalom mennyiségének változásaiból eredő jövőbeli zajszintek hatékony előrejelzését. E kibővített megközelítés legfontosabb lépéseit az 1. ábra folyamatábrája foglalja össze, amelynek célja, hogy segítse az olvasót az alább ismertetett módszertani lépések megértésében.

1. ábra
1. ábra

A jelen megközelítés legfontosabb lépéseit leíró folyamatábra. A bemeneti adatok a bal oldalon

A zajszámítási eljárás összefoglalása

Ez az alfejezet röviden ismerteti azokat a főbb lépéseket, amelyek lehetővé teszik a repülőtéri zajkontúrok kiszámítását az ECAC zajmodell és a webalapú légiforgalmi adatok felhasználásával, különös tekintettel a 2.2. szakasztól kezdve ismertetett műveleteket befolyásoló szempontokra. A teljes eljárást részletesen ismerteti Pretto et al. .

ECAC Doc.29 modell és ANP adatbázis

Az ECAC Doc.29 modell a legjobb gyakorlatnak számító szegmentációs repülőgépzaj-előrejelző modell, amely lehetővé teszi a repülőgépek mozgása által egy adott időszakban a repülőterek körül okozott zajszintek és kontúrok kiszámítását. Bármely kiválasztott repülőtéren a modell kiszámítja a kívánt kumulatív zajmérőket, mint például LAeq,day, LAeq,night, LDEN és Lmax,avg, az egyes repülési események, azaz az indulások és érkezések hatásainak szuperponálásával. Mindegyikük esetében a SEL és LAmax egyszeri zajszinteket a repülőtér körüli érdekes régióban lévő hangfogadók rácshálójának felhasználásával számítják ki. E két zajszint mindegyikét úgy számítják ki, hogy egymásra helyezik a repülési útvonal szegmensek hatását, amelyek a repülőgépek 3D-s mozgását reprezentálják az esemény ideje alatt. Ezeket a szegmenseket a földi pálya, amely a légi jármű mozgásának földi vetületét reprezentálja, és a repülési profil összevonásával kapjuk, amely a földi pálya feletti függőleges mozgásra és a kapcsolódó repülési paraméterekre (pl. kalibrált légsebesség és hajtóműtolóerő) vonatkozó információkat tartalmazza.

Egyetlen esemény esetében a földi pálya és a repülési profil vagy a repülési mozgásadatok elemzésével, vagy a megfelelő eljárási információkból történő szintézissel generálható. A repülési profilok esetében ez az információ eljárási lépések sorozatából áll, amelyek előírják, hogy a légi járművet hogyan kell repülni egyetlen művelet (indulás vagy érkezés) során a sebesség, a magasság és a fékszárnyak beállítása tekintetében. Ezek az eljárási lépések szerepelnek az ANP-adatbázisban , amely mintegy 140 referencia-légijármű-modellhez, az úgynevezett proxykhoz tartozó repülési profilok megfelelő készleteit tartalmazza. A repülési profilt mechanikai és kinematikai egyenletek segítségével számítják ki, amelyekhez ismerni kell az ilyen profilkészleteket, a szintén az ANP által megadott alapvető repülőgép-modelljellemzőket (pl. a repülőgép súlyát) és a légköri viszonyokat, lehetővé téve a hajtóművek tolóerejének, magasságának, valamint a földpálya feletti valós és kalibrált légsebességnek a kiszámítását.

Amint megkaptuk az egyetlen repülési esemény szegmentált repülési útvonalát, az ECAC zajmotorban a szegmens zajszintjének kiszámítása az adott szegmensben lévő repülőgép teljesítményének és a vevő helyének figyelembevételével történik. Először az alapzajszinteket interpolálják a “zaj-teljesítmény-távolság” (NPD) néven ismert referenciaszintekből, amelyek egy egyenes, végtelen hosszú, rögzített sebességgel repült repülési útvonalra érvényesek, a hajtóművek tolóerejének (teljesítményének) és a szegmens-vevő távolságának aktuális értékei alapján. Ezután kiigazításokat kell végezni a légköri viszonyok, a nem referencia sebesség, a repülőgép hajtóműveinek helyzete, a dőlésszög, a véges szegmenshossz, a hang irányíthatósága a futópályamozgások során és a fordított tolóerő figyelembevétele érdekében. Ezután az összes szegmens zajszintjét szuperponáljuk, és a SEL és LAmax értékeket egyetlen vételi ponton találjuk meg. A folyamatot megismétlik az összes vevőkészülékre, így befejeződik az egyszeri esemény zajszintjének kiszámítása.

Integráció a webalapú légiforgalmi adatokkal

Az ECAC modell alkalmazása az egyszeri esemény zajszintjének kiszámítására a repülési esemény teljes leírását igényli. Ezt az internetről történő adatgyűjtés révén kapjuk meg. Az alapvető információk a Flightaware repüléskövető rendszerből származnak, amelyet 2018 júniusában kerestek meg kilenc európai repülőtér nyers légiforgalmi adatainak összegyűjtésére, és mintegy 11 000 repüléstörténetet nyertek le. Minden egyes repülési előzmény tartalmazza egy adott, általában a lajstromjel és az ICAO-típusjelzés alapján azonosított repülőgép 3D-s helyét és sebességét, időben sorrendben és 15 másodperces időközönként. Az összes repülőtéri helyszínt és kifutópályát az OurAirports honlapról szereztük be, míg az Airlinerlist honlapot egy offline adatbázis létrehozásához használtuk, amely a lajstromozást a konkrét repülőgép-típushoz társítja.

Mivel a nyers repülési előzmények néha hibásak voltak, gyakran nem volt nyoma a nem légi mozgásoknak, és a repülőgép-típus soha nem volt kifejezetten megadva, a megszerzett repülési adatokat a fent említett kifutópálya- és repülőgépinformációk felhasználásával előfeldolgoztuk a repülési mozgás rekonstruálása, valamint az indulási/érkezési kifutópálya és a repülőgép-típus helyreállítása érdekében. Ez utóbbit aztán felhasználták a fő ANP-helyettesítési táblázatba való bevitelhez, amely egy olyan eszköz, amely egy adott modellt egy megfelelő ANP-helyettessel társít, és így lehetővé teszi a zaj kiszámítását az ECAC-modell segítségével. Az adott modell-proxy pároshoz számos konfiguráció van felsorolva, amelyek elsősorban a motorváltozatban és a tömegben, és így a zajkibocsátásban különböznek. Ezért az ANP-táblázatokban az “egyenértékű események száma” (Neq) nevű korrekciós tényező több értékét adják meg, hogy a proxy zajszinteket az adott repülőgép-konfigurációnak megfelelően módosítsák. Mivel a különböző konfigurációkat nem lehetett lekérdezni, minden modellhez egy átlagos konfigurációt képeztek, és a proxyhoz két átlagos (az induló és az érkező repülőgépeknél eltérő) egyenértékű eseményszámot rendeltek. Ha a légijármű-regisztráció nem állt rendelkezésre, egy második ANP helyettesítési táblázatot lehetett használni a közvetlen ICAO-jelölés-proxy asszociációhoz, mivel csak egy konfiguráció szerepel, és nincs szükség átlagolásra.

A kiválasztott repülőtéren egyetlen indulási/érkezési esemény során rekonstruált repülési mozgásokat a légijármű információival együtt használják fel a szegmentált repülési útvonal felépítéséhez. Minden egyes repülési eseménynél a földi pályát a 2D pozícióadatok elemzésével építjük fel, míg a repülési profilt az ECAC eljárási lépésekből szintetizáljuk, mivel az egymást követő repülési felvételek közötti időbeli távolság (15 s) túl nagy ahhoz, hogy kizárólag a sebesség- és magasságinformációkból megbízhatóan rekonstruálni lehessen a motor tolóerejét.

Zajkontúrtérképek generálása

Az eredeti alkalmazásban minden repülőteret külön vizsgáltunk, és az adott napon előforduló összes repülési eseményt azonosítottuk. Minden egyes eseményhez megépítették a szegmentált repülési útvonalat, és kiszámították a repülőtéri zajhoz való hozzájárulását egy 11 881 vevőből álló négyzetrácson, amely x és y irányban kb. 450 m-enként helyezkedett el, a repülőtéri referenciaponttal (ARP) azonos magasságban. Végül az összes repülési esemény által okozott zajszinteket szuperponálták, hogy napi kumulatív zajmérőket, és így napi zajkontúrokat kapjunk a repülőtér területén.

A topográfiai adatok figyelembevételével végzett zajszámítás

A helyi topográfia (azaz a repülőtér körüli földfelületek magassága) nem elhanyagolható hatással lehet a repülőtér körüli zajszintekre, főként a vevőpontok magassága miatt, amely befolyásolja a repülési útvonalszakaszoktól való távolságukat. Továbbá a helyi magasságok ismerete lehetővé teszi a repülőtéri kifutópályák jobb leírását, és a repülőgépek földi mozgásának rekonstrukcióját is befolyásolhatja. A következő alfejezetekben ismertetjük, hogyan veszik figyelembe a domborzati magasságot a jelen zajszámítási eljárásban.

Domborzati adatok beszerzése és végrehajtása

Az elemzéshez használt topográfiai adatok forrása az európai terület digitális domborzati modelljeinek (DEM) sorozata, amely az összes vizsgált repülőteret tartalmazza. Mintegy 1500 DEM-et töltöttünk le a WebGIS weboldalról, amelyek mind szélességi, mind hosszúsági fokon egyenként 1 fok szélesek és 3 ívmásodperces felbontásúak, majd megfelelően utófeldolgoztuk őket, hogy 2D rács formájában egyetlen magassági térképet kapjunk egész Európára vonatkozóan. Az összes ARP és kifutópálya magasságát a rácsadatok bilineáris interpolációjával számították ki, és minden egyes kifutópályához egyetlen magassági értéket (a középpontjának magasságát) és egy gradienst (a két végpontjának magasságát felhasználva) rendeltek. Ennek oka, hogy az ECAC mechanikai modellje sík kifutópályákra támaszkodik, de figyelembe tudja venni a kifutópálya emelkedését a felszállás során. Ugyanezt az interpolációt végezték el minden repülőtér körül a zajszámítási eljárásba bevont minden egyes vevőpontra.

Láthatósági vonal blokkolásának kiigazítása

A láthatósági vonal (LOS) blokkolása a forrás és a vevő közötti közvetlen terjedési útvonal mentén lévő akadályok miatt fellépő hangcsillapítás. Az olyan természetes struktúrák, mint a hegyek és dombok “hangpajzsként” működhetnek, amelyek megtörik a hanghullámokat, és így jelentősen csökkentik a mögöttük lévő zajszintet. Az ECAC modell nem veszi figyelembe ezt a hatást, de az FAA AEDT modellje egy speciális LOS-kiigazításon keresztül igen. Mivel az AEDT zajszámítása az ECAC-modellen alapul, ezt a kiigazítást a jelen módszertanban egyszerűen el lehet végezni.

Az AEDT szerint az LOS kiigazítást, LOSadj, a hajtómű telepítéssel, ΔI(φ), és az oldalsó csillapítással, Λ(β,l), együtt számítják ki minden egyes repülési útszakasz és vevő párra (a ΔI, Λ, φ depressziós szög, β magassági szög és l oldalirányú elmozdulás meghatározását lásd ). Ezután ezeket az értékeket összehasonlítjuk annak érdekében, hogy az ECAC zajmotorban használandó “oldalirányú korrekció”, LAcorr segítségével megbecsüljük a teljes hatásukat:

$$ L{A}_{corr}=\max\;\left $$
(1)

A LOSadj kiszámításához minden egyes szegmens-vevő pár esetében meg kell határozni, hogy a közvetlen hangterjedési útvonal akadályozott-e, és ha igen, mennyire. Ezt a jelen alkalmazásban a közvetlen terjedési útvonal (a repülési útvonalat és a vevőt összekötő egyszerű egyenes szegmens) helyi magasságának és a terep magasságának összehasonlításával végezzük. A terepviszonyok figyelembevétele érdekében körülbelül 300 méterenként veszünk egy mintapontot, és annak magasságát a négy környező vevőpont felhasználásával bilineáris interpolációval számoljuk ki. Végül kiszámítják a helyi terepmagasság és a terjedési útvonal magassága közötti különbségeket, és a maximális értéket használják az LOSadj kiszámításához az AEDT eljárásnak megfelelően.

Flottahelyettesítő algoritmus

A légi közlekedésből származó jövőbeli zajhatás értékelésénél az egyik fő szempont, amelyet figyelembe kell venni, a flotta összetételének változása. Valójában, amikor egy régi repülőgépet nem lehet tovább üzemeltetni, azt kivonják a forgalomból, és egy újabb, általában csendesebb modellel helyettesítik. Jelen alkalmazásban egy flottahelyettesítő algoritmust dolgoztunk ki a repülőgépflotta 2018 és 2025 közötti frissítésére, amely az ANP adatbázisra támaszkodik, mint az újabb repülőgéptípusok zaj- és teljesítményadatainak forrására. A helyettesítési algoritmus három lépésre oszlik:

  1. 1)

    a helyettesítendő repülőgépek azonosítása;

  2. 2)

    a helyettesítő repülőgépmodellek azonosítása;

  3. 3)

    az új modell hozzárendelése a régi repülési eseményekhez.

Az első lépésben a 2.1.2. szakaszban említett offline repülőgépmodell-adatbázis segítségével visszaállítjuk minden repülőgép korát a repülési esemény időpontjában, és az egyes repülőgépek korának 7 évvel történő növelésével új adatbázist építünk 2025-re. Ezután minden olyan légi járművet, amelynek kora meghaladja a 22 évet, alkalmasnak kell tekinteni a helyettesítésre. A korhatár az Egyesült Királyság légiközlekedési előrejelzéseihez használt flottaösszetétel-modell enyhe egyszerűsítéséből származik.

A második lépés annak eldöntése, hogy mely légi járművek a legalkalmasabbak a jövőbeli flotta képviseletére. E tekintetben két szempontot kell figyelembe venni: i) miközben a következő években várhatóan új generációs repülőgépek fogják uralni a piacot (pl. A320neo), néhány jelenlegi generációs típust még mindig értékesítenek ; ii) mivel az ANP adatbázist legutóbb 2018 februárjában frissítették, a 2025-re várható új generációs típusok közül néhány még nem szerepel, elsősorban azért, mert akkor még nem volt hivatalos zajminősítésük.

A fenti megfontolások fényében a helyettesítő repülőgéptípusokat tartalmazó kínálati pool a következőképpen épül fel. Először is, a készletet 10 kategóriára osztjuk a repülőgép mérete szerint, amelyet a maximális tömeg és az ülések hozzávetőleges száma képvisel. Másodszor, minden egyes kategória esetében azonosítják a zajkibocsátás szempontjából osztályonként legjobb repülőgép-modelleket, és az első ANP helyettesítési táblázatból lekérdezik őket, majd a 2.1.2. szakaszban ismertetett módon kialakítják az egyes modellek átlagos konfigurációját. Az eredményeket az 1. táblázat tartalmazza, amely azt is mutatja, hogy egy kategóriához több modellt is kiválasztottak. Erre vagy azért kerül sor, mert az ilyen modellek hasonló zajkibocsátással rendelkeznek, vagy azért, hogy jobban reprezentálják a súlyváltozásokat egy adott kategórián belül.

1. táblázat A 2025-ös új repülőgépflotta számára rendelkezésre álló legjobb ANP-vel elérhető repülőgépmodellek ellátási poolja

A harmadik és egyben utolsó lépés a tényleges flottamódosítás. Minden egyes helyettesítésre alkalmas légi járműhöz hozzárendelik az eredeti ANP-helyettes MTOW-ját, és ezt a paramétert használják az ellátási készlet kategóriájának azonosítására. Az új típust véletlenszerűen választják ki, kivéve a < 190 000 kategóriát, ahol úgy döntöttek, hogy a vezető gyártók, az Airbus és a Boeing közötti 2018-as piaci felosztást megőrzik azáltal, hogy a régebbi repülőgépeket ugyanannak a vállalatnak a modelljeivel helyettesítik. Megjegyzendő, hogy az azonos kategórián belüli kiválasztás biztosítja, hogy a régi földi pálya mindig kompatibilis legyen az új légi járművel, különös tekintettel a földi mozgásokra és a fordulósugarakra.

Kiegészítő repülési események generálása

A légi járműpark fejlődésének figyelembevétele mellett a jövőbeli légiforgalmi forgatókönyvek előrejelzésének figyelembe kell vennie a repülési mozgások számának lehetséges növekedését is. Míg azonban a légi járművek nyugdíjazása egyedi alapon történik, az új repülési események száma és jellemzői több tényezőtől függnek globális, nemzeti és helyi szinten. Jelen alkalmazásban a globális és nemzeti tényezőket az EUROCONTROL hivatalos 7 éves forgalmi előrejelzéseinek felhasználásával veszik figyelembe, amelyeket helyileg alkalmaznak az adott repülőtérre, és ellenőrzik, hogy az előre jelzett növekedés összeegyeztethető-e a repülőtér jellemzőivel és korlátaival (pl. a kifutópályarendszer maximális kapacitása).

A repülőtér kiválasztása és a várható forgalomnövekedés lekérdezése után egy repülési eseménygeneráló algoritmust használnak a szükséges további repülőgépmozgások számának létrehozására. Ezt az algoritmust a flottacserét követő egyetlen nap eseményeire alkalmazzák, és a meglévő adatvagyont használja fel a forgalomnövekedés szimulálásához. Három lépésből áll:

  1. 1)

    a meglévő repülési események 60 alosztályra történő szétválasztása három paraméter szerint;

  2. 2)

    az egyes alosztályokba tartozó új repülési események számának lekérdezése;

  3. 3)

    az egyes alosztályok repülési eseményeinek generálása.

Az első lépésben a repülési eseményeket a 2. táblázatban közölt három paraméter alapján osztályozzuk. A 60 (2 × 10 × 3) alosztály kifejezi a forgalom megoszlását egy adott repülőtéren, megmutatva, hogy a 24 órás nap egy adott részében mely műveletek a leggyakoribbak egy adott méretű repülőgép számára. Ez a felosztás a kiválasztott repülőtér működési módját mutatja, kiemelve a benne rejlő korlátozásokat (pl. a nagyméretű repülőgépek éjszakai indulásainak elkerülése), amelyek azt eredményezik, hogy egyes alosztályokban nulla eseményt regisztráltak. Ezért a 2. táblázatban szereplő osztályozás bevezetése lehetővé teszi a repülőtér légi forgalmának koherens növelésére irányuló stratégiát.

2. táblázat A meglévő repülési események osztályozásához használt paraméterek

A második lépésben a forgalomnövekedés ismert százalékát alkalmazzák mind a 60 alosztályra, és mindegyikre vonatkozóan megállapítják a hozzáadandó repülési események számát. Mivel ezek a számok nem egész számok, mind a 60 értéket padlóra kell tenni, és a fennmaradó törtrészeket újra kell osztani azon alosztályok között, amelyeknél az események száma a legközelebb áll az egész számhoz. Ez a lépés azt a feltételezést feltételezi, hogy a 2025-ös légi forgalom megőrzi a kiválasztott repülőtéren 2018-ban megfigyelt repülési események felosztását.

A harmadik lépésben az új repülési eseményeket minden egyes alosztályra külön-külön generáljuk. Ha m a további események száma egy adott alosztályhoz, akkor a 2018-ban az adott alosztályhoz rögzített n eseményt azonosítjuk, és ezek közül véletlenszerűen kiválasztjuk és megkettőzzük m-et. Ezt a műveletet az összes alosztályra elvégezve megkapjuk a megnövekedett repülőtéri forgalom szimulálásához szükséges összes eseményt.

Az utolsó megjegyzésként megjegyzendő, hogy ezt az algoritmust kizárólag azzal a céllal dolgozták ki, hogy kumulatív zajmetrikákat számítson ki az előrejelzett forgalmi forgatókönyvek alapján, ezért nem veszi figyelembe az ATC-vel kapcsolatos olyan gyakorlatokat, mint a forgalom szétválasztása vagy az események időbeli átrendezése az új járatmozgások befogadására. Az algoritmus alkalmazásakor megfelelően figyelembe vesszük az esetleges repülőtéri korlátozásokat, például a kifutópályarendszer kapacitását.

Leave a Reply

Vélemény, hozzászólás?

Az e-mail-címet nem tesszük közzé.