Prognoze ale scenariilor viitoare privind zgomotul din aeroporturi pe baza colectării și procesării datelor web

Abordarea descrisă în această lucrare se bazează pe procedura de reconstrucție a evenimentelor de zbor și de calcul al zgomotului introdusă de Pretto și colab. Această procedură este extinsă aici pentru a i) lua în considerare topografia zonei aeroportului și ii) a permite o predicție eficientă a nivelurilor viitoare de zgomot datorate variațiilor în compoziția flotei de aeronave și a volumului traficului aerian. Etapele cheie ale acestei abordări extinse sunt rezumate în organigrama din Fig. 1, menită să sprijine cititorul în înțelegerea etapelor metodologice descrise mai jos.

Fig. 1
figură1

Ordigramă care descrie etapele cheie ale prezentei abordări. Datele de intrare sunt enumerate în partea stângă

Rezumat al procedurii de calcul al zgomotului

Această subsecțiune descrie pe scurt principalele etape care permit calcularea contururilor de zgomot ale aeroportului utilizând modelul de zgomot ECAC și datele de trafic aerian bazate pe internet, cu accent special pe aspectele care afectează operațiunile descrise începând cu secțiunea 2.2. Întreaga procedură este detaliată de Pretto et al. .

Modelul ECAC Doc.29 și baza de date ANP

Modelul ECAC Doc.29 este un model de predicție a zgomotului aeronavelor prin segmentare bazat pe cele mai bune practici, care permite calcularea nivelurilor de zgomot și a contururilor de zgomot în jurul aeroporturilor din cauza mișcărilor aeronavelor pe o perioadă de timp specificată. La orice aeroport selectat, modelul calculează metricile de zgomot cumulative dorite, cum ar fi LAeq,day, LAeq,night, LDEN și Lmax,avg, prin suprapunerea efectelor evenimentelor de zbor individuale, adică plecări și sosiri. Pentru fiecare dintre acestea, nivelurile sonore SEL și LAmax ale unui singur eveniment sunt calculate folosind o grilă de receptoare de sunet în regiunea de interes din jurul aeroportului. Fiecare dintre aceste două niveluri sonore este calculat prin suprapunerea efectelor unui set de segmente de traiectorie de zbor, care reprezintă mișcarea 3D a aeronavei în timp în timpul evenimentului. Aceste segmente sunt obținute prin fuzionarea traiectoriei la sol, care reprezintă proiecția la sol a mișcării aeronavei, cu profilul de zbor, care conține informații privind mișcarea verticală deasupra traiectoriei la sol și parametrii de zbor aferenți (de exemplu, viteza aerului calibrată și împingerea motorului).

Pentru un singur eveniment, traiectoria la sol și profilul de zbor pot fi generate fie prin analiza datelor privind mișcarea zborului, fie prin sinteză din informațiile procedurale corespunzătoare. În cazul profilurilor de zbor, aceste informații constau într-o serie de etape procedurale, care prescriu modul în care aeronava trebuie să fie pilotată în timpul unei singure operațiuni (plecare sau sosire) în ceea ce privește viteza, altitudinea și reglarea flapsurilor. Aceste etape procedurale sunt enumerate în baza de date ANP , care conține seturi adecvate de profiluri de zbor pentru aproximativ 140 de modele de aeronave de referință, cunoscute sub numele de proxies. Un profil de zbor este calculat cu ajutorul unor ecuații mecanice și cinematice care necesită cunoașterea unor astfel de seturi de profiluri, a caracteristicilor de bază ale modelului de aeronavă (de exemplu, greutatea aeronavei), furnizate, de asemenea, de ANP, și a condițiilor atmosferice, permițând calcularea împingerii motorului, a înălțimii și a vitezelor reale și calibrate deasupra traiectoriei la sol.

După ce a fost obținută traiectoria de zbor segmentată pentru un singur eveniment de zbor, calculul nivelurilor de zgomot pe segment este efectuat în motorul de zgomot ECAC, luând în considerare performanțele aeronavei în interiorul segmentului dat și locația unui receptor. În primul rând, nivelurile de zgomot de bază sunt interpolate din nivelurile de referință, cunoscute sub numele de date „zgomot-putere-distanță” (NPD) și valabile pentru o traiectorie de zbor rectilinie, infinit de lungă, parcursă la o viteză fixă, folosind valorile curente ale împingerii (puterii) motorului și distanța dintre segment și receptor. Apoi, se fac ajustări pentru a se ține seama de condițiile atmosferice, de viteza care nu este de referință, de poziția motoarelor aeronavei, de unghiul de înclinare, de lungimea finită a segmentului, de directivitatea sunetului în timpul mișcărilor pe pistă și de împingerea inversă. Toate nivelurile de zgomot din segment sunt apoi suprapuse, iar SEL și LAmax sunt găsite la un singur punct de recepție. Procesul se repetă pentru toți receptorii, completând astfel calculul zgomotului de eveniment unic.

Integrarea cu datele de trafic aerian bazate pe web

Aplicarea modelului ECAC la calcularea nivelurilor de zgomot de eveniment unic necesită o descriere completă a evenimentului de zbor. Aceasta se obține prin colectarea de date de pe internet. Informațiile de bază provin de la dispozitivul de urmărire a zborurilor Flightaware, care a fost căutat în iunie 2018 pentru a colecta date brute de trafic aerian în nouă aeroporturi europene, recuperând aproximativ 11 000 de istorii de zbor. Fiecare istoric de zbor conține locațiile și vitezele 3D, ordonate în timp și distanțate cu 15 s, ale unei anumite aeronave, identificate în mod normal prin intermediul numărului de înmatriculare și al indicativului de tip OACI. Toate locațiile aeroporturilor și pistele au fost preluate de pe site-ul web OurAirports , în timp ce site-ul web Airlinerlist a fost utilizat pentru a construi o bază de date offline care asociază înmatricularea cu modelul specific de aeronavă.

Deoarece istoriile de zbor brute erau uneori incorecte, adesea lipseau urmele mișcărilor în afara aerodromului, iar modelul de aeronavă nu a fost niciodată raportat în mod explicit, datele de zbor preluate au fost preprocesate cu ajutorul informațiilor despre piste și aeronave menționate mai sus pentru a reconstrui mișcarea zborului și pentru a recupera pista de plecare/arrivare și modelul de aeronavă. Acestea din urmă au fost apoi utilizate pentru a introduce tabelul principal de substituție ANP, care este un instrument care asociază un model specific cu un proxy ANP adecvat, permițând astfel calcularea zgomotului prin intermediul modelului ECAC. Sunt enumerate numeroase configurații pentru perechea model-proxy dată, care diferă în principal prin varianta și greutatea motorului și, prin urmare, prin zgomotul produs. Prin urmare, în tabelele ANP sunt prevăzute mai multe valori ale unui factor de corecție numit „număr de evenimente echivalente”, Neq, pentru a modifica nivelurile de zgomot proxy în funcție de configurația specifică a aeronavei. Deoarece diferitele configurații nu au putut fi recuperate, a fost construită o configurație medie pentru fiecare model, iar două numere medii de evenimente echivalente (diferite pentru plecări și sosiri) au fost atribuite la proxy. Atunci când înmatricularea aeronavei nu a fost disponibilă, a putut fi utilizat un al doilea tabel de substituție ANP pentru a obține o asociere directă între indicativul OACI și proxy, deoarece este listată o singură configurație și nu este necesară calcularea mediei.

Mișcările de zbor reconstruite în timpul unui singur eveniment de plecare/sosire la aeroportul selectat sunt utilizate, împreună cu informațiile despre aeronavă, pentru construirea traiectoriei de zbor segmentate. În fiecare eveniment de zbor, traiectoria la sol este construită prin analiza datelor de poziție 2D, în timp ce profilul de zbor este sintetizat din pașii procedurali ECAC, deoarece spațierea în timp între înregistrările de zbor consecutive (15 s) este prea mare pentru a asigura o reconstrucție fiabilă a impulsului motorului numai din informațiile privind viteza și înălțimea.

Generarea hărților de contur ale zgomotului

În aplicația inițială, fiecare aeroport a fost studiat separat și au fost identificate toate evenimentele de zbor care au avut loc într-o anumită zi. Pentru fiecare eveniment, a fost construită traiectoria de zbor segmentată, iar contribuția sa la zgomotul aeroportului a fost calculată pe o grilă pătrată de 11 881 de receptori poziționați la fiecare aproximativ 450 m în ambele direcții x și y, la aceeași altitudine cu punctul de referință al aeroportului (ARP). În cele din urmă, nivelurile sonore datorate tuturor evenimentelor de zbor au fost suprapuse pentru a se obține măsurători zilnice de zgomot cumulativ și, prin urmare, contururi zilnice de zgomot în zona aeroportului.

Calcularea zgomotului ținând cont de datele topografice

Topografia locală (adică altitudinea suprafețelor de teren din jurul aeroportului) poate avea o influență deloc neglijabilă asupra nivelurilor de zgomot din jurul unui aeroport, în principal din cauza înălțimii punctelor de recepție, care afectează distanța acestora față de segmentele de traiectorie de zbor. În plus, cunoașterea înălțimilor locale permite o mai bună descriere a pistelor aeroportului, iar reconstrucția mișcărilor la sol ale aeronavelor poate fi, de asemenea, influențată. Următoarele subsecțiuni explică modul în care se ține cont de elevația terenului în prezenta procedură de calcul al zgomotului.

Achiziționarea și implementarea datelor topografice

Sursa de date topografice pentru această analiză este o serie de modele digitale de elevație (DEM) ale teritoriului european, care include toate aeroporturile studiate. Aproximativ 1.500 de DEM-uri, fiecare cu o lățime de 1 grad atât în latitudine, cât și în longitudine și cu o rezoluție de 3 secunde de arc, au fost descărcate de pe site-ul WebGIS și postprocesate în mod corespunzător pentru a obține o singură hartă altimetrică pentru întreaga Europă sub forma unei grile 2D. Cotele tuturor ARP-urilor și ale pistelor au fost calculate prin interpolarea biliniară a datelor din grilă, iar fiecărei piste i s-a atribuit o singură valoare de elevație (cea a punctului său median) și un gradient (folosind cota celor două capete ale sale). Acest lucru se datorează faptului că modelul mecanic ECAC se bazează pe piste plate, dar poate lua în considerare gradienții pistei în timpul unei decolări. Aceeași interpolare a fost efectuată în jurul fiecărui aeroport pentru fiecare punct receptor implicat în procedura de calcul al zgomotului.

Ajustarea blocării liniei de vizibilitate

Blocarea liniei de vizibilitate (LOS) este atenuarea sunetului datorată prezenței unui obstacol de-a lungul traseului de propagare directă între sursă și receptor. Structurile naturale, cum ar fi munții și dealurile, pot acționa ca „scuturi acustice”, difractând undele sonore și reducând astfel considerabil nivelul de zgomot în spatele lor. Modelul ECAC nu ține cont de acest efect, dar modelul AEDT al FAA ține cont de el prin intermediul unei ajustări specifice a LOS . Având în vedere că calculul zgomotului AEDT se bazează pe modelul ECAC, în cadrul prezentei metodologii ar putea fi efectuată o implementare simplă a acestei ajustări.

În conformitate cu AEDT, ajustarea LOS, LOSadj, se calculează împreună cu instalarea motorului, ΔI(φ), și atenuarea laterală, Λ(β,l), pentru fiecare pereche de segment de traiectorie de zbor și receptor (pentru definițiile lui ΔI, Λ, unghiul de depresiune φ, unghiul de elevație β și deplasarea laterală l, a se vedea ). Apoi, aceste valori sunt comparate pentru a estima efectul lor global prin intermediul unei „corecții laterale”, LAcorr, care urmează să fie utilizată în motorul de zgomot ECAC:

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

Calcularea LOSadj necesită determinarea, pentru fiecare pereche segment-receptor, dacă calea directă de propagare a sunetului este obstrucționată și, în caz afirmativ, cu cât de mult. Acest lucru se realizează în prezenta aplicație prin compararea altitudinii locale a traiectoriei directe de propagare (un simplu segment drept care leagă calea de zbor și receptorul) cu altitudinea terenului. Pentru a ține cont de teren, se ia un punct de eșantionare la fiecare aproximativ 300 m, iar altitudinea acestuia este calculată prin intermediul unei interpolări biliniare folosind cele patru puncte de recepție din jur. În cele din urmă, se calculează diferențele dintre altitudinea locală a terenului și altitudinea traiectoriei de propagare, iar valoarea maximă este utilizată pentru a calcula LOSadj în conformitate cu procedura AEDT.

Algoritmul de înlocuire a flotei

Pentru orice evaluare a impactului viitor al zgomotului produs de aviație, un aspect important care trebuie luat în considerare este modificarea compoziției flotei. De fapt, atunci când o aeronavă veche nu mai poate fi operată, aceasta este retrasă și înlocuită cu un model mai nou, în general mai silențios. În cadrul prezentei aplicații a fost dezvoltat un algoritm de înlocuire a flotei pentru a actualiza flota de aeronave din 2018 până în 2025, bazându-se pe baza de date ANP ca sursă de date privind zgomotul și performanța pentru modelele de aeronave mai noi. Algoritmul de înlocuire este împărțit în trei etape:

  1. 1)

    identificarea aeronavelor care urmează să fie înlocuite;

  2. 2)

    identificarea modelelor de aeronave de înlocuire;

  3. 3)

    asignarea noului model la evenimentele de zbor vechi.

În prima etapă, se recuperează vârsta fiecărei aeronave la momentul evenimentului de zbor cu ajutorul bazei de date offline a modelelor de aeronave menționate în secțiunea 2.1.2 și se construiește o nouă bază de date pentru 2025 prin creșterea vârstei fiecărei aeronave cu 7 ani. Apoi, toate aeronavele a căror vârstă depășește 22 de ani sunt considerate apte pentru înlocuire. Vârsta limită derivă dintr-o ușoară simplificare a modelului de combinare a flotei utilizat pentru previziunile privind aviația din Regatul Unit .

A doua etapă constă în a decide ce aeronave sunt cele mai potrivite pentru a reprezenta flota viitoare. În acest sens, trebuie luate în considerare două aspecte: i) în timp ce în următorii ani se așteaptă ca aeronavele de nouă generație să domine piața (de exemplu, A320neo), unele modele din generația actuală sunt încă vândute ; ii) întrucât baza de date ANP a fost actualizată ultima dată în februarie 2018, unele dintre modelele de nouă generație așteptate până în 2025 nu sunt încă listate, în principal pentru că nu aveau la momentul respectiv certificare oficială de zgomot.

În lumina considerațiilor de mai sus, fondul de aprovizionare care conține modelele de aeronave de substituție este construit după cum urmează. În primul rând, rezerva este împărțită în 10 categorii în funcție de dimensiunea aeronavei, reprezentată de greutatea maximă și de numărul aproximativ de locuri. În al doilea rând, pentru fiecare categorie, modelele de aeronave care sunt cele mai bune din clasă în ceea ce privește emisia de zgomot sunt identificate și recuperate din primul tabel de substituție ANP și se construiește o configurație medie pentru fiecare model, astfel cum se explică în secțiunea 2.1.2. Rezultatele sunt prezentate în tabelul 1, care arată, de asemenea, că se aleg mai multe modele pentru o singură categorie. Acest lucru se face fie pentru că astfel de modele au un nivel de zgomot similar, fie pentru a reprezenta mai bine variabilitatea ponderii în cadrul unei anumite categorii.

Tabelul 1 Rezerva de modele de aeronave ANP disponibile cele mai bune din clasa lor pentru noua flotă de aeronave în 2025

Cea de-a treia și ultima etapă este modificarea efectivă a flotei. Fiecărei aeronave apte pentru înlocuire i se atribuie MTOW a modelului său proxy ANP original, iar acest parametru este utilizat pentru a identifica categoria de rezerve de aprovizionare. Noul model este selectat aleatoriu, cu excepția categoriei < 190.000, unde s-a decis să se păstreze împărțirea pieței din 2018 între principalii producători, Airbus și Boeing, prin înlocuirea aeronavelor mai vechi cu modele ale aceleiași companii. Rețineți că selecția în interiorul aceleiași categorii asigură faptul că vechea pistă la sol este întotdeauna compatibilă cu noua aeronavă, în special în ceea ce privește mișcările la sol și razele de viraj.

Generarea de evenimente de zbor suplimentare

Pe lângă luarea în considerare a evoluției flotei de aeronave, previziunile scenariilor viitoare de trafic aerian ar trebui să ia în considerare și o posibilă creștere a numărului de mișcări de zbor. Cu toate acestea, în timp ce aeronavele sunt scoase din uz în mod individual, numărul și caracteristicile noilor evenimente de zbor depind de mai mulți factori la nivel global, național și local. În prezenta aplicație, factorii globali și naționali sunt luați în considerare prin utilizarea previziunilor oficiale de trafic pe 7 ani ale EUROCONTROL , care sunt aplicate la nivel local la aeroportul de interes, verificând dacă creșterea preconizată este compatibilă cu caracteristicile și constrângerile acestuia (de exemplu, capacitatea maximă a sistemului de piste).

După selectarea unui aeroport și obținerea creșterii preconizate a traficului, se utilizează un algoritm de generare a evenimentelor de zbor pentru a crea numărul necesar de mișcări suplimentare de aeronave. Acest algoritm se aplică evenimentelor dintr-o singură zi după înlocuirea flotei și utilizează activele de date existente pentru a simula creșterea traficului. Acesta este compus din trei etape:

  1. 1)

    separarea evenimentelor de zbor existente în 60 de subclase în funcție de trei parametri;

  2. 2)

    recuperarea numărului de evenimente de zbor noi în fiecare subclasă;

  3. 3)

    generarea evenimentelor de zbor pentru fiecare subclasă.

În prima etapă, evenimentele de zbor sunt clasificate în funcție de cei trei parametri raportați în tabelul 2. Cele 60 (2 × 10 × 3) subclase (2 × 10 × 3) exprimă împărțirea traficului pe un anumit aeroport, arătând ce operațiuni sunt cele mai frecvente pentru aeronavele de o anumită dimensiune într-o anumită parte a zilei de 24 de ore. Această împărțire arată modul în care funcționează aeroportul selectat, subliniind restricțiile inerente (de exemplu, evitarea plecărilor aeronavelor mari pe timp de noapte) care au ca rezultat zero evenimente înregistrate în unele subclase. Prin urmare, introducerea clasificării din tabelul 2 permite o strategie de creștere coerentă a traficului aerian pe aeroport.

Tabelul 2 Parametrii utilizați pentru clasificarea evenimentelor de zbor existente

În a doua etapă, se aplică un procent cunoscut de creștere a traficului la toate cele 60 de subclase, iar pentru fiecare dintre acestea se găsește numărul de evenimente de zbor care trebuie adăugate. Deoarece aceste numere nu sunt numere întregi, toate cele 60 de valori sunt compensate, iar părțile fracționare rămase sunt redistribuite între subclasele care au un număr de evenimente cel mai apropiat de un număr întreg. Această etapă implică presupunerea că traficul aerian din 2025 va păstra împărțirea evenimentelor de zbor observată pe aeroportul selectat în 2018.

În a treia etapă, noile evenimente de zbor sunt generate separat pentru fiecare subclasă. Dacă m este numărul de evenimente suplimentare pentru o anumită subclasă, se identifică cele n evenimente înregistrate în 2018 pentru subclasa respectivă, iar m dintre acestea sunt alese aleatoriu și duplicate. Această operațiune, efectuată în toate subclasele, generează toate evenimentele necesare pentru a simula traficul sporit al aeroportului.

Ca o remarcă finală, acest algoritm a fost conceput cu unicul scop de a calcula metricele de zgomot cumulative în cadrul scenariilor de trafic prognozate și, prin urmare, nu ia în considerare practicile legate de ATC, cum ar fi separarea traficului sau rearanjarea temporală a evenimentelor pentru a acomoda noile mișcări de zbor. Eventualele constrângeri aeroportuare, cum ar fi capacitatea sistemului de piste, sunt luate în considerare în mod corespunzător la aplicarea algoritmului.

Leave a Reply

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată.