本发明属于民航技术领域，具体涉及一种短期天气下进场航班延误成本计算方法。
背景技术：
终端空域存在短期天气变化，引起终端空域容量和运行效率急剧下降，航班延误成本的急剧上升，影响航班的正常进场，甚至有可能引发飞行安全事故。恶劣天气变化是航班延误的重要原因。相关数据表明，中国2015年客运航空公司共执行航班337.3万班次，平均航班正常率仅为68.33％，天气原因引起的航班延误所占比例29.53％；2015年，美国国家空域系统由天气原因导致的航班延误比例高达53.1％。欧洲的单一天空计划(sesar)和美国的下一代航空运输系统(nextgen)都将天气变化下的空中交通延误分析作为重要的研究议题。
航班延误成本分析是飞行运行决策需要考虑的重要方面。对于短期天气变化下的终端区某进场航班来说，进场航路通常被气象云团堵塞而必须实施改航策略，航空器在原来既定航路基础上多飞行了一定距离；短期天气条件变化引起的机场跑道容量减小，进场航班服务率降低，会在实施进近程序之前进行空中盘旋等待。以上改航策略和空中等待程序的实施将导致航班的燃油消耗量和进场时间增多，引起燃油成本和时间成本的增大，即航班延误成本增大，给航空公司带来直接经济损失。因此，获取准确的航班延误运行成本应当是除了飞行安全外，进场过程中改航和等待运行决策需要考虑的重要依据。
现有技术中已从多方面研究了航班延误对航空公司飞行运行成本和旅客出行成本的影响，但在空中交通流量管理预战术阶段，终端空域的航班由于受到天气影响产生的改航和等待等飞行预案，需要结合原飞行计划和天气雷达图，建立新的飞行改航和等待航迹，并考虑不同机型和航段燃油消耗的差异，才能准确获取航空器进场的航班延误运行成本。而目前研究工作较少从该角度讨论终端空域恶劣天气影响下航班改航和空中等待带来的延误时间成本和燃油成本。
技术实现要素：
为精确计算终端区内进场航班的延误成本，本发明针对短期天气影响下的终端区改航策略和空中等待程序造成的航班延误成本问题，将航班的延误时间成本和燃油成本进行定量分析，提出一种短期天气下进场航班延误运行成本预测方法。
本发明所公开一种基于bada燃油消耗率的短期天气下进场航班延误成本计算方法，即，短期天气下进场航班延误总成本包括所有航空器执飞进场和进近程序因航班延误产生的时间成本和燃油成本之和，其中，进场及进近航段包括：进场航段、起始进近航段、中间进近航段和最后进近航段；燃油成本是基于bada数据库中相关机型发动机的燃油消耗率计算得到的因航班延误产生的燃油消耗成本；时间成本包括因航班延误产生的航空器相关的机组小时费成本、维修费成本、飞机和发动机折旧费成本以及其它费用成本。
进一步的，因航班延误产生的燃油成本
式中，f表示进场航班，ce表示单位燃油价格，ef表示燃油消耗量，
式中，
进一步的，利用bada数据库，并结合终端空域恶劣天气影响下的航空器改航策略和空中等待程序，将航空器进场和进近飞行程序划分为若干个平飞和下降航段，将航空器执飞进场和进近程序所需的燃油消耗量结合实际的航空器改航情况进行平飞航段和下降航段的叠加组合，并建立航空器执飞进场程序的燃油消耗量计算模型，基于该燃油消耗量计算模型计算得到的所有航空器执飞进场和进近程序因航班延误产生的燃油消耗量，其中，燃油消耗量计算模型是：
式中，
进一步的，因航班延误产生的时间成本为：
式中，
进一步的，机组小时费包括机长、副驾、安全员、乘务长和乘务员的小时工资；飞机和发动机的折旧费按照飞机价格除以飞机使用小时数得到。
进一步的，其它费用包括根据延误时间的长短酌情给予旅客和/或机组小组的食宿费用。
本发明还公开一种基于bada燃油消耗率的短期天气下进场航班延误成本计算方法，包括以下步骤：
步骤1，建立终端空域进场航路结构，获取终端空域范围内的气象雷达回波图像及进场航班计划；
步骤2，基于图像颜色与降水等级、回波强度的关系，对气象雷达回波图像进行颜色识别与轮廓提取；
步骤3，确定受天气影响的进场航路，规划与天气状况对应的改航航路；
步骤4，确定航班的执飞机型，并查阅bada数据库关于航空器燃油消耗率的性能参数，并利用bada数据库关于航空器进场平飞和下降阶段的燃油消耗率模型，将进场航路划分为若干个平飞和下降航段，建立进场航班的燃油消耗计算模型；
步骤5，确定进场航路的航路点、航段距离高度以及航空器速度，分析航空器在各个航段的飞行姿态，并计算计划进场航路和改航航路各个航段的航空器燃油消耗率；
步骤6，根据航班进场计划航路与改航航路的航路数据，计算因航班延误产生的延误时间及其产生的时间成本；
步骤7，利用燃油消耗计算模型计算航班执行计划进场航路和改航航路的燃油消耗量，根据计划和改航的航空器燃油消耗量计算因航班延误产生的燃油成本；
步骤8，计算航班延误总成本，即所有航空器执飞进场和进近程序时因航班延误产生的时间成本和燃油成本之和。
进一步的，各航班有且仅能由一种机型p，执行进场程序r降落于机场跑道,延误总成本cdelay的计算公式为：
式中，f表示终端区进场航班的集合，
进一步的，因航班延误产生的燃油成本为：
式中，
其中，航班空中等待燃油消耗量
式中，
其中，航班计划进场和航班实际进场的燃油消耗量采用的燃油消耗计算模型计算公式如下：
式中，
进一步的，因航班延误产生的时间成本为：
式中，
进一步的，机组小时费包括机长、副驾、安全员、乘务长和乘务员的小时工资；飞机和发动机的折旧费按照飞机价格除以飞机使用小时数得到。
进一步的，其它费用包括根据延误时间的长短酌情给予旅客和/或机组小组的食宿费用。
本发明提出的基于bada数据库(baseofaircraftdata)燃油消耗率的短期天气下进场航班延误成本计算方法，具有以下有益效果：
基于bada的燃油消耗动力学模型确定的航班延误成本，可为飞行计划制定和航班高效运行提供依据，有助于提高航空公司的航班运行控制决策的科学性。
基于bada燃油消耗的短期天气影响下的延误成本分析，可作为空中交通流量管理系统的组成，为空管部门在保证航班运行安全性的前提下，实施进场航班改航和排序调度的决策预案提供科学依据。
本发明提出的进场航班运行成本不仅仅包含燃油成本，还有与航空器运行时间相关成本，对于时间成本进行分类，并考虑航班的改航和空中等待的飞行差异，在燃油成本计算模型中分类计算，从而得到航班延误总运行成本。
相对于以往的研究文献对航空器燃油消耗成本多以历史数据驱动建立统计学的数学模型去分析挖掘出不同的航班延误成本影响因素不同，本发明从航空器的发动机耗油率角度可分析不同进场运行航段不同机型的耗油状况，从而为准确航空器耗油成本计算提供更为科学和准确的依据。
附图说明
图1终端空域进离场航路和改航路径
具体实施方式
终端区进场程序由一系列不同飞行状态组合构成，典型的进场及进近航段包括：进场航段、起始进近航段、中间进近航段和最后进近航段。
实施例中公开一种基于bada燃油消耗率的短期天气下进场航班延误成本计算方法，其包括以下步骤：
步骤1，建立终端空域进场航路结构，获取终端空域范围内的气象雷达回波图像及进场航班计划；
步骤2，利用matlab的图像处理工具箱对气象雷达回波图像进行颜色识别(识别天气等级1及以上)与轮廓提取，其图像颜色与降水等级、回波强度的关系如表1所示；
表1危险天气等级
步骤3，确定受天气影响的进场航路，规划与天气状况对应的改航航路；
实施步骤1～3可得到终端空域进离场航路、和受天气影响的进场航路及其改航航路，如图1。
如图1所示，and方向进场航路为bk-bavik-iglit-xsy-pvg，航空器受到恶劣天气影响执行实时规划的进场改航航路and-dadat-belop-a-b-c-xsy-pvg。
步骤4，确定航班的执飞机型，查阅bada数据库(baseofaircraftdata)中关于航空器燃油消耗率的性能参数，并利用bada数据库关于航空器进场平飞和下降阶段的燃油消耗率模型，将进场航路划分为若干个平飞和下降航段，建立进场航班的燃油消耗计算模型。
燃油消耗模型：终端空域进场进近航段由平飞阶段和下降阶段组成，对于某一进场航班f，机型为p，发动机数量为ne，执行的进场程序r可划分为a个平飞航段、b个下降航段。假设下降、平飞过程中的燃油消耗率恒定，则对应于某一机型的航空器执行进场程序r的燃油消耗量
式中，
根据航班计划，and方向进场航班执飞机型为a320-212、a320-212、a321、a330-301、a340-313、b737-800、b757-200、b767-300er、b777-300，其性能参数如表2。
表2机型性能参数
表1中关于航空器燃油消耗率的性能参数中：ctc,1表示第一最大爬升推力系数(单位：牛顿)，ctc,2表示第二最大爬升推力系数(单位：英尺)，ctc,3表示第三最大爬升推力系数(单位：1/英尺2)，ctc,4表示第一推力温度系数(单位：c)；ctc,5表示第二推力温度系数(单位：1/c)，cf1表示第一推力燃油消耗系数(单位：公斤/分钟╳千牛)，cf2表示第二推力燃油消耗系数(单位：节)，cf3表示第一下降燃油流量系数(单位：公斤/分钟)，cf4表示第二下降燃油流量系数(单位：英尺)，cfcr表示巡航燃油流量校正系数(单位：无量纲)。
步骤5，确定进场航路的航路点、航段距离高度以及航空器速度，分析航空器在各个航段的飞行姿态，并分别计算计划进场航路和改航航路中各个航段的航空器燃油消耗率；其中飞行姿态包括下降匀速，平飞匀速，下降减速，下降减速，等待匀速5种姿态。
计算得到表2中所列的a320-212、a321、a330-301、a340-313、b737-800、b757-200、b767-300er、b777-300机型在计划进场航路bk-bavik-iglit-xsy-pvg和改航航路and-dadat-belop-a-b-c-xsy-pvg各阶段的燃油消耗率，如表3和表4所示。
表3and方向计划进场航路数据
表4and方向进场改航航路数据
步骤6，根据航班进场计划航路与改航航路的航路数据，计算航班延误时间及其延误成本；
进场时间包括航班计划进场时间、航班实际进场时间和航班实际进场时间，分别对应的计算模型如下：
(1)航班计划进场时间
根据目的地机场的标准进场程序，计划航班由终端空域走廊口到降落至目的机场所执行的进场航路是固定的，进场程序r可划分为a个平飞航段、b个下降航段，计划航班执行进场程序r的时间
式中，
(2)航班实际进场时间
由于终端区短期天气条件变化，航班可能实施改航策略引起进场程序发生变化，改航之后的进场程序r′可划分为个c个平飞航段、d个下降航段，相应的实际进场时间
式中，
(3)航班空中等待时间
由于短期天气条件的变化导致跑道进场容量减小，进场服务率降低，使得进场航班不得不在起始进近定位点iaf处进行盘旋等待，假设航班空中等待时间为
变量定义：
t：给定一天中的时间范围(00:00～24:00)；
s：讨论的短期天气影响下的时间片长短，取整数，s∈t；
t：第t个时间片，t＝1,2,…,24；
第t个时间片的服务率；
第t个时间片的到达率；
定义ρ为服务机构的利用率，表示在相同时间片内航班到达率与航班服务率的比值，故进场跑道的利用率分别为
第t个时间片的进场航班的平均等待时间，即进场航班延误时间wta：
则s时间片内的进场航班等待时间
经计算得到，航班执行计划航路与改航航路所产生的延误时间为19.7min。
相应的，根据对上述三种进场时间的计算，得到因航班延误产生的时间成本计算模型：
对于航班f的延误时间成本
式中，ct表示延误成本，tf表示延误时间，
本实施例中，空中等待时间为0，故：
其中，机组小时费包括机长、副驾、安全员、乘务长和乘务员的小时工资；飞机和发动机的折旧费按照飞机价格除以飞机使用小时数得到，飞机使用小时根据飞机寿命15年，每年飞行320天，每天飞行10小时来计算，已知a320-212、a321、a330-301、a340-313、b737-800、b757-200、b767-300er、b777-300机型价格分别为0.99亿、1.16亿、2.59亿、3.56亿、0.96亿、1.42、1.97亿、3.39亿美元，不同机型的单位时间成本如表5所示，以下价格单位均为人民币元。
表5不同机型的单位时间成本(元/小时)
经计算，航班延误时间成本分别为6630、7461、15583、20797、6488、8999、12646、19991元。
步骤7，利用燃油消耗模型计算航班执行计划进场航路和改航航路的燃油消耗量，根据计划与改航的航空器燃油消耗量计算航班延误的燃油成本，如表6所示；
表6and进场航班燃油消耗量
因航班延误产生的燃油成本计算模型为：
对于航班f的延误燃油成本
式中，f表示进场航班，ce表示单位燃油价格，ef表示燃油消耗量，
式中，
本实施例中，空中等待时间为0，故：
假设单位燃油成本ce为3000元/吨，根据延误燃油成本计算模型计算得到各种机型的航班延误燃油成本分别为：3480、4395、8610、17755、3783、5612、8036、8871元。
步骤8，计算航班延误总成本，计算模型如下：
终端空域进场航班的延误总成本cdelay为所有进场航班延误成本之和，包括每个航班的延误时间成本和延误燃油成本；而且航班f有且仅能由一种机型p，执行进场程序r降落于机场跑道。
式中，f表示终端区进场航班的集合，
经计算，因航班延误带来的时间成本、燃油成本以及总成本如表7所示。
表7航班延误时间成本、燃油成本以及总成本
尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。