一种多数据耦合的航空器起飞油耗计算方法与流程

1.本发明涉及航空器油耗计算技术领域，具体为一种多数据耦合的航空器起飞油耗计算方法。


背景技术：

2.近年来，随着经济全球化的推进，民航业飞速发展，航班量的激增创造舒适便捷的出行方式，但也带来了大量的航空燃油消耗，进而带来了大量的污染物排放，对机场周边及空域的环境造成了负面影响，因此，准确计算燃油消耗量对航空器节能减排有很重要的意义。
3.目前，国内外学者对于起飞阶段油耗的计算多数使用的单一的数据或模型，导致计算结果不够准确，同时对于不同推力设置下油耗的变化情况研究较少且结论不同存在争议，本发明使用了多种相关数据库，将多种数据进行耦合，并考虑了在不同的推力设置下油耗的变化，提高计算精度。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种多数据耦合的航空器起飞油耗计算方法，以解决上述背景技术中提出国内外学者对于起飞阶段油耗的计算多数使用的单一的数据或模型，导致计算结果不够准确，同时对于不同推力设置下油耗的变化情况研究较少且结论不同存在争议的问题。
5.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种多数据耦合的航空器起飞油耗计算方法，包括如下步骤：
6.步骤1：数据读取和处理；
7.步骤2：数据清洗；
8.步骤3：构建航空器起飞阶段动力学模型；
9.步骤4：航空器起飞油耗计算方法；
10.步骤5：模型计算精度检验。
11.通过采用上述技术方案，经过一整个完善的流程，通过对设备数据进行针对性的清洁和分类，使数据读取更加精准，从而更好的计算油耗并在后期的精度检验也提供了数据保障。
12.进一步地，所述数据读取和处理具体包括如下步骤：
13.步骤1
‑
1：读取的数据包括：qar(quickly access recorder，快速数据存取记录器)数据、bada(base of aircraft data，飞机性能数据库)数据库、eedb(engine emission data bank，发动机排放数据库)数据库；
14.步骤1
‑
2：根据qar数据，提取“flight phase”列中标签为“take off”的数据为研究对象；
15.步骤1
‑
3：根据qar数据，在标签为“take off”数据中，提取“n1”列数据求均值得到
航空器起飞推力百分比；
16.步骤1
‑
4：根据qar数据，在标签为“take off”数据中，提取“grossweight_lb”列数据得到航空器起飞重量；
17.步骤1
‑
5：根据qar数据，在标签为“take off”数据中，提取“fuelflow_lbh”列数据得到航空器各发动机的燃油流量值；
18.步骤1
‑
6：根据qar数据，在标签为“take off”数据中，提取航空器起飞离地速度；
19.步骤1
‑
7：根据bada数据库，提取出研究机型所对应发动机型号；
20.步骤1
‑
8：根据eedb数据库，提取各发动机型号在起飞阶段的基准燃油流量值。
21.通过采用上述技术方案，针对这一流程的读取数据使数据更加完善，避免有遗漏，且数据范围面增加，并且针对不同型号的发动机进行提取针对型号的信息，增加数据的准确性。
22.进一步地，数据清洗具体包括如下步骤：
23.步骤2
‑
1：对从qar中提取到的数据含重复数据和不完整数据的异常值进行清洗；
24.步骤2
‑
2：数据进行离差标准化处理，消除量纲和数据取值范围的影响。
25.通过采用上述技术方案，将数据定时定期清洗，并且对数据进行整理分类，可以减少计算负担提高效率，提高数据的精准度。
26.进一步地，所述构建航空器起飞阶段动力学模型具体包括如下步骤：
27.步骤3
‑
1：航空器起飞阶段动力学模型主要依据bada数据库；
28.步骤3
‑
2：针对航空器在起飞阶段的不同运动特性，使用bada的全能量模型进行分析，利用该模型将航空器质点化，建立了势能与动能的相互转化关系，全能量模型的公式如下：
[0029][0030]
式中，thr为航空器的推力，n；d为阻力，n；v
tas
为航空器的真空速，m/s；m为航空器的质量，kg；g为重力加速度，m/s；h为航空器所在高度，m；t为时间，s。
[0031]
步骤3
‑
3：针对不同阶段的特点对全能量模型进行简化，并根据牛顿第二定律，计算出航空器在不同推力设定下的起飞时间，计算过程如下：
[0032]
[0033]
式中，t
takeoff
为航空器起飞时间，s；t
roll
为航空器起飞加速滑跑阶段时间，s；t
cl
为起飞爬升阶段时间，s；t为航空器的推力值，n；t
max,i
为发动机i的最大推力，n；r为推力设定百分比；n为发动机个数，台；d为航空器受到的阻力，n；ρ为空气密度，kg/m3；s为机翼面积，m2；c
d
为阻力系数；c
l
为升力系数；为航空器的坡度角，由于起飞过程中坡度角很小，此时
[0034]
通过采用上述技术方案，在起飞时通过的bada的全能量模型进行分析，利用该模型将航空器质点化，建立了势能与动能的相互转化关系，提高了优势。
[0035]
进一步地，所述航空器起飞油耗计算方法具体包括如下步骤：
[0036]
步骤4
‑
1：该油耗计算方法耦合了qar数据、bada数据库和eedb数据库，多数据耦合得出航空器起飞油耗计算方法；
[0037]
步骤4
‑
2：将qar数据中提取得到的航空器起飞重量、推力值、航空器离地速度，进行数据处理后作为已知量输入基于bada数据库的航空器起飞阶段动力学模型中；
[0038]
步骤4
‑
3：经航空器起飞阶段动力学模型计算，得到航空器在不同推力条件下的起飞时间；
[0039]
步骤4
‑
4：将eedb数据中提取得到的发动机在起飞阶段的燃油流量值作为已知量，计算航空器在不同推力条件下的油耗量的公式如下所示：
[0040]
fuel
i
＝ff
i
·
n
·
r
·
t
takeoff
[0041]
式中，fuel
i
为机型i的燃油消耗量，kg；ff
i
为机型i所对应发动机在起飞阶段的燃油流量，kg/s；n为发动机个数，台；r为推力设定百分比；t
takeoff
为航空器起飞时间，s。
[0042]
通过采用上述技术方案，经过将计算方法耦合qar数据、bada数据库和eedb数据库，并将处理后的数据输入bada数据库的航空器起飞阶段动力学模型中，通过航空器起飞阶段和燃油流量根据再不同推理下的油耗进行计算并公示出。
[0043]
进一步地，所述模型计算精度检验具体包括如下步骤：
[0044]
步骤5
‑
1：将该方法计算得到的起飞时间值与qar记录的真实起飞时间值进行对比，分析该方法计算结果的准确度；
[0045]
步骤5
‑
2：将该方法计算得到的起飞油耗值与qar记录的真实起飞油耗值进行对比，分析该方法计算结果的准确度。
[0046]
通过采用上述技术方案，用上述方法计算到的数据更具备精准度，计算出后进行实际验证检验数据，确保数据的真实和有效性。
[0047]
进一步地，所述航空器在起飞阶段的特性分为起飞加速滑跑阶段和起飞爬升阶段。
[0048]
通过采用上述技术方案，在起飞加速滑跑阶段航空器的高度不会发生变化，且近似与匀加速直线运动，在起飞爬升阶段，航空器通常采用等速率爬升。
[0049]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0050]
1、该多数据耦合的航空器起飞油耗计算方法，通过对设备数据进行针对性的清洁和分类，使数据读取更加精准，从而更好的计算油耗并在后期的精度检验也提供了数据保障。
[0051]
2、该多数据耦合的航空器起飞油耗计算方法，通过针对这一流程的读取数据使数据更加完善，避免有遗漏，且数据范围面增加，并且针对不同型号的发动机进行提取针对型
号的信息，增加数据的准确性。
[0052]
3、该多数据耦合的航空器起飞油耗计算方法，通过经过将计算方法耦合qar数据、bada数据库和eedb数据库，并将处理后的数据输入bada数据库的航空器起飞阶段动力学模型中，通过航空器起飞阶段和燃油流量根据再不同推理下的油耗进行计算并公示出，计算出后进行实际验证检验数据，确保数据的真实和有效性。
附图说明
[0053]
图1为本发明的方法流程示意图。
具体实施方式
[0054]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
[0055]
请参阅图1
‑
1，本发明提供的一种实施例：一种多数据耦合的航空器起飞油耗计算方法，包括如下步骤：
[0056]
步骤1：数据读取和处理；
[0057]
步骤2：数据清洗；
[0058]
步骤3：构建航空器起飞阶段动力学模型；
[0059]
步骤4：航空器起飞油耗计算方法；
[0060]
步骤5：模型计算精度检验。
[0061]
数据读取和处理具体包括如下步骤：
[0062]
步骤1
‑
1：读取的数据包括：qar(quickly access recorder，快速数据存取记录器)数据、bada(base of aircraft data，飞机性能数据库)数据库、eedb(engine emission data bank，发动机排放数据库)数据库；
[0063]
步骤1
‑
2：根据qar数据，提取“flight phase”列中标签为“take off”的数据为研究对象；
[0064]
步骤1
‑
3：根据qar数据，在标签为“take off”数据中，提取“n1”列数据求均值得到航空器起飞推力百分比；
[0065]
步骤1
‑
4：根据qar数据，在标签为“take off”数据中，提取“grossweight_lb”列数据得到航空器起飞重量；
[0066]
步骤1
‑
5：根据qar数据，在标签为“take off”数据中，提取“fuelflow_lbh”列数据得到航空器各发动机的燃油流量值；
[0067]
步骤1
‑
6：根据qar数据，在标签为“take off”数据中，提取航空器起飞离地速度；
[0068]
步骤1
‑
7：根据bada数据库，提取出研究机型所对应发动机型号；
[0069]
步骤1
‑
8：根据eedb数据库，提取各发动机型号在起飞阶段的基准燃油流量值，提取结果如表1所示：
[0070]
表1 eedb提取结果
[0071][0072]
数据清洗具体包括如下步骤：
[0073]
步骤2
‑
1：对从qar中提取到的数据含重复数据和不完整数据的异常值进行清洗；
[0074]
步骤2
‑
2：数据进行离差标准化处理，消除量纲和数据取值范围的影响。
[0075]
构建航空器起飞阶段动力学模型具体包括如下步骤：
[0076]
步骤3
‑
1：航空器起飞阶段动力学模型主要依据bada数据库；
[0077]
步骤3
‑
2：在实际运行过程中，起飞通常被分为起飞加速滑跑阶段和起飞爬升阶段，在起飞加速滑跑阶段航空器的高度不会发生变化，且近似与匀加速直线运动。在起飞爬升阶段，航空器通常采用等速率爬升；
[0078]
步骤3
‑
3：全能量模型(total
‑
energy model)是bada性能模型的核心，全能量模型的原理是能量守恒定律，它认为发动机推力做的功全部转化为航空器的动能与势能：
[0079][0080]
式中，thr为航空器的推力，n；d为阻力，n；v
tas
为航空器的真空速，m/s；m为航空器的质量，kg；g为重力加速度，m/s；h为航空器所在高度，m；t为时间，s。
[0081]
步骤3
‑
4：针对不同阶段的特点对全能量模型进行简化，并根据牛顿第二定律，可计算出航空器在不同推力设定下的起飞时间，计算过程如下：
[0082][0083]
式中，t
takeoff
为航空器起飞时间，s；t
roll
为航空器起飞加速滑跑阶段时间，s；t
cl
为起飞爬升阶段时间，s；t为航空器的推力值，n；t
max,i
为发动机i的最大推力，n；r为推力设定百分比；n为发动机个数，台；d为航空器受到的阻力，n；ρ为空气密度，kg/m3；s为机翼面积，m2；c
d
为阻力系数；c
l
为升力系数；为航空器的坡度角，由于起飞过程中坡度角很小，此时
[0084]
航空器起飞油耗计算方法具体包括如下步骤：
[0085]
步骤4
‑
1：该油耗计算方法综合了qar数据、bada数据库和eedb数据库，多模型耦合得出航空器起飞油耗计算方法；
[0086]
步骤4
‑
2：经航空器起飞阶段动力学模型计算，得到航空器在不同推力条件下的起飞时间；
[0087]
步骤4
‑
3：将eedb数据中提取得到的发动机在起飞阶段的燃油流量值作为已知量，计算航空器在不同推力条件下的油耗量的公式如下所示：
[0088]
fuel
i
＝ff
i
·
n
·
r
·
t
takeoff
[0089]
式中，fuel
i
为机型i的燃油消耗量，kg；ff
i
为机型i所对应发动机在起飞阶段的燃油流量，kg/s；n为发动机个数，台；r为推力设定百分比；t
takeoff
为航空器起飞时间，s。
[0090]
模型计算精度检验具体包括如下步骤：
[0091]
步骤5
‑
1：该方法研究对象如表2所示：
[0092]
表2研究机型数据
[0093][0094]
步骤5
‑
2：将该方法计算得到的起飞时间值与qar记录的真实起飞时间值进行对比，分析该方法计算结果的准确度：
[0095]
步骤5
‑
3：将该方法计算得到的起飞油耗值与qar记录的真实起飞油耗值进行对比，分析该方法计算结果的准确度，航空器在起飞阶段的特性分为起飞加速滑跑阶段和起飞爬升阶段，通过对设备数据进行针对性的清洁和分类，使数据读取更加精准，从而更好的计算油耗并在后期的精度检验也提供了数据保障，针对这一流程的读取数据使数据更加完善，避免有遗漏，且数据范围面增加，并且针对不同型号的发动机进行提取针对型号的信息，增加数据的准确性，经过将计算方法耦合qar数据、bada数据库和eedb数据库，并将处理后的数据输入bada数据库的航空器起飞阶段动力学模型中，通过航空器起飞阶段和燃油流量根据再不同推理下的油耗进行计算并公示出，计算出后进行实际验证检验数据，确保数据的真实和有效性。
[0096]
工作原理：首先对数据进行读取，快速降数据存储和记录，并根据qar数据，提取“flight phase”列中标签为“take off”的数据为研究对象，随后根据数据将根据qar数据，在标签为“take off”数据中，提取“n1”列数据求均值得到航空器起飞推力百分比，并提取出“grossweight_lb”列数据得到航空器起飞重量、“fuelflow_lbh”列数据得到航空器各发
动机的燃油流量值、提取航空器起飞离地速度、提取出研究机型所对应发动机型号和提取各发动机型号在起飞阶段的基准燃油流量值如表1所示，然后将在qar数据中提取的内容进行异常、重复、不完整的数据进行清洁和整理，避免在后期计算时起到干扰的作用，随后构建一个动力学模型以便于后期的实际操作检验工作，在实际运行过程中，起飞通常被分为起飞加速滑跑阶段和起飞爬升阶段，在起飞加速滑跑阶段航空器的高度不会发生变化，且近似与匀加速直线运动。在起飞爬升阶段，航空器通常采用等速率爬升，而全能量模型(total
‑
energy model)是bada性能模型的核心，全能量模型的原理是能量守恒定律，它认为发动机推力做的功全部转化为航空器的动能与势能，计算数据时，综合了qar数据、bada数据库和eedb数据库，多模型耦合得出航空器起飞油耗计算方法，同时将qar数据中提取得到的航空器起飞重量、推力值、航空器离地速度，进行数据处理后作为已知量输入基于bada数据库的航空器起飞阶段动力学模型中，得到航空器在不同推力条件下的起飞时间，将eedb数据中提取得到的发动机在起飞阶段的燃油流量值作为已知量，以该方法为计算基础得到通过航空器起飞阶段和燃油流量根据再不同推理下的油耗进行计算并公示出，计算出后进行实际验证检验数据，确保数据的真实和有效性，同时以2019年6月在广州白云机场起飞的航班运行数据为基础，以起降量最多的b738、a320、a321和b737四个机型为例，对四种机型的qar数据进行处理、从bada数据库中提取出四种机型对应发动机型号、从eedb数据库中提取出发动机型号对应起飞阶段的燃油流量。针对不同机型构建航空器起飞阶段动力学模型。通过航空器起飞油耗计算方法，得到各机型的起飞时间与起飞油耗量，并与qar记录的真实值对比，结果如表3、表2所示；
[0097]
结果表明，该油耗计算方法能够更准确计算航空器在起飞阶段的油耗量，较为可靠，具有指导意义。
[0098]
表3起飞时间对比
[0099][0100][0101]
表4起飞油耗对比
[0102][0103]
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。