文摘

为了明确机场的综合运营能力和更好的计划在机场的可持续发展模式,本文研究机场环境承载能力的评价方法。首先,本文提出了机场环境承载能力的概念,考虑到机场受多种因素影响的复杂特点,然后选择16个代表评价指标构建指标体系的基础上,推动Force-Pressure-State-Response (DPSR)框架。最后,加速遗传algorithm-projection追求综合评价指数模型建立模型,用于计算机场环境承载能力(AECC)。案例研究的结果表明,AECC广州白云国际机场(可以)逐年下降,从2008年到2017年,这是符合的协调发展水平。通过分析AECC及指标的变化机制,我们得到6关键影响指标,导致AECC的不断下降和提出了一些改善AECC政治建议。

1。介绍

在中国航空运输发展空前,由此产生的资源消耗和环境污染已成为突出问题。提高空中交通流带来了一系列的问题,如缺乏空域资源,重控制器的工作负载和环境污染。这些问题制约了航空运输的进一步发展。机场是航空运输的重要枢纽;机场交通量的持续增长导致了频繁出现的空域拥堵,低效的操作,和当地空气质量的恶化。这些问题的根源是需求不匹配的承载能力;这种发展模式将阻碍机场可持续发展和区域经济。因此,机场环境承载能力的正确评价(AECC)是依据利益相关者计划的规模和模式机场可持续发展。

大约二十年前,环境承载能力(ECC)的概念,提出了研究人类活动对环境的影响,人类活动计划的发展规模,促进社会经济和生态环境的协调发展1]。环境保护意识的增加使得许多学者更加关注环境承载能力的研究。可持续性的集成,ECC衍生不同的概念在不同的研究领域,包括大气ECC (2ECC),水(3)、旅游投诉委员会(4),和交通ECC (5,评价方法的研究也已经开展。

如今,更多的关注的交通环境承载力(TECC)向陆地运输。作为交通运输的重要组成部分,航空运输相关的研究成果较少的ECC (6,7]。作为空中交通网络的关键节点,机场的发展与空中交通流。空中交通需求的增加与经济增长和机场的规模需要扩大;然而,它会导致自然资源的短缺,生态环境污染等问题已引起了学者们的广泛关注。机场发展和机场环境承载能力之间的不匹配(AECC)已成为未来发展的一个瓶颈机场(8]。因此,机场发展规划应充分考虑AECC之间的关系和周边经济重建和扩大机场和土地利用规划(9]。但很少有相关研究AECC;为了更好地计划在机场的可持续发展模式,有必要进一步研究AECC。

目前,一些研究人员研究了机场的评价方法操作限制基于空域资源,环境污染和人为因素。在空域资源方面,一些研究评估机场操作能力考虑终端航空结构(10和延迟11]。在人为因素方面,一些研究评估领空部门能力考虑控制器的工作负载(12,13]。在污染方面,一些研究计算最大允许空中交通体积考虑污染气体和噪音排放(14]。这些AECC相关研究,但主要集中在不同单下的最大机场空中交通容量约束从机场运营的角度,而不是综合考虑携带的机场空中交通系统从可持续发展的角度。

此外,为了满足空中交通服务的需求,机场的规模发展也密切相关的区域经济水平和社会支持15,16]。机场的规模发展和经济发达地区空中交通枢纽通常比在其他领域,可以提供更多的动机和需求,促进机场的不断扩大发展规模。因此,评估AECC应该进行一个全面的多元影响因素的方法。

本文将全面研究AECC的评价方法通过考虑经济的相互依存,社会,环境,操作,和机场的发展,以确保可持续发展的要求。在这篇文章中,我们构建了评价框架AECC:全面考虑可持续发展因素来选择评价指标,建立指标体系的基础上,推动Force-Pressure-State-Response (DPSR)模型,利用投影寻踪模型评估AECC和使用耦合协调度(CCD)模型进行比较分析。

本文的贡献可以概括如下:首先,我们提出了一个概念AECC基于环境承载力和可持续发展的内容。第二,我们选择了16个评价指标从经济、社会、环境、和操作方面的内容通过分析AECC,构造了一个基于DPSR模型指标体系。第三,我们建立了一个评估框架,形成一个系统的评价方法通过使用DPSR模型中,CCD模型,模型和加速遗传算法的投影寻踪评价AECC,案例研究和验证。最后,我们做了一些改善AECC政治建议。

2。概念和评价框架

2.1。环境承载能力(ECC)

环境承载力的概念可以追溯到马尔萨斯的理论资源的有限性(17]。通常指的是“人类活动的阈值的环境某一地区在一定时期内可以承受,某种状态或条件。“重点是有限的环境生物种群的容忍。与全球资源和环境危机的爆发以及可持续发展理论的提出,ECC的研究的焦点逐渐转移到人类活动的相对公差约束下的资源和环境。许多国际组织先后提出了ECC的概念方面的生态、水和海洋资源,学者们也进行了ECC的评价研究18- - - - - -20.]。在中国,越来越多的学者关注环境承载能力在不同领域的扩展,取得了一些结果。例如,在中国的许多研究已经发现在各方面的生态承载能力(21- - - - - -23];然而,有有限的文献,关注机场环境承载能力的评价。

运输场,出生来满足的需要,扩大了人类活动的范围,已逐渐被受到资源和环境与经济和社会的进一步发展,所以ECC也被扩展到交通领域。学者们提出了一系列的概念来表示TECC在不同的场景中,如城市交通承载能力(24)、交通资源环境承载能力25)、交通环境承载能力26),城市交通噪声环境承载能力27),道路网络承载能力(28),而综合交通承载能力(29日]。这些概念主要以资源环境为约束和依赖于可持续发展的理论来研究交通系统的承载能力。

2.2。机场环境承载能力(AECC)

机场的发展也会受到各种因素的影响,如经济、社会和环境。人口增长和社会进步促进了机场的发展,但也带来了大量的资源消耗:连续增加飞机运动占据更多的空域资源(30.提供空中交通服务,飞机消耗很多人力资源(31日),和机场的改建和扩建占用越来越多的土地资源(32]。同时,飞机,地面支持设备和地面车辆,为主要污染源,会排放污染气体,导致机场及其周边环境的逐渐恶化;此外,资源消耗和环境污染会影响人类社会的可持续发展,从而限制了机场的发展。因此,机场是一个复杂的系统,集经济、社会、环境、以及其他因素,其承载能力是不可避免地受到多因素的影响。为实现可持续发展,承载能力评估是一个重要的标准来衡量可持续发展的水平和状态(33]。

作为航空运输系统的重要组成部分,由航空公司和机场为飞机提供活动场地表面滑行道和提供空中交通服务。飞机飞沿预先计划的路线(图1 (b))在机场,这类似于在城市交通中,车辆的运动模式和机场的航线网络也有一个类似的结构特征的城市交通网络,如图1。城市发展的影响因素是自然、社会、经济、和人类活动(34),和机场发展也会受到这些因素的影响。因此,机场和飞机空中交通为主体可以比作一个小城市交通网络。机场环境承载能力的概念可以参考城市交通承载能力的定义。

(一)
(一)
(b)
(b)
图1
城市交通网络和航线网络的比较。(一)城市交通网络。(b)机场的航线网络。

考虑机场发展之间的相互作用和经济、社会、和环境,并结合飞机的操作特征的方法,滑行,起飞,爬升,机场环境承载能力(AECC)可以被定义为基于城市交通承载能力的概念(35]。AECC的概念如下:“携带的机场空中交通系统在一定的操作条件下,和机场空中交通系统并不在恶性方向发展,机场空中交通系统的操作环境能够满足可持续发展。“AECC反映了可持续发展的内涵,如社会、经济、环境和评估框架的建设提供了理论依据。

2.3。评估框架

ECC的评价方法主要包括指标体系方法(36,37),系统模型方法(38,供需比较方法(39]。本文选择指标体系机场环境承载能力评价方法。为了更好地反映可持续发展的机场和各维度的综合承载水平AECC和挖出的内部变化特征评价对象,旅游地的选择(PSR)框架模型构建指标体系。PSR框架模型是善于分析机场之间的交互操作活动和不同维度的影响因素来促进可持续发展的机场,和驱动力因素可以添加到描述的影响,经济发展和人口在机场的发展。

社会经济增长的机场所在城市或地区的主要驱动力(D机场)的建立和发展。机场吞吐量的增加所带来的发展施加压力(P)机场操作。排放和延迟反映状态(年代)机场的日常操作。一些改进措施作为响应(R),提高机场的运营能力。DPSR模型完全描述了机场操作电梯的循环过程。因此,本文选择驾驶Force-Pressure-State-Response (DPSR)模型构建AECC的指标体系。AECC为了定量评价和分析,该方法模型的综合指数计算模型和加速遗传算法的投影寻踪AECC和使用耦合协调度(CCD)来验证和解释AECC从机场发展的角度协调。下一步是分析的关键影响因素的历史和假设的数据挖掘AECC的变化机理,然后使用它为基础提出促进AECC政治建议。评价的过程框架如图2。


图2
评估AECC框架。

3所示。材料和方法

3.1。研究区域

广州白云国际机场(可以;可以是广州白云国际机场的机场代码)是中国三大航空枢纽之一。其航线网络覆盖世界五大洲。它打开了空中交通与国内外220多个目的地。近年来迅速发展,空中交通流量明显增加了。一些问题已经暴露在经济、社会和环境方面。准确地评估AECC广州白云国际机场可以使利益相关者更好的了解机场的运营的状态。和涉众可以有目的地机场之间的关系协调经济发展和生态环境,从而促进可持续发展的。

3.2。数据收集

原始数据可以从广州的统计年鉴,机场的年报可以(40),民航产业发展统计公报和国家民航飞行运行效率报告从2008年到2017年(41]。此外,污染物排放指标使用公式计算出来。航空环境设计工具(出来)是一个造型系统估计燃料消耗,空气污染物排放,和空气质量和噪音的影响。目前美国联邦航空管理局(FAA)官方认可的评估工具,航空排放和气体扩散42]。噪声计算方法是指ICAO附件16 (43]。

3.3。基于DPSR模型指标体系

DPSR模型是基于PSR框架和驱动因素。经济发展和人口增长导致了自然资源和环境的变化及其周边地区的机场。人口密度(y1)和人均国内生产总值(y2)社会经济发展更重要的特性36]。因此,动力子系统(D)选择这两个参数为指标,以反映机场发展的驱动力。

航空经济的发展给机场带来了内部和外部的压力操作,也是最明显的是空中交通需求的增加。一年一度的货物和邮件吞吐量,年旅客吞吐量和年度飞机运动(44)通常选择特征造成的空中交通容量机场发展的需求。增加或减少在机场空中交通容量的压力将会改变操作,所以压力子系统(P)使用这些参数来体现动力带来的交通需求的压力。

空中交通量的持续增长导致了各种环境污染和减少操作效率。这些影响会导致机场的运行状况的变化。国家子系统(年代)选择污水排放,每年排放的COx、HC和点,准时飞行清除率和噪音污染面积57 dB以上作为指标来反映机场环境的现状和操作(45]。

为了保护环境和改善操作条件机场的机场,一些有关部门已经采取了一些有效的措施来应对一系列现象带来的航空运输。响应子系统(R)使用绿色覆盖率等指标、乘客满意度,增长率准时飞行清除率和减少能源消耗的速度每位乘客的反应层指标。

因此,本文认为机场运行的特点和经济的影响,社会和环境,遵循指标选择的基本原则,并构建了基于DPSR AECC模型的指标体系,如表所示1。

表1
AECC的指标体系。
3.4。投影寻踪模型

有必要使用综合评价方法或模型来评估承载能力。本文采用投影寻踪模型(46),这是广泛使用和处理高维数据的特征没有单独计算指标权重。在降维过程中,这个模型结合加速遗传算法来优化结果。

评估AECC使用投影寻踪模型的过程如下:首先,建立投影特征值的函数。其次,标准化评价指标。第三,构建目标函数和投影结合加速遗传算法来解决最优投影向量。最后,通过计算投影特征值归一化值和最佳的投影向量。

3.4.1。投影特征值

投影特征值的投影寻踪模型(Z)是AECC。样本的投影追求价值我( )可以表示为 在哪里 代表投影特征值的指标 在示例 , 这些指标的标准化值吗 在示例 , 代表的数量指标 , 是最优投影向量的指标吗 ,和的值范围 (−1,1)。

3.4.2。规范化的指标

为了统一的维度评价指标,它是必要的规范化评价指标的值。根据属性的评价指标,评价指标分为积极的指标和消极的指标。

积极的属性指标AECC成正比,如y2,y3,y4,y5,y12,y13,y14,y15,y16。计算公式是

消极的属性指标AECC成反比,等y1,y6,y7,y8,y9,y10,y11。计算公式是

在公式(2)和(3), 指标的原始值吗 在示例 ,和 和 的最大和最小值吗 在示例 。 规范化的价值吗 。16个指标的标准化值如表所示2。

表2
16个指标的标准化值。
3.4.3。计算的最佳投影向量

为了解决最优投影向量 投影的投影寻踪模型中,目标函数 构造。相关的公式表示如下:

其中, 阶级之间的距离。 内部类的密度。 投影特征值的平均值吗 。R的窗口宽度是密度。没有系统的理论基础来确定R目前;它可以是0.1,0.01,0.001 和0.1 一般采用(47]。 是样品的总金额吗 。 , ,和 单位阶跃函数。

为了探索结构特性的评价指标,投影特征值的分布应该有以下特点:局部投影点应尽可能密集;整个投影点应该尽可能地分散。因此,最优投影向量 可以获得目标函数的值 是最大的。约束条件求解最优投影向量结合加速遗传算法表示如下:

后最优投影向量 投影特征值,解决了吗 可以根据公式计算(1)。

3.5。耦合协调度模型

自从AECC的评估价值标准尚未建立,本节介绍了耦合协调度模型(CCD)分析AECC的发展。CCD通常是用来描述研究对象的发展协调程度在不同的维度(48),它可以描述机场的协调发展。协调机场社会经济水平越高,耦合和集成环境和操作维度之后可以提供更大的相应AECC。因此,机场发展的CCD可以在一定程度上反映了AECC。CCD分成五个层次(49),如表所示3。

表3
分类标准的耦合协调程度。

DPSR指标体系综合考虑社会经济的影响,环境资源和AECC操作。评价指标包括三个维度的选择。因此,DPSR评价指标是用来建造机场发展的CCD反映之间的协调程度,机场发展和经济、社会和环境方面。计算公式表达为

其中, 是三个维度之间的耦合程度的社会经济、环境资源、操作和机场,值范围是[0,1]。 , ,和 分别是三维空间的开发指标的计算方法都是一样的, 作为一个例子, , , 是社会经济指标总数维度。 , ,和 每个维度的重量,它通常被认为是所有维度互动同样, (50]。

4所示。结果和讨论

4.1。的AECC可以从2008年到2017年

本文以可以作为一个案例研究,该方法适用于评估AECC可以从2008年到2017年。16个指标的标准化值(表2)放入加速遗传algorithm-projection追求模型。投影特征值 通过方程(1)。结果如表所示4。16个指标的标准化值 被投入的耦合协调度模型。结果,成绩如图3。

表4
AECC的综合评价结果。

图3
每个子系统的变化从2008年到2017年。

从表4,可以看出AECC可以( )从2008年到2017年下降。结果表明,即使空中交通量持续增长,仍然可以一直的AECC逐年下降。主要原因是多维因素的测量AECC机场可持续发展,和当前的资源短缺和环境污染已经影响到的发展,从而限制的AECC即可。

分析子系统的影响可以AECC,投影特征值的四个子系统(ZD,ZP,Z年代,ZR从2008年到2017年)如图3。其中,Z年代和ZD继续下降在过去的十年;Z年代有更大的下滑,而ZP和ZR相对轻微的增长。因此,AECC有类似的投影特征值变化Z年代,AECC可以主要由状态子系统(S)。

同时,机场发展的CCD也在逐年下降,在2011年之前,它基本上是协调,然后成为协调低,表明尽管CCD机场之间的社会经济,环境,和运营发展减少,AECC也减少。此外,CCD和AECC有相似的趋势,表明机场发展的协调程度密切相关,AECC水平。机场社会经济的协调发展,环境资源和操作对提高AECC具有重要意义。

从2015年到2016年,的AECC可以稍微增加了0.62%。增加的原因是ZR和ZP大于的减少ZD和Z年代。ZR已经增加了57.78%。影响响应子系统(R), AECC可以是在上升。此外,第三跑道可以于2015年投入使用。跑道已扩大机场容量的增加和改善运营效率,表明机场的重建和扩建工程可以有效地改善AECC。

4.2。分析影响指标

比较最优投影向量 每一个指标,如图4,可以看出y1,y7,y8,y9,y16的五大指标对AECC可以有很大的影响。一个8是0.3437和属性是负的,反映措施减少没有x排放(y8)可以增加AECC;一个16是0.3390和属性是正的;这意味着节省燃料消耗(y16)也可以改善AECC;一个1,一个9,一个7分别是0.3244,0.3151和0.3102,表明人口密度和空气污染物排放的增加会使AECC状态恶化。y2,y4,y5是三个指标,对AECC几乎没有影响。一个2,一个4,一个5分别是0.0627,0.0751和0.0988,表明人均GDP的增长,年旅客吞吐量和年度飞机运动不能显著改善AECC即可。


图4
投影向量( )的指标。

图的颜色分布4说明国家子系统(S)的最大影响AECC,而动力子系统(D)可以对AECC相对最小的影响。

比较和分析投影特征值 D, P, S, R子系统,结果如图所示5。

(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
(d)
(d)
图5
子系统和投影特征值的指标。

在图5(一个)的下降趋势ZD和Zy1是大致相同的,Zy2显示了一个逐渐增加的趋势。此外,ZD在2010年大幅下降58.1%,主要是由于人口密度增加26.8%,导致下降Zy1和急剧下降ZD。人口增长的变化反映了(y1)是资源短缺和环境恶化的根本原因在机场,虽然人均GDP逐年增加,它几乎没有影响整体动力子系统(D),这表明机场的投资在改善AECC并没有增加。因此,合理的控制人口和机场建设投资增加可以提高AECC。

在图5 (b),ZP显示了一个缓慢增长趋势;与此同时,Zy3,Zy4,Zy5有相似的变化趋势。他们也逐年增加,这表明机场空中交通流量的不断增加可以改善AECC。此外,Zy3,Zy4,Zy5是显著相关(皮尔逊相关性> 0.8),然后呢y3有最大的影响AECC可以,所以呢y3被选中的代表指标P子系统。

在图5 (c),Z年代也有类似的下降趋势Zy6,Zy7,Zy8,Zy9,Zy10。这表明年度排放污水等的增加,CO,没有x、HC、点和噪声overlimit区域AECC恶化的主要原因。此外,Zy12在2016年增加了0.21,但是Z年代下降了0.22,这表明,即使准时飞行间隙率大大增加,AECC时可能无法改变Z -其他状态指标的值下降。因此,合理减少污染物的排放,提高准时飞行清除率可以提高AECC。评价指标Zy6,Zy7,Zy8,Zy9,Zy10皮尔逊相关(> 0.8)的相关性,然后呢y8有最大的影响AECC可以,所以呢y8,y11,y12选择的代表性指标子系统。

在图5 (d)的趋势Zy16大概是一样的吗ZR,这表明每个旅客减少能源消耗的速度响应子系统的主要影响因素(R)。此外,Zy16在2013年大幅下降,因为架A321飞机类型的比例增加,所以乘客人均能源消耗的那一年增加了15.0%,ZR下降了59.6%。因此,降低能源消耗的每位乘客可以改善AECC即可。

基于上述分析,结合最优投影向量,本文选择y1,y3,y8,y11,y12,y16作为代表AECC关键影响指标。

4.3。政治建议

根据历史数据从2008年到2017年,本文使用2017作为基线并设置改变的速度y1,y11,y12,y16从1%到5%,变化的速度y3和y8从6%到10%来分析AECC的趋势。

关键指标变化速度一定时,Z显示了一个上升趋势,表明的AECC可以改善后可以增加六个关键指标的原始值,如图6,B是基线。CCD有相似的变化趋势Z,这表明CCD的发展可以推动AECC。


图6
Z和CCD的变化率下六个关键指标。

当人口密度(y1)和噪声污染面积57 dB以上(y11)减少5%,Z增加了5.7%和8.2%,分别和CCD增加了7.3%和8.9%。当准时飞行清除率(y12每位乘客)和减少能源消耗的速度(y16)增加5%,Z增加了17.5%和4.5%,分别和CCD增加了10.9%和6.2%。与增长率相比,准时飞行清除率增加促进协调发展,明显地改善了AECC可以。

当一年一度的货物和邮件吞吐量(y3)增加10%,Z和CCD只增加了6.4%和6.3%,表明吞吐量的增长的影响也最小的改进和AECC可以协调发展。当没有x发射(y8)降低了10%,Z分别和CCD增加了12.1%和11.9%。可以看出,大大减少x排放可以有效地促进协调发展,提高AECC。

总之,针对开发的状态可以是AECC,我们可以考虑下面的政治建议促进机场的协调发展,提高AECC:(1)机场改建和扩建项目将提高AECC即可。因此,利益相关者可以合理计划机场建设和机场建设投资增加考虑机场的可持续发展。(2)的人口密度D子系统是主要影响因素。因此,我们可以保持经济发展和城市化进程的步伐,合理控制人口。(3)污染物排放和准时飞行清除率S子系统是主要的影响因素,有必要合理减少污染物排放和提高准时飞行改善AECC清除率。(4)乘客人均能源消耗的降低率R子系统是主要的影响因素,因此可以采取措施应对AECC的现状。准时飞行清除率的增加可以有效缓解机场的操作压力和改善AECC。在短期内,可以主要针对响应措施的增加准时飞行清除率。从长远来看,节能、减排和应采取降噪措施减轻环境压力的机场。

5。结论

本文提出了一个评估框架和方法来确定机场环境承载能力。通过研究机场的运营特点和与经济的关系,社会和环境,提出了一种概念AECC基于ECC的内容代表综合水平的机场。16个评价指标选择从经济、社会、环境、通过分析AECC的内容和操作方面,本文构造了一个基于DPSR与这些16个指标的指标体系模型。评价AECC,本文构建了一个评价框架,形成一个系统的评价方法通过使用DPSR模型中,CCD模型,模型和加速遗传算法的投影寻踪根据AECC的概念。

可以作为一个案例研究,本文评估了AECC可以从2008年到2017年。结果表明,即使空中交通量持续增长,仍然可以一直的AECC逐年下降。通过比较和分析CCD的评价结果可以开采的主要影响因素,本文提供了建议改善可以:AECC的机场建设和人口控制可以提高AECC。在短期内,最有效的措施是提高准时飞行清除率。从长远来看,节能、减排和应采取降噪措施减轻环境压力的机场。

此外,AECC本文的评价方法不仅限于。如果其他机场作为研究对象,评价和分析AECC可以实现通过改变指标数据根据实际操作的其他机场。

数据可用性

原始数据可从广州的统计年鉴》(http://tjj.gz.gov.cn/),机场的年报可以(https://www.gbiac.net/byairport-web/index),民航产业发展统计公报,全国民航飞行运行效率报告从2008年到2017年(http://www.caac.gov.cn/index.html)。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项研究是由中国国家自然科学基金(批准号61671237),国家自然科学基金会的中国民航联合基金授予U1933119,和研究生开放基金会南京航空航天大学(批准号kfjj20200722)。