Ein Lärmmodell für die Flugbahnoptimierung

Ein Lärmmodell für die Flugbahnoptimierung DGLR Workshop Umweltfreundliches Fliegen am 16. und 17. Juni 2010 in Braunschweig, 2010

Inhalt Motivation Flugbahnoptimierung Beschreibung der Lärmbelastung/Kostenfunktion Anforderungen an das Lärmmodell ANP / ECAC Doc 29 / INM Modell Lärmmodell Validierung des Lärmmodells Zusammenfassung und Ausblick 16.06.2010, Folie 1

Motivation Minimierung der Lärmbelastung durch die Optimierung der Flugverfahren Optimale Flugbahn soll durch Lösung eines Optimal Control Problems gefunden werden Fragestellung: Wie lässt sich die Lärmbelastung zum Zwecke der Optimierung quantifizieren? Problem: Kein geeignetes Lärmmodell zum Zwecke der Optimierung verfügbar Aus verfügbaren Daten und Modellen musste ein eigenes Lärmmodell entwickelt werden 16.06.2010, Folie 2

Flugbahnoptimierung Modellierung des Flugsystems ( x u) x & = f, Optimierungsalgorithmus Lärmmodell db = f ( x,u) Kostenfunktion Belastung = f ( db) min( Belastung) 16.06.2010, Folie 4

Flugbahnoptimierung Modellierung des Flugsystems ( x u) x & = f, Optimierungsalgorithmus Lärmmodell db = f ( x,u) Kostenfunktion Belastung = f ( db) min( Belastung) Optimierungsalgorithmus: Es wird ein Gradientenverfahren verwendet Erfordert eine analytische Lösung der Ableitung der Kostenfunktion nach den Zustands- und Steuergrößen des Flugsystems 16.06.2010, Folie 5

Beschreibung der Lärmbelastung Es wir eine Funktion benötigt um die Lärmbelastung an allen sensiblen Punkten in Beziehung zu setzen Gesamtbelastung soll durch EINEN Wert beschrieben werden, der dann minimiert werden kann Abflugroute RWY An jedem Punkt: - verschiedene Bevölkerungsdichte - verschiedene Lärmpegel 16.06.2010, Folie 7

Beschreibung der Lärmbelastung Beispiel: Sleep disturbance (Aufwachreaktion) Quelle: Federal Agency Review of Selected Airport Noise Analysis Issues, FICON, 1992 16.06.2010, Folie 8

Beschreibung der Lärmbelastung Beispiel: Sleep disturbance (Aufwachreaktion) Quelle: Federal Agency Review of Selected Airport Noise Analysis Issues, FICON, 1992 Lärmbelastung = Anzahl der Leute die durch einen Überflug aufwachen 16.06.2010, Folie 9

Beschreibung der Lärmbelastung SEL beschreibt die Schallenergie eines Überflugs und ist eine Funktion des zeitliche Schalldruckverlaufs L A (t) L Amax 85 History of L A (t) 80 L A [db] 75 70 65 SEL 60 310 315 320 325 330 335 340 345 350 Time [s] 16.06.2010, Folie 10

Beschreibung der Lärmbelastung L Amax SEL beschreibt die Schallenergie eines Überflugs und ist eine Funktion des zeitliche Schalldruckverlaufs L A (t) 85 History of L A (t) SEL t 1 = 10lg 2 10 t0 t1 L A () t 10 dt L A [db] 80 75 70 65 SEL 10 db 60 310 315 320 325 330 335 340 345 350 Time [s] 16.06.2010, Folie 11

Anforderungen an das Lärmmodell Modellierung des Flugsystems Lärmmodell ( x u) x & = f, () t f ( x,u) L A = Optimierungsalgorithmus Kostenfunktion SEL min = f ( LA () t ) f ( SEL) ( Anzahl der Leute die aufwachen) % Awakenings = analytische Lösung der Ableitung der Kostenfunktion nach den Zustandsund Steuergrößen des Flugsystems erforderlich 16.06.2010, Folie 13

ANP / ECAC Doc 29 / INM Modell Aircraft Noise and Performance Database (ANP) NPD ( Noise Power Distance) Tabellen (kombiniert Quelllärm und Ausbreitung); L Amax oder SEL für Flugbahnsegmente unendlicher Länge Keine stetig differenzierbare Funktion ECAC Doc 29, 3 rd edition Report on standard method of computing noise contours around civil airports Stellt die Berechnungsvorschriften für Lärmkonturen basierend auf ANP Daten bereit Basiert auf Flugbahnsegmentierung; kein zeitlicher Pegelverlauf FAA s Integrated Noise Model (INM) Setzt ECAC-Methode um 16.06.2010, Folie 15

ANP / ECAC Doc 29 / INM Modell 2 1 RWY 3 L Amax,1 4 L Empfänger L Amax,4 Amax =max(l Amax,i ) 16.06.2010, Folie 16

Lärmmodell Hauptannahme: Wenn die betrachteten Flugsegmente unendlich klein sind ist L Amax gleich L A Kontinuierliche Berechnung L A (t) RWY L Amax,i Empfänger L A (t) 16.06.2010, Folie 18

Lärmmodell Hauptannahme: Wenn die betrachteten Flugsegmente unendlich klein sind ist L Amax gleich L A D.h. der Verlauf von L amax,i resultiert in einem zeitlichen Verlauf von L A 85 History of L A (t) 80 L A [db] 75 70 65 60 310 315 320 325 330 335 340 345 350 Time [s] 16.06.2010, Folie 19

Lärmmodell Least Square Fit der NPD Daten einer 737700, L Amax (Approach) L A (P,D) = a + b*p + c*p*lg(d) + d*lg(d) + e*(lg(d)) 2 db Gesamtvarianz: 0.9995 Standardfehler: 0.4956 db power distance 16.06.2010, Folie 20

Lärmmodell Funktion von L A (t), die bzgl. des Zustandsvektor x und Steuervektor u stetig differenzierbar ist wird benötigt ( t) f ( x,u) L A = L A = a + bp + cp lg 2 ( D) + d lg( D) + elg( D) + Δ ( ϕ ) Λ( β, l) I mit P u D, ϕ, β, l x Fit aus NPD Daten Triebwerks- laterale installation Dämpfung 16.06.2010, Folie 21

Validierung des Lärmmodells Test: Ist die Hauptannahme gerechtfertigt? D.h. ist es möglich SEL aus einer Zeitserie von L A zu berechnen die auf den Maximalpegeln aus der ANP Datenbank basiert? Versuch: Vergleich der SELs eines Anflugs der mit INM und dem vorgeschlagenen Lärmmodell gerechnet wurde 20 km 100 m Runway 16.06.2010, Folie 23

Validierung des Lärmmodells 105 SEL (proposed noise model) SEL (INM) 100 95 SEL [dba] 90 85 80 75 70-2 -1.8-1.6-1.4-1.2-1 -0.8-0.6-0.4-0.2 Distance from RWY center point [m] x 10 4 16.06.2010, Folie 24

Validierung des Lärmmodells 2 SEL INM -SEL PM 1.5 1 0.5 ΔSEL [dba] 0-0.5-1 -1.5-2 -2-1.8-1.6-1.4-1.2-1 -0.8-0.6-0.4-0.2 Distance from RWY center point [m] x 10 4 16.06.2010, Folie 25

Zusammenfassung und Ausblick Ein Lärmmodell zum Zwecke der Flugbahnoptimierung wurde benötigt Es wurde ein Simulationsmodell für A-gewichtete Schallpegelverläufe L A (t) hergeleitet Das Lärmmodell basiert auf tabulierten L Amax Daten aus der ANP Datenbank Die Funktion für L A ist nach Zustands- und Steuervektor des Flugleistungsmodells stetig differenzierbar Eine vorläufige Validierung des Lärmmodells liefert befriedigende Genauigkeit der resultierenden SELs im Vergleich mit INM 16.06.2010, Folie 27

Zusammenfassung und Ausblick Weitere Validierung des Modells erforderlich (z.b. mit Radardaten und Lärmmessungen am Flughafen München) Standard NPD Daten sind nur von Distanz und Schub abhängig (beschränkt die Optimierungsmöglichkeiten) Für das SOURDINE Projekt wurden multi-configuration NPD Tabellen entwickelt die zusätzlich Abhängigkeiten von Klappen- und Fahrwerkstellung sowie der Geschwindigkeit berücksichtigen Nächster Schritt: Erste Flugbahnoptimierungen 16.06.2010, Folie 28

Zusammenfassung und Ausblick Weitere Anwendung des Lärmmodells: automatisierte Berechnung von Lärmkonturen aus Radardaten (ohne zeitaufwändige Nutzung von INM oder anderer Software) 16.06.2010, Folie 29

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