基于ArcGIS平臺的減噪起飛程序仿真研究

朱代武　劉雨佳　陳彬

摘 要 機場噪聲問題日漸突出，研究減噪飛行程序減小機場噪聲的影響范圍與強度顯得非常重要。本文以廈門高崎機場為例建立機場噪聲預測模型，采用計權等效連續感覺噪聲級作為評價指標，使用Java編程完成噪聲值計算及大地坐標轉換，使用ArcGIS軟件結合地理信息繪制噪聲等值線，分析不同爬升梯度下減噪起飛程序產生的噪聲影響范圍。結論表明，該方法可以量化噪聲影響范圍，克服傳統機場噪聲曲線繪制方法的局限性。

關鍵詞 機場噪聲、減噪飛行程序、計權等效連續感覺噪聲級、地理信息系統

Simulation Research of Noise Abatement Take-off Climb Procedure Based on ArcGIS

ZHUDai-wu，LIUYu-jia*，CHEN BIN

（ Air Traffic Management College，CAFUC，Guanghan618307，P. R. China）

[Abstract] Airport noise problems have become increasingly prominent， it is important to use noise abatement flight procedures to reduce the scope and strength of airport noise exposure. The article took LWECPN as noise index， established Xiamen airport noise prediction calculation model， calculated predictive noise value and drew noise contour line by ArcGIS software， analyzed the impact of takeoff procedures on aircraft noise. Conclusion shows that noise abatement take-off climb procedures have some influence on takeoff noise； the method can overcome the limitations of traditional airport noise curve drawing.

[Key words] aircraft noise， noise abatement procedure ， LWECPN ， ArcGIS

中圖分類號：V2 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）06（b）-0000-00

20世紀50年代以來，飛機的高速化發展、載重量增加、噴氣式發動機的普遍使用，使得機場噪聲污染這一問題日益突出。近年來國內外對機場噪聲的研究逐漸增多，多集中于對機場噪聲評價指標、預測模型等的研究，噪聲曲線的繪制也局限于使用matlab等軟件的繪圖功能，沒有與所研究機場的地理信息相結合，噪聲影響范圍也無量化分析比較。

本文主要以ArcGIS為平臺結合機場周邊地理信息，建立噪聲預測計算模型，對高崎機場使用減噪飛行程序時離場爬升過程中產生的噪聲值進行預測，以大地坐標系為基準繪制噪聲等值線，對不同爬升梯度的離場噪聲范圍進行分析與研究。

1.廈門高崎機場減噪起飛程序

ICAO的DOC8168（《空中航行服務程序-航空器運行》）文件中規定，減噪程序一般包括：采用噪聲優先跑道和噪聲優先航路、采用消噪聲的起飛和進近程序、采用連續下降進近等方式，以避開地面噪聲敏感區，減少地面能感應到的噪聲。目前我國各大機場，包括北京首都機場、上海虹橋機場、廣州白云機場等，要求飛行員嚴格按照該機型的消音程序操作。

8168文件中減噪起飛爬升程序主要有兩種：減噪爬升程序 1（NADP1）（如圖1）用于降低靠近機場區域的噪聲，減噪爬升程序 2（NADP2）用于降低距機場較遠的噪聲敏感區域的噪聲 [4]。廈門高崎機場采用減噪

爬升程序1。

圖1減噪爬升程序NADP1（用于靠近機場區域的減噪程序）

Fig.1 Noise abatement take-off climb （NADP 1）（ Example of a procedure alleviating noise close to the aerodrome）

2.廈門高崎機場噪聲預測計算模型

2.1機場噪聲評價指標及噪聲的計算

我國現行機場飛機噪聲評價量采用國際民航組織（ICAO）推薦的基于有效感覺噪聲級 的計權等效連續感覺噪聲級 其表達式為[5]：

（1）

其中：

―晝間（07：00-19：00）的飛行架次數；

―晚間（19：00-22：00）的飛行架次數；

―夜間（22：00-07：00）的飛行架次數；

―N次飛行的有效感覺噪聲級的能量平均值，用下列公式計算：

（2）

， 為第l型飛機在m航路時預測點的有效感覺噪聲值；nlm為第l型飛機在m型航路一天內的架次數

上式中39.4可以用 近似代替，則變換為：

（3）

（4）

國際民航組織推薦使用噪聲-功率-距離曲線圖，也稱N-P-D（Noise-Power-Distance）數據曲線 [3]，擬合為形如式（5）的一次線性方程： （5）

其中 表示在第i個噪聲預測點上飛機單次飛行的噪聲預測值， 、 為擬合所得噪聲距離特征系數， 表示第i個噪聲預測到飛行軌跡的斜距。根據第i個噪聲點飛機飛越的次數代入 計算公式（4）計算該點的累計噪聲值。

2.2機場噪聲預測點坐標系的建立

進行機場噪聲計算時，按照民用運輸機場噪聲鑒定標準[2]，建立坐標系如圖2。根據機場噪聲等值線分布的特點，為使在ArcGIS中生成插值曲線時更精確，沿X軸方向每隔50米，沿Y軸方向每隔100米設置噪聲預測點，預測點的坐標為（x，y，z）。飛機與各個預測點之間的斜距為：

（6）

其中 為爬升時飛機與地面的夾角

圖2起始爬升中飛機與各個噪聲預測點關系圖

Fig.2 relationship of noise prediction point and aircraft for initial climb

2.3空間坐標與大地坐標的轉換

噪聲值預測過程中所獲取的坐標基于空間直角坐標系，而ArcGIS中通常使用WGS84坐標系，因此在噪聲曲線繪制前應將計算所得噪聲預測點坐標轉換為大地坐標。

現有基于空間直角坐標系的噪聲預測點P（X，Y，Z）可通過大地坐標和空間直角坐標轉換的經典公式轉換為大地坐標系下的噪聲點P0（B，L，H），過程如下：

（7）

（8）

（9）

式中：

；

； ；a=6378.137km

a為橢球的長半軸，b為橢球的短半軸，N為橢球的卯酉圈曲率半徑，e為橢球的第一偏心率。

3.廈門高崎機場減噪起飛程序仿真

3.1減噪飛行程序噪聲預測流程

在分析減噪飛行程序、噪聲預測點計算方法及坐標轉換的基礎上，按照減噪起飛程序噪聲預測的步驟（流程圖如圖3所示），使用Java語言編程計算。按照噪聲等級生成大地坐標系下的噪聲預測點坐標。

圖3減噪飛行程序噪聲預測流程圖

Fig.3 flow chart of the Noise abatement take-off climb procedure prediction

3.2廈門高崎機場相關基礎數據

高崎機場位于廈門島東北角，距市中心距離約11km，機場運行時產生的噪音對市區影響較大。在ArcGIS上對遙感影像數據進行分析，高崎機場23號跑道起飛產生的噪聲對周邊區域影響較大，以該起飛方向建立坐標系。離場起始段相關數據如表1：

表1高崎機場RNAV程序離場起始段相關數據

Table1 Values of the RNAV procedure initial climb in Xiamen Airport

機場名稱 廈門/高崎 機場代碼 ZSAM

離場起始段 跑道號 起飛方向 爬升梯度 爬升高度限制

05號跑道 055° 3.5% 250m/800ft

以上

23號跑道 235° 4.0% 無

對廈門高崎機場某一日所有離場航班起飛架次和使用機型統計，數據如表2和表3所示；

表2廈門高崎機場離場航班起飛架次統計

Table2 Statistics of departure flight

目的地機場數 離場起飛總架次 07：00-19：00時段起飛架次 19：00-22：00時段起飛架次 22：00-07：00時段起飛架次

42 223 179 34 10

表3廈門高崎機場離場航班機型統計

Table3 Statistics of aircraft type

機型 各時段起飛航班次數 合計

07：00-19：00時段起飛架次 19：00-22：00時段起飛架次 22：00-07：00時段起飛架次

737 76 8 1 85

738 47 8 2 57

320 20 8 3 31

321 7 6 13

319 7 1 2 10

73G 6 2 1 9

JET 6 6

3.3廈門高崎機場起飛初始爬升段噪聲等值線圖繪制

統計數據表示，航班機型以B738、B737、A321、A320、A319為主。使用MATLAB擬合出各機型在恒定功率下的噪聲距離擬合式。在滿足NADP1要求下，分別以4.0%和6.0%的爬升梯度進行仿真。在ArcGIS中創建不同要素類別的Shapefile，分別儲存高崎機場的跑道、滑行道、機場運行區（黃色）、周邊居民區（綠色）等幾何數據。打開ArcGIS的tool工具，選擇添加噪聲預測點坐標數據，與遙感數據疊加。利用3D Analys功能插值計算，生成55、60、65、70、75、80dB五條噪聲等值線，由外向內顏色越深的等值線表示噪聲值越高。以4.0%和6.0%爬升梯度起飛產生的噪聲等值線圖分別如圖4、圖5所示。

圖4 23號跑道爬升梯度4.0%噪聲等值線圖Fig.4 The noise contour line of runway 23 with 4.0% gradient

圖5 23號跑道爬升梯度6.0%噪聲等值線圖

Fig.5 The noise contour line of runway 23 with 6.0% gradient

4.結論

NADP1程序下，爬升梯度從4.0%提高到6.0%后，起飛離場過程中產生的噪聲等值線更加集中。從噪聲影響面積來看，離場航徑下方受高分貝（>70dB）噪聲影響居民區面積更小，整體受噪聲影響的區域也更小。提高爬升梯度后，大于75dB的噪聲影響面積減少了38.52%，大于80dB的噪聲影響面積減少了32.44%。在管理和規劃機場周邊土地的過程中，可以根據噪聲等值線圖所示的影響范圍對高分貝噪聲影響嚴重的區域進行調整，建議規劃為除住宅區、文教區以外的生活區或工業用地。航空器減噪程序研究及噪聲預測是機場規劃與飛行程序設計中必不可少的重要內容。利用ArcGIS繪制機場噪聲等值線、統計噪聲影響區域面積，可以克服傳統機場噪聲預測與繪制噪聲曲線方法的局限性，對于機場噪聲研究具有一定的實用價值和指導意義。

參考文獻

[1]中華人民共和國國家標準，機場周圍區域飛機噪聲環境標準（GB 9660-88）

National Standards of the People's Republic of China， Aircraft Noise Standards for Airport Surrounding Areas（GB 9660-88）

[2]中華人民共和國國家標準，機場周圍飛機噪聲測量方法（GB 9661-88）

National Standards of the People's Republic of China， Measurement of Aircraft Noise around Airport（GB 9661-88）

[3]ICAO， Annex 16 to the Convection on International Civil Aviatio， Environmental Protection Volume I： Aircraft Noise 4th Edition，APP 2-1-2-23（2005）

[4]Doc8168 OPS/611. Procedures for air navigation services aircraft operation，2006

[5]中國民用航空總局.MH/T5105-2007--2007.民用機場周圍飛機噪聲計算和預測[S].中國.中國民

用航空總局.2007.

[6]杜浩，袁捷. 基于GIS的機場噪聲評價系統[J]. 計算機工程，2009，35（5）：262～264

Du H， Yuan J. Airport Noise Assessment System Based on GIS[J]. Computer Engineering， 2009，35（5）：262～264

[7]高 婷，王 迪.飛機噪聲等值線繪制算法的研究[J]. 電子設計工程，2012，20（23）： 105～107

Gao T， Wang D. Research on Aircraft Noise Contour Drawing Algorithm. Electronic Design Engineering，2012； 23： 105～107

一定保留：

基金項目：2014年度中國民航飛行學院研究生科研基金項目（X2014-16）

作者簡介：朱代武（1966-），男，教授，碩士。研究方向：交通運輸規劃與管理。

劉雨佳（1988-），女，碩士研究生。研究方向：交通運輸規劃與管理。

陳 彬（1992-），男，碩士研究生。研究方向：交通運輸規劃與管理。