考慮噪聲煩惱度的機場飛機噪聲收費模型和應用研究

王維 劉鑫邦

(中國民航大學交通科學與工程學院天津 300300）

0 引言

隨著民航業的快速發展，我國民用機場的數量、規模、密度和運輸量均在同步增長。民用機場的高速發展，顯著提升了我國民航基礎設施水平，滿足了不斷增長的民航運輸需求，但也帶來了一系列環境問題，例如機場凈空對城市建設的限制、飛機排放大氣污染等，這其中最為突出的無疑是機場航空噪聲影響[1]。根據調查，1999年，我國29%的民航運輸機場(36個機場)具有噪聲影響(影響程度含嚴重、較嚴重和一般)；至2018年，上述比例升高到54%(123個機場)，比例增長近1倍，數量增長87個，呈現愈演愈烈的態勢。

機場噪聲治理可采用多種方法和措施，如優化機場選址、跑道規劃、采用減噪飛行程序、跑道使用輪換、夜間飛行限制等[2-3]。但是，只要機場運行總會產生一定的噪聲影響，而這種影響一旦施加于機場周邊的某座居民樓或機關、學校、醫院等噪聲敏感設施，就會形成長期相隨、揮之不去的煩擾。解決上述問題不外乎兩種方案，要么進行建筑圍護結構的隔聲降噪，要么實施搬遷。無論采取何種措施，都需要資金支持。由于缺乏專項資金來源，我國許多機場周邊受噪聲影響的建筑難以實施降噪或搬遷。目前我國一些機場周邊的噪聲問題，往往借助機場改擴建項目資金來解決。

民航機場提供的是社會公共服務，在服務收費方面受到政府、法規的種種約束，并非高盈利企業，很多機場常年處于虧損狀態。在此情況下，征收航空噪聲費具有合理性，也符合國際通行做法。根據“誰污染誰治理”“誰受益誰補償”的原則，機場噪聲費可由航空公司或旅客來承擔。探討合理的機場飛機噪聲收費方法，對我國未來機場噪聲治理、收費立法等都具有重要意義。

表1列出了一些國家(地區)采用的機場噪聲收費模型[4-6]，普遍只考慮了飛機噪聲的大小。實際上，飛機噪聲對人的影響用煩惱度表征[7]，飛機噪聲收費與噪聲煩惱度掛鉤更為科學，因為同樣大小的噪聲發生在不同時段所引發的煩惱度會有較大差異。鑒于目前飛機噪聲收費模型的上述缺陷，本文提出了基于噪聲煩惱度的飛機噪聲收費模型。

表1 部分國家和地區機場噪聲收費模型Table 1 The airport noise charge model in some countries and regions

1 飛機噪聲分級方法

機場噪聲收費須以飛機噪聲影響程度為依據，噪聲高的飛機多收，低的少收或不收。判斷飛機的噪聲影響可采用兩種方法，一是根據《國際民用航空公約附件16第I卷飛機噪聲》[8](以下簡稱“附件16”)進行判斷，再就是根據國際機場理事會(Airport council international,ACI)的飛機噪聲分級方法進行判斷。

附件16方法本質上是國際民航組織制定的飛機噪聲合格審定方法，飛機制造商欲使飛機投入商業運行，必須通過噪聲合格審定。如圖1所示，飛機噪聲合格審定須進行橫側噪聲測量點(lateral)、飛越噪聲測量點(flyover)和進場噪聲測量點(approach)的有效感覺噪聲級(Effective perceived noise leval,EPNL)并滿足一定標準。

圖1 飛機噪聲合格審定噪聲測量點Fig.1 The noise measurement points of aircraft noise certification

附件16按飛機重量級和提交型號合格證申請的時間，將亞聲速噴氣發動機飛機的噪聲標準分別在第2章、第3章、第4章、第14章中表述，習慣上將滿足第X章噪聲標準的飛機成為第X章飛機。在附件16第I卷第3章中規定：對于所有噪聲審定合格的飛機，在橫側噪聲測量點處所測得的審定起飛質量為4×105kg以上的飛機噪聲限定值為103 dB，且隨質量的對數呈線性減少，直至噪聲限定值減至94 dB后該值保持恒定；在進場噪聲測量點處所測得的審定起飛質量為2.84×105kg以上的飛機噪聲限定值為105 dB，且隨質量的對數呈線性減少，直至噪聲限定值減至98 dB后該值保持恒定；在飛越噪聲測量點處所測得的審定起飛質量為3.85×105kg以上裝有2臺及以下發動機的飛機噪聲限定值為101 dB(對于裝有3臺發動機和裝有4臺及以上發動機的飛機，噪聲限定值分別為104 dB和106 dB)，且隨質量的對數呈線性減少，質量每減少一半則噪聲級減少4 dB，直至噪聲限定值減至89 dB后該值保持恒定。但是，根據附件16標準，存在難以對某機型進行噪聲影響快速歸類(即歸為第幾章)、同一類別(章)的不同機型噪聲特性仍有較大差異以及具體噪聲數據要通過查詢噪聲合格審定報告才能獲取等一系列問題，從噪聲收費管理角度看并不方便。

2002年4月，ACI指示其環境常委會起草了飛機噪聲評級指標，以相對附件16第3章飛機的橫側、飛越、進場三點的噪聲最小消減值和三點噪聲累積(加和)的最小消減值為分類標準，制訂了A、B、C、D、E、F六個等級的飛機噪聲分類指標，該指標于2002年10月被ACI正式采納。鑒于后來飛機噪聲特性的顯著提升，ACI又對該分類指標進行改進，2009年11月，ACI發布了“改進的飛機噪聲分類指標(Modified aircraft noise rating index)”，如表2所示。

表2 改進的ACI飛機噪聲分類指標Table 2 The improved ACI aircraft noise classification index

顯然，ACI飛機噪聲分類指標更細，能更準確地表征飛機噪聲影響，定量表達飛機噪聲改善(消減)值，考慮了未來飛機噪聲特性改進空間而具有更長久的適用性和穩定性，通過查表可方便地確定飛機噪聲分類指標。鑒于上述優點，本文采用ACI的飛機噪聲分類方法。

2 機場飛機噪聲收費模型

本文在綜合考慮飛機噪聲特性、噪聲所致人的煩惱度和機場噪聲治理投入費用的基礎上，提出的機場飛機噪聲收費模型為

式(1)中：Cij是j機場對i飛機起飛或著陸一次的噪聲收費額，Fj是j機場噪聲收費費率，Ni是根據ACI飛機噪聲分類確定的i機型噪聲特性參數，Si是根據i飛機的ACI噪聲分類、飛行時段(晝/夜)、飛行狀態(起/降)確定的噪聲煩惱度系數。

機場噪聲收費費率Fj根據具體機場投入的噪聲治理費用總額、航空公司/旅客對噪聲收費可接受度以及投入資金回收周期等因素計算確定。噪聲收費費率應嚴格遵循國際民航組織確立的方法透明、以支定收原則。噪聲收費應有助于形成對航空公司/旅客的減噪激勵機制，即引導航空公司主動采用低噪聲飛機運行、旅客選乘低噪聲飛機，以便減少噪聲費支出。噪聲收費不宜太高，防止抑制航空公司運行積極性和旅客增長[9]。根據調查研究，機場噪聲費不宜超過飛機起降費或整機乘客標準票價總額的10%。一般來說，通過對資金回收周期的調整可得出合理的費率Fj。具體算法，詳見4.2節。

式(1)中，噪聲特性參數Ni計算式分別為

其中：ΔLai、ΔLdi分別表示i飛機進場、離場測量點的有效感覺噪聲EPN相對第3章飛機的消減值。其中，ΔLai值等于進場基準噪聲測量點的有效感覺有效噪聲消減值，ΔLdi等于飛越、橫側噪聲測量點的有效感覺噪聲消減值平均值。根據式(2)、式(3)以及表1，可計算出基于ACI飛機噪聲分類的噪聲特性參數，見表3。

表3 基于ACI分類的飛機噪聲特性參數Table 3 The aircraft noise characteristic parameters based on ACI classification

基于以上公式，可得到機場年飛機噪聲收費計算式：

其中：Cj是機場年噪聲收費額；12表示一年的月數；Fj為j機場噪聲收費費率；n表示機型種數；Nia、Nid分別表示i飛機起飛、著陸的噪聲特性參數；Via1、Via2分別表示i飛機月均晝、夜著陸架次；Vid1、Vid2分別表示i飛機月均晝、夜起飛架次；Sia1、Sia2分別表示i飛機晝、夜著陸的煩惱度系數；Sid1、Sid2分別表示i飛機晝、夜起飛的噪聲煩惱度系數。

3 噪聲煩惱度系數確定

1973年，英國的曼達尼(E.Mamdani)教授在指導博士生研究小型鍋爐-蒸汽機系統的自動控制時，用扎德提出的“if...then...”模糊語句表述出模糊語言規則，通過模糊邏輯推理成功實現了對該系統的有效控制，以后的學者將此雙輸入-單輸出F控制器稱為Mamdani型二維模糊控制器。機場噪聲影響會給機場周邊社區公眾帶來煩惱，其煩惱度與飛機噪聲聲壓級和發生時段有關。飛機噪聲聲壓級越大、發生時段越敏感(比如深夜)，其所導致的煩惱度越高。鑒于煩惱度是一個模糊概念，同時飛機噪聲聲壓和發生時段滿足Mamdani二維模糊系統的雙輸入條件，最后輸出的單一結果為精確值(機場噪聲煩惱度)，故本文采用Mamdani模型構建機場噪聲煩惱度模型，具體流程見圖2。

圖2 機場噪聲煩惱度模型構建流程圖Fig.2 The flow chart of airport noise annoyance model construction

3.1 模糊集語言值確定及關鍵因子模糊化

飛機噪聲水平可劃分高、中和低等3個等級，對應的模糊集語言值為：H(High noise)、M(Medium noise)和L(Low noise)。噪聲發生時間段分為晝間、夜間，對應的模糊集語言值為：D(Day)和N(Night)。

針對飛機噪聲水平特點，采用高斯隸屬函數對其進行模糊化。由于采用了ACI飛機噪聲分類指標，現分別以噪聲消減值-6 dB、-3 dB和0 dB作為低、中和高噪聲高斯隸屬度函數的中心值，且以1 dB作為函數寬度。對于噪聲發生時段，仍用高斯隸屬度函數進行模糊化，分別選取14:00和2:00作為晝間、夜間高斯隸屬度函數中心，以3 h為函數寬度。

將人對飛機噪聲的煩惱度分為不煩惱(NA)、稍煩惱(SA)、中煩惱(MA)、很煩惱(HA)和極煩惱(EA)等5個水平。噪聲煩惱度仍采用高斯隸屬度函數進行模糊化，分別以0、0.25、0.5、0.75、1作為隸屬度函數中心值，不同類別的煩惱度差值為0.1。

3.2 模糊推理及去模糊化

綜合考慮噪聲水平、發生時段、飛行狀態(起飛/著陸)，同時注意起飛噪聲大于著陸噪2聲，確立了以下噪聲煩惱度模糊規則，如表4所示。

表4 噪聲煩惱度模糊規則Table 4 The fuzzy rules of noise annoyance

下面對飛機噪聲煩惱度模型去模糊化，旨在確定最能代表模糊集合的一個精確值。鑒于本文關鍵因子隸屬函數的性質，采用了重心法去模糊化，取模糊集合隸屬函數與變量軸所圍面積的重心為模糊集合精確值。著陸、起飛對應的噪聲煩惱度如圖3所示。

圖3 噪聲煩惱度可視圖Fig.3 The visibility of noise annoyance

據此，可以計算得到不同ACI噪聲類別飛機在不同飛行狀態(起飛、著陸)、飛行時段(晝、夜)的噪聲煩惱度系數值，詳見表5。

表5 各ACI噪聲類別飛機的噪聲煩惱度系數Table 5 The noise annoyance coefficient of aircraft in each ACI noise category

4 收費模型應用

4.1 應用背景

北方某4E級運輸機場A，2020年機場月均起降飛機26644架次。根據機場總體規劃預測，未來機場起降架次將以對數函數趨勢增長。機場主要運行空客、波音系列飛機，飛機的ACI噪聲分類涉及R2、R3、R4、R5、R6、R7等6個類別。A機場運行給周邊區域的學校、養老院和居民生活帶來了不同程度影響，現決定對A機場噪聲影響進行治理。根據機場環境影響評價報告，計劃對計權等效連續感覺噪聲級(LWECPN)75～85 dB區域的居住建筑和75～80 dB噪聲區域的學校、養老院等敏感建筑，進行建筑隔聲降噪處理。對85 dB以上區域居住建筑、80 dB以上區域學校、養老院等敏感建筑，實施搬遷安置。經測算，噪聲治理項目總費用25.5億元，其中隔聲降噪費用9.3億元，搬遷安置建設費用16.2億元。根據上述信息和機場噪聲收費模型，確定該機場的飛機噪聲收費方案。

4.2 機場噪聲收費費率Fj的計算

2020年A機場的起降機型、架次、時段以及ACI噪聲分類，詳見表6。

表6 A機場2020年運行機型、ACI噪聲分類和月均起降架次Table 6 The aircraft types,ACI noise classification and average monthly movements of Airport A in 2020

根據表6，可計算得到該機場2020年各機型的月均噪聲收費額，見表7。

表7中，M*表示各機型月均加權總起降架次，計算式為

表7 2020年各機型月均加權總起降架次Table 7 Monthly weighted total takeoffand landing sorties of all aircraft types in 2020

根據A機場近10年的年起降架次和機場航空業務量預測，經擬合得到年起降架次與年份的關系式為

根據式(6)，做出圖4所示的年起降架次與年份關系。

圖4 A機場未來年起降架次預測Fig.4 The forecast of takeoffand landing sorties of Airport A in the coming years

根據表7可得到A機場2020年的月均加權總起降架次，于是機場2020年的年噪聲收費額為

認為2020年的后續年份的機型比例、各時段起降比例不變，則后續某年份與2020年的噪聲收費額比例等于上述兩個年份的起降架次比例。

根據收支平衡原則，有以下關系式：

其中，H是A機場噪聲治理支出總費用，CAi是A機場第i年噪聲年收費，n是計劃費用回收周期(年)。機場可根據投入的費用總額、航空公司/旅客可接受度、利率等因素，確定一個若干年的資金回收周期。就本案例而言，如從2021年起征機場噪聲費，通過計算可得到不同回收周期(年數)所對應的機場噪聲收費費率[10]，如表8所示。

由表8可見，如資金回收周期過短，會導致機場噪聲收費費率過高，從而產生抑制航班量增長的不利影響；但如果資金回收周期過長，則機場噪聲收費費率過低，難以形成對航空公司、旅客的減噪激勵機制。具體到A機場，綜合各方面考慮，確定資金回收周期為15年，機場噪聲收費費率為1332.31元。

表8 資金征收周期和噪聲收費費率的關系Table 8 The relationship between capital collection cycle and noise charge rat

4.3 各機型和旅客人均噪聲收費計算

各機型按客座率80%計算，計算得到各機型不同時段起飛/著陸的旅客人均收費，見表9。

根據表9，得到各噪聲等級機型不同時段起飛或著陸的噪聲收費，如表10所示。

表9 各機型和旅客人均噪聲收費Table 9 The per capita noise charge of each aircraft type and passenger(單位：元)

表10 A機場不同噪聲等級飛機的收費對照表Table 10 The comparison of charges for aircraft with different noise levels at airport A(單位：元)

根據表9，噪聲較高的A320-200飛機(ACI噪聲分類R2)，夜間起飛收費為1219.06元/架次，客均收費10.16元；噪聲很低的A380-800飛機(ACI噪聲分類R7)，晝間著陸收費為66.10元/架次，客均收費僅0.15元。上述收費額相對于飛機起降費和旅客票價，都在可承受的合理范圍。

5 結論

(1)本文提出了基于飛機噪聲特性、噪聲煩惱度、噪聲治理投入費用和資金回收周期等因素的機場噪聲收費模型。該方法綜合考慮了飛機的噪聲影響特性，特別是考慮了因不同機型、不同時段(晝夜)、不同運行狀態(起降)所導致的煩惱度差異，考慮了費率的合理性和可接納度。

(2)應用表明，本文模型具有關鍵因素考慮全面、計算方法先進簡潔、費率合理等特點。對于噪聲較高的R2級飛機，夜間起飛收費為1219.06元/架次，客均收費10.16元；對于噪聲很低的R7級飛機，晝間著陸收費為66.10元/架次，客均收費僅0.15元。費率確定符合國際民航組織倡導的以支定收原則，有助于形成航空公司/旅客減噪激勵機制又不致抑制機場航空業務增長。