考虑噪声烦恼度的机场飞机噪声收费模型和应用研究

王维 刘鑫邦

(中国民航大学交通科学与工程学院天津 300300）

0 引言

随着民航业的快速发展，我国民用机场的数量、规模、密度和运输量均在同步增长。民用机场的高速发展，显著提升了我国民航基础设施水平，满足了不断增长的民航运输需求，但也带来了一系列环境问题，例如机场净空对城市建设的限制、飞机排放大气污染等，这其中最为突出的无疑是机场航空噪声影响[1]。根据调查，1999年，我国29%的民航运输机场(36个机场)具有噪声影响(影响程度含严重、较严重和一般)；至2018年，上述比例升高到54%(123个机场)，比例增长近1倍，数量增长87个，呈现愈演愈烈的态势。

机场噪声治理可采用多种方法和措施，如优化机场选址、跑道规划、采用减噪飞行程序、跑道使用轮换、夜间飞行限制等[2-3]。但是，只要机场运行总会产生一定的噪声影响，而这种影响一旦施加于机场周边的某座居民楼或机关、学校、医院等噪声敏感设施，就会形成长期相随、挥之不去的烦扰。解决上述问题不外乎两种方案，要么进行建筑围护结构的隔声降噪，要么实施搬迁。无论采取何种措施，都需要资金支持。由于缺乏专项资金来源，我国许多机场周边受噪声影响的建筑难以实施降噪或搬迁。目前我国一些机场周边的噪声问题，往往借助机场改扩建项目资金来解决。

民航机场提供的是社会公共服务，在服务收费方面受到政府、法规的种种约束，并非高盈利企业，很多机场常年处于亏损状态。在此情况下，征收航空噪声费具有合理性，也符合国际通行做法。根据“谁污染谁治理”“谁受益谁补偿”的原则，机场噪声费可由航空公司或旅客来承担。探讨合理的机场飞机噪声收费方法，对我国未来机场噪声治理、收费立法等都具有重要意义。

表1列出了一些国家(地区)采用的机场噪声收费模型[4-6]，普遍只考虑了飞机噪声的大小。实际上，飞机噪声对人的影响用烦恼度表征[7]，飞机噪声收费与噪声烦恼度挂钩更为科学，因为同样大小的噪声发生在不同时段所引发的烦恼度会有较大差异。鉴于目前飞机噪声收费模型的上述缺陷，本文提出了基于噪声烦恼度的飞机噪声收费模型。

表1 部分国家和地区机场噪声收费模型Table 1 The airport noise charge model in some countries and regions

1 飞机噪声分级方法

机场噪声收费须以飞机噪声影响程度为依据，噪声高的飞机多收，低的少收或不收。判断飞机的噪声影响可采用两种方法，一是根据《国际民用航空公约附件16第I卷飞机噪声》[8](以下简称“附件16”)进行判断，再就是根据国际机场理事会(Airport council international,ACI)的飞机噪声分级方法进行判断。

附件16方法本质上是国际民航组织制定的飞机噪声合格审定方法，飞机制造商欲使飞机投入商业运行，必须通过噪声合格审定。如图1所示，飞机噪声合格审定须进行横侧噪声测量点(lateral)、飞越噪声测量点(flyover)和进场噪声测量点(approach)的有效感觉噪声级(Effective perceived noise leval,EPNL)并满足一定标准。

图1 飞机噪声合格审定噪声测量点Fig.1 The noise measurement points of aircraft noise certification

附件16按飞机重量级和提交型号合格证申请的时间，将亚声速喷气发动机飞机的噪声标准分别在第2章、第3章、第4章、第14章中表述，习惯上将满足第X章噪声标准的飞机成为第X章飞机。在附件16第I卷第3章中规定：对于所有噪声审定合格的飞机，在横侧噪声测量点处所测得的审定起飞质量为4×105kg以上的飞机噪声限定值为103 dB，且随质量的对数呈线性减少，直至噪声限定值减至94 dB后该值保持恒定；在进场噪声测量点处所测得的审定起飞质量为2.84×105kg以上的飞机噪声限定值为105 dB，且随质量的对数呈线性减少，直至噪声限定值减至98 dB后该值保持恒定；在飞越噪声测量点处所测得的审定起飞质量为3.85×105kg以上装有2台及以下发动机的飞机噪声限定值为101 dB(对于装有3台发动机和装有4台及以上发动机的飞机，噪声限定值分别为104 dB和106 dB)，且随质量的对数呈线性减少，质量每减少一半则噪声级减少4 dB，直至噪声限定值减至89 dB后该值保持恒定。但是，根据附件16标准，存在难以对某机型进行噪声影响快速归类(即归为第几章)、同一类别(章)的不同机型噪声特性仍有较大差异以及具体噪声数据要通过查询噪声合格审定报告才能获取等一系列问题，从噪声收费管理角度看并不方便。

2002年4月，ACI指示其环境常委会起草了飞机噪声评级指标，以相对附件16第3章飞机的横侧、飞越、进场三点的噪声最小消减值和三点噪声累积(加和)的最小消减值为分类标准，制订了A、B、C、D、E、F六个等级的飞机噪声分类指标，该指标于2002年10月被ACI正式采纳。鉴于后来飞机噪声特性的显著提升，ACI又对该分类指标进行改进，2009年11月，ACI发布了“改进的飞机噪声分类指标(Modified aircraft noise rating index)”，如表2所示。

表2 改进的ACI飞机噪声分类指标Table 2 The improved ACI aircraft noise classification index

显然，ACI飞机噪声分类指标更细，能更准确地表征飞机噪声影响，定量表达飞机噪声改善(消减)值，考虑了未来飞机噪声特性改进空间而具有更长久的适用性和稳定性，通过查表可方便地确定飞机噪声分类指标。鉴于上述优点，本文采用ACI的飞机噪声分类方法。

2 机场飞机噪声收费模型

本文在综合考虑飞机噪声特性、噪声所致人的烦恼度和机场噪声治理投入费用的基础上，提出的机场飞机噪声收费模型为

式(1)中：Cij是j机场对i飞机起飞或着陆一次的噪声收费额，Fj是j机场噪声收费费率，Ni是根据ACI飞机噪声分类确定的i机型噪声特性参数，Si是根据i飞机的ACI噪声分类、飞行时段(昼/夜)、飞行状态(起/降)确定的噪声烦恼度系数。

机场噪声收费费率Fj根据具体机场投入的噪声治理费用总额、航空公司/旅客对噪声收费可接受度以及投入资金回收周期等因素计算确定。噪声收费费率应严格遵循国际民航组织确立的方法透明、以支定收原则。噪声收费应有助于形成对航空公司/旅客的减噪激励机制，即引导航空公司主动采用低噪声飞机运行、旅客选乘低噪声飞机，以便减少噪声费支出。噪声收费不宜太高，防止抑制航空公司运行积极性和旅客增长[9]。根据调查研究，机场噪声费不宜超过飞机起降费或整机乘客标准票价总额的10%。一般来说，通过对资金回收周期的调整可得出合理的费率Fj。具体算法，详见4.2节。

式(1)中，噪声特性参数Ni计算式分别为

其中：ΔLai、ΔLdi分别表示i飞机进场、离场测量点的有效感觉噪声EPN相对第3章飞机的消减值。其中，ΔLai值等于进场基准噪声测量点的有效感觉有效噪声消减值，ΔLdi等于飞越、横侧噪声测量点的有效感觉噪声消减值平均值。根据式(2)、式(3)以及表1，可计算出基于ACI飞机噪声分类的噪声特性参数，见表3。

表3 基于ACI分类的飞机噪声特性参数Table 3 The aircraft noise characteristic parameters based on ACI classification

基于以上公式，可得到机场年飞机噪声收费计算式：

其中：Cj是机场年噪声收费额；12表示一年的月数；Fj为j机场噪声收费费率；n表示机型种数；Nia、Nid分别表示i飞机起飞、着陆的噪声特性参数；Via1、Via2分别表示i飞机月均昼、夜着陆架次；Vid1、Vid2分别表示i飞机月均昼、夜起飞架次；Sia1、Sia2分别表示i飞机昼、夜着陆的烦恼度系数；Sid1、Sid2分别表示i飞机昼、夜起飞的噪声烦恼度系数。

3 噪声烦恼度系数确定

1973年，英国的曼达尼(E.Mamdani)教授在指导博士生研究小型锅炉-蒸汽机系统的自动控制时，用扎德提出的“if...then...”模糊语句表述出模糊语言规则，通过模糊逻辑推理成功实现了对该系统的有效控制，以后的学者将此双输入-单输出F控制器称为Mamdani型二维模糊控制器。机场噪声影响会给机场周边社区公众带来烦恼，其烦恼度与飞机噪声声压级和发生时段有关。飞机噪声声压级越大、发生时段越敏感(比如深夜)，其所导致的烦恼度越高。鉴于烦恼度是一个模糊概念，同时飞机噪声声压和发生时段满足Mamdani二维模糊系统的双输入条件，最后输出的单一结果为精确值(机场噪声烦恼度)，故本文采用Mamdani模型构建机场噪声烦恼度模型，具体流程见图2。

图2 机场噪声烦恼度模型构建流程图Fig.2 The flow chart of airport noise annoyance model construction

3.1 模糊集语言值确定及关键因子模糊化

飞机噪声水平可划分高、中和低等3个等级，对应的模糊集语言值为：H(High noise)、M(Medium noise)和L(Low noise)。噪声发生时间段分为昼间、夜间，对应的模糊集语言值为：D(Day)和N(Night)。

针对飞机噪声水平特点，采用高斯隶属函数对其进行模糊化。由于采用了ACI飞机噪声分类指标，现分别以噪声消减值-6 dB、-3 dB和0 dB作为低、中和高噪声高斯隶属度函数的中心值，且以1 dB作为函数宽度。对于噪声发生时段，仍用高斯隶属度函数进行模糊化，分别选取14:00和2:00作为昼间、夜间高斯隶属度函数中心，以3 h为函数宽度。

将人对飞机噪声的烦恼度分为不烦恼(NA)、稍烦恼(SA)、中烦恼(MA)、很烦恼(HA)和极烦恼(EA)等5个水平。噪声烦恼度仍采用高斯隶属度函数进行模糊化，分别以0、0.25、0.5、0.75、1作为隶属度函数中心值，不同类别的烦恼度差值为0.1。

3.2 模糊推理及去模糊化

综合考虑噪声水平、发生时段、飞行状态(起飞/着陆)，同时注意起飞噪声大于着陆噪2声，确立了以下噪声烦恼度模糊规则，如表4所示。

表4 噪声烦恼度模糊规则Table 4 The fuzzy rules of noise annoyance

下面对飞机噪声烦恼度模型去模糊化，旨在确定最能代表模糊集合的一个精确值。鉴于本文关键因子隶属函数的性质，采用了重心法去模糊化，取模糊集合隶属函数与变量轴所围面积的重心为模糊集合精确值。着陆、起飞对应的噪声烦恼度如图3所示。

图3 噪声烦恼度可视图Fig.3 The visibility of noise annoyance

据此，可以计算得到不同ACI噪声类别飞机在不同飞行状态(起飞、着陆)、飞行时段(昼、夜)的噪声烦恼度系数值，详见表5。

表5 各ACI噪声类别飞机的噪声烦恼度系数Table 5 The noise annoyance coefficient of aircraft in each ACI noise category

4 收费模型应用

4.1 应用背景

北方某4E级运输机场A，2020年机场月均起降飞机26644架次。根据机场总体规划预测，未来机场起降架次将以对数函数趋势增长。机场主要运行空客、波音系列飞机，飞机的ACI噪声分类涉及R2、R3、R4、R5、R6、R7等6个类别。A机场运行给周边区域的学校、养老院和居民生活带来了不同程度影响，现决定对A机场噪声影响进行治理。根据机场环境影响评价报告，计划对计权等效连续感觉噪声级(LWECPN)75～85 dB区域的居住建筑和75～80 dB噪声区域的学校、养老院等敏感建筑，进行建筑隔声降噪处理。对85 dB以上区域居住建筑、80 dB以上区域学校、养老院等敏感建筑，实施搬迁安置。经测算，噪声治理项目总费用25.5亿元，其中隔声降噪费用9.3亿元，搬迁安置建设费用16.2亿元。根据上述信息和机场噪声收费模型，确定该机场的飞机噪声收费方案。

4.2 机场噪声收费费率Fj的计算

2020年A机场的起降机型、架次、时段以及ACI噪声分类，详见表6。

表6 A机场2020年运行机型、ACI噪声分类和月均起降架次Table 6 The aircraft types,ACI noise classification and average monthly movements of Airport A in 2020

根据表6，可计算得到该机场2020年各机型的月均噪声收费额，见表7。

表7中，M*表示各机型月均加权总起降架次，计算式为

表7 2020年各机型月均加权总起降架次Table 7 Monthly weighted total takeoffand landing sorties of all aircraft types in 2020

根据A机场近10年的年起降架次和机场航空业务量预测，经拟合得到年起降架次与年份的关系式为

根据式(6)，做出图4所示的年起降架次与年份关系。

图4 A机场未来年起降架次预测Fig.4 The forecast of takeoffand landing sorties of Airport A in the coming years

根据表7可得到A机场2020年的月均加权总起降架次，于是机场2020年的年噪声收费额为

认为2020年的后续年份的机型比例、各时段起降比例不变，则后续某年份与2020年的噪声收费额比例等于上述两个年份的起降架次比例。

根据收支平衡原则，有以下关系式：

其中，H是A机场噪声治理支出总费用，CAi是A机场第i年噪声年收费，n是计划费用回收周期(年)。机场可根据投入的费用总额、航空公司/旅客可接受度、利率等因素，确定一个若干年的资金回收周期。就本案例而言，如从2021年起征机场噪声费，通过计算可得到不同回收周期(年数)所对应的机场噪声收费费率[10]，如表8所示。

由表8可见，如资金回收周期过短，会导致机场噪声收费费率过高，从而产生抑制航班量增长的不利影响；但如果资金回收周期过长，则机场噪声收费费率过低，难以形成对航空公司、旅客的减噪激励机制。具体到A机场，综合各方面考虑，确定资金回收周期为15年，机场噪声收费费率为1332.31元。

表8 资金征收周期和噪声收费费率的关系Table 8 The relationship between capital collection cycle and noise charge rat

4.3 各机型和旅客人均噪声收费计算

各机型按客座率80%计算，计算得到各机型不同时段起飞/着陆的旅客人均收费，见表9。

根据表9，得到各噪声等级机型不同时段起飞或着陆的噪声收费，如表10所示。

表9 各机型和旅客人均噪声收费Table 9 The per capita noise charge of each aircraft type and passenger(单位：元)

表10 A机场不同噪声等级飞机的收费对照表Table 10 The comparison of charges for aircraft with different noise levels at airport A(单位：元)

根据表9，噪声较高的A320-200飞机(ACI噪声分类R2)，夜间起飞收费为1219.06元/架次，客均收费10.16元；噪声很低的A380-800飞机(ACI噪声分类R7)，昼间着陆收费为66.10元/架次，客均收费仅0.15元。上述收费额相对于飞机起降费和旅客票价，都在可承受的合理范围。

5 结论

(1)本文提出了基于飞机噪声特性、噪声烦恼度、噪声治理投入费用和资金回收周期等因素的机场噪声收费模型。该方法综合考虑了飞机的噪声影响特性，特别是考虑了因不同机型、不同时段(昼夜)、不同运行状态(起降)所导致的烦恼度差异，考虑了费率的合理性和可接纳度。

(2)应用表明，本文模型具有关键因素考虑全面、计算方法先进简洁、费率合理等特点。对于噪声较高的R2级飞机，夜间起飞收费为1219.06元/架次，客均收费10.16元；对于噪声很低的R7级飞机，昼间着陆收费为66.10元/架次，客均收费仅0.15元。费率确定符合国际民航组织倡导的以支定收原则，有助于形成航空公司/旅客减噪激励机制又不致抑制机场航空业务增长。