基于改進(jìn)灰色B型關(guān)聯(lián)度的低噪聲飛機(jī)選型

李東亞，胡榮，江超，戰(zhàn)緒仁

（1.南京航空航天大學(xué)民航學(xué)院，南京 211106；2.山東省膠州市規(guī)劃局，山東膠州 266300）

近年來，我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，航空需求不斷增加，伴隨著機(jī)場(chǎng)數(shù)量和規(guī)模、航班數(shù)量的不斷增加，頻繁的航班起降給機(jī)場(chǎng)周圍居民帶來了越來越不能忽視的噪聲影響。對(duì)于機(jī)場(chǎng)噪聲的解決，一方面可從優(yōu)化飛行程序、合理規(guī)劃土地等思路出發(fā)，另一方面可從選擇低噪聲機(jī)型的思路出發(fā)。就目前來看，航空公司在選擇飛機(jī)機(jī)型時(shí)大多是基于經(jīng)濟(jì)性考慮，而對(duì)于噪聲問題關(guān)注較少。2012年頒布的《國(guó)務(wù)院關(guān)于促進(jìn)民航業(yè)發(fā)展的若干意見》明確指出：切實(shí)打造綠色低碳航空，建立大型機(jī)場(chǎng)噪音監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，鼓勵(lì)航空公司引進(jìn)節(jié)能環(huán)保機(jī)型，淘汰高耗能老舊飛機(jī)。隨著我國(guó)民航業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，機(jī)場(chǎng)噪聲問題勢(shì)必會(huì)成為我國(guó)航空業(yè)發(fā)展的制約因素。因此，低噪聲飛機(jī)選型問題亟需加強(qiáng)研究。

基于國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)，相關(guān)學(xué)者對(duì)飛機(jī)選型問題的研究大致可分為兩個(gè)方面：一方面，從航空公司盈利運(yùn)營(yíng)角度來講，文獻(xiàn)[1－4]從經(jīng)濟(jì)性的維度闡述了飛機(jī)選型的原理和方法；文獻(xiàn)[5－6]從機(jī)隊(duì)組成的維度研究其對(duì)航空公司飛機(jī)選型的影響；文獻(xiàn)[7]從航線網(wǎng)絡(luò)的維度對(duì)各備選機(jī)型進(jìn)行航線適應(yīng)性數(shù)據(jù)分析，進(jìn)而從飛機(jī)性能角度對(duì)備選機(jī)型做出優(yōu)劣順序的初步評(píng)估；文獻(xiàn)[8]指出政府政策對(duì)飛機(jī)采購(gòu)和飛機(jī)選型方面的影響巨大，等等。另一方面，從環(huán)境保護(hù)角度出發(fā)，文獻(xiàn)[9]從技術(shù)、運(yùn)營(yíng)成本維度對(duì)支線飛機(jī)在美國(guó)航空體制下的燃油效率進(jìn)行了評(píng)估，得出支線飛機(jī)會(huì)比干線客機(jī)節(jié)油10%～60%的結(jié)論。文獻(xiàn)[10]從燃油消耗和環(huán)境保護(hù)的維度對(duì)航空公司飛機(jī)選型的相關(guān)工作進(jìn)行了論述。文獻(xiàn)[11]從當(dāng)?shù)乜諝馕廴?、氣候變化和噪音影響三個(gè)方面對(duì)航空公司飛機(jī)選型和飛機(jī)使用頻率進(jìn)行了分析。文獻(xiàn)[12]采用鄧氏關(guān)聯(lián)分析法，對(duì)同一航班不同機(jī)型的歷史數(shù)據(jù)集進(jìn)行了分析，選擇出了能夠最大限度地降低監(jiān)測(cè)點(diǎn)噪聲值的機(jī)型，等等。

根據(jù)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析可看出，國(guó)內(nèi)外對(duì)飛機(jī)選型的研究已取得一定成果，但尚有不足之處，主要表現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

（1）從研究?jī)?nèi)容來看，目前國(guó)內(nèi)外飛機(jī)選型研究多從經(jīng)濟(jì)性方面考慮，對(duì)環(huán)境因素特別是噪聲考慮較少。隨著民航運(yùn)輸業(yè)發(fā)展及環(huán)境保護(hù)意識(shí)增強(qiáng)，機(jī)場(chǎng)噪聲問題得到越來越多的關(guān)注，亟需加強(qiáng)研究。

（2）從研究方法來看，灰色關(guān)聯(lián)分析法較適用于機(jī)場(chǎng)噪聲問題的研究，但鄧氏關(guān)聯(lián)度并不適用噪聲值求關(guān)聯(lián)度，原因有二：其一，鄧氏關(guān)聯(lián)度本身就存在諸多缺陷[13，14]；其二，鄧氏關(guān)聯(lián)度是單純從相近性的角度來考慮的，但考察兩序列監(jiān)測(cè)點(diǎn)的相似程度，關(guān)鍵是對(duì)趨勢(shì)的判斷。

（3）此外，在數(shù)據(jù)處理上，現(xiàn)有研究無量綱化處理暫不能凸顯數(shù)據(jù)特征[13]，作積的方式消除了各機(jī)型的差異程度，而且考慮到監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置的不同，對(duì)噪聲要求的高低，要通過不同的權(quán)重來凸顯此監(jiān)測(cè)點(diǎn)的特征。隨著研究深入，對(duì)數(shù)據(jù)處理精度要求提高，數(shù)據(jù)處理方式亟需改進(jìn)。

針對(duì)上述研究不足，本文引入灰色B型關(guān)聯(lián)分析法，針對(duì)原始監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行無量綱化處理，同時(shí)調(diào)整權(quán)重來設(shè)置噪聲敏感點(diǎn)，并改進(jìn)灰色B型關(guān)聯(lián)度的計(jì)算方法，通過比較關(guān)聯(lián)度值的大小，得到最優(yōu)低噪聲機(jī)型排序，以期為航空公司飛機(jī)選型提供理論指導(dǎo)與實(shí)施建議。

1 灰色 B型關(guān)聯(lián)分析法

灰色關(guān)聯(lián)分析是對(duì)信息不完整的灰色系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)分析的新技術(shù)，其基本思想是通過比較數(shù)據(jù)序列曲線幾何形狀的接近程度來判斷其聯(lián)系緊密程度?；疑獴型關(guān)聯(lián)分析的主要優(yōu)勢(shì)在于：綜合描述了相近性物理特征的位移差、描述相似性物理特征的速度差和加速度差，以事物發(fā)展運(yùn)動(dòng)規(guī)律為基礎(chǔ)，全面分析事物發(fā)展過程中的異同性，從而更加科學(xué)合理地描述兩序列關(guān)聯(lián)程度。相對(duì)于僅考慮相近性或相似性的灰色關(guān)聯(lián)度算法模型構(gòu)造思想而言，同時(shí)考慮相近性和相似性的構(gòu)造思想顯得更為科學(xué)、合理，這也是未來研究的一種趨勢(shì)[14]。

灰色B型關(guān)聯(lián)度的原理為

2 低噪聲飛機(jī)選型分析

2.1 原始數(shù)據(jù)分析

取國(guó)內(nèi)某機(jī)場(chǎng)一個(gè)月內(nèi)的同一航班所產(chǎn)生的噪聲的實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)[12]，采用有效感覺噪聲級(jí)（EPNL）表示，共設(shè)置12個(gè)固定監(jiān)測(cè)站點(diǎn)分布在機(jī)場(chǎng)外圍。噪聲數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)采用BK3639E型噪聲監(jiān)測(cè)終端，內(nèi)置4592型戶外麥克風(fēng)，監(jiān)測(cè)設(shè)備符合《電聲學(xué)聲級(jí)計(jì)》（GB/T 3785.1-2010）標(biāo)準(zhǔn)，監(jiān)測(cè)符合《機(jī)場(chǎng)周圍飛機(jī)噪聲測(cè)量方法》（GB9661-88）。如表1所示，共有6個(gè)可評(píng)價(jià)機(jī)型分別是 B738、B733、B737、A321、A333、B763，12個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)分別為監(jiān)測(cè)點(diǎn)1—12，表中最優(yōu)值是指在同一監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置處各機(jī)型中最小的噪聲值，該序列構(gòu)成參考序列。

2.2 無量綱化處理

數(shù)據(jù)無量綱化處理的目的是消除不同指標(biāo)在單位、量級(jí)上的差異，使得不同的量綱和數(shù)量級(jí)可以進(jìn)行比較。但是對(duì)于表1中的不同機(jī)型同一指標(biāo)在不同位置監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)仍然采用一致的無量綱方法勢(shì)必會(huì)削弱甚至是消除各機(jī)型噪聲信息的差異，若在此基礎(chǔ)上對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)象進(jìn)行比較，得出的結(jié)論必然是對(duì)實(shí)際情況的一種失真，以致無法取得滿意的效果。故本文不采取一般通用的初值化、均值化等容易消除表1數(shù)據(jù)差異的無量綱方法，而采用各噪聲數(shù)據(jù)除以10的處理方法（數(shù)值的大小不影響序關(guān)系）[15]，最大限度保留數(shù)據(jù)的差異性，使得實(shí)際求得的關(guān)聯(lián)度不被夸大或者忽略。處理后的數(shù)據(jù)如表2所示。

2.3 數(shù)據(jù)處理過程

再具體計(jì)算最優(yōu)序列

當(dāng)k=3、6、10時(shí)，ωi分別為10%、15%、15%，k=1、2、4、5、7、8、9、11、12時(shí)，ωi=6.67%，位移差結(jié)果如表3所示。

表1 同一航班不同機(jī)型各噪聲監(jiān)測(cè)點(diǎn)的噪聲平均值單位：dB（EPNL）

表2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)噪聲數(shù)據(jù)無量綱化的處理結(jié)果

表3 各機(jī)型序列與最優(yōu)值序列位移差絕對(duì)值

表4 加權(quán)后各機(jī)型位移差、速度差、加速度差

表5 加權(quán)后的關(guān)聯(lián)度

3 分析結(jié)果

關(guān)聯(lián)度γij反應(yīng)的是第j個(gè)被評(píng)價(jià)對(duì)象與評(píng)價(jià)最優(yōu)序列Xi相互關(guān)聯(lián)的程度，因此，如果γi1>γi2，則表明第1個(gè)樣本比第2個(gè)樣本好。所以各機(jī)型與最優(yōu)序列關(guān)聯(lián)程度排序?yàn)锽733、B738、B737、A321、A333、B763，故在該航班中，選擇B733機(jī)型可獲得最小噪聲值。

分析結(jié)果與文獻(xiàn)[12]的排序略有差異，主要是由于監(jiān)測(cè)點(diǎn)3、監(jiān)測(cè)點(diǎn)6和監(jiān)測(cè)點(diǎn)10的權(quán)重差異問題，并將求關(guān)聯(lián)度公式中求平均值改進(jìn)為按權(quán)重相加求和。監(jiān)測(cè)點(diǎn)所屬區(qū)域不同，對(duì)噪聲接受限值不同，根據(jù)《機(jī)場(chǎng)周圍飛機(jī)噪聲環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)》（GB9660-88），一類區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)值不大于70 dB，二類區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)值不大于75 dB。故對(duì)噪聲敏感監(jiān)測(cè)點(diǎn)3、6、9取更大的權(quán)重，以期選出的機(jī)型更符合實(shí)際。若不考慮權(quán)重問題，其他處理方法相同，則可得到各機(jī)型與最優(yōu)序列關(guān)聯(lián)度如表6。可得到各機(jī)型與最優(yōu)序列關(guān)聯(lián)度排序?yàn)?B738、B733、B737、A321、B763、A333，與文獻(xiàn)[12]中排序相同。故基于改進(jìn)灰色B型關(guān)聯(lián)度的低噪聲飛機(jī)選型方法可行，結(jié)果符合實(shí)際。

表6 不加權(quán)的關(guān)聯(lián)度

4 結(jié)語

首先回顧國(guó)內(nèi)外飛機(jī)選型的研究成果，提出從降低機(jī)場(chǎng)噪聲的角度進(jìn)行飛機(jī)選型。其次，選用基于相近性和相似性的灰色B型關(guān)聯(lián)度進(jìn)行分析，計(jì)算出各機(jī)型與最優(yōu)噪聲序列的灰色關(guān)聯(lián)度。在計(jì)算過程中，對(duì)無量綱化方法加以改進(jìn)，使其最大限度地保留原始數(shù)據(jù)的差異性，從而使實(shí)際求得的關(guān)聯(lián)度不被夸大或者忽略。同時(shí)兼顧監(jiān)測(cè)點(diǎn)的差異性，賦予其不同權(quán)重，以真實(shí)反映實(shí)際。最后與現(xiàn)有文獻(xiàn)研究結(jié)果對(duì)比，研究結(jié)果顯示：

（1）考慮特殊監(jiān)測(cè)點(diǎn)權(quán)重則最優(yōu)機(jī)型為B733，最優(yōu)機(jī)型次序依次為 B733、B738、B737、A321、A333、B763。

（2）不考慮特殊監(jiān)測(cè)點(diǎn)權(quán)重則最優(yōu)機(jī)型為B738，最優(yōu)機(jī)型次序?yàn)?B738、B733、B737、A321、B763、A333。綜上所述，采用改進(jìn)灰色關(guān)聯(lián)度方法為航空公司從降低噪聲的角度來進(jìn)行飛機(jī)選型，算法簡(jiǎn)單，切實(shí)有效，具有較高的實(shí)用參考價(jià)值。

當(dāng)然，如何有效綜合機(jī)場(chǎng)噪聲、飛機(jī)經(jīng)濟(jì)性等因素開展飛機(jī)選型工作有待進(jìn)一步研究。

[1]Paul Clark.Buying the Big Jets[M].Ashgate Publishing Limited,2007:23-80.

[2]姚姍姍，魏法杰.現(xiàn)代飛機(jī)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性分析[J].飛機(jī)設(shè)計(jì)，2007，27(6)：72-75.

[3]鄂國(guó)慶，徐英哲，李文杰.固定翼時(shí)間域航空電磁系統(tǒng)的飛機(jī)選型問題[J].物探與化探，2012，36(4)：595-597.

[4]馮博，樊治平.一種航空客機(jī)選型的隨機(jī)多屬性決策方法[J].運(yùn)籌與管理，2013，22(1)：201-207.

[5]汪瑜，孫宏.航空公司機(jī)隊(duì)的魯棒性規(guī)劃啟發(fā)式算法[J].系統(tǒng)工程理論與實(shí)踐，2013，33(4)：963-969.

[6]Peter Belobaba,Amedeo Odoni,Cynthia Barnhart.The global airline industry[M].WILEY,2009:359-380.

[7]謝春生，趙煜，李海斌.飛機(jī)選型應(yīng)進(jìn)行的航線分析研究[J].空中交通管理，2009，20(5)：27-30.

[8]Peter Belobaba.Airline fleet planning models[J].Airline Management,2006,4(2):33-36.

[9]Raffi Babikian,Stephen P.Lukachko,Ian A.Waitz.The historical fuel efficiency characteristics of regional aircraft from technological,operational,and cost perspectives[J].Journal of Air Transport Management,2002,8(6):389-400.

[10]David Carter,Daniel A Rogers.Does fuel hedging make economic sense?The case of the US airline industry[R].San Diego:Social Science Electronic Publishing,2004:490-495.

[11]MosheGivoni,PietRietveld.Theenvironmentalimplications of airlines'choice of aircraft size[J].Transportation Research,2009,43(5):500-510.

[12]谷飛，徐濤.灰色關(guān)聯(lián)度分析法在機(jī)場(chǎng)噪聲監(jiān)測(cè)點(diǎn)集中的應(yīng)用[J].信息安全與技術(shù)，2014，16(1)：65-68.

[13]劉思峰，蔡華，楊英杰，等.灰色關(guān)聯(lián)分析模型研究進(jìn)展[J].系統(tǒng)工程理論與實(shí)踐，2013，33(8)：2041-2046.

[14]田民，劉思峰，卜志坤.灰色關(guān)聯(lián)度算法模型的研究綜述[J].統(tǒng)計(jì)與決策，2008，21(1)：24-27.

[15]劉思峰，謝乃明，F(xiàn)orrest Jeffery.基于相似性和接近性視角的新型灰色關(guān)聯(lián)分析模型[J].系統(tǒng)工程理論與實(shí)踐，2010，30(5)：881-887.