機(jī)場噪聲自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀與前景展望

田岳林，李金玉，韓雨婧，何詠，張舒齊，高成杰，錢靖華，楊永強(qiáng) *

(1.北京市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院, 北京 100037；2.國家城市環(huán)境污染控制工程技術(shù)研究中心, 北京 100037；3.四川農(nóng)業(yè)大學(xué), 四川 成都 611130；4.北京師范大學(xué), 北京 100875)

《全國民用機(jī)場布局規(guī)劃》[1]提出，到2025年，全國形成3大世界級機(jī)場群、10個(gè)國際樞紐、29個(gè)區(qū)域樞紐。隨著機(jī)場建設(shè)規(guī)模和覆蓋范圍的逐年擴(kuò)大，機(jī)場噪聲擾民這一世界性難題也被不斷放大，影響著城市化進(jìn)程與民眾生活品質(zhì)的提升，同時(shí)也制約著機(jī)場本身的規(guī)劃實(shí)施。機(jī)場噪聲是航空器起飛、降落、低空飛越所產(chǎn)生的干擾周圍生活環(huán)境的聲音，而監(jiān)督性監(jiān)測、委托監(jiān)測、環(huán)評和環(huán)保驗(yàn)收監(jiān)測等現(xiàn)場監(jiān)測方式均無法獲取可供對比研究和決策的長期連續(xù)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，因此，機(jī)場噪聲自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)對于機(jī)場運(yùn)營及周邊區(qū)域聲環(huán)境管控顯得尤為重要。

現(xiàn)在機(jī)場噪聲監(jiān)測系統(tǒng)及發(fā)展歷程的基礎(chǔ)上，對照國內(nèi)外大型機(jī)場已建噪聲監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成、監(jiān)測方法、監(jiān)測點(diǎn)位布置等應(yīng)用現(xiàn)狀，探討機(jī)場噪聲監(jiān)管系統(tǒng)應(yīng)用中的現(xiàn)存問題與關(guān)鍵技術(shù)，并展望其應(yīng)用前景，為機(jī)場噪聲自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用及環(huán)境管理提供參考。

1 機(jī)場噪聲自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)概況

機(jī)場噪聲自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)是通過機(jī)場周圍區(qū)域飛機(jī)噪聲長期、連續(xù)、多點(diǎn)監(jiān)測，結(jié)合空管雷達(dá)、航班信息、地理信息等數(shù)據(jù)，運(yùn)用機(jī)場噪聲監(jiān)控系統(tǒng)，開展機(jī)場噪聲長期監(jiān)測分析、預(yù)測評估、投訴處理、噪聲治理決策、降噪程序執(zhí)行及效果評估等工作的信息化監(jiān)管系統(tǒng)。在滿足法律法規(guī)要求、改善機(jī)場和社群關(guān)系、削減飛機(jī)噪聲影響以及促進(jìn)機(jī)場的可持續(xù)綠色發(fā)展等方面發(fā)揮了重要作用。

機(jī)場噪聲自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)主要由噪聲監(jiān)測終端(包括固定式和移動(dòng)式終端)、通信網(wǎng)絡(luò)(數(shù)據(jù)傳輸)、外部數(shù)據(jù)接入系統(tǒng)(包括雷達(dá)航跡數(shù)據(jù)、航班信息數(shù)據(jù)和地理信息數(shù)據(jù)等)、中央控制室、系統(tǒng)工作站等組成，監(jiān)測系統(tǒng)組成架構(gòu)見圖1。

圖1 機(jī)場噪聲自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)組成架構(gòu)及功能單元示意

機(jī)場噪聲自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)采用聲學(xué)測量儀器和應(yīng)用軟件，通過固定和移動(dòng)監(jiān)測終端，實(shí)時(shí)監(jiān)測機(jī)場區(qū)域噪聲，通過4G/5G網(wǎng)絡(luò)將噪聲數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)中心，同時(shí)系統(tǒng)獲取航班信息、雷達(dá)數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)等，并通過時(shí)間標(biāo)簽將噪聲與航班數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)，形成一套完整的航班與噪聲數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)是集監(jiān)測、預(yù)測、處理投訴、反饋于一體的綜合系統(tǒng)，對機(jī)場的所有航班運(yùn)行進(jìn)行系統(tǒng)的監(jiān)測、定位與分析，客觀評價(jià)機(jī)場周圍的噪聲影響，為機(jī)場的噪聲控制提供技術(shù)與數(shù)據(jù)支持，為機(jī)場周邊土地的相容性使用提供依據(jù)。

機(jī)場噪聲自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)具備以下5個(gè)核心功能：

(1)機(jī)場噪聲自動(dòng)監(jiān)測功能。實(shí)現(xiàn)機(jī)場噪聲影響區(qū)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，繪制噪聲等值線圖，建立面向公眾開放的機(jī)場噪聲數(shù)據(jù)信息平臺。

(2)監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸及智慧監(jiān)管平臺。運(yùn)用機(jī)場噪聲模型運(yùn)算，監(jiān)測飛機(jī)的運(yùn)行航跡、減噪程序執(zhí)行情況，第一時(shí)間獲取分析典型環(huán)境敏感點(diǎn)、特征對象的噪聲影響值及其變化趨勢，并與飛行事件相對應(yīng)。

(3)噪聲監(jiān)控預(yù)警網(wǎng)絡(luò)功能。通過噪聲系統(tǒng)監(jiān)控分析，對突發(fā)機(jī)場噪聲環(huán)境事件發(fā)出預(yù)警并采取干預(yù)措施，針對噪聲投訴或特殊事件啟動(dòng)預(yù)警，通過噪聲監(jiān)測數(shù)據(jù)和航跡分析判別其主要原因，有針對性地提出減噪應(yīng)對措施及建議。例如，某機(jī)場通過航道設(shè)置空中走廊，對起飛航線是否違反規(guī)定開展定期檢索，在未符合規(guī)定飛行的213架次中，發(fā)現(xiàn)脫離陸地前明顯提早轉(zhuǎn)彎而影響地面敏感點(diǎn)的班機(jī)共3架次，違規(guī)飛行航跡分析功能示意見圖2(a)(b)。

圖2 違規(guī)飛行航跡分析功能示意

(4)自適應(yīng)優(yōu)化控制功能。通過平臺運(yùn)行數(shù)據(jù)分析，對機(jī)場噪聲監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)及管理系統(tǒng)進(jìn)行持續(xù)優(yōu)化，包括監(jiān)測終端布置、數(shù)據(jù)處理方式、飛行程序優(yōu)化等，以使系統(tǒng)持續(xù)改進(jìn)機(jī)場噪聲數(shù)據(jù)、幾何衰減特性等，不斷適應(yīng)自身參數(shù)調(diào)整或外部環(huán)境擾動(dòng)引起的動(dòng)態(tài)變化。

(5)管控機(jī)場噪聲影響功能。為持續(xù)削減機(jī)場噪聲影響、協(xié)助空域使用、優(yōu)化機(jī)場周邊區(qū)域土地利用規(guī)劃及實(shí)施進(jìn)程，提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和技術(shù)支持。

2 機(jī)場噪聲自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)

2.1 國外系統(tǒng)研究與應(yīng)用發(fā)展歷程

自20世紀(jì)60年代起，國外對機(jī)場噪聲問題開展相關(guān)研究。截至目前，國際上前100座最繁忙的機(jī)場中建立有噪聲監(jiān)測與管理系統(tǒng)的機(jī)場比例高達(dá)85%[2]。例如，美國聯(lián)邦和歐洲航空管理局早在20世紀(jì)70年代就制定了關(guān)于機(jī)場噪聲的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、政策和措施并付諸實(shí)踐。作為機(jī)場噪聲監(jiān)測系統(tǒng)和機(jī)場規(guī)劃設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，繪制機(jī)場噪聲等值線圖是確定機(jī)場噪聲對居民的影響范圍、控制機(jī)場噪聲以及合理規(guī)劃機(jī)場周圍土地使用的重要依據(jù)。1990年美國聯(lián)邦航空條例(FAR)第150部機(jī)場噪聲相容性規(guī)劃，要求預(yù)測機(jī)場噪聲等值線。2001年，國際民航組織(ICAO)第33屆大會通過決議第A33/7，贊同設(shè)立1個(gè)“平衡做法”航空器噪聲管理的概念，提出減少機(jī)場噪聲影響的4個(gè)主要途徑，即源頭(低噪聲飛機(jī))、土地利用布局和管理、減噪運(yùn)行程序和運(yùn)行限制。國際民航組織制定了相關(guān)政策及對機(jī)場噪聲收費(fèi)等舉措。歐洲航空研究咨詢理事會(ACARE)曾提出一項(xiàng)戰(zhàn)略研究議程，即在航空數(shù)量較2000年增加3倍的前提下，2020年要減少機(jī)場外部噪聲50%。歐洲和美國機(jī)場采取的飛機(jī)噪聲防控措施比例情況[3-4]見圖3。

圖3 歐洲、美國飛機(jī)噪聲防控措施

由圖3可見，大部分歐美機(jī)場都采取了使用降噪程序、限制試車、優(yōu)先跑道等噪聲防控措施，但由于不同的飛機(jī)噪聲防控措施對應(yīng)不同的實(shí)現(xiàn)途徑和操作難度，而單一的飛機(jī)噪聲防控措施往往無法達(dá)到預(yù)期效果，因此，應(yīng)結(jié)合機(jī)場特征，因地制宜地多方面選擇相應(yīng)防控措施，才能事半功倍。同時(shí)，機(jī)場噪聲自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)建對于飛機(jī)噪聲管控、預(yù)警以及協(xié)助實(shí)現(xiàn)降噪措施至關(guān)重要。目前，歐美國家的機(jī)場噪聲監(jiān)測系統(tǒng)已得到普遍應(yīng)用[5]，特別是位于城市敏感目標(biāo)密集處的機(jī)場，雖然系統(tǒng)功能和架構(gòu)、設(shè)備選型及實(shí)際應(yīng)用等各有不同，但已成為提升機(jī)場噪聲管理水平和效果的重要組成部分。

2.2 我國機(jī)場噪聲監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀

我國在機(jī)場噪聲監(jiān)測管控方面的應(yīng)用研究起步較晚，目前只有北京、上海、廣州等少數(shù)城市的大型機(jī)場才設(shè)置有噪聲監(jiān)測系統(tǒng)，但由于歷史發(fā)展、研發(fā)投入和實(shí)踐應(yīng)用等原因，國內(nèi)鮮有成型的機(jī)場噪聲監(jiān)測產(chǎn)品可供選用，監(jiān)測系統(tǒng)核心部件設(shè)備選型絕大多數(shù)為進(jìn)口產(chǎn)品。

盡管國內(nèi)環(huán)境噪聲自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)已有數(shù)年的成功應(yīng)用實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)[6]，但國產(chǎn)化機(jī)場噪聲自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)的研發(fā)和應(yīng)用尚處于起步發(fā)展階段[7-12]。原環(huán)境保護(hù)部于2018年1月印發(fā)的《機(jī)場建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境影響評價(jià)文件審批原則(試行)》(環(huán)辦環(huán)評〔2018〕2號)中提出“針對年旅客吞吐量(近期或遠(yuǎn)期)超千萬人次機(jī)場，在機(jī)場和主要聲環(huán)境敏感區(qū)設(shè)置噪聲實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)”的要求?？梢?，有必要將噪聲實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)納入機(jī)場建設(shè)與投資范圍內(nèi)，該系統(tǒng)是機(jī)場環(huán)?？⒐を?yàn)收中不可或缺的要件。

2.3 系統(tǒng)應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用局限性分析

2.3.1 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)與關(guān)鍵技術(shù)

通過國內(nèi)外大型機(jī)場已建機(jī)場噪聲監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測方法、系統(tǒng)構(gòu)成、監(jiān)測點(diǎn)布置等應(yīng)用狀況對照分析[2,7,9-10,12]，探討系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)和技術(shù)應(yīng)用關(guān)鍵環(huán)節(jié)。國內(nèi)外機(jī)場噪聲監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成及主要參數(shù)見表1。

由表1可見，國際上已有相當(dāng)數(shù)量的機(jī)場噪聲自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，其監(jiān)測方法與技術(shù)裝備成熟多樣，單個(gè)機(jī)場配置的監(jiān)測終端數(shù)量較多，也有如澳洲大陸機(jī)場的多機(jī)場聯(lián)合監(jiān)控系統(tǒng)。監(jiān)測系統(tǒng)往往位于人口稠密的特大城市或國際大都市，具有實(shí)時(shí)監(jiān)控飛機(jī)飛行和噪聲水平、評估噪聲影響、反饋公眾投訴及生成報(bào)告等多重功能，為城市與環(huán)境可持續(xù)發(fā)展發(fā)揮著重要作用。

表1 國內(nèi)外機(jī)場噪聲監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成及主要參數(shù)對照

2.3.2 技術(shù)應(yīng)用局限性分析

(1)監(jiān)測方法與標(biāo)準(zhǔn)體系待完善。對于國內(nèi)已建立噪聲監(jiān)測系統(tǒng)的機(jī)場，建立時(shí)間基本在近5～10年內(nèi)，運(yùn)行數(shù)據(jù)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)較為有限，在機(jī)場噪聲監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)及運(yùn)維管理方面尚缺乏成熟完善的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系。目前，我國已從飛機(jī)噪聲環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)、機(jī)場環(huán)境影響評價(jià)等不同維度執(zhí)行相關(guān)國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)也有相應(yīng)的國際標(biāo)準(zhǔn)可參照執(zhí)行。機(jī)場噪聲監(jiān)測方法通常與監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成單元相匹配，通過噪聲監(jiān)測終端實(shí)時(shí)監(jiān)測機(jī)場噪聲、氣象數(shù)據(jù)等，與接收到的外部數(shù)據(jù)如空管數(shù)據(jù)、雷達(dá)航跡等信息匹配后，判斷區(qū)分噪聲源是機(jī)場噪聲或是背景噪聲。我國現(xiàn)行機(jī)場噪聲監(jiān)測方法及標(biāo)準(zhǔn)要求對照分析見表2。

表2 我國現(xiàn)行機(jī)場噪聲監(jiān)測方法及標(biāo)準(zhǔn)要求對照

續(xù)表

(2)終端選址及空間布置局限性。根據(jù)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的監(jiān)測布點(diǎn)原則及經(jīng)驗(yàn)判斷，大型機(jī)場設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)數(shù)量一般不少于20個(gè)，但實(shí)際應(yīng)用中為了獲得更加精準(zhǔn)的噪聲等值線圖、影響范圍和程度等數(shù)據(jù)，需在不同跑道方向、不同聲級區(qū)域及重點(diǎn)環(huán)境保護(hù)對象附近布置更多數(shù)量的監(jiān)測點(diǎn)位，這對終端選址合理性及空間布局約束條件的解決方案提出了更高要求。國外應(yīng)用案例在此方面的技術(shù)方法和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)較為成熟，部分機(jī)場實(shí)際監(jiān)測點(diǎn)位可高達(dá)30～50個(gè)。如美國芝加哥奧黑爾國際機(jī)場；部分城市和地區(qū)通過搭建多機(jī)場聯(lián)合監(jiān)測系統(tǒng)，如澳大利亞機(jī)場噪聲及航跡監(jiān)控系統(tǒng)(NFPMS)，可以監(jiān)控整個(gè)澳洲大陸機(jī)場的航空器飛行及其噪聲影響，具有更大范圍、更加機(jī)動(dòng)的信息共享及管控能力。

(3)機(jī)場數(shù)據(jù)共享存在制約因素。機(jī)場噪聲監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成可分為數(shù)據(jù)輸入系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)以及中央服務(wù)器和后臺處理系統(tǒng)3部分。其中，數(shù)據(jù)輸入系統(tǒng)主要包括噪聲監(jiān)測數(shù)據(jù)采集終端、氣象單元、空管和雷達(dá)外部數(shù)據(jù)，由于空管信息和雷達(dá)數(shù)據(jù)等受到各方制約因素會造成一定的滯后或缺失。因此，建議在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中要求供應(yīng)商支持“ATC雷達(dá)+ADS-B”雙數(shù)據(jù)支持系統(tǒng)；數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)可通過通信模塊將終端噪聲、氣象數(shù)據(jù)等傳輸至服務(wù)器保存，通信模塊可利用機(jī)場有線和無線專網(wǎng)，采用4G/5G、以太網(wǎng)、WiFi及空間定位等方式，穩(wěn)定高效地實(shí)現(xiàn)終端設(shè)備和機(jī)場信息的交互共享；中央服務(wù)器和后臺處理系統(tǒng)主要功能包括中央服務(wù)器、辦公室分析終端、生成報(bào)告、成果展示及數(shù)據(jù)輸出設(shè)備等。目前國內(nèi)機(jī)場噪聲信息公開范圍較窄，數(shù)據(jù)應(yīng)用開發(fā)程度較為有限，相關(guān)數(shù)據(jù)共享與應(yīng)用能力方面總體上仍處于起步階段。

3 前景展望

(1)建立健全法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)體系。國內(nèi)在機(jī)場噪聲環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)、機(jī)場環(huán)境影響評價(jià)等方面已具備相應(yīng)國家標(biāo)準(zhǔn)并遵照執(zhí)行，但在機(jī)場噪聲自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)及運(yùn)維管理方面缺少一套完善的法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)體系。隨著機(jī)場噪聲監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用成熟度、合理化和規(guī)范化程度的不斷提高，在機(jī)場噪聲標(biāo)準(zhǔn)限值、監(jiān)測布點(diǎn)方法、系統(tǒng)生成報(bào)表、自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)安裝和運(yùn)維要求等相關(guān)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的立項(xiàng)、制定及修訂方面亟需加強(qiáng)。同時(shí)，受機(jī)場噪聲影響的包含社會公眾在內(nèi)的利益相關(guān)方的積極廣泛參與，包括向社會征集標(biāo)準(zhǔn)立項(xiàng)提案、向相關(guān)高校和科研院所征求意見以及機(jī)場附近噪聲敏感區(qū)的公眾參與等，對于機(jī)場噪聲防治相關(guān)立法及標(biāo)準(zhǔn)體系完善至關(guān)重要。

(2)系統(tǒng)研發(fā)領(lǐng)域迭代創(chuàng)新。國產(chǎn)機(jī)場噪聲監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)備與進(jìn)口成套裝備在核心技術(shù)、產(chǎn)品種類和價(jià)格等方面均存在較大差距，預(yù)測模型自主研發(fā)有待加強(qiáng)，但從長遠(yuǎn)戰(zhàn)略角度展望，國產(chǎn)設(shè)備步入系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域是必然趨勢。目前，國內(nèi)僅有少數(shù)大型樞紐機(jī)場配套建設(shè)了機(jī)場噪聲自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，關(guān)于如何高效、自動(dòng)地監(jiān)測機(jī)場噪聲的研究尚處于起步階段[19]。隨著城市化發(fā)展和公眾對生活更高品質(zhì)的需求，中小型機(jī)場的噪聲污染問題逐年顯現(xiàn)，未來5～10年或?qū)⒂瓉碇行⌒蜋C(jī)場噪聲監(jiān)控系統(tǒng)研發(fā)與應(yīng)用的快速發(fā)展期，機(jī)場噪聲自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)也將作為綠色機(jī)場的重要組成部分，逐漸成為國內(nèi)大型機(jī)場及新建機(jī)場在環(huán)境可持續(xù)發(fā)展領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)配置。為順應(yīng)智慧機(jī)場、綠色機(jī)場、可持續(xù)機(jī)場新發(fā)展理念，在機(jī)場環(huán)境監(jiān)管中持續(xù)推進(jìn)系統(tǒng)優(yōu)化升級也是一項(xiàng)重要任務(wù)，這對監(jiān)測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和校準(zhǔn)功能、監(jiān)測點(diǎn)位持續(xù)優(yōu)化、環(huán)境信息動(dòng)態(tài)更新、投訴反饋機(jī)制等方面均提出更高要求，相關(guān)監(jiān)測指標(biāo)及監(jiān)測方法也將隨著標(biāo)準(zhǔn)修訂及環(huán)境管理要求作出優(yōu)化調(diào)整。

(3)形成社群交互聯(lián)動(dòng)機(jī)制。針對飛機(jī)噪聲事件的民眾投訴及時(shí)反饋，分析投訴位置與飛機(jī)距離及相關(guān)信息，形成區(qū)域超標(biāo)預(yù)警反饋能力，與相關(guān)機(jī)構(gòu)和部門協(xié)同聯(lián)動(dòng)，為提前采取主動(dòng)降噪措施提供決策支撐[14]。由于氣象因素造成航班滯留需加密航班起降或起飛航線違規(guī)造成的飛機(jī)噪聲等值線偏移等情況時(shí)有發(fā)生，針對此類特殊情況可能帶來的飛機(jī)噪聲影響對應(yīng)的預(yù)警功能也是交互聯(lián)動(dòng)的重要組成部分。作為公開平臺展示更多的機(jī)場噪聲相關(guān)資訊將成為必然趨勢，公布內(nèi)容包括但不限于：運(yùn)行航班軌跡實(shí)時(shí)顯示、飛行航跡回放、空中走廊和違規(guī)飛行信息可視化、航跡噪聲互動(dòng)演示、投訴熱點(diǎn)軌跡分析、飛機(jī)噪聲監(jiān)測數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)及回顧分析等。