考慮噪聲煩惱度的機(jī)場飛機(jī)噪聲收費(fèi)模型和應(yīng)用研究

王維 劉鑫邦

(中國民航大學(xué)交通科學(xué)與工程學(xué)院天津 300300）

0 引言

隨著民航業(yè)的快速發(fā)展，我國民用機(jī)場的數(shù)量、規(guī)模、密度和運(yùn)輸量均在同步增長。民用機(jī)場的高速發(fā)展，顯著提升了我國民航基礎(chǔ)設(shè)施水平，滿足了不斷增長的民航運(yùn)輸需求，但也帶來了一系列環(huán)境問題，例如機(jī)場凈空對(duì)城市建設(shè)的限制、飛機(jī)排放大氣污染等，這其中最為突出的無疑是機(jī)場航空噪聲影響[1]。根據(jù)調(diào)查，1999年，我國29%的民航運(yùn)輸機(jī)場(36個(gè)機(jī)場)具有噪聲影響(影響程度含嚴(yán)重、較嚴(yán)重和一般)；至2018年，上述比例升高到54%(123個(gè)機(jī)場)，比例增長近1倍，數(shù)量增長87個(gè)，呈現(xiàn)愈演愈烈的態(tài)勢。

機(jī)場噪聲治理可采用多種方法和措施，如優(yōu)化機(jī)場選址、跑道規(guī)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(jī)場運(yùn)行總會(huì)產(chǎn)生一定的噪聲影響，而這種影響一旦施加于機(jī)場周邊的某座居民樓或機(jī)關(guān)、學(xué)校、醫(yī)院等噪聲敏感設(shè)施，就會(huì)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(jìn)行建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的隔聲降噪，要么實(shí)施搬遷。無論采取何種措施，都需要資金支持。由于缺乏專項(xiàng)資金來源，我國許多機(jī)場周邊受噪聲影響的建筑難以實(shí)施降噪或搬遷。目前我國一些機(jī)場周邊的噪聲問題，往往借助機(jī)場改擴(kuò)建項(xiàng)目資金來解決。

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

表1列出了一些國家(地區(qū))采用的機(jī)場噪聲收費(fèi)模型[4-6]，普遍只考慮了飛機(jī)噪聲的大小。實(shí)際上，飛機(jī)噪聲對(duì)人的影響用煩惱度表征[7]，飛機(jī)噪聲收費(fèi)與噪聲煩惱度掛鉤更為科學(xué)，因?yàn)橥瑯哟笮〉脑肼暟l(fā)生在不同時(shí)段所引發(fā)的煩惱度會(huì)有較大差異。鑒于目前飛機(jī)噪聲收費(fèi)模型的上述缺陷，本文提出了基于噪聲煩惱度的飛機(jī)噪聲收費(fèi)模型。

表1 部分國家和地區(qū)機(jī)場噪聲收費(fèi)模型Table 1 The airport noise charge model in some countries and regions

1 飛機(jī)噪聲分級(jí)方法

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

附件16方法本質(zhì)上是國際民航組織制定的飛機(jī)噪聲合格審定方法，飛機(jī)制造商欲使飛機(jī)投入商業(yè)運(yùn)行，必須通過噪聲合格審定。如圖1所示，飛機(jī)噪聲合格審定須進(jìn)行橫側(cè)噪聲測量點(diǎn)(lateral)、飛越噪聲測量點(diǎn)(flyover)和進(jìn)場噪聲測量點(diǎn)(approach)的有效感覺噪聲級(jí)(Effective perceived noise leval,EPNL)并滿足一定標(biāo)準(zhǔn)。

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

附件16按飛機(jī)重量級(jí)和提交型號(hào)合格證申請(qǐng)的時(shí)間，將亞聲速噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)飛機(jī)的噪聲標(biāo)準(zhǔn)分別在第2章、第3章、第4章、第14章中表述，習(xí)慣上將滿足第X章噪聲標(biāo)準(zhǔn)的飛機(jī)成為第X章飛機(jī)。在附件16第I卷第3章中規(guī)定：對(duì)于所有噪聲審定合格的飛機(jī)，在橫側(cè)噪聲測量點(diǎn)處所測得的審定起飛質(zhì)量為4×105kg以上的飛機(jī)噪聲限定值為103 dB，且隨質(zhì)量的對(duì)數(shù)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(jìn)場噪聲測量點(diǎn)處所測得的審定起飛質(zhì)量為2.84×105kg以上的飛機(jī)噪聲限定值為105 dB，且隨質(zhì)量的對(duì)數(shù)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(diǎn)處所測得的審定起飛質(zhì)量為3.85×105kg以上裝有2臺(tái)及以下發(fā)動(dòng)機(jī)的飛機(jī)噪聲限定值為101 dB(對(duì)于裝有3臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)和裝有4臺(tái)及以上發(fā)動(dòng)機(jī)的飛機(jī)，噪聲限定值分別為104 dB和106 dB)，且隨質(zhì)量的對(duì)數(shù)呈線性減少，質(zhì)量每減少一半則噪聲級(jí)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(jù)附件16標(biāo)準(zhǔn)，存在難以對(duì)某機(jī)型進(jìn)行噪聲影響快速歸類(即歸為第幾章)、同一類別(章)的不同機(jī)型噪聲特性仍有較大差異以及具體噪聲數(shù)據(jù)要通過查詢?cè)肼暫细駥彾▓?bào)告才能獲取等一系列問題，從噪聲收費(fèi)管理角度看并不方便。

2002年4月，ACI指示其環(huán)境常委會(huì)起草了飛機(jī)噪聲評(píng)級(jí)指標(biāo)，以相對(duì)附件16第3章飛機(jī)的橫側(cè)、飛越、進(jìn)場三點(diǎn)的噪聲最小消減值和三點(diǎn)噪聲累積(加和)的最小消減值為分類標(biāo)準(zhǔn)，制訂了A、B、C、D、E、F六個(gè)等級(jí)的飛機(jī)噪聲分類指標(biāo)，該指標(biāo)于2002年10月被ACI正式采納。鑒于后來飛機(jī)噪聲特性的顯著提升，ACI又對(duì)該分類指標(biāo)進(jìn)行改進(jìn)，2009年11月，ACI發(fā)布了“改進(jìn)的飛機(jī)噪聲分類指標(biāo)(Modified aircraft noise rating index)”，如表2所示。

表2 改進(jìn)的ACI飛機(jī)噪聲分類指標(biāo)Table 2 The improved ACI aircraft noise classification index

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

2 機(jī)場飛機(jī)噪聲收費(fèi)模型

本文在綜合考慮飛機(jī)噪聲特性、噪聲所致人的煩惱度和機(jī)場噪聲治理投入費(fèi)用的基礎(chǔ)上，提出的機(jī)場飛機(jī)噪聲收費(fèi)模型為

式(1)中：Cij是j機(jī)場對(duì)i飛機(jī)起飛或著陸一次的噪聲收費(fèi)額，F(xiàn)j是j機(jī)場噪聲收費(fèi)費(fèi)率，Ni是根據(jù)ACI飛機(jī)噪聲分類確定的i機(jī)型噪聲特性參數(shù)，Si是根據(jù)i飛機(jī)的ACI噪聲分類、飛行時(shí)段(晝/夜)、飛行狀態(tài)(起/降)確定的噪聲煩惱度系數(shù)。

機(jī)場噪聲收費(fèi)費(fèi)率Fj根據(jù)具體機(jī)場投入的噪聲治理費(fèi)用總額、航空公司/旅客對(duì)噪聲收費(fèi)可接受度以及投入資金回收周期等因素計(jì)算確定。噪聲收費(fèi)費(fèi)率應(yīng)嚴(yán)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(fèi)應(yīng)有助于形成對(duì)航空公司/旅客的減噪激勵(lì)機(jī)制，即引導(dǎo)航空公司主動(dòng)采用低噪聲飛機(jī)運(yùn)行、旅客選乘低噪聲飛機(jī)，以便減少噪聲費(fèi)支出。噪聲收費(fèi)不宜太高，防止抑制航空公司運(yùn)行積極性和旅客增長[9]。根據(jù)調(diào)查研究，機(jī)場噪聲費(fèi)不宜超過飛機(jī)起降費(fèi)或整機(jī)乘客標(biāo)準(zhǔn)票價(jià)總額的10%。一般來說，通過對(duì)資金回收周期的調(diào)整可得出合理的費(fèi)率Fj。具體算法，詳見4.2節(jié)。

式(1)中，噪聲特性參數(shù)Ni計(jì)算式分別為

其中：ΔLai、ΔLdi分別表示i飛機(jī)進(jìn)場、離場測量點(diǎn)的有效感覺噪聲EPN相對(duì)第3章飛機(jī)的消減值。其中，ΔLai值等于進(jìn)場基準(zhǔn)噪聲測量點(diǎn)的有效感覺有效噪聲消減值，ΔLdi等于飛越、橫側(cè)噪聲測量點(diǎn)的有效感覺噪聲消減值平均值。根據(jù)式(2)、式(3)以及表1，可計(jì)算出基于ACI飛機(jī)噪聲分類的噪聲特性參數(shù)，見表3。

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

基于以上公式，可得到機(jī)場年飛機(jī)噪聲收費(fèi)計(jì)算式：

其中：Cj是機(jī)場年噪聲收費(fèi)額；12表示一年的月數(shù)；Fj為j機(jī)場噪聲收費(fèi)費(fèi)率；n表示機(jī)型種數(shù)；Nia、Nid分別表示i飛機(jī)起飛、著陸的噪聲特性參數(shù)；Via1、Via2分別表示i飛機(jī)月均晝、夜著陸架次；Vid1、Vid2分別表示i飛機(jī)月均晝、夜起飛架次；Sia1、Sia2分別表示i飛機(jī)晝、夜著陸的煩惱度系數(shù)；Sid1、Sid2分別表示i飛機(jī)晝、夜起飛的噪聲煩惱度系數(shù)。

3 噪聲煩惱度系數(shù)確定

1973年，英國的曼達(dá)尼(E.Mamdani)教授在指導(dǎo)博士生研究小型鍋爐-蒸汽機(jī)系統(tǒng)的自動(dòng)控制時(shí)，用扎德提出的“if...then...”模糊語句表述出模糊語言規(guī)則，通過模糊邏輯推理成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)該系統(tǒng)的有效控制，以后的學(xué)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(jī)場噪聲影響會(huì)給機(jī)場周邊社區(qū)公眾帶來煩惱，其煩惱度與飛機(jī)噪聲聲壓級(jí)和發(fā)生時(shí)段有關(guān)。飛機(jī)噪聲聲壓級(jí)越大、發(fā)生時(shí)段越敏感(比如深夜)，其所導(dǎo)致的煩惱度越高。鑒于煩惱度是一個(gè)模糊概念，同時(shí)飛機(jī)噪聲聲壓和發(fā)生時(shí)段滿足Mamdani二維模糊系統(tǒng)的雙輸入條件，最后輸出的單一結(jié)果為精確值(機(jī)場噪聲煩惱度)，故本文采用Mamdani模型構(gòu)建機(jī)場噪聲煩惱度模型，具體流程見圖2。

圖2 機(jī)場噪聲煩惱度模型構(gòu)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(guān)鍵因子模糊化

飛機(jī)噪聲水平可劃分高、中和低等3個(gè)等級(jí)，對(duì)應(yīng)的模糊集語言值為：H(High noise)、M(Medium noise)和L(Low noise)。噪聲發(fā)生時(shí)間段分為晝間、夜間，對(duì)應(yīng)的模糊集語言值為：D(Day)和N(Night)。

針對(duì)飛機(jī)噪聲水平特點(diǎn)，采用高斯隸屬函數(shù)對(duì)其進(jìn)行模糊化。由于采用了ACI飛機(jī)噪聲分類指標(biāo)，現(xiàn)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(shù)的中心值，且以1 dB作為函數(shù)寬度。對(duì)于噪聲發(fā)生時(shí)段，仍用高斯隸屬度函數(shù)進(jìn)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(shù)中心，以3 h為函數(shù)寬度。

將人對(duì)飛機(jī)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(gè)水平。噪聲煩惱度仍采用高斯隸屬度函數(shù)進(jìn)行模糊化，分別以0、0.25、0.5、0.75、1作為隸屬度函數(shù)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(fā)生時(shí)段、飛行狀態(tài)(起飛/著陸)，同時(shí)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(guī)則，如表4所示。

表4 噪聲煩惱度模糊規(guī)則Table 4 The fuzzy rules of noise annoyance

下面對(duì)飛機(jī)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(gè)精確值。鑒于本文關(guān)鍵因子隸屬函數(shù)的性質(zhì)，采用了重心法去模糊化，取模糊集合隸屬函數(shù)與變量軸所圍面積的重心為模糊集合精確值。著陸、起飛對(duì)應(yīng)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(jù)此，可以計(jì)算得到不同ACI噪聲類別飛機(jī)在不同飛行狀態(tài)(起飛、著陸)、飛行時(shí)段(晝、夜)的噪聲煩惱度系數(shù)值，詳見表5。

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

4 收費(fèi)模型應(yīng)用

4.1 應(yīng)用背景

北方某4E級(jí)運(yùn)輸機(jī)場A，2020年機(jī)場月均起降飛機(jī)26644架次。根據(jù)機(jī)場總體規(guī)劃預(yù)測，未來機(jī)場起降架次將以對(duì)數(shù)函數(shù)趨勢增長。機(jī)場主要運(yùn)行空客、波音系列飛機(jī)，飛機(jī)的ACI噪聲分類涉及R2、R3、R4、R5、R6、R7等6個(gè)類別。A機(jī)場運(yùn)行給周邊區(qū)域的學(xué)校、養(yǎng)老院和居民生活帶來了不同程度影響，現(xiàn)決定對(duì)A機(jī)場噪聲影響進(jìn)行治理。根據(jù)機(jī)場環(huán)境影響評(píng)價(jià)報(bào)告，計(jì)劃對(duì)計(jì)權(quán)等效連續(xù)感覺噪聲級(jí)(LWECPN)75～85 dB區(qū)域的居住建筑和75～80 dB噪聲區(qū)域的學(xué)校、養(yǎng)老院等敏感建筑，進(jìn)行建筑隔聲降噪處理。對(duì)85 dB以上區(qū)域居住建筑、80 dB以上區(qū)域?qū)W校、養(yǎng)老院等敏感建筑，實(shí)施搬遷安置。經(jīng)測算，噪聲治理項(xiàng)目總費(fèi)用25.5億元，其中隔聲降噪費(fèi)用9.3億元，搬遷安置建設(shè)費(fèi)用16.2億元。根據(jù)上述信息和機(jī)場噪聲收費(fèi)模型，確定該機(jī)場的飛機(jī)噪聲收費(fèi)方案。

4.2 機(jī)場噪聲收費(fèi)費(fèi)率Fj的計(jì)算

2020年A機(jī)場的起降機(jī)型、架次、時(shí)段以及ACI噪聲分類，詳見表6。

表6 A機(jī)場2020年運(yùn)行機(jī)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(jù)表6，可計(jì)算得到該機(jī)場2020年各機(jī)型的月均噪聲收費(fèi)額，見表7。

表7中，M*表示各機(jī)型月均加權(quán)總起降架次，計(jì)算式為

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

根據(jù)A機(jī)場近10年的年起降架次和機(jī)場航空業(yè)務(wù)量預(yù)測，經(jīng)擬合得到年起降架次與年份的關(guān)系式為

根據(jù)式(6)，做出圖4所示的年起降架次與年份關(guān)系。

圖4 A機(jī)場未來年起降架次預(yù)測Fig.4 The forecast of takeoffand landing sorties of Airport A in the coming years

根據(jù)表7可得到A機(jī)場2020年的月均加權(quán)總起降架次，于是機(jī)場2020年的年噪聲收費(fèi)額為

認(rèn)為2020年的后續(xù)年份的機(jī)型比例、各時(shí)段起降比例不變，則后續(xù)某年份與2020年的噪聲收費(fèi)額比例等于上述兩個(gè)年份的起降架次比例。

根據(jù)收支平衡原則，有以下關(guān)系式：

其中，H是A機(jī)場噪聲治理支出總費(fèi)用，CAi是A機(jī)場第i年噪聲年收費(fèi)，n是計(jì)劃費(fèi)用回收周期(年)。機(jī)場可根據(jù)投入的費(fèi)用總額、航空公司/旅客可接受度、利率等因素，確定一個(gè)若干年的資金回收周期。就本案例而言，如從2021年起征機(jī)場噪聲費(fèi)，通過計(jì)算可得到不同回收周期(年數(shù))所對(duì)應(yīng)的機(jī)場噪聲收費(fèi)費(fèi)率[10]，如表8所示。

由表8可見，如資金回收周期過短，會(huì)導(dǎo)致機(jī)場噪聲收費(fèi)費(fèi)率過高，從而產(chǎn)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(jī)場噪聲收費(fèi)費(fèi)率過低，難以形成對(duì)航空公司、旅客的減噪激勵(lì)機(jī)制。具體到A機(jī)場，綜合各方面考慮，確定資金回收周期為15年，機(jī)場噪聲收費(fèi)費(fèi)率為1332.31元。

表8 資金征收周期和噪聲收費(fèi)費(fèi)率的關(guān)系Table 8 The relationship between capital collection cycle and noise charge rat

4.3 各機(jī)型和旅客人均噪聲收費(fèi)計(jì)算

各機(jī)型按客座率80%計(jì)算，計(jì)算得到各機(jī)型不同時(shí)段起飛/著陸的旅客人均收費(fèi)，見表9。

根據(jù)表9，得到各噪聲等級(jí)機(jī)型不同時(shí)段起飛或著陸的噪聲收費(fèi)，如表10所示。

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

表10 A機(jī)場不同噪聲等級(jí)飛機(jī)的收費(fèi)對(duì)照表Table 10 The comparison of charges for aircraft with different noise levels at airport A(單位：元)

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

5 結(jié)論

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

(2)應(yīng)用表明，本文模型具有關(guān)鍵因素考慮全面、計(jì)算方法先進(jìn)簡潔、費(fèi)率合理等特點(diǎn)。對(duì)于噪聲較高的R2級(jí)飛機(jī)，夜間起飛收費(fèi)為1219.06元/架次，客均收費(fèi)10.16元；對(duì)于噪聲很低的R7級(jí)飛機(jī)，晝間著陸收費(fèi)為66.10元/架次，客均收費(fèi)僅0.15元。費(fèi)率確定符合國際民航組織倡導(dǎo)的以支定收原則，有助于形成航空公司/旅客減噪激勵(lì)機(jī)制又不致抑制機(jī)場航空業(yè)務(wù)增長。