基于ArcGIS平臺(tái)的減噪起飛程序仿真研究

朱代武　劉雨佳　陳彬

摘 要 機(jī)場(chǎng)噪聲問(wèn)題日漸突出，研究減噪飛行程序減小機(jī)場(chǎng)噪聲的影響范圍與強(qiáng)度顯得非常重要。本文以廈門高崎機(jī)場(chǎng)為例建立機(jī)場(chǎng)噪聲預(yù)測(cè)模型，采用計(jì)權(quán)等效連續(xù)感覺(jué)噪聲級(jí)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，使用Java編程完成噪聲值計(jì)算及大地坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，使用ArcGIS軟件結(jié)合地理信息繪制噪聲等值線，分析不同爬升梯度下減噪起飛程序產(chǎn)生的噪聲影響范圍。結(jié)論表明，該方法可以量化噪聲影響范圍，克服傳統(tǒng)機(jī)場(chǎng)噪聲曲線繪制方法的局限性。

關(guān)鍵詞 機(jī)場(chǎng)噪聲、減噪飛行程序、計(jì)權(quán)等效連續(xù)感覺(jué)噪聲級(jí)、地理信息系統(tǒng)

Simulation Research of Noise Abatement Take-off Climb Procedure Based on ArcGIS

ZHUDai-wu，LIUYu-jia*，CHEN BIN

（ Air Traffic Management College，CAFUC，Guanghan618307，P. R. China）

[Abstract] Airport noise problems have become increasingly prominent， it is important to use noise abatement flight procedures to reduce the scope and strength of airport noise exposure. The article took LWECPN as noise index， established Xiamen airport noise prediction calculation model， calculated predictive noise value and drew noise contour line by ArcGIS software， analyzed the impact of takeoff procedures on aircraft noise. Conclusion shows that noise abatement take-off climb procedures have some influence on takeoff noise； the method can overcome the limitations of traditional airport noise curve drawing.

[Key words] aircraft noise， noise abatement procedure ， LWECPN ， ArcGIS

中圖分類號(hào)：V2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）06（b）-0000-00

20世紀(jì)50年代以來(lái)，飛機(jī)的高速化發(fā)展、載重量增加、噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)的普遍使用，使得機(jī)場(chǎng)噪聲污染這一問(wèn)題日益突出。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外對(duì)機(jī)場(chǎng)噪聲的研究逐漸增多，多集中于對(duì)機(jī)場(chǎng)噪聲評(píng)價(jià)指標(biāo)、預(yù)測(cè)模型等的研究，噪聲曲線的繪制也局限于使用matlab等軟件的繪圖功能，沒(méi)有與所研究機(jī)場(chǎng)的地理信息相結(jié)合，噪聲影響范圍也無(wú)量化分析比較。

本文主要以ArcGIS為平臺(tái)結(jié)合機(jī)場(chǎng)周邊地理信息，建立噪聲預(yù)測(cè)計(jì)算模型，對(duì)高崎機(jī)場(chǎng)使用減噪飛行程序時(shí)離場(chǎng)爬升過(guò)程中產(chǎn)生的噪聲值進(jìn)行預(yù)測(cè)，以大地坐標(biāo)系為基準(zhǔn)繪制噪聲等值線，對(duì)不同爬升梯度的離場(chǎng)噪聲范圍進(jìn)行分析與研究。

1.廈門高崎機(jī)場(chǎng)減噪起飛程序

ICAO的DOC8168（《空中航行服務(wù)程序-航空器運(yùn)行》）文件中規(guī)定，減噪程序一般包括：采用噪聲優(yōu)先跑道和噪聲優(yōu)先航路、采用消噪聲的起飛和進(jìn)近程序、采用連續(xù)下降進(jìn)近等方式，以避開(kāi)地面噪聲敏感區(qū)，減少地面能感應(yīng)到的噪聲。目前我國(guó)各大機(jī)場(chǎng)，包括北京首都機(jī)場(chǎng)、上海虹橋機(jī)場(chǎng)、廣州白云機(jī)場(chǎng)等，要求飛行員嚴(yán)格按照該機(jī)型的消音程序操作。

8168文件中減噪起飛爬升程序主要有兩種：減噪爬升程序 1（NADP1）（如圖1）用于降低靠近機(jī)場(chǎng)區(qū)域的噪聲，減噪爬升程序 2（NADP2）用于降低距機(jī)場(chǎng)較遠(yuǎn)的噪聲敏感區(qū)域的噪聲 [4]。廈門高崎機(jī)場(chǎng)采用減噪

爬升程序1。

圖1減噪爬升程序NADP1（用于靠近機(jī)場(chǎng)區(qū)域的減噪程序）

Fig.1 Noise abatement take-off climb （NADP 1）（ Example of a procedure alleviating noise close to the aerodrome）

2.廈門高崎機(jī)場(chǎng)噪聲預(yù)測(cè)計(jì)算模型

2.1機(jī)場(chǎng)噪聲評(píng)價(jià)指標(biāo)及噪聲的計(jì)算

我國(guó)現(xiàn)行機(jī)場(chǎng)飛機(jī)噪聲評(píng)價(jià)量采用國(guó)際民航組織（ICAO）推薦的基于有效感覺(jué)噪聲級(jí) 的計(jì)權(quán)等效連續(xù)感覺(jué)噪聲級(jí) 其表達(dá)式為[5]：

（1）

其中：

―晝間（07：00-19：00）的飛行架次數(shù)；

―晚間（19：00-22：00）的飛行架次數(shù)；

―夜間（22：00-07：00）的飛行架次數(shù)；

―N次飛行的有效感覺(jué)噪聲級(jí)的能量平均值，用下列公式計(jì)算：

（2）

， 為第l型飛機(jī)在m航路時(shí)預(yù)測(cè)點(diǎn)的有效感覺(jué)噪聲值；nlm為第l型飛機(jī)在m型航路一天內(nèi)的架次數(shù)

上式中39.4可以用 近似代替，則變換為：

（3）

（4）

國(guó)際民航組織推薦使用噪聲-功率-距離曲線圖，也稱N-P-D（Noise-Power-Distance）數(shù)據(jù)曲線 [3]，擬合為形如式（5）的一次線性方程： （5）

其中 表示在第i個(gè)噪聲預(yù)測(cè)點(diǎn)上飛機(jī)單次飛行的噪聲預(yù)測(cè)值， 、 為擬合所得噪聲距離特征系數(shù)， 表示第i個(gè)噪聲預(yù)測(cè)到飛行軌跡的斜距。根據(jù)第i個(gè)噪聲點(diǎn)飛機(jī)飛越的次數(shù)代入 計(jì)算公式（4）計(jì)算該點(diǎn)的累計(jì)噪聲值。

2.2機(jī)場(chǎng)噪聲預(yù)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)系的建立

進(jìn)行機(jī)場(chǎng)噪聲計(jì)算時(shí)，按照民用運(yùn)輸機(jī)場(chǎng)噪聲鑒定標(biāo)準(zhǔn)[2]，建立坐標(biāo)系如圖2。根據(jù)機(jī)場(chǎng)噪聲等值線分布的特點(diǎn)，為使在ArcGIS中生成插值曲線時(shí)更精確，沿X軸方向每隔50米，沿Y軸方向每隔100米設(shè)置噪聲預(yù)測(cè)點(diǎn)，預(yù)測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)為（x，y，z）。飛機(jī)與各個(gè)預(yù)測(cè)點(diǎn)之間的斜距為：

（6）

其中 為爬升時(shí)飛機(jī)與地面的夾角

圖2起始爬升中飛機(jī)與各個(gè)噪聲預(yù)測(cè)點(diǎn)關(guān)系圖

Fig.2 relationship of noise prediction point and aircraft for initial climb

2.3空間坐標(biāo)與大地坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換

噪聲值預(yù)測(cè)過(guò)程中所獲取的坐標(biāo)基于空間直角坐標(biāo)系，而ArcGIS中通常使用WGS84坐標(biāo)系，因此在噪聲曲線繪制前應(yīng)將計(jì)算所得噪聲預(yù)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為大地坐標(biāo)。

現(xiàn)有基于空間直角坐標(biāo)系的噪聲預(yù)測(cè)點(diǎn)P（X，Y，Z）可通過(guò)大地坐標(biāo)和空間直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的經(jīng)典公式轉(zhuǎn)換為大地坐標(biāo)系下的噪聲點(diǎn)P0（B，L，H），過(guò)程如下：

（7）

（8）

（9）

式中：

；

； ；a=6378.137km

a為橢球的長(zhǎng)半軸，b為橢球的短半軸，N為橢球的卯酉圈曲率半徑，e為橢球的第一偏心率。

3.廈門高崎機(jī)場(chǎng)減噪起飛程序仿真

3.1減噪飛行程序噪聲預(yù)測(cè)流程

在分析減噪飛行程序、噪聲預(yù)測(cè)點(diǎn)計(jì)算方法及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)上，按照減噪起飛程序噪聲預(yù)測(cè)的步驟（流程圖如圖3所示），使用Java語(yǔ)言編程計(jì)算。按照噪聲等級(jí)生成大地坐標(biāo)系下的噪聲預(yù)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)。

圖3減噪飛行程序噪聲預(yù)測(cè)流程圖

Fig.3 flow chart of the Noise abatement take-off climb procedure prediction

3.2廈門高崎機(jī)場(chǎng)相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

高崎機(jī)場(chǎng)位于廈門島東北角，距市中心距離約11km，機(jī)場(chǎng)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的噪音對(duì)市區(qū)影響較大。在ArcGIS上對(duì)遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，高崎機(jī)場(chǎng)23號(hào)跑道起飛產(chǎn)生的噪聲對(duì)周邊區(qū)域影響較大，以該起飛方向建立坐標(biāo)系。離場(chǎng)起始段相關(guān)數(shù)據(jù)如表1：

表1高崎機(jī)場(chǎng)RNAV程序離場(chǎng)起始段相關(guān)數(shù)據(jù)

Table1 Values of the RNAV procedure initial climb in Xiamen Airport

機(jī)場(chǎng)名稱 廈門/高崎 機(jī)場(chǎng)代碼 ZSAM

離場(chǎng)起始段 跑道號(hào) 起飛方向 爬升梯度 爬升高度限制

05號(hào)跑道 055° 3.5% 250m/800ft

以上

23號(hào)跑道 235° 4.0% 無(wú)

對(duì)廈門高崎機(jī)場(chǎng)某一日所有離場(chǎng)航班起飛架次和使用機(jī)型統(tǒng)計(jì)，數(shù)據(jù)如表2和表3所示；

表2廈門高崎機(jī)場(chǎng)離場(chǎng)航班起飛架次統(tǒng)計(jì)

Table2 Statistics of departure flight

目的地機(jī)場(chǎng)數(shù) 離場(chǎng)起飛總架次 07：00-19：00時(shí)段起飛架次 19：00-22：00時(shí)段起飛架次 22：00-07：00時(shí)段起飛架次

42 223 179 34 10

表3廈門高崎機(jī)場(chǎng)離場(chǎng)航班機(jī)型統(tǒng)計(jì)

Table3 Statistics of aircraft type

機(jī)型 各時(shí)段起飛航班次數(shù) 合計(jì)

07：00-19：00時(shí)段起飛架次 19：00-22：00時(shí)段起飛架次 22：00-07：00時(shí)段起飛架次

737 76 8 1 85

738 47 8 2 57

320 20 8 3 31

321 7 6 13

319 7 1 2 10

73G 6 2 1 9

JET 6 6

3.3廈門高崎機(jī)場(chǎng)起飛初始爬升段噪聲等值線圖繪制

統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表示，航班機(jī)型以B738、B737、A321、A320、A319為主。使用MATLAB擬合出各機(jī)型在恒定功率下的噪聲距離擬合式。在滿足NADP1要求下，分別以4.0%和6.0%的爬升梯度進(jìn)行仿真。在ArcGIS中創(chuàng)建不同要素類別的Shapefile，分別儲(chǔ)存高崎機(jī)場(chǎng)的跑道、滑行道、機(jī)場(chǎng)運(yùn)行區(qū)（黃色）、周邊居民區(qū)（綠色）等幾何數(shù)據(jù)。打開(kāi)ArcGIS的tool工具，選擇添加噪聲預(yù)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)，與遙感數(shù)據(jù)疊加。利用3D Analys功能插值計(jì)算，生成55、60、65、70、75、80dB五條噪聲等值線，由外向內(nèi)顏色越深的等值線表示噪聲值越高。以4.0%和6.0%爬升梯度起飛產(chǎn)生的噪聲等值線圖分別如圖4、圖5所示。

圖4 23號(hào)跑道爬升梯度4.0%噪聲等值線圖Fig.4 The noise contour line of runway 23 with 4.0% gradient

圖5 23號(hào)跑道爬升梯度6.0%噪聲等值線圖

Fig.5 The noise contour line of runway 23 with 6.0% gradient

4.結(jié)論

NADP1程序下，爬升梯度從4.0%提高到6.0%后，起飛離場(chǎng)過(guò)程中產(chǎn)生的噪聲等值線更加集中。從噪聲影響面積來(lái)看，離場(chǎng)航徑下方受高分貝（>70dB）噪聲影響居民區(qū)面積更小，整體受噪聲影響的區(qū)域也更小。提高爬升梯度后，大于75dB的噪聲影響面積減少了38.52%，大于80dB的噪聲影響面積減少了32.44%。在管理和規(guī)劃?rùn)C(jī)場(chǎng)周邊土地的過(guò)程中，可以根據(jù)噪聲等值線圖所示的影響范圍對(duì)高分貝噪聲影響嚴(yán)重的區(qū)域進(jìn)行調(diào)整，建議規(guī)劃為除住宅區(qū)、文教區(qū)以外的生活區(qū)或工業(yè)用地。航空器減噪程序研究及噪聲預(yù)測(cè)是機(jī)場(chǎng)規(guī)劃與飛行程序設(shè)計(jì)中必不可少的重要內(nèi)容。利用ArcGIS繪制機(jī)場(chǎng)噪聲等值線、統(tǒng)計(jì)噪聲影響區(qū)域面積，可以克服傳統(tǒng)機(jī)場(chǎng)噪聲預(yù)測(cè)與繪制噪聲曲線方法的局限性，對(duì)于機(jī)場(chǎng)噪聲研究具有一定的實(shí)用價(jià)值和指導(dǎo)意義。

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一定保留：

基金項(xiàng)目：2014年度中國(guó)民航飛行學(xué)院研究生科研基金項(xiàng)目（X2014-16）

作者簡(jiǎn)介：朱代武（1966-），男，教授，碩士。研究方向：交通運(yùn)輸規(guī)劃與管理。

劉雨佳（1988-），女，碩士研究生。研究方向：交通運(yùn)輸規(guī)劃與管理。

陳 彬（1992-），男，碩士研究生。研究方向：交通運(yùn)輸規(guī)劃與管理。