基于灰色GM（1,1）模型的商洛市區(qū)域環(huán)境噪聲預(yù)測

劉燕，陳寧寧

(商洛學(xué)院城鄉(xiāng)規(guī)劃與建筑工程學(xué)院，陜西商洛726000)

基于灰色GM（1,1）模型的商洛市區(qū)域環(huán)境噪聲預(yù)測

劉燕，陳寧寧

(商洛學(xué)院城鄉(xiāng)規(guī)劃與建筑工程學(xué)院，陜西商洛726000)

根據(jù)商洛市2010—2014年區(qū)域環(huán)境噪聲的晝夜等效聲級(jí)監(jiān)測數(shù)據(jù)，運(yùn)用灰色系統(tǒng)理論，建立灰色GM（1,1）模型，并用平均相對誤差檢驗(yàn)、均方差精度檢驗(yàn)、小誤差概率檢驗(yàn)三種方法對所建模型的精度進(jìn)行檢驗(yàn)。應(yīng)用檢驗(yàn)合格模型預(yù)測得到商洛市2015年和2016年晝間一類區(qū)的噪聲值分別是45.1 dB和43.24 dB，商洛市2015年和2016年夜間二類區(qū)的噪聲值分別是40.83 dB和39.3 dB，并進(jìn)一步得到2010—2016年商洛市區(qū)域環(huán)境噪聲呈下降趨勢。

商洛市；區(qū)域環(huán)境噪聲；灰色GM(1,1)模型；模型檢驗(yàn)

近年來隨著商洛市城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，城市區(qū)域環(huán)境噪聲污染日趨嚴(yán)重，影響了人們的正常工作、學(xué)習(xí)和休息，已經(jīng)成為商洛市日趨嚴(yán)重的環(huán)境問題之一。噪聲污染自20世紀(jì)70年代以來被稱為城市環(huán)境問題的四大公害之一,是21世紀(jì)環(huán)境污染控制的主要對象。國外對噪聲的研究主要有Ana B[1]、Rajiv B[2]、Olayinka S[3]。我國對城市環(huán)境噪聲污染的研究起步較晚，直到70年代，中國的聲學(xué)研究所對70多個(gè)城市環(huán)境噪聲進(jìn)行了調(diào)查，并提出了一些相關(guān)的評價(jià)指標(biāo)開啟了人們對城市環(huán)境噪聲的關(guān)注與研究[4]。車均[5]、崔欣[6]、任杰[7]、陸蔭[8]等對不同城市噪聲進(jìn)行了研究，為及時(shí)有效地對城市區(qū)域噪聲作出準(zhǔn)確高效的預(yù)測，進(jìn)而為治理區(qū)域環(huán)境噪聲污染提供科學(xué)依據(jù)是十分必要的。本文通過建立區(qū)域環(huán)境灰色GM（1,1）模型[9],掌握未來中短期城市區(qū)域環(huán)境的發(fā)展規(guī)律和發(fā)展?fàn)顩r，為環(huán)境管理部門科學(xué)決策提供理論基礎(chǔ)，為城市環(huán)境噪聲污染的預(yù)防與治理提供科學(xué)依據(jù)。

1 商洛市近年區(qū)域環(huán)境噪聲狀況

從商洛市環(huán)境保護(hù)局[10]的環(huán)境質(zhì)量公報(bào)中選取聲環(huán)境質(zhì)量狀況中的區(qū)域環(huán)境噪聲晝間和夜間的等效聲級(jí)見表1和表2。其中1類區(qū)主要為居民、文教區(qū)，2類區(qū)包含居住、商業(yè)、工業(yè)混雜區(qū)，3類區(qū)主要為工業(yè)區(qū)，4類區(qū)主要為城市中的道路交通干線道路兩側(cè)區(qū)域。

表1 2010—2014年商洛市區(qū)域功能區(qū)晝間噪聲等效聲級(jí)

表2 2010—2014年商洛市區(qū)域功能區(qū)夜間噪聲等效聲級(jí)

觀察表1、表2中信息，對照《城市區(qū)域環(huán)境噪聲標(biāo)準(zhǔn)》（GB3096－93），可以發(fā)現(xiàn)晝間和夜間1類區(qū)、2類區(qū)、3類區(qū)、4類區(qū)均未超標(biāo)，說明商洛市區(qū)域環(huán)境噪聲的現(xiàn)狀較為樂觀。

2 灰色GM（1,1）模型

灰色理論GM（1,1）預(yù)測模型是對一組隨時(shí)間變化的序列采用“累加”或者“累減”的生成方法，建立微分方程來描述系統(tǒng)的變化規(guī)律，使系統(tǒng)由“灰”變“白”，GM（1,1）為單一序列的一階線性動(dòng)態(tài)模型[11－12]。

2.1 建立模型的條件檢驗(yàn)

1）對X(0)作準(zhǔn)光滑性檢驗(yàn)

設(shè)非負(fù)原始數(shù)據(jù)序列X(0)為[13]：

X(0)＝X(0)(1),X(0)(2),…，X(0)(n),X(0)(k)＞0,k＝1,…,n。

對X(0)進(jìn)行一次累加生成，得到1－AGO序列X(1)為：

X(1)＝X(1)(1),X(1)(2),…，X(1)(n),

當(dāng)k＞3時(shí)，p(k)＜0．5,則滿足準(zhǔn)光滑條件。

2）檢驗(yàn)x(1)是否具有準(zhǔn)指數(shù)規(guī)律，

當(dāng)k＞3時(shí)，σ(1)(k)∈[1,1．5]，則滿足準(zhǔn)指數(shù)條件。

只有準(zhǔn)光滑性檢驗(yàn)和準(zhǔn)指數(shù)規(guī)律都滿足條件才可以建立模型。

2.2 求解方程參數(shù)a和b

采用最小二乘法[14]可以求得參數(shù)a和b的值，也可以借助Matab軟件進(jìn)行矩陣的運(yùn)算。

x(1)的緊鄰生成序列：

z(1)(z(1)(2),z(1)(3),…，z(1)(n)),

對于非負(fù)準(zhǔn)光滑序列x(0)，其1－AGO序列x(1)具有準(zhǔn)指數(shù)規(guī)律，則x(1)白化方程（影子方程）為：

其中，－a為發(fā)展系數(shù)，b為灰色作用量。(a,b)T＝(BTB)－1BTY，

2.3 得到時(shí)間響應(yīng)函數(shù)

對白化微分方程求解，可以得到時(shí)間響應(yīng)函數(shù)：

累減即可得到初始值的擬合值：

2.4 模型精度檢驗(yàn)

模型建立之后對其進(jìn)行精度檢驗(yàn)，判斷模型是否合格（見表3）。

表3 灰色精度檢驗(yàn)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

3 商洛市區(qū)域環(huán)境噪聲模型的建立與檢驗(yàn)

3.1 預(yù)測模型的建立

對2010—2014年數(shù)據(jù)檢驗(yàn)符合標(biāo)準(zhǔn)，可以建立灰色GM(1，1)模型，故以2010—2014年商洛市晝間和夜間1類區(qū)、2類區(qū)、3類區(qū)和4類區(qū)功能區(qū)噪聲等效聲級(jí)監(jiān)測數(shù)據(jù)作為原始數(shù)列，運(yùn)用灰色GM(1，1)模型的建立過程中式(1)、式(2)和式(3)，借助Matlab軟件分別計(jì)算得到預(yù)測模型：

3.2 預(yù)測模型精度檢驗(yàn)

預(yù)測模型的精度檢驗(yàn)有四種方法：平均相對誤差檢驗(yàn)、均方差精度檢驗(yàn)、小誤差概率檢驗(yàn)和關(guān)聯(lián)度檢驗(yàn)。關(guān)聯(lián)度檢驗(yàn)主要是對多因素預(yù)測模型中要素之間的關(guān)聯(lián)度進(jìn)行分析，而本研究中只有一個(gè)變量不適合用該方法，故選用前三種方法進(jìn)行精度檢驗(yàn)。檢驗(yàn)精度要求均方差比值越小越好、相對誤差越小越好、小誤差概率越大預(yù)測模型精度越高[15]。

利用式(4)－式(11)得到擬合值,對照表3進(jìn)行精度檢驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)只有式(4)和式(9)的預(yù)測模型符合標(biāo)準(zhǔn)，故本文只出現(xiàn)符合標(biāo)準(zhǔn)的模型精度檢驗(yàn)結(jié)果，見表4和表5。

表4 2010—2014年商洛市區(qū)域環(huán)境噪聲晝間1類區(qū)噪聲等效聲級(jí)

表5 2010—2014年商洛市區(qū)域功能區(qū)夜間2類區(qū)噪聲等效聲級(jí)（dB）

平均相對誤差檢驗(yàn)：

均方差比值檢驗(yàn)：

小誤差概率檢驗(yàn)：

利用表4和表5的數(shù)據(jù)對照式(12)－式(14)得到灰色GM（1,1）模型精度檢驗(yàn)結(jié)果如表6。

表6 灰色GM(1，1)模型精度檢驗(yàn)結(jié)果

表6中平均相對誤差T和小誤差概率P“-”是因?qū)讲畋戎礐大于0．5，證明其不合格，故不再對T和C值進(jìn)行計(jì)算?；疑葯z驗(yàn)的三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)必須同時(shí)滿足，若有一項(xiàng)精度檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)不滿足，則證明該組數(shù)據(jù)建立的模型誤差太大，該組數(shù)據(jù)建立的預(yù)測模型不能進(jìn)行預(yù)測，故計(jì)算過程發(fā)現(xiàn)某組數(shù)據(jù)不符合其中一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，則不對其他兩組標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算。

對X1到X8八組數(shù)據(jù)建立的模型進(jìn)行精度檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)只有第一組X1數(shù)據(jù)和第六組數(shù)據(jù)X6的精度符合精度檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，建立灰色GM(1,1)模型的誤差較小，精度較高；其他組預(yù)測模型精度不高，預(yù)測模型不可用。第一組數(shù)據(jù)X1表示晝間1類區(qū)的噪聲等效聲級(jí)；第六組數(shù)據(jù)X6表示夜間2類區(qū)。故只能對晝間1類區(qū)和夜間2類區(qū)2015年和2016年區(qū)域環(huán)境噪聲等效聲級(jí)進(jìn)行預(yù)測。

由表4和表5可以看出，所建模型對2010—2014年的城市區(qū)域環(huán)境功能區(qū)的晝間1類區(qū)等效聲級(jí)擬合的絕對誤差最大為1．05dB,最大相對誤差為0．021197%，平均相對誤差值為0．01472%。夜間2類區(qū)的噪聲的擬合值絕對誤差最大為0．97541 dB，最大相對誤差為0．02247%，平均相對誤差值為0．01595%。根據(jù)預(yù)測結(jié)果診斷表6，晝間1類區(qū)等效聲級(jí)均方差C＝0．413，小誤差概率P＝1；夜間2類區(qū)等效聲級(jí)均方差C＝0．418，小誤差概率P＝1；以上平均相對誤差值均T＜1%，表明這兩組模型的精度較好，用于區(qū)域環(huán)境噪聲的預(yù)測可靠性相對較高。所以，第一組數(shù)據(jù)X1和第六組數(shù)據(jù)X6所得預(yù)測模型可用于預(yù)測。

3.3 商洛市未來區(qū)域環(huán)境噪聲預(yù)測

采用上述建模方法，利用商洛市區(qū)2010—2014年區(qū)域環(huán)境功能區(qū)噪聲的晝夜等效聲級(jí)的監(jiān)測數(shù)據(jù)建立灰色GM（1,1）模型，應(yīng)用該模型對商洛市區(qū)未來兩年的區(qū)域環(huán)境功能區(qū)（晝間1類區(qū)和夜間2類區(qū)）的噪聲等效聲級(jí)進(jìn)行預(yù)測可得表7和表8。

表7 商洛市未來兩年晝間1類區(qū)和夜間二類區(qū)的噪聲預(yù)測結(jié)果

表8 商洛市2010—2016年晝間夜間噪聲等效聲級(jí)預(yù)測結(jié)果

由表7、表8可以看出，表7預(yù)測結(jié)果對照《城市區(qū)域環(huán)境噪聲標(biāo)準(zhǔn)》（GB3096－93）可知商洛市2015年和2016年晝間1類區(qū)夜間2類區(qū)噪聲等效聲級(jí)預(yù)測結(jié)果均未超標(biāo)。商洛市2010—2014年晝間1類區(qū)、夜間2類區(qū)噪聲等效聲級(jí)呈下降趨勢；商洛市2010—2016年晝間1類區(qū)、夜間2類區(qū)噪聲等效聲級(jí)呈下降趨勢，與商洛市2010—2014年晝間1類區(qū)、夜間2類區(qū)噪聲等效聲級(jí)呈下降趨勢吻合，從側(cè)面說明該模型可靠性。

4 結(jié)論與討論

由預(yù)測精度檢驗(yàn)結(jié)果可知該預(yù)測模型能較好地預(yù)測商洛市2015年和2016年晝間1類區(qū)、夜間2類區(qū)的區(qū)域環(huán)境噪聲，說明運(yùn)用灰色GM(1,1)模型能夠適用于預(yù)測區(qū)域環(huán)境噪聲的變化。所得預(yù)測結(jié)果可以為環(huán)境管理部門科學(xué)決策提供理論基礎(chǔ)，能為城市環(huán)境噪聲污染的預(yù)防與治理提供科學(xué)依據(jù)。

本研究分析可知，晝間1類區(qū)和夜間2類區(qū)噪聲均呈下降趨勢，商洛聲環(huán)境發(fā)展趨勢比較樂觀。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們環(huán)保意識(shí)的提高，進(jìn)而提高了對居民、文教區(qū)、工業(yè)混雜區(qū)的要求，促使政府及其相關(guān)部門對噪聲污染的關(guān)注，進(jìn)而使噪聲污染的控制方面取得了顯著的成果。但是這種樂觀的狀況只是模型對未來兩年發(fā)展?fàn)顩r的理想模擬，很可能由于一些人為因素的干擾，導(dǎo)致預(yù)測結(jié)果的偏差過大。所以該預(yù)測結(jié)果可為城市環(huán)境噪聲污染的預(yù)防與治理提供科學(xué)依據(jù)并引起社會(huì)高度重視。

1類區(qū)是居民、文教區(qū)，2類區(qū)是居住、商業(yè)、工業(yè)混雜區(qū)。故對噪聲污染的防治主要是對居民區(qū)的治理。首先，政府要對城市功能區(qū)進(jìn)行科學(xué)合理的布局，盡量使文教區(qū)、居民區(qū)遠(yuǎn)離高噪聲源，對于市中心的居住區(qū)，可以建設(shè)必要的防噪隔離帶；其次，各環(huán)境保護(hù)部門要找準(zhǔn)噪聲污染源，采取積極有效的措施來維護(hù)住宅區(qū)居民的正常生活秩序，建議政府部門將“優(yōu)化居住質(zhì)量”作為今后住宅區(qū)的政策來實(shí)施，并把住宅區(qū)及其環(huán)境的改善作為體現(xiàn)居民生活水平的衡量標(biāo)準(zhǔn)之一[15－16]。第三，城市噪聲的污染源主要是交通噪聲和施工噪聲，因而對于噪聲的防治要從交通噪聲和施工噪聲入手，對道路的路況進(jìn)行改進(jìn)，要及時(shí)保修毀壞路面，必要時(shí)加寬道路；加強(qiáng)對居住區(qū)和文教區(qū)車輛行駛和施工區(qū)域的噪聲監(jiān)控。

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（責(zé)任編輯：李堆淑）

Shangluo City Regional Environmental Noise Based Gray GM(1,1)Model

LIU Yan，CHEN Ning-ning
（College of Urban,Rural Planning and Architectural Engineering,Shangluo University,Shangluo 726000,Shaanxi）

According to equivalent sound level monitoring data of regional environmental noise during 2010-2014 in Shangluo,by gray system theory,gray GM(1,1)model is set up,and three methods to test the accuracy of the model is used,namely the average relative error test,the average variance accuracy test and small error probability test.It is predicted that regional environmental noise by this model in 2015 and 2016 in Shangluo is 45.1dB and 43.24 dB during the day in Area I,and 40.83 dB and 39.3 dB during the night in Area II.It shows that the trend of regional environmental noise,during 2010-2016 in Shangluo is decreasing.

Shangluo City;regional environmental noise;Grey GM(1,1)model;model test

X593

A

1674-0033（2015）06-0071-04

10.13440/j.slxy.1674-0033.2015.06.017

2015-10-21

陜西省教育廳專項(xiàng)科研計(jì)劃項(xiàng)目（14JK1214）

劉燕，女，陜西洛南人，碩士，講師