基于模糊綜合評價方法的高鐵噪聲影響評估

杜海濤, 田 豐, 李 云, 顏偉康

（1.安徽建筑大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院，合肥 230601；2.安徽省綠色建筑先進(jìn)技術(shù)研究院，合肥 230601；3.安徽長之源環(huán)境工程有限公司，合肥 230061）

基于模糊綜合評價方法的高鐵噪聲影響評估

杜海濤1,2, 田 豐3, 李 云1,2, 顏偉康1,2

（1.安徽建筑大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院，合肥 230601；2.安徽省綠色建筑先進(jìn)技術(shù)研究院，合肥 230601；3.安徽長之源環(huán)境工程有限公司，合肥 230061）

我國高速鐵路建設(shè)發(fā)展迅速的同時也加劇了高鐵噪聲對沿線居民的生活影響，現(xiàn)有的普通鐵路噪聲相關(guān)分析評價方法不能很好地適用于高鐵噪聲評估研究。本文選取京滬高鐵安徽段為研究對象，采用模糊綜合評判方法來評估高鐵噪聲對居民的影響，考察了受影響人群的心理干擾和生理干擾程度，以及高鐵噪聲暴露實測值等影響因素，經(jīng)過全面的闡述剖析與具體的量化數(shù)值計算，得出了在京滬高鐵安徽段的居民受噪聲影響為輕度的結(jié)論。很大程度上這也為高鐵噪聲評估方法提供了新的參考依據(jù)。

高速鐵路；噪聲；模糊評判；實測量；主觀反應(yīng)

0 引 言

近年來我國高速鐵路發(fā)展迅速，中國鐵路總公司數(shù)據(jù)顯示：2015年底中國高速鐵路營業(yè)里程達(dá)1.8萬多公里。在高速鐵路快速發(fā)展的同時也伴生了不少的的環(huán)境問題，這些環(huán)境問題不僅對沿線居民的身心健康造成了一定程度上的影響，同時對周邊生態(tài)環(huán)境的惡化也負(fù)有較大的責(zé)任[1,2]。高鐵相關(guān)專家對高鐵導(dǎo)致的各種環(huán)境污染進(jìn)行分析后，普遍認(rèn)為運營時產(chǎn)生的噪聲污染在其中占主導(dǎo)部分[3,4]。與普通鐵路噪聲不同的是，高鐵噪聲最為突出的特點在于它的突發(fā)性強(qiáng)，瞬時噪聲大[5]。例如，在相同等效聲級（LAeq）情況下，高速鐵路噪聲影響沿線人群的主觀煩惱度與主觀干擾度均高于傳統(tǒng)鐵路噪聲[5]。這說明了傳統(tǒng)的普通鐵路噪聲治理相關(guān)技術(shù)規(guī)范和技術(shù)治理手段并不能同樣很好地應(yīng)用于高鐵噪聲評估和治理。因此，選擇新的評價方法和評估標(biāo)準(zhǔn)來評判高鐵噪聲具有重要的實踐意義。

1965年，美國控制論專家、數(shù)學(xué)家查德發(fā)表了論文《模糊集合》[6]，宣告了模糊數(shù)學(xué)的誕生。模糊集合是研究現(xiàn)實世界中許多界限不分明甚至是很模糊的問題的數(shù)學(xué)工具，在模式識別、人工智能等方面有廣泛的應(yīng)用。而模糊數(shù)學(xué)則是站在數(shù)學(xué)的角度用精確的數(shù)學(xué)語言去描述現(xiàn)實世界中的模糊性現(xiàn)象，能夠更好地反映這些客觀存在的模糊性現(xiàn)象。利用模糊集合和模糊數(shù)學(xué)，能較為完善地處理各種模糊問題。由于高鐵噪聲引起的居民主觀反應(yīng)并不能以具體精確的數(shù)字或者根據(jù)現(xiàn)成確定的公式表達(dá)，故引用模糊數(shù)學(xué)方法提出更為全面合理的高鐵噪聲影響的評價方法。

1 基于社會調(diào)查的人群影響分析

1.1 京滬高鐵安徽段地理位置

作為京滬快速客運通道，京滬高速鐵路是中國“四縱四橫”客運專線網(wǎng)中的“一縱”，線路由北京南站至上海虹橋站，縱貫京、津、滬三大直轄市和冀、魯、皖、蘇四省，全長共計1318公里。其中，京滬高鐵安徽段北起宿州，南至滁州，全長約265 km，途經(jīng)宿州、蚌埠、滁州三市[3]，具體位置見圖1。

圖1 京滬高鐵安徽段沿線居民分布示意圖

1.2 人群問卷調(diào)查

由于高鐵工程尚屬于新事物，投入使用時間較短，噪聲引起的居民主觀反應(yīng)這塊在之前的研究中很少被考慮到。為了具體了解到對于個體的影響差異，在綜合評價噪聲影響之前先通過社會調(diào)查進(jìn)行分析。社會調(diào)查法是通過實地調(diào)查上述圖1中京滬高鐵在安徽段沿線的兩側(cè)居民對鐵路噪聲的主觀反應(yīng)，主要是心理煩惱和生理功能干擾兩大類。通過合理地設(shè)計主觀調(diào)查表，使受試者通過對各種問題的回答來客觀地描述自己的感受，從而減少因用詞不當(dāng)、不同所造成的差異。

社會調(diào)查一共發(fā)出200份問卷，收回有效問卷173份，被調(diào)查者的年齡在17-82歲之間，分別從居民的煩惱程度和生理狀況了解高鐵噪音的影響。公共參與調(diào)查問卷見后續(xù)附錄1和附錄2，調(diào)查樣本的基本情況見表1。

表1 調(diào)查樣本的基本情況

2 高鐵噪聲影響的模糊綜合評價

2.1 模糊綜合評判方法概述

模糊評判即以模糊數(shù)學(xué)的隸屬度理論為基礎(chǔ)，把對某事物的定性評價轉(zhuǎn)變?yōu)槎吭u價，用以表達(dá)事物的不確定性。模糊評判的具體步驟如下：

（1）確定因素集合U

（2）設(shè)定評價集合V

V={v1,v2,v3,...,vm}

（3）求出各單一因素對各評審等級的歸屬程度，建立模糊矩陣R

式（3）中：因子rij為因素ui關(guān)于評價vj的隸屬度。

（4）評價因素的權(quán)重集合A

不同的外界評價因素對于同一個事物的重要性并不一致，故在進(jìn)行綜合評判前我們必須確定不同評價因素所占的權(quán)重[7]。某一指標(biāo)的權(quán)重是指該指標(biāo)在整體評價中的相對重要程度，不同指標(biāo)的權(quán)重則構(gòu)成了權(quán)重集合A，ai（i=1,2,3....）表示不同的評價因素的權(quán)重。

（5）綜合評價

綜合評判結(jié)果——向量B

式(5)中R和A分別表示（3）式的模糊矩陣和矩陣（4 B）的式相的乘權(quán)。重集合，“”號表示矩陣A和矩陣B的相乘。

2.2 高鐵噪聲影響的模糊綜合評價構(gòu)建

噪聲與人群煩惱度相關(guān)性研究表明：噪聲對居民引起的煩惱干擾并不僅僅與高鐵噪聲本身的聲源有關(guān)外，同時還跟其它非聲學(xué)因素有著緊密的相關(guān)性，如心理因素、社會環(huán)境因素、經(jīng)濟(jì)因素等[5,8,9]。為了全面科學(xué)地對噪聲產(chǎn)生的影響進(jìn)行評價，從以下兩個方面進(jìn)行評價，即高鐵噪聲的實測值影響和噪聲引起的居民主觀反應(yīng)影響。

等效連續(xù)A噪聲級LAeq可用來評價高鐵噪聲實測值的影響；居民主觀反應(yīng)則從心理干擾和生理干擾兩個角度評判。心理干擾表達(dá)一種噪聲對居民原有心理狀況的擾亂，可用主觀煩惱度來衡量；生理干擾則更傾向于對居民身體外在的干擾，主要可從睡眠、思考、交流三個方面評判[10]。根據(jù)模糊數(shù)學(xué)原理并結(jié)合上面分析，綜合評價因素集U的表達(dá)式如下：

式中，每一因素Ui(i=1,2)的具體集合則根據(jù)上面的分析決定如下：

因素集U1為：U1={晝間等效連續(xù)A噪聲級LAeq,d (U11)，夜間等效連續(xù)A噪聲級LAeq,n (U12)}；因素集U2為：U2={居民主觀煩惱度(U21)，睡眠影響程度(U22)，思考影響程度(U23)，交流影響程度(U24)}[11]。

2.3 高鐵噪聲實測量的評判

2.3.1 確定評價集V2

依據(jù)環(huán)境噪聲標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)環(huán)境噪聲超過規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)值時，公眾的反應(yīng)程度可根據(jù)實際值超過標(biāo)準(zhǔn)限定的多少來估計[10,12]。具體對應(yīng)關(guān)系如表4所示：

表4 公眾對超標(biāo)噪聲的反應(yīng)程度

據(jù)上可以確定評價集V1：

依據(jù)《城市區(qū)域環(huán)境噪聲標(biāo)準(zhǔn)》（GB3096-93）中規(guī)定：居民區(qū)環(huán)境噪聲限值晝間LAeq為55dB，夜間LAeq為45dB，并結(jié)合表4，可以得到關(guān)于高鐵噪聲客觀實測量評判中不同評價等級在噪聲標(biāo)準(zhǔn)限值上的標(biāo)準(zhǔn)，如表5所示[13]。

表5 居民區(qū)噪聲污染LAeq 評價標(biāo)準(zhǔn)

2.3.2 確定隸屬函數(shù)，建立模糊矩陣R1

模糊矩陣R1具體的項rij分別為U11和U12對V11，V12，V13，V14，V15的隸屬程度。根據(jù)模糊數(shù)學(xué)，我們可用如下公式（9）計算隸屬度，并且設(shè)置不超過規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)限值時計為0的統(tǒng)計方法:

利用下圖數(shù)軸關(guān)系來解釋上式（9），其中aj為表3中所示的V11，V12，V13，V14，V15晝、夜分級標(biāo)準(zhǔn)限值，xi(i=1, 2)表示晝、夜晝間連續(xù)等效A噪聲級U11和夜間連續(xù)等效A噪聲級U12的實測值。

即若指標(biāo)值xi∈(aj-1，aj)則隸屬度ri,j-1=（aj－xi）/(aj－aj-1)，ri,j=（xi－aj-1）/(aj－aj-1)；同理若指標(biāo)值xi∈(aj，aj+1)則隸屬度ri,j=（aj+1－xi）/(aj+1－aj)；且規(guī)定若xi≤aj-1或者xi≥aj+1則隸屬度ri,j=0。

根據(jù)對京滬鐵路安徽段沿線噪聲實際測量，計算出晝間連續(xù)等效A噪聲級U11為58.9dB，夜間連續(xù)等效A噪聲級U11為49.4dB。則依據(jù)式（9）r11=(60－ 58.9)/(60-55)=0.22，r12=(58.9－55)/(60-55)=0.78，因為U11= 58.9＜a2=60，故r13=0。依次可以計算出其他隸屬度rij最后得出其模糊矩陣R1。

（3）確定權(quán)向量A1

噪聲對人群影響不同方面所占比重的調(diào)查與統(tǒng)計研究見表6，U11和U12的權(quán)重系數(shù)采用頻率分析法分析[14]，得出其權(quán)重分配為A1=（0.336，0.664）。故高鐵噪聲的客觀實測量的綜合評判為：

表6 相對權(quán)重分析

將R1帶入式（10）中，計算沿線居民噪聲測量均值的影響評判結(jié)果：

2.4 受影響居民主觀反應(yīng)的評判

2.4.1 確定評價集V2

與噪聲的客觀影響相對，噪聲對居民的主觀影響也是很重要的一部分。所謂“主觀反應(yīng)”就是居民憑借自己的感情、去看待事物，并作結(jié)論、決策和行為反應(yīng)。高鐵噪聲對居民的主觀反應(yīng)從心理干擾和生理功能干擾兩個角度評判。根據(jù)干擾的不同程度，確定評語集V2為{無(V21)，微擾(V22)，中度干擾(V23)，重度干擾(V24)，嚴(yán)重干擾(V25)}。

2.4.2 確定隸屬函數(shù)和模糊矩陣R2

模糊矩陣R2由評價因素對于評語集V2的隸屬度所確定，其是以表1中對高鐵沿線進(jìn)行抽樣調(diào)查的結(jié)果作為依據(jù)，考慮居民對高鐵噪聲造成影響的評價是否屬于V2j（j=1，2，3，4，5）。

在調(diào)查和統(tǒng)計居民受噪聲影響主觀反應(yīng)的基礎(chǔ)上，根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果確定隸屬函數(shù)，推導(dǎo)出模糊關(guān)系矩陣R2如下：

則由其確定的隸屬度為：

此式中：n為抽樣調(diào)查的總?cè)藬?shù)，uij表示居民對噪聲上影響其生活的主觀評價程度，P(uij)為在173份樣本中做出uij評價的總共人數(shù)。

為進(jìn)一步了解噪聲對鐵路沿線居民生理健康上的影響，對京滬鐵路安徽段附近的居民區(qū)進(jìn)行實地調(diào)查走訪，并發(fā)放調(diào)查問卷。對表1中173份有效樣本進(jìn)行分析研究，具體研究統(tǒng)計結(jié)果見表7。

表7 高鐵噪聲對沿線居民的主觀影響

根據(jù)上述推導(dǎo)模糊矩陣R2的步驟并將表7的數(shù)據(jù)代入式（12），計算出R2具體的數(shù)值如下:

r11=75/173=0.434 r12=21/173=0.121 r13=31/173=0.179依次計算出其他隸屬度得出R2。

2.4.3 確定權(quán)向量A2

根據(jù)心理干擾和生理功能干擾各因素的層次性和重要性的分析[15]，對其權(quán)重分配為A2=（0.50，0.25，0.12，0.13）。

故高鐵噪聲引起的居民主觀反應(yīng)的綜合評判為：

將A2帶入式（13）中，居民主觀反應(yīng)的整體評判結(jié)果計算如下：

2.5 噪聲影響模糊綜合評判

2.5.1 確定綜合評語集

結(jié)合上面客觀實測量和主觀反應(yīng)評價這兩方面的確定和計算，依此建立綜合評語集U={B1，B2}，U的評語集V0為{無（V01），輕度（V02），中度（V03），重度（V04），嚴(yán)重（V05）}。

2.5.2 確定權(quán)重分配

對高鐵噪聲實測量的評判和居民主觀反應(yīng)的評判進(jìn)行權(quán)重分配，考慮到它們對居民各自的實際干擾程度，均等分配這兩個方面在總體評判中占的比重，即A0=(0.5,0.5)。

因此高鐵噪聲對居民影響的總體模糊綜合評判為：

將B1、B2和A0帶入公式（1 4），得到模糊綜合評判結(jié)果為：

最后根據(jù)最大隸屬度原則，即在隸屬度矩陣中，綜合指標(biāo)對哪個評價等級的隸屬度更高，那么就將其所要評價的目標(biāo)定為該評價等級。則對矩陣B應(yīng)用最大隸屬度原則為0.518，結(jié)合評語集合V0可判定被評價沿線居民受高鐵噪聲影響的程度為輕度。

3 結(jié)論

本文采用模糊綜合評判方法以及現(xiàn)場調(diào)查來評價高鐵噪聲對居民的影響，評價方法考察了受影響人群的主觀反應(yīng)和高鐵噪聲暴露實測值影響因素，能夠更全面地評價高鐵噪聲對居民的實際影響程度，使得評價結(jié)果更科學(xué)、合理。通過具體數(shù)值量化的計算評價對沿線居民的總體影響后，可知沿線居民受高鐵噪聲影響的程度較輕微。

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(上接第6 0頁)

從簡化的活性污泥法模型在碳去除方面的分析，污水廠脫氮除磷的變化情況也可通過模擬運行的方式進(jìn)行研究，制定出優(yōu)化的運行方案，從而提高污水廠出水水質(zhì)，降低能耗成本。

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Evaluation on the Noise Annoyance of High-speed Railways Based on Fuzzy Comprehensive Evaluation Method

DU Haitao1,2, TIAN Feng3, LI Yun1,2, YAN Weikang1,2

China's high-speed railway construction has developed rapidly, which consequently aggravates the noise impact of high-speed railway on the lives of residents along the railway lines. The existing correlation analysis and evaluation method of conventional railway noise can not be well applied to the research of highspeed railway noise evaluation. This paper, with the Anhui section of Beijing-Shanghai high-speed railway selected as the object of study, adopts fuzzy comprehensive evaluation method to evaluate the effect of high-speed rail noise on residents, investigates the psychological disturbances and physiological function interference of affected population, into Consideration.Then,this paper factors of noise actual measured values and takes, draws a conclusion that the high-speed railway noise has a mild and light impact on the residents along the Anhui section of Beijing-Shanghai high-speed railway lines. To a large extent, it also provides a new reference for assessing and evaluating high speed rail noise .

high-speed railway;noise;fuzzy evaluation;actual measured values; subjective reaction

X828

A

2095-8382(2016)06-061-06

10.11921/j.issn.2095-8382.20160614

2016-05-05

安徽省高校自然科學(xué)研究重大項目（KJ2016SD14）。

杜海濤（1993－）,男，碩士研究生，研究方向為環(huán)境模擬與環(huán)境評價。

(1.College of Environment and Energy Engineering, Anhui Jianzhu University, Hefei 230601, China; 2. Anhui Advanced Technology Research Institute of Green Building, Anhui Jianzhu University, Hefei 230601, China；3. Anhui O’rigin Environmental Engineering Co., Ltd., Hefei, 230061, China.)