基于模糊综合评价方法的高铁噪声影响评估

杜海涛, 田 丰, 李 云, 颜伟康

（1.安徽建筑大学环境与能源工程学院，合肥 230601；2.安徽省绿色建筑先进技术研究院，合肥 230601；3.安徽长之源环境工程有限公司，合肥 230061）

基于模糊综合评价方法的高铁噪声影响评估

杜海涛1,2, 田 丰3, 李 云1,2, 颜伟康1,2

（1.安徽建筑大学环境与能源工程学院，合肥 230601；2.安徽省绿色建筑先进技术研究院，合肥 230601；3.安徽长之源环境工程有限公司，合肥 230061）

我国高速铁路建设发展迅速的同时也加剧了高铁噪声对沿线居民的生活影响，现有的普通铁路噪声相关分析评价方法不能很好地适用于高铁噪声评估研究。本文选取京沪高铁安徽段为研究对象，采用模糊综合评判方法来评估高铁噪声对居民的影响，考察了受影响人群的心理干扰和生理干扰程度，以及高铁噪声暴露实测值等影响因素，经过全面的阐述剖析与具体的量化数值计算，得出了在京沪高铁安徽段的居民受噪声影响为轻度的结论。很大程度上这也为高铁噪声评估方法提供了新的参考依据。

高速铁路；噪声；模糊评判；实测量；主观反应

0 引 言

近年来我国高速铁路发展迅速，中国铁路总公司数据显示：2015年底中国高速铁路营业里程达1.8万多公里。在高速铁路快速发展的同时也伴生了不少的的环境问题，这些环境问题不仅对沿线居民的身心健康造成了一定程度上的影响，同时对周边生态环境的恶化也负有较大的责任[1,2]。高铁相关专家对高铁导致的各种环境污染进行分析后，普遍认为运营时产生的噪声污染在其中占主导部分[3,4]。与普通铁路噪声不同的是，高铁噪声最为突出的特点在于它的突发性强，瞬时噪声大[5]。例如，在相同等效声级（LAeq）情况下，高速铁路噪声影响沿线人群的主观烦恼度与主观干扰度均高于传统铁路噪声[5]。这说明了传统的普通铁路噪声治理相关技术规范和技术治理手段并不能同样很好地应用于高铁噪声评估和治理。因此，选择新的评价方法和评估标准来评判高铁噪声具有重要的实践意义。

1965年，美国控制论专家、数学家查德发表了论文《模糊集合》[6]，宣告了模糊数学的诞生。模糊集合是研究现实世界中许多界限不分明甚至是很模糊的问题的数学工具，在模式识别、人工智能等方面有广泛的应用。而模糊数学则是站在数学的角度用精确的数学语言去描述现实世界中的模糊性现象，能够更好地反映这些客观存在的模糊性现象。利用模糊集合和模糊数学，能较为完善地处理各种模糊问题。由于高铁噪声引起的居民主观反应并不能以具体精确的数字或者根据现成确定的公式表达，故引用模糊数学方法提出更为全面合理的高铁噪声影响的评价方法。

1 基于社会调查的人群影响分析

1.1 京沪高铁安徽段地理位置

作为京沪快速客运通道，京沪高速铁路是中国“四纵四横”客运专线网中的“一纵”，线路由北京南站至上海虹桥站，纵贯京、津、沪三大直辖市和冀、鲁、皖、苏四省，全长共计1318公里。其中，京沪高铁安徽段北起宿州，南至滁州，全长约265 km，途经宿州、蚌埠、滁州三市[3]，具体位置见图1。

图1 京沪高铁安徽段沿线居民分布示意图

1.2 人群问卷调查

由于高铁工程尚属于新事物，投入使用时间较短，噪声引起的居民主观反应这块在之前的研究中很少被考虑到。为了具体了解到对于个体的影响差异，在综合评价噪声影响之前先通过社会调查进行分析。社会调查法是通过实地调查上述图1中京沪高铁在安徽段沿线的两侧居民对铁路噪声的主观反应，主要是心理烦恼和生理功能干扰两大类。通过合理地设计主观调查表，使受试者通过对各种问题的回答来客观地描述自己的感受，从而减少因用词不当、不同所造成的差异。

社会调查一共发出200份问卷，收回有效问卷173份，被调查者的年龄在17-82岁之间，分别从居民的烦恼程度和生理状况了解高铁噪音的影响。公共参与调查问卷见后续附录1和附录2，调查样本的基本情况见表1。

表1 调查样本的基本情况

2 高铁噪声影响的模糊综合评价

2.1 模糊综合评判方法概述

模糊评判即以模糊数学的隶属度理论为基础，把对某事物的定性评价转变为定量评价，用以表达事物的不确定性。模糊评判的具体步骤如下：

（1）确定因素集合U

（2）设定评价集合V

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

（3）求出各单一因素对各评审等级的归属程度，建立模糊矩阵R

式（3）中：因子rij为因素ui关于评价vj的隶属度。

（4）评价因素的权重集合A

不同的外界评价因素对于同一个事物的重要性并不一致，故在进行综合评判前我们必须确定不同评价因素所占的权重[7]。某一指标的权重是指该指标在整体评价中的相对重要程度，不同指标的权重则构成了权重集合A，ai（i=1,2,3....）表示不同的评价因素的权重。

（5）综合评价

综合评判结果——向量B

式(5)中R和A分别表示（3）式的模糊矩阵和矩阵（4 B）的式相的乘权。重集合，“”号表示矩阵A和矩阵B的相乘。

2.2 高铁噪声影响的模糊综合评价构建

噪声与人群烦恼度相关性研究表明：噪声对居民引起的烦恼干扰并不仅仅与高铁噪声本身的声源有关外，同时还跟其它非声学因素有着紧密的相关性，如心理因素、社会环境因素、经济因素等[5,8,9]。为了全面科学地对噪声产生的影响进行评价，从以下两个方面进行评价，即高铁噪声的实测值影响和噪声引起的居民主观反应影响。

等效连续A噪声级LAeq可用来评价高铁噪声实测值的影响；居民主观反应则从心理干扰和生理干扰两个角度评判。心理干扰表达一种噪声对居民原有心理状况的扰乱，可用主观烦恼度来衡量；生理干扰则更倾向于对居民身体外在的干扰，主要可从睡眠、思考、交流三个方面评判[10]。根据模糊数学原理并结合上面分析，综合评价因素集U的表达式如下：

式中，每一因素Ui(i=1,2)的具体集合则根据上面的分析决定如下：

因素集U1为：U1={昼间等效连续A噪声级LAeq,d (U11)，夜间等效连续A噪声级LAeq,n (U12)}；因素集U2为：U2={居民主观烦恼度(U21)，睡眠影响程度(U22)，思考影响程度(U23)，交流影响程度(U24)}[11]。

2.3 高铁噪声实测量的评判

2.3.1 确定评价集V2

依据环境噪声标准，当环境噪声超过规定的标准值时，公众的反应程度可根据实际值超过标准限定的多少来估计[10,12]。具体对应关系如表4所示：

表4 公众对超标噪声的反应程度

据上可以确定评价集V1：

依据《城市区域环境噪声标准》（GB3096-93）中规定：居民区环境噪声限值昼间LAeq为55dB，夜间LAeq为45dB，并结合表4，可以得到关于高铁噪声客观实测量评判中不同评价等级在噪声标准限值上的标准，如表5所示[13]。

表5 居民区噪声污染LAeq 评价标准

2.3.2 确定隶属函数，建立模糊矩阵R1

模糊矩阵R1具体的项rij分别为U11和U12对V11，V12，V13，V14，V15的隶属程度。根据模糊数学，我们可用如下公式（9）计算隶属度，并且设置不超过规定标准限值时计为0的统计方法:

利用下图数轴关系来解释上式（9），其中aj为表3中所示的V11，V12，V13，V14，V15昼、夜分级标准限值，xi(i=1, 2)表示昼、夜昼间连续等效A噪声级U11和夜间连续等效A噪声级U12的实测值。

即若指标值xi∈(aj-1，aj)则隶属度ri,j-1=（aj－xi）/(aj－aj-1)，ri,j=（xi－aj-1）/(aj－aj-1)；同理若指标值xi∈(aj，aj+1)则隶属度ri,j=（aj+1－xi）/(aj+1－aj)；且规定若xi≤aj-1或者xi≥aj+1则隶属度ri,j=0。

根据对京沪铁路安徽段沿线噪声实际测量，计算出昼间连续等效A噪声级U11为58.9dB，夜间连续等效A噪声级U11为49.4dB。则依据式（9）r11=(60－ 58.9)/(60-55)=0.22，r12=(58.9－55)/(60-55)=0.78，因为U11= 58.9＜a2=60，故r13=0。依次可以计算出其他隶属度rij最后得出其模糊矩阵R1。

（3）确定权向量A1

噪声对人群影响不同方面所占比重的调查与统计研究见表6，U11和U12的权重系数采用频率分析法分析[14]，得出其权重分配为A1=（0.336，0.664）。故高铁噪声的客观实测量的综合评判为：

表6 相对权重分析

将R1带入式（10）中，计算沿线居民噪声测量均值的影响评判结果：

2.4 受影响居民主观反应的评判

2.4.1 确定评价集V2

与噪声的客观影响相对，噪声对居民的主观影响也是很重要的一部分。所谓“主观反应”就是居民凭借自己的感情、去看待事物，并作结论、决策和行为反应。高铁噪声对居民的主观反应从心理干扰和生理功能干扰两个角度评判。根据干扰的不同程度，确定评语集V2为{无(V21)，微扰(V22)，中度干扰(V23)，重度干扰(V24)，严重干扰(V25)}。

2.4.2 确定隶属函数和模糊矩阵R2

模糊矩阵R2由评价因素对于评语集V2的隶属度所确定，其是以表1中对高铁沿线进行抽样调查的结果作为依据，考虑居民对高铁噪声造成影响的评价是否属于V2j（j=1，2，3，4，5）。

在调查和统计居民受噪声影响主观反应的基础上，根据统计结果确定隶属函数，推导出模糊关系矩阵R2如下：

则由其确定的隶属度为：

此式中：n为抽样调查的总人数，uij表示居民对噪声上影响其生活的主观评价程度，P(uij)为在173份样本中做出uij评价的总共人数。

为进一步了解噪声对铁路沿线居民生理健康上的影响，对京沪铁路安徽段附近的居民区进行实地调查走访，并发放调查问卷。对表1中173份有效样本进行分析研究，具体研究统计结果见表7。

表7 高铁噪声对沿线居民的主观影响

根据上述推导模糊矩阵R2的步骤并将表7的数据代入式（12），计算出R2具体的数值如下:

r11=75/173=0.434 r12=21/173=0.121 r13=31/173=0.179依次计算出其他隶属度得出R2。

2.4.3 确定权向量A2

根据心理干扰和生理功能干扰各因素的层次性和重要性的分析[15]，对其权重分配为A2=（0.50，0.25，0.12，0.13）。

故高铁噪声引起的居民主观反应的综合评判为：

将A2带入式（13）中，居民主观反应的整体评判结果计算如下：

2.5 噪声影响模糊综合评判

2.5.1 确定综合评语集

结合上面客观实测量和主观反应评价这两方面的确定和计算，依此建立综合评语集U={B1，B2}，U的评语集V0为{无（V01），轻度（V02），中度（V03），重度（V04），严重（V05）}。

2.5.2 确定权重分配

对高铁噪声实测量的评判和居民主观反应的评判进行权重分配，考虑到它们对居民各自的实际干扰程度，均等分配这两个方面在总体评判中占的比重，即A0=(0.5,0.5)。

因此高铁噪声对居民影响的总体模糊综合评判为：

将B1、B2和A0带入公式（1 4），得到模糊综合评判结果为：

最后根据最大隶属度原则，即在隶属度矩阵中，综合指标对哪个评价等级的隶属度更高，那么就将其所要评价的目标定为该评价等级。则对矩阵B应用最大隶属度原则为0.518，结合评语集合V0可判定被评价沿线居民受高铁噪声影响的程度为轻度。

3 结论

本文采用模糊综合评判方法以及现场调查来评价高铁噪声对居民的影响，评价方法考察了受影响人群的主观反应和高铁噪声暴露实测值影响因素，能够更全面地评价高铁噪声对居民的实际影响程度，使得评价结果更科学、合理。通过具体数值量化的计算评价对沿线居民的总体影响后，可知沿线居民受高铁噪声影响的程度较轻微。

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从简化的活性污泥法模型在碳去除方面的分析，污水厂脱氮除磷的变化情况也可通过模拟运行的方式进行研究，制定出优化的运行方案，从而提高污水厂出水水质，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

安徽省高校自然科学研究重大项目（KJ2016SD14）。

杜海涛（1993－）,男，硕士研究生，研究方向为环境模拟与环境评价。

(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.)