ABSTRACT

Establishing fuzzy evaluation method, in terms of the actual influence of the city road traffic noise to the residents, using the fuzzy theory based on the actual impact of road traffic noise on residents, taking the road traffic noise level, pollution intensity of Yichang City in China as an example, aiming at the different subjective reactions of residents living under the environment polluted by noise, which were caused by subjective factors such as population, hobbies, education, social economic condition, psychological quality and so on, fuzzy evaluation model was established, comprehensively evaluating the actual impact of traffic noise on residents, which made the evaluation results more scientific and reasonable.

Keywords:Acoustics, Urban Noise Pollution, Traffic Noise, FHWA Model, Fuzzy Clustering

城市道路交通噪声对居民影响的
模糊评价

王海云，张  婷，孙宇婷

三峡大学水利与环境学院，宜昌

Email: wanghaiyun@ctgu.edu.cn

收稿日期：2014年2月24日；修回日期：2014年3月7日；录用日期：2014年3月17日

摘  要

运用模糊理论，依据道路交通噪声对居民的实际影响，采用城市道路交通噪声对居民影响模糊评价的方法，并以中国宜昌城市道路交通噪声的噪声级、污染强度为实例，针对受声污染环境下居住人口的不同性格、爱好、文化程度、社会经济条件、心理素质等诸多主观因素产生引起的不同主观反应，建立模糊数学评判模型，全面地评价道路交通噪声对居民的实际影响程度，使得评价结果更科学、合理。

关键词

声学，城市噪声污染，交通噪声，FHWA模型，模糊聚类

1. 引言

本随着中国城市化的进程，人民生活水平普遍提高，城市中各类机动车辆数量急剧上升，道路交通噪声污染也越来越严重，形势尤为严峻。当前城市环境噪声主要为交通噪声和社会生活噪声，交通噪声所占比重高达60%，并且有逐年上升的趋势[1] [2] 。

噪声污染是一种能量污染，属于物理污染的范畴，对居民的影响[3] [4] ，不仅与声波的物理性质，声级的大小、声音的频率等有关，还与人们的年龄、体质、性格、爱好、文化程度、区域、社会经济条件、心理素质等诸多因素有关。

噪声污染具有可感受性、局部性和暂时性的特点[5] 。由于噪声污染的这些特点,决定了噪声的评价指标、评价模式和评价方法不同于其它环境污染物质的污染。目前道路交通噪声对居民影响评价方法主要考虑道路交通噪声对环境的客观影响程度，即主要以等效声级LAeq、昼夜等效声级Ld等作为评价指标，而未全面考虑到道路交通噪声对居民的实际影响[6] 。本文运用模糊理论，针对道路交通噪声对居民的实际影响，提出城市道路交通噪声对居民影响模糊评价方法。

2. 模糊综合评判

2.1. 模糊评判步骤

本模糊综合评判是在模糊的环境中，考虑了多种因素的影响[7] [8] ，关于某种目的对某事物进行的综合决断或决策。模糊评判一般可以分为如下几个步骤：

确定评价对象的因素集U

设定这些因素的评审等级，确定评语集V

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

(1)

式中：r_ij表示因素u_i对评语v_j的隶属程度。

确定评价因素的权重向量：

一般情况下，m个评价因素对于评判事物并非是同等重要的，因此在进行综合评判前，应确定评价因素的权重向量，并规定：

(2)

综合评价：在确定权重向量A和模糊矩阵R后，B = A o R，即可得到综合评价结果—向量B。式中以“o”表示，为某种矩阵合成算子，它可以表示为(·,)，(·, ∨)，(∧,)，(∧, ∨)等算子之一，在实际应用当中，多采用(·,)算子。

2.2. 道路交通噪声影响的模糊综合评价方法

道路交通噪声对居民的实际影响，可从道路交通噪声的客观实测量和由噪声引起的居民主观反应两个方面进行评价[9] 。对于客观实测量的评价，可对昼、夜测得的等效连续A噪声级LAeq进行评价；对于居民主观反应的评价，可从交通噪声对居民心理干扰和生理功能干扰两个角度确定其评价因素，其中，对心理干扰程度以主观烦恼度表示，对生理功能的干扰主要从交通噪声对睡眠、思考和语言三个方面的影响程度进行分析[10] 。因此，依据模糊数学原理建立综合评价因素集U：

U = {道路交通噪声的客观实测量(U₁), 噪声引起的居民主观反应(U₂)}，其中的每一因素U_i(i = 1, 2)又由更加基本的因素所决定。对于U₁，因素集为：U₁ = {昼间测得的等效连续A噪声级LAeq.d(u₁₁), 夜间测得的等效连续A噪声级LAeq.n(u₁₂)}；对于U₂，因素集为：U₂ = {居民主观烦恼度(u₂₁), 对睡眠影响程度(u₂₂), 对思考影响程度(u₂₃), 对语言影响程度(u₂₄)}。

考虑上述因素的不同层次[11] ，对抽样评价的道路沿线居民区的道路交通噪声影响程度采用二级模糊综合评判。其中一级综合评判包括道路交通噪声的客观实测量和噪声引起的居民主观反应的评判，二级综合评判为道路交通环境噪声对居民影响的模糊综合评判。

2.2.1. 确定评语集

英依据国际标准化组织(ISO)于2004年提出的环境噪声标准(ISO 14001:2004)“公众对噪声反应的评价”建议，当环境噪声超过标准值时，可根据超标数值估计公众的反应程度，具体超标值与公众反应估计值之间的对应关系见表1。

由此确定评语集V₁为{无影响(v₁₁)，轻度(v₁₂)，中度(v₁₃)，较严重(v_l4)，严重(v₁₅)}。

《声环境噪声标准》(GB3096-2008)[12] 中规定居民区环境噪声标准：昼间LAeq为55 Bd，夜间LAeq为45 dB。依据该标准和表1，得到道路交通噪声客观实测量评判中各评价等级的标准(表2)。

2.2.2. 确定隶属函数，建立模糊矩阵R_l

参照表2的评判标准，采用线性关系和降半梯形模糊分布，和u₁₁和u₁₂从属于v₁₁，v₁₂，v₁₃，v₁₄，v₁₅的隶属度函数，其表达式如下：

(3)

式中，i = l，2，x₁和x₂分别为u₁₁和u_l2的实测值；r_ij(i = 1, 2、j = 1, 2, 3, 4, 5)分别为u₁₁和u₁₂对v_l1，v₁₂，v₁₃，v₁₄，v₁₅的隶属度；a₁，a₂，a₃，a₄，a₅，为表2中所示v₁₁，v₁₂，v₁₃，v₁₄，v₁₅的分级标准。u_1l和u_l2的隶属度函数的分布曲线分别如图1和图2所示。

将评价小区昼间道路交通环境噪声级u₁₁和u₁₂的实测值分别代入其隶属函数，可得到模糊关系矩阵(评判矩阵)R₁，

(4)

2.2.3. 确定权向量

根据环境噪声对人的各种影响比率的调查统计资料表3，采用频数统计分析法对u₁₁，u_l2的权重系数进行分析。

令m为道路交通噪声白天对居民影响人数的平均概率，则。因此，

图1. u₁₁的隶属度函数的分布曲线

图2. u₁₂的隶属度函数的分布曲线

u_1l的权重系数为；u_l2的权重系数为。从而得到对于u_1l各因素的权重分配为A₁ = (0.374, 0.626)。

故道路交通环境噪声的客观实测量的综合评判为：

(5)

式中：“o”取M(·,)。

2.3. 噪声引起的居民主观反应的评判

2.3.1. 确定评语集

对居民的不同性格、爱好、文化程度、社会经济条件、心理素质等诸多主观因素产生引起的不同主观反应的评判[13] ，从噪声对居民心理的干扰和对生理功能的干扰两个角度确定其评价因素。其中，对心理干扰程度以主观烦恼度[14] 进行表示，对生理功能的干扰以睡眠、思考和语言三个方面的影响程度进行刻画，主观烦恼度的度量有5级、7级至13级等[15] [16] 。根据实际调查表明，评价等级不宜过细，将烦恼度分为“安静”、“比较安静”、“闹”、“很闹”和“不能容忍”等5级。噪声对睡眠、思考和语言的干扰由轻至重分为5个等级。考虑到上述原因并结合各因素度量等级的语言表述，确定评语集V₂为{无干扰(v₂₁), 轻度干扰(v₂₂), 中度干扰(v₂₃), 较严重干扰(v₂₄), 严重干扰(v₂₅)}。

2.3.2. 确定隶属函数，建立模糊矩阵R₂

因素u₂₁、u₂₂、u₂₃和u₂₄对于评语集V₂的隶属函数的确定是以对评价小区进行抽样调查的结果作为依据，调查对象为小区居住人群的典型抽样，即在小区居民中随机抽取若干人口进行调查，为确保样本包含具有不同的年龄、体质、性格、爱好、文化程度、区域、社会经济条件、心理素质等的人口，调查人数不宜少于总人口的15%。采用多相模糊统计法对调查数据分析得出，具体方法如下：

设为被调查者集合，是被评价小区受噪声影响人群的典型抽样[15] ，当考虑u_2i (i = 1, 2, 3, 4)是否属于u_2j (j = 1, 2, 3, 4, 5)，即求隶属函数μ_v2j(μ_2i)(i = 1, 2, 3, 4, j = 1, 2, 3, 4, 5)，有如下性质：，

(6)

即u_2i一定属于中之一。则由统计数据确定隶属函数为：

(7)

其中n为抽样调查的总人数，i = 1, 2, 3, 4，j = 1, 2, 3, 4, 5。

这里，令，通过对评价小区居民主观反应的调查统计，将调查数据代入隶属函数，便可得到模糊关系矩阵(评判矩阵)R₂：

(8)

2.3.3. 确定权向量

噪声引起的居民的不同性格、爱好、文化程度、社会经济条件、心理素质等诸多主观因素产生引起的不同主观反应评判因素是从交通噪声对居民心理干扰和生理功能干扰两个角度考虑[17] ，其中，对心理干扰程度是以主观烦恼度进行表示；对生理功能的干扰是从噪声对睡眠[18] [19] 、思考和语言的干扰三个方面进行描述的，其中又以睡眠反应最为重要。根据以上各因素的层次性和重要性的分析，确定其权重分配为A₂ = (0.5, 0.2, 0.15, 0.15)。故道路交通环境噪声引起的居民主观反应的综合评判为：

(9)

式中：“o”取M(·,)。

2.4. 噪声对居民影响的模糊综合评判

确定评语集。评价因素集U = {B₁, B₂}，设定评语集V₀为{无影响(v₀₁), 轻度(v₀₂), 中度(v₀₃), 重度(v₀₄),严重(v₀₅)}。

确定权重分配。根据专家估测法，确定道路交通环境噪声的客观实测量的综合评判(B₁)和道路交通环境噪声引起的居民主观反应的综合评判(B₂)的权重系数为：。

故道路交通环境噪声对居民影响的模糊综合评判为：

(10)

式中：“o”取M(·,)。

模糊综合评判结果。对矩阵B依据最大隶属度原则，确定被评价小区居民受道路噪声影响的程度。

3. 应用实例

选择坐落于宜昌市中心城区东山大道与夷陵大道之间的“南北天城”住宅小区为研究对象。该区依地势形成人与城市、自然共生，城市生活空间的共生形成相互依存、相互助益的居住、餐饮等相互组合的综合区域。东山大道为模贯城区主干道，位于小区南侧，夷陵大道为城区次干道，位于小区北侧。

3.1. 道路交通噪声监测量的评判

除对小区昼间、夜间道路交通环境噪声级进行监测[20] ，监测方法执行中国《声环境质量标准》(GB3096-2008)[3] [21] ，监测时段2011年4月13日7:30至15日7:30分，共获取120组道路交通环境噪声监测数据。经计算得出昼间等效连续A噪声级LAeq.d(u₁₁)和夜间等效连续A噪声级LAeq.n(u₁₂)分别为62.8 dB和52.6 dB，将u₁₁、u₁₂代入公式(3)计算v₁₁，v₁₂，v₁₃，v_l4，v₁₅的隶属函数，将计算结果代入公式(4)便得到模糊评判矩阵：

依据公式(5)，计算得出评价小区道路交通噪声客观实测量值的评判结果：

3.2. 噪声引起的居民主观反应的评判

对“南北天城”小区居住人群进行抽样调查[22] [23] ，选取95位合适人选，调查统计结果如表4[24] 。

将调查结果代入公式(5)计算因素u₂₁、u₂₂、u₂₃、u₂₄对于评语集V₂的隶属函数，并将计算结果代入公式(6)得到其模糊评判矩阵R₂；

再根据公式(9)，计算得到评价小区由于道路交通噪声引起的居民主观反应的评价结果为：

3.3. 居民受道路噪声影响的模糊综合评判

对将B₁、B₂、A₀代入公式(10)，得到模糊综合评判结果为：

最后，对矩阵B依据最大隶属度原则，得出评判结果：“南北天城”小区居民受道路噪声影响程度为中度。单独分析小区道路交通环境噪声的客观实测量的综合评判B₁，评判结果是受道路噪声影响程度为中度，但是轻度和中度所占比重非常接近；单独分析道路交通环境噪声引起的居民主观反应的综合评判B₂，评价结果为受道路噪声影响程度为较严重干扰。对B₁和B₂分析结果表明，受道路噪声污染环境下的居住人口，其不同性格、爱好、文化程度、社会经济条件、心理素质等诸多主观因素将产生不同的主观反应，而这些不同的主观反应导致了交通噪声污染的实际影响程度的差异性。

依据对小区道路交通噪声污染的评价结果，采取相应的措施，以改善其声环境，如、修建低噪声路面、在道路与现有居民小区之间修建声屏障、种植绿化带等。

4. 小结

按照中国《声环境质量标准》(GB3096-2008)对小区昼间、夜间道路交通环境噪声级进行监测，调查获取噪声引起的居民主观反应程度，经计算得出交通噪声实测声强量值和模糊综合评判结果，小区受中度噪声污染影响。

模糊综合评判方法来评价城市道路交通环境噪声的污染，不仅包含了对道路交通噪声级的评判，而且还包括了道路噪声引起的居民主观反应的评判，这样能够反映由于不同的居住人口的性格、爱好、文化程度、社会经济条件、心理素质等诸多主观因素的差异而产生的对交通噪声不同的主观反应，采用该方法能够更全面地评价道路交通噪声对居民的实际影响程度，使得评价结果更科学、合理。

参考文献 (References)