莆田市不同道路等級的噪聲分析與評價預(yù)測

史本杰，胡喜生，邱榮祖，劉開國

（1.福建農(nóng)林大學(xué)交通與土木工程學(xué)院，福州 350002；2.莆田市環(huán)境監(jiān)測中心站）

莆田市不同道路等級的噪聲分析與評價預(yù)測

史本杰1，胡喜生1，邱榮祖1，劉開國2

（1.福建農(nóng)林大學(xué)交通與土木工程學(xué)院，福州 350002；2.莆田市環(huán)境監(jiān)測中心站）

基于莆田市道路交通噪聲監(jiān)測數(shù)據(jù)，依據(jù)不同道路等級，選取主干路、次干路與支路，分析道路交通噪聲與交通量的變化趨勢；運用道路交通噪聲評價指標(biāo)對其進(jìn)行評價；通過對主干路與次干路的交通噪聲變化分析，運用灰色預(yù)測理論建立預(yù)測模型，并對未來5年主干路與次干路的交通噪聲進(jìn)行預(yù)測。

交通噪聲；道路等級；評價；灰色預(yù)測

噪聲具有瞬時性、不穩(wěn)定性的特點，嚴(yán)重影響著人們的身心健康與正常的工作學(xué)習(xí)[1-3]。在噪聲源中，交通噪聲所占的比例達(dá)到50%～70%[4]。隨著機動車數(shù)量的急劇增加，城市道路交通聲環(huán)境面臨的嚴(yán)峻考驗。影響城市道路交通噪聲的因素有很多，包括機動車數(shù)量、交通流狀態(tài)、道路條件與沿線環(huán)境等[5-9]。城市道路等級分為快速路、主干路、次干路、支路，等級不同的道路交通流、道路條件及周邊環(huán)境會有較大差異，從而直接影響著交通噪聲的變化，因此從不同等級道路對交通噪聲進(jìn)行分析研究與評價，具有重要的現(xiàn)實意義。以莆田市為例，從主干路、次干路與支路對道路交通噪聲進(jìn)行研究分析，依據(jù)道路交通噪聲的評價指標(biāo)對其進(jìn)行評價分析，基于道路噪聲的分析數(shù)據(jù)，建立灰色GM（1，1）預(yù)測模型，對“十三五”規(guī)劃期間的道路交通噪聲進(jìn)行預(yù)測分析。

1 交通噪聲的變化

根據(jù)莆田市2006～2015年道路交通噪聲的監(jiān)測數(shù)據(jù)，選取部分監(jiān)測點依據(jù)主干路、次干路與支路三種道路等級進(jìn)行歸納整理，做出10年的道路交通噪聲等效聲級的變化分布圖，如圖1所示，做出不同道路等級的交通量的變化趨勢圖，如圖2所示。

由各道路等級交通噪聲的變化可知，2006～2009年，次干路的等效聲級高于主干路與支路；2009年之后，主干路的噪聲等級聲級高于次干路與支路，次干路的等效聲級趨于穩(wěn)定，上下變化幅度較小，幾乎不怎么發(fā)生變化。10年間，主干路等效聲級10年間一直趨于較為平緩上升，增加值為5.8 dB；次干路的噪聲等效聲級由波動逐漸趨于穩(wěn)定態(tài)勢；支路交通噪聲上下波動幅度最大，很不穩(wěn)定，標(biāo)準(zhǔn)差較大，極差值為9.6 dB。

圖1 2006～2015年各道路等級的交通噪聲變化Fig.1Traffic noise change of road grade from 2006 to 2015

圖2 2006～2015年各道路等級交通量的變化Fig.2Change of road traffic volume from 2006 to 2015

通過不同道路等級交通量的變化可知，“十一五”規(guī)劃期間，2006～2008年，主干路與次干路的交通量呈現(xiàn)快速增加的趨勢，據(jù)大量研究調(diào)查，主干路的增加趨勢更為明顯，平均增長率為63.3%。2008～2010年，主干路交通量有所下降；2009～2010年，次干路交通量有大幅度下降，減少值為30.2%；支路交通量的變化趨勢最為平緩，5年來很穩(wěn)定?！笆濉币?guī)劃期間，主干路的交通量趨于穩(wěn)定快速增加，5年內(nèi)交通量由2011的2 550 pcu·h-1增長到2015年的3 891 pcu·h-1；次干路的交通量的增長變化較為隨機，時快時慢，不穩(wěn)定，增加值為1 476 pcu·h-1；支路的交通量較“十一五”期間有所增加，但增加值較少，在2011～2015年，交通量也趨于穩(wěn)定態(tài)勢。

結(jié)合不同道路等級噪聲等效聲級與交通量的變化可知，10年間，主干路噪聲等效聲級與交通量的變化較為一致，等效聲級隨著車流量的增加也有所平緩的增加。次干路的噪聲值由波動趨于穩(wěn)定，次干路的交通量則處于隨機波動的趨勢，增長變化不穩(wěn)定；支路的交通噪聲最不穩(wěn)定，上下波動很大，支路的交通量的變化較為平緩，10年間交通量的增加值約為400 pcu·h-1，主要是因為支路的交通流比較復(fù)雜，多以非機動車為主，在進(jìn)行實際監(jiān)測過程中，無法排除社會區(qū)域與環(huán)境噪聲。

2 道路交通噪聲的評價

2.1 評價指標(biāo)

在進(jìn)行噪聲的評價時，必須結(jié)合噪聲的特點與對人的直接影響。交通噪聲具有不確定、不穩(wěn)定性、區(qū)域性與感覺性的特點，交通流狀態(tài)與車輛行駛狀態(tài)對道路交通噪聲具有直接的影響。根據(jù)道路交通噪聲的特點與所產(chǎn)生的影響，具有不同的評價指標(biāo)。城市道路交通噪聲評價指標(biāo)主要有：等效聲級、累積百分聲級、噪聲污染級、噪聲污染指數(shù)、交通噪聲指數(shù)等。采用噪聲污染級、交通噪聲指數(shù)、交通噪聲指數(shù)進(jìn)行評價。

噪聲污染級是在等效聲級的基礎(chǔ)上，用于評價噪聲道路交通噪聲污染的起伏變化。

式中：σ為統(tǒng)計標(biāo)準(zhǔn)誤差；Li為第i個聲級值；為所測所有聲級的算術(shù)平均值；n為取樣總數(shù)。

噪聲污染指數(shù)以道路干線兩側(cè)適用區(qū)域的國家標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，以等效聲級為基礎(chǔ)，描述道路噪聲本身的能量水平和達(dá)標(biāo)狀況，比等效聲級更能反映噪聲的達(dá)標(biāo)情況，具體算式為：

其中，Leq為噪聲等效聲級，Lb為國家標(biāo)準(zhǔn)的極限值，取70 dB。

交通噪聲指數(shù)是以累積百分聲級為依據(jù)，反映噪聲的起伏波動狀況，具體計算公式：

交通噪聲指數(shù)可以較好地反映交通噪聲起伏狀況，L10與L90的差值越大，噪聲波動起伏越大，TNI的數(shù)值越大；L90噪聲的本底值，本底值越大，對人的影響越嚴(yán)重，TNI能夠較好的反映公眾主觀感受，其值低于74 dB比較合適。

2.2 具體評價

通過對不同道路等級的交通噪聲進(jìn)行分析歸納，運用噪聲污染級、噪聲污染指數(shù)與交通噪聲指數(shù)等評價指標(biāo)對各道路等級進(jìn)行評價分析。

10年間，主干路的平均等效聲級為67.9 dB，等效聲級在逐年增加，2015年等效聲級最大為70.8 dB；超過國家對于道路交通噪聲的4a標(biāo)準(zhǔn)（GB3096-2008）。平均噪聲污染級為78.1 dB，最大噪聲污染級81.3 dB；噪聲污染指數(shù)的平均值為0.97，噪聲污染指數(shù)與等效聲級呈正比例關(guān)系，等效聲級越大，噪聲污染指數(shù)越高；平均交通噪聲指數(shù)為78.6 dB。

次干路的平均等效聲級為67.8 dB，10年間平均等效聲級未超過國家標(biāo)準(zhǔn)；平均噪聲污染級為77.5 dB；平均噪聲污染指數(shù)0.97，與主干路的噪聲污染等級相同，屬于較好水平；平均交通噪聲指數(shù)為70.5 dB。

支路的平均等效聲級為65.9 dB，均低于主干路與次干路的等級聲級；平均噪聲污染級為81.0 dB，噪聲污染指數(shù)為0.94，交通噪聲平均污染指數(shù)85.9 dB。

通過三種不同道路等級的交通噪聲的分析，發(fā)現(xiàn)支路噪聲的平均等效聲級較低，噪聲污染指數(shù)也整體較低，均低于其他兩種道路等級的水平。主干路與次干路噪聲的平均等效聲級很接近，且均屬于較好水平。主干路與次干路的噪聲污染級與噪聲污染指數(shù)也較為接近，但是主干路的交通噪聲指數(shù)要高于次干路，說明次干路的交通噪聲起伏波動較小，比主干路的交通噪聲更為穩(wěn)定。支路的交通噪聲指數(shù)要遠(yuǎn)高于主干路與次干路，進(jìn)一步說明支路的交通噪聲最不穩(wěn)定，上下波動幅度很大，突發(fā)短暫性噪聲較多，且支路叫靠近住宅區(qū)，更易對人產(chǎn)生影響。

3 預(yù)測模型

基于道路交通噪聲影響因素的復(fù)雜性與多樣性，以及現(xiàn)有數(shù)據(jù)的有限性，采用灰色預(yù)測模型分別對主干路與次干路交通噪聲進(jìn)行預(yù)測分析，支路交通噪聲分布相對離散，上下波動幅度較大，很多影響因素不可控制，無法建立相關(guān)預(yù)測模型。

灰色系統(tǒng)理論[10-14]是上世紀(jì)80年代鄧聚龍教授提出并創(chuàng)立的學(xué)科，是基于數(shù)學(xué)理論的系統(tǒng)工程學(xué)科?；疑到y(tǒng)理論的主要內(nèi)容包括：灰色關(guān)聯(lián)度分析、灰色建模、灰色預(yù)測、灰色決策及控制。GM（1，1）建模的基本思想是用原始數(shù)據(jù)組成原始序列（0），經(jīng)累加生成法生成序列（1），它可以弱化原始數(shù)據(jù)的隨機性，使其呈現(xiàn)出較為明顯的特征規(guī)律，對生成的序列（1）建立微分方程型的模型。GM（1，1）模型建立過程：

設(shè)莆田市2006～2015年交通噪聲的數(shù)據(jù)建立原始數(shù)列：

對X(0)作一次累加生成得到1-AGO序列得到X(1)：

對序列X(1)經(jīng)過擬合建立微分方程：

式中a，u為待辨識參數(shù)。

利用最小二乘法原理對參數(shù)求解，

代入白化微分方程的時間響應(yīng)函數(shù)：

運用MATLAB軟件進(jìn)行計算：

主干路的GM（1，1）預(yù)測模型為：

次干路的預(yù)測模型為：

主干路與次干路模型的方差比分別為c=0.079 9、0.003 5，兩者小概率誤差p均為1。根據(jù)灰色預(yù)測模型精確度檢驗表1，說明該兩種模型的等級為一級，模型擬合度好，精確度較高，可以用來預(yù)測主干路的交通噪聲。

表1 精度檢驗等級參照Table 1Accuracy inspection level reference

通過模型預(yù)測值與實際值進(jìn)行對比分析，主干路灰色GM（1，1）模型的平均誤差為0.34 dB，平均相對誤差為0.468%；次干路灰色GM（1，1）模型平均誤差為0.21 dB，平均相對誤差為0.353%；進(jìn)一步說明主干路與次干路的交通噪聲灰色GM（1，1）預(yù)測精度較高，對于預(yù)測短期道路交通噪聲比較可靠，且次干路模型的預(yù)測精度略高于主干路。

灰色預(yù)測模型的優(yōu)勢在于短期預(yù)測精度較高，所需信息較少，為了了解“十三五”規(guī)劃期間莆田市道路交通噪聲的狀況，運用灰色預(yù)測所得到模型對莆田市“十三五”規(guī)劃期間主干路與次干路的道路交通噪聲進(jìn)行預(yù)測分析，具體分析結(jié)果見下表2、3。

表2 2016～2020年莆田市主干路等效聲級預(yù)測值Table 2The forecast equivalent sound level of main road in Putian from 2016 to 2020

表3 2016～2020年莆田市次干路等效聲級預(yù)測值Table 3The forecast equivalent sound level of Secondary road in Putian from 2016 to 2020

通過預(yù)測可以發(fā)現(xiàn)，主干路的交通噪聲在2016～2020年間均略超于國家道路交通噪聲的極限值，且在逐年升高，朝著劣勢的方向發(fā)展。次干路交通噪聲在逐漸向好的方向發(fā)展，等效聲級值在逐年緩緩下降，且較為穩(wěn)定，交通噪聲狀況較為樂觀。

4 結(jié)論與討論

（1）據(jù)莆田市近10年道路交通噪聲的監(jiān)測數(shù)據(jù)，按照主干路、次干路與支路進(jìn)行歸納分析，主干路噪聲等效聲級趨于緩慢上升，次干路噪聲等效聲級趨于穩(wěn)定態(tài)勢，支路的噪聲等效聲級趨于上下波動的變化。對三種道路等級的交通噪聲進(jìn)行評價，得到支路的交通噪聲指數(shù)較高，波動幅度較大，存在很多不可控的影響因素，次干路的交通噪聲的各項指標(biāo)都比較樂觀，主干路的交通噪聲有超標(biāo)的趨勢，需引起重視。

（2）運用灰色預(yù)測理論對主干路與次干路的交通噪聲建立預(yù)測模型，兩種模型預(yù)測精度與擬合度都比較好，可以達(dá)到預(yù)測要求。借助預(yù)測模型對“十三五”規(guī)劃期間莆田市主干路與次干路進(jìn)行預(yù)測，主干路的交通噪聲略超過國家標(biāo)準(zhǔn)，次干路的交通噪聲較為穩(wěn)定，正向更好的趨勢發(fā)展。支路交通噪聲預(yù)測模型有待進(jìn)一步探索。

（3）道路交通噪聲的監(jiān)測正朝著自動監(jiān)測的趨勢發(fā)展，已有部分城市安裝道路交通噪聲監(jiān)測系統(tǒng)，提高了監(jiān)測的效率與精度；道路交通噪聲的預(yù)測評價也將與地理信息系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)相結(jié)合，實現(xiàn)評價預(yù)測的精確化與可視化。

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Traffic Noise Analysis and Evaluation of Different Road Grades in Putian

Shi Benjie1，Hu Xisheng1，Qiu Rongzu1，Liu Kaiguo2
（1.School of Transportation and Civil Engineering.Fujian Agriculture and Forestry University，F(xiàn)uzhou 350002；2.Environmental Monitoring Center Station）

Based on data of different road grades of traffic noise in Putian，the change trend of road traffic noise and traffic volume were studied with three different road grades．Then the road traffic noise was evaluated by evaluation index.The grey prediction theory was used to establish prediction model，and the traffic noise was predicted in the next 5 years．

traffic noise；road grade；evaluation；grey prediction

U491.91；TB53

A

1002-2090（2017）03-0117-05

10.3969/j.issn.1002-2090.2017.03.026

2016-12-06

福建省自然科學(xué)基金項目（2015J01606）；福建省科技廳重點項目資助（2014H0010）。

史本杰（1991-），男，福建農(nóng)林大學(xué)交通與土木工程學(xué)院2015級碩士研究生。

邱榮祖，男，教授，E-mail：875693642@qq.com；劉開國，男，高級工程師，E-mail：13706076037@163.com。