高校校園聲環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

田曉東

摘? 要：針對高校校園聲環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測與評價治理問題，采用模塊化設(shè)計思路和大數(shù)據(jù)分析方法，設(shè)計實現(xiàn)高校校園環(huán)境噪聲監(jiān)測與分析系統(tǒng)，通過人機交互方式設(shè)定監(jiān)測參數(shù)，以及監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時處理，為高校校園聲環(huán)境監(jiān)測和改善提供必要的依據(jù)和支撐。

關(guān)鍵詞：聲環(huán)境；監(jiān)測；校園；噪聲監(jiān)測；數(shù)據(jù)采集

中圖分類號：TP274? ? ? 文獻標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2024）19-0027-04

Abstract： Aiming at the problem of monitoring and evaluation of college campus acoustic environment quality， using modular design idea and big data analysis method， the university campus environmental noise monitoring and analysis system is designed and realized， and the monitoring parameters are set by human-computer interaction. And the real-time processing of monitoring data provides the necessary basis and support for the monitoring and improvement of campus acoustic environment.

Keywords： acoustic environment; monitoring; campus; noise monitoring; data acquisition

噪聲是一類引起人煩躁或音量過強而危害人體健康的聲音。噪聲污染不僅擾亂人們的正常生活，還會引起人們生理和心理上的不良反應(yīng)，其現(xiàn)已成為影響城市居民身體健康和生活質(zhì)量的主要來源之一，受到社會的廣泛關(guān)注[1]。自2022年6月正式實施的《中華人民共和國噪聲污染防治法》明確指出各級政府要組織建設(shè)噪聲污染監(jiān)測治理網(wǎng)絡(luò)體系，開展噪聲污染專項監(jiān)測治理。

高校校園是學(xué)生在校內(nèi)進行學(xué)習(xí)和生活的外界環(huán)境，良好的校園環(huán)境可以促進學(xué)生的身心健康，使學(xué)生有充沛的精力從事各項活動，保障學(xué)習(xí)任務(wù)的高質(zhì)量完成。高校處在城市之中，其噪聲污染問題越來越多，對學(xué)生學(xué)習(xí)生活帶來嚴重影響。由于學(xué)生數(shù)量增加，周邊市政道路發(fā)展，社會車輛進入校園的頻次和種類也在增加，還有圍繞高校商業(yè)圈的發(fā)展迅速，使得校園內(nèi)的噪聲的影響嚴重，對師生的學(xué)習(xí)、生活、工作產(chǎn)生了不良影響[2]。近十年來國內(nèi)諸多高校相繼開展了校園部分功能區(qū)的聲環(huán)境監(jiān)測工作，但沒有對噪聲數(shù)據(jù)的有效利用等問題開展研究。本文基于數(shù)據(jù)分析和挖掘技術(shù)，充分全面提取環(huán)境噪聲檢測數(shù)據(jù)特征，在完善治理措施的同時，探討其數(shù)據(jù)信息利用方法和應(yīng)用領(lǐng)域，而且后續(xù)可將相關(guān)的理論方法推廣到社會治理、智慧城市建設(shè)等領(lǐng)域，具有重要的經(jīng)濟效益和社會效益。

1? 系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1? 法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)

世界各個國家和國際標(biāo)準(zhǔn)化組織針對噪聲的監(jiān)視、測量與評價、噪聲的排放及聲環(huán)境質(zhì)量都有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，開展本系統(tǒng)設(shè)計需嚴格按照相關(guān)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)進行，以確保數(shù)據(jù)真實可信，參照執(zhí)行的法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)主要有[3]：GB 3096—2008 《聲環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》；中華人民共和國國家環(huán)境保護標(biāo)準(zhǔn)：HJ 906—2017《功能區(qū)聲環(huán)境質(zhì)量自動監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》；中華人民共和國國家環(huán)境保護標(biāo)準(zhǔn)：HJ 907—2017《環(huán)境噪聲自動監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)要求》。

1.2? 監(jiān)測方案

為了評價不同聲環(huán)境功能區(qū)不同時段的聲環(huán)境質(zhì)量，了解功能區(qū)環(huán)境噪聲時空分布特性，根據(jù)GB 3096—2008《聲環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，采用定點測量方法對校區(qū)進行監(jiān)測。選擇在無雨無雪的天氣條件下進行測量，風(fēng)速在5 m/s以下，測量中監(jiān)測點與任一建筑物的距離不小于3.5 m，距地面的垂直距離不小于1.2 m。測量過程中，應(yīng)手持聲級計，聲級計距離身體不小于0.5 m，并盡量遠離能反射聲音的建筑物[4]。

1.3? 監(jiān)測點位選擇

綜合考慮功能分區(qū)、范圍大小、附近路網(wǎng)情況等，在校園園區(qū)內(nèi)選取監(jiān)測點8個，覆蓋主要功能分區(qū)和噪聲分布特征明顯的區(qū)域，如教學(xué)區(qū)、運動場、食堂、圖書館、南北區(qū)之間的道路橋洞等部位，如圖1所示。經(jīng)實地勘察，初步選定北區(qū)圖書館南側(cè)、西區(qū)學(xué)前教育學(xué)院辦公樓前區(qū)域、西區(qū)宿舍樓區(qū)域、南區(qū)宿舍區(qū)北側(cè)過街橋洞南口附近區(qū)域、南區(qū)知新樓和職校中間南側(cè)區(qū)域、南區(qū)護理學(xué)院實驗樓和籃球場之間區(qū)域、北區(qū)體育館北側(cè)和南區(qū)學(xué)生食堂前8個點位。各噪聲點監(jiān)測區(qū)域位置分布和噪聲源特性分析見表1。

1.4? 監(jiān)測時間點選擇

根據(jù)GB 3096-2008《聲環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中的規(guī)定，晝間是指06∶00—22∶00之間的時段，夜間是指22∶00—次日06∶00之間的時段。鑒于此并結(jié)合實際情況，本次的噪聲測量在時間點的設(shè)置上，為了全面測量校園環(huán)境噪聲水平，考慮到學(xué)校的正常上課狀況和測量結(jié)果的全面性，設(shè)定檢測周期為4周，每周一、周三、周六，上午（08∶30—11∶30）、下午（15∶30—17∶30）、晚上（22∶00—23∶00）等時間段開展噪聲實地測量。統(tǒng)籌兼顧了學(xué)生上午上課時間、傍晚體育活動和晚上休息時間，連續(xù)開展4周。監(jiān)測日期上區(qū)分夏季和冬季，分別在6月份和12月份各開展一個監(jiān)測周期。

1.5? 數(shù)據(jù)采集

在監(jiān)測開始前做好標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備的校準(zhǔn)工作，每隔5 s進行一次采樣，連續(xù)100次，計算連續(xù)等效聲壓級作為當(dāng)前監(jiān)測點的環(huán)境噪聲指標(biāo)數(shù)據(jù)。在系統(tǒng)自動進行數(shù)據(jù)采集的同時，采取人工方式對監(jiān)測點周圍的聲學(xué)環(huán)境進行定性分析并記錄。

2? 監(jiān)測系統(tǒng)功能組成

校園環(huán)境噪聲監(jiān)測系統(tǒng)的主要功能是實現(xiàn)校園環(huán)境噪聲的信號采集、記錄保存、遠程傳輸、分析處理、報警提示和查詢利用等，系統(tǒng)功能框圖如圖2所示。該監(jiān)測系統(tǒng)主要包括監(jiān)測點模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、監(jiān)控中心模塊，其中監(jiān)測點模塊主要包括信號采集前端單元、接口單元、數(shù)據(jù)分析單元、數(shù)據(jù)存儲單元與監(jiān)測參數(shù)設(shè)置單元等；數(shù)據(jù)傳輸模塊主要包括數(shù)據(jù)發(fā)送單元、數(shù)據(jù)接收單元等；監(jiān)控中心模塊主要包括監(jiān)控平臺、信息檢索查詢、信息綜合分析、可視化顯示、綜合指令發(fā)布等單元，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

3? 數(shù)據(jù)處理方法

3.1? 等效連續(xù)A聲級法

噪聲是無規(guī)律的、起伏不定的，即非穩(wěn)態(tài)的，所以采用等效連續(xù)A聲級法用于非穩(wěn)態(tài)噪聲的評價，其定義為某時間段內(nèi)的非穩(wěn)態(tài)噪聲的瞬時A聲級。用能量平均的方法，以一個連續(xù)不變的A聲級來表示該時間段內(nèi)噪聲的聲級，將所測得的100個數(shù)據(jù)從大到小排列，第10%個數(shù)據(jù)、第50%個數(shù)據(jù)、第90%個數(shù)據(jù)作為計算數(shù)據(jù)進行計算[5-6]。

等效連續(xù)A聲級Leq采用如下公式

Leq=L50+d2/60，d=L10-L90。

3.2? 噪聲污染指數(shù)法

為了準(zhǔn)確描述校園總體聲環(huán)境質(zhì)量水平，本研究采用噪聲污染指數(shù)法，全面系統(tǒng)反映校園總體環(huán)境噪聲，其噪聲污染指數(shù)計算公式為

根據(jù)《聲環(huán)境質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)范》等標(biāo)準(zhǔn)，利用噪聲污染指數(shù)進行環(huán)境噪聲污染等級劃分，見表2。

4? 數(shù)據(jù)分析

依據(jù)GB 3096—2008《聲環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定的聲環(huán)境功能區(qū)監(jiān)測方法，采用定點測量方法對校區(qū)8個監(jiān)測點進行環(huán)境噪聲監(jiān)測，并利用記錄下的噪聲數(shù)據(jù)及相關(guān)信息進行了系統(tǒng)分析。

監(jiān)測點模塊監(jiān)測軟件操作界面如圖4所示，部分監(jiān)測數(shù)據(jù)見表3和表4。

校園聲環(huán)境質(zhì)量特點分析。

第一，從總體上看（以6月份為例），校園整體環(huán)境處于可控水平，在部分時段和部分監(jiān)測點位存在噪聲超標(biāo)情況。

監(jiān)測點1位于生活區(qū)，其主要噪聲源來源于城市主干道大型車輛和來往學(xué)生的交談、校內(nèi)車輛等，上午和下午的噪聲水平相當(dāng)，處于標(biāo)準(zhǔn)閾值附近，晚上噪聲聲壓級處于標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。

監(jiān)測點2位于文教區(qū)，其主要噪聲源來自于城市主干道大型車輛、上下課的學(xué)生行進和交談等，其噪聲水平與監(jiān)測點1大致相當(dāng)，略高一點。

監(jiān)測點3位于文教區(qū)，其主要噪聲源來自于城市主干道大型車輛和來往學(xué)生的交談、校內(nèi)車輛以及鳥鳴聲等，全天噪聲值處于超標(biāo)狀態(tài)。

監(jiān)測點4位于生活區(qū)，且處于南北區(qū)的交通關(guān)鍵節(jié)點上，其主要噪聲源來自于城市主干道大型車輛、來往學(xué)生的行進交流、南北區(qū)間過往車輛等，噪聲水平處于各監(jiān)測點的最大值（晚上除外），主要原因是上午和下午來往學(xué)生較多、距離城市主干道距離較近，且缺少樹木、聲屏障等遮擋等，晚上過往車輛和行人明顯減少，噪聲水平下降明顯。

監(jiān)測點5位于文教區(qū)，其主要噪聲源來自于校外道路車輛行駛和鳴笛、校外附近市場以及學(xué)生交談等。由于靈海路車輛車速相對較慢，且監(jiān)測時間該處學(xué)生相對較少，噪聲水平處于標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，晚上受校外車輛以及校園東側(cè)區(qū)域施工等因素的影響噪聲略有超標(biāo)。

監(jiān)測點6位于文教活動區(qū)，主要噪聲源來自于學(xué)生運動場活動、校園東側(cè)區(qū)域施工等，白天噪聲均超標(biāo)，晚上學(xué)生活動減少，噪聲水平明顯下降。

監(jiān)測點7位于活動區(qū)，主要噪聲源來自于城市主干道大型車輛、鳥鳴等，噪聲水平在白天受過往車輛的影響時有超標(biāo)，優(yōu)點在于綠化帶相對較寬，不足在于距離山體較近樹木較多，鳥鳴聲較明顯。

監(jiān)測點8位于生活區(qū)，主要噪聲源來自于食堂設(shè)備、校內(nèi)外通行車輛以及過往學(xué)生行進交談等，此處白天行人、車輛不斷，聲環(huán)境較為嘈雜，但晚上聲環(huán)境較好，晝夜間噪聲水平相差較大。

第二，從月份上看，6月份校園環(huán)境噪聲均值為55.885 dB（上午）、56.43 dB（下午）、45.92（晚上），均處于超標(biāo)水平，超標(biāo)率分別為1.6%、2.59%和2.04%，超標(biāo)程度相對較弱。12月份校園環(huán)境噪聲均值為55.06 dB（上午）、56.32 dB（下午）、43.85 dB（晚上），較6月份均有下降，晚上噪聲水平處于達標(biāo)狀態(tài)。這主要是冬季校園文化相對較少，學(xué)生室外活動頻次減少，由于天氣寒冷等原因夜間外出活動減少幅度更為明顯。

第三，從監(jiān)測點位置上看，靠近城市主干道和學(xué)生活動密集的地方環(huán)境噪聲水平較差，其中以監(jiān)測點4最有代表性，該監(jiān)測點緊靠城市主干道，來往大型車輛較多；處于南區(qū)和北區(qū)西區(qū)的通行節(jié)點，學(xué)生上課和業(yè)余活動通過頻次和人次均較高；該處綠化帶設(shè)置不足，寬度和密度均有待提高。

5? 結(jié)束語

在對高校校園聲環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)進行全面、準(zhǔn)確的需求分析的基礎(chǔ)上，文中采取定點觀測方式對校園聲環(huán)境進行了監(jiān)測，設(shè)計開發(fā)數(shù)據(jù)處理分析模塊，實現(xiàn)友好的人機交互和數(shù)據(jù)的實時處理，并可根據(jù)實際情況進行聲光報警。隨著工作的進一步開展，監(jiān)測數(shù)據(jù)愈加完善，可考慮引入深度學(xué)習(xí)等算法實現(xiàn)噪聲分類和預(yù)測等，同時還可對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行更深入分析，提出改進措施和建議。

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