基于指數(shù)平滑法的噪聲污染預測及應用

楊雨桐，張利，楊玖

（1.四川省攀枝花生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心站，四川 攀枝花 617000；2.攀枝花市仁和生態(tài)環(huán)境監(jiān)測站，四川 攀枝花 617000）

引言

近年來，隨著城市建設、社會經(jīng)濟、工業(yè)和交通運輸業(yè)等迅速發(fā)展，噪聲污染源越來越廣泛，呈現(xiàn)出復合和交叉的特點，使得噪聲污染受到的影響因素逐漸增加。四川省攀枝花市是一座資源型城市，城市圍繞“釩鈦磁鐵礦”開發(fā)，形成先生產(chǎn)后建設的布局，攀枝花市也是一座山城，金沙江雅礱江穿城而過，工業(yè)用地面積小，工業(yè)生產(chǎn)中各種機械設備、車輛運輸?shù)犬a(chǎn)生聲源點多。雖然許多企業(yè)都采取了噪聲防治措施，但是受城市空間布局影響，工礦區(qū)與居住區(qū)犬牙交錯，沒有足夠距離來衰減噪聲，如攀鋼生產(chǎn)區(qū)、釩鈦高新技術產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)和高粱坪工業(yè)園區(qū)等工業(yè)集中區(qū)噪聲較大，城市各類噪聲源數(shù)量和強度也隨之增加。攀枝花市屬于典型的山地城市，城市依山沿江而建，拓展空間較小，根據(jù)《攀枝花市年鑒》數(shù)據(jù)統(tǒng)計，攀枝花市機動車總量每年以約8.8%的速度增長，各種交通工具產(chǎn)生的噪聲在狹小空間內(nèi)容易累積疊加，導致道路交通聲環(huán)境不理想。同時，隨著經(jīng)濟的快速增長和城市化進程加快，社會活動愈加頻繁，人口流動不斷加強，人群活動引起的生活噪聲已經(jīng)成為城市噪聲的主要來源。

環(huán)境噪聲污染對人們的身體健康、生活休息及工作環(huán)境影響很大，已成為重要的環(huán)境問題之一。城市區(qū)域聲環(huán)境和道路交通聲環(huán)境是城市聲環(huán)境監(jiān)測的重要組成部分，也是城市聲環(huán)境質(zhì)量評價的重要組成部分，若能較為精確地預測城市區(qū)域聲環(huán)境和道路交通聲環(huán)境質(zhì)量水平，不僅有利于噪聲污染防治工作的開展，也有利于對其他發(fā)展進行規(guī)劃。根據(jù)文獻搜索，先后有學者開展了城市聲環(huán)境質(zhì)量污染模式及預測等方面的研究，但研究相對較少。謝正文等[1]應用指數(shù)平滑法建立了預測城市環(huán)境噪聲污染的數(shù)學模型，研究結(jié)果顯示指數(shù)平滑法的應用效果與平滑系數(shù)的選取關系密切，應用時需根據(jù)指數(shù)平滑法建立的物理意義正確地分析和選取平滑系數(shù)；韓芹芹等[2][3]以新疆維吾爾自治區(qū)烏魯木齊市作為研究對象，運用動態(tài)和靜態(tài)的三次指數(shù)平滑法對研究區(qū)域的噪聲污染水平進行預測，預測結(jié)果顯示該方法適合進行中期的聲環(huán)境質(zhì)量水平預測。李建華等[4]根據(jù)福建省廈門市環(huán)境噪聲的實際情況進行了分析，同時結(jié)合指數(shù)平滑預測模型，提出符合廈門市當前環(huán)境噪聲的三次指數(shù)平滑模型，預測結(jié)果滿足廈門市未來中期環(huán)境噪聲需求。

本文選取2011～2022 年攀枝花市城市區(qū)域聲環(huán)境（晝間）和道路交通聲環(huán)境（晝間）監(jiān)測數(shù)據(jù)，對攀枝花市聲環(huán)境質(zhì)量總體水平進行評價，同時建立和選取適合攀枝花市的指數(shù)平滑預測模型，以期為今后攀枝花市城市聲環(huán)境污染防治工作提供數(shù)據(jù)支撐和參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 監(jiān)測點位布設

1.1.1 城市區(qū)域聲環(huán)境

“十二五”和“十三五”期間，根據(jù)《聲環(huán)境質(zhì)量常規(guī)監(jiān)測暫行技術規(guī)定》（總站物字〔2010〕241 號）、《環(huán)境噪聲監(jiān)測技術規(guī)范城市聲環(huán)境常規(guī)監(jiān)測》（HJ 640-2012）、《聲環(huán)境質(zhì)量標準》（GB 3096-2008）有關規(guī)定，同時結(jié)合攀枝花市城市區(qū)域結(jié)構(gòu)的特殊性，在普查測點布設中，將攀枝花市60 余個居民點（片）按統(tǒng)一的城市區(qū)域處理，而當零散居民點的面積夠一個網(wǎng)格時，也納入監(jiān)測。整個攀枝花市城市區(qū)域環(huán)境噪聲標準適用區(qū)域按350m×350m 劃分成207 個網(wǎng)格，共25.4km2。2021 年以來，共設置155 個監(jiān)測點，監(jiān)測面積65.5km2。

1.1.2 城市道路交通聲環(huán)境

“十二五”和“十三五”期間，攀枝花市路段總長度為143.9km，路段數(shù)為45 個，共計45 個監(jiān)測點。2021 年以來，路段總長度為167.4km，路段數(shù)為52 個，共計52 個監(jiān)測點。

1.2 監(jiān)測方法

1.2.1 城市區(qū)域聲環(huán)境

1a 監(jiān)測1 次，城市區(qū)域聲環(huán)境測量每個測點的10min 等效聲級Leq。

1.2.2 城市道路交通聲環(huán)境

1a 監(jiān)測1 次，城市道路交通聲環(huán)境測量每個測點的20min 等效聲級Leq。

1.3 評價標準與方法

1.3.1 評價標準

《聲環(huán)境質(zhì)量標準》（GB 3096-2008）。

1.3.2 評價方法

根據(jù)《環(huán)境噪聲監(jiān)測技術規(guī)范-城市聲環(huán)境常規(guī)監(jiān)測》（HJ 640-2012），對攀枝花市城市區(qū)域聲環(huán)境與道路交通聲環(huán)境評價等級進行劃分，詳見表1。

表1 城市區(qū)域聲環(huán)境和道路交通聲環(huán)境評價等級劃分（單位：dB）

1.4 預測模型

1.4.1 模型解釋

指數(shù)平滑法是一種時間序列預測的方法，是按照時間順序排列的數(shù)據(jù)集合，其原理是任一期的指數(shù)平滑值都是本期實際觀察值與前一期指數(shù)平滑值的加權(quán)平均，是對過去值和當前值進行加權(quán)平均及對當前的全數(shù)進行調(diào)整來抵消統(tǒng)計數(shù)值的隨機影響，從而得到平滑的時間序列。一次平滑指數(shù)是對歷史數(shù)據(jù)的加權(quán)預測；二次平滑指數(shù)適用于具有一定線性趨勢的數(shù)據(jù)；三次平滑指數(shù)在具有一定的曲線關系時使用[2]。

指數(shù)平滑法的基本計算公式為式（1）。

式中St—第t周期的指數(shù)平滑值；St-1—第t-1周期的指數(shù)平滑值；Xt—第t周期的實際測定值；α—平滑系數(shù)（取值范圍0 ≤α ≤1）；t—數(shù)據(jù)周期數(shù)（t=1,2,3,......）。

一次、二次和三次指數(shù)平滑值的計算公式分別為式（2）、式（3）和式（4）。

式中St（1）—一次指數(shù)平滑值；St（2）—二次指數(shù)平滑值；St（3）—三次指數(shù)平滑值。

一次平滑指數(shù)考慮數(shù)據(jù)序列順序的權(quán)重，越近的數(shù)據(jù)權(quán)重越大；二次平滑指數(shù)考慮趨勢性；三次平滑指數(shù)在二次平滑指數(shù)基礎上考慮二次趨勢性，從而找出預測的基本變化[2]。

1.4.2 初始估計值和預測精度

當數(shù)據(jù)序列介于10～20 個之間，初始估計值是平滑的最初起點，研究采用前2 期實測值的算術平均值作為初始估計值。平滑系數(shù)α 在于數(shù)據(jù)的權(quán)重，α 值越大意味著當期數(shù)據(jù)所占的權(quán)重越高而上期平滑值所占權(quán)重越低，與預測的精度關系密切。平滑系數(shù)α值一般介于0～1 之間，若數(shù)據(jù)波動大，則選擇較大的范圍（0.6～0.8）；當數(shù)據(jù)波動較小時，則應選擇較小的范圍（0.1～0.5）。在實際研究過程中，一般先選取幾個α 試算，根據(jù)不同平滑類型均方根誤差值（RMSE）來確定α值，RMSE 值越小表示擬合效果越佳。

通過秩相關系數(shù)結(jié)果分析，攀枝花市城市區(qū)域聲環(huán)境和道路交通聲環(huán)境呈顯著的變化趨勢，波動較大，因此α 值選擇較大的范圍值（0.5～1 之間），平滑系數(shù)α 選擇0.5、0.6、0.7、0.8、0.9 和0.95 共6 個取值進行分析測算，再根據(jù)RMSE 的最小值選擇最佳α取值。RMSE 按式（5）計算，選取前2 期數(shù)據(jù)算術平均值作為初始值。

式中Xt—實測值；Yt—預測值。

2 結(jié)果與討論

2.1 評價結(jié)果分析

“十二五”以來，攀枝花市城市區(qū)域聲環(huán)境總體水平在50.7～57.4dB（A），除了2011～2013 年，其他年份均屬于二級（較好）；道路交通聲環(huán)境總體水平在67.5～71.7dB（A）之間波動（一級至三級），2021 年道路交通聲環(huán)境屬于三級（一般），2013～2016 年道路交通聲環(huán)境屬于二級（較好），其他年份均為一級（好），詳見表2。同時，通過趨勢分析，道路交通聲環(huán)境質(zhì)量呈顯著上升趨勢（γs=0.768），區(qū)域聲環(huán)境質(zhì)量呈顯著下降趨勢（γs=-0.721）。

表2 2011～2022 年區(qū)域和道路交通聲環(huán)境質(zhì)量評價結(jié)果（單位：dB ）

2.2 指數(shù)平滑系數(shù)與平滑類型的選擇

研究采用2011～2022 年攀枝花市區(qū)域聲環(huán)境和道路交通聲環(huán)境晝間監(jiān)測數(shù)據(jù)作為時間序列，根據(jù)Excel 分析，城市區(qū)域聲環(huán)境質(zhì)量和道路交通聲環(huán)境質(zhì)量與時間呈非線性關系。不同平滑系數(shù)α 值及RMSE 計算結(jié)果見表3，交通道路聲環(huán)境平滑系數(shù)α 值0.6，平滑類型為一次平滑時，RMSE 值最低，表明預測效果最佳；城市區(qū)域聲環(huán)境平滑系數(shù)α 值為0.8，平滑類型為一次平滑時，RMSE 最低，表明預測效果最佳。

2.3 指數(shù)平滑預測結(jié)果驗證分析

根據(jù)表3 的結(jié)果，將平滑系數(shù)α 值帶入相應的平滑類型預測公式中，得到2011～2022 年預測結(jié)果如表4 所示。從誤差值來看，道路交通聲環(huán)境和城市區(qū)域聲環(huán)境平均絕對誤差值分別在0.689 和1.08，預測效果相對較好。根據(jù)一次平滑預測模型特點，預測2023 年道路交通聲環(huán)境和城市區(qū)域聲環(huán)境分別為69.96 dB（A）和52.53dB（A），與實際測定值基本一致，可以看出道路交通聲環(huán)境質(zhì)量水平總體保持在70dB（A）以內(nèi)，屬于二級（較好）；城市區(qū)域聲環(huán)境質(zhì)量水平保持在55dB（A）以下，屬于二級（較好）。

表4 2011～2022 年交通道路和城市區(qū)域聲環(huán)境污染預測值及絕對誤差（單位：dB ）

3 討論

“十二五”以來，攀枝花市生態(tài)環(huán)境部門聯(lián)合公安、交通、住建、城管等相關部門對建筑施工、工業(yè)生產(chǎn)、社會生活和交通運輸4 個方面的噪聲問題進行全面整治，堅持從源頭防治噪聲污染，消除或減少噪聲擾民，使噪聲污染得到有效控制、噪聲擾民問題得到明顯緩解、城市聲環(huán)境質(zhì)量得到改善。

從監(jiān)測結(jié)果分析，2014 年以來，攀枝花市區(qū)域聲環(huán)境質(zhì)量（晝間）均為二級（較好），呈顯著下降趨勢；道路交通聲環(huán)境質(zhì)量（晝間）呈顯著上升趨勢，且在2021 年達到最大值71.7dB（A），屬于三級（一般）。根據(jù)指數(shù)平滑預測分析，道路交通聲環(huán)境質(zhì)量（晝間）預測模型為一次平滑模型，初始值為前三期均值，平滑系數(shù)α 值為0.6，預測結(jié)果較好；城市區(qū)域聲環(huán)境質(zhì)量（晝間）預測模型為一次平滑模型，初始值為前三期均值，平滑系數(shù)α值為0.8，預測結(jié)果較好。從預測結(jié)果分析，預測2023 年，道路交通聲環(huán)境質(zhì)量為二級（較好），城市區(qū)域聲環(huán)境質(zhì)量為二級（較好），實際監(jiān)測結(jié)果顯示，道路交通聲環(huán)境質(zhì)量（晝間）值為69.6dB（A），城市區(qū)域聲環(huán)境質(zhì)量值為52.7dB（A），均為二級（較好），預測結(jié)果與攀枝花市實際測定值基本一致，預測效果比較可靠，適用于短期聲環(huán)境質(zhì)量預測，可為相關管理部門做好噪聲污染防治工作提供數(shù)據(jù)支撐和一定的參考。

此外，在實際工作中，還要結(jié)合攀枝花市具體情況，如機動車的增加、城市規(guī)劃建設、人群活動、工業(yè)設備設施運行等，通過強化部門協(xié)作，聯(lián)合治理噪聲，科學引領，精準治理噪聲，加強宣傳引導，發(fā)揮基層組織的積極作用等措施開展噪聲污染防治工作。

結(jié)論

噪聲產(chǎn)生的影響因素較多，不可預見性較大，隨機性較強，不可控因素較多，任何一種預測模型都會存在一定的不足和缺陷。指數(shù)平滑預測模型只適用于數(shù)據(jù)中短期，不適合長期預測；同時，對于評價方法的宏觀影響方面，研究基于攀枝花市聲環(huán)境總體水平基礎上的預測，僅對歷史數(shù)據(jù)賦予不同的權(quán)重（較新的數(shù)據(jù)具有更高權(quán)重），暫未考慮其他影響因素（噪聲污染治理效果、工業(yè)影響、道路交通影響及社會人群活動）。在今后的研究工作中，可根據(jù)不同類型聲環(huán)境的影響特點（如城市區(qū)域聲環(huán)境變化存在著方向異性特點，受網(wǎng)格所在功能區(qū)以及各類不同聲源的影響；道路交通聲環(huán)境受路段起止、長寬度、車道數(shù)、道路等級、覆蓋人口、工業(yè)運行期間大型車輛數(shù)量及流量等因素的影響）和治理管理水平等因素進行綜合考慮和分析，并根據(jù)各個因素的影響程度計算出相應權(quán)重，進一步開展聲環(huán)境影響預測與評價工作。