（道路与铁道工程专业论文）基于模糊数学的高速铁路环境噪声评价方法研究.pdf

北方交通大学硕士学位论史 摘要 本文首先详细分析了高速铁路环境噪声声源、强度等方面区别于 普通铁路环境噪声的显著特点，仔细研究了世界各发达国家对于高速 铁路环境噪声影响的评价方法的优缺点，提出以模糊数学的广义加权 ， 距离为基础的高速铁路环境噪声影响评价的新方法。胲方法克服了现 用评价方法的缺点，充分利用了模糊数学解决模糊性问题的优势，使 得本评价方法对于高速铁路环境噪声污染的等级认定更具科学性，评 价结果清晰明显。乃 本文在评价因素与资料调查方面，通过对我国有关成果进行的仔 细研究，提出了以直接模糊统计试验的方法来处理坏境噪声评价因素 的调查统计资料。 以模糊数学的相对状态( 级别) 特征值识别方法进行噪声污染等 级评定，评价过程中充分利用实际数据所含有的各种信息，克服了常 规模糊综合多级评判使得各级隶属度比较均化的缺点，该新方法的评 价结果比较离散，可以明确地判断f j ；研究区所受噪声影响的等级程 度。解决了以往常规评价方法所不能解决的问题，为高速铁路环境噪 声影响评价工作的展丌、噪声治理重点区域的确定奠定了基础。 关键词：高速铁路、噪声影响评价、评价因素、模糊数学、 加权广义权距离 北方交通大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h i sp a p e ra n a l y z e si n d e t a i lt h ep r o p e r t i e so fn o i s eo fh i g hs p e e d r a i l w a y , s u c ha sn o i s er e s o u r c e ，d e n s t ya n do t h e r s ，w h i c ha r ed i f f e r e n t f r o mt h o s eo fc o m m o nr a i l w a y ，r e v i e w sc o m p r e h e n s i v e l yt h em e t h o d st o a s s e s st h ee n v i r o n m e n t a ln o i s ei m p a c to fh i g hs p e e dr a i l w a yu s e di n d e v e l o p e dc o u n t r i e sa n dp u tf o r w a r d san e wm e t h o dt oe v a l u a t et h e e n v i r o n m e n t a ln o i s ei m p a c to fh i g h s p e e dr a i l w a yb a s e d o ng e n e r a l w e i g h t e dl e n g t h i nf u z z y t h e p r o p o s e dm e t h o d o v e r c o m e st h e s h o r t c o m i n g so ft h em e t h o d su s e dc u r r e n t l y , t a k e sa d v a n t a g eo ft h ef u z z y w h i c hi sa p p l i c a b l ei nf u z z yp r o b l e m s ，a n dc a ng i v eac l e a ra n dm o r e s c i e n t i f i ca s s e s s m e n tr e s u l tw i t hr e g a r dt oe n v i r o n m e n t a ln o i s ep o l l u t i o n d e g r e eo fh i g hs p e e dr a i l w a y w i t hr e g a r dt ot h ee v a l u a t i o nf a c t o r sa n dd a t ac o l l e c t i o n ，t h i sp a p e r s u g g e s t st h ee v a l u a t i o nf a c t o r sa n ds t a t i s t i ca p p r o a c h e ss u i t a b l et ot h eh i g h s p e e dr a i l w a yi no u rc o u n t r y , b a s e do nt h ea n a l y s i so f t h ep r e s e n tr e s e a r c h o t l t c o m e sr e l a t e d t h ee v a l u a t i o no fn o i s ep o l l u t i o nd e g r e ew i t hf u z z yc o n s i d e r sa l lt h e j n f o r m a t i o no fd a t a o v e r c o m e st h e s h o r t c o m i n g s o ft h et r a d i t i o n a 】 m u l t i p o l ef u z z yp a t t e r nr e c o g n i t i o n ，i nw h i c hm e m b e r s h i pd e g r e e sa r e n e a rt oe a c ho t h e r , a n dc a np r o d u c et h er e s u l tw h i c ht e l lc l e a r l yt h en o i s e p o l l u t i o nd e g r e eo fac o n s i d e r e da r e a ，t h i sm e t h o dc a ns o l v ew h a tt h e c o m m o nm e t h o d sc a n n o ts o l v e ，a n dt h e r e f o r ec a nb eab a s ef o rf u r t h e r r e s e a r c ho nt h ee n v i r o n m e n t a in o i s ei m p a c ta s s e s s m e n to fh i g hs p e e d r a i l w a ya n dd e c i s i o no fs e n s i t i v ea r e ao fn o i s ec o n t r 0 1 k e yw o r d s ：h i g hs p e e dr a i l w a y , n o i s ei m p a c ta s s e s s m e n t ，e v a l u a t i o n f a c t o r , f u z z y , g e n e r a lw e i g h t e dl e n g t h 2 ! ! 查奎望盔兰堡兰：! 篁堕苎一 第一章研究背景 1 1高速铁路环境噪声现状与危害 高速是交通运输现代化的重要标志。高速铁路由于具有速度高、 运能大、能耗低、污染轻、占地少和安全性好等诸多技术经济优势， 受到了世界各国的普遍重视。一：十世纪六十年代以来，随着科技的进 步，发达国家都在推进其铁路的高速化进程，使得高速铁路进入了快 速发展阶段。 但是随着列车运行速度的提高，列车噪声污染也急剧增加，自 从高速铁路修建运营之同起，高速铁路环境噪声作为环境公害之一， 在城市环境噪声中所占比例愈来愈大，引起了公众的广泛关注。拥有 高速铁路的国家纷纷投入人力物力进行噪声研究，进而月：展减噪措 施。日本的高速铁路走过的是一条先污染、后治理的发展之路，为此 付出了极大的经济代价。目前h 本新f 线总长2 2 0 0 公罩，以最新与 最老的新干线为例：1 9 9 7 年丌业的北陆新干线约为9 7 9 6 的区段设置声 屏障，1 9 6 4 年开业的东海道新 + 线6 0 的区段设置声屏障，投入为总 造价的7 ，加上其他减噪措施的投入，使得铁路部门感到非常大的 压力。 目前，我国还没有一条真i f 意义上的高速铁路，只是近几年铁 路部门加大了列车提速的进程，正在兴建的秦争岛至沈阳客运专线 北方交通大学硕十学位论文 可以认为是一条准高速铁路，广州至深圳的快速铁路同样被认为是 一条准高速铁路。秦沈客运专线、广深线是在为我国高速铁路的兴 建进行技术、经验的探索及积累。随着铁路建设进程的进一步深入， 京沪线高速铁路正在积极的规划设计当中，可以肯定的况国内的高 速铁路的出现将只是一个时剧问题了。 高速铁路环境噪声不仅影响到线路附近人们的工作、学习和生 活，还会对人体的神经、心血管、内分泌、呼吸消化系统产生危害 性影响，长期受到铁路环境噪声的干扰，会引起头昏、头痛、听力 损伤、神经衰弱等病症。当噪声达到一定强度时即可引起肌体损伤， 出现有害的生理和心理变化。如噪声在4 0 d b 以上即可影响人们的生 活工作，长期接触8 0 d b 以上噪声则可出现听觉损伤，听力下降，以 至引起永久性损伤。 铁道部研究单位曾对北京、武汉、西安等城市铁路沿线两侧的 居民区进行测试并对大约】5 0 0 人的主观反应作了调查，调查结果 示于表卜1 。 北方交通大学顺j j 学位论文 表卜1 铁道环境噪声不同声级对人的干扰 影响百分率j ，e q ( d b a ： 5 56 06 57 07 5 高烦恼率 3 3 01 6 82 7 23 8 75 5 4 入睡干扰 1 8 33 2 9 4 2 24 6 5 睡眠惊醒 2 173 2 9 4 2 o4 5 2 可见铁路噪声严重地干扰和影响着铁路沿线居民的生活。 为了达到各国的铁路噪声标准，困外发达国家大大增加了噪声 控制投资的比例。 日本国铁对高速铁路噪声治理所需投资作的估算 为：若噪声级控制在8 0 d b a 内，需增加9 的工程投资、若噪声级控 制在7 0 d b a 内，需增加1 4 l , 5 f f ：j t i 投资。德国和英国高速铁路噪 声控制费用约增加2 5 4 0 的j ：程投资。据估计法国高速铁路噪声控 制工程费约占相应区段费用的5 0 左z 。 随着公众环保意识的提高，对1 生活质量的要求越来越高。生 活在铁路沿线的居民对铁路噪声的反映也越来越强烈，对于过去可 以忍受的噪声也丌始有所反映，更不用浼强度上明显高于普通铁路 的高速铁路环境噪声了，日本铁路部门就是一直在公众的强烈反映 与谴责中长期进行着高速铁路的减噪t 作的。因此如何正确评价高 速铁路环境噪声，来确定高速铁路环境噪声对周边的环境影响程度， 以便决定采取相应减噪措施来达到公众的要求是非常必要的。 北方交通大学硕十学位论文 1 1 1 国内外高速铁路环境噪声现状 1 1 1 1 国外高速铁路车外噪声水平 目前，世界上的高速铁路主要分布在e 1 本，德国、美国、法国以 及欧洲的一些其它国家。速度的档次分别为2 0 0 k m h 、2 5 0k m h 、 2 7 0k m h 、3 0 0k m h 、个别实验速度已达到3 5 0k m h 以上，而速度 最高的法国高速列车大西洋号以5 l5 3k m h 速度运行了1 6 6k m 。国 外主要高速铁路辐射噪声强度( 通过噪声值) 见表1 2 ： 表l 一2 国外主要高速铁路辐射噪声强度( 通过噪声值d b ( a ) ) 速度( k m h ) 列车种类 2 0 0 2 5 02 7 0 3 0 0 德国i c e 8 28 68 8 8 9 法国t g v 9 71 0 5 同本新干线 8 6 9 18 6 ( 扎， ，肿陴) 澳大利亚8 2 8 6 9 2 测点距轨道中心线2 5m ，无声屏障。 1 1 1 2 国内准高速、快速铁路环境噪声 我国广深线( 】6 0k m h ) 准高速列车噪声为约在9 3 9 8d b ( a ) ( 3 0 m ) 左右。新建铁路秦争岛至沈刚客运专线环境影响报告书中，预 测的2 8 个断面中2 6 个超出国家标准，其中最大超标为昼问11 5 d b ( a ) ，夜间2 2 1d b ( a ) ，可见该线的环境噪声影响之强。 课题高速列车运行噪声源强确定研究根据中国国情推荐出 声源标准：2 5 米处2 0 0k m h ：8 85 d b ；3 0 0k m h ：9 5 6d b 。噪声较 闩本新干线、法国t g v a 动车组、德国i c e 动车组都高。 ! ! 查奎望查兰婴圭堂竺堡苎 1 1 2 高速铁路环境噪声声源及其特点 ( 1 ) 噪声声源 高速列车运行噪声声源复杂且广泛，各类噪声源在噪声产生 机理和部位均不相同。分析国际上多个国家高速铁路噪声声源，按 其机理大致分以下j l t q 。 1 ) 轮轨噪声 轮轨噪声是列车运行中车轮和钢轨相互作用的一种响应，是铁 路系统运营过程中主要噪声源之一。轮轨相互作用有三种方式：撞 击、滚动、滑动，由此产生三种噪声：撞击声、滚动声、尖叫声。 a ) 撞击声 当车轮经过钢轨接缝处、以及车轮踏面有扁点时，就会在轮轴 径向产生速度的瞬日_ j 变化，导致轮轨接触产匕一个巨大的力，从而 激励车轮和钢轨振动，辐射出强烈噪声，即撞击声。 b ) 滚动卢 当车轮和钢轨顶面粗糙、| j 平顺，或者轨面出现波纹状磨损时， 车轮存钢轨1 - 滚动，就会产q 二力和速度的变化，结果使车轮和钢轨 发生受迫振动而产生噪声。 c ) 尖叫声 列车沿曲线轨道运行时，l r - ：轮受轨道约束而4 i 能沿着钢轨曲 线的切线方向运行，轮缘与轨头内侧强烈摩擦产生的窄带噪声。 2 ) 集电系统噪声 北方交通大学硕士学位论文 集电系统噪声包括：伴随受电弓和接触导线的滑动引发的机械 振动产生的滑动噪声；由于滑板瞬时滑脱接触导线产生电弧声； 受电弓的空气动力性噪声。 3 ) 空气动力噪声 高速列车在空气中高速运行时，由于空气气流受阻或产生涡 流所造成的噪声很大，这种噪声增加与速度的6 次方成f 比。 4 ) 基础建筑物噪声源 高速铁路的路基、高架混凝土桥、钢桥、隧道等建筑结构在 振动状态下均可成为二次噪声源。 5 ) 其它机械噪声 动力传动机构、牵引电机、冷却风机也是不可忽视的噪声源。 6 ) 鸣笛噪声 人群对鸣笛噪声的申诉率最高，列车鸣笛般分为警告性、联 络性的，而警告性鸣笛占绝大多数，约占鸣笛总数的6 0 。对于高 速铁路，将因高架路基和高架桥和其它防护措施，相应地减少警告 性鸣笛，继之给人以强烈感觉的是间歇突发的高速列车运行噪声， 这就使得鸣笛噪声在高速铁路噪声中占的比例很小，可以忽略小 汁。 ( 2 ) 高速铁路环境噪声特点 根掘以上分析表明，高速铁路环境噪声特点是与普通铁路 相比较而言的，其显著区别可分为几个方面： 北方交通大学硕士学位论文 1 )声源向车体上部转移 普通铁路由于其速度低，轮轨噪声成为主要声源，而高速铁路 由于其速度远远高于普通铁路，使受电弓噪声、车辆上部空气电力 噪强度比之普通铁路相同部位噪声有很大的提高，虽然车辆下部 噪声强度较普通铁路也有提高，但是从整体上来分析，f 部噪声的 提高仍远小于上部噪声的增加，这就使得列车噪声作为一个整体， 其声源部位向列车的上部有一个较大的转移。 2 ) 声级强度有较大提高 普通列车由于其速度低，相应的引起的噪声的强度并不很高， 但随着列车速度的提高，噪声强度也有着很大的提商。日本及欧洲 的研究及试验的资料表明，列车运行速度在2 0 0 k m h 以i 时，噪声 峰值声级较7 0 k m h 的噪声峰值提高7 d b a 以卜，达到8 2 d b a 以j ：。 3 ) 影响范围变大 普通铁路由于其列车速度低，声级较低，所以噪声影响的范围 较小，股存车速低于2 0 0 k m h 时，影响范围为铁路线路鹏侧】2 0 m 以内。，丽高速铁路夺j 速高，i l 桑j ：，级高，并甘高速铁路”弛岛檠， 以致使得影响到线路两侧1 5 0 m 甚至更大的范围。随着城镇化的边 程加快，城镇用地越来越紧张，城镇建筑更加高层化，经试验表明 高速铁路噪声对高层房屋的影响f 常严重。 4 ) 桥梁的影响 高速铁路在通过城镇的区段多采用高架结构，桥梁部分远远 7 北方交通大学硕士学位论文 多于普通线路，因此桥梁噪声的影响形成一个显著特点。 1 2 高速铁路环境噪声评价方法 评价高速铁路m ：境噪声对周边环境的影响程度，不但要考虑噪 声的大小，而且要考虑噪声的作用日寸间。有时候噪声的强度很高，但 作用的时间却很短：有时候噪声的强度虽然相对低一点，但作用时间 却很长。为此比较二者对环境的影响程度时，应根据噪声评价的性质 与目的，选取最为适宜的评价方法，因为不同的评价方法有着不同的 侧重点使得评价结果有着差异。因此只有根据欲评价环境问题的性质 与目的选取最为适宜的方法才能使得评价结果全面、清晰。 1 2 1 圉外高速铁路环境噪卢坪价方法 国外的高速铁路q 、境影响评价七法，按性质分为综合评价、数 学模型及评价量限值法。 综合评价方法被多数国家所采用。这种方法建直在对各要素及 各要索进狸进行预测和刘策研究的基础h 进行商层宏观分析，利t l j 预测和剥策石f 究提供的各种信息经过处理后，勾画出开发活动和纠、境 影响的关系，提供开发决策。这种方法多用于铁路方案的综合评价， 毛要为铁路环境影响报告 s 的编制服务。 数学模垲法，即通过建说数学模型，预测高速铁路噪声强度， 噪声源分析，以此进一步研究出控制、减小铁路环境噪声的有效力法 及措旋。这个方法被西方发达国家及日本等国采用。 北方交通大学硕士学位论文 噪声评价量限值法是各国在进行高速铁路环境噪声评价时最常 用的方法。它是根据高速铁路环境噪声评价的性质与目的，选择了具 有代表性的铁路环境噪声评价量( 主观、客观评价量) 进行评价。进 行该种评价时，以本国家的高速铁路噪声标准规定的数值为依据，进 行评价。 铁路噪声标准是铁路工程环境设计、环境影响评价和铁路环境 管理的主要依据。高速铁路环境噪声标准，主要指城市内各功能区的 室外环境噪声标准，目的是保护城市居民正常的生活、学习、工作和 休息不受干扰。环境噪声标准可作为高速铁路环境噪声对周围环境影 响程度是否被公众接受的尺度，在铁路噪声预测、环境评价和控制目 标值的研究时都采用这类标准。 1 9 9 3 年，世界卫生组织公布了为保护人们免受噪声干扰的标 准。为使大多数人免受严重干扰，在户外生活区的稳态连续噪声的 声级不能超过5 5d b ( a ) ；为使大多数人免受中等程度干扰，噪声 级不能超过5 0d b ( a ) ；夜间户外的噪声级不能超过4 5 5 0 d b ( )。 很多h 家参照世界卫生组织的标准制订了铁路噪声法规和 年目应噪声限值，其基点是铁道线路、住宅区、时问段不同时( 一般 按昼、夜划分) ，噪声限值也不同。对于高速铁路，法国和同本采 用i 。，主要是由于每天行使的车辆数目是不变的。某些欧洲国家 对一j + 铁路噪声的要求较低于道路交通噪声。在瑞士，对于铁路噪声 北方交通大学硕士学位论文 的限值至少放宽5d b ( a ) ，如果每天通过的列车数目过少，则该限 值可放宽1 5d b ( a ) 。对于铁路噪声允许限值的放宽是根据广泛的 社会调查和研究确定的，在l 。数值相同时普遍认为铁路噪声的干 扰比道路交通噪声要小。部分国家的铁路噪声法规和噪声标准见表 卜3 表1 3 部分国家的铁路噪声法规和噪声标准( d b ( a ) ) 评价 建筑物正 国家允许类别登问休息夜间 指标面噪声级 l m 6 06 3 ( 2 4 h ) 丹= 芰 新建铁路线 l 、8 5 8 8 挪威l 耨建铁路线 7 06 05 06 0 新建铁路最佳值6 05 55 06 0 ( 2 4 h ) 荷兰l 。 新建铁路最人值 7 36 86 35 0 ( n ) i “ 降噪计划极限值6 06 5 7 0 法国 l 、。、高速线极限值6 5 7 5 挺旧l “ 新建线隔声法规 6 8 6 36 3 ( n ) 日木j 小新下线柏：准7 0 1 2 2 我国铁路环境噪声评价方法 1 2 2 1 评价方法 我国现有的铁路环境噪声评价采用的为噪声评价量的限值方 0 北方交通大学硕士学位论文 法，即限定噪声的客观量值不超过有关“标准”的要求。而这些“标 准，制定所依据的数据来源于当时的技术和社会接受程度。 根据国家2 0 0 0 年环保规划，铁道部主管部门提出了铁路环保目 标，其中噪声污染控制目标为，通过城镇地区的新建铁路两侧声环 境，应达到国家规定的标准。铁道部科技司在1 9 9 3 年修订铁路 主要技术政策时，提出以技术进步改善铁路两侧声环境。 我国城镇区域环境噪声标准见表卜4 表卜4城镇区域环境噪声标准( g b 3 0 9 6 9 3 ) l e q d b ( a ) 类别适麻区域 昼间 夜间 o疗养区、高级别墅、宾馆区5 04 0 l 居住、文教机关为主区域 5 54 5 2居住、商业、i ：业混杂区6 05 5 3】业区6 55 5 4交通干线道路两侧7 05 5 这个标准只规定了“穿越城区的铁路主、次干线两侧区域的 背景噪声( 指不通过列车时的噪声水平) 限值”，约束铁路运行噪 声排放的是g b l 2 5 2 5 9 0 铁路边界噪声限值及测量方法，昼阳j7 0 d b ( a ) ，夜间7 0d b ( a ) 。这个为普通铁路制定的标准，能否适用于 高速铁路尚需大量现场调研资料证明及研究。在国家尚未制定出相 应的法规的情况下，在新建的秦沈客运专线铁路环境影响报告书的 编制中，对该线路( 近期1 6 0 1 8 0 k m h 、远期2 0 0 k m h ) 的噪声评 ! ! 塑奎望叁兰堡兰兰竺笙苎 价，依然采用的是国家现有的技术标准。 新建铁路秦皋岛至沈阳客运专线环境影响报告书、陇海铁 路宝鸡至兰州段增建第二线环境影响报告书所采用的噪声评价标 准： 铁路边界执行g b i2 5 2 5 9 0 铁路边界噪声限值及其测量方 法，昼、夜等效声级l 。均为7 0 d b 。距铁路3 0 以外地区，根据 g b t 1 5 1 9 0 一9 4 城市区域环境噪声适用区划技术规定，考虑敏感 点的实际功能，距铁路3 0 m 6 0 m 执行g b 3 0 9 6 - - 9 3 城市区域环境噪 声标准中4 类标准，昼阳l 岫7 0 d b ，夜间l 蜘5 5 d b ；6 0 m 以外地区 执行功能区标准。沿线的学校根据其使用功能及铁路噪声特点，执行 6 8 3 0 9 6 - - 9 3 中的2 类标准，昼问l 。6 0 d b ，夜e i jl m 5 0 d b 。 农村地区执行c , b 3 0 9 6 - - 9 3 中的1 类标准，敬老院执行l 类标准， 即昼间l 细5 5d b ，夜间l 岫4 5d b 。 评价范围：距离铁路外轨中心线1 2 0 m ，对学校及敬老院等噪声 敏感设施适当放宽。 1 2 2 2 存在的问题 a ) 标准的适用问题：铁路边界执行6 8 1 2 5 2 5 9 0 铁路边界噪 声限值及其测量方法，昼、夜等效声级l 。均为7 0 d b 。这个为普通 铁路制定的标准，能否适用于高速铁路尚需进一步研究证明。 北方交通大学硕士学位论文 限值”，并未考虑高速列车通过时产生的巨大噪声的负面影响。 1 3 选题的切入点、目的及工作基础 1 3 1 选题切入点 进行高速铁路环境噪声评价时，只进行高速铁路环境噪声的声 级预测及影响范围的确定是不够的。因为它并未考虑噪声对铁路沿线 居民的实际冲击或影响，这样势必造成铁路部门按照规范要求进行r 噪声的治理工作，但实际上高速铁路噪声由于其自身特点必然引起沿 线小区居民的强烈反感。 美国等一些国家一般采用声级计权人口的方法来进行铁路环 境噪声对该环境下污染程度的评价，由于这种评价方法不仅考虑到作 用于该地区声级大小的影响，同时也考虑到人口数量的因素，因此这 一方法能够较全面合理的反映出噪声的影响程度。但这方法的缺点 是计算比较复杂，推厂l + 存在一定困难。 高速铁路环境噪声与道路交通噪声不同，目前国内道路交通噪 声( 不含铁路噪声) 对混合小区影响的评价比较成型的引入了噪声 权冈f - ，计权人ij 及冲击指数等概念及方法，并取得j 7 比较先进的_ f i 究成果。铁道部劳动卫生研究所的几位科研人员于1 9 9 6 年提出j 遁 片j 于普通铁路的铁路环境噪声冲击指数n i i ，来反映铁路环境噪声对 人群的实际影响程度。这种铁路噪声冲击指数反映的只是相当于某地 区自天高烦恼度或夜间入睡干扰居民的百分数，虽能较合理的反映 北方交通大学硕士学位论文 某区域铁路环境噪声污染情况和对居民的实际影响，但并没有结合噪 声强度给出该区域铁路噪声干扰居民的具体程度，据此铁路部门并不 能采取准确的减噪措旌。 1 3 2 目的 本文在详细分析了高速铁路环境噪声特点的基础上，以模糊数学 的加权广义权距离为工具，提出一种耨的铁路环境噪声模糊评价方 法。目的在于高速铁路环境噪声评价时应用该方法，可以给出评价因 素( 评价量) 对于环境噪声污染级别识别的定量分折，评价过程中可 以充分利用实际数据所含有的各种信息。模糊数学的加权，、义权距离 概念及相对状态级别特征值识别法的应用，比较科学的解决厂评价因 素多、因素间相对权重难于确定的问题。在污染级别的识别时利用了 评价因素相对于污染级别的最优隶属度，采用相i t 状态级别特征倩法 使得评价结果比较离散，可以明确地判断出研究区所受噪声影响的等 级程度。 1 3 3 本研究的工作基础 本研究是在导师的“基于环境考虑的高速铁路选线局案比选系 统研究”课题的基础上进行的。对j 二h 奉、德【i i 、法例、美斟等圈的 高速铁路环境噪声及其评价方法做了仔细分析，同时对于我国现用的 铁路环境噪声评价方法及相应的技术标准、规范进行厂深入研究。 1 4 论文的组织圾各章节之间的关系 第一章讨论了高速铁路环境噪声现状及评价方法，分析了国内 北方交通大学硕士学位论文 外铁路环境噪声评价方法的优缺点，指出了本文的切入点、目的、工 作基础及研究内容。 第二章对于本文要用到的模糊数学基本理论进行了阐述和分 析。， 第三章讨论j 7 现行的各种高速铁路环境i 噪声评价体系和力法， 对于各种方法进行了较为深入的研究和综合比较，提出了一种基于模 糊数学的高速铁路环境噪声评价新方法，并详细阐述了该方法。 第四章对于进行高速铁路环境噪声评价时，所要进行的t 观评 价量的调查、需评价的因素进行了分析，并提出r 解决办法。 第五章进行了论文总结和展望。 北方交通大学硕上学位论文 第二章模糊数学基本理论 自1 9 6 5 年美国l a 查德教授提出的第一篇开创性论文一模糊 集合至今，虽只有短短的3 6 年时问，模糊数学理论取得了举世瞩目 的进展，应用的触角已伸向过程技术、生态技术、社会经济等领域的 许多方面，发展速度超过了许多应用数学的分支科学。 模糊性作为一种基本事实而客观存在着，它的根源在于客观现 象、概念在共维条件下的差异之间存在着中介过渡，存在着“亦此办 彼”性。目前模糊集合论的基石为隶属函数概念与定义，是从普通集 合论t 1 i 的特征函数概念与定义简单拓展而来得，以此基石模糊集合论 布：世界各吲专家的研究f 发展比较完善。 普通集合论中，一个对象对于一个集合，要么属于，要么不属 于，二者必居其，且仅居其一，决不可模棱两可。当个集合硐特 扯函数 加，= 畦暑- ， 表示时，它就限定了普通集合论只能表现“非此即彼”的现象， 即只能表现确定概念。 为了表示具有“办此亦彼”性的模糊现象与模糊概念，查德教 授将普通集合论中的元素x 对于集合a 隶属关系特征函数的取值范网 北方交通人学颂j j 学位论文 从 0 ，1 ) 拓展至 o ，1 ，从而导出了模糊集合的概念。 为了与普通集合a 加以区分，模糊集合记为j ，并将取值于 o ， 1 闭区问的特征函数称为隶属函数，记为, u a ( “) ，它表示论域u 中的 元素u ，对于模糊集合匀的隶属程度或简称隶属度。它是模糊集合论 中的基本概念，用它来描述“办此亦彼”的模糊概念。 2 1 相对隶属度与相对隶属度函数 2 1 1 隶属度与隶属函数 隶属度与隶属函数是模糊集合论或模糊数学赖以建立的基石。 经典的数学定义为： 所谓给定了论域u 上的一个模糊子集j ，是指：对于任意u u ， 都有指定个数心( “) f o ，1 ，i 】q 做u 对夤的隶属程度或隶属度。 映射 j ：u 甘1 0 ，1 1 ( 2 2 ) “一心( “) 叫做匀隶属函数。 2 1 2 绝对隶属度与绝对隶属函数 设论域u 上的个模糊概念j ，分别赋给j 处1 二共维芹异中介 过渡段的两个极点以0 与1 的数。在0 到1 的数轴上构成一个 0 ，1 闭区间的数的连续统。对于任意u u ，都在该连续统上指定了一个 数：( “) ，称为u 对j 的绝对隶属度，映射 ! ! 查奎望查兰堡! ：竺竺丝塞 ：u 斗【o ， 1 1 ( 23 ) “- ：( “) 称为j 的绝对隶属函数。 2 1 3 相对隶属度与相对隶属度函数 设在该连续得数轴上建立参考系，使其中的任意两个点定为参 考系坐标上的两极，赋给参考系的两极以o 与l 的数，并构成参考系 0 ，1 数轴上的参考连续统。对于任意u u ，在参考连续统上指定一 个数j ( “) ，称为u 对力的相对隶属度，映射 ：u 叫o ， 1 1 一( 2 4 ) “_ , u a ( 1 , ) 称为夤的相对隶属度函数。 根掘实际问题的不同性质，有时需要计算论域u 中元素u 对r 模糊概念j 的绝对隶属度，有时需要计算论域u 中元素u 埘于模糊概 念j 的相对隶属度。铁路噪声评价中就需要计算噪声强度论域上的元 素( 某时段的噪声强度) 对于模糊概念( 轻微污染、中度污染、重污 染) 的相对隶属度。某时段的噪声强度为固定的数值，对模糊带 c 念的 隶属度会随着评价系统内部情况的改变而发生变化。 2 2 模糊决策分析理论 系统中存在着许多影响着评价结果的因素，各个因素之删总是 存在着一定的联系，但对于评价结果的影响是一个非常复杂的综合过 程。各个因素对于系统的影响程度即各个因素在评价中的权重是不同 l r ! ! 查銮望查! 兰生堇堂竺丝蔓_ 一 的，同时也是不容易确定的。下面介绍模糊决策分析的理论基础。 2 2 1 因素集二元对比重要性排序标度矩阵的建立 假定系统中有待评价重要性因素组成因素集p p = p ，p 。，p 。j p ，为第i 个因素，i = 1 ，2 ，m m 为因素总数。 令因素集中因素p 。与p ，作二元对比，若 ( 1 ) p 。比p ，重要，令排序标度p 女，2 1 ，2 0 ： ( 2 ) p 与p ，同样重要，令p ，= 0 5 ，p m2 0 5 ； ( 3 ) p ，比p 。重要，令排序标度e ，= 0 ，e m = l k = 1 2 ，m ：1 2 1 ，2 ，1 1 1 由以上假定可知( 1 ) p 。，仅在0 ，0 5 ，1 之间取值。 ( 2 ) p + p m = 1 ； ( 3 ) e ，= e m = o 5 ，k = ， 因此系统就有矩阵e e l 】e 1 2 e 2 le 2 2 q 。 p 2 n 矩阵e 称为因素集二元对比重要性排序标度矩阵。 重要性排序标度矩阵e 为排序一致性标度矩阵的充要条件为 ( 1 )若p 从 e h l ，有 e ，： 9 北方交通人学坝j j 学位论文 ( 3 ) 若p m = e m = o5 ，有p m = e 女= o 5 。其中h 2 1 ，2 ，m 排序一致性标度矩阵e 根据各行和数由大到小的排列，则给出 了因素集关于重要性的排序。矩阵中标度等于o 5 的两个因素，其对 应行的和数相等，排序相同。 2 2 2 模糊标度语气算子对应关系的建立 系统中需要比较的因素构造排序一致性标度矩阵e ，根据各行 和数由大到小的排列，则给出了因素集关于重要性的排序。矩阵中标 度等于0 5 的两个因素，其对应行的和数相等，排序相同。 因素集中的因素按因素重要到不重要排序后，再作二元比较， 并且按以下条件赋值，条件为： 0 蔓。1 ，+ ，= l ( 2 6 ) 岛= o5 ，i = 川 构造成矩阵口 口= 届届： p l l 母h 8 m8 ! 届。， 8 h ? 瓯。 称矩阵为关于重要性的有序二元比较矩阵。其中成为因素i 对于 j 的重要性模糊标度：，为因素j 对于i 的重要性模糊标度。根据 以上条件可知矩阵的特点为i n 阶方阵，对角线上的元素为0 5 ，它 苎查奎望盔兰竺土兰些丝兰一 将矩阵分为上、下两个三角。上三角中的元素值自对角线元素值0 5 开始，每行元素值自左向右递增，每列元素值自上向下递减。由此可 见表示二元对比重要性程度的两个模糊标度边界值：0 5 与1 ，分别 对应着两个描述重要性程度的形容词：同样重要与无可比拟的重要。 自然语言与我国文字中形容词的本质特点是模糊性，它是人们 运用自己经验知识对事物进行二元比较的重要手段。为此可以给出关 于模糊概念重要性的l o 个形容词级差，即1 1 个形容词级别：同 样、稍稍、略微、稍微、较为、明显、显著、十分、非常、极其、极 端、无可比拟的重要，在比较中是逐步加强的。因此可以在同样重要 的模糊标度o 5 与1 之间，以线性变化的模糊标度值分别与不同级别 的形容词( 语气算子) 对应，列于表2 一l 。 表2 1语气算子与模糊标度、隶属度对应关系 语气算子同样 稍稍略微 较为 模糊标度值 0 505 2 505 505 7 50 606 2 50 6 50 6 7 5 隶属度值 1 00 9 0 50 8 1 807 3 90 6 6 706 005 3 804 8 1 语气算子明显显耕p 分督常 模糊标度值 0 707 2 507 507 7 50 808 2 508 508 7 5 隶属度值 0 4 2 90 3 7 90 3 3 302 9 00 2 50 2 t 2017 60 1 4 3 语气算子极其极端无可比拟 模糊标度值 0 909 2 50 9 50 9 7 51 0 隶属度值 o 1 l l00 8 10 0 5 300 2 60 北方交通大学烦j 学位论文 在比较中还可以在两级语气算子中插入模糊标度值。 这样就解决了因素比较时，元素之间虽然做出了重要性比较， 但却没有一个定量的数值来进行描述，使得系统评价难于进入比较严 谨的数值分析阶段。系统进行评价时，对于因素问重要性进行排序后， 依据专家或者民众调查结果，对各个因素依据上表进行模糊标度值的 确定，以便对因素的权重计算。 2 3 因素权熏计算的简捷办法 根据因素重要性的有序二元比较矩阵构造表示重要性的有 序相及矩阵 ，= 显然应有 1 2 1 届2 p 1 2 ；b2 l 母。? p 、。? p ，l ? p 。? ，= ，矗0 p 、。? ；b 。、 8 h n l ( 2 8 ) 当p ，s8 。 ， 屈，( 29 ) ? 。5 7 一l o ) 黟。 pj j 矩阵y 称为有序相及矩阵。其特征为：元素均以l 的对角线将矩 阵y 分为上下两个三角，上三角的元素均为l ，下三角的元素从对角 线元素出发，每行元素自右向左递减，矩阵的第l 列元素为各行元素 的最小值。 北方交通大学硕士学位论文 设对矩阵( 2 - 8 ) 每一行取最小值，得到 = ( t o 1 ，甜。2 ，珊。，) = ( 1 ，屈i m ，屈，1 p , 。) ( 2 一i1 ) 对( 2 一1 1 ) 归一化，得 山= ( c o i ，, c o 2 c o ，。，1 ，) ( 2 12 ) 式( 21 2 ) 给出了m 个因素的权向量。 由( 2 - j 2 ) ( 2 1j ) 可以看出，因素集中各个因素的权重的确定， 仅仅与有序二元比较矩阵有直接关系，由式( 2 - 1 1 ) 可得到未归一 化的权向量为 刈，杀，杀胁s c 舻( 2 - 1 3 ) 因此，只要给出关于重要性的有序二元比较矩阵口第1 行元素值 。，届。根据式( 2 一1 3 ) 确定未归一化的因素权向量，然后再 根据式( 2 1 2 ) 进行归化，得到因素权向量。 由式( 21 3 ) 可得到 哦：! 拿( 21 4 ) p 17 轮然，当卜l 时，由于冈素自己与自己比较同样重要，故，l = 05 。 若震要性排序为1 的因素，比排序为m 的因素无比重要，故。，a o 。 这就可在重要性的1 0 个形容词级差：同样、稍稍、略微、较为、明 盟、显著、十分、非常、极其、极端、无可比拟的莺要之间，用公式 ( 2 - 1 4 ) 给出模糊标度值a ，与未归一化权重( 即列模糊概念重要性 的相对隶属度) 间的关系，一起列入表2 1 ，计算中只要给出最重要 北方交通人学烦士学位论文 的目标( i = 1 ) 与第2 重要，第m 重要因素问比较的语气算子或 形容词级别，就可以根据表2 1 得到相应的未归一化权重。然后进行 归一化确定因素权重，这就是确定权重的简捷方法。 2 4 直接模糊统计试验 系统中模糊集合论是研究与处理现象的模糊性的基础，在这种 情况下，概念本身没有明确的外延，一个对象是否符合这个概念难以 确定。由概念外延的模糊所形成的不确定性，称为模糊性。 2 4 1 传统模糊统计与随机试验区别 传统模糊统计在形式上类似概率统计，剪且部是用确定性手段 研究不确定性。但是传统模糊统计与概率统计属于两种不同数学模 型，他们有如下重要区别。 随机试验最基本要求是：在每次试验中，事件a 发生( 或者不 发生) 必须是确定的。在各次试验中，a 是确定的，基本空问中的元 素。是随机变化的。作n 次试验，计算 a 发生的频率：”竺! 型”盗塑 随着n 的增大，通常会呈现频率稳定性。频率稳定所在的那个数，叫 做在某条件f 的概率。 传统模糊统计试验的基本要求是：要对论域上固定的元。是否 属于论域上一个可变动的普通集合a ( a 作为模糊集a 的弹性疆域) ， 作出一个确切的判断。这就要求在每次试验中，a 必须是一个取定的 普通集合。在各次试验中，l 。是固定不动的，而拿在随机变动。作n 次试验，计算 。对五的隶属频率：二学 随着n 的增大，隶属频率也会呈现稳定性。频率稳定值叫做。对爿的 隶属度。 在进行传统模糊统计时，必须遵守一个原则：被调查人员定 对模糊词汇的概念熟悉并有用数量近似表达这一概念的能力：对原始 数掘要进行初步分析，删去明显不合乎逻辑的数据。 2 4 2 传统模糊统计的理论缺陷 模糊集合论的运用，是从模糊性中去确定隶属度规律。模糊性 存存着中介状态，是亦此亦彼性，但在办此亦彼中仍然存在着差异， 仍可以相互比较。隶属度的客观意义可以由直接模糊统计试验中呈现 出的隶属度稳定性来表征。 由以上传统的模糊统计试验方法，可见仍然要进行非此即彼的 判断，而这正是随机试验的基础所在，模糊统汁试验小宜应1 j 属 “ 此刚彼的排l f j 律频率统计公式进行统计计算，这是传统模糊统汁试验 存在的理论缺陷，直接影响到隶属程度稳定性规律论证的科学性。为 此就要突破模糊统计试验的传统作法，应用直接模糊统计试验。 2 4 3 直接模糊统计试验 将传统的试验中给出论域u 中的一个运动的普通集合，改变为 北方交强大学硕士学位论文 给出u 中的一个运动的模糊集合j 。根据运动的模糊集合j 得到的隶 属程度稳定性的试验结果，科学地表征了隶属程度的客观性及隶属程 度规律的客观意义。为了区别传统的模糊统计试验，克服其用非此即 彼性的隶属程度及其稳定性论证中存在的理论上相悖的缺陷，将这种 突破传统模糊统计试验命名为直接模糊统计试验来确定。 直接模糊统计试验的基本方法为： 】模糊统计试验的论域u ，以及论域u 中n 个欲试验确定其隶 属度的固定元素“，j = 1 , 2 ， 。 2 u 中的m 个变动的模糊集合匀，i = 1 , 2 ，肌。模糊集合j ，是直 接模糊统计试验的主体。 3 u 中的一个模糊概念孕，j 以j ，作为其变动的疆界，同时又 制约着毒的变动。由于毒的变动，“，以隶属度“。隶属于争，困 i = l ，2 ，m ，故“，对拿的隶属度是变动的、不确定的。 4 在j 1 1 次试验中，用式( 2 j 5 ) 束计算，对毒的隶属度乎均值 或期望值 m t h j ) = 旦一 m 试验表明，随着盯j 的增大，m ( ，) 会呈现稳定性，称其为隶属度期 北方交通大学硕士学位论文 望值的稳定性。稳定所在的那个数，称为“，对模糊概念孕的隶属度。 北方交通大学硕十学位论立_ 第三章基于模糊数学的高速铁路环境噪声评价 的新方法 高速铁路的修建在。定意义上的确将会推进社会的进步，但在 “可持续发展战略”成为人们关心的主题的背景下，高速铁路最严重 的负面影响噪声影响成为评价高速铁路的重要因素之一，同时高 速铁路的噪声影响也必然成为制约高速铁路发展的主要因素之一。如 何对高速铁路环境噪声进行准确的评价，即确定高速铁路噪声影响的 指标问题成为一个急待解决的问题，本文提出“噪声影响满意度”作 为评价噪声影响的指标。 3 1 噪声影响满意度 本文所定义的“噪声影响满意度”，是一个非具体概念，应从以 下方面理解：不能仅理解为噪声影响的直接评价，而且还应理解为评 价高速铁路方案与其噪声影响状态相结合好坏的尺度；理解为高速铁 路方案好坏的指标，即在一定的时窄界定下，高速铁路方案的经济