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基于综合权重-TOPSIS法的飞机噪声自动监测点位优化及效果对比

何咏, 李金玉, 田岳林, 高成杰, 钱靖华, 杨永强. 基于综合权重-TOPSIS法的飞机噪声自动监测点位优化及效果对比[J]. 环境工程学报, 2022, 16(6): 2021-2031. doi: 10.12030/j.cjee.202202012
引用本文: 何咏, 李金玉, 田岳林, 高成杰, 钱靖华, 杨永强. 基于综合权重-TOPSIS法的飞机噪声自动监测点位优化及效果对比[J]. 环境工程学报, 2022, 16(6): 2021-2031. doi: 10.12030/j.cjee.202202012
HE Yong, LI Jinyu, TIAN Yuelin, GAO Chengjie, QIAN Jinghua, YANG Yongqiang. Optimization and effect comparison of aircraft noise automatic monitoring sites based on comprehensive weight-TOPSIS[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2022, 16(6): 2021-2031. doi: 10.12030/j.cjee.202202012
Citation: HE Yong, LI Jinyu, TIAN Yuelin, GAO Chengjie, QIAN Jinghua, YANG Yongqiang. Optimization and effect comparison of aircraft noise automatic monitoring sites based on comprehensive weight-TOPSIS[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2022, 16(6): 2021-2031. doi: 10.12030/j.cjee.202202012

基于综合权重-TOPSIS法的飞机噪声自动监测点位优化及效果对比

    作者简介: 何咏(1985—),女,硕士,高级工程师,hy1759@163.com
    通讯作者: 杨永强(1978—),男,硕士,高级工程师,yangyongqiang@cee.cn
  • 中图分类号: X84

Optimization and effect comparison of aircraft noise automatic monitoring sites based on comprehensive weight-TOPSIS

    Corresponding author: YANG Yongqiang, yangyongqiang@cee.cn
  • 摘要: 为克服飞机噪声监测系统传统布点方式存在的主观偏差,通过有限的监测点位实现监测系统代表性、有效性和经济性的最大化,采用综合权重-TOPSIS法对监测点布设位置与数量进行优化;基于机场布局、飞机噪声等值线、交通干线、土地利用及行政区划等机场所在区域相关信息空间叠图,构建机场噪声评价指标体系;结合决策群体主观偏好与指标表征数据的熵权,应用综合权重-TOPSIS法对某大型机场飞机噪声自动监测点位进行优化。结果表明:指标体系主要参考因素是飞机噪声等值线距离(指标②)、噪声敏感度(指标①)和主航迹线距离(指标③),综合权重值分别为0.327、0.293和0.221;拟选监测点位指标①、②、③的相对贡献率变化较大,说明点位受噪声敏感度、飞机噪声影响差异性大;根据相对最优贴近度值,将20个拟选点位优化为12个点位,与物元可拓法、最优指标法点位重复率分别为66.7%、75.0%,综合权重-TOPSIS法对飞机噪声等值线距离(指标②)和主航迹线距离(指标③)的优化效果均为最好。本研究成果可为飞机噪声自动监测体系标准化建设提供参考。
  • 2018年国务院办公厅发布《“无废城市”建设试点工作方案》(国办发〔2018〕128号)[1],2019年4月30日,中华人民共和国生态环境部公布11个“无废城市”建设试点[2],经过为期2年的建设,试点工作已成功验收,试点实践形成了“无废城市”建设指标体系和一批可推广示范模式,其内核不仅更注重生态环境保护,还在于让经济发展过程资源利用率更高、社会效益更好,展现了“无废城市”城市管理理念的先进之处。2022年4月24日,生态环境部公布“十四五”时期“无废城市”建设名单,内蒙古自治区呼和浩特市、包头市、鄂尔多斯市均在“无废城市”建设名单中[3]。“无废城市”旨在通过源头减量、循环利用、绿色生产等方式,实现城市内资源的有效利用和环境的持续改善。当前,“无废校园”是一种建立在“无废城市”概念基础上的先进的校园理念[4-6],“无废校园”已成为“无废城市”建设的重要组成部分,两者的相互促进、协同发展已成为重要趋势[7-8]。它通过资源的高效利用、环境的保护与生态建设、绿色生活理念的倡导等方式,实现校园内废弃物的最小化,推动校园走向可持续发展。高校的固体废物具有种类较多且区域较为集中的特点。因此,针对校园固废产生特性、处置利用及管理方面的顶层设计需求较为迫切。

    目前,“无废校园”建设相关研究主要集中在垃圾分类现状讨论、分阶段减量、分类回收等方面。张悦等[9]以中北大学信息商务学院为例探讨高校校园固废分类现状及对策,认为可在垃圾分类措施完善、优化垃圾箱设置的区域针对性和提高学生的环保意识等方面开展。仝伟亮等[10]提出可从源头分类减量、中间资源化回收减量、末端无害化堆肥减量开展,并建立校园固废三级管理体系。朱兴峰等[11]提出可设计出一款智能垃圾分类回收设备推动校园固废分类与资源回收利用。陈成等[12]分析了校园垃圾分类存在的问题,提出可通过建立学校特色的规章制度、加强基础设施建设、应用先进的技术、采取有效地激励与约束措施和加强垃圾分类的宣传教育等对策,提高学生垃圾分类素养。彭希等[13]提出可采用数字化技术提升校园垃圾管理水平。

    当前,在高校校园固废处理研究领域,研究者们主要开展校园垃圾分类管理或提升管理水平等方面研究,而在固体废物灰色模型预测方面,主要针对某个区域或某个城市开展研究。如封辰阳等[14]基于浦东地区历史数据,采用灰色预测模型和优化模型,预测了该区未来10年的垃圾产生量及最优回收方案,并得出了政府需要投入的成本;燕飞等[15]基于灰色预测理论,分别用GM(1,1)模型、分数阶GM(1,1)模型和新陈代谢GM(1,1)模型对广州市2015—2019年城镇生活垃圾清运量数据进行建模、检验和比较,结果表明新陈代谢GM(1,1)模型预测精度最高,预测2020—2024年广州市城镇生活垃圾清运量仍呈现长的趋势,在2024年将会突破1 000×104 t。然而,针对“无废校园”建立固废产量等相关预测模型尚未报道,校园固废产量预测是一个重要的环境管理问题,其直接涉及校园环境的全时空质量与学生健康。因此,通过预测固废产生,可以有效规划和调整管理应对方案,改善校园环境质量;同时,还可以通过强化收运与资源化利用体系建设,针对性建立完善回收网络、建立多种回收渠道、推广先进回收技术,有效降低或消除废弃物的对生态环境的影响,在保护自然资源与资源利用最大化的同时,也可推动循环经济发展,促进绿色产业和低碳经济的实现。

    在全国“无废城市”持续推进与呼和浩特市已入选“十四五”无废城市建设的背景下,本研究以内蒙古工业大学为例,通过文献调研、实地走访、现场调查等手段,深入研究内蒙古工业大学校园固废产生量、产生规律及校园固废处理方式,并基于GM(1,1)灰色预测模型,结合现有数据特点与规律构建校园固废产量预测模型,以期为“无废校园”建设提供参考。

    内蒙古工业大学(新城校区)位于内蒙古自治区呼和浩特市,校区研究区域建筑分布见图1。校园占地面积约215.13 hm2,建筑面积92.37×104 m2,在校师生约1.30×104人,校园固体废物的产出区域包括3区公寓(东区、西区、北区)、各教学楼(第一教学楼、第二教学楼、第三教学楼、第四教学楼、科学楼)、各实验楼(工程技术楼A、B座等)、各餐厅、绿化带和施工场地(施工时)等。

    图 1  内蒙古工业大学新城校区研究区域各建筑物位置示意图
    Figure 1.  Schematic map of the location of each building in the research area of the Xincheng Campus of Inner Mongolia University of Technology

    以文献调研、实地走访与调查、问卷调研等多种研究方法及结合灰色预测模型建构,针对住教学区、宿舍区、餐厅等区域等产生的纸张和纸板、塑料制品、厨余垃圾、纺织品等可回收垃圾与电子废物、有害废物、玻璃制品、建筑废弃物等不可回收垃圾。

    1)文献调研。确定本研究涉及范围与主题,以CNKI、万方数据知识服务平台、Web of Science等作为文献资料数据库,针对检索结果开展筛选和评估,分析及研究关键文献资料,梳理总结“无废校园”建设现状。

    2)实地走访与调查。实地走访与调查内蒙古工业大学(新城校区)垃圾产生、处理及回收过程与方式,以1年为期限,调研频次每周不少于3次,调研不同季节不同时间节点垃圾的产生、收集及处置方式,通过校园代表性的楼宇、区域作为调查重点,开展实地考察并采集数据,基于调研成果分析与整理,摸清垃圾底数与特点。同时,数据的采集与调研时间固定为调研当天垃圾产生过程基本结束、垃圾清运过程之前以及避开可能出现特殊情况导致调研数据受到较大影响的时间段或日期。

    3)灰色预测模型。灰色预测法是一种用于预测时间序列数据的方法,可处理具有不确定性和随机性的数据。在生态环境管理领域,灰色模型可以用于预测垃圾产量等具有不确定性的问题。通过建立符合的微分方程模型来预测未来的发展趋势,最终得到预测值[16]。本研究通过采用灰色系统预测模型[17],以灰色系统方法和模型技术,基于人流量、垃圾产量等方面综合评估,选取最具有代表性的某一教学楼连续1周垃圾产量数据,建立灰色预测模型,从而预测该建筑未来几天或更长时间周期的产量,根据结果精确性确定全校预估结果准确性。

    灰色预测模型计算过程中,x(0)即为待处理的原数据,设离散数据序列为x,已知x(0)的情况下,累加次数为1时,可计算得x(1)。其中,x(1)1=x(0)1,以序列x(1)为基础建立灰色的生成模型,见式(1)。

    x(1)k=kj=1x(0)jk=1,2,,N (1)

    式(2)称为一阶灰色微分方程,记为GM (1,1)。式(2)中a和u为待辨识参数。

    dx(1)dt+ax(1)=u (2)

    设参数向量ˆayN, B分别为:

    ˆa=[au]T (3)
    yN=(x(0)2,x(0)3,,x(0)N)T (4)
    B=((x(1)2+x(1)1)/21(x(1)N+x(1)N1)/21) (5)

    求出对应yN值,由式(6)求得ˆa的最小二乘解,经Matlab计算,得到春、夏、秋、冬四季的ˆa值,

    ˆa=(BTB)1BTyN (6)

    有响应方程式(7),将春、夏、秋、冬四季的a,u代入式(7),通过式(8)求出当次计算预测的垃圾产量的值。

    ˆx(1)k+1=(x(1)1ua)eak+ua (7)
    ˆx(0)k+1=ˆx(1)k+1ˆx(1)k (8)

    4)对比分析法。对比分析法是一种基本的科学探索方法,它是通过将一组具有相似因素的不同性质物体或对象进行对照比较,以确定它们在构造、性质等方面的差异和相似之处。本文通过内蒙古工业大学与安阳工学院各建筑区固废日均产量进行对比,明晰不同区域高校固废产生的特征。

    为摸清内蒙古工业大学新城校区校园固体废物产生规律,于2021年开展随机调研该校区某教学楼、操场、某住宿楼的校园固体废物产生情况,分析结果见图2

    图 2  内蒙古工业大学新城校区某教学楼、操场、住宿楼2021年固废产生情况
    Figure 2.  Solid waste generation in a teaching building, playground and accommodation building of Xincheng Campus of Inner Mongolia University of Technology in 2021

    通过图2可看出春、夏、秋、冬四季下不同建筑物固废产生量情况,其中教学楼、操场、住宿楼日固废产生均值分别为(6.08±0.77)、(4.50±0.82)、(23.58±5.41)kg,包括可回收固废日产生均值为(3.69±0.96)、(1.3±0.08)、(14.70±3.61)kg,不可回收固废日产生均值为(2.38±0.33)、(3.21±0.83)、(8.88±2.70)kg。综合四季来看,夏季垃圾产量处于全年的高位,在固废总量上体现最明显,其数值为4个季节中最高。

    在时间方面分析,春季的产生规律最能体现出住宿区、教学区、运动区的固废量产生特征在时间尺度方面体现为季节性波动较大。图2(a)为春季3区固废产量对比,其中操场的固废总量存在较大波动,且固废总量均值明显偏低,教学楼和宿舍的固废总量较为稳定;可回收固废量方面,教学楼和宿舍的可循环利用固废量远高于操场,且存在较大波动,操场可回收固废量相对稳定但均值较低;不可回收固废方面,相比可回收固废表现出固废产生量较低。图2(b)相较(a)、(c)、(d)图,无论是固废总量还是可回收固废或不可回收固废量均最高;夏季住宿区、运动区的固废量都会呈现出明显的增加趋势,这与夏季昼长夜短,人们活动时间较长有一定关联;同时从全年来看,夏季校园住宿区和教学区生活垃圾产量的高峰期(即5月底)是毕业季,据统计,固废总量均值较其他季节下约高出1.2~2.8倍,该时期学生离校时平均70%~85%的物品被丢弃,日固废产生量也大幅增加。因此,建议可借鉴埃斯库埃拉滨海高级理工学院(ESPOL, Escuela Superior Politécnica del Litoral)建立临时废物收集中心,促进部分有价值的物品二次再利用[18];秋季各类垃圾的产量数据相较其他季节,数据较为稳定,为四季垃圾产量的较低时段;冬季固废量与春、夏两季节比较相对更少,平均每日固废量比夏季固废量减少40%左右。这可能是因为冬季气温偏低,人们户外运动意愿不强烈,因此在运动区活动的人也比夏季时要少得多,表现为固废产量冬季时显著降低,故固废产生总量也自然减少。另外,固废的日产量呈现出非常显著的时间阶段性,具体为周末产量远大于工作日的产量,主要原因是周末学生外出购物频次较高,由此产生大量购物、食品包装垃圾丢弃现象,工作日学生大都在校内上课,购物消费较少,故生活垃圾产量少于休息日。此外,每年学生开学时期校园固废产生量增长明显,寒暑假期间校园内固废产量最少。

    在空间方面分析,校园固废产生量较大、产生空间具有集中性、产生时间具有阶段性。调研区域内每日产生固废总量均值为35.26 kg,其中可回收固废均值22.97 kg,可回收固废中纸张和塑料分别占比为33.59%和66.41%。校园固废产生特征主要表现为校园人员较为集中,校园固废会随着人流量的增大而增多,校园废弃物也会急剧增加,体现出校园固废空间集中的特点。例如由于夏季高温炎热,学生相对喜欢饮用矿泉水或冰镇饮料等,因此住宿区、运动区的固废量均会呈现明显的增加趋势,结合毕业季,宿舍区的垃圾产量也会有明显地升高。

    综上所述,校园不同区域之间固废产量的差异会随不同季节表现出一定的季节性差异。该数据特征对于进一步深入了解校园固废管理和环境保护方面的差异提供了有价值的信息,有助于制定相应的管理措施和政策[19]。因此,建议在校园固废管理中需根据不同季节的特点采取相应措施,加强垃圾分类、鼓励回收和减少不可回收固废的产生,可大幅降低固废对环境的影响,提高资源利用效率[20]

    1)校园固体废物产生类别现状。表1为内蒙古工业大学新城校区单建筑物校园固废产量现状,分析表明单个建筑物可回收固废产生总量为32.18 kg,占总体固废产生量的50.59%;不可回收固废产生总量为16.63 kg,占总体固废产生量的26.20%;不可分类固废产生总量为14.67 kg,占总体固废产生量的23.11%;除教学区和宿舍以外其他区域可回收校园固废产量较少,其中餐厅的可回收和不可回收校园固废产量最低。从固废产生总量来看,可回收固废占比较大,因此,校园固废具有易于分类、便于管理的特点。

    表 1  内蒙古工业大学新城校区单建筑物校园固废产量数据
    Table 1.  Solid waste production data of single building campus of Xincheng Campus of Inner Mongolia University of Technology
    建筑物可回收平均值/kg不可回收平均值/kg不可分类平均值/kg数据属性
    北区公寓四号楼4.873.202.60单层
    北区公寓五号楼9.104.201.00单层
    东区公寓三号楼4.201.670.67单层
    东区公寓六号楼3.601.120.23单层
    第二教学楼0.670.360.00单层
    科学楼1.421.555.53单层
    操场1.740.880.74单层
    思源餐厅0.050.0460.00每人次
    馨苑餐厅0.0090.0480.00每人次
    住宿区5.442.551.13每层
    教学区1.050.962.77每层
    餐厅0.0300.0470.00每人次
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    图3为各建筑物可回收固废中塑料和纸张占比情况。发现在校园可回收固废中塑料和纸张的主要分布区域存在明显差异,塑料的产生主要分布在操场和宿舍区域。这可能是因为在操场的学生运动后习惯补充大量水分而产生的矿泉水瓶、饮料瓶等固废,同时由于学生在宿舍停留时间较长,产生固废的时间占比也相对较大;废纸的产生则是主要分布在教学区和宿舍区,从纸张主要类型是快递纸盒和书本便可以看出其产生量大的原因。因此,不同类别校园固废占比分布与其高校人员学习、生活等习惯息息相关。

    图 3  内蒙古工业大学新城校区各建筑物可回收固废中塑料和纸张占比情况
    Figure 3.  The proportion of plastic and paper in the recyclable solid waste of each building in the Xincheng Campus of Inner Mongolia University of Technology

    2)与其他院校校园固废产生特征对比分析。通过调研分析学生平时非上课时间的停留时间较长的区域,结果图4(a)分析可得,88.10%的学生非上课时间集中活动在教学科研区和宿舍区,只有11.90%的学生集中活动在公共区、餐饮区以及行政办公区。图4(b)内蒙古工业大学各分区校园固废产生量与安阳工学院2020年的数据对比发现[22],2所学校各分区固废产生量均存在因不同区域功能属性的不同而导致的差异较大,相同区域其固废产生量还是相差不大,其中表现较为明显的是2学校宿舍区和餐饮区固废产量最多,产生了约92.53%以上的固废量,公共区和教学科研区固废产量次之,行政办公区最少。结合图4(a)反映出宿舍区为学生主要居住和活动的主要区域,时间占比长,因此固废产生量较多是毋庸置疑的;对于餐饮区作为人们吃饭和短时间集中人数最多区域之一,固废产生量较高的原因除了一些客观因素比如其产生量占总体固废量近40%,还存在着高校学生就餐浪费率较高等因素,因此高校学生环保意识的应需不断加强,以及“光盘行动”等减少餐后厨余垃圾浪费等一系列环保行动应需多宣传和普及。此外,2所学校日均固废产生量分别为7 655.47和7 041.00 kg,人均分别约0.25和0.30 kg,从数据上来讲,2校区人均日产量仅为文献公布的居民日均固废产生量平均值的24%~30%[21,23],学校生活较社会面生活习惯较单一,学生主要以读书为主,行为方式较简单。因此,校园固废产生垃圾种类偏少,产量相对较低,符合校园固废产生的特点。

    图 4  内蒙古工业大学不同建筑区学生非上课时间分布情况及与安阳工学院各区固废日均产量对比情况
    Figure 4.  Distribution of non-class time of students in different construction areas of Inner Mongolia University of Technology and the comparison of the average daily output of solid waste in each district with Anyang Institute of Technology

    灰色预测模型一般用在环境影响评价中,确定城市固废与生态环境的正相关关系,设计城市固废生态环境影响评价算法完成影响评价,并为环境影响设计提供理论基础[24-25]。建立灰色模型后,就可以利用该模型对未来的固体废物产生量进行预测,根据模型的输出结果,预测未来的固体废物产生量。本研究以某教学楼一年四季每周固废实际产量数据为依据,建立GM(1,1)灰色预测模型,开展预测校园固废产量,计算结果见表2

    表 2  内蒙古工业大学某教学楼不同季节下固废产量数据GM(1,1)灰色预测模型计算表
    Table 2.  Calculation table of GM(1,1) gray prediction model of solid waste production data in different seasons of a teaching building of Inner Mongolia University of Technology
    季节日期x(0)/kgx(1)/kg灰色预测季节日期x(0)/kgx(1)/kg灰色预测
    x^(1)/kgx^(0)/kgε^(0)x^(1)/kgx^(0)/kgε^(0)
    春季3.058.238.238.238.230.00秋季9.085.225.225.225.220.00
    3.066.3314.5614.856.62−0.299.094.699.9111.566.341.65
    3.077.7222.2821.436.581.149.106.4916.4017.986.42−0.07
    3.084.8927.1227.966.53−1.649.117.6424.0424.476.50−1.15
    3.098.2835.4534.466.491.799.127.8831.9231.056.57−1.31
    3.104.6740.1240.906.45−1.789.138.3040.2237.706.65−1.65
    3.117.1947.1347.316.410.789.144.2144.4344.436.732.52
    3.12//53.686.36/9.15//51.246.81/
    3.13//60.006.32/9.16//58.136.89/
    3.14//66.286.28/9.17//65.116.98/
    3.15//72.526.24/9.18//72.177.06/
    夏季5.255.695.695.695.690.00冬季12.173.073.073.073.070.00
    5.266.2611.9511.696.000.2612.183.776.846.893.82−0.05
    5.277.5219.4718.506.810.7112.194.2711.1111.154.260.01
    5.287.0426.5126.247.74−0.7012.204.2315.3415.904.75−0.52
    5.298.0234.5335.048.80−0.7812.215.3220.6621.205.300.02
    5.3010.5345.0645.0310.000.5812.227.2727.9327.115.911.36
    5.3111.5456.6056.3811.350.1912.235.7733.7033.716.60−0.83
    6.01//69.2812.90/12.24//41.077.36/
    6.02//83.9314.65/12.25//49.298.21/
    6.03//100.5816.65/12.26//58.469.17/
    6.04//119.4918.91/12.27//68.6810.23/
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    通过灰色预测模型计算,以下分别为四季核算过程,x(0)即为待处理的原数据,设离散数据序列为x,累加次数为0时,则春、夏、秋、冬四季的x(0)

    x(0)={[8.236.337.724.898.284.677.19][5.696.267.527.048.0210.5311.54][5.224.696.497.647.888.304.21][3.073.774.274.235.327.275.77] (9)

    累加次数为1时,则:

    x(1)={[8.2314.5622.2827.1235.4540.1247.13][5.6911.9519.4726.5134.5345.0656.6][5.229.9116.4024.0431.9240.2244.43][3.076.8411.1115.3420.6627.9333.70] (10)
    B={[11.391;18.421;24.701;31.281;37.781;43.621][8.821;15.711;22.991;30.521;39.7951;50.831][7.561;13.151;20.221;27.981;36.071;42.321][4.951;8.971;13.221;18.001;24.291;30.811] (11)

    对应,yN值为:

    yN={[6.337.724.898.284.677.19]T[6.267.527.048.0210.5311.54]T[4.696.497.647.888.304.21]T[3.774.274.235.327.275.77]T (12)

    春、夏、秋、冬四季的ˆa为:

    ˆa={[0.0066;6.6977][0.1276;4.8982][0.0119;6.2422][0.1095;3.2756] (13)
    ˆx(1)k+1={1014.801006.57e0.0066k38.387+44.077e0.1276k524.555+529.775e0.0119k29.914+32.984e0.1095k (14)

    对于春季拟合数据,残差均值¯ε(0)= −0.00017,残差标准差S1=1.26;原始数据均值¯x(0)=6.76, 原始数据标准差S2=1.40;后验差比值c=S1S2=0.900.65;小误差概率P=P|ε0i¯ε(0)|<0.6745S2=0.430.70

    对于夏季拟合数据,残差均值¯ε(0)= 0.03,残差标准差S1=0.53;原始数据均值¯x(0)= 8.09, 原始数据标准差S2=2.01;后验差比值c=S1S2=0.26<0.35;小误差概率P=P|ε0i¯ε(0)|<0.6745S2=1.00>0.95

    对于秋季拟合数据,残差均值¯ε(0)=−0.00014,残差标准差S1=1.46;原始数据均值¯x(0)= 6.35, 原始数据标准差S2=1.53;后验差比值c=S1S2=0.95>0.65;小误差概率P=P|ε0i¯ε(0)|<0.6745S2=0.29<0.7

    对于冬季拟合数据,残差均值¯ε(0)=−0.0017,残差标准差S1=0.63;原始数据均值¯x(0)= 4.81, 原始数据标准差S2=1.31;后验差比值c=S1S2=0.48<0.5;小误差概率P=P|ε0i¯ε(0)|<0.6745S2=1.00>0.8

    图5可看出,精度检验等级表明灰色系统预测对夏季、冬季的校园固废拟合精度为好和合格,预测结果正确可靠;春季、秋季的拟合精度效果相对较差。结合实地调研数据可知,因为春季温度变化大等因素,秋季处于新生入学季,人数变化较大,如2023年学生毕业人数为6 836人,其中本科生5 653人,研究生1 183人,学生基本上为秋季入学、夏季毕业,因此该阶段校园固废产生具有量大与种类丰富的特点,因此该阶段校园固废产生规律具有不定性,预测数据与实际固废产量存在一定差异,符合区域季节波动实际情况。因此,通过该模型可实现对夏季和冬季基于某月连续1周的校园固废产量预测未来几天乃至整个季节的固废量做出较为准确预测,精度良好。综上所述,对单一教学楼的分析,可一定程度代表校园产量变化趋势,通过“无废校园”固废产量模型构建,可实现校园固废产量趋势的预判,进而动态调整相应的校园固废收集管理策略,为“无废校园”建设提供参考。

    图 5  内蒙古工业大学某教学楼不同季节下校园固废产量精度检验等级
    Figure 5.  Accuracy inspection level of solid waste output in a teaching building of Inner Mongolia University of Technology in different seasons

    1)内蒙古工业大学校园固废具有产生数量大、产生空间集中、产生时间具有阶段性等特点,且不同区域之间固废产量呈现季节性差异。因此,建议高校根据不同季节垃圾产生的规律及特点采取相应的收集处置措施,可通过建立宣传站、电子回收垃圾装置、建立主动式垃圾回收激励措施等,提升校园固废垃圾收集、处理效率,降低综合成本与效益,助力高校“无废校园”建设。

    2)校园固废的产生类别具有易于分类、便于管理的特点,且不同类别校园固废占比与高校人员学习、生活等习惯息息相关。学生非上课时间基本停留在教学科研区和宿舍区,相较于社会面,校园产生的固废种类单一,相对更易进行分类和处理。因此,高校应加强宣传教育、制定相关规定,提高学生固废分类意识和认识度,从而有效促进校园固废源头减量。

    3) GM(1,1)灰色预测模型构建可准确反映夏季、冬季校园固废产生规律与特征,实现校园固废产量趋势预判,支撑校园固废收集管理策略动态调整,为“无废校园”建设提供参考。

  • 图 1  机场区域飞机噪声信息空间叠加示意图

    Figure 1.  Schematic diagram of spatial superposition of regional aviation noise information

    图 2  基于综合权重-TOPSIS法的飞机噪声自动监测点位决策优化流程图

    Figure 2.  Flow chart based on comprehensive weight-TOPSIS method of aircraft noise automatic monitoring

    图 3  飞机噪声自动监测点位优化结果空间分布示意图

    Figure 3.  Aircraft noise automatic monitoring optimization results

    图 4  3种优化方法点位对比韦恩图

    Figure 4.  Venn diagram of point location comparison among three optimization methods

    图 5  优化前后指标归一化值分布对比图

    Figure 5.  Comparison of index value distribution before and after optimization

    表 1  评价指标含义与属性

    Table 1.  Implication and attribute of evaluation index

    指标代码评价指标指标表征指标属性
    噪声敏感度监测点位所在地用地类型与噪声控制区级别收益型指标
    飞机噪声等值线距离监测点位与飞机噪声等值线的直线最短距离成本型指标
    主航迹线距离监测点位与最近一条主航迹线的直线最短距离成本型指标
    交通噪声影响监测点位与交通干线(道路/轨道)的直线最短距离收益型指标
    指标代码评价指标指标表征指标属性
    噪声敏感度监测点位所在地用地类型与噪声控制区级别收益型指标
    飞机噪声等值线距离监测点位与飞机噪声等值线的直线最短距离成本型指标
    主航迹线距离监测点位与最近一条主航迹线的直线最短距离成本型指标
    交通噪声影响监测点位与交通干线(道路/轨道)的直线最短距离收益型指标
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    表 2  噪声敏感度量化赋值

    Table 2.  Quantification value of noise sensitivity

    噪声敏感度城乡用地类型噪声控制区级别受影响人群数量/人量化赋值
    敏感居民住宅、教育科研、医疗卫生等1≥50010
    敏感居民住宅、教育科研、医疗卫生等1100~5009
    敏感居民住宅、教育科研、医疗卫生等1<1008
    较敏感行政办公、文化艺术、商业服务等2≥1006
    较敏感行政办公、文化艺术、商业服务等2<1005
    较不敏感工业生产、物流仓储、体育娱乐、公园广场等33
    不敏感农业生产、矿业生产、交通设施、公用设施等41
      注:噪声敏感度和城乡用地类型参照《机场周围飞机噪声环境标准》(GB 9660-1988)[26]和美国联邦航空局(FAA)提出的《机场噪声相容性规划》进行分类;量化赋值按受飞机噪声影响度的高低加以确定。
    噪声敏感度城乡用地类型噪声控制区级别受影响人群数量/人量化赋值
    敏感居民住宅、教育科研、医疗卫生等1≥50010
    敏感居民住宅、教育科研、医疗卫生等1100~5009
    敏感居民住宅、教育科研、医疗卫生等1<1008
    较敏感行政办公、文化艺术、商业服务等2≥1006
    较敏感行政办公、文化艺术、商业服务等2<1005
    较不敏感工业生产、物流仓储、体育娱乐、公园广场等33
    不敏感农业生产、矿业生产、交通设施、公用设施等41
      注:噪声敏感度和城乡用地类型参照《机场周围飞机噪声环境标准》(GB 9660-1988)[26]和美国联邦航空局(FAA)提出的《机场噪声相容性规划》进行分类;量化赋值按受飞机噪声影响度的高低加以确定。
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    表 3  拟选监测点位指标量化值

    Table 3.  Quantitative value of indicators of monitoring points

    点位编号噪声敏感度(指标①)飞机噪声等值线距离(指标②)主航迹线距离(指标③)交通噪声影响(指标④1))点位编号噪声敏感度(指标①)飞机噪声等值线距离(指标②)主航迹线距离(指标③)交通噪声影响(指标④1))
    E0152.630 01.310 00.200 0E11310.250 00.225 00.200 0
    E0280.500 00.075 00.200 0E12911.160 00.463 00.200 0
    E0350.500 00.067 50.200 0E131011.290 00.556 00.200 0
    E0480.300 00.022 50.100 0E141010.880 00.463 00.200 0
    E0580.281 00.788 00.200 0E1550.728 00.894 00.200 0
    E0650.844 01.010 00.200 0N0690.600 00.012 00.200 0
    E0760.281 00.612 00.200 0N0780.282 00.206 00.150 0
    E08615.380 00.225 00.200 0N0851.880 00.263 00.200 0
    E09813.310 00.327 00.200 0N0952.340 00.327 00.200 0
    E10514.160 00.498 00.200 0N1081.690 00.225 00.120 0
      注:1)参照《公路建设项目环境影响评价规范》(JTG B03-2006)[27],交通噪声影响在路中心线两侧各200 m范围内,故指标④忽略与交通干线距离大于200 m点位的实际距离,表征值均取200 m。
    点位编号噪声敏感度(指标①)飞机噪声等值线距离(指标②)主航迹线距离(指标③)交通噪声影响(指标④1))点位编号噪声敏感度(指标①)飞机噪声等值线距离(指标②)主航迹线距离(指标③)交通噪声影响(指标④1))
    E0152.630 01.310 00.200 0E11310.250 00.225 00.200 0
    E0280.500 00.075 00.200 0E12911.160 00.463 00.200 0
    E0350.500 00.067 50.200 0E131011.290 00.556 00.200 0
    E0480.300 00.022 50.100 0E141010.880 00.463 00.200 0
    E0580.281 00.788 00.200 0E1550.728 00.894 00.200 0
    E0650.844 01.010 00.200 0N0690.600 00.012 00.200 0
    E0760.281 00.612 00.200 0N0780.282 00.206 00.150 0
    E08615.380 00.225 00.200 0N0851.880 00.263 00.200 0
    E09813.310 00.327 00.200 0N0952.340 00.327 00.200 0
    E10514.160 00.498 00.200 0N1081.690 00.225 00.120 0
      注:1)参照《公路建设项目环境影响评价规范》(JTG B03-2006)[27],交通噪声影响在路中心线两侧各200 m范围内,故指标④忽略与交通干线距离大于200 m点位的实际距离,表征值均取200 m。
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    表 4  指标权重值

    Table 4.  Weigth value of the index

    权重类型噪声敏感度(指标①)飞机噪声等值线距离(指标②)主航迹线距离(指标③)交通噪声影响(指标④)
    客观0.2960.3480.1960.159
    主观0.2870.2780.2800.155
    综合0.2930.3270.2210.158
    权重类型噪声敏感度(指标①)飞机噪声等值线距离(指标②)主航迹线距离(指标③)交通噪声影响(指标④)
    客观0.2960.3480.1960.159
    主观0.2870.2780.2800.155
    综合0.2930.3270.2210.158
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    表 5  监测点位最优贴近度、指标相对贡献率及优化结果

    Table 5.  Monitoring sites ranking, index contribution rate and optimization results

    序号点位编号最优贴近度指标相对贡献率/%点位分组优选结果
    噪声敏感度(指标①)飞机噪声等值线距离(指标②)主航迹线距离(指标③)交通噪声影响(指标④)
    1#N060.079 75626.4133.6623.2716.65N06N06
    2#E020.153 57123.2435.7923.3817.59E02、N07E02、N07
    3#N070.214 64126.0440.6823.429.85E02、N07E02、N07
    4#E050.267 54826.7141.7311.3620.21E05、N10E05
    5#N100.280 25928.9741.0425.614.38E05、N10E05
    6#E040.286 70327.7043.2329.060E04E04
    7#E070.327 76117.2044.8016.3021.70E07、E03、N08E07、E03
    8#E030.330 11210.7841.5227.2920.40E07、E03、N08E07、E03
    9#N080.358 88811.7441.0125.0422.21E07、E03、N08E07、E03
    10#N090.370 97212.1040.8024.2222.88N09、E14N09
    11#E140.391 74542.2614.0620.8322.85N09、E14N09
    12#E150.409 92413.2850.3411.2525.13E15、E13、E12、E06E15、E13
    13#E130.410 20543.8313.2519.2323.69E15、E13、E12、E06E15、E13
    14#E120.423 19638.9214.1622.3824.54E15、E13、E12、E06E15、E13
    15#E060.424 66813.7751.778.4126.05E15、E13、E12、E06E15、E13
    16#E010.484 06916.1553.28030.56E01、E09E01
    17#E090.487 43136.087.7328.8927.30E01、E09E01
    18#E080.573 98026.78039.4533.77E08、E11E08
    19#E110.577 418024.4540.7134.85E08、E11E08
    20#E100.622 27520.576.4934.0238.92E10
      注:4个指标相对贡献率的标准偏差依次为指标① 11.53、指标② 16.70、指标③ 9.96、指标④ 9.52。
    序号点位编号最优贴近度指标相对贡献率/%点位分组优选结果
    噪声敏感度(指标①)飞机噪声等值线距离(指标②)主航迹线距离(指标③)交通噪声影响(指标④)
    1#N060.079 75626.4133.6623.2716.65N06N06
    2#E020.153 57123.2435.7923.3817.59E02、N07E02、N07
    3#N070.214 64126.0440.6823.429.85E02、N07E02、N07
    4#E050.267 54826.7141.7311.3620.21E05、N10E05
    5#N100.280 25928.9741.0425.614.38E05、N10E05
    6#E040.286 70327.7043.2329.060E04E04
    7#E070.327 76117.2044.8016.3021.70E07、E03、N08E07、E03
    8#E030.330 11210.7841.5227.2920.40E07、E03、N08E07、E03
    9#N080.358 88811.7441.0125.0422.21E07、E03、N08E07、E03
    10#N090.370 97212.1040.8024.2222.88N09、E14N09
    11#E140.391 74542.2614.0620.8322.85N09、E14N09
    12#E150.409 92413.2850.3411.2525.13E15、E13、E12、E06E15、E13
    13#E130.410 20543.8313.2519.2323.69E15、E13、E12、E06E15、E13
    14#E120.423 19638.9214.1622.3824.54E15、E13、E12、E06E15、E13
    15#E060.424 66813.7751.778.4126.05E15、E13、E12、E06E15、E13
    16#E010.484 06916.1553.28030.56E01、E09E01
    17#E090.487 43136.087.7328.8927.30E01、E09E01
    18#E080.573 98026.78039.4533.77E08、E11E08
    19#E110.577 418024.4540.7134.85E08、E11E08
    20#E100.622 27520.576.4934.0238.92E10
      注:4个指标相对贡献率的标准偏差依次为指标① 11.53、指标② 16.70、指标③ 9.96、指标④ 9.52。
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-02-08
  • 录用日期:  2022-03-26
  • 刊出日期:  2022-06-10
何咏, 李金玉, 田岳林, 高成杰, 钱靖华, 杨永强. 基于综合权重-TOPSIS法的飞机噪声自动监测点位优化及效果对比[J]. 环境工程学报, 2022, 16(6): 2021-2031. doi: 10.12030/j.cjee.202202012
引用本文: 何咏, 李金玉, 田岳林, 高成杰, 钱靖华, 杨永强. 基于综合权重-TOPSIS法的飞机噪声自动监测点位优化及效果对比[J]. 环境工程学报, 2022, 16(6): 2021-2031. doi: 10.12030/j.cjee.202202012
HE Yong, LI Jinyu, TIAN Yuelin, GAO Chengjie, QIAN Jinghua, YANG Yongqiang. Optimization and effect comparison of aircraft noise automatic monitoring sites based on comprehensive weight-TOPSIS[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2022, 16(6): 2021-2031. doi: 10.12030/j.cjee.202202012
Citation: HE Yong, LI Jinyu, TIAN Yuelin, GAO Chengjie, QIAN Jinghua, YANG Yongqiang. Optimization and effect comparison of aircraft noise automatic monitoring sites based on comprehensive weight-TOPSIS[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2022, 16(6): 2021-2031. doi: 10.12030/j.cjee.202202012

基于综合权重-TOPSIS法的飞机噪声自动监测点位优化及效果对比

    通讯作者: 杨永强(1978—),男,硕士,高级工程师,yangyongqiang@cee.cn
    作者简介: 何咏(1985—),女,硕士,高级工程师,hy1759@163.com
  • 1. 北京市生态环境保护科学研究院,北京 100037
  • 2. 国家城市环境污染控制工程技术研究中心,北京 100037

摘要: 为克服飞机噪声监测系统传统布点方式存在的主观偏差,通过有限的监测点位实现监测系统代表性、有效性和经济性的最大化,采用综合权重-TOPSIS法对监测点布设位置与数量进行优化;基于机场布局、飞机噪声等值线、交通干线、土地利用及行政区划等机场所在区域相关信息空间叠图,构建机场噪声评价指标体系;结合决策群体主观偏好与指标表征数据的熵权,应用综合权重-TOPSIS法对某大型机场飞机噪声自动监测点位进行优化。结果表明:指标体系主要参考因素是飞机噪声等值线距离(指标②)、噪声敏感度(指标①)和主航迹线距离(指标③),综合权重值分别为0.327、0.293和0.221;拟选监测点位指标①、②、③的相对贡献率变化较大,说明点位受噪声敏感度、飞机噪声影响差异性大;根据相对最优贴近度值,将20个拟选点位优化为12个点位,与物元可拓法、最优指标法点位重复率分别为66.7%、75.0%,综合权重-TOPSIS法对飞机噪声等值线距离(指标②)和主航迹线距离(指标③)的优化效果均为最好。本研究成果可为飞机噪声自动监测体系标准化建设提供参考。

English Abstract

  • 随着机场建设规模和飞行覆盖范围的逐年扩大,飞机噪声污染扰民事件日益严重。作为飞机噪声管控的重要基础措施,飞机噪声自动监测系统已在国内外众多机场得到应用[1-4],而最新公布的《中华人民共和国噪声污染防治法》也明确提出“对机场周围民用航空器噪声进行监测”。飞机噪声监测点位布设往往与机场规模、地形地貌、周边功能区分布等因素密切联系[5-7]。方孝华等[8]提出,对拟设点位周边噪声污染状况、人口、建筑物和地形以及气象条件等因素,应按相关要求进行优化。面对飞机噪声污染频发又无法对所有声环境敏感点实现自动监测的境况,如何实现飞机噪声自动监测点位决策优化,通过有限的监测点位实现监测系统代表性、有效性和经济性的最大化,是当前亟需解决的现实问题。目前,用于噪声监测点位优化的研究方法较多,但飞机噪声监测点位的优化尚未形成一套成熟完善的标准体系[9-11]。已有的机场噪声监测优化研究方法(如蜂群算法、最小定点覆盖模型等[12-13])主要从传感器网络节点部署和区域覆盖的角度进行优化,未考虑周边环境敏感点影响指标。现状机场周边环境敏感点的监测布设大多通过敏感点手工噪声监测值比较以及专家经验来确定,敏感点手工监测能够反映局部区域噪声影响程度,但难以覆盖所有敏感点位,专家经验易受主观因素影响,存在判定标尺不一等问题。

    环境监测布点受影响源位置、源强、影响途径、受体特征等多个属性影响,点位优化属于多属性决策问题,属性权重的合理确定对决策结果的准确性至关重要。目前,获得权重的方法主要包括主观赋权法和客观赋权法。主观赋权法即决策者根据主观偏好给出属性权重,通常具有主观偏差性;而客观权重是基于客观信息矩阵,再通过最小平方法[14]、熵权法[15]等进行权重向量求解,受信息数量与数值大小影响,对于表现稳定的重要性指标或表现不稳定的非重要性指标,容易导致权重信息损失。有研究[16-18]表明,通过主观与客观权重相结合获得综合权重的方式,可在一定程度上避免权重损失。

    目前,监测点位优化决策的常用评价和优化方法有TOPSIS法[19-20]、物元可拓法[21-22]、最优指标法[23]等。TOPSIS法[24]通过评价目标属性信息与最优解、最劣解距离来进行排序或通过接近程度进行优化;物元可拓模型[25]通过构造目标物元矩阵和可拓节域物元矩阵,建立可拓集与目标物元集之间的关联函数,计算方法较复杂;最优指标法[23]通过评价目标属性信息与最优水平的接近程度来进行决策,计算方法简便,但未考虑属性最劣水平,在属性最劣水平差异较大的情况下,会导致评价结果具有一定偏差。综上所述,本研究以国内某新建大型机场飞机噪声自动监测点位布设为研究实例,构建以拟选点位的噪声敏感度、噪声等值线距离、主航迹线距离以及交通干线干扰等属性为指标的评价体系,将综合权重-TOPSIS法应用于监测点位评价优化过程,并从点位空间和指标数据分布的角度对方法可行性和优劣性进行定量分析,旨在为优化飞机噪声自动监测点位及完善监测方法体系建设提供参考。

    • 研究区域为某新建大型机场所在地,该区域以浅丘宽谷地貌为主,地形起伏不大,机场周边用地多为荒地、耕地、农田、鱼塘等,并分布有多个乡镇和村庄。机场近期规划目标:2025年满足年旅客吞吐量4 000万人次、飞机起降量32万架次、3条跑道,跑道走向为2条南北方向和1条东西方向。机场区域飞机噪声信息空间叠加示意图如图1所示。

      图1及现场调查数据可以看出,飞机噪声为70 dB以上区域涉及声环境敏感点约600处,包含居民区约550处(约4万户、13.5万人)、文教卫生设施约50处。

    • 以提升飞机噪声监测点位的代表性和有效性为目标,重点监测居住、文教区,兼顾行政办公、社会服务等区域,并排除交通噪声干扰因素,在网格布点和空间叠图分析基础上,选取北跑道周边20个拟选点位作为评价对象,以点位的噪声敏感度、飞机噪声等值线距离、主航迹线直线距离与交通噪声影响作为优化评价指标,评价指标含义与属性见表1

      根据城乡用地类型、噪声控制区级别以及受影响人群规模,对点位噪声敏感度进行量化赋值,结果见表2

      根据表1中指标的含义和表2中的数据,对拟选监测点位的噪声敏感度、飞机噪声等值线距离、主航迹线直线距离与交通噪声影响4个指标进行量化,得出点位指标值,结果见表3

    • 为克服飞机噪声监测系统传统经验布点方式存在的主观偏差,实现通过有限的监测点位实现监测系统代表性、有效性和经济性的最大化的目标,本研究基于机场布局、飞机噪声等值线、交通干线、土地利用及行政区划等机场所在区域相关信息空间叠图,构建以拟选点位的噪声敏感度、噪声等值线距离、主航迹线距离以及交通干线干扰等属性为指标的评价体系,结合机场管理者、专家学者以及周边居民等决策群体的主观偏好与指标属性表征数据的熵权得出综合权重,并将 TOPSIS 法引入监测点位评价优化过程,对飞机噪声自动监测点位布设位置与数量进行优化,优化流程如图2所示。

      综合权重-TOPSIS法优化流程主要包括初始矩阵归一化、客观权重计算、主观权重计算、综合权重确定、排序与分组以及指标相对贡献率6个步骤。

      1)初始矩阵归一化。根据表3数据构建初始矩阵,对于数值越大越优的收益型指标,归一化处理方程如式(1)所示;对于数值越小越优的成本型指标,归一化处理方程如式(2)所示。

      式中:sij为第i个收益型指标的第j个值;cij为第i个成本型指标的第j个值;rij为第i个指标的第j个数据归一化处理后的值。

      2)客观权重计算。采用熵权法计算指标表征数据的客观权重,熵权计算方程如式(3)~式(6)所示。

      式中:Hi为第i个指标的熵;wi为第i个指标的权重值;m为评价指标个数;n代表监测点位个数;i=1,2,…,m;j=1,2,…,n。

      3)主观权重计算。建立决策群对评价指标的主观偏好权重矩阵[G],采用式(3)~式(6)计算得出评价指标基于主观偏好矩阵的熵权Ui,该熵权值代表指标主观权重的一致程度。当Ui>1/m 时,代表决策群对该指标主观权重有较一致的评价,可将该指标的主观权重值取其平均主观权重值U'i,计算方程如式(7)所示;当Ui1/m 时,代表决策者对该指标主观权重评价不一致,此时,根据式(8)得到该指标的主观权重值U''i

      式中:w'i为剩余权重;k为主观权重评价不一致的指标个数;r=1,2,…,kgij为第i个决策者对第j个指标的主观权重值;m为决策者个数; n为评价指标个数;i=1,2,…,mj=1,2,…,n

      4)综合权重确定。根据评价指标属性分别给出客观权重系数a与主观权重系数b,权重系数a、b值根据2种权重差异性判定进行调整:当指标权重较大且2种权重值差异性大于50%时,认为指标的客观权重损失部分权重信息,此时以主观权重值为主,主权重系数a>0.5;当2种权重值差异性均小于50%时,可认为指标的客观权重没有损失较大权重信息,以客观权重为主,客观权重系数b>0.5。综合权重计算方法如式(9)所示。

      式中:i为综合权重;a为客观权重系数;b为客观权重系数;a+b=1

      5)排序与分组。根据综合权重得到加权矩阵后,计算每个监测点位的相对最优贴近度direl,计算方程如式(10)所示。

      式中:Pjo为加权矩阵中指标最大值;Pjw为加权矩阵中指标最小值;Zij为第j个监测点位的第i个指标加权值;m为评价指标个数;n代表监测点位个数;i=1,2,…,mj=1,2,…,n

      按照相对最优贴近度值由小至大进行排序(值越小越优),排序后的数据集通常在上、下四分位数区间之外的数据离散程度较高,因此,在确定组数时,为使离群值得到有效分组,以上、下四分位数为界限,采用数量标志分组法[28-29],分别确定各数据集的组数与组距。

      6)指标相对贡献率。计算每个监测点位上每项指标与最劣点位相应指标的相对距离,并根据该距离占比确定指标相对贡献率,计算方程如式(11)所示。

      式中:Ci为指标相对贡献率;Zij为第j个监测点位的第i个指标加权值。

    • 经计算,分别得出指标的主、客观权重值(表4)。2种权重值差异性均小于50%时,可认为本研究实例中各项指标的客观权重信息没有较大损失,因此,以客观权重为主,对主、客观权重分别取系数0.3和0.7,得出指标综合权重值(表4)。

      表4可看出:噪声等值线距离(指标②)的熵权值相对最大,其次是主航迹线距离(指标③);而根据主观偏好权重值,噪声敏感度(指标①)是监测点位选取时的主要参考因素,其次则是主航迹线距离(指标③)和噪声等值线距离(指标②);综合权重后,主要参考因素是飞机噪声等值线距离(指标②)、噪声敏感度(指标①)和主航迹线距离(指标③)。

    • 监测点位的相对最优贴近度值越低,则代表点位可选性越强,即点位所在地噪声敏感度更高,受飞机噪声影响更大,同时受交通干线干扰小。根据相对最优贴近度值排序并分组后,处于同一组中的点位综合评价结果相近,可进一步结合各点位指标相对贡献率、社会经济因素及现场安装条件等从同组中进行点位优选。研究实例的噪声自动监测点位最优贴近度、指标相对贡献率及优化结果见表5

      表5可看出,监测点位飞机噪声等值线距离(指标②)相对贡献率的标准偏差最大,其次为噪声敏感度(指标①)和主航迹线距离(指标③)。这说明,指标①、②、③的相对贡献率变化较大,点位的噪声敏感度和受飞机噪声影响的差异性大;交通噪声影响(指标④)对多数点位相对贡献率较高,这说明多数点位受交通噪声影响较小;随着点位最优贴近度值增加,交通噪声影响(指标④)相对贡献率呈增加趋势,这主要与指标①、②、③相对贡献率之和呈下降趋势有关,相应点位的综合可选性变弱。

      在优化组点位筛选过程中,每个优化组排序靠前的点位是否作为优化结果,还应综合考虑点位设置条件及其空间位置等实际情况。例如,2#和3#点位(E02+N07组合)的最优贴近度值跨度较大,重要指标②、①和③相对贡献率均较高,故2个点位均列入优化结果;E05+N10组合中E05的重要指标①和③相对贡献率虽低于N10的7.8%、55.6%,但其空间代表性更强,而N10受交通噪声影响较大,可由相近点位N07、N09所代替,同类型的优化组还有E01+E09组合。因此,该方法点位优化过程可结合实际需求加以调控,同时也符合机场管理部门对于噪声监测系统规划分期实施计划及成本控制的要求。研究区域飞机噪声自动监测点位优化结果空间分布见图3

    • 本研究采用物元可拓法、最优指标法对监测点位方案进行对比分析。为保证结果的可比性,2种比对方法均采用表4中的综合权重值,优化得出12个监测点位,与TOPSIS法优化结果进行对比分析,得出韦恩图(图4)。

      图4可以看出,TOPSIS法优化后的点位均在2种或3种优化方法的交集中;TOPSIS法与物元可拓法有8个相同点位,点位重复率为66.7%;TOPSIS法与最优指标法有9个相同点位,点位重复率为75.0%;3种方法共同的点位有5个,占点位总数量的41.7%。3种方法优化结果具有较高重复率且有一定差异,导致差异的原因主要有2个方面:一是距离测度算式不同,TOPSIS法是基于欧几里德范数,物元可拓法是基于点到区间的距离,最优指标法是基于与最优指标的比值;二是选取的参照点不同,TOPSIS法参照点是理想的优劣解,物元可拓法参照点是区间值,最优指标法参照点是最优值。3种优化方法均考虑各项评价指标的影响,与其他2种方法相比,TOPSIS法通过评价点位与最优解、最劣解的距离进行排序,从而实现兼顾周边敏感点集中区、飞机噪声和环境噪声监测点位的代表性,更符合飞机噪声监测点位的功能需求。

      由于指标值归一化处理后均转化为收益型指标,即越大越好,因此,在满足点位代表性的前提下,指标归一化值分布整体越高,表明该方案更优。对3种优化方法点位方案与原点位方案的指标值(归一化处理值)分布情况进行对比,结果见图5

      图5可看出:在原方案中,飞机噪声等值线距离(指标②)的归一化值分布范围最宽,其次是噪声敏感度(指标①)和主航迹线距离(指标③);对于交通噪声影响(指标④),由于多数点位受交通噪声影响均较小,总体分布集中。3种优化方案的指标归一化值分布均优于原方案。物元可拓法对噪声敏感度(指标①)的优化效果最好,中值和均值分别比原方案提高25.0%和9.6%;TOPSIS法对飞机噪声等值线距离(指标②)和主航迹线距离(指标③)的优化效果均为最好,中值分别比原方案提高9.1%和5.3%,均值分别比原方案提高19.6%和0.4%,说明TOPSIS法优化方案的指标归一化值分布整体上最高。

      从优化点位的空间分布来看,TOPSIS法兼顾到点位的噪声敏感度、飞机噪声级和航迹等重要因素,在筛选出重要监测点位的同时也考虑到空间分布的合理性,如在城区设置的E13点位,优于物元可拓法、最优指标法设置的E12+E14、E13+E14组合,将有限点位的技术经济效益趋于最大化。综上分析,TOPSIS法的点位优化方案总体效益最佳,兼顾敏感点位决策的客观性与不同监测目标的代表性,可用于飞机噪声自动监测系统工程设计及点位优化。

    • 1)应用综合权重-TOPSIS法对研究区域飞机噪声自动监测点位进行优化,综合权重值最大的3个指标是飞机噪声等值线距离(指标②)、噪声敏感度(指标①)和主航迹线距离(指标③),分别为0.327、0.293和0.221。根据相对最优贴近度值,将20个拟选点位优化为12个点位,经优化点位数量减少40.0%,从而实现对飞机噪声自动监测点位布设位置与数量的决策优化,可为飞机噪声监管及成本控制提供技术支持。

      2)综合权重-TOPSIS法与物元可拓法、最优指标法的点位重复率分别为66.7%、75.0%,且对飞机噪声等值线距离(指标②)和主航迹线距离(指标③)的优化效果均为最佳,3种方法共同点位数占总点位数的41.7%。与其他2种方法相比,TOPSIS法通过评价点位与最优解、最劣解的距离进行排序,更符合飞机噪声监测点位的功能需求。

      3)综合权重-TOPSIS法对飞机噪声等值线距离(指标②)和主航迹线距离(指标③)的优化效果均为最好,中值分别比原方案提高9.1%和5.3%,均值分别比原方案提高19.6%和0.4%。这说明TOPSIS法的点位优化方案总体效益最佳,优化结果客观有效,可用于飞机噪声自动监测系统工程设计及点位优化。

    参考文献 (29)

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