（生态学专业论文）环境信息化及其在环境噪声监测管理上的应用.pdf

捅要 摘要 在线自动监测是信息技术在环境监测领域的应用。我国噪声监测的最终目标是实现 在线自动监测。目前，我国水和大气自动监测已经具有相当的规模和技术，而城市环境 噪声污染具有瞬时性和空间分布上的不连续性，只有采用多点抽样法测量且尽量提高监 测频次，才能较真实的反映噪声污染水平。由于我国在环境噪声在线自动监测系统项目 开发上的欠缺和现有监测仪器的落后，使环境噪声在线自动监测系统的开发成为环境监 测部门亟待深入开展的工作。 哈尔滨市环保局信息中心将此作为课题深入研究，开发了噪声在线自动监测系统， 此系统由前端智能仪表、噪声数据管理中心、噪声数据处理中心和分析处理软件四个部 分组成。前端仪表将噪声数据及时、准确地通过网络传给环境监督管理部门，为环境噪 声监测和治理提供有效的依据，为我国各大中型城市实施安静工程提供有效的环境噪声 监测手段，对推动环保领域的技术进步和科技发展具有十分重要的现实意义。 本论文主要是将哈尔滨市作为噪声在线自动监测系统的研究试点，通过对城市区域 环境噪声网格的优化，在优化后的点位上进行在线自动监测并对统计数据进行研究，发 现噪声规律。为全国范围内的噪声在线自动监测的应用提供依据：为制定相应的技术规 范和管理规范提供原始数据；并对系统进行完善和改进提供建议。 关键词环境信息化；噪声监测； 在线自动监测系统；优化布点 a b s t r a c t o n l i n ea u t om o n i t o r i n gi sa na p p l i c a t i o no fi n f o r m a t i o nt e c h n i q u ei ne n v i r o n m e n t a l m o n i t o r i n ga r e a a c h i e v i n go n l i n ea u t om o n i t o r i n gi so u ru l t i m a t et a r g e to fn o i s em o n i t o r i n g a tp r e s e n t ，t h ea u t om o n i t o r i n go fw a t e ra n da t m o s p h e r eh a sp o s s e s s e dq u i t es c o p ea n d t e c h n i q u ei nc h i n a t h ec i t ye n v i r o n m e n t a ln o i s ep o l l u t i o ni s i n s t a n t a n e o u sa n di t ss p a t i a l d i s t r i b u t i o ni sd i s c o n t i n u o u s ，s oo n l yt h em u l t i s a m p l em e t h o da n dt h ei m p r o v e m e n to fm o n i t o r f r e q u e n c i e sc a r lm a k et h er e s u l tr e s p o n d i n gt h ea c t u a le n v i r o n m e n t a ln o i s ep o l l u t i o nl e v e l t h e r ea r em a n yd e f i c i e n c i e si nt h ei t e md e v e l o p m e n to fe n v i r o n m e n t a ln o i s eo n l i n ea u t o m o n i t o r i n gs y s t e m ，a n dt h ed e v e l o p m e n to ft h i ss y s t e mb e c o m e st h eu r g e n tt a s ko fm o n i t o r i n g d e p a r t m e n t t h ei n f o r m a t i o nc e n t e ro fh a r b i ne n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o nb u r e a us t u d yt h eo b j e c ta n d c o n t r i v et h en o i s eo n l i n ea u t om o n i t o r i n gs y s t e m t h e r ea r ef o u rp a r t si nt h i ss y s t e m ：f o r e i n t e l l i g e n tm e t e r ；n o i s ed a t aa d m i n i s t e rc e n t e r ；n o i s ed a t ad i s p o s ec e n t e r ；a n a l y s es o f t w a r e t h e f o r e i n t e l l i g e n tm e t e rs e n tn o i s ed a t at h r o u g hn e t w o r kt oe n v i r o n m e n t a ls u p e r v i s ed e p a r t m e n t t h i s p a p e ro p t i m i z et h ec i t y a r e ae n v i r o n m e n t a ln o i s eg r i d d i n go fh a r b i nc i t y ，t h e n m o n i t o rn o i s eo n l i n eo no p t i m i z e dp o s i t i o na n ds t u d yt h en o i s ed a t af o rs e a r c h i n gt h er u l eo f n o i s e t h i ss t u d yc a nm a k es a m p l ef o rt h en a t i o n a ls c a l en o i s eo n l i n ea u t om o n i t o r i n g ，a n d o f f e rs o m ea d v i s e sf o rt h ea m e l i o r a t i o no f t h i ss y s t e m k e y w o r d s e n v i r o n m e n t a li n f o r m a t i z a t i o n n o i s em o n i t o r o n l i n ea u t om o n i t o r i n gs y s t e m o p t i m i z ep o s i t i o n i i 1 前言 1 1 信息化的概念 1 前言 “信息化”这一概念是日本学者在2 0 世纪6 0 年代提出来的。所谓“信息化”，是 与“信息革命”的一系列主要特征相联系的概念。正如“自动化”是与“工业革命”紧 密联系一样。通常“化”是指事物从原有状态走向新状态的过程。随着信息的重要性在 社会经济活动的各个领域得到体现，信息化从狭义的信息技术领域的概念扩展为涉及经 济和社会生活各个方面的广义概念。因此，所谓“信息化”，是指人类社会发展过程中 的这样一种阶段和进程：在这个阶段中，社会的整体目标是要通过普遍地利用现代信息 技术，把现阶段的社会发展状态工业社会或农业社会推进到一个崭新的社会发 展状态一信息社会；与此相伴随，把现阶段的经济发展状态工业经济或农业经济一 一推进到一个崭新的经济发展状态信息经济。从这个意义上来说，我们可以这样理 解：信息化是把现阶段社会推进到信息社会的过程。i l j 1 2 环境信息化的概念 环境管理需要大量环境数据支持。上世纪8 0 年代中期以前的环境数据，无论是利一 类还是数量都相对有限，各项数据以及报表等均为手工操作。随着环境保护工作的深入 开展和环境科学的形成和发展，人们逐渐认识到对环境所发生的种种变化及其影响如何 度量和评价已成为亟待解决的重大问题之一。到了8 0 年代后期，人们对环境保护科学 的研究和认识的深入，掌握环境质量的变化过程和规律，需要有环境状况和环境变化趋 势的信息。也就是说环境保护管理工作需要大量的环境信息支持。其中包括自然地理、 社会经济、环境管理( 包括环境统计、环境监测、环境污染源分布) 以及与环境保护相 关的信息【2 1 。环境信息是一个涉及许多领域的综合信息，其内容极为丰富，来源也十分 广泛，且各种环境信息之间具有十分强烈的相关性和综合性。随着计算机技术突飞猛进 的发展，计算机已经成为现代社会人们处理信息的重要工具。 环境信息化可理解为信息技术在环境保护的应用过程，在某种意义上来说就是将包 括自然地理、经济社会、环境监测、环境统计、污染源申报登记、污染源分布及源强、 自然资源和环境容量等各方面的环境信息数字化，使环境管理适应于信息经济时代”1 。 1 。3 环境信息系统 1 3 1 国外环境信息系统 2 0 世纪7 0 年代初期以来，计算机在工业发达国家的环境保护工作中得到了r 益广 泛的应用。已开发出多种大型、多功能、综合性的环境信息系统，在环境监测、科学研 东北林业大学硕士学位论文 究、决策、规划、墨境预测与评价等各个领域发挥这重要的作用。在环境信息的自动化 管理方面，目前主要有：美国的全国大气监测数据信息服务系统、国家大气测定数据 库、德国的环境信息管理系统等【4 】，这些系统除了完成环境监测任务外，还用于行政管 理、科学研究、环境决策、规划及预测等方面的任务。 另外，有些国家的环境信息系统是集成了多种任务的综合环境信息系统，如日本的 环境综合分析信息系统，其功能除了数据存储外，还具有运用各种模型对系统收集和整 理过的信息进行分析预测、综合争端和因果分析等功能【5 1 。 1 。3 2 我国环境信息系统 中国环境信息系统建设的基本框架共有四级：国家级、省级、城市级和县级i 副。城 市级环境信息系统是全国环境信息系统的主要支点，他负责采集、分析、处理、储存、 传输各类城市环境数据，是国家和省级系统的数据源。目前大部分城市环保局收集、分 析和处理环境信息的手段比较落后，不能满足城市环保局环境管理与决策的需要。因此 建设城市级环境信息系统已成为全国环境信息系统建设的当务之急。城市环境信息系统 集办公自动化、管理信息系统、地理信息系统、环境数据分析系统和数据发布系统于一 体的综合环境信息系统“j 。 1 。3 3 我国环境信息的获取与处理 目前，全国环境保护系统初步形成了以国控网络监测站为骨干的环境地面盗测网络 体系，进行水、大气、噪声和生态环境全面监测9 1 。同时：建立了以国家环境信息中心 和2 7 个省级信息中心为依托的信息网络系统，进行环境信息的分析和处理，大大提高 了我国环境信息处理的能力，促进了我国环境管理水平和科技水平的进步。 1 4 我国环境信息系统的应用 随着我国环境信息化快速发展，环境信息系统在我国环境保护管理和决策中发挥了 重要的作用。环境统计工作已进行了近2 0 年，环境统计软件运行多年，已有多个版 本。环境监测有数据传输软件，该软件统一了环境质量监测的数据格式，经过了近】0 年的应用，积累了大量的数据，但对数据进行分析和加工处理还不够。排污申报是开展 比较好的工作之一，每次排污申报工作都得到大量数据。城市环境综合整治定量考核和 排污收费管理是各级环保局急需利用计算机进行管理的工作。 环境管理所涉及的大量环境信息，除具有时间性和动态性特点外，还具有空间分靠 的特点。因此，将地理空间数据与环境监测数据有机结合在一起极为重要。g i s 最大特 点在于把社会生活中的各种信息与反映地理位置的图形信息有机地结合在一起，并可根 据用户需要对这些信息进行分析。到目前为止，我国环境保护部门已陆续开展了各种形 式和规模的g i s 研究与应用，显示了其在环境保护工作中应用的巨大优势和潜力 1 前言 1 5 环境信息系统发展趋势 1 5 1 现代化环境监测技术 我国环境常规和应急监测以人工为主。随着“全国环境信息卫星通讯网络建设和 “环境自动监测网建设”项目的启动，环境监测实现自动化，极大充实了信息系统的数 据库，为数据分析、挖掘打下坚实的基础【1 3 】。 1 5 2 数据挖掘技术研究与应用 随着科技的发展，决策所需的数据量也不断增长。随着积累的数据越来越多，数据 处理的任务就更加繁重。面对堆积如山的数据，要在这样多的数据中寻找隐藏在其中的 有用信息无异于大海捞针。数据挖掘技术是为了顺应这种要求而产生并迅速发展起来 的。数据挖掘是在深层次上进行数据分析，从数据库中发现前所未知的、隐含的知识。 经过多年的发展，我国建立了各种数据库，伴随着数据仓库的建设，2 1 世纪应用数据挖 掘技术从这些数据库中挖掘出有用的信息将对我国的环境决策提供重要技术支持【1 3 】4 l 。 1 5 3 空间数据表现 环境地理信息系统将得到全面发展，将对整个环境保护部门利用现代信息技术，迅 速、准确地获取自然灾害和环境信息，及时、全面地掌握我国环境污染和生态破坏的发 生、发展与演变过程，并作出科学分析和评价起到重要的作用。也将为地理信息系统与 遥感技术( r s ) 、全球定位系统( g p s ) 技术的结合应用，形成国家完整的连续、动 态、快速的环境信息获取与处理技术体系打下必要的基础f 1 5 q 6 1 。 东北林业大学硕士学位论文 2 环境噪声监测现状、存在的问题及趋势 2 1 声音和噪声 从客观方面看( 物理声学) ，声音的本质是波动。物体振动时激励着它周围的空气 质点振动，由于空气具有惯性和弹性，在空气质点的相互作用下振动物体四周的空气就 交替地产生压缩和膨胀，并且逐渐向外传播而形成声波。当振动频率在2 0 2 0 0 0 0 h z 时，作用于人的耳鼓膜而产生的感觉称为声音【1 ”。 人类是生活在一个声音的环境中，通过声音进行交谈、表达思想感情以及开展各种 活动。但是有些声音并不是人们所需要的，它们损害人们的健康，影响人们的生活和工 作丁扰人们的交谈和休息。例如，震耳欲聋的机器声，呼啸而过的飞机声等。 如何判断一个声音是否为噪音，从物理学观点来说，振幅和频率杂乱连续或统计上 无规律的声振动称为噪音。从环境保护的角度来说，判断一个声音是否为噪声，要根据 时间、地点、环境及人们的心理和生理等因素。一般认为，凡是干扰人们休息，学习和 工作的声音即不需要的声音统称为噪声。当噪声超过人们的生活和生产活动所能容许的 程度，就形成噪声污染。 噪声污染的特点是局限性和没有后效性，噪声污染是物理污染，它在环境中只是造 成空气物理性质的暂时变化，噪声源停止发声后，污染立刻消失，不留任何残余污染物 质f 1 7 l8 1 。 2 2 噪声的危害 环境噪声污染干扰人们的正常工作、生活和休息，严重时甚至影响人们的身体健 康。噪声对人体的危害最直接的是听力损害，它可以使人暂时性或永久性失聪、即噪声 性耳聋；噪声会影响人的睡眠质量，强烈的噪声甚至使人无法入睡，心烦意乱；许多证 据表明，噪声会引起人体紧张的反应，使肾上腺素增加，因而导致心率和血压的升高， 从而引起心脏病的发展和恶化；噪声还能引起消化系统和神经系统方面疾病，胃溃疡和 神经衰弱是最明显的症状；噪声对心理的影响主要表现为烦躁、激动、易怒、甚至失去 理智；此外，噪声还会影响胎儿的生长发育和儿童的智力发展；噪声会使鸟类羽毛脱 落，不产卵，甚至内出血或死亡；噪声可使办公效率降低、产品质量下降、房地产贬 值；在特定条件下，噪声甚至成为社会不稳定因素之一。正是由于噪声的种种危害，目 前已经成为世界性四大环境公害之一i l “j 。 2 3 环境噪声污染现状 环境噪声污染主要来源是交通噪声、工业噪声、施工噪声和生活噪声口2 1 。上个世纪 束，联合国环境保护署在环境状况一拯救我们的星球一文中指出“与1 0 年前相 比，噪声已经成为一个更加严重的问题。特别是在许多发展中国家，噪声污染日趋严 2 环境噪声监测现状、存在的问题及趋势 重。在马尼拉，曼谷，开罗和许多其他城市，它已经成为一个重要的环境问题。1 2 m 在 发达国家，噪声仍然是主要的环境问题。据欧共体的统计，其成员国人口有2 0 ( 8 千 万人) 生活在黑色区域( 白天l e q 6 5 d b ( a ) ) ，4 0 ( 1 7 亿人) 生活在灰色区域( 白 天l e q = 5 5 6 5 d b ( a ) ) 里1 2 。3 0 多年前，人们就制订了户外环境噪声为4 0 - - 5 0 d b ( a ) 的理想目标。但现在看来，离这一目标还非常遥远。交通噪声仍有日趋严重之 势：欧共体预测，到2 0 1 0 年，欧共体国家的地面交通运输量将曾经1 0 0 ，空中交通将 增加j 8 0 ；据调查，德国有7 0 的人口受交通噪声干扰，其中2 2o t 受到严重干扰，受 飞机噪声干扰的占4 0 ；英国伦敦交通噪声、飞机噪声、铁路噪声、工业及建筑施工噪 声干扰的人口分别为3 6 、9 、5 、7 ，在家中能听到交通噪声的达9 1 ；日本有 3 8 的人口暴露在超过标准的交通噪声环境中【2 5 2 7 。 在我国城市环境噪声污染已经成为干扰人们正常生活的主要环境问题之。据统 计，在影响城市环境的各种噪声来源中，社会生活噪声占4 7 ，工业噪声占8 1 0 ，建筑施工噪声占5 左右，交通噪声占3 0 1 2 8 j 。我国重点城市区域环境噪声总体水 平在5 6 5 8 d b ( a ) ，处于中等污染水平，约有2 3 的城市人口生活在高噪声的环境 中。我国重点城市道路交通噪声总体水平近十年来居高不下，已有3 4 以上的城市交通 干线两侧噪声平均值超过7 0 d b ( a ) ；低于7 0 d b ( a ) 的城市比例不到2 0 i2 9 】。全国每 年因道路交通噪声污染导致的经济损失约合人民2 1 6 亿元，仅北京市每年因道路交通噪声 污染导致的经济损失就达1 5 2 0 亿元p ”“。我国各类功能区噪声超标比较普遍。据全 国统计，全国反映噪声污染的来信、来访占环境污染投诉的比例逐年增加，而且一直高 居各类环境污染投诉的第一位i ”j 。 2 4 环境噪声监测概况 控制环境污染的前提是掌握环境质量状况，而掌握环境质量状况的最科学手段是环 境监测。环境监测是环境科学的一个重要分支口3 1 。广义上，是在一定时期内对污染因u 了 进行重复测定，追踪其污染的变化：狭义上，是对污染物进行定期测定，判断是否达到 环境标准或评价环境管理和控制环境系统的效果f ”】。环境监测是人们认识环境、评价环 境的重要手段，是制定和执行环境法规、标准，进行环境决策的依据，是实现环境管理 科学化的基础，是环境保护工作的重要组成部分【”j 。 城市环境噪声监测是目前环境监测的三大主要监测项目( 水、气、噪声) 之一，包 括环境噪声常规监测和污染源噪声监测，前者一般指功能区噪声监测、区域环境噪声监 测和交通噪声监测；而后者主要指工业企业厂界噪声监测、建筑施工场界噪声监测和各 种生活噪声监测。要想改善城市声环境质量，必须加强环境噪声监测工作，使其为环境 噪声管理提供准确、及时、科学、全面的信息，爿能保证环境噪声管理工作有的放矢、 行之有效 3 6 - - 37 1 。 2 4 1 国外环境噪声监测现状及发展趋势 国外环境噪声监测工作足伴随着环境质量恶化的过程而开展的，由于国外工业化和 城市化程度早于我国，环境问题的产生也早于我国，开展环境噪声监测则自然早r 我 东北林业大学硕士学位论文 国。 一些发达国家，如美国、日本、丹麦等国，无论从环境噪声监测仪器还是监测布点 技术方面而言都是比较成熟的。由于计算机的应用，噪声监测信息的处理、加工和评 价，均已达到较高的水平。丹麦的b & k 公司，挪威的n o r - s o n i c 公司等国际上著名的声 学仪器公司所开发的噪声监测仪器已经能够做到自动测量、自动数据处理、信息自动传 输、信息网络互联、监测信息共享，且很好的解决了监测仪器的全天候的问题【弛1 。随着 环境噪声监测仪器的自动化和小型化水平的不断提高，实现自动监测将不存在技术e 的 问题，仅仅简化为经济上能否承受的问题。 目前国外噪声自动监测大都应用在机场噪声监测和固定噪声源的监测中【3 9 1 。国外比 较大型的国际机场均建立有飞机噪声自动监测系统，各类飞机的起降噪声由自动监测系 统自动监测，并直接与机场塔台联网，以确定其是否超标 4 。日本已能做到对固定噪声 源进行自动监测，全国布有7 0 0 0 个固定源噪声自动监测点，随时随地监控各噪声源对 周围环境的干扰情况，确定是否需要对其收费、限期治理、甚至责令其停产。 目前的研究热门和发展方向表现在三个方面：一是更加深入地进行环境噪声预测， 为环境噪声管理、治理、控制和规划提供依据；二是加强噪声信息的实验室分析研究， 着重进行噪声信息频率成分、时间特性、空间分布、噪声信息的模拟等方面的研究；三 是完善噪声的全自动监测，增加监测时段，提高监测数据的时间代表性和空间代表性 4 1 1 。 国外许多噪声专业研究机构，目前的主要研究精力均集中在如何简捷、准确地预测 环境噪声的声级及其影响范围。除通常的理论推导外，更注重于显示环境的实验室模 拟，在专业的消声室或混响室内，利用建筑模型或道路模型，运用高频声信号做实验 源，研究噪声在不同环境条件下的传播规律 4 2 枷】。还有的国家，如美国，将噪声预测模 式图解化，根据不同的环境条件，可直接从图上查阅出预测声级，且有较高的准确率。 随着计算机的逐步普及，环境噪声的数值预测技术将日趋成熟。 多年的环境噪声监测和评价时间发现，目前普遍采用的一些评价参量，如等效声级 l e q ，并不能完全反映人们对噪声的主观感受，特别是在夜间，噪声级的大小与人们的 噪声烦恼度有较大差异。如何更为贴切地反映人们对环境噪声的实际感受，准确地表示 声环境质量，一直是国内外许多声学工作者和环境工作者希望解决的课题【4 ”。从而，环 境噪声的实验室分析得到了加强。如噪声信息的现场分析仅能分析其倍频程或1 3 倍频 程平均频谱，不能反映噪声信息在整个频率范围内的能量分布。在实验室中，利用实时 分析技术，或借助于更为精密的1 1 0 甚至1 1 0 0 倍频程滤波器，就可方便地得到整个频 率范围的能量分布。 随着环境噪声传播规律研究的不断深入，有可能优化环境噪声监测点位，从而实现 环境噪声的自动连续监测。 2 4 2 国内环境噪声监测现状 2 4 2 1 我国开展环境噪声监测的历史 我国的环境噪声监测开始的并不晚。早在2 0 世纪6 0 年代，我国少数声学专家就在 2 环境噪声监测现状、存在的问题及趋势 北京等地进行了环境噪声调查。1 9 7 6 年，中国科学院声学研究所与有关省环境保护部门 合作，进行了北京、天津、哈尔滨、杭州、南京、武汉、重庆和广州8 个城市的交通噪 声调查，这可以说是我国环境噪声监测的开始。1 9 7 9 年，原国务院环境保护领导小组办 公室在湖南衡阳举办了环境保护系统第一次噪声监测与控制培训班，为环境保护系统培 养了首批噪声监测人员。从此以后，我国的环境噪声监测才正式纳入常规项目，全国已 有4 0 多个城市开展了道路交通噪声或区域环境的普查。【4 ”6 j 随着我国环境噪声监测工作的逐步开展，1 9 8 2 年我国制定了城市区域环境噪声标 准( g b 3 0 9 6 8 2 ) 和城市环境噪声测量方法( g b 3 2 2 2 8 2 ) ，从而使我国环境噪 声监测和评价方法趋于统一。1 9 8 6 年，由国家环境保护局发起，中国环境监测总站组织 有关部门制定了我国第一部环境监测技术规范( 噪声部分) ，规定了噪声监测项目、 时段、频率、数据处理方法、数据报告程序等，从此我国环境噪声监测工作正式纳入例 行监测的范畴，我国的环境噪声监测技术走上了规范化的道路。从“七五”期间开始， 我国绝大多数城市每年平均进行了道路交通噪声、功能区噪声和区域环境噪声监测，上 海、天津等少数城市还开展了高空噪声监测。1 2 4 2 2 环境噪声监测仪器 卢级计是环境噪声测量的基本测量仪器。由传声器单元、放大器、显示仪表三大部 分组成【4 ”。监测人员必须到现场，将声级计手持或固定在测量三角架上进行监测。 传声器单元! 放大器或分析器记录或显示单元 臣叫刁 图2 - 1 噪声测量系统 2 4 2 3 城市环境噪声监测现状 1 监测项目 常规监测项目：功能区噪声定期监测、道路交通噪声监测、区域环境噪声普查。 2 监测周期 功能区噪声定期监测：大城市、列为环境保护重点的中等城市，每季度测量一次， 每季最末一个月测量；其它中、小城市，每半年测量一次，六、十二两月为测量月。 道路交通噪声：每年监测一次，测量时间选择春季或秋季。 区域环境噪声普查：每年进行一次，测量时间选择春季或秋季。 3 布点方法 我国的环境噪声监测布点是根据不同的测量内容选用不同的布点方法。 监测道路交通噪声接自然路段布点，由交叉路口自然分割成的各路段内，距路1 5 东北林业大学硕士学位论文 5 0 m 以远布设一个测点，赤反应该路段的交通噪声水平：对整条道路或整个道路系统， 则由一自然路段的监测结果经长度加权平均后求得。 对于区域环境噪声，测区内按等面积网格法均匀布点，常用的网格尺度力 2 5 0 m x 2 5 0 m 、5 0 0 m 5 0 0 m 或1 0 0 0 m x l 0 0 0 m 等，在每个网格中心测量。 功能区噪声在每类功能区内选择功能特征明显、代表性强的位置布设一个测点进行 昼夜2 4 h 连续监测。 2 5 我国环境噪声监测技术存在的主要问题及原因分析 经过多年的努力，我国的环境噪声监测初步形成了监测体系，已具备了环境噪声常 规监测的能力。但与发达国家相比，还存在很大差距。环境噪声监测技术和仪器的不成 熟，严重不能够适应日益强化的环境噪声管理的需要。存在以下问题： ( 1 ) 监测频次低，数据代表性差 我国环境噪声监测频次：道路交通噪声每年监测一次，区域环境噪声4 6 个国家城 考城市每年监测一次，其他城市每五年监测一次，功能区噪声每季度监测一次。而噪声 的污染水平与人们的活动程度密切相关，春季北方风沙大、南方游人多；夏季人们户外 活动频繁，昆虫呜叫；秋季能流、物流量大；冬季北方采暖噪声源增加。四季的噪声污 染程度存在很大的差异，仅靠一年一次的测量尚不足以真实反映一个城市本年度的平均 噪声水平。但由于仪器设备和人员数量、素质的限制，目前尚难以大幅度地提高监测频 次。各城市由于监测时段不统一，噪声城市间环境噪声监测数据可比性差。 ( 2 ) 监测点位多，监测仪器设备落后，浪费人力物力 噪声信号不同于大气污染物、水体污染物等化学物质，其空间分布是不连续的。山 于受地形地貌、建筑物等的遮挡，噪声信号发生诸如反射、折射、衍射、吸收等波动现 象而使声能量的分布发生变化，导致空间分布的不连续性。只有采用多点抽样法测 量，才能较为真实地反映一个区域的噪声平均污染水平。然而，由于目前使用的监测仪 器都是便携式，需要监测人员到现场。如此多的点位，需要浪费大量的人力物力。如此 繁琐而简单的工作耗费了监测技术人员大量的精力，因而大多数噪声监测只停留在简单 的数据获取阶段，而无暇进行更深层次的分析和评价，导致我国环境噪声监测水平的滞 后。 2 6 我国噪声监测发展趋势 我国环境监测的目标是最终实现自动连续监测，环境噪声监测作为整个环境监测体 系的一个重要组成部分，当然也不例外。从上述的问题来看，目前的监测水平已经远远 不能满足管理的需要。伴随着科学技术的进步，开展在线自动噪声监测已成为我国噪声 监测的发展必然趋势。但由于我国在环境噪声在线自动监测系统项目上的欠缺，迄今还 没有成熟完善的噪声自动监测技术，虽然国外已有定型产品，如丹麦b & k 公司的全天 候户外传声器单元、噪声自动监测仪等，但由于国外仪器造价昂贵，广泛推广使用不切 合我国实际国情。因此环境噪声在线自动监测系统的开发是我国环境监测部门亟待深入 2 环境噪声监测现状、存在的问题及趋势 开展的工作；自动监测技术是环保部门极为重视的项目。 2 7 本论文研究内容及意义 基于我国在环境噪声在线自动监测系统项目上的欠缺，哈尔滨市环境信息中心总结 国外经验并结合我国实际情况，将此申报课题进行噪声在线自动监测系统的丌发。此系 统是将噪声污染源的状态利用传感技术、通讯技术和计算机及其网络技术有机结合而构 成的新型的环境噪声监测系统。噪声数据通过计算机存储、修正、统计等处理后，以图 形和报表的形式，及时、准确地通过网络传给环境监督管理部门，为环境噪声监测和治 理提供有效的依据。它有着无须人员值守，2 4 h 连续运行的特点，并与地理信息系统相 结合，极大地解决了当前噪声监测耗时、费力、代表性差等问题。为环境噪声执法、评 价和治理提供及时、可靠、有效的依据，为我国各大中型城市实施安静工程提供了及时 的、准确的环境噪声监测手段，对推动环保领域的技术进步和科技发展具有十分重要的 现实意义。 本论文主要是将哈尔滨市作为噪声在线自动监测系统的研究试点，进行区域环境噪 声在线自动监测的研究，测试并进一步完善噪声在线自动监测系统。同时，通过此研究 获取基础数据，为制定噪声在线自动监测技术规范和相应的管理办法提供第一手资料。 东北林业大学硕士学位论文 3 噪声在线自动监测系统介绍 3 1 系统总体结构设计 本系统主要是针对全国各大中型城市环境噪声监测而开发的大型分布式计算机网络 监测系统。所做的主要工作是依据环境监测技术规范、数字蜂窝移动通信网总技术 规范、电子测量仪表技术规范、互联网技术规范、计算机软件开发技术规范以 及相关技术标准进行综合开发设计的。所作的主要贡献是结合当代先进成熟技术的综合 设计方案及系统的架构、通讯软件和噪声分析处理软件。 环境噪声在线自动监测系统结构示意图见图3 1 ： 系统可分为四个部分；前端智能仪表、噪声数据管理中心、噪声数据处理中心、分 析处理软件。 本系统可具有：n 个前端智能仪表，n 小于1 0 0 0 0 ；k 个噪声数据管理中心，k 小于 1 0 0 ；m 个噪声数据处理中心，m 小于1 0 0 0 。 无 线 通 讯 网 数 数 数 据据 据 通通 迅 管 迅 、叫f 叫 计计 理 算 算 平 机机 1 2 口 i 喔直熬握餐l l j h 叠s 互 联 网 图3 - 1 环境噪声在线自动监测系统结构示意图 3 2 系统构成说明及功能 3 2 1 前端智能仪表 前端智能仪表框图见图3 - 2 。 匿蛩；圈匪 圈圜；圜圈 3 噪声在线自动监测系统介绍 i 气象参数采样i - 嵌入式计算机 l 噪声采样装置i - 数据分析、统计、频谱分 无线通讯 析、存储、传输、录音处 i 传输模块 理、气象参数处理等 l 噪声超标录音i - 图3 - 2 前端智能仪表框图 图3 - 3 前端智能仪表 前端智能仪表是系统的户外单元，主要由噪声数据采样装置、数据预处理计算机、 无线通讯传输模块构成。前端智能仪表在嵌入式微计算机系统程序的控制下进行自动工 作。环境噪声状态通过数据采样装置传输到数据预处理计算机，再经过数据分析、统 计、频谱分析、存储、录音处理、气象参数等预处理后传送给无线通讯数据模块单元， 并自动将数据传送给管理中心。 前端智能仪表除了具有数据采集功能外，还具有趣标数字录音、气象参数采样和噪 声频谱分析三大功能。超标数字录音模块主要通过麦克风采样并由嵌入式微计算机进行 a d 转换，再由软件判断是否超标，如果超标则进行压缩处理并自动打包发送给腑控中 心：气象参数采样模块主要由温度传感器和风速发电机采样，并由嵌入式微计算机进行 a ，d 转换并处理；噪声频谱分析模块主要由声级计加滤波器构成，噪声频谱分析模块可 替换噪声数据采样装置，区别是采样频率更高。 为了保证能够全天候的稳定工作，前端智能仪表带有全天候仪表防护箱和太阳能供 申装置。 3 2 。2 噪声数据管理中心 数据管理中心主要由数据通讯计算机、数据管理计算机和网络设备构成。从图3 一 东北林业大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = ! = ：! ： ：= ：= - 4 、3 - 5 可知，它是连接前端智能仪表与数据处理中心的桥梁。数据管理中心主要具有对 前端智能仪表的管理；数据的管理和备份；根据不同的环境管理部门传送相应数据= - 大 功能。 数据管理中心与前端智能仪表通讯采用无线通讯网通讯，与数据处理中心采用互联 网通讯。 3 2 3 噪声数据处理中心 数据处理中心是为环境监督管理部门开发设计的。主要由数据处理计算机、监视器 及打印机等构成。需要有几个支撑软件作基础：数据库软件、地理信息系统软件、统汁 分析软件。数据处理中心采用b s ( 浏览器服务器) 模式，用户可通过服务器确认调用 及录入所需数据信息。 数据处理中心的核心功能是数据处理，可自动生成监测点噪声数据动态显示波形 图、噪声统计分布( 正态分布或偏态分布) 、相关性检验、期望值和标准差、及用户所 需各种日、月、年统计图表等；还具有噪声超标报警、现场录音回放及地理信息演示等 功能。 噪声数据处理中心操作界面如图3 - 4 、3 - 5 。 图3 - 4 噪声数据处理中心a 3 噪声在线自动监测系统介绍 图3 5 噪声数据处理中心b 3 2 4 监测软件系统 噪声监测软件系统模型见附图3 - 6 。 数据采集子系统数据库管理子系统 数据处理子系统 医磊h 商 广域网 曝商 广蛾网 固固ll 国d 莲医习矗 图3 - 6 噪声监测软件系统模型 本系统的全部功能是由软、硬件有机配合完成的。图3 - 6 表达了本系统软件基本模 型，分为数据采集子系统、数据管理子系统、数据处理子系统三个部分。各子系统之i 刈 有广域网通讯进行数据传输，由于本系统是大型分布式系统，因此各部分软件全部町以 独立运行，特别是数据管理平台，可根据前端智能仪表的数量决定采用多少个数据通讯 计算机，并在空间上可以集中管理也可分散管理。 数据采集子系统软件完成3 + 2 1 所述全部功能；数据管理子系统软件完成3 2 2 条所 述全部功能；数据处理子系统软件完成3 2 r 3 条所述全部功能。 东北林业大学硕士学位论文 3 。3 系统的特点 ( 1 ) 噪声实时监测，监测数据具有代表性 系统能够对噪声进行实时监测，并能够将所有数据传输回数据处理中心进行数据处 理，数据代表性强，能够反映噪声的真实水平。 ( 2 ) 节省人力物力，系统操作具有简便性 系统应用计算机处理所有数据，不仅可以得到瞬时陆线，还可以得到平均值统计， 动态分析，统计分布，相关性检验等任何所需图表。这不仅大大降低了工作人员的劳动 强度而且便于管理部门及时了解噪声情况，进一步的分析并及时采取响应措施。 ( 3 ) 全国无线联网，数据采集快捷方便 采用无线数传方式，采集一个端站数据花费的时间小于3 s ，大大提高了数据采集效 率，确保管理部门及时发现问题、及时处理。数据传输过程当中即便网络中断，由于前 端智能仪表能够存储l o 天的原始数据，因此再连接时即可补齐原始数据。 ( 4 ) 系统安装简便，全天候工作，无需人员看守和维护 在线监测要解决的关键问题就是传感器全天候问题。目前使用的监测仪器均对温 度、湿度、雨雪等环境条件非常敏感，当温度、湿度或大气压变化时，传感器及仪器的 灵敏度会受到影响。而在线自动监测需要仪器长期置于室外，因此必须保证系统能在无 人看守情况下，在各种恶劣环境( 如高温、低温、高湿等) 下正常运行。 带有防风罩的电容传声器用延伸杆与下部的太阳能供电的全天候仪表防护箱连接。 声级计( 除电容传声器外) 、嵌入式计算机和无线通讯传输模块等都装在具有太阳能供 电装置的全天候仪表防护箱内，箱内具有经专门设计的恒温装置。恒温控制装置和太阳 能供电装置均为传统技术设计。太阳能供电装置保证仪器在阴天情况下正常工作7 2 h ， 且可免去电源供电的限制，无需外接电线。恒温控制装置确保箱内温度在2 0 。c 左右，无 论户外气温如何变化均可以保证箱内仪表的稳定性。 ( 5 ) 结合地理信息系统，具有直观可视性 地理信息系统最大特点在于把社会生活中的各种信息与反映地理位置的图形信息有 机地结合在一起，并可根据用户需要对这些信息进行分析。环境监测数据和统计信息除 具有时问性和动态性外，还具有空间属性，最适于采用地理信息系统进行表达。我们不 仅可以掌握数据及图表信息，还可以在地图上直观显示。另外，与地理信息系统的结 合，为环境噪声的预测和动态模拟提供了方便和可能。 4 哈尔滨市区域环境噪声在线自动监测 4 哈尔滨市区域环境噪声在线自动监测 4 。1 试点工作总框图 4 2 现状调查 4 2 1 监测选点 图4 - 1 试点工作总框图 根据g b t1 4 6 2 3 9 3 城市区域环境噪声测量方法，哈尔滨市区域环境噪声监测 采用网格测量法，即按7 0 0 m 7 0 0 m 个网格将整个城市划分成3 0 8 个网格陶i 图4 2 ) 。 按照城市区域环境噪声监测的技术要求，一个网格中的工厂、道路及非建成区的面积之 和不得大于网格面积的5 0 ，否则视该网格无效，可不予以监测。故实测点位为2 1 6 个，监测面积为1 0 5 8 4 k m 2 ，其中一类标准适用区( 居民、文教区) 监测面积1 5 1 9 k m 2 ，监测网格数3 1 个；二类标准适用区( 居民、商业、工业混合区) 监测面积7 7 9 l k m 2 ，监测网格数1 5 7 个：三类标准适用区( 工业区) 监测面积1 2 7 4k m 2 ，监测网格2 8 个。 东北林业大学硕士学位论文 图4 - 2 哈尔滨区域噪声网格布点 1 6 4 哈尔滨市区域环境噪声在线自动监测 4 2 2 测量方法 测量时间选在每年5 月或6 月的白天，以每个网格中心为测试点( 可视实际情况适 当移动监测位置) ，每个测点测量1 0 r a i n 的等效声级。 4 。2 3 评价方法 人耳对于不同频率的声波反应的敏感程度是不一样的。为了使声音的客观量度和人 耳的听觉主观感受近似取得一致，通常对不同频率声音的声压级经某一特定的力权修j f 后，再叠加计算可得到噪声总的声压级，此声压级称为汁权声级。通常采用的有a 、 b 、c 、d 四种计权，由于a 计权的频率响应与人耳对声音的灵敏度相当，目前a 计权 成为最广泛应用的评价参量m 1 。 但由于噪声起伏或不连续性，我们通常按噪声能量随时间的平均a 声级来评价，称 为等效连续a 声级，简称等效声级，符号为l e q ( 或l a e q t ) ，单位为d b ( a ) 。定义 式为： l e q = 1 0i gi 争i ? 1 0 。“ d t 式中：l a 为t 时刻的瞬时a 声级： t 为连续取样的总时间。 在实际测量中实行等间隔取样，用下式表示： 均，“争私“ 式中：l 。为第i 次读取的a 声级。 n为取样总数。 4 。3 区域环境噪声监测优化布点 由于环境噪声在线自动监测系统的前端部分造价很高，如果在2 1 6 个点位上全部安 装不切合实际，不仅在资金投入上是一种浪费，而且给仪器维护人员带来诸多不便，因 此完全没有必要全部点位进行监测。我们可以利用数理统计中的抽样理论，对噪声监测 点位进行优化筛选，尽量让所选点位的测量结果具代表性。 4 3 1 环境噪声优化的数学模型 区域环境噪声监测优化布点需要对优化布点的数目、位置和各功能区监测点的分配 进行选定。研究优化布点，首先要求网格布点法的监测结果总体服从正态分布，同时还 必须遵循两个原则：一是优化布点测得的等效声级和标准差应具有较高的精度和可信 度；二是监测点应具有城市噪声功能区划的代表性。根据以上原则和要求，则可以按照 ：一：一一 些丝些堡圭墼坚= 一：= ： ：= 统计学理论选取以下数学模型1 5 0 】： ”= ( 妒( 妻，) 2 ，：1 , 2 , 3 kt 。n j 2 育 沁1 ，2 ，3k 门。= ，zi = 1 ，2 ，3kk 式中t _ 检验临界值； d 置信区间宽度： s 。第i 个功能区的标准差： n 一环境噪声网格布点总数； n ，第i 个功能区网格布点数 n 优化点总数： n 第i 个功能区的优化点数。 ( 2 ) ( 3 ) 4 。3 。2 样本选取 以2 0 0 3 年5 月所测噪声数据为样本，各监测点的监测值以l e q ( a ) 统计计算。监 测结果见表4 - 1 。 表4 - 1 噪声监测结果统计表 ! 皇玺篓至呈丝至丝坚耋塞竺皇塑些型 2 6 2 7 2 8 2 9 3 1 3 2 3 3 3 4 3 5 3 6 37 3 8 3 9 4 0 4 1 4 4 4 5 4 6 4 7 4 8 4 9 5 0 5 l 5 2 5 3 5 4 5 1 6 5 8 1 5 8 1 5 4 8 5 9 8 5 7 4 5 9 7 5 2 2 5 9 6 5 4 1 4 7 6 5 2 6 4 9 3 5 6 4 5 6 7 5 8 9 5 71 5 5 8 5 3 5 5 1 8 5 4 5 76 5 2 3 5 32 5 23 5 7 5 8 7 9 2 9 3 9 4 9 5 9 6 9 7 9 8 9 9 1 0 0 1 0 1 1 0 2 1 0 3 1 0 4 1 0 5 1 1 1 1 1 2 1 1 4 1 1 5 1 1 6 1 1 7 1 1 8 1 1 9 1 2 0 5 1 7 5 7 1 5 6 8 6 0 5 6 2 3 5 7 1 5 5 8 5 1 9 5 6 5 5