陳 雋，杜 昊，曹 雷

（1.同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院，上海 200092；2.福建江夏學(xué)院工程學(xué)院，福建 福州 350108）

自黨的十八大明確提出“新型城鎮(zhèn)化”概念以來(lái)，城鎮(zhèn)化建設(shè)作為國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略一直在高位推進(jìn)，2020年我國(guó)常住人口城鎮(zhèn)化率已超過(guò)60%［1］。世界范圍內(nèi)，目前約一半的人口在城市，預(yù)計(jì)到2050年將有超過(guò)三分之二的居民生活在城市地區(qū)［2］。文獻(xiàn)［3］中用“bring people together”高度概括了城市的功能，凸顯城市發(fā)展和服務(wù)的主體是市民。近年來(lái)我國(guó)各地興起了智慧城市建設(shè)，以人為本、更好地為市民提供服務(wù)是智慧城市建設(shè)的根本目的。

隨著城市的發(fā)展以及市民對(duì)美好生活期望的不斷增強(qiáng)，近年來(lái)城市環(huán)境振動(dòng)對(duì)市民工作、生活的影響越來(lái)越受到關(guān)注。城市環(huán)境振動(dòng)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)城市振動(dòng)）是指由市內(nèi)軌道交通、路面交通、動(dòng)力機(jī)器、建設(shè)施工行為、人群活動(dòng)以及強(qiáng)風(fēng)、地震等原因造成的場(chǎng)地或建筑物振動(dòng)。長(zhǎng)期存在且反復(fù)發(fā)生的城市振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致建筑物受損［4］、影響建筑內(nèi)精密儀器的加工精度［5］、降低工作和生產(chǎn)效率、影響市民生活質(zhì)量甚至身心健康［6-7］等。事實(shí)上，城市振動(dòng)作為一種新型環(huán)境污染，已被國(guó)際上公認(rèn)為七大環(huán)境公害之一，與其相關(guān)的市民投訴逐年上升。

以城市交通發(fā)展帶來(lái)的城市振動(dòng)問(wèn)題為例。截至2020年初，我國(guó)40個(gè)城市開(kāi)通城市軌道交通運(yùn)營(yíng)線(xiàn)路208條，運(yùn)營(yíng)線(xiàn)路總長(zhǎng)度已超過(guò)6 700 km［8］；高鐵總里程達(dá)38 000 km，超過(guò)了所有其他國(guó)家里程的總和。城市交通體系呈現(xiàn)立體化、網(wǎng)格化發(fā)展，從地下、地面甚至空中（如穿過(guò)或跨過(guò)建筑物的高架線(xiàn)路）深入到居民區(qū)和城市商業(yè)中心，交通密度大、流量高、車(chē)速快。城市交通網(wǎng)絡(luò)在方便市民出行的同時(shí)也加劇了城市振動(dòng)污染，影響了人們的正常工作和生活［9］。

盡管城市振動(dòng)污染問(wèn)題日益加劇，但是目前非常缺乏展示城市振動(dòng)污染的影響范圍、嚴(yán)重程度和演化規(guī)律的有效工具，相關(guān)振動(dòng)污染防治措施的制定缺少科學(xué)的決策依據(jù)，各類(lèi)措施的有效性難以及時(shí)被檢驗(yàn)。針對(duì)城市振動(dòng)污染防治的強(qiáng)烈社會(huì)需求與分析手段匱乏之間的矛盾，提出了“城市振動(dòng)污染圖”的概念，并通過(guò)群智感知方式收集城市振動(dòng)數(shù)據(jù)，結(jié)合地理信息系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)不同尺度的振動(dòng)污染圖。最后，進(jìn)行了不同地理尺度上的應(yīng)用示例，展示了城市振動(dòng)污染圖的可行性。

1 城市振動(dòng)污染圖

1.1 環(huán)境污染地圖

環(huán)境污染地圖作為污染源信息與地理信息融合的可視化工具，以直觀(guān)的方式，科學(xué)且有效地將環(huán)境污染狀況展示給公眾，是最常用的環(huán)境污染程度表達(dá)方法，不僅應(yīng)用于大氣污染、水污染、噪聲污染等傳統(tǒng)問(wèn)題，還應(yīng)用于光污染、霧霾等新型環(huán)境問(wèn)題［10-12］。

1.2 城市振動(dòng)污染圖及實(shí)現(xiàn)途徑

受上述工作啟發(fā)，針對(duì)城市振動(dòng)提出“城市振動(dòng)污染圖”的概念，并將其定義為：綜合振動(dòng)特征、地理信息、城市建筑和基礎(chǔ)設(shè)施等信息以反映城市振動(dòng)污染水平的數(shù)據(jù)地圖。

城市振動(dòng)污染圖的實(shí)現(xiàn)包括振動(dòng)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理與可視化三大部分。其中，振動(dòng)數(shù)據(jù)采集是核心，決定了后續(xù)數(shù)據(jù)處理的原則和可視化展示的方式。從設(shè)備成本、振源多變、時(shí)空效應(yīng)及在線(xiàn)更新等角度，數(shù)據(jù)采集顯然不能依賴(lài)于有限數(shù)量的固定或移動(dòng)測(cè)站的傳統(tǒng)方式，而需要充分利用現(xiàn)代城市泛在的測(cè)試設(shè)備和普適感知能力，將振動(dòng)位置、環(huán)境和市民三要素?zé)o縫連接成強(qiáng)大公眾感知網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對(duì)城市振動(dòng)的立體感知。因此，“群智感知”就成為城市振動(dòng)污染圖數(shù)據(jù)采集的必然選擇。

“群智感知”（crowd-sensing）是指將普通用戶(hù)的智能設(shè)備（手機(jī)、平板、手表等）作為終端傳感器，通過(guò)大量用戶(hù)的協(xié)作實(shí)現(xiàn)對(duì)周?chē)h(huán)境信息的感知。“眾包（crowd-sourcing）”是群智感知的一種工作模式［13］，指把某項(xiàng)任務(wù)以自有資源（如個(gè)人手機(jī)、電腦）的形式外包給非特定的、大規(guī)模的大眾志愿者的做法。眾包可以根據(jù)不同任務(wù)的設(shè)置，靈活調(diào)整感知范圍、選定感知環(huán)境。據(jù)此，城市振動(dòng)污染圖的實(shí)現(xiàn)步驟如下：①開(kāi)發(fā)基于智能攜帶設(shè)備的環(huán)境振動(dòng)采集軟件；②開(kāi)展眾包推廣，志愿者上傳感知數(shù)據(jù)并形成多源異構(gòu)振動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)；③進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗和數(shù)據(jù)填充；④利用現(xiàn)有各類(lèi)地圖軟件的應(yīng)用程序編程接口（API），繪制城市振動(dòng)污染圖。按照上述方案進(jìn)行了探索，以下重點(diǎn)介紹數(shù)據(jù)采集和應(yīng)用示例2個(gè)部分。

2 城市環(huán)境振動(dòng)的群智感知

2.1 數(shù)據(jù)采集

智能攜帶設(shè)備可通過(guò)App或小程序完成振動(dòng)信號(hào)收集。App需要下載到本機(jī)運(yùn)行，功能完整，響應(yīng)速度快，但占用較多硬件資源，同時(shí)版本更新慢。小程序無(wú)需下載，使用靈活，可隨時(shí)更新功能，但需要通過(guò)特定平臺(tái)（如微信）等接入。為對(duì)比以上2種方式，分別開(kāi)發(fā)了“VCheck”微信小程序和“振感地圖”App（以下簡(jiǎn)稱(chēng)振感App）。目前，2個(gè)程序都可在微信平臺(tái)或應(yīng)用市場(chǎng)檢索和下載。

VCheck和振感App均通過(guò)調(diào)用智能手機(jī)自帶的加速度傳感器，完成用戶(hù)對(duì)環(huán)境振動(dòng)的自主感知。具體使用步驟為：①志愿者在其手機(jī)上下載安裝軟件或使用小程序；②在指定區(qū)域或工作、生活場(chǎng)所，利用手機(jī)軟件測(cè)量振動(dòng)時(shí)程（必須）；③填寫(xiě)振感問(wèn)卷調(diào)查表；④拍攝振動(dòng)區(qū)域的照片或視頻（可選）；⑤提交數(shù)據(jù)至云端服務(wù)器；⑥后臺(tái)審核、確認(rèn)數(shù)據(jù)并對(duì)合格數(shù)據(jù)進(jìn)行獎(jiǎng)勵(lì)。

為保證測(cè)試數(shù)據(jù)的精度，采用小型高精度振動(dòng)臺(tái)對(duì)市面上近50種智能手機(jī)的加速度測(cè)量精度進(jìn)行了檢驗(yàn)［14］。根據(jù)檢驗(yàn)結(jié)果，在眾包任務(wù)的條件設(shè)置中對(duì)手機(jī)型號(hào)進(jìn)行了限定。同時(shí)，在振感App和VCheck中以輪播圖方式強(qiáng)調(diào)數(shù)據(jù)采集實(shí)施的要點(diǎn)，如手機(jī)必須放置在堅(jiān)硬的振動(dòng)面上（如樓面、地面等），屏幕應(yīng)垂直于振動(dòng)方向，強(qiáng)制要求最短測(cè)試時(shí)長(zhǎng)為30 s等。

為對(duì)比不同群智感知推廣策略的差異，分別利用VCheck和振感App進(jìn)行了線(xiàn)上非指定區(qū)域和線(xiàn)下指定區(qū)域的振動(dòng)數(shù)據(jù)采集。前者通過(guò)線(xiàn)上社交網(wǎng)絡(luò)推廣，已收集到來(lái)自4個(gè)國(guó)家、30個(gè)省市的8 521條環(huán)境振動(dòng)數(shù)據(jù)；后者采用線(xiàn)下志愿者招募方式，在上海市2個(gè)指定區(qū)域共收集到222條環(huán)境振動(dòng)數(shù)據(jù)。城市振動(dòng)污染圖建立初期，可采用人工布點(diǎn)的方式，測(cè)點(diǎn)密度根據(jù)振源特點(diǎn)決定，本研究初步嘗試了每0.5～2.0 km2方格一個(gè)測(cè)點(diǎn)的原則。遠(yuǎn)期目標(biāo)是隨著群智感知推廣的深入和用戶(hù)的增加，形成指定區(qū)域穩(wěn)定的測(cè)點(diǎn)數(shù)。圖1為VCheck收集的一組樣本時(shí)程和測(cè)點(diǎn)環(huán)境照片，圖2為振感App獲得的3類(lèi)振動(dòng)數(shù)據(jù)，分別是由地鐵運(yùn)行、公園內(nèi)過(guò)山車(chē)游樂(lè)設(shè)施運(yùn)行和路面交通運(yùn)行所引起的自由場(chǎng)地上振動(dòng)時(shí)程及其頻譜圖。

圖1 VCheck收集到的樣本示例Fig.1 Sample collected by VCheck

2.2 數(shù)據(jù)清洗

上述群智感知所獲得的每個(gè)樣本都包含振動(dòng)信號(hào)、問(wèn)卷表、照片、視頻等多源異構(gòu)數(shù)據(jù)。盡管在程序端已經(jīng)采取了對(duì)測(cè)試方式、時(shí)長(zhǎng)等方面的限制措施，但是由于群智感知數(shù)據(jù)的來(lái)源豐富、類(lèi)型多樣、場(chǎng)景復(fù)雜，相比實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的可控性差，數(shù)據(jù)質(zhì)量也相對(duì)要低，甚至可能有無(wú)效數(shù)據(jù)，因此需要通過(guò)不斷迭代優(yōu)化的方式，形成合理、有效的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)清洗準(zhǔn)則，確保在剔除錯(cuò)誤數(shù)據(jù)的同時(shí)，保留特殊場(chǎng)景下的有價(jià)值數(shù)據(jù)。

實(shí)踐表明，城市振動(dòng)污染圖數(shù)據(jù)清洗可采用信號(hào)特征分析和語(yǔ)義矛盾2種方式。前者通過(guò)測(cè)試信號(hào)分析識(shí)別由手機(jī)硬件質(zhì)量、通信網(wǎng)絡(luò)或者志愿者自身操作等原因造成的問(wèn)題數(shù)據(jù)。如圖3所示，圖3a為有效數(shù)據(jù)，圖3b（等幅信號(hào)）、圖3c（間斷信號(hào)）為問(wèn)題數(shù)據(jù)。后者利用問(wèn)卷調(diào)查表中的信息沖突來(lái)識(shí)別問(wèn)題樣本，如年齡超過(guò)100歲、身高超過(guò)2.5 m等。2種清洗方法的詳細(xì)步驟和迭代更新原則見(jiàn)文獻(xiàn)［15］。

圖3 不同類(lèi)型數(shù)據(jù)示例Fig.3 Examples of different types of data

經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)清洗，4 089條全國(guó)振動(dòng)數(shù)據(jù)和187條區(qū)域振動(dòng)數(shù)據(jù)為有效數(shù)據(jù)，合格率分別為48.0%和84.2%。這一結(jié)果一方面反映了大數(shù)據(jù)低價(jià)值（low value）的顯著特點(diǎn)，另一方面也反映了2種數(shù)據(jù)采集方式的不同效果，在基于群智感知的數(shù)據(jù)采集中應(yīng)特別重視數(shù)據(jù)來(lái)源與對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)清洗工作。

對(duì)清洗過(guò)后的振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)域分析，選擇《城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 10070-88）中的豎向振動(dòng)加速度級(jí)評(píng)價(jià)環(huán)境振動(dòng)，如下所示：

式中：V為豎向振動(dòng)加速度級(jí)；a0為基準(zhǔn)加速度，取10-6m·s-2；T為時(shí)間計(jì)權(quán)常數(shù)，取1 s；arms為頻率計(jì)權(quán)振動(dòng)加速度有效值；at為頻率計(jì)權(quán)振動(dòng)加速度。

3 城市振動(dòng)污染圖的可視化示例

3.1 城市振動(dòng)污染圖繪制

城市振動(dòng)污染圖繪制是綜合數(shù)據(jù)儲(chǔ)存、融合和分析的過(guò)程，分別使用ArcGIS軟件、高德地圖API和百度地圖API展示城市振動(dòng)污染圖的繪制。先以目標(biāo)感知區(qū)域的地理信息（道路、建筑和地形等）為基礎(chǔ)，形成城市振動(dòng)污染圖的底圖，再根據(jù)采集點(diǎn)經(jīng)緯度坐標(biāo)將實(shí)測(cè)環(huán)境振動(dòng)信息（如豎向振動(dòng)加速度級(jí)）融合入底圖。根據(jù)數(shù)據(jù)類(lèi)型和密度，可分別采用點(diǎn)圖、熱力圖、區(qū)域污染圖等方式進(jìn)行可視化展示。當(dāng)群智感知獲取的數(shù)據(jù)累積到一定階段，可通過(guò)地理信息系統(tǒng)的分析工具，推演振動(dòng)污染現(xiàn)象的時(shí)空分布和演變特征。

3.2 振源特點(diǎn)分析

圖2展示了3種不同振源引起的振動(dòng)加速度時(shí)程與頻譜。圖2a為由地鐵運(yùn)行引起的環(huán)境振動(dòng)加速度時(shí)程與頻譜，豎向振動(dòng)加速度峰值為0.341 6 m·s-2，在40～60 Hz時(shí)有卓越頻率。圖2b為由某城市公園內(nèi)過(guò)山車(chē)游樂(lè)設(shè)施在運(yùn)行時(shí)引起的環(huán)境振動(dòng)加速度時(shí)程與頻譜，豎向振動(dòng)加速度峰值為0.193 3 m·s-2，頻譜能量分散在40～100 Hz。圖2c為由路面交通運(yùn)行引起的環(huán)境振動(dòng)加速度時(shí)程與頻譜，振動(dòng)時(shí)程中有對(duì)應(yīng)大型車(chē)輛通過(guò)時(shí)的脈沖信號(hào)，豎向振動(dòng)加速度峰值為0.049 0 m·s-2，頻譜特性類(lèi)似白噪聲。參考《建筑樓蓋結(jié)構(gòu)振動(dòng)舒適度技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ/T 441―2019）的限值，地鐵及過(guò)山車(chē)引起的環(huán)境振動(dòng)的幅值超過(guò)了人體有感振幅0.05 m·s-2，但地鐵引起的振動(dòng)幅值未超過(guò)生產(chǎn)操作區(qū)域的加速度限值0.40 m·s-2。上述結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)志愿者的主觀(guān)感受和評(píng)價(jià)也吻合。顯然，基于智能攜帶設(shè)備的環(huán)境振動(dòng)測(cè)試可行，同時(shí)通過(guò)對(duì)振動(dòng)數(shù)據(jù)的時(shí)域、頻域特征分析，可以大致判斷振動(dòng)污染源的類(lèi)型，對(duì)后續(xù)細(xì)致調(diào)查具有指導(dǎo)意義。

3.3 城市振動(dòng)污染圖示例

將目前群智感知獲得的振動(dòng)數(shù)據(jù)與地理信息結(jié)合，可繪制不同尺度的振動(dòng)污染圖?；诂F(xiàn)有數(shù)據(jù)，以位置點(diǎn)圖方式繪制了振動(dòng)數(shù)據(jù)分布圖（見(jiàn)圖4a），并統(tǒng)計(jì)了全國(guó)各行政區(qū)振動(dòng)強(qiáng)度（見(jiàn)圖4b）。需要說(shuō)明的是，目前的數(shù)據(jù)量不支持對(duì)以上兩圖做任何有意義的后續(xù)分析，只用于展示該尺度上城市振動(dòng)污染圖的可行性。

圖4 群智感知振動(dòng)數(shù)據(jù)分布Fig.4 Distribution of vibration data perceived by crowd-sensing

圖5a、b展示了某市的振動(dòng)數(shù)據(jù)來(lái)源和強(qiáng)度。有意義的是，在振動(dòng)強(qiáng)度熱力圖（見(jiàn)圖5b）中，振級(jí)較大的區(qū)域集中在該城市多條地鐵線(xiàn)路的交匯點(diǎn)。顯然，目前的數(shù)據(jù)已經(jīng)支持在城市尺度上給出一些有參考價(jià)值的結(jié)果。

圖5 某市振動(dòng)數(shù)據(jù)分布Fig.5 Distribution of vibration data in a city

圖6為某市一個(gè)地鐵下穿公園區(qū)域的城市振動(dòng)污染圖。圖6a為振動(dòng)測(cè)點(diǎn)（圖中圓點(diǎn)）以及地鐵線(xiàn)路情況；圖6b為振動(dòng)強(qiáng)度熱力圖，由測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)通過(guò)克里金插值函數(shù)計(jì)算得到，顏色越深則振動(dòng)污染等級(jí)越高。圖6b中左下部黑色區(qū)域?yàn)榈罔F站附近，環(huán)境振動(dòng)等級(jí)偏高。圖7為該區(qū)域環(huán)境振動(dòng)數(shù)據(jù)的定位點(diǎn)地圖，展示志愿者描述的振動(dòng)發(fā)生時(shí)間、地點(diǎn)、振源類(lèi)型以及振感描述等信息，顯然定位點(diǎn)所反映的振動(dòng)信息與振動(dòng)污染狀況（見(jiàn)圖6b）是一致的。圖6b右上部的黑色區(qū)域內(nèi)有公園游樂(lè)場(chǎng)（小型過(guò)山車(chē)、海盜船等動(dòng)感游戲設(shè)備），同時(shí)臨近主干道路，因此環(huán)境振動(dòng)等級(jí)高。盡管如此，但是由于此區(qū)域內(nèi)無(wú)居民住宅、商業(yè)辦公樓等容納市民長(zhǎng)時(shí)間停留的場(chǎng)所，因此沒(méi)有關(guān)于環(huán)境振動(dòng)的投訴。上述結(jié)果表明，綜合利用城市振動(dòng)污染圖及其對(duì)應(yīng)的定位信息，可以實(shí)現(xiàn)為市民、管理部門(mén)提供環(huán)境振動(dòng)信息的功能，隨著數(shù)據(jù)量的增大以及在線(xiàn)功能的實(shí)現(xiàn)，也可以達(dá)到輔助管理和決策的目的。

圖6 地鐵下穿區(qū)域振動(dòng)數(shù)據(jù)分布及城市振動(dòng)污染圖Fig.6 Distribution of vibration data and Map of Urban Vibration Pollution in subway underpass areas

圖7 區(qū)域振動(dòng)定位點(diǎn)Fig.7 Location points of vibration

4 結(jié)語(yǔ)

從城市環(huán)境污染評(píng)估和治理的高度，提出了“城市振動(dòng)污染圖”的概念。利用與市民生活密不可分的智能攜帶設(shè)備，編制并上線(xiàn)了2款軟件。通過(guò)群智感知方式不斷采集和積累全國(guó)和區(qū)域環(huán)境振動(dòng)數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)據(jù)清洗后結(jié)合地理信息展示了不同尺度的數(shù)據(jù)分布圖、振級(jí)熱力圖以及振感定位圖等多種形式的城市振動(dòng)污染圖。雖然上述示例距離實(shí)用差距巨大，但是足以表明城市振動(dòng)污染圖用于城市振動(dòng)可視化和分析的可行性和潛在價(jià)值。

作者貢獻(xiàn)聲明：

陳雋：研究構(gòu)思，論文撰寫(xiě)與修改。

杜昊：軟件開(kāi)發(fā)，數(shù)據(jù)處理與分析，論文撰寫(xiě)。

曹雷：軟件開(kāi)發(fā)，數(shù)據(jù)收集。