CN104598757B - 轨道区域交通噪声预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种轨道区域交通噪声预测方法，包括：将测试系统划分为多个测试子系统并建立其对应的子振动方程；根据多个子振动方程之间的协调关系建立总振动方程；根据振动方程及测试参数计算待测区域的声源强；根据噪声地图绘制单元及声源强，绘制待测区域对应的噪声地图，以便根据噪声地图对城市轨道区域交通噪声进行预测，其是基于耦合系统(车辆系统、轨道系统、桥梁‑桩基系统和环境土体系统)的振动响应计算声源强，使得计算结果准确合理，且适用于各种车辆和高架轨道结构，并且本方法中将待测区域的交通噪声绘制成噪声地图，通过该方式使我国城市轨道交通的噪声管理与控制、噪声环境影响评价、公众参与以及方案决策变得直观且方便。

Description

轨道区域交通噪声预测方法

技术领域

本发明涉及环境噪声领域，具体而言，涉及轨道区域交通噪声预测方法。

背景技术

我国目前采用《环境影响评价技术导则-城市轨道交通》标准提出的“噪声预测模式”来计算噪声问题，并对不达标的地段采取相应的减振降噪措施。

在工程实践过程中，噪声预测模式则采用较保守的预测模式。上述导则标准则采用2006版交通部规范预测模式FWHM模式-15米处噪声源强或者2006版交通部规范-7.5米噪声源强进行噪声预测，计算出环境振动噪声的计算结果，从而根据计算结果对不达标的地段采取相应的减振降噪措施；具体的，将测出的一些常见的普通轨道结构的声源强作为参考点声源强，并根据该参考点声源强对所有轨道结构进行计算，得到每一个轨道结构对应的环境振动噪声的计算结果，并根据该计算结果，制定减振降噪措施并实施。

发明人在研究中发现，每个城市的轨道结构、每个地区的轨道结构设置每个地区的不同地段的轨道结构都不同，并且随着技术的发展还会出线新结构的轨道，因此将一些常见的普通轨道结构的声源强作为参考点声源强进行预测计算，由于参考点声源强并未形成统一标准，计算结果往往不准确。

发明内容

本发明的目的在于提供一种轨道区域交通噪声预测方法，以提高城市的轨道结构的声源强的计算精度，从而使得环境振动噪声的计算结果更加精确。

第一方面，本发明实施例提供了一种轨道区域交通噪声预测方法，用于城市轨道交通噪声的测试系统中，测试系统为基于车辆系统、轨道系统、桥梁-桩基系统和环境土体系统的耦合系统，包括：

将测试系统划分为多个测试子系统；

分别建立多个测试子系统对应的子振动方程；

根据多个子振动方程之间的协调关系，建立耦合系统对应的振动方程；

获取待测区域对应的耦合系统的测试参数，测试参数至少包括各个测试子系统的刚度、质量和阻尼矩阵；

根据振动方程及测试参数，计算待测区域的声源强；

根据噪声地图绘制单元及声源强，绘制待测区域对应的噪声地图，以便根据噪声地图对城市轨道区域交通噪声进行预测。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，该轨道区域交通噪声预测方法中，测试子系统为两个，则将测试系统划分为多个测试子系统，包括：

将测试系统划分为第一测试子系统和第二测试子系统，第一测试子系统包括车辆系统、轨道系统和桥梁-桩基系统；第二测试子系统包括环境土体系统。

结合第一方面的第一种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，该轨道区域交通噪声预测方法中，分别建立多个测试子系统对应的子振动方程，包括：

根据待测区域的第一测试子系统的结构参数以及车辆运营参数，建立第一测试子系统的第一子振动方程；

以及，

根据待测区域的第二测试子系统的结构参数以及车辆运营参数，建立第二测试子系统的第二子振动方程。

结合第一方面的第一种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，该轨道区域交通噪声预测方法中，根据多个子振动方程之间的协调关系，建立耦合系统对应的振动方程，包括：

对第一子振动方程和第二子振动方程进行力协调和位移协调，建立整个耦合系统的振动方程。

结合第一方面的第二种可能的实施方式或第三种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，该轨道区域交通噪声预测方法，声源强包括轮轨噪声声源强、桥梁结构二次噪声声源强、空气动力噪声声源强和集电系统噪声声源强；

则根据振动方程及测试参数，计算待测区域的声源强，包括：

对第一测试子系统的第一子振动方程求解，得到计算结果；

根据计算结果及第二子振动方程，计算预设速度的轮轨振动响应和预设速度的桥梁结构的振动响应；

根据轮轨振动响应、桥梁结构的振动响应以及边界元法，计算待测区域出声场处的声压；

根据声压，计算轮轨噪声和桥梁结构二次噪声；

根据轮轨噪声、桥梁结构二次噪声并结合经验法，估算出空气动力噪声和集电系统噪声；

根据轮轨噪声、桥梁结构二次噪声、集电系统噪声和空气动力噪声，计算待测区域的声源强。

结合第一方面的第四种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，该轨道区域交通噪声预测方法中，第一测试子系统的第一子振动方程为时变系数的二阶线性微分方程；

对第一测试子系统的第一子振动方程求解，得到计算结果，包括：

采用新型显示积分方法对第一测试子系统的第一子振动方程求解，得到计算结果。

结合第一方面的第五种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中，该轨道区域交通噪声预测方法中，根据噪声地图绘制单元及声源强，绘制待测区域对应的噪声地图，包括：

建立待测区域的地理模型，并将地理模型导入噪声地图绘制单元；

根据地理模型，整理预设条件的输入参数，输入参数至少包括：编组、车辆行驶速度、发车间隔以及车辆运营时间；

根据地理模型及输入参数，生成预测点；

根据噪声地图绘制单元及预测点的参考信息，计算待测区域的预测点的声压级；参考信息包括：声源强及地理模型；

根据待测区域的预测点的声压级，生成待测区域的噪声地图。

结合第一方面的第六种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第七种可能的实施方式，其中，该轨道区域交通噪声预测方法中，地理模型为三维地理模型，预测点为三维预测点，噪声地图为三维噪声地图。

结合第一方面的第七种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第八种可能的实施方式，其中，该轨道区域交通噪声预测方法中，计算待测区域的预测点的声压级，包括：

对待测区域的三维预测点进行布置和插值；

对布置和插值的结果以及三维地理模型进行三维景观模拟；

根据噪声地图绘制单元及三维景观模拟结果，计算预测点的声压级。

结合第一方面的第八种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第九种可能的实施方式，其中，该轨道区域交通噪声预测方法中，对三维地理模型进行三维景观模拟，包括：

采用三维动画渲染的方式，对三维地理模型进行三维场景建模，得到三维场景模型；

通过三维分析方法对三维场景模型进行编辑和显示。

本发明实施例提供的轨道区域交通噪声预测方法，其是基于车-轨-桥-桩-环境土体大系统(即车辆系统、轨道系统、桥梁-桩基系统和环境土体系统的耦合系统)的耦合振动计算声源强，使得计算结果准确合理，并且适用于各种车辆和高架轨道结构。

并且本方法中将待测区域的交通噪声绘制成噪声地图，通过该方式使我国城市轨道交通的噪声管理与控制、噪声环境影响评价、公众参与以及方案决策变得直观且方便。

另外，基于上述耦合系统而建立的地理模型，能够使我国可以利用噪声地图绘制单元(如Cadna/A软件)进行大区域轨道交通噪声的预测计算，可行性较好。

并且，三维噪声地图提供了更为丰富详细的信息，分析分压可以据此对整个待测区域的空间的噪声水平进行了解，噪声级可以和实际的楼层甚至是具体居民单元相对应，从而为准确计算受超标噪声影响的人口数提供了基础；三维噪声地图，其强大的真实场景模拟功能方便了公众对其居住环境的噪声水平进行认识，提高了公众参与的积极性。

而对于降噪措施，三维噪声地图也可以提供更为详细的降噪效果，从而为合理的费用效益分析提供支持。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1示出了本发明实施例所提供的一种轨道区域交通噪声预测方法的流程图；

图2示出了本发明实施例所提供的另一种轨道区域交通噪声预测方法的流程图；

图3示出了本发明实施例所提供的轮轨噪声、集电系统噪声、桥梁结构二次噪声和空气动力噪声各占总噪声比例的示意图；

图4示出了本发明实施例所提供的另一种轨道区域交通噪声预测方法的流程图；

图5示出了本发明实施例所提供的另一种轨道区域交通噪声预测方法的流程图；

图6示出了本发明实施例所提供的一种轨道区域交通噪声预测方法中U型梁城市轨道交通的噪声分布示意图；

图7示出了本发明实施例所提供的一种轨道区域交通噪声预测方法中高架铁路噪声产生机理的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面基于本发明提出的背景进行简要说明：

目前，我国采用《环境影响评价技术导则-城市轨道交通》标准提出的“噪声预测模式”来计算噪声问题，并对不达标的地段采取相应的减振降噪措施。

工程实践表明，仅仅根据环境振动噪声的计算结果来制定减振降噪措施的效果不佳，因为环境管理部门对轨道交通的总体噪声、振动污染水平、时空分布特点、人群分布特点以及环境振动噪声的发展趋势等还不十分了解，相关政策的制定没有明确的依据和方向。

并且，关于噪声声源强的计算，现有预测模式规范中的参考点声源强只有一些普通轨道结构的测试，这些普通的轨道结构的测试并未形成标准，对于一些新轨道结构常常只能通过参照类似工况下已测出的参考点声源强进行预测计算，其计算结果往往不准确。

而大城市、甚至大城市的大区域噪声问题技术性强、计算量大，必须靠软件实现，德国Cadna/A软件是国家环保总局环境工程评估中心推荐的噪声预测软件，但是，由于我国没有专门的预测方法，故该软件无法应用在我国的噪声预测模式上。

具体的，Cadna/A是德国DataKustik公司开发的噪声预测软件。它以Windows为操作平台，是一套基于ISO9613-2:1996《户外声传播的衰减的计算方法》标准方法的噪声模拟和控制软件。该系统适用于公路、铁路等多种噪声源的环境影响预测、评价，可应用于工程设计及其控制对策研究。同时，Cadna/A软件作为国家环保总局环境工程评估中心推荐的噪声预测软件，已逐渐被环评领域的专家学者所接受。

目前，国内外基于(车-轨-桥-桩-环境土体)大系统耦合振动的轨道交通噪声预测模型及其三维噪声地图方法的研究几乎空白。这一方面增大了预测的不确定性，另一方面也影响了决策者和公众获取全面的声环境信息。为此，选择合适的噪声预测模型，建立一套适合我国实际情况的城市轨道交通区域噪声预测方法，并以此为基础开发三维的噪声地图方法，对于我国城市轨道交通的噪声管理与控制、噪声环境影响评价、公众参与以及方案决策，都具有十分重要的现实意义。

基于此，本发明实施例提供了一种轨道区域交通噪声预测方法，其是基于车-轨-桥-桩-环境土体大系统(即车辆系统、轨道系统、桥梁-桩基系统和环境土体系统的耦合系统)的耦合振动计算声源强，使得计算结果准确合理，并且适用于各种车辆和高架轨道结构。

本发明提供了一种轨道区域交通噪声预测方法，主要用于城市轨道区域交通噪声的预测。

参考图1，本发明提供了一种轨道区域交通噪声预测方法，主要用于城市轨道区域交通噪声的预测，该方法用于城市轨道交通噪声的测试系统中，而测试系统为基于车辆系统、轨道系统、桥梁-桩基系统和环境土体系统的耦合系统，该方法包括：

步骤101、将测试系统划分为多个测试子系统。

本实施例中，首先将整个测试系统进行划分，为了便于后续对不同的系统的噪声分别进行测试；具体的，测试子系统可以为两个，可以为三个、也可以为四个，而本实施例中，优选将测试子系统划分为两个(具体为第一测试子系统和第二测试子系统)，第一测试子系统包括车辆系统、轨道系统和桥梁-桩基系统；第二测试子系统包括环境土体系统，下面实施例中均以第一测试子系统和第二测试子系统为例进行说明。

步骤102、分别建立多个测试子系统对应的子振动方程。

具体的，根据每个测试子系统的车辆结构参数以及车辆运营参数，形成各子系统的质量、刚度和阻尼矩阵，然后每个测试子系统根据其自身的质量、刚度和阻尼矩阵建立各自振动方程。其中，每个测试子系统优选对应一个振动方程。

步骤103、根据多个子振动方程之间的协调关系，建立耦合系统对应的振动方程。

具体的，将第一子振动方程和第二子振动方程通过力协调和位移协调关系，建立整个耦合系统对应的振动方程，以便根据该振动方程进行后续的计算。

步骤104、获取待测区域对应的耦合系统的测试参数，测试参数至少包括各个测试子系统的刚度、质量和阻尼矩阵。

本步骤中，整个耦合系统对应的振动方程是第一测试子系统的第一子振动方程以及第二测试子系统的第二子振动方程，故针对第一子振动方程和第二子振动方程分别求解。

具体的，第一子振动方程(优选为第一子振动方程的振动方程组)是一个时变系数的二阶线性微分方程，由于轮轨接触位置的时刻变化，其测试参数，如刚度矩阵、质量矩阵、阻尼矩阵和荷载向量都是时变的，故对该第一子振动方程求解采用翟婉明教授的新型显示积分方法(该新型显示积分方法即为大型工程动力分析的快速数值积分方法)，而第二子振动方程中的测试参数，即质量、刚度和阻尼矩阵均是固定的，从而求解相对简单，本实施例中第二子振动方程也采用新型显示积分法进行求解。

另外，本发明提供的轨道区域交通噪声预测方法，可以适用于任何轨道交通，具体的，该待测区域即是任意的待测试轨道交通的位置，待测区域的范围大到一个国家(如中国、美国和德国)；其也可以为一个城市(如中国的北京、上海和天津等)；更具体的，该待测区域也可以为某一个城市中所述区域(如北京市海淀区，如天津市河西区等)；更具体的，该待测区域也可以为具体一个城市的一个区域的具体路段(如北京市海淀区颐和园路，如北京市海淀区清华西路，如天津市和平区南京路等)，该待测区域即表明本发明可以专门针对每个不同位置的轨道交通进行测试和研究，精确度较好。

并且本发明也可以进行预设条件下的待测区域进行噪声预测，预设条件可以理解为在特定时间和特定环境下。如在上述测试系统采集了某一个待测轨道的一周内所有信息，而此时，我们只需要测试一周内的周一的信息，此时，通过测试系统调出与周一测试得到的所有参数，在根据该参数进行计算即可。

步骤105、根据振动方程及测试参数，计算待测区域的声源强。

首先，介绍一下待测区域的噪声，主要为高架轨道噪声，而高架轨道噪声是由各种不同类型的噪声组合而成的，通常按噪声产生的部位分类识别。

如按发声部位的不同，可分为轮轨噪声、空气动力噪声、集电系统噪声和桥梁结构二次噪声；以U型梁城市轨道交通为例，如图6所示，图6示出了U型梁城市轨道交通的噪声分布示意图。

基于高架铁路大系统动力学理论，高架铁路噪声产生机理如图7所示，高架列车运行由于车辆与轨道耦合关系产生轮轨噪声，列车构成部件与周围空气由于流固耦合关系产生空气动力噪声，受电弓与接触网动态耦合关系产生集电系统噪声，列车与桥梁耦合关系使桥梁和周围建筑物发生振动而产生二次噪声。

本步骤中，获取待测区域的测试参数，形成刚度、质量、阻尼矩阵带入振动方程的第一子振动方程中，并结合新型显示积分方法计算第一子振动方程的计算结果，并将该计算结果作为第二子振动方程的输入激励，代入到第二子振动方程中，计算出预设速度的轮轨振动响应和桥梁结构的振动响应，再由得到的该振动响应计算出待测区域的声压，然后根据该声压计算得到噪声源强。

具体的，声压(单位为p)的平方＝声强(单位为I)×介质密度(单位为ρ)×声速(单位为C)，其中，声强单位是：W/m2，介质密度单位：kg/m3，声速单位为m/s，本实施例中，声压、介质密度以及声速都是已知数值，故根据该公式即可计算得出噪声源强，该噪声包括轮轨噪声和桥梁结构二次噪声。

在根据轮轨噪声和桥梁结构二次噪声，估算出空气动力噪声和集电系统噪声，将上述四种噪声进行相加，即可得到待测区域的声源强。

步骤106、根据噪声地图绘制单元及声源强，绘制待测区域对应的噪声地图，以便根据噪声地图对城市轨道区域交通噪声进行预测。

本步骤中，噪声地图绘制单元优选为Cadna/A软件；则在得出声源强之后，将声源强输入到Cadna/A软件进行噪声地图计算了，然后绘制出噪声地图，从而根据该噪声地图对城市轨道区域交通噪声进行预测。

本实施例中，Cadna/A软件具有如下特点：

1)Cadna/A软件具有较强的计算模拟功能，可以同时预测各类声源，包括点声源、线声源和面声源的复合影响；

2)对声源和预测点的数量没有限制，声源的辐射声级和计算结果除了可以用A计权声级表示外，也可以用不同倍频带的声压级来表示；

3)可以考虑任意形状的建筑物群、绿化带、地形高程的影响；

4)可以设置多种情景，因而很适合对噪声控制设计进行费效分析，其屏障高度优化功能可以广泛用于道路等噪声控制工程的设计；

5)Cadna/A软件流程设计合理，功能齐全，用户界面友好，操作方便，易于掌握使用；

6)从声源定义、参数设定、模拟计算到结果表述与评价构成一个完整的体系，可实现功能转换和声源、构建物与预测点的确定，具有多种数据输入接口和输出方式；

7)具有二维和简单的三维噪声地图功能，可以使预测结果更加可视化和形象化。

在Cadna/A软件中，可以使用的铁路噪声预测模型包括SRM II(荷兰，欧盟临时标准)、Schall03(德国)、CRN(英国)、Railr.FTA/FRA(美国)、Semibel(瑞士)、ONR305011(奥地利)、DIN18005(1987)(德国)、Nordic Pred.Method(北欧)、NMPB-Fer(法国)。

本发明实施例提供的轨道区域交通噪声预测方法，其是基于车-轨-桥-桩-环境土体大系统(即车辆系统、轨道系统、桥梁-桩基系统和环境土体系统的耦合系统)的耦合振动计算声源强，使得计算结果准确合理，并且适用于各种车辆和高架轨道结构。

并且本方法中将待测区域的交通噪声绘制成噪声地图，通过该方式使我国城市轨道交通的噪声管理与控制、噪声环境影响评价、公众参与以及方案决策变得直观且方便。

另外，基于上述耦合系统而建立的地理模型，能够使我国可以利用Cadna/A软件进行大区域轨道交通噪声的预测计算，可行性较好。

并且，三维噪声地图提供了更为丰富详细的信息，分析分压可以据此对整个待测区域的空间的噪声水平进行了解，噪声级可以和实际的楼层甚至是具体居民单元相对应，从而为准确计算受超标噪声影响的人口数提供了基础；三维噪声地图，其强大的真实场景模拟功能方便了公众对其居住环境的噪声水平进行认识，提高了公众参与的积极性。并且，对于降噪措施，三维噪声地图也可以提供更为详细的降噪效果，从而为合理的费用效益分析提供支持。

而对于降噪措施，三维噪声地图也可以提供更为详细的降噪效果，从而为合理的费用效益分析提供支持。

具体的，Cadna/A软件是一款优秀的环境噪声计算、评估和预测软件，其可以用于计算三维噪声地图，但只能计算较为规则形状的建筑物。

在步骤102中，分别建立多个测试子系统对应的子振动方程，具体包括：

根据待测区域的第一测试子系统的结构参数以及车辆运营参数，建立第一测试子系统的第一子振动方程；以及，根据待测区域的第二测试子系统的结构参数以及车辆运营参数，建立第二测试子系统的第二子振动方程。

具体的，根据每个测试子系统的车辆结构参数以及车辆运营参数，是形成各子系统的质量、刚度和阻尼矩阵，然后每个测试子系统根据其自身的质量、刚度和阻尼矩阵建立各自振动方程。其中，每个测试子系统优选对应一个振动方程。

在步骤104中，声源强包括轮轨噪声声源强、桥梁结构二次噪声声源强、空气动力噪声声源强和集电系统噪声声源强；则，根据振动方程及测试参数，计算待测区域的声源强，包括如下步骤：参考图2，

步骤201、对第一测试子系统的第一子振动方程求解，得到计算结果。

本实施例中，第一测试子系统的第一子振动方程为时变系数的二阶线性微分方程，故本实施例中采用新型显示积分方法(即翟婉明教授发明的大型工程动力分析的快速数值积分方法)对第一测试子系统的第一子振动方程求解，得到计算结果。

步骤202、根据计算结果及第二子振动方程，计算出预设速度的轮轨振动响应和预设速度的桥梁结构的振动响应。

本步骤中，将第一子振动方程的求解结果作为第二子振动方程的输入激励，代入到第二子振动方程中，计算出预设速度的轮轨振动响应和桥梁结构的振动响应，再由得到的该振动响应计算出待测区域的声压，然后根据该声压计算得到噪声源强。

本实施例中的预设速度即车辆的运行速度，其是车辆运营参数中的一项，由于不同速度下算出的轮轨振动响应和桥梁结构的振动响应的结果是不一样的，故该预设速度可以根据不同待测区域及要求进行任意设置。

步骤203、根据轮轨振动响应、桥梁结构的振动响应以及边界元法，计算待测区域出声场处的声压。

其中，边界元是在有限元之后发展起来的一种数值方法，在声振耦合分析软件Sysnoise中建立边界元模型，以得到的振动响应为边界条件导入，从而计算得到声压。

具体的，将第一子振动方程的求解结果代入到第二子振动方程中，计算出预设速度的轮轨振动响应和桥梁结构的振动响应，再由得到的该振动响应并结合边界元方法计算出待测区域的声压，然后根据该声压计算得到噪声源强。

其中，声压是声学中用来描述声音的，表示声压大小的指标称为声压级，用某声音的声压(p)与基本声压值(p0)之比的常用对数的20倍来表示，即20lgP/P0，单位为dB，即是本实施例所需要的。

步骤204、根据声压，计算轮轨噪声和桥梁结构二次噪声。

具体的，声压(单位为p)的平方＝声强(单位为I)×介质密度(单位为ρ)×声速(单位为C)，其中，声强单位是：W/m2，介质密度单位：kg/m3，声速单位为m/s，本实施例中，声压、介质密度以及声速都是已知数值，故根据该公式即可计算得出噪声源强，该噪声包括轮轨噪声和桥梁结构二次噪声。

步骤205、根据轮轨噪声、桥梁结构二次噪声并结合经验法，估算出空气动力噪声和集电系统噪声。

本实施例中，经验法，即一定速度下各种噪声所占比例，各种噪声即轮轨噪声、桥梁结构二次噪声、空气动力噪声和集电系统噪声，具体的，则是根据上述四种噪声所占的比例，再结合已经计算出的轮轨噪声和桥梁结构二次噪声，计算待测区域的、集电系统噪声和空气动力噪声。

简单来讲，解释根据轮轨噪声所占的比例及轮轨噪声，计算出总噪声值；然后在根据桥梁结构二次噪声所占的比例及桥梁结构二次噪声，计算出总噪声值，根据两次的总噪声值计算总噪声的平均值，这样能够保证总噪声计算相对准且也能够避免出现总噪声完全误差的情况，然后在分别根据集电系统噪声和空气动力噪声在总噪声中的比例，估算出集电系统噪声数值和空气动力噪声数值。

其中，也可以直接使用根据轮轨噪声所占的比例及轮轨噪声计算得到的总噪声值，或者直接使用根据桥梁结构二次噪声所占的比例及桥梁结构二次噪声计算的总噪声值，使用上述两者的好处是节省了计算时间，使得计算更方便。

另外，对于空气动力噪声和集电系统噪声则采用经验法进行估算，具体估算时，参考已有的现场实测综合噪声组成比例表。如根据日本铁道科学院研究表明，这四种噪声的比例随着列车速度的不同而变化。如图3所示，(图3中的数字其对应的噪声为所占的百分比)。

步骤206、根据轮轨噪声、桥梁结构二次噪声、集电系统噪声和空气动力噪声，计算待测区域的声源强。

具体的，将上述步骤中的四个噪声进行求和，即得到待测区域的噪声源。

在步骤106中，根据噪声地图绘制单元及声源强，绘制待测区域对应的噪声地图，包括如下步骤：参考图4，

步骤301、建立待测区域的地理模型，并将地理模型导入噪声地图绘制单元。

具体的，地理模型包括如下参数，即收集待测区域的道路周围的地理空间数据，包括道路位置、形状，建筑物位置、形状、高度，地面高程等数据，然后利用ArcGis建立地理模型，然后将建立的地理模型导入Cadna/A软件中，进行计算。

具体的，ArcGIS产品线为用户提供一个可伸缩的，全面的GIS平台。ArcObjects包含了大量的可编程组件，从细粒度的对象(例如单个的几何对象)到粗粒度的对象(例如与现有ArcMap文档交互的地图对象)涉及面极广，这些对象为开发者集成了全面的GIS功能。每一个使用ArcObjects建成的ArcGIS产品都为开发者提供了一个应用开发的容器，包括桌面GIS(ArcGIS Desktop)，嵌入式GIS(ArcGIS Engine)以及服务端GIS(ArcGIS Server)。

本实施例提供的轨道区域交通噪声预测方法，提供了一种计算通用的计算待测区域的噪声源的方法，并结合Cadna/A软件绘制噪声地图，从而为国内的城市轨道区域交通噪声提供了很大的帮助，带来了显著的效益。

具体的，在进行三位噪声地图的设计需要用到Cadna/A软件，但是我国噪声预测模型与Cadna/A软件所包含的德国SChall03模型考虑声衰减因素比较全面，且都假设声源为指向性声源，并在噪声预测时考虑了指向性衰减因素，而且均认为轮轨噪声为主要噪声源，故两者较为接近，但是计算方法存在偏差，两者预测结果必定有偏差。因此要采用Cadna/a软件来计算噪声地图，就必须以我国声导则模型为基础来修正德国SChall03模型。

具体的，修正过程如下：首先对于发射声级基础值，Schal103是根据德国自己的铁路情况通过实验确定的，我国需根据实测的噪声源强进行修正。通过对国内轨道交通列车噪声源强的实测，考虑已经修订的地铁车辆司机室、客室噪声标准，参考美国、德国、加拿大等先进国家的车辆噪声限制，建议轨道交通列车噪声源强为列车通过时段的等效声级，具体如下：高架线取值为90.0dBA，距轨道中心距离7.5m，距轨面高度1.5m处。其边界条件为：整体道床、混凝土轨枕、弹性扣件、60kg/m长钢轨、箱型桥梁、60km/h行车速度。预测中考虑速度修正、几何扩散衰减、空气吸收衰减、地面效应引起的附加衰减、声源的指向性以及障碍物衰减修正因子。

本实施例中的地理模型可以为二维模型也可以为三维模型，本实施例中优选为三维模型。

步骤302、根据地理模型，整理预设条件的输入参数，输入参数至少包括：编组、车辆行驶速度、发车间隔以及车辆运营时间。

步骤303、根据地理模型及输入参数，生成预测点。

具体的，预测点要根据结构的实际情况进行合理布置。

步骤304、根据噪声地图绘制单元及预测点的参考信息，计算待测区域的预测点的声压级；参考信息包括：声源强及地理模型。

具体的，预测点的声压级是通过Cadna/A软件计算得出，故需要提前输入上述计算得到的声源强及建立的三维地理模型。

步骤305、根据待测区域的预测点的声压级，生成待测区域的噪声地图。

本实施例中，优选的，地理模型为三维地理模型，预测点为三维预测点，噪声地图为三维噪声地图。

上述步骤304中，计算待测区域的预测点的声压级，包括如下步骤：参考图5，

步骤401、对待测区域的三维预测点进行布置和插值。

步骤402、对布置和插值的结果以及三维地理模型进行三维景观模拟。

具体的，采用三维动画渲染的方式，对三维地理模型进行三维场景建模，得到三维场景模型；以及通过三维分析方法对三维场景模型进行编辑和显示。

其中，三维动画渲染的方式可以为三维动画渲染和制作软件3dsMax；三维分析方法可以为三维分析ArcGlobe中的应用程序Arcscene。通过3dsMax进行三维场景建模，并通过Arcscene对三维场景建模结果进行显示与编辑。目的是，鉴于AicGIS本身的场景可视化建模功能并不强，因此采用3dsMax进行三维场景建模，随后导入三维分析ArcGlobe中的应用程序Arcscene中进行显示与编辑。其中，Arcscene是三维分析ArcGlobe的核心应用程序；ArcGIS是Esri公司集40余年地理信息系统(GIS)咨询和研发经验，奉献给用户的一套完整的GIS平台产品，具有强大的地图制作、空间数据管理、空间分析、空间信息整合、发布与共享的能力。

步骤403、根据噪声地图绘制单元及三维景观模拟结果，计算预测点的声压级。

具体的，三维景观模拟结果包括声源强及建立的三维地理模型。本发明实施例提供的轨道区域交通噪声预测方法，其是基于车-轨-桥-桩-环境土体大系统(即车辆系统、轨道系统、桥梁-桩基系统和环境土体系统的耦合系统)的耦合振动计算声源强，使得计算结果准确合理，并且适用于各种车辆和高架轨道结构。

并且本方法中将待测区域的交通噪声绘制成噪声地图，通过该方式使我国城市轨道交通的噪声管理与控制、噪声环境影响评价、公众参与以及方案决策变得直观且方便。

另外，基于上述耦合系统而建立的地理模型，能够使我国可以利用Cadna/A软件进行大区域轨道交通噪声的预测计算，可行性较好。

并且，三维噪声地图提供了更为丰富详细的信息，分析分压可以据此对整个待测区域的空间的噪声水平进行了解，噪声级可以和实际的楼层甚至是具体居民单元相对应，从而为准确计算受超标噪声影响的人口数提供了基础；三维噪声地图，其强大的真实场景模拟功能方便了公众对其居住环境的噪声水平进行认识，提高了公众参与的积极性。

而对于降噪措施，三维噪声地图也可以提供更为详细的降噪效果，从而为合理的费用效益分析提供支持。

本实施例提供的轨道区域交通噪声预测方法，提供了一种计算通用的计算待测区域的噪声源的方法，并结合Cadna/A软件绘制噪声地图，从而为国内的城市轨道区域交通噪声提供了很大的帮助，带来了显著的效益。

进行三位噪声地图的设计需要用到Cadna/A软件，但是我国噪声预测模型与Cadna/A软件所包含的德国SChall03模型考虑声衰减因素比较全面，且都假设声源为指向性声源，并在噪声预测时考虑了指向性衰减因素，而且均认为轮轨噪声为主要噪声源，故两者较为接近，但是计算方法存在偏差，两者预测结果必定有偏差。因此要采用Cadna/a软件来计算噪声地图，就必须以我国声导则模型为基础来修正德国SChall03模型。

具体的，修正过程如下：首先对于发射声级基础值，Schal103是根据德国自己的铁路情况通过实验确定的，我国需根据实测的噪声源强进行修正。通过对国内轨道交通列车噪声源强的实测，考虑已经修订的地铁车辆司机室、客室噪声标准，参考美国、德国、加拿大等先进国家的车辆噪声限制，建议轨道交通列车噪声源强为列车通过时段的等效声级，具体如下：高架线取值为90.0dBA，距轨道中心距离7.5m，距轨面高度1.5m处。其边界条件为：整体道床、混凝土轨枕、弹性扣件、60kg/m长钢轨、箱型桥梁、60km/h行车速度。预测中考虑速度修正、几何扩散衰减、空气吸收衰减、地面效应引起的附加衰减、声源的指向性以及障碍物衰减修正因子。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种轨道区域交通噪声预测方法，用于城市轨道交通噪声的测试系统中，所述测试系统为基于车辆系统、轨道系统、桥梁-桩基系统和环境土体系统的耦合系统，其特征在于，包括：

将所述测试系统划分为多个测试子系统；

分别建立多个所述测试子系统对应的子振动方程；

根据多个子振动方程之间的协调关系，建立所述耦合系统对应的振动方程；

获取待测区域对应的所述耦合系统的测试参数，所述测试参数至少包括各个所述测试子系统的刚度、质量和阻尼矩阵；

根据所述振动方程及所述测试参数，计算所述待测区域的声源强；

根据噪声地图绘制单元及所述声源强，绘制所述待测区域对应的噪声地图，以便根据所述噪声地图对城市轨道区域交通噪声进行预测；

所述测试子系统为两个，则所述将所述测试系统划分为多个测试子系统，包括：将所述测试系统划分为第一测试子系统和第二测试子系统，所述第一测试子系统包括车辆系统、轨道系统和桥梁-桩基系统；所述第二测试子系统包括环境土体系统；

所述分别建立多个所述测试子系统对应的子振动方程，包括：根据待测区域的所述第一测试子系统的结构参数以及车辆运营参数，建立所述第一测试子系统的第一子振动方程；以及，根据待测区域的所述第二测试子系统的结构参数以及车辆运营参数，建立所述第二测试子系统的第二子振动方程；

所述声源强包括轮轨噪声声源强、桥梁结构二次噪声声源强、空气动力噪声声源强和集电系统噪声声源强；

所述根据所述振动方程及所述测试参数，计算所述待测区域的声源强，包括：

对所述第一测试子系统的第一子振动方程求解，得到计算结果；

根据所述计算结果及所述第二子振动方程，计算预设速度的轮轨振动响应和预设速度的桥梁结构的振动响应；

根据所述轮轨振动响应、所述桥梁结构的振动响应以及边界元法，计算待测区域出声场处的声压；

根据所述声压，计算轮轨噪声和桥梁结构二次噪声；

根据所述轮轨噪声、桥梁结构二次噪声并结合经验法，估算出所述空气动力噪声和集电系统噪声；

根据所述轮轨噪声、桥梁结构二次噪声、集电系统噪声和空气动力噪声，计算所述待测区域的声源强。

2.根据权利要求1所述的轨道区域交通噪声预测方法，其特征在于，所述根据多个子振动方程之间的协调关系，建立所述耦合系统对应的振动方程，包括：

对所述第一子振动方程和所述第二子振动方程进行力协调和位移协调，建立整个耦合系统的振动方程。

3.根据权利要求2所述的轨道区域交通噪声预测方法，其特征在于，第一测试子系统的第一子振动方程为时变系数的二阶线性微分方程；

所述对所述第一测试子系统的第一子振动方程求解，得到计算结果，包括：

采用新型显示积分方法对所述第一测试子系统的第一子振动方程求解，得到计算结果。

4.根据权利要求3所述的轨道区域交通噪声预测方法，其特征在于，所述根据噪声地图绘制单元及所述声源强，绘制所述待测区域对应的噪声地图，包括：

建立待测区域的地理模型，并将所述地理模型导入所述噪声地图绘制单元；

根据所述地理模型，整理预设条件的输入参数，所述输入参数至少包括：编组、车辆行驶速度、发车间隔以及车辆运营时间；

根据所述地理模型及所述输入参数，生成预测点；

根据所述噪声地图绘制单元及所述预测点的参考信息，计算所述待测区域的预测点的声压级；所述参考信息包括：声源强及地理模型；

根据所述预测点的声压级，生成所述待测区域的噪声地图。

5.根据权利要求4所述的轨道区域交通噪声预测方法，其特征在于，所述地理模型为三维地理模型，所述预测点为三维预测点，所述噪声地图为三维噪声地图。

6.根据权利要求5所述的轨道区域交通噪声预测方法，其特征在于，所述计算所述待测区域的预测点的声压级，包括：

对所述待测区域的三维预测点进行布置和插值；

对布置和插值的结果以及三维地理模型进行三维景观模拟；

根据所述噪声地图绘制单元及三维景观模拟结果，计算所述预测点的声压级。

7.根据权利要求6所述的轨道区域交通噪声预测方法，其特征在于，所述对三维地理模型进行三维景观模拟，包括：

采用三维动画渲染的方式，对所述三维地理模型进行三维场景建模，得到三维场景模型；

通过三维分析方法对所述三维场景模型进行编辑和显示。