CN116205771A - 基于噪声监测与预测校准的声环境信息系统及其构建方法 - Google Patents

基于噪声监测与预测校准的声环境信息系统及其构建方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于噪声监测与预测校准的声环境信息系统及其构建方法，主要包括：根据城市区域内噪声分布及车流量情况制定噪声监测方案；根据区域地理信息绘制城市声环境地图；基于该地图建立噪声户外传播预测模型，对区域内倍频带噪声声压级进行预测；实时监测区域内的噪声数据；将监测与预测数据进行交互计算与校准；对声环境信息进行实时的分析、评估、管理与发布。本发明能够高效、科学、精准、可视化地实现对城市声环境信息的实时分析、评估与管理。

Description

基于噪声监测与预测校准的声环境信息系统及其构建方法
技术领域
本发明涉及城市环境污染防治与噪声监测领域，尤其涉及噪声信息采集及预测计算相关的声环境信息监测与预测方法、声环境信息校准与管理方法。
背景技术
随着国家城市化水平的不断提高，城市内的噪声污染与声环境质量改善问题所受到的关注度逐年提高，但噪声污染长期以来存在主观性强、突发性高、存在范围广以及现场取证难等问题，该问题使得人们难以对噪声污染进行及时且高效的监管与治理，而城市声环境监测系统由于监测范围、监测设备、监测时效等因素的限制，也存在监测效果差的问题。
如现有技术CN113421422A提供了一种基于物联网及云计算技术的城市道路噪声预测系统，其利用物联网和云计算技术实现对道路环境噪声的实时预测，同时预测所述噪声水平对城市居民产生影响的人口比例从而实现对道路的噪声污染管治，但该发明仅对城市道路噪声进行预测与监测，而无法对城市内存在的其他类型的噪声进行监测与分析，且监测范围仅在道路周边，无法对城市范围内的声环境进行预测分析。
由于城市空间复杂度高，城市区域内噪声类型多、分布广、以及发生时间难以预测等，本领域普遍存在噪声数据采集困难、预测不准确、且难以统一监测管理与统计等问题。针对该类问题，本发明提出基于噪声监测与预测校准的声环境信息系统及其构建方法，以实现对城市声环境信息的实时分析与管理。
发明内容
本发明的目的是提供基于噪声监测与预测校准的声环境信息系统及其构建方法，以解决上述背景技术中所提到的技术问题。
为了实现上述目的，本发明的所采用的具体技术方案是：
基于噪声监测与预测校准的声环境信息系统，该系统包括地理信息库、噪声监测模块、信息预测与校准模块和信息分析评估与管理模块；其中，地理信息库为计算数据输入端，接收多渠道汇总的城市地理信息数据；噪声监测模块为监测数据输入端，为系统提供更新迭代的数据来源；信息预测与校准模块为系统后台，负责系统内全部的数据处理、计算以及管理工作；信息分析评估与管理模块为系统数据前台，动态更新与发布可视化、可查询声环境数据，并用于分析、评估与管理城市声环境信息。
地理信息库用于存储与更新系统中各预测模型、城市下垫面绘制及城市声环境地图绘制所用到的地理信息；地理信息库包括道路信息子模块、建筑信息子模块、地形信息子模块、车流量信息子模块与气象信息子模块；道路信息子模块用于存储与更新系统城市区域内的各种来源汇总的道路数据信息；建筑信息子模块用于存储与更新系统城市区域内的建筑信息；地形信息子模块用于存储与更新系统城市区域相关的地形信息；车流量信息子模块用于存储与更新系统城市区域内由各种来源汇总的道路车流量信息；气象信息子模块用于存储与更新系统城市区域内的相关气象信息。
噪声监测模块用于执行系统内的噪声监测与等效噪声源强更新迭代工作；噪声监测模块包括监测布点方案管理子模块、监测设备信息子模块、实时噪声监测数据子模块、等效声源子模块；监测布点方案管理子模块用于制定并优化系统城市区域内的监测布点方案；监测设备信息子模块用于存储并更新噪声监测所用的设备信息；实时噪声监测数据子模块负责在系统城市区域内执行实时噪声监测工作；等效声源子模块为城市声环境信息预测计算与监测校准提供所需的声源数据。
信息预测与校准模块为系统数据计算与处理中台，用于连接并汇总系统内各部分数据，分析、执行并实现系统各模块的数据计算需求；信息预测与校准模块包括数据解析子模块、预测模型子模块、声学预测子模块、校准验证子模块和计算管理子模块；数据解析子模块用于处理地理信息库各子模块内存储并更新的数据，并将可进行建模与计算的数据传输至预测模型子模块与声学预测子模块；预测模型子模块用于建立系统城市区域内的城市噪声户外传播预测模型，并将构建完成的噪声户外传播预测模型传输至声学预测子模块作为预测计算的模型基础；声学预测子模块用于计算系统城市区域内各项预测数据，该子模块内包含环境影响预测模型、障碍物影响预测模型、单独点位及区域倍频带噪声声压级预测模型；校准验证子模块能够实现系统城市区域内噪声监测与预测数据的交互校准计算；计算管理子模块负责记录声环境信息系统的工作信息并发布计算数据需求。
信息分析评估与管理模块负责管理系统内各部分的数据与信息，以及多种场景下的声环境信息的分析、评估以及发布，信息分析评估与管理模块包含环境自动化监测与执法应用及信息发布子模块、政府环境管理综合业务协同应用(环评监督、污染防治、环境统计)子模块、公众参与在线信息发布子模块和个人声环境信息智慧管理终端子模块；环境自动化监测与执法应用及信息发布子模块用于辅助城市内执行的环境监测与执法工作；政府环境管理综合业务协同应用(环评监督、污染防治、环境统计)子模块用于辅助政府单位的环评监督、污染防治及环境统计工作；公众参与在线信息发布子模块用于城市声环境信息公开与公众查询；个人声环境信息智慧管理终端子模块用于提升个人生活环境健康值。
根据本发明的另一个方面，还提供了基于噪声监测与预测校准的声环境信息系统的构建方法，包括：
S1、对城市区域地理信息数据进行处理与解析；
S2、根据城市区域内噪声分布及车流量情况制定噪声监测方案；
S3、使用城市区域的道路建筑信息与地图，建立区域噪声户外传播预测模型；
S4、声学预测子模块读取系统内各模块与其子模块内的数据信息，基于噪声户外传播预测模型，进行区域内倍频带噪声声压级预测；
S5、实时噪声监测数据子模块将定时更新的监测数据传输至信息预测与校准模块内的校准验证子模块，进行监测与预测数据的交互校准计算；
S6、使用信息分析评估与管理模块进行城市区域内的声信息的研究、评估、管理与更新发布；
其中，所述S3、使用城市区域的道路建筑信息与地图，建立区域噪声户外传播预测模型，包括：
S31、信息预测与校准模块内的数据解析子模块读取地理信息库内数据；
S32、数据解析子模块对地理信息进行解析，将道路与建筑的地理坐标转换为声学计算所用的相对坐标Pbuilding(X，Y)、Pstreet(X，Y)，并将区域内建筑解构为相应的障碍物面SBSbuilding；
S33、预测模型子模块从地理信息库内读取模型预测计算涉及的建筑与道路边界参数αbuilding、αground，结合数据解析子模块内解析的数据，建立具有城市区域内边界吸声系数的噪声户外传播预测模型；
S34、预测模型子模块使用建筑与道路坐标判断其在城市区域内的位置属性，包括建筑位置属性Att_building和路面位置属性Att_street；
其中，所述S32中将区域内建筑解构为相应的障碍物面SBSbuilding中，解构流程为：
Pbuilding_j(longitude，latituede)→Pbuilding_j(X，Y) (3)
Pbuilding_j(X，Y)＝Pbuilding_j(x1，y1)，Pbuilding_j(x2，y2)，Pbuilding_j(x3，y3)...Pbuilding_j(xn，yn) (4)
Figure BDA0004096238560000041
其中，所述S4、声学预测子模块读取系统内各模块与其子模块内的数据信息，基于噪声户外传播预测模型，进行区域内倍频带噪声声压级预测，包括：
S41、使用噪声监测模块采集的数据、经数据解析子模块处理的环境信息数据以及从等效声源子模块中选择的声源，结合区域内的背景噪声SBkgN和各噪声源在预测模型中的相应坐标，设置预测计算用的声源Sn(x，y)；
S42、使用声学预测子模块中区域倍频带噪声声压级预测模型，预测区域内各接收点Ri，j(xi，yj)的倍频带噪声声压级LfT；
S43、使用数据解析子模块传输的城市区域内的气象信息与地形信息，预测各接收点的地面影响Attground与大气影响Attatm；
S44、数据解析子模块中解析得到区域内存在n个建筑，解构后区域内存在至少3n～4n个障碍物面，使用多个障碍物面影响预测模型，预测当前接收点受多个障碍物面的影响；
S45、使用障碍物面反射影响预测模型，计算各接收点在各频段所受的反射影响；
S46、声学预测子模块使用城市区域背景噪声、区域内声源以及计算获得的各接收点处的地面影响Attground、大气影响Attatm及障碍物面影响，计算各接收点的等效连续倍频带声压级LfT_DW；
S47、将障碍物面反射影响加入接收点声压级预测中，获得各接收点受各声源以及障碍物面反射影响后的预测噪声数据LfT_DW，tot；
其中，所述S5、实时噪声监测数据子模块将定时更新的监测数据传输至信息预测与校准模块内的校准验证子模块，进行监测与预测数据的交互校准计算，包括：
S51、噪声监测模块根据噪声监测方案执行工作，将采集的噪声数据LW_monitor传输至校准验证子模块；声学预测子模块也将各接收点的预测数据LfT_DW，tot传输至校准验证子模块；
S52、基于城市区域内的声环境中声源类型选择合适的声源校准模型：当城市区域内主要噪声源为城市内施工工地流动作业产生的噪声时，符合单个等效点声源、位置移动、源场强时变情况，对应选择单个等效点声源，位置移动、源场强时变校准模型；当城市区域内主要噪声源为城市内施工工地流动作业产生的噪声时，符合单个等效点声源、位置移动、源场强时变情况，对应选择移动变源强等效点声源；工厂内不同车间产生的噪声时，符合多个等效点声源、位置固定、源场强时变情况，对应选择多个等效点声源，位置固定、源场强时变校准模型；当城市区域内的交通噪声产生位置固定在交通主干道内呈直线分布时，符合多个等效线声源、位置固定、源场强时变的情况，对应选择多个等效线声源，位置固定、源场强时变校准模型；
S53、基于监测数据与预测数据对噪声数据进行实时的交互校准，获得校准后的噪声数据LW_Verified(x,y,time)；
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：(1).搭建区域噪声监测模块，实时采集城市区域中不同时间段的噪声分布，并可作为系统高精度预测的校验基础；(2).设计与优化噪声布点监测方案，对城市内各类噪声实施针对性监测并获取全息数据，实现高效率与高可靠性的动态监测，可监测并保存城市区域内噪声源的全息信息，并作为系统高精度预测计算及噪声溯源分析的数据基础；(3).采用动态噪声监测进行噪声数据的实时传输与存储记录，可作为城市噪声污染问题溯源分析的数据基础；(4).使用具有高置信度的噪声预测模型灵活开展区域噪声预测，提供高可信声环境信息区域分布数据，作为城市声环境评估、分析与管理的数据来源；(5).可动态更新监测数据，并以此为校准基础迭代更新系统声环境信息预测数据，保证系统发布的区域声环境信息的时效性；(6).通过信息分析评估与管理模块，系统发布的声环境信息均可溯源、可查验；(7).通过信息分析评估与管理模块，系统提供包含监测与预测的声环境信息的可视化评估方法，并提供坐标点位的声环境信息查询功能；(8).通过信息分析评估与管理模块，针对不同应用场景建立多层级信息应用模块，可作为从城市管理、到公众参与、到个人信息管理的多层级声环境信息分析与管理工具。
附图说明
图1为声环境信息系统结构示意图；
图2为拟合噪声源Sn(x,y)与各接收点Ri,j(xi,yj)在基于P精度划分网格后的城市区域地图上的位置示意图；
图3为利用地面影响计算模型来确定地面影响时，声源区域、中间区域及接收区域的划分示意图；
图4为两个障碍物面的影响预测中，存在两个平行“障碍物面”时，对接收点R的分区识别示意图；
图5为单个障碍物的影响预测中单“障碍物面”对声源(S)声辐射的衍射衰减示意图；
图6为单个障碍物的影响预测中单“障碍物面”的三条衍射传输路径示意图；
图7为单个障碍物影响预测中计算路程差Δi的几何量示意图；
图8为声环境信息系统构建及工作流程示意图；
附图标号说明：①-城市地图；②-区域噪声户外传播预测模型；③-噪声监测传感器；④-信息预测与校准模块；⑤-噪声监测模块；⑥-等效声源数据；⑦-信息分析评估与管理模块；
图9为基于噪声监测与预测校准的声环境信息系统的工作流程示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
基于噪声监测与预测校准的声环境信息系统，如图1所示，该系统包括地理信息库、噪声监测模块、信息预测与校准模块和信息分析评估与管理模块，以对城市声环境信息进行分析、评估与管理；地理信息库为计算数据输入端，接收多渠道汇总的城市地理信息数据；噪声监测模块为监测数据输入端，为系统提供更新迭代的数据来源；信息预测与校准模块为系统后台，负责系统内全部的数据处理、计算以及管理工作；信息分析评估与管理模块为系统数据前台，动态更新与发布可视化、可查询声环境数据，并用于分析、评估与管理城市声环境信息。
地理信息库用于存储与更新系统中各预测模型、城市下垫面绘制及城市声环境地图绘制所用到的地理信息，该地理信息包括但不限于基于WGS84地理坐标系的坐标数据；地理信息库包括道路信息子模块、建筑信息子模块、地形信息子模块、车流量信息子模块与气象信息子模块；道路信息子模块用于存储与更新系统城市区域内的各种来源汇总的道路数据信息；建筑信息子模块用于存储与更新系统城市区域内的建筑信息，该建筑信息包括但不限于建筑所在地理位置、占地面积、高度、边界属性以及建筑属性；地形信息子模块用于存储与更新系统城市区域相关的地形信息，该地形信息包括但不限于城市所在经纬度范围、海拔高度、声功能区分类以及绿化植被覆盖率等情况；车流量信息子模块用于存储与更新系统城市区域内由各种来源汇总的道路车流量信息；气象信息子模块用于存储与更新系统城市区域内的相关气象信息。
噪声监测模块用于执行系统内的噪声监测与等效噪声源强更新迭代工作，噪声监测模块包括监测布点方案管理子模块、监测设备信息子模块、实时噪声监测数据子模块、等效声源子模块。监测布点方案管理子模块用于制定并优化系统城市区域内的监测布点方案，具体地，结合地理信息库提供的监测区域相关信息，并利用等效声源强子模块更新源强数据，再结合实际情况制定监测布点方案，监测布点方案包括但不限于监测设备选型、布点位置、监测频率及时长。监测设备信息子模块用于存储并更新噪声监测所用的设备信息，包括但不限于所用监测设备型号、监测采样精度及监测作业数据记录。实时噪声监测数据子模块负责在系统城市区域内执行实时噪声监测工作，实时采集监测数据，并传输至噪声监测模块内的等效声源子模块、以及信息预测与校准模块内校准验证子模块；监测方式包括但不限于自动化监测网络、人工监测等，监测设备包括但不限于监测子站、定点式声级计、手持式声级计等，数据传输方式包括但不限于无线网络加密数据传输、硬件数据读取等。等效声源子模块为城市声环境信息预测计算与监测校准提供所需的声源数据，并与信息预测与校准模块内声学预测子模块、校准验证子模块数据连接，其数据来源包括但不限于噪声监测模块采集的数据及多种来源的声学信息等。
信息预测与校准模块为系统数据计算与处理中台，用于连接并汇总系统内各部分数据，分析、执行并实现系统各模块的数据计算需求。信息预测与校准模块包括数据解析子模块、预测模型子模块、声学预测子模块、校准验证子模块和计算管理子模块。其中数据解析子模块、预测模型子模块及声学预测子模块均与地理信息库、等效声源子模块数据连接；其中声学预测子模块、校准验证子模块及计算管理子模块，与信息分析评估与管理模块数据连接，并由信息预测与校准模块向信息分析评估与管理模块传输已校准的预测信息，由信息分析评估与管理模块向上述信息预测与校准模块传输计算数据需求。数据解析子模块用于处理地理信息库各子模块内存储并更新的数据，通过解析与筛选各类信息，获得可用于建立模型、执行声学计算的数据，并将可进行建模与计算的数据传输至预测模型子模块与声学预测子模块。预测模型子模块用于建立系统城市区域内的城市噪声户外传播预测模型，其中，构建该模型所用数据包括但不限于地理信息库内城市信息数据及各类地理开源数据，预测模型子模块将构建完成的噪声户外传播预测模型传输至声学预测子模块作为预测计算的模型基础。声学预测子模块用于计算系统城市区域内各项预测数据，该子模块内包含环境影响预测模型、障碍物影响预测模型、单独点位及区域倍频带噪声声压级预测模型；该子模块与等效声源子模块、预测模型子模块分别数据连接，以获取计算所需声源数据与声学预测模型；该子模块使用环境影响预测模型与障碍物影响预测模型计算户外噪声传播中的各类衰减影响，使用两种噪声声压级预测模型并结合系统内信息预测倍频带声压级，其中，区域接收点的划分方法包括但不限于预设点位、多精度网格等；该子模块与信息分析评估与管理模块数据连接，向其发送预测计算结果以及计算工作信息。校准验证子模块能够实现系统城市区域内噪声监测与预测数据的交互校准计算，其包含多种声源校准模型，声源类型包括但不限于固定变源强等效点声源、移动变源强等效点声源及固定变源强等效线声源等；该模块分别与声学预测子模块、实时噪声监测数据子模块数据连接，并读取计算数据与噪声监测数据；该模块还分别与计算管理子模块、信息分析评估与管理模块数据连接，以发送校准后的声环境预测信息。计算管理子模块负责记录声环境信息系统的工作信息并发布计算数据需求，该子模块存储并更新系统内各模块及其子模块的工作内容；其与信息分析评估与管理模块数据连接，向其发送系统工作内容作为附加发布信息，并接收计算数据需求作为系统前端反馈。
信息分析评估与管理模块负责管理系统内各部分的数据与信息，以及多种场景下的声环境信息的分析、评估以及发布，信息分析评估与管理模块包含环境自动化监测与执法应用及信息发布子模块、政府环境管理综合业务协同应用(环评监督、污染防治、环境统计)子模块、公众参与在线信息发布子模块和个人声环境信息智慧管理终端子模块；该模块与噪声监测模块通信连接获取噪声监测数据，并发送监测数据需求；与信息预测与校准模块数据连接获取校准后的预测数据及计算工作信息，并发送计算数据需求。环境自动化监测与执法应用及信息发布子模块，用于辅助城市内执行的环境监测与执法工作；政府环境管理综合业务协同应用(环评监督、污染防治、环境统计)子模块，用于辅助政府单位的环评监督、污染防治及环境统计工作；公众参与在线信息发布子模块，用于城市声环境信息公开与公众查询；个人声环境信息智慧管理终端子模块，用于提升个人生活环境健康值。信息分析评估与管理模块通过定时从信息预测与校准模块内的校准验证子模块接收已校准的预测信息、从噪声监测模块获取噪声监测数据，在城市区域地图上进行声环境信息分析、评估以及更新发布，信息发布形式包括但不限于文字、图像及数据表格等；信息分析评估的筛选条件包括但不限于数据发布时间、区域及声功能区划分等；可分析内容包括但不限于声环境质量的变化与对比、噪声污染分布情况分析等。
根据本发明的另一个方面，还提供了基于噪声监测与预测校准的声环境信息系统的构建方法，采用城市区域进行技术方案的说明，该城市区域主要有工厂、居民区以及居民区另一侧城市主干道，基于对城市内小范围搭建区域噪声监控网络并构建声环境信息系统，实现声环境信息监测与预测校准分析，以及区域声环境质量的分析、评估、管理与发布；基于噪声监测与预测校准的声环境信息系统的构建方法的步骤如下：
S1、对城市区域地理信息数据进行处理与解析，如图8所示，包括：
S11、多渠道采集城市区域内的地理信息数据，输入地理信息数据库，设置城市区域范围RMap，进行道路建筑地图绘制，其精度p设置为100m×100m。
S12、将上述地理信息数据传输至信息预测与校准模块内的数据解析子模块，解析得到区域内的各接收点位置Ri,j(xi,yj)，计算公式为：
xi＝i×p+Cn_xmlX (1)
yj＝j×p+Cn_xmlY (2)
所述xi为接收点Ri,j在x方向的相对坐标，yj为接收点Ri,j在y方向的相对坐标；i、j分别为各接收点在地图内x、y方向的排序序号；Cn_xmlX与Cn_xmlY为RMap的坐标原点的x坐标与y坐标值。
S2、根据城市区域内噪声分布及车流量情况制定噪声监测方案，包括：
S21、噪声监测模块内的监测布点方案管理子模块读取地理信息库内数据，并分析区域内的噪声分布以及车流量情况，例如，在区域内，工厂的厂界内设有噪声敏感建筑，但存在5-8个正常进行工作的车间与厂房；工厂的厂界外300米远处有一片居民区；居民区的另一侧存在交通主干道，车流量较为密集，主要通行车辆为大型货车；
S22、基于上述噪声分布及车流量情况制定监测布点策略并设计噪声监测方案，在区域内根据道路、建筑以及噪声源分布，结合车流量情况选择多处作为噪声监测点；使用可移动监测子站作为监测设备；噪声监测方案具体设计如下：
S221、噪声监测点选择在工厂周边，距离工厂厂界0.5m处，距工厂周边居民区距离大于300m；每隔1h持续20min记录监测范围内的声压级及A计权声压级，从9：00-17：00持续监测并记录；
S222、噪声监测点选择在居民区周边，距离居民区边界0.5m处，每隔2h持续20min记录一段时间内监测范围内的声压级及A计权声压级，从8：00-19：30持续监测并记录；
S223、噪声监测点选择在距离交通主干道35cm位置，距离交通主干道路口两端大于100m处，每隔0.5h持续20min记录一段时间内监测范围内的声压级及A计权声压级，从7：00～19：30持续执行监测并记录；
S23、每次完成监测工作后，监测设备将噪声监测数据LW(longitude,latitude,time)通信传输至噪声监测模块内的实时噪声监测数据子模块进行数据存储与记录，并传输至等效声源子模块用于扩充与更新声源数据信息。
S24、实时噪声监测数据子模块将当日监测记录的数据传输至信息预测与校准模块内的校准验证子模块与信息分析评估与管理模块，用于声环境信息的校准与更新，以及噪声监测信息的分析、评估与发布。
S3、使用城市区域的道路建筑信息与地图，建立区域噪声户外传播预测模型，包括：
S31、信息预测与校准模块内的数据解析子模块读取地理信息库内数据，包括：城市区域内建筑的地理坐标Pbuilding(longitude，latitude)、高度Hbuilding、边界吸声系数αbuilding与道路地理坐标Pstreet(longitude，latitude)、长度L、宽度W以及路面材料吸声系数αground。
S32、数据解析子模块对地理信息进行解析，将道路与建筑的地理坐标转换为声学计算所用的相对坐标Pbuilding(X，Y)、Pstreet(X，Y)，并将区域内建筑解构为相应的障碍物面SBSbuilding，解构流程为：
Pbuilding_j(longitude，latituede)→Pbuilding_j(X，Y) (3)
Pbuilding_j(X，Y)＝Pbuilding_j(x1，y1)，Pbuilding_j(x2，y2)，Pbuilding_j(x3，y3)...Pbuilding_j(xn，yn) (4)
Figure BDA0004096238560000121
其中，n表示建筑的个数，将解析后的数据传输至预测模型子模块与声学预测子模块。
S33、预测模型子模块从地理信息库内读取模型预测计算涉及的建筑与道路边界参数αbuilding、αground，结合数据解析子模块内解析的数据，建立具有城市区域内边界吸声系数的噪声户外传播预测模型。
S34、预测模型子模块使用建筑与道路坐标判断其在城市区域内的位置属性，包括建筑位置属性Att_building和路面位置属性Att_street，判断方法如下：
Figure BDA0004096238560000122
Figure BDA0004096238560000123
其中，公式(6)中的Att_building用于判断建筑是否位于城市区域内，公式(7)中的Att_street用于判断道路是否位于城市区域内。
S4、声学预测子模块读取系统内各模块与其子模块内的数据信息，基于噪声户外传播预测模型，进行区域内倍频带噪声声压级预测，包括：
S41、使用噪声监测模块采集的数据、经数据解析子模块处理的环境信息数据以及从等效声源子模块中选择的声源，结合区域内的背景噪声SBkgN和各噪声源在预测模型中的相应坐标，设置预测计算用的声源Sn(x，y)；
S42、使用声学预测子模块中区域倍频带噪声声压级预测模型，预测区域内各接收点Ri，j(xi，yj)的倍频带噪声声压级LfT；
S43、使用数据解析子模块传输的城市区域内的气象信息与地形信息，预测各接收点的地面影响Attground与大气影响Attatm；
S44、数据解析子模块中解析得到区域内存在n个建筑，解构后区域内存在至少3n～4n个障碍物面，使用多个障碍物面影响预测模型，预测当前接收点受障碍物面的影响，具体包括：
S441、如图2和图3所示，计算当前的拟合噪声源与接收点之间的距离dp(si，rj).
Figure BDA0004096238560000131
式(8)内所表示的xs、xr、ys以及yr为当前预测计算的声源与接收点的坐标；
S442、根据距离判断声源与接收点之间涉及的障碍物面情况，对当前参与计算的接收点所在区域进行识别，如图4所示，对处于不同区域的接收点使用相应的计算方法：
Figure BDA0004096238560000132
其中，Abar表示总的衍射衰减量，Abar_sgl表示对应单个障碍物面的衍射衰减量，Abar_dbl表示对应两个或多个障碍物面的衍射衰减量；若当前预测的声源与接收点间仅存在单个障碍物面时，计算Abar_sgl(dB)，若存在两个或多个障碍物面则计算Abar_dbl(dB)；
S4421、判断存在单个障碍物面时声传播过程中是否存在衍射，如图5所示，若“障碍物面”在垂直于声源到接收点连线方向上的投影大于计算频带的标称中心频率f的声波波长λ，则“障碍物面”的衍射衰减将会被计算，即：
(ll+lr)＞λ (10)
其中ll与lr分别为“障碍物面”在垂直于声源到接收点连线方向上，在声源侧与接收点侧的投影，λ＝c/f，c为声速344m/s；
S4422、计算单个“障碍物面”总的衍射传输量，具体为顶部、两侧边衍射传输到接收点的路径能量的总和，如图6所示，每条路径的位置都遵从“最短路径原理”，总的衍射衰减量Abar为三条衍射路径各自衰减的综合效应：
Figure BDA0004096238560000141
其中Abar_up为顶部衍射路径的衍射衰减量，Abar_left和Abar_right分别为两个侧边衍射路径的衍射衰减量，分别计算为：
Figure BDA0004096238560000142
Figure BDA0004096238560000143
Figure BDA0004096238560000144
其中式(12a)中Agr为假定无障碍物时声源S到接收点R的地面影响量，对应于第i条传输路径(i＝1，2，3，分别对应顶部、两侧边的衍射路径)的衰减量Dzi在标称中心频率为f的倍频带处的计算公式为：
Figure BDA0004096238560000145
使用公式(13)，作为计算中间量的通用公式，C2、C3为该固定公式的给定常数，其中C2＝20，C3＝1；Δi为第i条衍射传输路径与直达声路径之间的路程差，计算公式为：
Figure BDA0004096238560000151
如图7所示，dss表示声源到衍射点(衍射路径与“障碍物面”对应衍射边的交点)的距离，dsr表示衍射点到接收点之间的距离，a为声源与接收点在地面投影的连线在“障碍物面”延伸方向上的投影长度，公式(13)中的Kmeti为对第i条路径进行气象影响修正的因子，其计算方式如下：
Figure BDA0004096238560000152
S4423、基于单个障碍物面的影响预测计算，获得城市区域内各接收点在遇到单个障碍物面时声传播过程所受的影响Abar；
S4424、当存在两个或多个障碍物面时，Abar_dbl计算方法如下：
Figure BDA0004096238560000153
Figure BDA0004096238560000154
Figure BDA0004096238560000155
Figure BDA0004096238560000156
其中，Dz_dbl是从两个障碍物面顶部衍射的最短路径在标称中心频率为f的倍频带处对应的衰减相关量，该路径的路程差记为Δ_dbl；式(16)中e为计入的衍射路径中两个衍射点(衍射路径与两个“障碍物面”顶边的交点)之间的距离；式(17)中dss表示声源到沿路径的第一个衍射点的距离，dsr表示沿路径的第二个衍射点到接收点之间的距离，d表示声源与接收点之间的直线距离。
S45、使用障碍物面反射影响预测模型，计算各接收点在各频段所受的反射影响，具体过程包括：
S451、基于系统城市区域的噪声户外传播预测模型，对待计算的接收点位置进行判断；
S452、计算声源S相对于“障碍物面”的镜像位置IS，得到IS与接收点R的连线与“障碍物面”的交点C；
S453、判断声源S与交点C之间是否有“障碍物面”阻挡；
S454、判断接收点R与交点C之间是否有“障碍物面”阻挡；
S455、当声源S与交点C之间、接收点R与交点C之间，都不存在“障碍物面”阻挡时，计算该“障碍物面”在接收点R处的反射影响Lref，Lref在标称中心频率f的倍频带处的计算公式为：
Lref＝Lw+10log10(1-α(f))+Dlr (20)
其中，Lw为当前计算的声源在f频段的声功率级，α(f)为该“障碍物面”在f频段的吸声系数，Dlr为当前计算的声源S到反射点C方向上声源的指向性指数；
S456、当接收点位置受到障碍物面反射影响时，计算接收点R处，“障碍物面”的反射影响Lref，tot，计算方法为：
Figure BDA0004096238560000161
其中Jdgi为第i个“障碍物面”在R处是否有反射影响的判断因子：有则为1，否则为0；Lref，i为第i个“障碍物面”在R处的反射影响。
S46、声学预测子模块使用城市区域背景噪声、区域内声源以及计算获得的各接收点处的地面影响Attground、大气影响Attatm及障碍物面影响，计算各接收点的等效连续倍频带声压级LfT_DW。
S47、当存在障碍物面反射影响时，将障碍物面反射的影响加入接收点声压级预测中，获得各接收点受各声源以及障碍物面反射影响后的预测噪声数据LfT_DW，tot，计算方法为：
Figure BDA0004096238560000162
S5、实时噪声监测数据子模块将定时更新的监测数据传输至信息预测与校准模块内的校准验证子模块，进行监测与预测数据的交互校准计算，包括：
S51、噪声监测模块根据噪声监测方案执行工作，将采集的噪声数据LW_monitor传输至校准验证子模块；声学预测子模块也将各接收点的预测数据LfT_DW,tot传输至校准验证子模块。
S52、基于城市区域内的声环境中声源类型选择合适的声源校准模型：当城市区域内主要噪声源为城市内施工工地流动作业产生的噪声时，符合单个等效点声源、位置移动、源场强时变情况，对应选择单个等效点声源，位置移动、源场强时变校准模型；当城市区域内主要噪声源为工厂内不同车间产生的噪声时，符合多个等效点声源、位置固定、源场强时变情况，对应选择多个等效点声源，位置固定、源场强时变校准模型；当城市区域内的交通噪声产生位置固定在交通主干道内呈直线分布时，符合多个等效线声源、位置固定、源场强时变的情况，对应选择多个等效线声源，位置固定、源场强时变校准模型。
S53、基于监测数据与预测数据对噪声数据进行实时的交互校准，获得校准后的噪声数据LW_Verified(x,y,time)。
S6、如图9所示，使用信息分析评估与管理模块进行城市区域内的声信息的研究、评估、管理与更新发布，包括：
S61、校准验证子模块将已校准的噪声信息传输至计算管理子模块与信息分析评估与管理模块，进行记录与存储。
S62、在环境自动化监测与执法应用及信息发布子模块内，使用各接收点的坐标在城市区域地图更新发布声环境监测信息与附带工作信息。
S63、在政府环境管理综合业务协同应用(环评监督、污染防治、环境统计)子模块内，使用各接收点的坐标在城市区域地图更新发布声环境校准后信息与附带参考信息。
S64、设置声环境信息评估与分析的数据筛选标准，在政府环境管理综合业务协同应用(环评监督、污染防治、环境统计)子模块内，使用不同筛选模式提取相应已校准的噪声信息，对一天内各个时段居民区周围的声环境质量变化情况进行分析。
S65、选择城市区域内居民区距离工厂最近和最远监测点的全天数据；整合并查看一天内两监测点处的噪声水平变化与对比，观察两处位置的声环境变化趋势；以声功能区分布为筛选条件，查看一天内各时间段城市区域的噪声超标情况。
以上内容仅为本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.基于噪声监测与预测校准的声环境信息系统的构建方法，其特征在于，包含下述步骤：
S1、对城市区域地理信息数据进行处理与解析；
S2、根据城市区域内噪声分布及车流量情况制定噪声监测方案；
S3、使用城市区域的道路建筑信息与地图，建立区域噪声户外传播预测模型；
S4、声学预测子模块读取系统内各模块与其子模块内的数据信息，基于噪声户外传播预测模型，进行区域内倍频带噪声声压级预测；
S5、实时噪声监测数据子模块将定时更新的监测数据传输至信息预测与校准模块内的校准验证子模块，进行监测与预测数据的交互校准计算；
S6、使用信息分析评估与管理模块进行城市区域内的声信息的研究、评估、管理与更新发布。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S3、使用城市区域的道路建筑信息与地图，建立区域噪声户外传播预测模型，包括：
S31、信息预测与校准模块内的数据解析子模块读取地理信息库内数据；
S32、数据解析子模块对地理信息进行解析，将道路与建筑的地理坐标转换为声学计算所用的相对坐标Pbuilding(X,Y)、Pstreet(X,Y)，并将区域内建筑解构为相应的障碍物面SBSbuilding；
S33、预测模型子模块从地理信息库内读取模型预测计算涉及的建筑与道路边界参数αbuilding、αground，结合数据解析子模块内解析的数据，建立具有城市区域内边界吸声系数的噪声户外传播预测模型；
S34、预测模型子模块使用建筑与道路坐标判断其在城市区域内的位置属性。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述S32中将区域内建筑解构为相应的障碍物面SBSbuilding中，解构流程为：
Pbuilding_j(longitude,latituede)→Pbuilding_j(X,Y) (3)
Figure FDA0004096238550000011
Figure FDA0004096238550000021
Figure FDA0004096238550000022
Figure FDA0004096238550000023
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S4、声学预测子模块读取系统内各模块与其子模块内的数据信息，基于噪声户外传播预测模型，进行区域内倍频带噪声声压级预测，包括：
S41、使用噪声监测模块采集的数据、经数据解析子模块处理的环境信息数据以及从等效声源子模块中选择的声源，结合区域内的背景噪声SBkgN和各噪声源在预测模型中的相应坐标，设置预测计算用的声源Sn(x,y)；
S42、使用声学预测子模块中区域倍频带噪声声压级预测模型，预测区域内各接收点Ri,j(xi,yj)的倍频带噪声声压级LfT；
S43、使用数据解析子模块传输的城市区域内的气象信息与地形信息，预测各接收点的地面影响Attground与大气影响Attatm；
S44、数据解析子模块中解析得到区域内存在n个建筑，解构后区域内存在至少3n～4n个障碍物面，使用多个障碍物面影响预测模型，预测当前接收点受多个障碍物面的影响；
S45、使用障碍物面反射影响预测模型，计算各接收点在各频段所受的反射影响；
S46、声学预测子模块使用城市区域背景噪声、区域内声源以及计算获得的各接收点处的地面影响Attground、大气影响Attatm及障碍物面影响，来计算各接收点的等效连续倍频带声压级LfT_DW；
S47、将障碍物面反射影响加入接收点声压级预测中，获得各接收点受各声源以及障碍物面反射影响后的预测噪声数据LfT_DW,tot。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述S5、实时噪声监测数据子模块将定时更新的监测数据传输至信息预测与校准模块内的校准验证子模块，进行监测与预测数据的交互校准计算，包括：
S51、噪声监测模块根据噪声监测方案执行工作，将采集的噪声数据LW_monitor传输至校准验证子模块；声学预测子模块也将各接收点的预测数据LfT_DW,tot传输至校准验证子模块；
S52、基于城市区域内的声环境中声源类型选择合适的声源校准模型；
S53、基于监测数据与预测数据对噪声数据进行实时的交互校准，获得校准后的噪声数据LW_Verified(x,y,time)。
6.基于噪声监测与预测校准的声环境信息系统，基于权利要求1-5任一项所述的方法，其特征在于，包括：地理信息库、噪声监测模块、信息预测与校准模块和信息分析评估与管理模块；
其中，所述地理信息库接收多渠道汇总的城市地理信息数据；噪声监测模块为系统提供更新迭代的数据来源；信息预测与校准模块负责系统内全部的数据处理、计算以及管理工作；信息分析评估与管理模块动态更新与发布可视化、可查询声环境数据，并用于分析、评估与管理城市声环境信息。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述地理信息库包括道路信息子模块、建筑信息子模块、地形信息子模块、车流量信息子模块与气象信息子模块；道路信息子模块用于存储与更新系统城市区域内的各种来源汇总的道路数据信息；建筑信息子模块用于存储与更新系统城市区域内的建筑信息；地形信息子模块用于存储与更新系统城市区域相关的地形信息；车流量信息子模块用于存储与更新系统城市区域内由各种来源汇总的道路车流量信息；气象信息子模块用于存储与更新系统城市区域内的相关气象信息。
8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述噪声监测模块包括监测布点方案管理子模块、监测设备信息子模块、实时噪声监测数据子模块、等效声源子模块；监测布点方案管理子模块用于制定并优化系统城市区域内的监测布点方案；监测设备信息子模块用于存储并更新噪声监测所用的设备信息；实时噪声监测数据子模块负责在系统城市区域内执行实时噪声监测工作；等效声源子模块为城市声环境信息预测计算与监测校准提供所需的声源数据。
9.根据权利要求7所述的系统，所述信息预测与校准模块包括数据解析子模块、预测模型子模块、声学预测子模块、校准验证子模块和计算管理子模块；数据解析子模块用于处理地理信息库各子模块内存储并更新的数据，并将可进行建模与计算的数据传输至预测模型子模块与声学预测子模块；预测模型子模块用于建立系统城市区域内的城市噪声户外传播预测模型，并将构建完成的噪声户外传播预测模型传输至声学预测子模块作为预测计算的模型基础；声学预测子模块用于计算系统城市区域内各项预测数据，该子模块内包含环境影响预测模型、障碍物影响预测模型、单独点位及区域倍频带噪声声压级预测模型；校准验证子模块能够实现系统城市区域内噪声监测与预测数据的交互校准计算；计算管理子模块负责记录声环境信息系统的工作信息并发布计算数据需求。
10.根据权利要求8所述的系统，所述信息分析评估与管理模块包含环境自动化监测与执法应用及信息发布子模块、政府环境管理综合业务协同应用(环评监督、污染防治、环境统计)子模块、公众参与在线信息发布子模块和个人声环境信息智慧管理终端子模块；环境自动化监测与执法应用及信息发布子模块用于辅助城市内执行的环境监测与执法工作；政府环境管理综合业务协同应用(环评监督、污染防治、环境统计)子模块用于辅助政府单位的环评监督、污染防治及环境统计工作；公众参与在线信息发布子模块用于城市声环境信息公开与公众查询；个人声环境信息智慧管理终端子模块用于提升个人生活环境健康值。
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