高架斜坡道路三维交通噪声动态模拟

王 超，蔡 铭，王海波，李 军，丁建立

1.中山大学工学院，广东省智能交通系统重点实验室，广东 广州 510006

2.中国民航大学，中国民航信息技术科研基地，天津 300300

高架斜坡道路三维交通噪声动态模拟

王 超1，蔡 铭1，王海波1，李 军1，丁建立2

1.中山大学工学院，广东省智能交通系统重点实验室，广东 广州 510006

2.中国民航大学，中国民航信息技术科研基地，天津 300300

为研究高架斜坡道路声场分布规律，根据城市快速路设计规范建立相应的斜坡道路模型，通过微观交通仿真软件结合噪声计算插件对其进行噪声动态模拟，获取三维空间的噪声值及道路垂直截面声场分布图，给出高架斜坡道路的声场分布规律。结果表明:高架斜坡道路上下坡两侧声场分布不对称，上坡一侧声影区界限划分较为明显，而下坡一侧声影区界限划分不明显；下坡侧接受点在高度4～20 m时,噪声值大于上坡侧对称点处的噪声值。

交通噪声；高架斜坡道路；微观交通仿真

高架斜坡道路为高架快速路与地面道路的连接部分。由于斜坡段路面高度持续变化，且车辆在斜坡上运行时加减速行为更为频繁，车辆排放噪声随运动状态变化。因此，高架斜坡道路的声场分布也更为复杂多变。

高架斜坡道路声场分布研究方法主要有实地监测法、模型计算法和计算机模拟法。实地监测法能反映实际噪声水平，但监测结果受外界随机因素影响较大，有效性无法保证。模型计算法通过分析坡度对车辆噪声排放模型的影响并结合噪声传播规律得出斜坡道路的声场分布规律。陈子明等[1]通过分析得出了关联车速和道路坡度的单车噪声排放模型，结合噪声传播得出斜坡道路的周围噪声水平。模型计算法有一定的理论依据作支撑，但对于实际复杂因素的分析不全面。计算机模拟方法中第一个途径是通过静态的噪声模拟软件(如Cadna/A、SoundPLAN等)模拟。盖磊等[2-3]运用这2种软件对高架复合道路声场模拟计算，得到高架复合道路垂直截面声场的分布规律。但软件中噪声计算模型都是基于某一特定区域标准规范，模型参数需要针对特定区域修正，过程繁琐。计算机模拟方法中第二个途径是基于微观交通仿真的交通噪声动态模拟。该方法对车辆运动模拟同时结合单车排放模型和传播模型，实时计算噪声。CAN等[4-6]在交通噪声动态模拟方面进行了相关的研究，揭示了间断流状态下的交通噪声传播分布规律，建立了相关的评价系统。李锋等[7-10]针对城市特殊交通场景下的交通噪声获得了很多有用的研究成果。但鲜有研究对高架斜坡道路进行交通噪声动态模拟研究。本文采取交通噪声动态模拟方法研究高架斜坡道路周围声场分布规律，通过声场分布图直观地显示高架斜坡道路周围声场分布及噪声污染情况，结合相应的统计声级及噪声污染级，为制定污染防治措施提供决策依据。

1 实验原理

1.1 交通噪声动态模拟方法

交通噪声动态模拟方法基于微观交通仿真，通过模拟车辆微观交通行为，追踪每一辆车的实时位置和运动状态，实现对每辆车排放噪声的精确计算，再结合噪声传播模型，实现高架斜坡道路的交通噪声动态模拟。

动态仿真追踪每一时间步长每一辆车对接受点的噪声贡献值，每一辆车都作为一个独立的无指向性点声源存在。第i秒第j车辆对接收点的噪声贡献值Lp(i,j)计算公式：

(1)

式中：L0为考虑单车噪声辐射声级；r0为参考点处距离；rij为第i秒第j辆车至接收点的距离，m；ΔL为声音经过高架护栏或声屏障的绕射衰减量。

仿真时段T内N辆车对接收点处的噪声贡献值Leq为：

(2)

1.2 交通噪声模型

1.2.1 单车噪声排放模型

单车噪声排放模型采用林郁山等[11]以广州市实验数据为基础建立的考虑加速度的车辆源强排放模型。根据《环境影响评价技术导则-声环境》[12]需要对道路纵坡进行修正，不同车型关联道路纵坡度对声源排放的修正量ΔLg：

(3)

(4)

(5)

式中β为公路纵坡坡度(%)。

1.2.2 交通噪声传播模型

高架道路两侧一般都会设置0.85 m高的护栏。车辆在斜坡及高架道路上行驶时，噪声传播由于受到护栏的遮挡，会形成不同的声影区域[13]，如图1所示。

图1 垂直截面声场分布示意图

在声照区，接收点噪声来自于车辆的直达声，传播路径为SiPi；在声影区1，接收点噪声为车辆一次衍射贡献，传播路径为SiAiPi；在声影区2：接收点噪声为车辆2次衍射贡献，传播路径为SiAiBiPi。高架道路及斜坡路段设置的护栏在噪声传播过程中视为一定高度声屏障衰减作用，点声源经过声屏障的绕射衰减量ΔLb。

2 高架斜坡道路仿真实验

2.1 仿真实验参数设定

在微观交通仿真实验中，分别设置道路及车流属性。根据《城市快速路设计规程》(CJ 129—2009)[14]中对道路纵坡、坡长及设计车速规定设计仿真实验。高架斜坡道路前段部分地面平直路段，后段部分为高架平直路段。斜坡路段具体道路属性信息如表1所示。

表1 仿真实验道路属性信息

车流属性：上下行交通量各为800辆/h；大、中、小型车比例分别为15%、15%、70%。仿真时长1.5 h，采样时间为中间1 h。空间网格点间隔为1 m×1 m×1 m。道路坐标系统设定如图2所示。

2.2 斜坡高架交通噪声动态模拟

高架斜坡交通噪声动态模拟流程如图3所示。先建立高架斜坡道路模型，设置车流属性和道路属性，再将单车噪声排放模型及传播衰减模型编写成API函数噪声计算插件，对交通流仿真的同时，实时计算空间接收点的交通噪声值。

图2 高架斜坡道路坐标系统示意图

图3 高架斜坡道路动态交通噪声模拟

3 斜坡高架交通噪声规律分析

3.1 特定纵坡度下斜坡道路垂直截面声场分布

根据表1中仿真实验编号1要求，建立高架斜坡道路模型。选取Y=100 m，斜坡路面高H=5 m处XOZ截面声场分布图进行研究，结果如图4所示。

图4 Y=100 m处XOZ截面声场(单位dB)分布图

从图4可以看出，上坡段车辆排放噪声明显高于下坡段车辆排放噪声。斜坡高架声场分布均有4条褶皱线，形成不同的声影区域。这是由于，4条车道上车辆行驶噪声经过护栏遮挡绕射会形成衍射分界线，对应形成声场分布图的4条褶皱线。

高架斜坡道路的上坡一侧声照区到声影区的分界线比下坡一侧的分界线更为明显。由于下坡车辆排放噪声减小，上坡车辆排放噪声增大，使得下坡段两条车道上的车辆对上坡一侧噪声贡献值减小，而上坡段两条车道上的车辆对下坡一侧噪声贡献值增大，因此造成上坡一侧声照区过渡到声影区的分界线明显，而下坡一侧声照区过渡到声影区的分界线不明显。

3.2 特定纵坡度下斜坡道路侧面声场分布

本次噪声模拟计算只针对斜坡路段上车辆，不考虑斜坡段前后平直路段上车辆噪声影响。斜坡路段车道平面示意图如图5所示。

图5 斜坡段车道平面示意图

选取X=±40 m处YOZ截面作为研究对象，侧面声场分布如图6和图7所示。

图6 X=-40 m处YOZ截面小时等效声级(单位dB)分布图

图7 X=40 m处YOZ截面小时等效声级(单位dB)分布图

从图6和图7可以看出，道路两侧声场分布不对称。最下方声影区上坡一侧明显较高，但在某一高度范围上坡一侧则较小，该高度范围取决于坡度及接收点距路侧边缘距离。

选取点A(-40,120)和点B(40,120)竖直高度上噪声变化情况，变化曲线如图8所示。

图8 噪声随高度变化情况 (坡度5%)

从图8可以看出，随高度增加，噪声先增大后减小，且在4～20 m高度范围内下坡一侧噪声大于上坡一侧噪声。

分别模拟计算上坡车辆及下坡车辆对点A、点B竖直方向的噪声贡献值，结果如图9所示。

图9 上、下坡车辆对点A和点B噪声贡献情况(坡度5%)

0～100 m高度范围内，上坡车辆对点A和点B竖直方向的平均噪声贡献值分别为63.79、63.96 dB，而下坡车辆对点A、点B竖直方向的平均噪声贡献值分别为60.44、60.29 dB。结合图9可知，上坡车辆对两侧噪声贡献值整体上高于下坡车辆对斜坡两侧的噪声贡献值。

当坡度为5%时，在4～20 m高度范围内，上坡车辆对下坡侧的贡献值大于其对上坡侧的贡献值，而下坡车辆对上坡侧的噪声贡献值大于其对上坡侧的噪声贡献值。可见，上坡侧护栏对下坡车辆噪声遮挡大于下坡侧护栏对上坡车辆噪声遮挡。因此，在4～20 m高度范围内下坡一侧噪声大于上坡一侧噪声。

3.3 不同纵坡度下斜坡道路垂直截面声场

为对比不同设计纵坡度及设计车速要求下的噪声污染情况，根据表1中仿真实验编号2和编号3要求对斜坡段设置道路属性，交通流属性与实验编号1保持一致，车流属于自由流状态。分别进行仿真实验，结果选取2种情况下Y=100 m处的XOZ道路垂直截面的小时等效声级声场分布图(见图10和图11)。

图10 坡度为3% 垂直截面声场(单位dB)分布图

图11 坡度为4% 垂直截面声场(单位dB)分布图

从图4、图10和图11可以看出，随着设计纵坡度的减小，上下坡车辆单车排放噪声差距减小，道路两侧声场呈现对称趋势。而由于坡度减小，车道设计车速提高，在非饱和流情况下，车流速度相应提高，因此使整个斜坡路段周围声场的噪声污染水平更高。

选取3种坡度情况下点C(-40,100)位置处噪声随高度变化情况进行比较，结果见图12。

图12 不同纵坡噪声随高度变化情况

从图12可以看出，3种情况下，噪声都是随高度增加先快速增加，然后缓慢减小。对比坡度为4%、5% 2种情况，坡度为3%时噪声随高度的变化是圆滑过渡，无明显跳变过程。这是由于，当道路设计纵坡度减小时，道路设计车速提高，在自由流状态下，车辆实际行驶速度会相应提高并稳定在设计车速左右，坡度引起的两侧声场差异减小，车速为主要影响因素。因此，路面以上两侧声衍射过渡趋于平滑，无明显的声影区分界线。

设计纵坡度分别为3%、4%、5%时，0～100 m高度范围内各自的噪声平均值分别为68.87、66.97、65.09 dB。可以看出，道路纵坡为5%、设计时速为60 km/h时，噪声的影响是3种设计规范中最小的。因此，当减小城市快速路设计纵坡时，相应的会提高其设计车速，在车流量稳定状态下，车辆以自由流状态行驶时，会加剧周围区域噪声污染。

3.4 交通噪声动态变化

采用基于微观交通仿真的交通噪声动态模拟方法，因此该方法在模拟过程中可以得到三维空间任意一点的实时噪声值。以坡度为5%场景下点D(-40,100,10)点E(40，100，10)为例，仿真采样时间为1 h，采样间隔为1 s，总共获取3 600个噪声数据。根据实时噪声值可得到在1 h内这2个点的噪声实时变化情况。对3 600个实时噪声值统计分析可得到相应的统计声级，计算噪声污染级LNp，结果如表2所示。根据噪声实时变化情况及对应的统计声级等，可作为噪声评价依据。

表2 上下坡对称点处统计声级

4 结论

基于微观交通仿真，建立了高架斜坡道路交通噪声动态模拟方法，实现了斜坡道路区域三维动态交通噪声模拟，并且得到高架斜坡道路三维空间点的实时噪声值。

高架斜坡道路的交通噪声动态模拟揭示并分析了斜坡道路声场的分布规律及其变化情况：高架斜坡道路两侧声场分布不对称。上坡一侧声照区到声影区分界线比下坡一侧声照区到声影区分界线更为明显。纵坡为5%。在4～20 m高度范围内，下坡一侧噪声大于上坡一侧噪声。

根据设计规范中对城市快速路纵坡度及设计车速规定，当减小城市快速路的设计纵坡时，其设计车速会相应提高，在自由流状态下，车辆自由行驶速度会随之提高，此时，道路两侧噪声变化趋于平缓，周围噪声增加。当道路纵坡坡度为5%，设计时速为60 km/h时噪声的影响为设计要求中最小，且在0～100高度内平均噪声值为65.09 dB。

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Dynamic Simulation of Traffic Noise Based on Microscopic Traffic Simulation on Elevated Sloping Road

WANG Chao1, CAI Ming1, WANG Haibo1, LI Jun1, DING Jianli2

1.School of Engineering, Sun Yat-sen University, Guangdong Provincial Key Laboratory of Intelligent Transportation System, Guangzhou 510006, China

2.Information Technology Research Base of Civil Aviation Administration of China, Civil Aviation University of China, Tianjin 300300, China

To investigate the distribution of acoustic field on elevated sloping road, the sloped section models are built according to the Specification for design of urban expressway, and the Paramics microscopic traffic simulation software with noise analysis module is employed to calculate the 3D noise values and obtain the vertical acoustic fields. The characteristic distribution of the acoustic field is summarized with the theoretical analysis. The results shows that the acoustic shadow zone on the uphill side is more significant than that on the downhill side, the noise levels on the downhill side was higher than that on the uphill side within the 4-20 meters range of height.

traffic noise;elevated sloping road;microscopic traffic simulation

2014-12-19;

2015-09-11

国家自然科学基金资助项目(51178476,11574407)；广东省科技计划项目(2015B010110005)；中国民航信息技术科研基地开放课题基金项目(CAA-ITRB-201308)

王 超(1990-)，男，江苏扬州人，在读硕士研究生.

李 军

X827

A

1002-6002(2016)01- 0075- 05