虚拟小区交通噪声环境影响预测系统构建研究

曾 宇 户文成

(北京市劳动保护科学研究所 北京 100054)

0 引 言

近年来随着城市交通路网的建设，城市轨道和道路交通引发的环境噪声污染问题受到广泛关注[1-2]。在建设规划环境影响评估过程中，评估人员不仅需要预测和评估城市轨道和道路交通引发的环境噪声污染，还要对严重的环境噪声污染进行控制并对控制措施的效果进行评估。环境噪声预测结果和控制效果大多以等效声级、插入损失等评价指标的形式进行存储和展示，环境噪声评价指标的抽象和视听体验的欠缺给环境噪声预测结果和控制效果的体验带来不便，进而降低了环境噪声影响评估过程的效率。

指标数据的抽象和视听体验的欠缺的问题可以通过虚拟现实技术来解决。赵鸿凯等[3]提出一种基于三维虚拟现实的历史街景重现技术，重现精度高且完整性强。张硕等[4]构建了虚拟现实家居环境，捕捉操作者的手势并使虚拟人物同步动作。于洋等[5]采用虚拟现实技术研发隧道掘进机虚拟仿真系统，应用于地下工程施工课程的实践教学环节。刘婷婷等[6]提出结合体感和语音技术建立情景化虚拟康复环境的构想，设计了一种基于虚拟智能体的康复技术方案。李初蕾等[7]提出试车数据与发动机3D数字化模型融合的实时可视化方法，实现了发动机模型结构和测试参数可视化功能。黄铭明等[8]构建了下颌骨骨折虚拟手术培训系统，对下颌骨骨折手术的场景、交互和手术过程进行模拟。刘相等[9]利用虚拟现实技术建立空间站虚拟场景，研究了航天员的身体移动姿态对导航任务绩效的影响。史耕金[10]设计了基于虚拟现实技术的发电机检修工艺培训专家系统，提高了火电厂发电机检修培训的效果和质量。张力匀等[11]提出一种基于虚拟现实技术的基础维修时间预计方法，应用于民用飞机维修拆卸任务的时间预计。王磊等[12]构建了核电站厂房的虚拟现实场景，研究了压水堆换料操作过程中虚拟核电站厂房内辐射剂量的分布。候佳鑫等[13]设计了沉浸式高放废物处置地下实验室三维数据可视化系统，实现了场景漫游和三维数据可视交互等工程建设预选方案评估功能。

本文针对建设规划环境影响评价中环境噪声预测结果和控制效果体验直观性差的问题，提出一种虚拟小区交通噪声环境影响预测系统。整合交通、建筑、地形、环境等数据，为环境噪声的建模、预测和体验过程提供统一数据源。构建基于虚拟现实技术的小区及其周边轨道和道路交通的三维虚拟场景，并在噪声源附近设置声屏障作为可选的降噪措施。利用噪声地图技术预测小区环境噪声，实现虚拟小区场景漫游和环境噪声体验的同步。以某小区为对象进行虚拟现实场景建模和环境噪声预测，对该系统的有效性进行验证。

1 总体设计

1.1 功能模块设计

虚拟小区交通噪声环境影响预测系统包括三个功能模块，如图1所示。

图1 功能模块设计

系统管理模块用于管理系统信息和维护系统运行，包括四个子模块。其中项目管理子模块用于管理项目名称、小区名称、所在城市等项目基本信息，文件管理子模块用于管理轨道交通、道路交通、建筑和隔声设施等模型文件，日志管理子模块用于管理和查阅系统运行日志，备份恢复子模块用于数据的定期备份和紧急恢复。

场景建模模块用于构建小区及其周边轨道和道路交通的三维虚拟场景，包括四个子模块。道路交通子模块和轨道交通子模块分别管理小区周边道路和轨道的方位、源强等信息以及模型文件链接并在场景中生成道路和轨道交通的三维模型，建筑子模块管理小区内各建筑的位置、方向等信息以及模型文件链接并在场景中生成建筑的三维模型，降噪设施子模块在场景中生成作为降噪设施的声屏障，用于降噪措施的效果预测和体验。

噪声预测模块用于建模和计算小区环境噪声，包括两个子模块。地理信息子模块用于建立与三维虚拟场景对应的地理信息模型，环境噪声子模块在地理信息模型基础上生成环境噪声计算模型，求解并将环境噪声计算结果传送回三维虚拟场景。

1.2 系统流程设计

不同角色权限的用户登录虚拟小区交通噪声环境影响预测系统后进行不同的操作。系统管理员可以进入系统管理模块，进行项目管理、文件管理等操作。体验人员只能选择并进入某虚拟小区中进行场景漫游和交通噪声环境影响体验。设计人员从系统管理员处获得项目ID后，可以进入对应的项目中进行虚拟现实场景建模和环境噪声预测。

设计人员在虚拟小区交通噪声环境影响预测系统中的典型工作流程如图2所示。进入项目后首先进行场景建模，可以在场景中新建轨道交通、道路交通、建筑、降噪设施等虚拟对象，也可以修改或删除场景中已有的虚拟对象。分别在轨道交通、道路交通和建筑子模块中处理场景内该类型的虚拟对象，更新虚拟对象的方位、状态等参数以及模型文件链接。然后在降噪设施模块查看场景内的降噪设施，进行新建、修改或删除。接着得到与虚拟现实场景对应的地理信息模型，基于地理信息模型建立噪声地图，计算得到虚拟现实场景中不同位置的环境噪声。最后保存更新内容并退出项目。

图2 系统流程设计

2 功能实现

2.1 统一数据源

环境噪声影响评价涉及交通、建筑、地形、环境等数据，数据存储的分散性和数据文件格式的多样性给信息的解析和查询带来不便。虚拟小区交通噪声环境影响预测系统通过数据库存储和管理场景建模数据和环境噪声数据，为建模、预测和体验过程提供统一的数据源。数据库的主要实体对象如下：

1) 项目实体对象，主要属性包括项目ID、项目名称、所在城市、所在区县等。

2) 轨道实体对象，主要属性包括轨道ID、轨道类型、发车间隔、噪声ID、模型文件链接等。

3) 项目轨道实体对象，主要属性包括项目轨道ID、项目ID、轨道ID、轨道位置、轨道方向等。

4) 道路实体对象，主要属性包括道路ID、道路类型、平均车速、噪声ID、模型文件链接等。

5) 项目道路实体对象，主要属性包括项目道路ID、项目ID、道路ID、道路位置、道路方向等。

6) 地块实体对象，主要属性包括地块ID、地块名称、项目ID、地块位置、土地用途等。

7) 建筑实体对象，主要属性包括建筑ID、建筑高度、建筑层数、建筑红线、模型文件链接等。

8) 地块建筑实体对象，主要属性包括地块建筑ID、地块ID、建筑ID、建筑位置、建筑方向等。

9) 降噪设施实体对象，主要属性包括降噪设施ID、项目ID、降噪设施类型、降噪设施位置、模型文件链接等。

10) 噪声实体对象，主要属性包括噪声ID、噪声名称、噪声类型、声级、曲线ID等。

11) 环境噪声实体对象，主要属性包括环境噪声ID、项目ID、受声点位置、受声点名称、噪声ID等。

12) 曲线实体对象，主要属性包括曲线ID、曲线名称、X坐标轴单位、Y坐标轴单位等。

13) 曲线点实体对象，主要属性包括曲线点ID、曲线ID、X坐标值、Y坐标值等。

2.2 场景建模

虚拟小区交通噪声环境影响预测系统使用虚拟现实技术进行场景建模，为使用者提供沉浸式、交互式和构想式的视听体验。

系统进行场景建模的主要流程如图3所示。进入场景建模模块后首先创建轨道交通、道路交通和建筑对象。在项目轨道数据库表中根据项目ID查询获取该项目的轨道ID、轨道位置和方向等数据，根据轨道ID在轨道数据库表中查询得到轨道交通的发车间隔、噪声ID、模型文件链接等信息，结合项目轨道数据库表中获得的轨道方位数据，在场景中创建轨道对象。在项目道路数据库表中根据项目ID查询获取该项目的道路ID、道路位置和方向等数据，根据道路ID在道路数据库表中查询得到道路交通的平均车速、噪声ID、模型文件链接等信息，结合项目道路数据库表中获得的道路方位数据，在场景中创建道路对象。在地块数据库表中根据项目ID查询得到该项目的地块ID，根据地块ID在地块建筑数据库表中查询得到该地块的建筑ID、建筑位置和方向等数据，根据建筑ID在建筑数据库表中查询获得该建筑的建筑高度、建筑红线、模型文件链接等信息，结合地块建筑数据库表中获得的建筑方位数据，在场景中创建建筑对象。然后在降噪设施数据库表中根据项目ID查询得到该项目的降噪设施ID、类型、位置和模型文件链接等信息，在场景中创建降噪设施对象。

图3 虚拟现实场景建模流程

2.3 噪声预测

噪声地图基于噪声计算模型，通过道路车流量、机场起降航次等噪声相关参数计算得到一定区域的噪声分布情况，为区域整体规划、噪声污染的预防和控制措施提供了科学的决策依据[14-15]。噪声计算模型包括美国的FHWA模型、法国的NMPB模型、中国的声导则模型等[16]，虚拟小区交通噪声环境影响预测系统基于噪声地图技术进行环境噪声预测，噪声计算模型采用声导则模型，其户外声传播衰减计算公式如下：

Lp(r)=Lp(r0)-ΔLp(r)

(1)

ΔLp(r)=Adiv+Aatm+Agr+Abar+Amisc

(2)

式中：Lp(r)为预测点r处的声压级；Lp(r0)为已知距离无指向性点声源参考点r0处的倍频带声压级；ΔLp(r)为声衰减量；Adiv为几何发散引起的衰减；Aatm为大气吸收引起的衰减；Agr为地面效应引起的衰减；Abar为声屏障引起的衰减；Amisc为其他衰减。

进行环境噪声预测时首先将轨道和道路简化成线，将建筑简化为多面体，获得地理信息模型。然后将轨道和道路交通作为线声源，根据各声源到预测点的声波传播条件信息计算出噪声从各声源传播到预测点的声衰减量，进而获得预测点处的环境噪声。

2.4 应用案例

以某小区为对象进行虚拟现实场景搭建和环境噪声体验。该小区周边有1条轨道交通线路和2条城市道路，小区内有住宅及配套商业建筑。首先通过3ds Max软件建立轨道交通、道路交通及建筑的模型文件，由系统管理员通过虚拟小区交通噪声环境影响预测系统中的系统管理模块导入模型文件并加以管理。然后设计人员在场景建模模块中设置小区场景中轨道交通、道路交通及建筑的位置、方向参数和模型文件以及轨道和道路交通的发车间隔、平均车速等状态参数，基于Unity3D进行虚拟现实场景建模。接着在噪声预测模块中得到相应的地理信息模型，设置轨道和道路交通的源强信息并导入源强噪声曲线数据，计算得到虚拟现实场景中不同位置的环境噪声。源强噪声曲线数据包括倍频程声压级数据和WAV格式的噪声音频文件，该小区周边道路交通的倍频程声压级数据如图4所示。此外该小区周边地铁为地下线，其对小区环境噪声的影响很小，因此在轨道交通的源强信息中设置为忽略。最后生成的虚拟现实小区场景如图5所示。体验人员进入该虚拟现实场景中可以在场景漫游的同时体验交通噪声环境影响，该小区内环境噪声最大值为53.1dB，小于《GB3096-2008声环境质量标准》中相应的环境噪声昼间限值，虚拟小区内听到的环境噪声不会高于该数值，体验人员在虚拟小区内漫游时声环境质量较好。

图4 小区周边道路交通的倍频程声压级

图5 虚拟现实小区场景

3 结 语

本文针对建设规划环境影响评价中的环境噪声预测问题，提出一种虚拟小区交通噪声环境影响预测系统。对交通、建筑、地形、环境等数据进行整合，为环境噪声的建模、预测和体验过程提供统一数据源。利用虚拟现实技术构建小区及其周边轨道和道路交通的三维虚拟场景，并在噪声源附近设置声屏障作为可选的降噪措施。基于噪声地图技术进行环境噪声预测，实现场景漫游和环境噪声体验的同步。该系统为当前环境噪声预测结果和控制效果体验直观性差的问题提供了一种解决方案，对某小区的虚拟现实场景建模和环境噪声体验验证了该系统的有效性。