基于在线监测的德国铁路噪声水平分析

宣晓梅

（中国铁道科学研究院集团有限公司 节能环保劳卫研究所，北京 100081）

自1996 年欧盟在布鲁塞尔发布《未来噪声政策》绿皮书起，铁路噪声就备受关注[1]，至今依然是世界各国研究交通可持续发展政策的核心问题。日本和德国等国家对铁路行业的减振降噪工作起步较早[2]，特别是德国，很早就开始进行噪声污染防治立法工作，并不断修改完善噪声污染的相关法律和实施细则[3]，其在铁路噪声保护法关于货物列车运行的法律中规定，从2020 年12 月起，德国铁路网将完全禁止高噪声货物列车运行[4]。为执行该项法律规定，德国政府提供资金用于支持货车更换低噪声制动系统[5]，目的是从源头降噪[6]。为了监测更换制动系统后的实际降噪效果，德国于2019年首次大面积上线使用铁路噪声在线监测系统，记录以货物运输为主的铁路环境噪声影响。该噪声在线监测系统不仅能为政府提供数据来验证政府资金的产出效果，同时也开始逐渐积累噪声原始数据，为分析运营期铁路噪声变化规律提供基础数据。目前，监测网覆盖了德国全国2/3的货运网络，基本代表了整个德国货运铁路的整体水平，监测站覆盖区域的运营模式基本为客货混合运输，因此可对客货共线铁路的整体噪声水平进行监测和分析。

1 噪声自动监测系统

1.1 噪声测量站设置原则

德国在全国范围内共设置19 个在线噪声测量站，已全部投入使用。噪声测量站设置的原则包括：①测量站应基本覆盖货运繁忙的路线，并综合考虑车流量、测点环境、基础设施结构等因素，尽可能反映整个货运铁路噪声水平；②测量站周围环境需符合噪声监测的要求，选址时应避开周围环境反射面的影响和背景噪声的干扰，这是在线自动监测能够提取有效数据的基础保障；③选取典型轨道和轨枕等基础设施，同时选择未设置噪声防治措施的地段，使各测量站的测量条件相对统一，便于测量结果间的横向比较分析。

1.2 监测系统组成

噪声在线监测系统中最重要的组件主要包括传声器、车轴计数器和控制单元。传声器作为噪声采样单元，用于测量列车通过时的噪声声压级；车轴计数器用于识别运行线路并采集列车通过的具体参数，如列车行驶方向、驶入时间、通过时间、速度及列车长度等；控制单元负责接收传声器和车轴计数器的数据，经过计算后传输至中央服务器进行存储。

2 在线监测范围内铁路噪声水平分析

噪声实时监测中使用了快速测量A 计权声压级LAF(t)、AF 计权最大声压级LAFmax、通过暴露声级TEL和等效连续A计权声压级LAeq,Tp等。测试所得数据均为未设置噪声防治措施状况下的噪声值。依据ISO噪声测量标准要求[7-8]，测点位置位于距离轨道中心线7.5 m、轨面以上1.2 m 处。以下分析数据均来源于德国联邦铁路管理局[9]。

2.1 线路噪声实时水平

噪声在线监测系统采用快速测量A 计权声压级LAF(t)来记录声压级随时间的变化。某测量站1 h 内列车通过时监测系统记录的噪声实时变化曲线如图1 所示，某列车通过时的噪声变化曲线如图2所示。

从图1 可知，在线监测系统记录了每列车通过时的噪声曲线，在5:50—6:50共有14列车通过，其中1道通过6列，2道通过8列。没有列车通过时，背景噪声在40.0～55.0 dB(A)浮动，列车通过时，噪声声压级逐渐升高，达到瞬时最大值后逐渐回落。从图2可知，某列车通过时间约38 s，列车通过前，噪声从54.3 dB(A)迅速增至81.4 dB(A)，列车通过后，噪声从84.6 dB(A)迅速降至60.0 dB(A)左右，随后逐渐降到55.0 dB(A)左右，回归到背景噪声范畴。

图1 测量站列车声压级实时变化曲线

图2 列车通过时噪声变化曲线

2.2 列车参数计量

列车通过噪声自动监测系统后，列车所在轨道、列车类别、列车长度、列车速度等基本参数可以被自动识别和记录，监测系统还可以直接调取每列车通过时的噪声测量初始时间、通过时间、瞬时声压最大值及列车通过噪声暴露声压级等参数。表1为某噪声测量站2022 年某日凌晨30 min内通过列车的参数。

从表1可知，该时段共有6列车通过，包含5列货物列车、1列旅客列车。由于列车长度短且速度相对较高，旅客列车的通过时间明显小于货物列车通过时间，货物列车因列车长度和速度不同使得通过时间有所差异。在该段时间内，列车噪声暴露声级最低74.1 dB(A)、最高96.2 dB(A)，列车瞬时声压最高值可达91.0 dB(A)，从数据变化可以看出，数据的随机性较大，说明列车噪声不是单纯某一种因素造成，而是与列车经过时的速度、列车类型、列车长度等因素相关。

表1 某噪声测量站通过列车参数

2.3 铁路网整体噪声水平分布

为宏观反映德国客货混线铁路整体噪声水平，随机抽取某周期(32 d)内所有测量站的24 h 等效连续A计权声压值(时间为24 h(6:00—次日6:00))，将所有数据在客货共线铁路整体噪声水平图(见图3)罗列，并将数据按步长为1 dB(A)进行值域划分，形成客货共线铁路噪声值分布图(见图4)。

图3 客货共线铁路每日整体噪声水平

图4 客货共线铁路噪声值分布

从图3 可知，全线客货混线铁路24 hLAeq,Tp平均值在71.3 dB(A)左右。从图4 值域分布图可以得出，89.0%的噪声值在67.1～76.1 dB(A)区域范围内。其中，64.9%的噪声数据集中在[69.1，74.1]，24.1%的噪声数据位于其两侧各2 dB(A)的区域范围内，即10.9%的噪声数据∈(67.1，69.1]，13.2%的噪声数据∈(74.1，76.1]。

2.4 各监测站噪声水平分析

经过一段运营后，各测量站已趋于稳定，测量数据也相对稳定。对各测量站噪声水平进行分析有助于了解地区铁路噪声水平并有针对性提出治理措施。各测量站月均噪声水平如图5所示。

从图5可知，各测量站月均噪声水平在72.2 dB(A)左右，但各站噪声水平波动较大，噪声值在66.0～76.0 dB(A)范围内波动，最高值与最低值相差近10.0 dB(A)左右。根据车流量选取测量站，特别考虑了货物列车占比，所以各测量站噪声水平差异与车流量相关。

图5 测量站月均噪声水平

3 车流量对噪声水平的影响分析

在测点环境和基础设施结构基本相似的情况下，车流量是影响噪声水平的重要因素。利用噪声在线监测系统采集的列车行驶信息数据，计算各测量站每月列车总车流量和货物列车车流量，如图6所示。

图6 列车车流量

从图6 可知，各测量站月均噪声水平走向与货物列车车流量趋势走向基本一致。除第2、11和14号测量站外，其他测量站货物列车流量曲线与总车流量基本保持一致。图中2 号测量站车流总量最大、月均超过8 700 列，但其噪声水平并未升高，观察其货物列车流量曲线可知该测量站货物列车较少，只占全线货物列车平均车流量的1/2 左右。13 号测量站平均噪声水平最低，其测量站货物列车流量最小，为最高货物列车车流量的1/5左右。

选取具有相似车流总量、不同货物列车流量的2号和5号测量站进行比较，数据如表2所示。

从表2可以看出，2个测量站车流总量大致相同，但噪声水平相差3.0 dB(A)，原因在于5号测量站的货物列车数量约为2号测量站的3倍，因而噪声较高。

表2 测量站噪声水平比较

综上所述，货物列车的车流量相较于车流总量而言对噪声的影响更大，车流总量相同的情况下，货物列车流量越大，噪声水平越高，说明货物列车流量是影响铁路噪声整体水平的关键因素，下一步将结合大数据，寻找铁路噪声与车流量、列车类型间的量化关联，为基于噪声水平的车流量优化设计提供理论基础。

4 结论

（1）德国目前开通的铁路噪声在线监测系统覆盖了全线2/3 的货运铁路网络，基本代表了整个铁路网的货运水平。

（2）噪声监测系统可以反馈线路噪声实时水平，识别并记录通过列车的类别、长度、速度等基本参数。

（3）全线客货混线铁路每天昼夜等效声压均值在71.3 dB(A)左右。89%∈[67.1，76.1]dB(A)，其中64.9%∈[69.1，74.1]dB(A)，10.9%∈(67.1，69.1]dB(A)，13.2%∈(74.1，76.1]dB(A)；各测量站月均噪声在66.0～76.0 dB(A)之间，波动较大。

（4）货物列车流量是影响铁路噪声水平的关键因素。车流总量相同的情况下，货物列车流量越大，噪声水平越高。基于噪声水平进行的货物列车流量优化设计将有助于铁路噪声的管理。