行人過(guò)街信號(hào)控制路口交通噪聲預(yù)測(cè)模型*

李 鋒 蔡 銘

(1.廣東技術(shù)師范學(xué)院汽車學(xué)院，廣東 廣州 510665；2.中山大學(xué)工學(xué)院，廣東省智能交通系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510006)

城市交通噪聲污染是影響人們生活和工作的重要環(huán)境問(wèn)題之一。對(duì)道路交通噪聲的預(yù)測(cè)是科學(xué)防治交通噪聲的重要基礎(chǔ)工作。道路交通噪聲預(yù)測(cè)模型是計(jì)算和評(píng)估交通噪聲污染程度的主要工具。長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在道路交通噪聲預(yù)測(cè)方面做了大量的研究工作，并建立了各種有效的交通噪聲預(yù)測(cè)模型[1-5]。早期的大部分模型均是在車輛勻速行駛的假設(shè)條件下建立起來(lái)，在車輛速度變化不大的道路上已達(dá)到了較高的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度，但直接應(yīng)用在道路交叉口等車輛速度變化較大的局部路段仍有一定誤差。因此，越來(lái)越多的學(xué)者開(kāi)始關(guān)注車輛加、減速頻繁的局部路段的交通噪聲預(yù)測(cè)模型和噪聲變化規(guī)律。如林郁山等[6]、蔡銘等[7]考慮車輛加、減速的影響，采用實(shí)驗(yàn)方法建立了車輛噪聲源排放模型；MAKAREWICZ等[8-10]針對(duì)車速限制和減速帶等因素的影響，建立了間斷交通流交通噪聲預(yù)測(cè)模型；王波等[11]、常玉林等[12]、王超等[13]、ABO QUDAIS等[14]分析了道路交叉口交通流的特點(diǎn)，提出了信號(hào)控制十字交叉口交通噪聲預(yù)測(cè)模型； COVACIU等[15]、蔡銘等[16]考慮車輛曲線行駛的特性，建立了環(huán)形交通口噪聲預(yù)測(cè)模型。行人過(guò)街信號(hào)控制路口是城市常見(jiàn)的道路形態(tài)之一，然而國(guó)內(nèi)對(duì)這種路口交通噪聲預(yù)測(cè)模型的研究仍不多見(jiàn)。

本研究在考慮車輛加、減速狀態(tài)下噪聲排放的基礎(chǔ)上，根據(jù)行人過(guò)街信號(hào)控制路口交通流的運(yùn)行特性，利用能量疊加原理建立行人過(guò)街信號(hào)控制路口交通噪聲預(yù)測(cè)模型，然后采用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步探討該類路口交通噪聲的分布規(guī)律。

1 模型的建立

1.1 單輛車的噪聲計(jì)算

圖1 車輛行駛階段的坐標(biāo)轉(zhuǎn)化Fig.1 Coordinate transformation of vehicle traveling process

車輛通過(guò)信號(hào)控制路口的過(guò)程可簡(jiǎn)化為兩種情況：若車輛到達(dá)路口時(shí)恰好為綠燈時(shí)間，則車輛按原來(lái)的速度勻速通過(guò)；若車輛到達(dá)路口時(shí)為紅燈時(shí)間，則車輛必須經(jīng)過(guò)勻速、減速、停車、加速、再勻速行駛的過(guò)程，對(duì)此過(guò)程進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)化(見(jiàn)圖1)，令停車點(diǎn)處的坐標(biāo)為(0,0)，停車點(diǎn)上游減速段長(zhǎng)度為l1m，停車點(diǎn)下游加速段長(zhǎng)度為l2m，預(yù)測(cè)任一時(shí)刻接收點(diǎn)(X,Y)處的噪聲。

車道上的單個(gè)車輛可看作半自由聲場(chǎng)的點(diǎn)聲源，忽略空氣吸收和障礙物的影響，對(duì)于勻速通過(guò)的車輛，接收點(diǎn)(X,Y)處的噪聲可表示為：

(1)

式中：LpC,i(X,Y)為接收點(diǎn)(X,Y)處的噪聲，dB(A)；i為車型；LC,i為單輛車勻速行駛時(shí)在參照點(diǎn)的噪聲，dB(A)；r0為車輛距參照點(diǎn)的距離，m，根據(jù)《公路建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境影響評(píng)價(jià)規(guī)范》(JTG B03—2006)，r0取7.5 m；v為勻速通行的車速，m/s；t為車輛相對(duì)于停車點(diǎn)的行駛時(shí)間，s。

將道路近似看作無(wú)限長(zhǎng)，則單輛車勻速通過(guò)時(shí)，接收點(diǎn)(X,Y)的等效聲級(jí)為：

(2)

式中：Leq1,i(X,Y)為單輛車勻速通過(guò)時(shí)對(duì)接收點(diǎn)(X,Y)產(chǎn)生的等效聲級(jí)，dB(A)；T為計(jì)算時(shí)間，s。

對(duì)于需停車的車輛，接收點(diǎn)(X,Y)的等效聲級(jí)由以下幾個(gè)過(guò)程組成：

(1) 勻速段等效聲級(jí)：

(3)

式中：LeqC,i(X,Y)為單輛車在勻速段行駛時(shí)對(duì)接收點(diǎn)(X,Y)產(chǎn)生的等效聲級(jí)，dB(A)。

(2) 減速段等效聲級(jí)：

(4)

式中：LeqD,i(X,Y)為單輛車在減速段行駛時(shí)對(duì)接收點(diǎn)(X,Y)產(chǎn)生的等效聲級(jí)，dB(A)；LD,i為車輛行駛時(shí)在參考距離r0處的噪聲,dB(A);v減為減速段的平均車速，m/s。

(3) 停車怠速時(shí)的等效聲級(jí)：

(5)

式中：LeqS,i(X,Y)為單輛車在停車怠速時(shí)對(duì)接收點(diǎn)(X,Y)產(chǎn)生的等效聲級(jí)，dB(A)；LS,i為單輛車停車怠速時(shí)在參考距離r0處的噪聲，dB(A)；tS為停車時(shí)間，s。

(4) 加速段等效聲級(jí)：

(6)

式中：LeqA,i(X,Y)為單輛車在加速段行駛時(shí)對(duì)接收點(diǎn)(X,Y)產(chǎn)生的等效聲級(jí)，dB(A)；LA,i為單輛車加速行駛時(shí)在參考距離r0處的噪聲，dB(A)；v加為加速段的平均車速，m/s。

因此，對(duì)于需停車的車輛，單輛車在整個(gè)行駛過(guò)程中，接收點(diǎn)(X,Y)的等效聲級(jí)(Leq2,i(X,Y),dB(A))為：

Leq2,i(X,Y)=10lg(100.1LeqC,i(X,Y)+100.1LeqD,i(X,Y)+
100.1LeqS,i(X,Y)+100.1LeqA,i(X,Y))

(7)

1.2 單向單車道的噪聲計(jì)算

在不出現(xiàn)二次排隊(duì)的情況下，一個(gè)信號(hào)周期內(nèi)需停車的車輛數(shù)為：

(8)

式中：NS為一個(gè)信號(hào)周期內(nèi)需停車的車輛數(shù)，輛；q為車輛平均到達(dá)率，輛/s；tr為紅燈時(shí)間，s；S為飽和流量，輛/s。

一個(gè)信號(hào)周期內(nèi)可直接通行的車輛數(shù)為：

NC=q(tr+tg)-NS

(9)

式中：NC為一個(gè)信號(hào)周期內(nèi)可直接通行的車輛數(shù)，輛；tg為綠燈時(shí)間，s。

在停車排隊(duì)的車輛中，第j輛車的停車時(shí)間為：

(10)

式中：tSj為停車車輛中第j輛車的停車時(shí)間，s。

設(shè)第i種車型的流量比例為pi，共有w種車型，則一個(gè)信號(hào)周期內(nèi)，可直接通行車輛的等效聲級(jí)為：

(11)

式中：LeqCC(X,Y)為一個(gè)信號(hào)周期內(nèi)直接通行車輛對(duì)接收點(diǎn)(X,Y)處產(chǎn)生的等效聲級(jí)，dB(A)。

對(duì)于停車排隊(duì)的車輛，由于各車的停車位置和停車時(shí)間不同，假設(shè)停車排隊(duì)時(shí)的車輛間距為dm，則第j輛車對(duì)接收點(diǎn)(X,Y)產(chǎn)生的等效聲級(jí)可以用(X+j·d,Y)代替式(7)中的(X,Y)進(jìn)行計(jì)算。其中，在單輛車停車怠速等效聲級(jí)計(jì)算時(shí)，單輛車的停車時(shí)間根據(jù)式(10)計(jì)算。綜上，停車排隊(duì)的車輛在接收點(diǎn)(X,Y)產(chǎn)生的等效聲級(jí)為：

(12)

式中：LeqSC(X,Y)為停車排隊(duì)的車輛在接收點(diǎn)(X,Y)產(chǎn)生的等效聲級(jí)，dB(A)。

單車道在一段時(shí)間內(nèi)(通常為1 h)的等效聲級(jí)為：

(13)

式中：LeqLane(X,Y)為單車道在一段時(shí)間內(nèi)對(duì)接收點(diǎn)(X,Y)處產(chǎn)生的等效聲級(jí)，dB(A)；tC為信號(hào)周期，s。

1.3 雙向多車道的噪聲計(jì)算

對(duì)于雙向多車道的道路，以道路中心線為x軸，兩停車線距離的中點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)建坐標(biāo)系(見(jiàn)圖2)，假設(shè)兩停車線之間的距離為lm；道路中心線到第一車道的距離為d0m；車道寬度為dLm。由于坐標(biāo)改變，可用(X+l/2,Y+d0+(n-1)dL)代替式(13)中的(X,Y)，得到正向第n車道的噪聲。由于正向和反向車道具有中心對(duì)稱性，因此可用坐標(biāo)變換的方法計(jì)算反向車道的噪聲。反向第n車道的噪聲則可用(-X+l/2,-Y+d0+(n-1)dL)代替式(13)中的(X,Y)進(jìn)行計(jì)算。因此，雙向多車道對(duì)接收點(diǎn)(X,Y)產(chǎn)生的等效聲級(jí)為：

(14)

式中：Leq(X,Y)為雙向多車道對(duì)接收點(diǎn)(X,Y)產(chǎn)生的等效聲級(jí)，dB(A)；m為單向車道數(shù)。

2 模型驗(yàn)證

對(duì)廣州市新港東路某行人過(guò)街信號(hào)控制路口的交通流量和交通噪聲進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量時(shí)間為上午9：00—12：00。共布設(shè)11個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)平行于道路分布，監(jiān)測(cè)點(diǎn)間的距離為30 m，監(jiān)測(cè)點(diǎn)高度均為1.2 m，如圖2所示。該道路為雙向8車道，車道寬度約3.5 m。交通流受兩方向的交通信號(hào)控制，綠燈時(shí)間為50 s，紅燈時(shí)間為40 s。交通噪聲采用CENTER322型聲級(jí)計(jì)進(jìn)行測(cè)量，每隔1 s記錄一次A計(jì)權(quán)聲級(jí)。用測(cè)速計(jì)測(cè)得該道路的平均車速為61.2 km/h。交通量采用人工計(jì)數(shù)法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表1所示。

圖2 雙向多車道坐標(biāo)轉(zhuǎn)化Fig.2 Coordinate transformation of multilane two-way streets

表1 交通量統(tǒng)計(jì)

表2 車輛噪聲排放測(cè)量結(jié)果

在前期工作中，對(duì)大型車、中型車、小型車3種車型的車輛在勻速、加速、減速和停車時(shí)排放的噪聲進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)量，結(jié)果如表2所示[17]。

為比較本模型(以下簡(jiǎn)稱信號(hào)控制路口模型)與不考慮車輛加、減速影響的長(zhǎng)直道路交通噪聲預(yù)測(cè)模型[18](以下簡(jiǎn)稱長(zhǎng)直道路模型)的差別，用實(shí)測(cè)的車流量、車流速度、信號(hào)周期等參數(shù)分別代入2個(gè)模型進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算時(shí)間取1 h，飽和流量取1 800 輛/h，加速段和減速段的長(zhǎng)度均設(shè)為80 m，單輛車的噪聲排放按表2進(jìn)行計(jì)算。

將兩種模型預(yù)測(cè)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)等效聲級(jí)計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖3所示。可以看出，由于車輛行駛速度的變化，路口附近噪聲也有不同程度的起伏。不考慮車輛加、減速影響的長(zhǎng)直道路模型不能反映路口附近的噪聲變化，而本研究構(gòu)建的信號(hào)控制路口模型預(yù)測(cè)與實(shí)測(cè)值吻合相對(duì)較好。信號(hào)控制路口模型對(duì)路口上游(負(fù)坐標(biāo)段)停車線附近(-60～-30 m)噪聲的預(yù)測(cè)值普遍低于實(shí)測(cè)值，原因可能由小部分車輛在停車線附近鳴笛引起。另外，部分車輛剎車時(shí)產(chǎn)生的噪聲也將導(dǎo)致實(shí)測(cè)值偏高。此外，信號(hào)控制路口模型在路口上游段的預(yù)測(cè)效果較好，預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值較一致，而在路口下游段(正坐標(biāo)段)，預(yù)測(cè)值比實(shí)測(cè)值高，最大誤差約3 dB(A)。主要原因有兩方面：一是路口下游段模型計(jì)算輸入的車速與實(shí)際車速可能存在一定偏差，即實(shí)際車輛經(jīng)過(guò)短距離的加速后車速未達(dá)到61.2 km/h；二是實(shí)測(cè)路口上游車輛排隊(duì)經(jīng)過(guò)路口時(shí)，交通量均勻分布在各車道，通過(guò)路口后部分車輛為獲得較快速度而變道進(jìn)入超車道，使路口下游靠近噪聲傳感器的右側(cè)車道車流量較小，而信號(hào)控制路口模型未考慮車輛變道問(wèn)題。

將信號(hào)控制路口模型與長(zhǎng)直道路模型進(jìn)行比較，并按圖2所示的坐標(biāo)系，根據(jù)兩模型預(yù)測(cè)值的差值繪制等值線圖，如圖4所示。

由圖4可見(jiàn)，與長(zhǎng)直道路模型相比，信號(hào)控制路口模型的計(jì)算結(jié)果在減速段和加速段附近均有不同程度的降低，其中減速段附近噪聲降低明顯(約3 dB(A))，在兩個(gè)方向的停車區(qū)域出現(xiàn)了關(guān)于坐標(biāo)原點(diǎn)呈中心對(duì)稱的“凹陷區(qū)”，而加速段附近噪聲則下降較少。由此可知，利用長(zhǎng)直道路模型預(yù)測(cè)行人過(guò)街信號(hào)控制路口的交通噪聲是不適宜的。

3 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)能量疊加原理和交通流相關(guān)理論建立信號(hào)控制路口噪聲預(yù)測(cè)模型，經(jīng)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)檢驗(yàn)，該模型總體能正確反映路口附近車輛的加、減速給交通噪聲帶來(lái)的影響。與不考慮車輛加、減速影響的長(zhǎng)直道路模型相比，信號(hào)控制路口模型的計(jì)算結(jié)果更接近實(shí)測(cè)值。根據(jù)信號(hào)控制路口模型預(yù)測(cè)結(jié)果，由于車輛速度下降的原因，行人過(guò)街信號(hào)控制路口減速段附近的噪聲有約3 dB(A)的下降，在兩個(gè)方向的停車區(qū)域出現(xiàn)了關(guān)于坐標(biāo)原點(diǎn)呈中心對(duì)稱的“凹陷區(qū)”，而加速段附近噪聲則下降較少。

圖3 預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值比較Fig.3 Comparison of predicted values and measured values

圖4 差值分布Fig.4 Distribution of difference

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